包括散熱支撐體的線圈式電子功率部件的制作方法
【專利摘要】一種線圈式電子功率部件（3），用于安裝在基底（2）上，所述部件（3）包括：沿軸向延伸的磁芯（31），多個線匝（32）在所述磁芯上卷繞以形成磁線圈；和至少一個架（4），用于安裝在所述基底（2）上；所述安裝架包括與所述磁芯和/或所述多個線匝（32）熱接觸的至少一個排放表面（S1，S2），用以在所述部件（3）的操作過程中將熱量從所述磁芯（31）和/或從所述多個線匝（32）排放到所述基底（2），所述安裝架（4）具有大于400W·m-1·K-1的等效熱導率。
【專利說明】包括散熱支撐體的線圈式電子功率部件
【技術領域】
[0001]本發明涉及航空應用的電子功率部件的熱控制領域。
【背景技術】
[0002]飛機通常包括大量電子功率部件，特別是用于執行飛行命令或電信號過濾。用于航空應用的電子功率部件能夠產生數十千瓦的功率。在通常，電子功率部件被暫時使用而持續數秒的時間，這產生少量的焦耳熱量；這種熱量由電子部件的主體吸收。電子功率部件的溫度僅稍有升高，這不會對其操作產生不利影響。
[0003]為了滿足飛機制造商的進一步的需求，已經提出:電子功率部件被持久使用而持續數分鐘的時間。在實踐中，在使用數分鐘之后，電子功率部件的溫度開始升高，直到達到極限溫度，如溫度更高，則電子部件的操作不再是最佳的。
[0004]在電子功率部件中，線圈式電子部件具體用于過濾信號，其受溫度升高的影響。參見圖1，線圈式電子功率部件I (在下文中被稱為線圈式部件I)包括環形圓紋曲面的磁性的芯11 (在下文中被稱為超環面芯11)，金屬線匝12 (優選地為銅制線匝)圍繞該超環面的芯11卷繞。在實踐中，如高于110°C，則超環面芯11的磁性能降低，線圈式部件I的操作不再是最佳的。
[0005]線圈式部件I通常包括:安裝座13，其將線圈式部件I的線匝12連接到供線圈式部件I安裝于其上的基底2。基底2的溫度在操作過程中低于線圈式部件I的溫度。根據熱條件，基底2形成散熱體。在操作中，線圈式部件I的超環面芯11和線匝12發熱。如圖1中所示，僅有線匝12與安裝座13接觸，這可使熱量從線匝12排放到基底2中。與此不同的是，由于超環面芯11中的焦耳效應所產生的熱量無法令人滿意地排放。實際上，為了將熱量從超環面芯11排放到安裝座13中，所述熱量不得不行進穿過線匝12。由此組件引起的熱阻很高。線圈式部件I的溫度因而保持較高，這妨礙其進行最佳操作。
[0006]為了克服這些缺陷，第一解決方案包括:增大線圈式部件的直徑以減小由于焦耳效應導致的損耗。這種類型的解決方案增大了線圈式部件的重量和尺寸，這不是所希望的。第二解決方案包括:使用旋轉風扇產生氣流以冷卻線圈式部件。將旋轉風扇集成在航空應用中，在可靠性方面具有缺陷；因此，這種解決方案也被排除。第三解決方案將使用樹脂，例如環氧樹脂，線圈式部件將嵌入樹脂中。在實踐中，這種類型的樹脂使其不足以限制線圈式部件的發熱。

【發明內容】

[0007]本發明的目的在于，生產一種線圈式電子功率部件，其溫度在操作過程中被調節，同時確保與其中該部件承受振動、加速以及在一 50°C至+ 110°C之間變化的外界溫度的航空應用相適應的機械強度。本發明的另一目的在于，提供一種更輕更緊湊的線圈式部件。
[0008]為此目的，本發明涉及一種線圈式電子功率部件，用于安裝在基底上，所述部件包括:沿軸向延伸的磁芯，多個線匝圍繞所述磁芯卷繞以形成磁線圈；和至少一個架，用于安裝在所述基底上；所述安裝架包括與所述磁芯和/或所述多個線匝熱接觸的至少一個排放表面，用以在所述部件的操作過程中將熱量從所述磁芯和/或從所述多個線匝排放到所述基底，在所述部件中，所述安裝架具有大于400W.m-1.K—1，優選大于600W.m-1.K—1的等效
熱導率。
[0009]熱導率的值根據安裝架將熱量從熱源傳導到散熱體的主方向來限定。通常，該熱導率在周邊溫度，即20°C下確定。
[0010]安裝架具有高的等效熱導率，使得可將熱量從線圈式部件有效排放，同時可抗振。如果安裝架僅包括一個元件，則該單一元件的材料的熱導率對應于等效熱導率。如果安裝架包括多個元件(例如安裝座和熱排放裝置)，則等效熱導率對應于所有這些元件的熱導率。[0011]優選地，所述安裝架是非磁性的，從而使其不會因感應而發熱。
[0012]更優選地，安裝架由復合材料制成。這種類型的材料具有惰性的優點，并具有高的抗振性。此外，可獲得任意所選形狀的安裝架，因為復合材料可易于加工。
[0013]優選地，安裝架包括復合材料，復合材料加載有具有高熱導率的顆粒，所述顆粒選自碳納米管、碳纖維、金剛石顆粒和石墨顆粒。這樣的材料具有高熱導率，并與航空應用相適應，其中所述線圈式部件承受振動、加速以及在一 50°C至+ 110°C之間變化的外界溫度。
[0014]更優選地，安裝架包括兩相式熱排放裝置，以增大等效熱導率，并由此促進熱量排放。
[0015]優選地，兩相式熱排放裝置是熱管(heat pipe)。
[0016]根據本發明的第一方面，兩相式熱排放裝置是脈動式熱管。
[0017]根據本發明的另一方面，兩相式熱排放裝置是蒸汽室。
[0018]根據第一方面，安裝架包括用于安裝在基底上的至少一個座，因此，該兩相式熱排放裝置安裝在該安裝座上，這改善了熱排放裝置的維護。
[0019]根據第二方面，安裝架包括用于安裝在基底上的至少一個座，因此，兩相式熱排放裝置與所述安裝座整體形成，這使得可增大安裝架的等效熱導率。
[0020]優選地，安裝架包括:與所述磁芯熱接觸的第一排放表面和與所述多個線匝熱接觸的第二排放表面，用以在所述部件的操作過程中將熱量從磁芯和從多個線匝排放到基
。
[0021]安裝架的排放表面使得可將熱量直接從磁芯和從線匝直接排放，這改善了電子功率部件的熱調節。有利地，排放表面的存在不會增大線圈式電子功率部件的尺寸。因此，由磁芯產生的熱量不是穿過線匝，而是直接通過安裝架排放。
[0022]優選地，所述第一排放表面大致等于所述磁芯的軸向截面。由此確保了在熱排放能力(大的排放表面)與對質量和尺寸的限制(減小的排放表面)之間的折衷。
[0023]優選地，所述線匝圍繞所述磁芯和所述安裝架卷繞，這樣安裝架可以與線匝和磁芯接觸。此外，線匝卷繞有利地可將安裝架和磁芯保持到一起。
[0024]更優選地，所述第二排放表面至少部分地彎曲，以減小圍繞安裝架卷繞的線匝受損的風險。
[0025]根據本發明的一個方面，所述安裝架包括沿軸向延伸的熱接觸環，所述環的第一和第二橫向面分別形成所述第一排放表面和一部分所述第二排放表面。這樣，所述環的一個面與磁芯的一橫向面接觸，而所述環的另一個面與線匝接觸。
[0026]優選地，所述熱接觸環具有軸向表面，所述軸向表面通過圓滑的內邊緣連接到所述第二橫向面。圓滑的邊緣使得可減小圍繞所述環的第二橫向面和軸向表面而卷繞的線匝受損的風險，其中，第二橫向面和軸向表面共同形成第二排放表面。此外，圓滑的邊緣，也被稱為圓角，使得可改善線匝與第二排放表面之間的接觸。
[0027]根據本發明的另一方面，在所述第一排放表面與所述磁芯之間，設置有熱界面材料，優選為熱脂膏。這種類型的熱界面材料使得可改善從磁芯排放熱量的能力。
[0028]優選地，所述安裝架連接到所述磁芯的一端。將安裝架連接到磁芯的一端可使所述芯的磁性能保持不受影響。
[0029]更優選地，安裝架包括用于安裝在基底上的至少一個座。安裝座一方面可使從排放表面撤除的熱量被傳導到基底，另一方面可抵抗與連接所述部件的飛機的操作相關的振動和加速。
[0030]更優選地，由于所述部件包括兩個安裝架，因而所述安裝架連接到磁芯的各端。所設置的兩個架使線圈式部件可有效緊固在承受振動和加速的環境中，而同時限制其質量和尺寸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]通過閱讀以下的參照附圖僅以示例形式給出的描述，本發明的將被更好地理解，其中:
[0032]圖1是根據現有技術(已進行了評述)的線圈式電子功率部件的橫截面；
[0033]圖2示意性顯示出根據本發明的線圈式電子功率部件，其處于水平位置并僅顯示出線匝中的一些；
[0034]圖3是圖2中的線圈式電子功率部件的軸向截面；
[0035]圖4示意性顯示出根據本發明的線圈式電子功率部件，其處于豎直位置并僅顯示出線匝中的一些。
[0036]應注意，附圖以實施本發明的詳細方式公開了本發明，所述附圖當然也可以在必要時用于更好地限定本發明。
【具體實施方式】
[0037]圖2顯示出用于航空應用的根據本發明的線圈式電子功率部件3的第一實施例，其中，線圈式部件3承受振動、加速以及在一 50°C至+ 110°C之間變化的外界溫度。
[0038]線圈式部件3包括:環形圓紋曲面(toric)的磁芯31，在下文中被稱為超環面(toroidal)芯31，多個線匝32圍繞磁芯31卷繞以形成線圈。在此示例中，超環面芯31采取具有軸線X的細長圓柱的形式，并具有圓形的橫截面。超環面芯31由例如鐵氧體這樣的磁性材料制成。多個線匝32，優選地為銅制線匝，通常圍繞超環面芯31卷繞以形成如圖2中所示的磁線圈。這種類型的線圈能夠通過感應產生電流，以執行例如電信號過濾操作。
[0039]線圈式部件3安裝在被用作散熱體的結構性的基底2上，所述基底優選與飛機整體形成。參見圖2和3，基底2是水平的平坦板；然而，該基底2當然也可采取不同的形式。參見圖2和3，在本發明的此第一實施例中，線圈式部件3的超環面芯31的軸線X相對于基底2而水平延伸。線圈式部件3如所述地被安裝在基底2上的一水平位置。
[0040]在此示例中，線圈式部件3包括：兩個相同的安裝架4，該安裝架安裝在線圈式部 件3的超環面芯31的側向端處，如圖2和3中所示，以使所述超環面芯在承受振動和加速 時能夠牢固地固定。
[0041]每個安裝架4包括沿軸線X軸向延伸的圓環41，并包括與超環面芯31熱接觸的第 一排放表面S1和與多個線匝32熱接觸的第二排放表面S2，以并行地將熱量從超環面芯31 和從多個線匝32排放到基底2。
[0042]每個安裝架4進一步包括：安裝座42，其與圓環41整體形成，并能夠安裝在基底 2上。安裝座42的尺寸使得這些尺寸確保線圈式部件3在振動和加速情況下的機械強度。 在此示例中，安裝架4采用單一件的形式，以改善熱排放，但安裝架4當然也可為組件式的。
[0043]優選地，安裝架4由非磁性材料(優選地為鋁）制成，以不妨礙線匝32與超環面芯 31之間的感應現象。有利地，通過感應產生的自發熱對于非磁性材料而言是可忽略不計的。 鋁有利地具有高的熱導率以及適合航空應用的密度。
[0044]更常用地，安裝架4具有大于400W ?IT1的等效熱導率，從而可以有效調節線圈 式部件3的溫度并同時使其可抵抗機械應力。優選地，所述等效熱導率大于600W -m-1
[0045]優選地，安裝架是非磁芯的，以限制所述架由于磁感應而發熱。
[0046]根據第一方面，安裝架由復合材料制成，該復合材料加載有具有高熱導率的顆粒， 所述顆粒選自金剛石顆粒、碳納米管、碳纖維和石墨顆粒。對所述顆粒的選擇基于在熱導率 與其價格之間的折衷，該價格取決于熱導率。這種類型的復合材料是惰性的，因而具有高的 抗振性。此外，可獲得任意所選形狀的安裝架，因為復合材料可易于加工。
[0047]優選地，兩相式熱排放裝置安裝在安裝架上，并由于相變而可達到約 SOOOff.m-1.^1的等效熱導率，這使得線圈式部件3的溫度可被優化調節。優選地，兩相式 熱排放裝置是低成本的熱管，其操作被控制以確保高可靠性。優選地，熱管的一側連接到安 裝座42，另一側連接到基底2。
[0048]優選地，為了實現高的熱導率性能，該兩相式熱排放裝置是具有更高性能和更高 成本的脈動式熱管，或者是性能高于熱管的蒸汽室，其構造中散熱率/熱源表面率較高，蒸 汽室的成本大于熱管的成本。
[0049]在此不例中，圓環41具有第一橫向表面，形成第一排放表面S1,第一排放表面S1 與超環面芯31的側向表面接觸。超環面芯31在操作過程中所累積的熱量因而經由圓環41 的第一橫向表面被直接傳送到安裝架4。為了優化熱排放，圓環41所具有的軸向截面大致 等于超環面芯31的軸向截面。圓環41的截面當然也可小于超環面芯31的截面。環41的 厚度被設定，以實現有效的熱排放并同時限制線圈式部件3的質量。在環41的厚度約為2 至3mm時,可確保良好的折衷。
[0050]圓環41包括與第一橫向面相對的第二橫向面，環41的兩個橫向面通過內軸向表 面SI并且通過外軸向表面SE連接，如圖2中所示。仍參見圖2，超環面芯31和安裝架4的 圓環41形成軸向圓柱，線匝32圍繞該軸向圓柱卷繞，如圖2和3中所示，線匝32同時與超 環面芯31的軸向表面以及第二橫向面和圓環41的軸向表面SI、SE接觸，由此從線匝32排 放熱量。第二橫向面和內、外軸向表面SI、SE —起形成每個安裝架4的第二熱排放表面S2。
[0051]參見圖3，環41的第二橫向表面通過內邊緣61連接到內軸向表面SI，并通過外邊緣62連接到外軸向表面SE。優選地，邊緣61、62是圓滑的，以減小線匝32在它們圍繞環41卷繞時受損的風險。當然，邊緣61、62中可僅一個是圓滑的。更常用地，使安裝架4與線匝32接觸的第二排放表面S2是彎曲的，以減小線32受損的風險，并改善安裝架4與線匝32之間的熱接觸。
[0052]安裝架4的安裝座42優選地包括用于連接到基底2的結構，優選為能夠容納螺絲以連接到基底2的安裝孔5，如圖2中所示。在此示例中，超環面芯31和安裝架4的環41通過線匝32的卷繞被保持到一起。優選地，安裝架4包括:保持結構(未示出)，其能夠將超環面芯31和兩個安裝架4保持到一起，從而使線匝32可圍繞超環面芯31和安裝架4的環41卷繞。優選地，縱向螺紋棒擰在兩個安裝架4之間，以調節二者之間的軸向距離，這可保持超環面芯31和線匝32的繞組。參見圖2，安裝座42包括縱向螺紋6，以使螺紋棒可擰入其中。
[0053]在此示例中，安裝架4包括一個安裝座42，但其當然可以包括多個安裝座。在示例中，安裝架4包含的安裝座42可連接到散熱體，而非基底2。安裝座42可同樣包括散熱片以利用周邊空氣改善傳熱。
[0054]優選地,熱界面材料(優選地為Berquist Gap Fillerl500類型的熱脂膏)被設置在第一排放表面SI (在此示例中為環41的第一橫向面)與超環面芯31之間，以改善超環面芯31到環41的熱排放。實際上，超環面芯31通常所具有的表面光潔度不足以實現利用安裝架4進行均勻加壓。通過增加熱界面材料，可改善超環面芯31的表面光潔度，這樣確保可靠的熱排放。
[0055]類似地，熱界面材料可施加到安裝座42與基底2之間，從而可以將熱量傳送到基底2。
[0056]在制造過程中，安裝架4安裝在環形圓紋曲面的磁芯31的各端上，每個環41的第一橫向面與超環面芯31的端的橫向面接觸。優選地，熱脂膏被施加于界面上。然后將銅線圍繞由環41和超環面芯31形成的圓柱組件卷繞以形成線匝32。當安裝在飛機上時，線圈式部件3通過將其安裝腳42擰入孔5而連接到基底2上。線匝32然后連接到其它電子功率部件，以例如針對功率變換器執行過濾操作。當進行穩態操作時，熱量由于超環面芯31和線匝32中的焦耳效應而產生并通過安裝架4的環41被直接排放，以傳送到安裝腳42中并然后傳導到形成散熱體的基底2上，這使得線圈式部件3的溫度可以在操作過程中被調節。
[0057]為了確保所述組件的良好機械強度，線圈式部件3可用樹脂灌注。
[0058]圖4顯示出根據本發明的第二實施例的線圈式部件3’。類似于第一實施例的是，線圈式部件3’包括環形圓紋曲面的磁芯31’，線匝32’圍繞磁芯31’卷繞。在此第二實施例的線圈式部件3’中，超環面芯31’的軸線X正交于基底2延伸，如圖4中所示。線圈式部件3’如所述地被安裝在基底2上的豎直位置。
[0059]與第一實施例不同的是，線圈式部件3’包括兩個不同的安裝架8、9。線圈式部件3’包括上安裝架8，上安裝架8包括:圓環81，其與所述實施例中的環類似；和兩個上安裝座82，所述上安裝座將環81連接到基底2并且沿對角相對。線圈式部件3’進一步包括下安裝架9，下安裝架9包括:圓環91，其與第一實施例中的環類似；和兩個下安裝座92，所述下安裝座將環91連接到基底2。[0060]上安裝座82在此示例中是彎曲的，從而可在不妨礙線匝32的卷繞的情況下連接到基底2。下安裝座92在此示例中僅被支撐在基底2上，而不包括安裝結構，上安裝座82的安裝確保所述線圈式部件被保持在基底2上。
[0061]根據本發明的線圈式部件3，3’可在基底2上豎直或水平安裝，對尺寸方面而言這是非常有利的。
【權利要求】
1.一種線圈式電子功率部件(3，3’)，用于安裝在基底(2)上，所述部件(3，3’)包括: 沿軸向延伸的磁芯(31，31’)，多個線匝(32，32’ )圍繞所述磁芯卷繞以形成磁線圈；和 至少一個架(4，8，9)，用于安裝在所述基底(2)上； 所述安裝架包括與所述磁芯和/或所述多個線匝(32，32’ )熱接觸的至少一個排放表面(S1，S2)，由此在所述部件(3，3’ )的操作過程中將熱量從所述磁芯(31，31’)和/或從所述多個線匝(32，32’ )排放到所述基底(2)； 所述部件(3，3’ )的特征在于，所述安裝架(4，8，9)具有大于400W.M-1.M-1的等效熱導率。
2.根據權利要求1所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9)是非磁性的。
3.根據權利要求1或2所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9)由復合材料制成。
4.根據權利要求3所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9)所包括的復合材料加載有具有高熱導率的顆粒，所述顆粒選自碳納米管、碳纖維、金剛石顆粒和石墨顆粒。
5.根據權利要求1至4中任何一項所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9)包括:兩相式熱排放裝置。
6.根據權利要求5所述的部件，其中， 所述兩相式熱排放裝置是熱管。
7.根據權利要求6所述的部件，其中， 所述兩相式熱排放裝置是脈動式熱管。
8.根據權利要求7所述的部件，其中， 所述兩相式熱排放裝置是蒸汽室。
9.根據權利要求5至8中任何一項所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9 )包括:用于安裝在所述基底(2 )上的至少一個座(42，82，92 )，所述兩相式熱排放裝置安裝在所述安裝座(42，82，92)上。
10.根據權利要求5至8中任何一項所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9 )包括:用于安裝在所述基底(2 )上的至少一個座(42，82，92 )，所述兩相式熱排放裝置與所述安裝座(42，82，92 )整體形成。
【文檔編號】H01F37/00GK103827993SQ201280046394
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年9月27日 優先權日:2011年9月28日
【發明者】尼古拉斯·德拉蘭德爾, 雅尼克·科林, 斯特凡·馬利特, 杰克斯·撒拉特 申請人:伊斯帕諾-絮扎公司