用于smc電感器的熱管理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明一般涉及制造有用于有效冷卻的熱管理系統(tǒng)的軟磁性可模塑材料電感器。更具體而言，本發(fā)明涉及用于不管能量儲量(energy content)如何冷卻此類電感器同時(shí)維持高效率的系統(tǒng)。根據(jù)能量儲量，該系統(tǒng)還具有其他技術(shù)益處，諸如例如導(dǎo)致明顯更小的單元、更緊湊的設(shè)計(jì)、以及簡化的安裝設(shè)置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著頻率增加以及電感器中的能量儲量增長，電感器通常是使用例如以下來制造的:1)具有不同厚度(即，0.5mm 0.35mm, 0.22mm, 0.10mm)的層疊鋼板，具體取決于頻率，2)無定形磁性材料，3)制造為E、C或U形芯或I形或環(huán)形線圈形芯的鐵氧體或加壓軟磁性復(fù)合(SMC)材料，其可被粘結(jié)在一起以制造更大的單元和罐形芯。所有這些技術(shù)存在的共同問題在于:將有效的液體冷卻引入其結(jié)構(gòu)帶來對i的相當(dāng)大的機(jī)械挑戰(zhàn)。液體冷卻技術(shù)通常需要各種連接點(diǎn)，從而產(chǎn)生泄漏風(fēng)險(xiǎn)以及額外的制造步驟。另一個(gè)問題在于:用已知且簡單的方法(諸如使用平面液體或氣冷散熱器)同時(shí)冷卻導(dǎo)線和芯材料是極具挑戰(zhàn)性或者不可能的。而且，由于這些單元是從標(biāo)準(zhǔn)芯材料制造這一事實(shí)，優(yōu)化的可能性被限制。而且，由于制造中的挑戰(zhàn)，從加壓材料制造的一些形狀在特定尺寸以上無法獲得。此外，用所述技術(shù)制造的電感器在芯和線圈材料之間不具有直接熱連接且其機(jī)械結(jié)構(gòu)如此，使得不可能產(chǎn)生完全熱同質(zhì)的設(shè)計(jì)。這帶來了電感器的結(jié)構(gòu)中的低效和脆弱。
[0003]具有封裝在其結(jié)構(gòu)內(nèi)的線圈(例如，罐形芯或軟磁性可模塑材料芯)的電感器的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是:源自該線圈的與電阻性且高頻率有關(guān)的損耗被封裝在該電感器的結(jié)構(gòu)內(nèi)。更高的頻率進(jìn)而增大電感器的電阻，從而進(jìn)一步影響其溫度和損耗。高頻率還帶來線圈內(nèi)的表皮和鄰近效應(yīng)，從而甚至進(jìn)一步增加線圈內(nèi)的溫度和損耗。
[0004]封裝在傳統(tǒng)罐形芯內(nèi)的線圈通常繞在標(biāo)準(zhǔn)繞線管上。因?yàn)檫@樣的繞線管通常具有非常低的導(dǎo)熱性，所以這在此類電感器內(nèi)的頂部、底部和中心帶來了熱阻擋。罐形芯要么被制造成半開放式芯以允許對線圈進(jìn)行氣體冷卻，要么在連接線纜出口處是開放的。在后一種情況下，通常用基于導(dǎo)熱聚合物的材料來填充它們以獲得與僅僅空氣相比較好的熱屬性。然而，這些材料的熱屬性在導(dǎo)熱性方面總是相對地，通常不超過1.5ff/m*Ko
[0005]其他熱激勵(lì)電感器設(shè)計(jì)包括使用針對電感器的鋁外殼，其隨后被用如上所述的類似的基于導(dǎo)熱聚合物的材料來填充。基于不同的芯材料，此類電感器設(shè)計(jì)包括C形、U形或E形芯，其中線圈繞在標(biāo)準(zhǔn)繞線管上且隨后被置于兩個(gè)芯之間，這兩個(gè)芯之間通常有分離的氣隙。線圈或芯隨后抵靠鋁外殼放置，該鋁外殼通常安裝在或連接到散熱器上。此類設(shè)計(jì)中的一些設(shè)計(jì)還包括將用于水冷的冷卻管線包括在內(nèi)。這些設(shè)計(jì)的問題與上面所述的一樣。它們在其設(shè)計(jì)中不是熱同質(zhì)的。在線圈和芯材料之間沒有允許熱傳導(dǎo)的直接熱耦合。導(dǎo)熱“罐形化材料(potting material) ”具有相對低的導(dǎo)熱屬性。僅存在將線圈或芯材料抵靠外殼/冷卻放置的可能性。如果此類電感器是液體冷卻的，則這需要復(fù)雜的機(jī)械挑戰(zhàn)來有效地在其結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)這種冷卻。液體冷卻通常還將需要各種連接點(diǎn)，從而產(chǎn)生泄漏風(fēng)險(xiǎn)以及額外的制造步驟。一個(gè)額外且重要的缺點(diǎn)是:需要額外且昂貴的鋁外殼以及圍繞電感器的罐形化材料，這也增加了重量且在進(jìn)一步的技術(shù)產(chǎn)品內(nèi)占據(jù)了更多空間。
[0006]對于具有封裝在其結(jié)構(gòu)內(nèi)的線圈(即，罐形芯或軟磁性可模塑材料芯)的電感器應(yīng)用確保制造不變熱的電感器的可能性的系統(tǒng)變得尤其重要，該系統(tǒng)即，以最高效的方式提取因在導(dǎo)線中產(chǎn)生的損耗所生成的熱的系統(tǒng)。如果沒有實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，則單元變得過大、重且昂貴。在一些情況下，即，高于特定能量儲量時(shí)，此類電感器變得實(shí)際上不可能使用當(dāng)前技術(shù)來制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]取決于能量儲量，下面描述的實(shí)施方式被包括在所要求保護(hù)的發(fā)明中。外部因素(諸如環(huán)境溫度、周圍氣流強(qiáng)度以及交換頻率中包含的電流容量)，脈動(dòng)或諧波影響該系統(tǒng)的不同等級的劃界并可能使其在實(shí)用性中重疊。然而，所要求保護(hù)的發(fā)明中的實(shí)施方式處于與增加的能量儲量相關(guān)的適用性的正確量級但是外部因素也可能影響每種方法的可行性，諸如成本、效率要求、空間限制、以及進(jìn)一步技術(shù)產(chǎn)品中的優(yōu)選冷卻方法和材料。
[0008]本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是改善當(dāng)前最新技術(shù)，以解決上述問題，并提供具有增強(qiáng)的冷卻的改善的電感器。這些和其他目標(biāo)通過一種電感器來實(shí)現(xiàn)，該電感器具有線圈和芯，其中所述芯由軟磁性復(fù)合物(SMC)(優(yōu)選地由包含軟磁性可模塑材料的子組)制成，所述線圈由環(huán)形纏繞的電導(dǎo)體構(gòu)成，所述線圈被基本整合到所述芯內(nèi)以使得所述芯材料充當(dāng)傳導(dǎo)來自所述線圈的熱的導(dǎo)熱體，所述導(dǎo)熱體具有高于1.5W/m*K、更優(yōu)選地高于2W/m*K、最優(yōu)選地高于3W/m*K的導(dǎo)熱率，其中所述電感器與至少一個(gè)熱連接固定件熱連接，其中所述至少一個(gè)熱連接固定件適合于連接至第一外部熱接收體以便將來自所述電感器的熱傳導(dǎo)至所述第一外部熱接收體。所述熱連接固定件是適合于被用來將熱從所述電感器傳導(dǎo)到所述外部熱接收體的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。作為額外特征，所述熱連接固定件還可被用來緊固所述電感器并且例如具有用于安裝到所述外部熱接收體的螺紋。所述外部熱接收體可以是傳統(tǒng)散熱器、適合于連接至散熱器的導(dǎo)熱安裝板、水冷塊、將熱帶走的導(dǎo)熱體等。術(shù)語“熱連接”應(yīng)當(dāng)被解釋為緊密連接以使得熱被從所述電感器芯和/或線圈傳輸?shù)剿鰺徇B接固定件。為確保所述電感器和所述第一外部熱接收體之間的良好熱傳輸，可在所述第一外部熱接收體的表面和所述電感器和/或所述熱連接固定件之間放置熱傳輸膠以促進(jìn)到所述第一外部熱接收體的良好熱傳導(dǎo)。使用熱傳輸膠的第二個(gè)原因是，該膠還減少來自所述電感器的振動(dòng)的傳遞，所述振動(dòng)可能來自所述電感器中的交變電流和磁場。
[0009]因?yàn)樵摼€圈被整合到該芯中，該芯將具有到該芯的良好熱連接以使得該芯可將來自該線圈的熱傳導(dǎo)到例如該至少一個(gè)熱連接固定件或直接到該熱接收體。為了優(yōu)化該線圈中生成的熱的傳輸，重要的是，該線圈在該線圈的徑向上具有良好的導(dǎo)熱性以使得熱被傳導(dǎo)到該芯和/或熱連接固定件。即，該導(dǎo)熱性在該線圈的各線之間應(yīng)當(dāng)很高。也很重要的是，在該線圈和該芯之間所需的電絕緣具有盡可能良好的導(dǎo)熱性以便熱被高效地從該線圈傳導(dǎo)到該芯和/或該至少一個(gè)熱連接固定件。
[0010]通過本發(fā)明，該電感器可被有效冷卻且現(xiàn)有技術(shù)的不足被減少或避免。因?yàn)樵摕徇B接固定件高效地散發(fā)熱，該電感器可被制造得尺寸更小且可在更靠近其他裝備的更小腔室內(nèi)使用。
[0011]進(jìn)一步優(yōu)選的是，所述至少一個(gè)熱連接固定件被模塑到所述芯中，以優(yōu)化該熱連接固定件和該電感器芯之間的熱連接以進(jìn)而優(yōu)化到該外部熱接收體的熱傳導(dǎo)。
[0012]進(jìn)一步優(yōu)選的是，所述芯具有一形狀，所述形狀適合于放大與所述電感器的至少底部側(cè)之間的熱連接表面并被調(diào)整為被放置在熱接收體的平坦表面上，其中所述電感器的直徑約為高度的至少兩倍。通過與最優(yōu)的圓環(huán)形狀比而具有平坦的電感器，以及通過改造該電感器的底部側(cè)以使得其可具有到該外部熱接收體的最優(yōu)熱連接，從該電感器到該熱接收體的導(dǎo)熱性被進(jìn)一步提升。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述熱連接固定件為沿所述電感器的中心軸凸出穿過所述電感器的中心的居中可拆卸安裝的螺絲/桿或具有所述螺絲/桿。因?yàn)樵撾姼衅魇恰疤鹛鹑Α毙蔚那彝ǔ＞哂醒卦撝行妮S的空隙，該“甜甜圈”中的“孔”可被用來例如通過穿過該孔的桿或螺絲來緊固該電感器。通過促進(jìn)該螺絲/桿和該電感器之間的熱連接以及通過使該螺絲與該外部熱接收體熱連接，該電感器將被該螺絲/桿冷卻。該螺絲桿優(yōu)選地被緊固在該外部熱接收體中，將該電感器抵靠該外部熱接收體按壓。
[0014]該熱連接固定件還可以是填充該電感器中心的孔的結(jié)構(gòu)，以使得其具有到該電感器芯和/或線圈的熱連接。螺絲/桿隨后可被置于該熱連接固定件中間以緊固并按壓該電感器和該熱連接固定件到該第一外部熱接收體。
[0015]該熱連接固定件優(yōu)選地沿該電感器的中心軸跟隨(after)磁場成形為例如沙漏形，以減少對該電感器的磁場的負(fù)面影響。該沙漏優(yōu)選地適合于將螺絲/桿接收在中心內(nèi)以緊固和按壓該電感器和熱連接固定件到該第一外部熱接收體。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面，該至少一個(gè)熱連接固定件被整合到所述芯中，與所述線圈熱連接。當(dāng)該線圈生成熱時(shí)，到該線圈的直接熱連接將更有效地將熱導(dǎo)走。減少熱量因此被進(jìn)一步提升，從而導(dǎo)致構(gòu)造更小的電感器和/或在