用于傳導(dǎo)式冷卻的、有空隙的、高透磁率的磁性組件的線軸設(shè)計(jì)的制作方法
【專利說明】用于傳導(dǎo)式冷卻的、有空隙的、高透磁率的磁性組件的線軸設(shè)計(jì)
[0001]相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年12月5日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/733831的申請(qǐng)日權(quán)益，其內(nèi)容通過引用納入本申請(qǐng)。
【背景技術(shù)】
[0003]于2003年7月8日提交的美國(guó)專利公開號(hào)2004/0036568公開了由在受熱狀態(tài)下僅有輕微形變的耐熱塑料樹脂所形成的線圈線軸。所公開的線圈線軸包括磁線繞其卷繞的芯外殼。磁芯包括兩個(gè)磁芯區(qū)段。芯外殼的內(nèi)表面包括芯間隔機(jī)構(gòu)，該芯間隔機(jī)構(gòu)控制插入在芯外殼內(nèi)的磁芯的位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]提供一線圈形成器(在本申請(qǐng)中也稱為線軸)，用于含有氣隙的傳導(dǎo)式冷卻的磁性組件。所公開的線軸的直徑增大，且創(chuàng)建肋/花鍵或翼片以保持繞組以磁芯中心柱為中心，同時(shí)允許以導(dǎo)熱硅膠或其等價(jià)物為基礎(chǔ)的密封劑填充線圈形成器和芯之間的空隙，該線圈形成器、繞組和/或二者取決于定位翼片的放置。所公開的線軸可由傳統(tǒng)的注塑樹脂或高導(dǎo)熱性的樹脂制成。由于所公開的線軸設(shè)計(jì)，增大了可實(shí)現(xiàn)的功率密度，同時(shí)維持了可接受的溫度。
[0005]通過參考說明書的其余部分和附圖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步理解。
【附圖說明】
[0006]圖1示出了具有繞組的示例性線軸的正視圖。
[0007]圖2示出了圖1所示的具有芯部分的線軸的俯視圖。
[0008]圖3示出了圖1所示的線軸的正視圖。
[0009]圖4示出了圖3所示的線軸的截面圖。
[0010]圖5A示出了示例性磁性組件的俯視圖，該磁性組件的線軸具有外部間隔件和內(nèi)部間隔件。
[0011]圖5B示出了圖5A中的磁性組件的俯視圖，該磁性組件的線軸具有向內(nèi)間隔件。
[0012]圖5C示出了圖5A中的磁性組件的俯視圖，該磁性組件的線軸具有向外間隔件。
[0013]圖示出了圖5A中的磁性組件的俯視圖，該磁性組件的線軸具有由部件連接的同心柱形壁。
[0014]圖5E示出了圖5A中的磁性組件的俯視圖，該磁性組件的線軸具有波浪形部件。
[0015]圖6示出了磁性組件的橫截面和用于密封材料的注射針。
[0016]圖7示出了方法的示例性流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]提供一線圈形成器(在本申請(qǐng)中也稱為線軸)，用于傳導(dǎo)式冷卻的磁性組件。該磁性組件在高透磁率的路徑上有氣隙，這在有空隙的鐵氧體電感器和變壓器中是常見的。當(dāng)繞組被隔開遠(yuǎn)離包含一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)/磁通密度的區(qū)域時(shí)，總繞組損失減小，而且高透磁率的路徑上的氣隙產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。氣隙僅被放置在中心腿部以包含磁場(chǎng)，但卻很難從所述芯和中心繞組中將熱散出。繞組和芯之間的間隔加大，以減少功率損失，而該間隔用于傳導(dǎo)冷卻。新線軸的直徑增大，且創(chuàng)建肋/花鍵或翼片以保持繞組以芯中心柱為中心環(huán)繞，同時(shí)允許以導(dǎo)熱硅膠或其等價(jià)物為基礎(chǔ)的密封劑填充從繞組到線軸以及從線軸到芯的空隙?，F(xiàn)有的線軸不提供線軸和芯之間的通道以用于密封，從而允許氣泡在該區(qū)域發(fā)展。
[0018]在一些實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的線軸設(shè)計(jì)允許導(dǎo)入密封劑以填充線圈形成器和芯之間的期望空間，該線圈形成器、繞組和/或二者取決于定位翼片的放置。該線圈形成器可由傳統(tǒng)的注塑樹脂或高導(dǎo)熱性樹脂制成，比如熱填充LCP，PPS樹脂(即2-20W/mK)，以獲得期望的熱路徑。由于所公開的線軸設(shè)計(jì)，增大了功率磁性組件的可實(shí)現(xiàn)功率密度，因?yàn)樵诟〉目臻g里可以處理更大的功率，同時(shí)在組件系統(tǒng)內(nèi)維持可接受的溫度。
[0019]在一些實(shí)施方式中，本設(shè)計(jì)的附加優(yōu)點(diǎn)包括(i)因?yàn)楦嗟谋砻鎱^(qū)域引導(dǎo)密封劑的傳導(dǎo)性冷卻，芯的應(yīng)力減小了 ；(ii)因?yàn)槊芊夤に嚳赡懿恍枰婵栈驂毫?，易于組裝；
(iii)增加將密封劑暴露于周圍空氣和大氣壓力的表面積以適應(yīng)密封劑的CTE(熱膨脹系數(shù))?？赡艽嬖谟欣诒３置芊鈩┻h(yuǎn)離繞組的較高溫度的情形，以滿足針對(duì)UL和其他認(rèn)證的密封劑的RTI。
[0020]注意，鑒于與螺線制造相關(guān)的困難，使線軸具有中心對(duì)準(zhǔn)的翼片(如部分附圖所示)將會(huì)是有益的。取決于需要額外冷卻的區(qū)域，還可以使用垂直花鍵。使用特氟龍(Teflon)擠壓或硅膠線絕緣系統(tǒng)允許線軸壁和翼片定位器的更大靈活性，同時(shí)仍滿足UL或同等材料的熱規(guī)范。
[0021]在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明解決了如何對(duì)功率磁性組件進(jìn)行散熱并同時(shí)增大其總功率密度的問題。在優(yōu)選實(shí)施方式中，所開發(fā)的設(shè)計(jì)使用用于充電器的隔離變壓器設(shè)計(jì)，該充電器為在150-300kHz之間工作的3.7kff LLC諧振變換器。用于該變換器的隔離變壓器需要具備穩(wěn)定的磁化電感，作為諧振槽的一部分，該諧振槽由使用具有空隙的高透磁率功率鐵氧體材料而完成。
[0022]優(yōu)選地，通過將繞組間隔遠(yuǎn)離空隙以減少繞組損失，該空隙本身導(dǎo)致較低的繞組損失。本發(fā)明通過硅膠密封劑或等效物利用該空間以傳導(dǎo)冷卻所述繞組和芯，從而增大組件的可實(shí)現(xiàn)功率密度。
[0023]圖1示出了具有繞組102的示例性線軸100的正視圖。線軸配置用于傳導(dǎo)式冷卻的磁性組件，比如變壓器或諧振電感器，并至少將磁性組件的一條腿(將在下文舉例說明)插入中心腔104。在一些實(shí)施方式中，磁性部件的一個(gè)或多個(gè)實(shí)例可以包括在電動(dòng)車輛的功率電子組件內(nèi)，比如在其充電器組件內(nèi)。例如，電動(dòng)車輛的車載充電器可以有三套這樣的磁性組件，其中每個(gè)磁性組件包括一個(gè)變壓器和一個(gè)諧振電感器。
[0024]線軸110可由導(dǎo)熱材料制成。在一些實(shí)施方式中，芯中所產(chǎn)生的熱(比如，由相對(duì)的芯腿部之間的空隙內(nèi)的邊緣場(chǎng)所導(dǎo)致的)可從芯中心導(dǎo)出并進(jìn)入線軸材料內(nèi)。在芯腿部之間的空隙內(nèi)可以提供密封材料以形成針對(duì)該熱的熱通路。這樣的密封材料可以接觸導(dǎo)熱線軸。例如，該線軸可由提供數(shù)倍于標(biāo)準(zhǔn)塑料材料的熱導(dǎo)率的樹脂制成。導(dǎo)熱線軸可將所生成的熱排斥到其他地方，比如進(jìn)入周圍環(huán)境或進(jìn)入散熱器。
[0025]在該示例中，線軸的內(nèi)表面106被示出為基本上平滑的柱形表面。在一些實(shí)施方式中，在線軸內(nèi)部可以提供一個(gè)或多個(gè)間隔件。其中，彼此互補(bǔ)且位于腔體外部的結(jié)構(gòu)108被配置為以抵靠芯腿部的方式充當(dāng)間隔件。
[0026]特征110可用作將線軸安裝(可選地，在將磁芯部分裝配在該線軸之后)進(jìn)容器或其他包圍件(未示出)，比如鋁殼。例如，兩個(gè)E-形的芯部分可一起安裝，這樣其各自的腿部互相抵靠(或形成預(yù)定的空隙)。作為另一個(gè)例子，可以使用U-形的芯。此外，特征112還可以用于安裝作為磁性組件的電連接的一部分的針和/或端子。
[0027]繞組102包括在成品磁性設(shè)備的運(yùn)行中將會(huì)涉及的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)線層。例如，該繞組可以包括一個(gè)或多個(gè)與初級(jí)或次級(jí)繞組對(duì)應(yīng)的繞組區(qū)段，或可以包括單個(gè)繞組。
[0028]圖2示出了圖1所示的具有芯部分200的線軸100的俯視圖。也就是說，線軸和芯部分現(xiàn)已組裝作為磁性組件的制造過程的一部分。芯部分是由磁性材料(例如，陶瓷基體中的鐵氧體)，并包括一個(gè)或多個(gè)芯腿。芯部可以包括左腿202A，中心腿202B和右腿202C。這里，中心腿具有圓形輪廓，并且另外兩個(gè)腿基本上是矩形。此后，在裝配中，可以添加相對(duì)的芯部，作為對(duì)已示出芯部的補(bǔ)充。
[0029]中間腿200B和線軸100的表面之間形成一個(gè)間隙202，其可部分或完全地填充有密封劑材料。例如，這樣的材料可以是熱傳導(dǎo)性硅膠基化合物，其在注射階段(即，磁性組件在制備過程中)是液體，且后來凝固或固化成固相。例如，該凝固可以隨著時(shí)間的推移而發(fā)生，或由于溫度的升高(比如在烤箱中)而觸發(fā)。
[0030]圖3示出了圖1中的線軸100的正視圖。此處，為清晰起見，未示出線軸的繞組以及芯部。在本實(shí)施例中，線軸是單壁的，并在其外表面具有間隔件300，在其內(nèi)表面具有間隔件302。間隔件300可以用于創(chuàng)建線軸與繞組之間的間隙；即，繞線將圍繞線軸被纏繞到間隔件300上。間隔件302可以用于創(chuàng)建線軸和芯的中心腿之間的間隙；即，間隔件確保中心腿不直接接觸線軸。
[0031]這樣產(chǎn)生的空間可以用于一個(gè)或多個(gè)目的。例如，空間可提供一個(gè)或多個(gè)通道用于插入密封材料，它可以用作熱路徑以從磁性組件的中心移除熱量。作為另一個(gè)例子，該空間可以提供繞組和芯腿之間的間隙之間的分隔；這種分隔可降低繞組損耗。
[0032]在圖示的例子中，針304被安裝在線軸100上。
[0033]圖4示出了圖3所示的線軸的截面圖。線軸的外表面400被構(gòu)造成具有一個(gè)或多個(gè)形成在其上或附著于其上的外間隔件。為清楚起見，未示出該外間隔件。內(nèi)表面402具有在其上形成或附著其上的間隔件302。此處，內(nèi)間隔件基本上是線性的，且基本上在芯中心腿將被插入的方向上延伸。
[0034]一些內(nèi)間隔件，與其他內(nèi)隔件相比，可具有不同的定向或具有不同的長(zhǎng)度或尺寸。例如，這里內(nèi)間隔件302A被構(gòu)造成抵靠密封件404 (例如，O形環(huán))，而內(nèi)間隔件302B被配置為創(chuàng)建一個(gè)鄰近密封件的開口 406。例如，這樣的開口有助于提供熱通路，因?yàn)樗鼈冇兄诿芊獠牧狭魅氪判圆考母鱾€(gè)區(qū)域。在組裝過程中，密封件可以被安裝在中心芯腿上，并且當(dāng)該腿被插入在線軸的腔體中時(shí)，較長(zhǎng)間隔件(即，間隔件302A)有助于將密封件放置在正確的位置。換言之，間隔件302A和密封件之間的接觸可確保線軸相對(duì)于芯的正確位置。
[0035]S卩，在線軸(內(nèi)側(cè)和/或外側(cè))附近可提供間隔，并且這種間隔然后可以部分或完全填充有密封劑材料。間隔可以以任何的各種方式被創(chuàng)建，如下文所即將描述的。圖5A示出了示例性磁性組件500的俯視圖，該磁性組件的線軸502具有外部間隔件504和內(nèi)部間隔件506。在這些示意圖中，磁性組件是在正被制造的過程中，但還沒有準(zhǔn)備好作為磁性組件來使用。該線軸包圍磁芯中心腿508并被繞組510所包圍。該種實(shí)現(xiàn)和類似實(shí)現(xiàn)的特征在于它們?cè)试S密封材料位于芯和繞組二者的附近。這樣，所述實(shí)現(xiàn)可用于冷卻芯和繞組二者。
[0036]內(nèi)部和/或外部間隔件可以以不同方式定向。例如，所述間隔件可以是基本上線性的，或弧形的。在一些實(shí)施方式中，間隔件504和/或506可彼此在一個(gè)或多個(gè)方向錯(cuò)開。
[0037]圖5B示出了圖5A中的磁性組件500的俯視圖，該磁性組件的線軸512具有向內(nèi)間隔件514。即，相鄰的間隔件形成用于密封材料的通道，