具有可变宽度气隙的功率电感器的制作方法

[0001]
本公开涉及功率电感器，并且更具体地，涉及具有多区段芯体的功率电感器，其中所述区段中的至少一些可相对于彼此移动以改变相邻区段之间的间隙的大小。


背景技术：

[0002]
电动车辆可以包括连接在电池与电机之间的电压转换器(例如，dc-dc转换器)。具有交流电(ac)电机的电动车辆还包括连接在dc-dc转换器与每个电机之间的逆变器。电压转换器增加(“升高”)或减小(“降低”)电压电势以促进扭矩能力优化。dc-dc转换器包括电感器(或电抗器)、开关和二极管。典型的电感器包括缠绕在磁芯周围的导电线圈。


技术实现要素：

[0003]
根据一个实施例，一种功率电感器包括：壳体；磁芯，所述磁芯设置在所述壳体中；以及绕组，所述绕组缠绕在所述芯体周围。所述芯体包括第一区段和第二区段，所述第一区段和所述第二区段彼此间隔开以限定间隙。所述第一区段和所述第二区段被支撑在所述壳体中，使得它们可相对于彼此移动以增大和减小所述间隙的大小。流体包设置在所述间隙中并且包括封装在柔性隔膜中的流体。所述流体具有正热膨胀系数，所述正热膨胀系数被配置为响应于所述流体的温度升高而使所述流体包扩大以将所述第一区段和所述第二区段分开并增大所述间隙的宽度，并且被配置为响应于所述温度降低而使所述流体包收缩。提供阻尼器以在所述流体包收缩时将所述第一区段和所述第二区段朝向彼此推动并且减小所述间隙的所述宽度。
[0004]
根据另一个实施例，一种功率电感器包括：壳体；以及磁芯，所述磁芯设置在所述壳体中。所述芯体包括第一区段和第二区段，所述第一区段和所述第二区段彼此间隔开以限定间隙。所述第一区段和所述第二区段被支撑在所述壳体中，使得它们可相对于彼此移动以增大和减小所述间隙的大小。具有正热膨胀系数的流体设置在所述壳体中，使得由于温度变化引起的所述流体的膨胀和收缩分别增大和减小所述间隙。
[0005]
根据又一实施例，一种功率电感器包括：壳体；以及磁芯，所述磁芯设置在所述壳体中。所述芯体包括第一区段和第二区段，所述第一区段和所述第二区段彼此间隔开以限定间隙。所述第一区段和所述第二区段被支撑在所述壳体中，使得它们可相对于彼此移动以增大和减小所述间隙的大小。被动致动器设置在所述壳体中并且被配置为相对于所述第一区段移动所述第二区段以增大和减小所述间隙的所述大小。所述被动致动器包括形状记忆合金，所述形状记忆合金被配置为随着所述电感器的温度升高而膨胀以将所述第一区段和所述第二区段推动分开以增大所述间隙，并且随着所述温度降低而收缩使得所述第一区段和所述第二区段朝向彼此移动以减小所述间隙。
附图说明
[0006]
图1是可变电压转换器的电路图。
[0007]
图2是功率电感器的透视图。
[0008]
图3是出于说明目的移除了芯体的电感器的俯视图。
[0009]
图4是沿着剖切线4-4的电感器的侧面剖视图。
[0010]
图5a是在较低温度条件下的芯体区段的图解表示。
[0011]
图5b是在较高温度条件下的芯体区段的图解表示。
[0012]
图6示出了根据替代实施例的流体包的前视图；所述流体包被示出为处于扩大位置。
[0013]
图7示出了图6的流体包的侧视图，其中实线示出收缩位置并且虚线示出扩大位置。
[0014]
图8示出了另一个功率电感器的侧面剖视图。
[0015]
图9a是在较低温度条件下的又一功率电感器的芯体区段的图解表示。
[0016]
图9b是在较高温度条件下的又一功率电感器的芯体区段的图解表示。
具体实施方式
[0017]
本文描述了本公开的实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅是示例，并且其他实施例可以采取各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的特定结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅应解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员应理解，参考附图中的任一附图示出和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中所示的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。所示出的特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，符合本公开教导的特征的各种组合和修改对于特定的应用或实现方式可能是期望的。
[0018]
车辆可以包括电动动力传动系统，所述电动动力传动系统包括用于为驱动轮提供动力的至少一个牵引马达。牵引马达可以由牵引电池供电。电池是能够输出电力以操作马达的高压电池。当充当发电机时，电池还从马达接收电力。高压总线将电池电连接到马达。车辆可以包括用于操作各种部件的一个或多个控制器。车辆控制器通常包括任何数量的微处理器、asic、ic、存储器(例如，快闪、rom、ram、eprom和/或eeprom)以及软件代码以彼此协作执行一系列操作。控制器还包括预定数据，或者基于计算和测试数据并且存储在存储器内的“查找表”。控制器使用公共总线协议(例如，can和lin)通过一种或多种有线或无线车辆连接与其他车辆系统并与彼此进行通信。
[0019]
车辆可以包括dc-dc转换器或可变电压转换器(vvc)和逆变器。vvc和逆变器电连接在电池与马达之间。vvc可以“升高”或增加由电池提供的电力的电压电势，并且可以“降低”或减小提供给电池的电力的电压电势。逆变器将由电池(通过vvc)供应的直流(dc)电力逆变为ac电力以操作马达。逆变器还将ac整流为dc。
[0020]
参考图1，vvc 20包括功率电感器22。vvc 20还包括多个开关和二极管。例如，vvc 20包括第一开关单元24和第二开关单元26，以用于升高输入电压(v
bat
)以提供输出电压(v
dc
)。第一开关单元24包括并联连接到第一二极管30的第一晶体管28，但是它们的极性却进行了调换(反并联)。第二开关单元26包括反并联连接到第二二极管34的第二晶体管32。每个晶体管28、32可以是任何类型的可控开关(例如，绝缘栅双极晶体管(igbt)或场效应晶
体管(fet))。另外，每个晶体管28、32由控制器单独控制。电感器22被描绘为串联连接在电池与开关单元24和26之间的输入电感器。当供应电流时，电感器22生成磁通量。当流过电感器22的电流改变时，产生随时间变化的磁场，并且感应出电压。vvc 20还可以包括不同的电路配置(例如，多于两个开关)。
[0021]
以下附图和相关文字描述了根据本公开的一个或多个方面的示例性功率电感器。
[0022]
参考图2和图3，电感器总成22包括成形为两个相邻的管状线圈的导体110、芯体112以及壳体114。导体110由诸如铜或铝之类的导电材料形成，并且缠绕成两个相邻的螺旋线圈，即第一线圈111和第二线圈113。可以使用矩形(或扁平)型导电线通过扁绕工艺形成线圈。输入引线和输出引线从导体110延伸并连接到其他部件。
[0023]
芯体112可以成形为双“c”配置。芯体112包括各自成形为弯曲形状的第一端116和第二端118。芯体112还包括第一支腿120和第二支腿122，所述第一支腿和所述第二支腿用于将第一端116互连到第二端118以共同形成环形芯体112。芯体112可以由磁性材料(诸如铁-硅合金粉末)形成。尽管未示出，但是电感器22可以包括或可以不包括绝缘体。如果提供绝缘体，则绝缘体可以成形为将线圈与芯体分开的线轴结构。
[0024]
芯体112不是实心的而是由多个区段124形成，所述多个区段间隔开以在区段124中的相邻区段之间限定多个气隙126。气隙126的提供是为了帮助防止在高电流水平期间芯体112发生饱和。然而，气隙126增加了芯体112内的电阻，这降低了电感器22的效率。现有技术设计包括区段之间的固定间隔，即，气隙的宽度不改变，并且选择在效率与防止饱和之间取得平衡的间隙大小。在电感器22中，区段124可相对于彼此移动以提供可变宽度的气隙。这允许气隙在有利时减小并且在有利时增大。通常，气隙的大小在低电流期间减小以提高电感器22的效率，并且大小在高电流期间增大以抑制饱和条件。
[0025]
参考图4，可以使用热膨胀流体来使区段124相对于其中的每个区段移动。流体具有正热膨胀系数，使得流体随着电感器22变暖而膨胀并且随着电感器22冷却而收缩。通常，电感器的温度与电流水平成比例，例如，电感器的温度随着电流水平的增加而升高。流体被放置成使得随着电感器22的电流水平上升，由于流体膨胀，相邻区段彼此远离。
[0026]
根据一个实施例，电感器22包括设置在间隙126内的多个流体包130。流体包130中的每一者包括封装在隔膜134中的流体132。隔膜134是可拉伸的，使得流体包130随着温度升高而扩大并且随着温度降低而收缩。流体132可以是热膨胀系数为至少0.0008/开尔文度(k)的导热油。许多市售导热油是可用的，并且这些市售油通常具有0.00102/k的热膨胀系数。隔膜134可以是但不限于薄的柔性塑料或聚合物材料。流体包130设置在气隙126内并且被配置为与区段124的面141接合。当流体包130由于流体132的温度升高而扩大时，流体包130将相邻区段124推离彼此并且增大间隙126的宽度。
[0027]
图5a和图5b示出了在低电流低温条件(图5a)和高电流高温条件(图5b)期间一对相邻区段124a和124b的移动。在图5a中，流体包130的流体132相对较冷，这使流体包130处于收缩状态，导致气隙126具有第一宽度(w1)。当电感器22升温时，由于电流增加，流体132热膨胀，从而导致流体包130扩大。随着流体包130扩大，区段124a和124b被驱动分开，从而将间隙的宽度增大到w2。间隙宽度的可变性取决于流体包中的流体量和流体的热膨胀系数。根据一个实施例，电感器被设计成将间隙宽度增大最多50％，然而，这可以根据需要进行修改。
[0028]
电感器22可以包括用于适应区段124的移动的一个或多个阻尼器140。根据一个实施例，单个阻尼器140设置在壳体114与区段124a之间。阻尼器140不仅变形以允许区段124移动，并且具有弹性以在流体包130收缩并且分离力被释放时使区段124回弹和重新定位。返回参考图5a和图5b的示例，当流体包130膨胀(如图5b所示)时，阻尼器140被压缩，从而允许间隙增大到w2，并且当流体包130收缩时向区段124b推动芯体区段124a以将间隙减小回到w1。
[0029]
返回参考图3，在一个实施例中，单个阻尼器140放置在壳体114与区段124a之间。在此，区段124e固定到壳体114，并且剩余区段124浮动。当流体包130热膨胀时，除124e之外的所有区段都向左移位以增大间隙126的宽度，并且阻尼器140被压缩以允许位移。当流体包130热收缩时，阻尼器140回弹，从而将区段124向右推动以减小间隙126的宽度。在另一个实施例中，中心区段124c和124g是固定的，并且使用两个阻尼器：一个设置在壳体114与区段124a之间，而另一个设置在壳体114与区段124e之间。当然，本公开考虑其他配置。
[0030]
图6和图7示出了根据另一个实施例的流体包150。流体包150包括多个袋152，所述多个袋用作突起以增加流体包150的扩大并产生间隙宽度的更大可变性。袋152形成在隔膜156的与芯体区段接合的侧面154中。如图7所见，当流体较冷时，袋152缩小。随着流体温度升高，流体膨胀到袋152中，所述袋然后扩充以形成与芯体区段接合的突起158。即，袋152在流体低于第一阈值温度时是缩小的，而在高于第二阈值温度时是扩充的以形成突起158。尽管袋152仅在侧面中的一侧上示出，但是另外的袋可以形成在与另一芯体区段接合的另一侧160上。突起158可以是如图所示的圆柱形形状，或者可以是任何其他合适的形状。增加和减小袋152的大小和/或数量可以用于调谐气隙的膨胀量。通常，提供更少、更长的袋会导致间隙更大。
[0031]
图8示出了另一个功率电感器170，所述功率电感器类似于上述功率电感器，不同之处在于阻尼器被倾斜平面172替换。倾斜平面172可以形成在壳体176的底板174上。底板174可以具有大致平坦部分177和设置在一端附近的倾斜部分178。底板可以例如相对于平坦部分177以5度至20度之间的角度倾斜。倾斜平面172向上倾斜远离间隙179。相邻芯体区段180可以包括被配置为坐靠在倾斜部分178上的斜侧183。斜侧183的角度可以基本上与倾斜部分178的角度相匹配。倾斜平面172使芯体区段180朝向芯体区段182偏置。当流体包184热膨胀时，芯体区段180沿倾斜部分178向上滑动以扩大间隙179。当流体包184收缩时，重力使芯体区段180沿倾斜部分178朝向芯体区段182向下滑动回来，从而减小间隙179。
[0032]
图9a和图9b示出了又一功率电感器的代表性芯体区段200和202。又一功率电感器可以类似于功率电感器22，不同之处在于流体包被一个或多个被动致动器206替换。被动致动器是在不涉及其他系统的情况下自动致动的致动器。被动致动器206是受温度控制的，并且被配置为基于温度变化而自动地致动芯体区段200和202以改变气隙207的宽度。在所示实施例中，被动致动器206被配置为随着温度降低而收缩并且随着温度升高而膨胀。然而，这可以在其他实施例中调换。
[0033]
被动致动器206包括形状记忆合金208，所述形状记忆合金被配置为随着电感器的温度升高而膨胀以将第一区段200和第二区段202推动分开以增大间隙，并且随着温度降低而收缩使得第一区段200和第二区段202朝向彼此移动以减小间隙。电感器可以包括多个被动致动器206，所述多个被动致动器中的每一者与上述流体包类似地设置在气隙中的相关
联的一个气隙中。
[0034]
在所示实施例中，被动致动器206是由形状记忆合金形成的线圈210。形状记忆合金可以是非磁性合金，以防止干扰电感器的磁芯。示例性合金包括但不限于铜锌合金或镍钛合金。当线圈210的温度高于第一阈值时，线圈具有第一长度(图9b)，并且当线圈的温度低于第二阈值时，线圈具有第二较短的长度(图9a)。第一阈值和第二阈值可以基本上相同，即，形状记忆合金在阈值温度时在第一长度与第二长度之间快速切换，或者线圈210可以随着温度变化而逐渐改变形状。线圈210可以连接到区段200和202。例如，线圈的第一端附接到区段200，并且线圈的第二端连接到区段202。这允许线圈210在线圈膨胀时将区段200、202推开，并且在线圈210收缩时将区段拉回到一起。由于线圈210能够将区段拉回到一起，因此可能不需要上述阻尼器。然而，在一些实施例中，阻尼器可以与线圈210结合使用。
[0035]
所示线圈210仅仅是被动致动器的一个示例。形状记忆合金可以被配置为不同的配置，例如，可以使用可偏转板。所述板可以包括第一位置和第二位置，在所述第一位置中所述板是平坦的，并且在所述第二位置中所述板扭折以增大所述板的有效厚度。
[0036]
被动致动器还可以被配置为随着温度降低而膨胀并且随着温度升高而收缩。在此，一个或多个被动致动器可以设置在壳体或另一部件与一个或多个区段之间，而不是设置在气隙中。
[0037]
尽管上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述词语而非限制性词语，并且应理解，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或示出的本发明的另外的实施例。尽管各个实施例就一个或多个期望的特性而言可能已经被描述为提供优点或优于其他实施例或现有技术实施方式，但本领域技术人员应认识到，可以折衷一个或多个特征或特性来实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实施方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。这样，就一个或多个特性而言被描述成不如其他实施例或现有技术实施方式理想的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用而言可能是理想的。
[0038]
根据本发明，提供了一种功率电感器，所述功率电感器具有：壳体；磁芯，所述磁芯设置在所述壳体中并且包括第一区段和第二区段，所述第一区段和所述第二区段彼此间隔开以限定间隙，所述第一区段和所述第二区段被支撑在所述壳体中，使得所述第一区段和所述第二区段可相对于彼此移动以增大和减小所述间隙的大小；绕组，所述绕组缠绕在所述芯体周围；阻尼器；以及流体包，所述流体包设置在所述间隙中，所述流体包包括封装在柔性隔膜中的流体，所述流体具有正热膨胀系数，所述正热膨胀系数被配置为响应于所述流体的温度升高而使所述流体包扩大以将所述第一区段和所述第二区段分开并增大所述间隙的宽度，并且被配置为响应于所述温度降低而使所述流体包收缩以允许所述阻尼器将所述第一区段和所述第二区段朝向彼此推动并减小所述间隙的所述宽度。
[0039]
根据一个实施例，所述阻尼器设置在所述壳体与所述第一区段之间。
[0040]
根据一个实施例，所述流体是导热油。
[0041]
根据一个实施例，所述热膨胀系数是至少0.0008/开尔文度。
[0042]
根据一个实施例，所述芯体还包括第三区段，所述第三区段与所述第二区段间隔
开以限定第二间隙，所述第二区段和所述第三区段被支撑在所述壳体中，使得所述第二区段和所述第三区段可相对于彼此移动以增大和减小所述第二间隙的大小，并且还包括第二流体包，所述第二流体包设置在所述第二间隙中，所述第二流体包包括封装在第二柔性隔膜中的第二流体，所述第二流体具有正热膨胀系数，所述正热膨胀系数被配置为响应于所述第二流体的温度升高而使所述第二流体包扩大以将所述第二区段和所述第三区段分开并增大所述第二间隙的宽度，并且被配置为响应于所述温度降低而使所述第二流体包收缩以允许所述阻尼器将所述第二区段和所述第三区段朝向彼此推动并减小所述间隙的所述宽度。
[0043]
根据本发明，提供了一种功率电感器，所述功率电感器具有：壳体；磁芯，所述磁芯设置在所述壳体中并且包括第一区段和第二区段，所述第一区段和所述第二区段彼此间隔开以限定间隙，所述第一区段和所述第二区段被支撑在所述壳体中，使得所述第一区段和所述第二区段可相对于彼此移动以增大和减小所述间隙的大小；以及流体，所述流体具有正热膨胀系数，所述流体设置在所述壳体中，使得由于温度变化引起的所述流体的膨胀和收缩分别增大和减小所述间隙。
[0044]
根据一个实施例，所述流体设置在所述间隙中。
[0045]
根据一个实施例，本发明的特征还在于阻尼器，所述阻尼器设置在所述壳体与所述第一区段和所述第二区段中的一者之间，其中所述阻尼器被配置为在所述流体热膨胀时压缩以允许所述间隙的大小增大，并且在所述流体热收缩时回弹以减小所述间隙的所述大小。
[0046]
根据一个实施例，所述流体设置在所述间隙中并且所述第一区段固定到所述壳体。
[0047]
根据一个实施例，所述壳体包括底板，所述底板具有向上倾斜远离所述间隙的倾斜平面，并且其中所述第一区段设置在所述倾斜平面上，使得所述第一区段朝向所述第二区段偏置，其中所述第一区段被配置为响应于所述流体的膨胀而沿所述倾斜平面向上滑动并且响应于所述流体的收缩而向下滑动。
[0048]
根据一个实施例，所述热膨胀系数是至少0.0008/开尔文度。
[0049]
根据一个实施例，所述流体是导热油。
[0050]
根据一个实施例，所述流体封装在隔膜中。
[0051]
根据一个实施例，所述隔膜限定多个袋，所述多个袋在所述流体的所述温度低于第一阈值时是缩小的并且在所述流体的所述温度高于第二阈值时扩充有所述流体。
[0052]
根据一个实施例，所述第一区段和所述第二区段分别包括第一侧和第二侧，所述第一侧和所述第二侧配合以限定所述间隙。
[0053]
根据一个实施例，本发明的特征还在于：壳体；磁芯，所述磁芯设置在所述壳体中并且包括第一区段和第二区段，所述第一区段和所述第二区段彼此间隔开以限定间隙，所述第一区段和所述第二区段被支撑在所述壳体中，使得所述第一区段和所述第二区段可相对于彼此移动以增大和减小所述间隙的大小；以及被动致动器，所述被动致动器设置在所述壳体中并且被配置为相对于所述第一区段移动所述第二区段以增大和减小所述间隙的所述大小，所述被动致动器包括形状记忆合金，所述形状记忆合金被配置为随着所述电感器的温度升高而膨胀以将所述第一区段和所述第二区段推动分开以增大所述间隙，并且随
着所述温度降低而收缩使得所述第一区段和所述第二区段朝向彼此移动以减小所述间隙。
[0054]
根据一个实施例，所述被动致动器设置在所述间隙中。
[0055]
根据一个实施例，所述形状记忆合金被布置成线圈。
[0056]
根据一个实施例，当所述线圈的温度高于第一阈值时，所述线圈具有第一长度，并且当所述线圈的所述温度低于第二阈值时，所述线圈具有第二较短的长度。
[0057]
根据一个实施例，所述形状记忆合金由铜锌合金或镍钛合金形成。