具有冷却装置的电感元件和该元件的应用

本发明涉及一种用于形成一个磁回路的电感元件，该电感元件具 有至少一个金属丝绕组和至少一个用于冷却该金属丝绕组的冷却装 置。

一个电子镇流器(EVG)在照明领域中作为电子变压器和/或换流 器使用。电子镇流器具有至少一个电感元件。该电感元件例如是一个 扼流线圈或者一个变压器。该电感元件具有一个金属丝绕组。该金属 丝绕组具有一个导电体的许多绕圈，用于通过在导体中流动的电流产 生一个磁通量。该金属丝绕组也用于通过绕组中磁感应的变化产生一 个电压。为了加大磁感应、并为了减少漏磁损失，所述金属丝绕组大 多位于一个含有铁磁材料的芯体上。所述铁磁材料例如是一种铁氧 体。该芯体负责产生一个尽可能封闭的磁回路。

这些电子镇流器越来越微型化。所述微型化尤其涉及电子镇流器 的一个电感元件。在一个相同的功率流量(Leistungsdurchsatz)条 件下可以通过提高接通频率实现一个电感元件的小结构尺寸。但是提 高接通频率导致电损失增加，并由此降低电感元件的品质Q。所述品质 是电感元件的一个电质量的标志。由于品质降低，在电感元件越来越 微型化时、尤其是在电感元件以一种高交流电压运行时导致一个不允 许的高运行温度。

对于一个大变压器形式的电感元件，例如一个用于冷却所述金属 丝绕组的冷却装置利用一个借助于一种流体而运行的冷却回路来实 现。这样的解决方案对于一个已微型化的电感元件是不适合的。微型 化的电感元件一般在空气环境下运行。这意味着，该元件的绕组仅仅 通过环境空气引起的对流进行冷却。但是这种冷却形式可能不足以使 运行温度降低到使电感元件的品质满足要求。

本发明地目的是，提供一个电感元件，它具有一个用于冷却绕组 的有效的冷却装置。

这个目的通过一个用于形成一个磁回路的电感元件得以实现，该 电感元件具有至少一个金属丝绕组和至少一个用于冷却该金属丝绕组 的冷却装置。该电感元件的特征是，所述冷却装置具有至少一种含有 至少一种聚合物材料和至少一种导热的填料的复合材料。

所述复合材料最好由一种电绝缘的或者不良导电的聚合物材料组 成，该聚合物材料具有一种导热的且不良导电的填料。所述聚合物材 料可以具有一种天然的和/或人造的聚合物。该天然聚合物例如是橡 胶。人造聚合物例如是一种塑料。

所述聚合物材料在此作为复合材料的基材构成一种基质，在其中 加入填料。在此可以存在多种填料。所述填料可以是粉状或纤维状的。 一种填料颗粒的直径可以在100nm至100μm的μm范围中选择。在此 最好这样选择填料在聚合物材料中的填充率，使得超过一个凝结界 限。在该凝结界限以下，各个填料颗粒接触的可能性非常低。这将导 致相对较低的单位导热系数。如果超过凝结界限，那么填料颗粒就以 相对较大的可能性进行接触。由此得到相对较高的复合材料单位导热 系数。

所述填料是导热的，且最好也是电绝缘的或不良导电的。这将使 该电感元件也可以以一个相对较高的工作电压运行。例如所述工作电 压可以直到2000V。所述复合材料即使在这个数量级的工作电压下也是 耐击穿的。一种陶瓷材料特别适合于作为能导热的、同时电绝缘的或 不良导电的填料。例如氧化铝(Al2O3)是一种具有上述特性的陶瓷材 料。

为了有效地排出在电感元件运行时在所述金属丝绕组中产生的热 量，所述冷却装置的复合材料最好直接与金属丝绕组连接。通过传热 排出金属丝绕组中的热量。

在一个特殊的实施例中，所述冷却装置具有至少一个含有复合材 料的薄膜，该薄膜与所述金属丝绕组处于直接的导热接触。该薄膜与 金属丝绕组这样连接，使得可以产生一种从绕组向着薄膜的传热。所 述薄膜与金属丝绕组相互接触。该薄膜的一个薄膜厚度(膜厚)为 0.22mm。在此根据复合材料(聚合物材料的种类、填料的种类和填充 度等)可以达到一个从0.15K/Wm到6.5K/Wm的单位导热系数λ。尽管 相对较薄的膜厚，在此也可以达到1kV至6kV的耐压性。

为了保证通过冷却装置有效地排热，尤其使用一个具有复合材料 的软薄膜。该薄膜可以塑性和/或弹性地变形。所述金属丝绕组可以接 近形状配合连接地嵌入到薄膜中。在此一个在所述薄膜与金属丝绕组 之间的热接触面特别大，通过该接触面产生导热。

在一个特殊的改进方案中，所述冷却装置具有至少一种浇注物 料，该浇注物料具有至少另一种含有至少另一种聚合物材料和至少另 一种导热的填料的复合材料，并且该浇注物料与金属丝绕组和/或薄膜 处于直接的导热接触。所述复合材料和另一种复合材料可以是相同的 或不同的。该复合材料和另一种复合材料的各个组分也可以是相同的 或不同的。所述金属丝绕组和/或薄膜部分地或完全地嵌入到具有另一 种复合材料的浇注物料中。因为所述另一种复合材料是能够导热的、 并且由于所述嵌入使得在浇注物料与金属丝绕组或薄膜之间呈现一种 几乎完全的形状配合连接，因此可以使金属丝绕组和薄膜的热量通过 浇注物料非常有效地排出。通过使用所述浇注物料此外还在电感元件 内部导致一种均匀的温度分布。该元件的金属丝绕组被均匀地冷却。 这一点同样有助于提高电感元件的品质。

不仅对于薄膜而且对于浇注物料都能够在该浇注物料、薄膜与金 属丝绕组之间存在中间空间(空心空间)，该中间空间充满空气并因 此有助于浇注物料、薄膜与金属丝绕组相互间的隔热。由于所述中间 空间使得不再能够实现有效的排热。因此在一种特殊的改进方案中， 一个位于所述薄膜与金属丝绕组之间的、和/或位于浇注物料与金属丝 绕组之间的中间空间具有一种用于对于该中间空间进行热跨接 (thermische Ueberbrueckung)的导热材料。该中间空间最好完全 充满导热材料。这一点导致更好地从绕组中排热。对此最好使用一种 导热材料，该导热材料附加地也是电绝缘的。因此所述导热材料尤其 选自油、膏、蜡和/或粘接剂。通过这种导热的、同时电绝缘的材料保 证，即使在使用高工作电压时也得到一种对此所需的耐压性。

所述电感元件的冷却装置这样构成：使得在电感元件工作时在金 属丝绕组中产生的热量可以有效地向外排出。为此由冷却装置的复合 材料继续排出热量。例如通过对流实现所述热量的继续排出。为此在 具有复合材料的冷却装置旁边导引一种流体，该流体可以接收热量。 该流体例如是一种液体或一种气体或混合气。

热量的继续排出最好通过传热实现。因此在一种特殊的改进方案 中，所述具有复合材料的薄膜和/或所述具有复合材料的浇注物料通过 一种传热机构导热地与一个吸热机构连接。借助于所述吸热机构，负 责在电感元件工作时在绕组、冷却装置与吸热机构之间存在尽可能小 的温度差。为此最好这样构成吸热机构：使得它可以接收大的热量。 该吸热机构的热容量是大的。也可以设想，吸热机构负责有效地排出 热量。该吸热机构例如是一个由一种材料制成的冷却体，这种材料的 特征是高的导热性。为了保持热量梯度，该冷却体可以通过对流进行 冷却。

所述电感元件最好是一个扼流线圈或者一个变压器。一个扼流线 圈对于直流电是通流的。而与此相反通过该扼流线圈限制交流电，该 扼流线圈对于高频电流具有一种高的电抗。所述变压器由至少两个金 属丝绕组组成。但是对变压器也可以设置多于两个的金属丝绕组。也 可以选择由一个金属丝绕组组成的变压器，该金属丝绕组通过一个电 抽头分成两个部分。

按照本发明的第二观点，在一个电子镇流器中使用电感元件，其 中将一个电输入功率转换成一个电输出功率。输入功率与输出功率一 般是不同的。在此该元件尤其以一个具有从包括100kHz至包括200MHz 的范围的频率的交流电压进行工作。这个频率范围称为高频范围。为 了在高频技术中应用，该电感元件尤其具有一个由铁磁芯材料制成的 芯体，这种芯材料适合于高频。例如该芯材料是一种具有一个约10MHz 的极限频率的M33芯材料形式的铁氧体。这种芯材料具有锰和锌。同 样可以设想一种K1，K6或K12芯材料。这些芯材料具有镍和锌。所述 K6芯材料具有例如7MHz的极限频率。

在高频应用方面，所述金属丝绕组最好具有一个由许多相互电绝 缘的单根导线组成的高频绞线。一根绞线是一个由许多金属丝线(单 根导线)卷绕或编织的导线。在一根高频绞线中，所述单根导线相互 间绝缘，以便减少由于集肤效应和涡流引起的损失。由此与一根具有 不相互绝缘的单根导线的绞线相比，以相同的横截面实现一个更低的 高频损失电阻。所述单根导线尤其具有至少一个由从包括10μm至包 括50μm范围中选择出的单根导线直径。尤其从包括10根至包括30 根的范围中选择所述数量(Vielzahl)。例如10根和更多的单根导线 组成一个高频绞线。由此制成具有相对较大表面的、并由此具有相对 较低的高频损失电阻的金属丝绕组。

在一种特殊的改进方案中，使用一个直到2000V的交流电压。已 经证实，借助于所述间隙即使在具有频率为几兆赫的几百伏电压时也 能够实现一种高品质。这能够使所述电感元件微型化，并且尽管如此 也可实现一个在高品质和低内损的情况下的高的功率流量。因此该电 感元件也可以称为一个微型化的HF-HV(高频高压)元件。

所述电感元件也可以在一个启动变压器中，用于点燃一个放电 灯。为了点燃所述放电灯，使该放电灯通过一个具有高交流电压(起 始电压)的电路进行控制。因此在另一改进方案中使用一个电压脉冲， 它具有一个直至40kV的交流电压。该电感元件通过这个高交流电压在 几μm(点火持续时间)以内瞬时地进行控制。

总之，本发明具有下列主要优点：

-借助于冷却装置可以有效地排出在电感元件工作时在金属丝绕 组中产生的热量。通过有效地排出所述热量，导致金属丝绕组相对微 小的温升。该微小的温升导致在金属丝绕组中相对微小的电阻增加。 由此实现一种与一个未冷却的金属丝绕组相比更高的电感元件品质。

-通过使用所述浇注物料，此外还在电感元件内部导致一种均匀 的温度分布。该元件的金属丝绕组被均匀地冷却。这同样有助于提高 电感元件的品质。

-由于有效的冷却，即使在高频应用的情况下也可以使用一个具 有高的功率流量的微型化的电感元件。

下面借助于多个实施例和附图更加详细地描述本发明。该附图是 示意图并且未以真实比例示出。

图1至3分别以侧面横截面图示出一个具有一个冷却装置的电感 元件，

图4以一个侧面横截面图示出一个具有冷却装置的电感元件的局 部图，

图5从侧面示出一个电感元件，

图6a和6b俯视地并在沿着截切线I-I的横截面图中示出电感元 件芯体的一个RM结构形状。

所述电感元件1是一个HF-HV(高频高压)变压器(图5)。该元 件1具有一个金属丝绕组3和一个芯体4。该金属丝绕组通过一个绕组 轴线12表示，沿着该绕组轴线缠绕金属丝绕组3的导线。该金属丝绕 组3是一个具有30根单根导线的高频绞线14。一个单根导线的导线直 径约为30μm。所述芯体4是一个铁氧体芯并由一种M33芯体材料所制 成。该芯体具有一个RM6芯体形状(图6a和6b)。该芯体是一个E形 芯体与一个具有一个中心孔15的钵形芯体的组合物。该芯体4具有一 个芯体中心间隙7，它围绕中心孔15设置在金属丝绕组3的内部部位 10中。另两个间隙8在金属丝绕组3的外部部位11中分别设置在芯体 4的芯侧腿6之一中。所有三个间隙7和8都是空气间隙。该间隙7和 8的间隙宽度基本等宽地分别约为3mm。

所述芯体基本上对称。它由两个与镜面13镜像对称设置的部分5 组成，该部分相互对置地设置在间隙7和8旁边并通过间隙宽度9相 互间隔距离。所述镜面13位于三个间隙7和8中。通过这种结构不仅 使芯体4而且也使金属丝绕组3基本对称地设置。由此得到一个电感 元件，它基本上对于镜面13是对称的。

为了实现一个相对较高的HF-HV变压器品质，对金属丝绕组3进 行冷却。为此存在一个用于冷却金属丝绕组3的冷却装置20。该冷却 装置20具有一个带有一种导热的复合材料的薄膜21。该复合材料的基 本材料是一种导热且不良导电的聚合物材料。在聚合物材料中加入一 种具有高导热且低导电性的填料。该薄膜21具有一个约0.22mm的膜 厚。单位导热系数λ约为4K/Wm。电耐压性达约6kV。

所述金属丝绕组3的高频绞线14和薄膜21围绕一个匹配于RM6 芯体形状的绕组体30进行缠绕。在此该薄膜21和金属丝绕组3这样 围绕绕组体30设置：使金属丝绕组3的高频绞线14和薄膜21从绕组 体30开始在径向上交替缠绕(图1和2)。所使用的薄膜21用作为金 属丝绕组3的高频绞线14的中间绝缘层。由此得到一个离开金属丝绕 组3在径向上有效的排热路径24。沿着排热路径24有效地排出在电感 元件工作时在高频绞线14中产生的热量。

按照一个对此可替换的实施方式，所述金属丝绕组3的高频绞线 14和多个薄膜21分别本身径向地对准绕组体30(图3)。由此实现一 个多室解决方案，它也称为盘形绕组。在此通过排热路径24也负责有 效地排热。

为了继续排出热量，将电感元件1或电感元件1的冷却装置20加 入到一个具有另一种能导热的复合材料的浇注物料22(图1和3)中。 浇注物料22导热地直接与金属丝绕组3的一部分接触。这意味着，通 过金属丝绕组3的高频绞线14与薄膜21之间的热接触面可以将热量 通过传热而排出。为了有效地排出热量，使浇注物料22与吸热机构25 通过传热导热地连接。所述吸热机构25是一个由一种高导热材料制成 的板。由此在电感元件工作时在金属丝绕组3与吸热机构25之间产生 相对小的温差。

对于浇注物料22也可以选择通过一个具有相对较高导热系数的排 热飞边26继续排热(图2)。排热飞边26通过一个具有相对较高的导 热系数的间隔陶瓷28与薄膜21连接，通过该导热飞边使薄膜21或金 属丝绕组3的热量继续朝着吸热机构25方向排出。

不仅在浇注物料22的情况下、而且在薄膜21的情况下可以存在 中间空间27，该中间空间减少金属丝绕组3以其冷却的效率。按照另 一实施方式使这些中间空间27通过一种导热的且电绝缘的或导电不良 的膏填充。