最佳电感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及一种最佳电感器设计。更具体地，本发明涉及如权利要求1的介绍部分所定义的一种用于电感器的线圈、如权利要求6的介绍部分所定义的一种用于电感器的磁心、以及如权利要求8的介绍部分所定义的一种包括此线圈和此磁心的电感器。本发明进一步涉及一种用于生产如权利要求13和15的介绍部分所定义的所述线圈和所述磁心的方法。
【背景技术】
[0002]随着日益增长的电力电子行业，电感器在诸如发电、电力质量、交流驱动、再生驱动等的应用中变得越来越重要。电感器通常是所使用的设备中的关键组件并且通常决定了所讨论的设备的效率和性能。应用中尤其存在问题的区域是电感器必须同时处理例如50Hz的基本频率而同时从最终信号中过滤掉例如由开关模式电源生成的更高频率。同样地，电力电子学通常是已成为当今电力质量行业的最大担忧之一的有害谐波失真之源。
[0003]常规电感器通常由或者是线圈管上或者是空中或者是至铁(固体、分层或铁氧体)心的绕组线产生。电线则绕磁心缠绕，磁心通常具有一个气隙以控制透磁率以便不使磁心材料饱和。这是磁泄漏流、能量损耗和周围金属加热之源。如果线圈缠绕在这些气隙上，通常会存在相当大的边缘损失，导致可能难以冷却的热点。电感器通常还具有标准化的线圈管、导体和磁心材料。这不可避免地导致设计自由上的局限性，导致无效和非最佳电感器设计。
[0004]随着一种新型材料技术的诞生，在过去十年间出现了用于消除或缓解以上问题的第一步。这种新型材料技术提供了进行特别地适配、优化和集成消费品以及工业产品中的这些类型执行器的更大可能性。所讨论的材料技术是软磁金属材料与不同量的粘结剂和填充剂的复合材料，叫做软磁复合材料SMC。由SMC制成的这些组件的成形是人们极感兴趣的，因为尤其是从生产成本的视角看对高金属填充率和设计自由的要求与已知制造方法存在冲突。成功的成形工序将导致感应式组件，就较低的损耗、较小的尺寸而言，这在许多方面比常规工序优越，导致最终装置/产品中更加紧凑的集成。
[0005]此外，就能量损耗、加热和热点问题、可听频率下高电流引起的烦人声音、不必要并且无效的材料使用、较高频率下的较低效率、以及低通强度下的饱和等而言，取决于材料选择的电感器仍然存在很多问题。
[0006]行业中电感器的使用在不断增加，并且对更高性能的电感器的需求随需求而增加。高性能电感器也相对较贵。因此需要一种相对于以上所展示的问题具有改进性能的新型改进电感器。改进电感器的增强性能应该优选地以成本效益高的方式实现。
[0007]发曰月概沐
[0008]本发明的目标是改进现有技术水平，以解决以上问题并且提供对其线圈和磁心二者均有改进的改进电感器。这些目标和其他目标由一个包括一条环形缠绕在一条中央轴线(C)周围的金属线的线圈实现，其中，该电线具有一个将该绕组中的该电线的每一匝与相邻匝绝缘的电绝缘层，组成该线圈的完整绕组的形状是大致上环形的，具有大致上椭圆形的截面，并且具有O，8ff/m*K以上的体热传导。
[0009]热传导和形状由压缩装置实现，该压缩装置大量地减少线圈中出现的空气或气隙，减少能量损耗并且增加线圈的紧凑性。线圈的紧凑性结合环形形状增大了线圈的H场，该场对于较小电感器尤其重要，在较小电感器中充足的H场对于生成磁心材料中所需的通量更加可取。
[0010]具有环形形状的线圈优选地是一个具有一个大致上圆形截面的环形面。这进一步是一个用于优化针对所使用的线圈的每一重量和尺寸的磁场的步骤。
[0011]线圈应进一步优选地具有lW/m*K以上的热传导性，更优选地1，2以上，再优选地1，5以上并且最优选地2以上。在其他事情之外，通过在缠绕线圈中具有一个高的金属体积比总体积(也称为填充因数)，并且通过减少空气和气隙，将其用例如绝缘材料和具有比空气或气体更高的热传导性的树脂替代，而同时在绕组中的每一匝之间仍具有足够电气绝缘，实现了更高的热传导性。需要高热传导性这样使得操作中的线圈中的损耗生成的热可以轻易地到达线圈的外部表面并且最终到达电感器的外部表面。较低的线圈温度不仅对于线圈的总体性能是有益的而且对于实现更好的效率性能以及对于保持这些绝缘材料的性能从而增加其使用寿命是必需的。要实现高填充因数，每个位置处绕组的电线的截面优选地被成形以与绕组中电线的相邻匝紧密地配合，大量地减少绕组中的空隙。通过避免绕组中的空隙，局部放电介质击穿的风险得以大大地降低。线圈内各条单独电线的截面形状可以有利地是六边形，因为这在将彼此相邻紧密铺设的多条圆形电线进行压缩时是一种自然形状，如缠绕一条圆形电线并将其进行压缩以消除空气或气隙时通常就是这样。外部电线层除外，从截面图中看，在完整线圈的圆形外部形状之后外部电线层被最佳地成形。用于线圈的导电材料可以是适合用于线圈的任何材料，优选地是铜或铝。
[0012]将电线部分与相邻电线部分绝缘(即将一匝电线与下一匝电线绝缘)的绝缘层优选地是一种由电绝缘纸和/或树脂制成的材料。绝缘纸可绕电线缠绕并且由如下描述的电线和/或其股之上存在的半凝固或半烧制的树脂从里面浸渍。树脂则通过例如加热硬化。然而，绝缘层可以是绝缘性足以能够使该层变薄而仍然保持足够的电介质和电容匝与匝绝缘的任何合适的电绝缘材料。
[0013]电线可由取决于总电流及其频率的分别电绝缘的一股或多股组成。随着这些股的直径越小，集肤效应相关的损耗将会降低。
[0014]每个位置处每一股的截面被成形以与相邻股紧密地配合，减少电线中的空隙，这对于优化线圈的H场和热传导性很重要。而且将电线作为一个整体来说，此截面优选地是六边形的，因为这在对圆形截面的这些股进行压缩以消除其间任何空隙时是自然的。外部股层除外，外部股层在完整电线的外部形状之后被最佳地成形。
[0015]在组成线圈的电线包括多股的情况下，这些股被最佳地扭转大约360°，±90°，以便完整缠绕线圈因此大大地降低线圈中由较高频率引起的邻近效应。通过使用上述基本上平行的这些股，以成本效益高的方式实现了一条简单的辫编线。这些股优选地由如上描述的凝固树脂和半凝固树脂电气地绝缘。与一股的截面相比电气绝缘非常薄，并且可以是一个薄聚合物涂层、一薄层树脂等。由于每一股具有类似的、优选相等的电势，绝缘不需要非常厚。
[0016]通过使用单股绝缘之上的一个或多个半凝固的树脂层，可以在线圈成形工具中固化树脂并且在将其从该工具中去模之后随后保持线圈的最佳形状。线圈首先被加热到一个必要的温度水平以便足以在这些股上硬化半凝固树脂层。半凝固树脂还从线圈内流进气腔中，减少线圈中的热点，增强热传导性能。半凝固树脂此外还增强了可能在每个完整电线周围使用的外部电绝缘纸的电介质和电容泄漏性能。
[0017]在线圈的外部，应该附着一个第三绝缘层，以便进一步增强对将在线圈之上模制的软磁心材料的电气绝缘。重要的是此绝缘确保没有磁心粒子与导电材料直接接触，以避免或者是电线之间的或者是从线圈到磁心材料的电介质短路。要实现此目的，更为可取的是电绝缘树脂材料的浸渍。此第三绝缘层还确保一个平坦或光滑的外部表面这样使得避免了造成热点的局部高强度B通量。如果磁心材料是接地的，这进一步降低了到软磁心和地面的电容泄漏。
[0018]本发明的这些目标被一种例如用于电感器的磁心进一步实现，其中，该磁心由一种由金属粒子和一种粘结材料制成的软磁可模制复合材料(SM2C)制成，所述粒子在I μ m-1000 μ m的范围内，其中某一部分粒子(即大于150 μ m的粒子)涂覆有一个陶瓷表面以提供粒子与粒子电气绝缘，其中，磁、金属粒子与总磁心体积的金属填充比是0，5-0，9。
[0019]可以对磁心进行模制并且因此适合于将一个线圈合并到其中。通过在线圈和磁心之间避免空气或气隙，模制工序使得可以在磁心和线圈之间实现良好的热耦合。粘结材料可以是聚合物，例如环氧树脂或基于陶瓷的粘结剂。由于粒子与粒子绝缘，具有所述金属体积填充比的磁心将具有良好的热传导性能和高的体电阻率。粒子与粒子绝缘还增强了高频率性