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設置有冷卻器的電抗器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201480004628.7

申請日:

2014.01.13

公開號:

CN104919549A

公開日:

2015.09.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01F 27/16申請日:20140113|||公開
IPC分類號: H01F27/16; H01F27/22; H01F37/00 主分類號: H01F27/16
申請人: 豐田自動車株式會社
發明人: 延坂真央; 渥美貴司
地址: 日本愛知縣
優先權: 2013-004394 2013.01.15 JP
專利代理機構: 北京市中咨律師事務所11247 代理人: 張魯濱; 馬江立
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480004628.7

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.03.27|||2015.10.14|||2015.09.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種設置有冷卻器的電抗器,包括:線圈;由軟磁性材料形成的芯,所述芯覆蓋所述線圈的內側和所述線圈的外周;所述冷卻器配置在所述芯的兩側,所述芯和所述冷卻器在所述芯和所述冷卻器的層疊方向上被加壓;所述芯在所述層疊方向上的厚度小于所述芯的面向所述層疊方向的表面的縱向長度;并且所述芯在所述層疊方向上的厚度小于所述芯的面向所述層疊方向的所述表面的橫向長度。

權利要求書

權利要求書
1.  一種設置有冷卻器的電抗器,包括:
線圈;
由軟磁性材料形成的芯,所述芯覆蓋所述線圈的內側和所述線圈的外周;
所述冷卻器配置在所述芯的兩側,所述芯和所述冷卻器在所述芯和所述冷卻器的層疊方向上被加壓;
所述芯在所述層疊方向上的厚度小于所述芯的面向所述層疊方向的表面的縱向長度;并且
所述芯在所述層疊方向上的厚度小于所述芯的面向所述層疊方向的所述表面的橫向長度。

2.  根據權利要求1所述的電抗器,其中,所述線圈包括串聯連接在一起的多個線圈部,所述多個線圈部在與所述層疊方向交叉的方向上并列配置在所述芯中。

3.  根據權利要求1或2所述的電抗器,其中,所述線圈是通過扁平地卷繞扁線而形成的,并且配置成使得線圈軸線指向所述層疊方向。

4.  根據權利要求1至3中任一項所述的電抗器,其中,所述線圈包括通過扁平地卷繞扁線而形成的多個所述線圈部,一連接部構造成將一個所述線圈部的內側端部和另一個所述線圈部的內側端部連接,所述連接部配置成與所述冷卻器對向。

5.  根據權利要求4所述的電抗器,其中,所述線圈部中的每個線圈部的端面都配置成與所述冷卻器對向。

6.  根據權利要求1至5中任一項所述的電抗器,還包括:
金屬框架,所述金屬框架圍繞所述芯的面向與所述層疊方向交叉的方向的側面,所述金屬框架與所述冷卻器接觸。

7.  根據權利要求1至6中任一項所述的電抗器,還包括:
金屬柱,所述金屬柱沿線圈軸向在所述線圈的內側從所述芯穿過,所 述金屬柱的端面與所述冷卻器接觸。

8.  根據權利要求1至7中任一項所述的電抗器,還包括:
磁屏蔽板,所述磁屏蔽板配置在所述線圈與所述冷卻器之間。

9.  根據權利要求1至8中任一項所述的電抗器,其中,所述芯由硬化后的軟磁性粒子制成。

說明書

說明書設置有冷卻器的電抗器
技術領域
本發明涉及一種設置有冷卻器的電抗器。該電抗器是使用線圈的無源元件,并且也可稱為“電感器”。
背景技術
包括混合動力車輛的電動車輛配備有電力變換器,其將電池的輸出電力變換為適合于驅動行駛用電機的電力。該電力變換器可不僅包括將直流電變換成交流電的逆變器回路,而且包括電壓變換器回路。用于電動車輛的電力變換器處理大電流,因此還對用于逆變器回路和電壓變換器回路的器件采用具有大容許電流的器件。
具有大容許電流的器件的發熱量大。一種發熱量特別大的器件是包括在電壓變換器回路中的電抗器。因此,需要有效地冷卻電抗器的技術。例如,日本專利申請公報No.2008-198981(JP 2008-198981A)和日本專利申請公報No.2005-045960(JP 2005-045960A)提出了電抗器被包在冷卻器中的結構。特別地,JP 2008-198981 A描述了一種電抗器和包括開關元件的半導體模塊交替地夾在多個平板形的冷卻器之間的結構。
關于電抗器,已知日本專利申請公報No.2001-244123(JP 2001-244123A)和日本專利申請公報No.2011-082489(JP 2011-082489A)中描述的技術。JP 2001-244123 A描述了一種適合于表面安裝的電抗器。JP 2011-082489 A描述了一種使用扁平地卷繞的線圈的電抗器。“扁平地卷繞的線圈”指的是扁線卷繞成使得平表面在線圈軸線的徑向上自己重疊的線圈。線圈軸線也可稱為卷繞軸線。
發明內容
本發明提供了一種設置有冷卻器的電抗器,其提供了更好的冷卻效果。
根據本發明一個方面的設置有冷卻器的電抗器包括:線圈;由軟磁性材料形成的芯,所述芯覆蓋所述線圈的內側和所述線圈的外周;所述冷卻器配置在所述芯的兩側,所述芯和所述冷卻器在所述芯和所述冷卻器的層疊方向上被加壓;所述芯在所述層疊方向上的厚度小于所述芯的面向所述層疊方向的表面的縱向長度;并且所述芯在所述層疊方向上的厚度小于所述芯的面向所述層疊方向的所述表面的橫向長度。對于該方面中所述的電抗器,芯是在層疊方向上的厚度小于芯的面向層疊方向的表面的縱向長度并且小于上述面向層疊方向的表面的橫向長度的扁平體。通過如上所述使芯在層疊方向上的厚度薄,來自線圈的中央部分的熱快速傳遞到位于兩側的鄰接的冷卻器。芯的層疊體和冷卻器在層疊方向上被加壓。在層疊方向上加壓使芯和冷卻器更緊密地接觸,并且由此提高了從芯到冷卻器的傳熱效率。
此外,與芯僅配置在線圈內側的電抗器相比,使用覆蓋線圈的內側和外周的芯使得能夠確保大的電感。這是因為磁通還在芯的外周上通過。該類型的芯可通過使軟磁性粒子(或粉末)硬化來制造。該類型的芯通常可通過注射模制包括軟磁性粒子的樹脂而制成。
為了既實現大的電感又使電抗器薄,在本說明書中描述的電抗器的另一方面,可采用串聯連接在一起的多個線圈部。而且,可采用在與所述層疊方向交叉的方向上并列配置在所述芯中的多個線圈部。串聯連接在一起的多個線圈部增大了電感。同時,將多個線圈部并列配置有助于使芯的厚度薄。本說明書中描述的電抗器不限于具有兩個線圈部。線圈部的數量也可以是三個或更多個。
此外,當在層疊方向上的厚度減小時,與冷卻器接觸的芯表面積增加。這有助于既提高冷卻效率,又增大電抗器(即,芯)和冷卻器的層疊體能夠耐受的荷載。從層疊體的兩側作用大的荷載使得能將電抗器牢固地保持在層疊體中。例如,可以在不使用螺栓或螺釘的情況下僅通過該荷載來將 電抗器保持在冷卻器之間。
為了既實現大的電感又使電抗器薄,在本說明書中描述的電抗器的另一方面,可采用通過扁平地卷繞扁線而形成的線圈(即扁線被扁平地卷繞的線圈),并且該類型的線圈可配置成使得線圈軸線指向所述層疊方向。換言之,該線圈可配置成使得線圈軸向與電抗器和冷卻器的層疊方向對齊。在下文中,扁線被扁平地卷繞的線圈將被稱為“扁平線圈”。扁平線圈是繞組不在線圈軸向上自己重疊并且能通過使用扁線來允許大電流的薄線圈。此外,當線圈配置成使得線圈軸線指向層疊方向時,線圈的端面(即,在線圈軸向上的端面)與冷卻器對向,因此從線圈到冷卻器的傳熱效率進一步提高。
另一方面,如果線圈和冷卻器過于靠攏,則泄漏到冷卻器的磁通增加。因此,可在線圈與冷卻器之間配置磁屏蔽板。該磁屏蔽板可嵌埋在芯中,或它可插入電抗器與冷卻器之間。
當采用兩個扁平線圈部時,一連接部可構造成將一個所述線圈部的內側端部和另一個所述線圈部的內側端部連接,并且所述連接部可配置成與所述冷卻器對向。能夠促進從線圈部到連接部和從連接部到冷卻器的傳熱。如上所述,該電抗器還可包括三個或更多個線圈。
本說明書還描述了用于進一步提高上述設置有冷卻器的電抗器中的線圈的散熱效率的改進。下面將描述若干提高線圈的散熱效果的結構。在一個方面,可采用金屬框架,所述金屬框架圍繞所述芯的面向與所述層疊方向交叉的方向的側面,并且所述金屬框架可與所述冷卻器接觸。該金屬框架促進從芯到冷卻器的散熱。
此外,在另一方面,所述電抗器可包括金屬柱,所述金屬柱沿線圈軸向在所述線圈的內側從所述芯穿過,并且所述金屬柱的端面可與所述冷卻器接觸。線圈內部的熱經該金屬柱傳遞到冷卻器。
附圖說明
下面將參照附圖說明本發明的示例性實施方式的特征、優點以及技術 和工業意義,在附圖中相似的附圖標記表示相似的要素,并且其中:
圖1是包括電抗器、半導體模塊和冷卻器的層疊單元的電力變換器的透視圖;
圖2是根據本發明第一實施例的電抗器的透視圖;
圖3是沿圖2中的線III-III截取的電抗器的截面圖;
圖4是根據本發明第二實施例的電抗器的截面圖;
圖5是沿圖4中的線V-V截取的電抗器的截面圖;
圖6是根據本發明第三實施例的電抗器的截面圖;以及
圖7是根據本發明第四實施例的電抗器的截面圖。
具體實施方式
下文將參考附圖詳細描述根據本發明的實施例。首先,將描述應用該電抗器的電力變換器。圖1是電力變換器90的透視圖。電力變換器90安裝在混合動力車輛或電動車輛中。電力變換器90使來自電池的直流(DC)電力升壓,并且將DC電力變換成頻率適合于驅動感應電機或PM電機的交流電。亦即,電力變換器90包括升壓變換器回路或逆變器回路。如眾所周知的,這兩種回路都使用許多所謂的功率半導體元件。在多個平板形的半導體模塊82上布置有多個功率半導體元件。對于每個半導體模塊82,一個或多個功率半導體元件使用樹脂模制而成。在圖1中,未示出從半導體模塊82延伸的端子。功率半導體元件的發熱量大。因此,在電力變換器90中,多個平板形的半導體模塊82與多個平板形的冷卻器81交替地層疊。多個半導體模塊82和多個冷卻器81的層疊體將被稱為層疊單元80。除半導體模塊82外,電抗器10也層疊在層疊單元80中。亦即,電抗器10在兩側由冷卻器81夾持。電抗器10是升壓變換器的一個構件。該升壓變換器的回路是眾所周知的,因此將省略其描述。電抗器10和位于其兩側的冷卻器81構成“設置有冷卻器的電抗器”。
對于層疊單元80,鄰接的冷卻器81與連接管83連接。此外,冷卻劑供給管84a和冷卻劑排出管84b與在層疊單元80一端的冷卻器81連接。 此外,冷卻器81是供冷卻劑流過的流動路徑。從冷卻劑供給管84a供給的冷卻劑經連接管83擴散到所有冷卻器81。冷卻劑冷卻冷卻器81的流動路徑從其中穿過的鄰接的半導體模塊82或電抗器10。已從半導體模塊82或電抗器10吸熱的冷卻劑經分開的連接管83和冷卻劑排出管84b排出到外部。
為了提高冷卻效率,層疊單元80在其層疊方向上被加壓。層疊單元80收納在殼體91中。層疊單元80的一端被壓靠在殼體91的內壁上,并且板簧93插入另一端側。該板簧93由殼體91的支承件92支承。層疊單元80在電力變換器90的殼體內在層疊方向上被板簧93加壓。作為層疊單元80在層疊方向上被加壓的結果,半導體模塊82與冷卻器81之間和電抗器10與冷卻器81之間的接觸程度加大,因此向冷卻劑81傳熱的效率提高。
此外,電力變換器90包括用于使電池的輸出電流和升壓變換器回路的輸出電流平滑化的大電容電容器94。電容器94連同層疊單元80一起被收納在殼體91中。除上述器件外,電力變換器90還包括控制升壓變換器回路和逆變器回路的控制板,但在圖1中,未示出該控制板和殼體的罩蓋。
(第一實施例)
接下來將描述上述電抗器10的第一實施例。圖2是根據本發明第一實施例的電抗器10a的透視圖。電抗器10a的主要構件是卷繞的扁線13的線圈12。線圈12的內側和外周以包括軟磁性粒子的樹脂模制,但在圖1中,為了顯示線圈的形狀而未示出樹脂模具。在圖2中,樹脂(即,包括軟磁性粒子的樹脂)充填在用附圖標記16表示的空間中。該樹脂模具對應于電抗器的芯。因此,為了簡單起見,芯16將用表示該空間的附圖標記16表示。換言之,芯16由硬化后的軟磁性粒子形成。此外,磁屏蔽板配置在線圈12的在線圈軸向上的兩側,但在圖中未示出。稍后將參考圖3描述磁屏蔽板。圖中的直線CL表示線圈軸線(卷繞軸線)。
電抗器10a的總體形狀為大致長方體,且其尺寸具有高度H、寬度W和厚度D。這些尺寸之間的關系為寬度W>高度H>厚度D。如在比較圖1和2中的坐標系時可以理解的,坐標軸的X方向對應于電抗器10和冷卻 器81的層疊方向。因此,電抗器10a是在層疊方向上的厚度D小于面向層疊方向的表面的橫向長度W和縱向長度H的扁平體。電抗器10a的該扁平體確保了與冷卻器的寬接觸面積。因此,向配置在兩側的冷卻器81傳熱的效率良好。
電抗器10a的主體是扁線13被扁平地卷繞的線圈12。如上所述,線圈12在內側和外側由芯16覆蓋。金屬框架15圍繞該芯16。引出線13a和13b從線圈12延伸。這些引出線13a和13b從設置在金屬框架15中的狹縫延伸到電抗器的外部。引出線13a和13b對應于電抗器10a的端子。
圖3是沿圖2的線III-III截取的截面圖。在圖3中,示出了圖2中未示出的磁屏蔽板17。此外,同樣在圖3中,與圖2相似,省略了表示芯16的截面的陰影以使該圖更容易觀看。用附圖標記16表示的空間通常充填有芯16的軟磁性粒子。如也在圖3中示出的,電抗器10a與位于兩側的冷卻器81緊密接觸。
如也在圖3中示出的,線圈12配置成使得其軸線CL指向電抗器10a和冷卻器81的層疊方向(即,圖中的X軸方向)。此外,線圈12配置成使得其端面與冷卻器81對向。該類型的配置使得線圈的與冷卻器81對向的表面積能夠增大,這也有助于提高冷卻效率。
在線圈的內側,金屬柱14沿線圈軸線CL的方向從線圈12穿過。此外,如上所述,金屬框架15圍繞線圈16。此外,金屬框架15和金屬柱14兩者都與芯16接觸,并且兩者還與位于兩側的冷卻器81接觸。金屬框架15和金屬柱14由諸如鋁的具有高導熱率的金屬制成,這有助于從線圈12向位于兩側的冷卻器81傳熱。特別地,來自線圈內部的熱良好地傳遞到冷卻器81。
如也在圖3中示出的,芯16覆蓋線圈12周圍的區域。芯16還覆蓋線圈12的外周,因此磁通在線圈的內外兩側從芯16通過。通過電流流經線圈12而產生的磁場以集中方式從芯16通過。電抗器10a的有利之處在于,芯16覆蓋整個線圈12,因此泄漏磁通少。
此外,磁屏蔽板17嵌埋在芯16中。磁屏蔽板17插入線圈12與冷卻 器81之間。磁屏蔽板17降低了泄漏到冷卻器81的磁通的量。磁屏蔽板17在線圈軸線CL指向層疊方向時特別有用。這是因為,磁通沿線圈軸向從線圈的內部向線圈外側擴散。
第一實施例的電抗器10a包括扁平線圈(即,線圈12)。該線圈12的端面與位于兩側的冷卻器81對向。利用該類型的結構,來自線圈12的熱有效地傳遞到冷卻器81。此外,圍繞芯16的金屬框架15和從線圈內部的芯16穿過的金屬柱14也有助于有效地從線圈向冷卻器81傳熱。
(第二實施例)
接下來將描述根據本發明第二實施例的電抗器10b。圖4是電抗器10b的透視圖。圖5是沿圖4中的線V-V截取的截面圖。電抗器10b的尺寸與第一實施例中的電抗器10a相同。電抗器10b也是在層疊方向上的厚度小于面向層疊方向的表面的縱向長度和橫向長度的扁平體。在圖4和5中,同樣,與圖2和3相似,未示出芯,但用附圖標記16表示的空間對應于芯16。在下文中,同樣,為了簡單起見,用附圖標記16表示的空間將表示芯16。
電抗器10b包括串聯連接在一起的兩個連貫的線圈部112a和112b。這些線圈部中的每一個都是扁平線圈。兩個連貫的線圈部112a、112b在與層疊方向交叉的方向(圖中的YZ平面內方向)上并列配置,其中線圈端面與冷卻器81對向。并排并列配置兩個連貫的線圈部在不增加電抗器的厚度的情況下提高了線圈性能(即,電感)。
此外,扁平地卷繞的兩個線圈部112a和112b在線圈內側的端部電連接在一起,因此連接部的扁線113c與冷卻器81對向。如也在圖4中示出的,線圈部112a的內側端部的扁線在線圈部112a的內側彎曲,橫越線圈端面,并且延伸到另一個線圈部112b。此外,如也在圖5中示出的,該連接部的扁線113c比線圈端面更接近冷卻器81。線圈部的繞組(即,扁線)通常由電阻小的銅制成,并且銅具有高導熱率。因此,該連接部的扁線113c與冷卻器81對向,并且比線圈端面更接近冷卻器81,因此線圈內側的熱還經由扁線113c傳遞到冷卻器81。
與電抗器10a相似,在電抗器10中,同樣,芯16由金屬框架115圍繞,并且該金屬框架115與位于兩側的冷卻器81接觸。金屬框架115也有助于從線圈向冷卻器81傳熱。此外,金屬框架115包括向內延伸的肋115a。這些肋115a有助于確保整個電抗器10b的強度。
此外,與電抗器10a相似,電抗器10b也包括從各線圈部112a和112b內側的芯16穿過的金屬柱114,并且這些金屬柱114與位于兩側的冷卻器81接觸。金屬柱114也有助于從線圈向冷卻器81傳熱。
如圖5所示,在電抗器10b中,同樣,磁屏蔽板17插入線圈部112a和112b與冷卻器81之間。磁屏蔽板17降低了泄漏到冷卻器81的磁通的量。
(第三實施例)
接下來將描述本發明的第三實施例的電抗器10c。圖6是電抗器10c的透視圖。在圖6中,同樣,為了更好地顯示線圈而未示出芯。在圖6中,用附圖標記16表示的空間通常由芯16占據。
電抗器10c的尺寸也與第一實施例的電抗器10a相同。電抗器10c也是在層疊方向上的厚度小于面向層疊方向的表面的縱向長度和橫向長度的扁平體。
電抗器10c采用扁立繞法(edgewise)線圈。扁立繞法指的是卷繞成使得扁線的平面面向線圈軸向,并且該平面自己重疊。換言之,利用扁立繞法,扁線的層疊方向與線圈軸線一致。
電抗器10c包括串聯連接在一起的兩個連貫的線圈部212a和212b。這些線圈部212a、212b中的每一者都是扁立繞法線圈。兩個連貫的線圈212a、212b在與電抗器和冷卻器的層疊方向交叉的方向(圖中的YZ平面內方向)上并列配置,其中線圈端面與冷卻器81對向。并排并列配置兩個連貫的線圈在不增加電抗器的厚度的情況下提高了線圈性能(即,電感)。
與電抗器10b相似,電抗器10c包括金屬框架215和金屬柱214。此外,在金屬框架215上設置有確保強度的肋215a。在一個肋215b上設置有供扁線的將線圈部212a與線圈部212b連接的一部分213c通過的凹口。 盡管未示出,但電抗器10c也具有磁屏蔽板。
(第四實施例)
接下來,將描述本發明的第四實施例的電抗器10d。圖7是電抗器10d的透視圖。電抗器10d采用線圈部312a、312b,該線圈部是具有圓形截面的卷繞線。附圖標記16表示芯16,其中使用包括軟磁性粒子的樹脂模制兩個連貫的線圈部312a、312b。電抗器10d的尺寸也與第一實施例的電抗器10a相同,并且是在層疊方向上的厚度D小于面向層疊方向的表面的縱向長度H和橫向長度W的扁平體。電抗器10d不具有金屬框架。通過使用包括軟磁性粒子的樹脂注射模制來制成芯的有利之處在于,不需要單獨設置外殼,因此能以低成本制造電抗器。此外,在傳統地使用不是注射模制而成的芯時,采用諸如灌封(potting)的方法來使芯周圍絕緣,但灌封在使用注射模制時不是必要的。同樣,對于第一至第三實施例的電抗器,也可以省略外殼。
現在將描述與實施例中所述的技術有關的注意事項。對于本說明書中描述的電抗器,芯16是在層疊方向上的厚度小于面向層疊方向的表面的縱向長度和橫向長度的扁平體。當芯16的面向層疊方向的表面呈長圓形(橢圓形)時,縱向長度和橫向長度對應于橢圓的長軸長度和短軸長度。此外,當芯的面向層疊方向的表面既不呈橢圓形又不呈矩形時,外接芯的面向層疊方向的表面的矩形的縱向長度和橫向長度對應于上述縱向長度和橫向長度。
第一實施例的電抗器10a為這樣,即,以包括軟磁性粒子的樹脂(即,芯)模制成一個線圈。在第二至第四實施例的電抗器10b至10c中,以包括軟磁性粒子的樹脂模制成兩個線圈。單個電抗器中包括的線圈部的數量也可是三個或更多個。此外,對于圖1所示的層疊單元80,多個半導體模塊82和一個電抗器10可與冷卻器81交替地層疊。在層疊單元中,多個電抗器也可與冷卻器交替地層疊,并且多個電抗器可串聯連接在一起以獲得大的電感。
在實施例中覆蓋線圈的內側和外周的芯是通過注射模制包括軟磁性粒 子的樹脂而制成的。該芯也可以不包括樹脂,或者可以僅使用軟磁性粒子硬化。
迄今為止,已詳細描述了本發明,但這些僅為示例,且本發明不限于這些示例。本發明還包括上述實施例的各種改型。此外,說明書和附圖中說明的技術要素既單獨又以各種組合發揮了技術實用性。此外,說明書和附圖中說明的技術同時實現了多個目的,并且通過僅實現這些目的中一個目的而具有技術實用性。

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