DE102007006160A1

DE102007006160A1 - Electrical coil, has winding formed by conductor and embedded in electrically insulated shroud, where shroud is in thermal contact with winding and is partially composed of material i.e. plastic material, with high heat conductivity

Info

Publication number: DE102007006160A1
Application number: DE200710006160
Authority: DE
Inventors: Tobias Danzer; Josef Burger; Konrad Dr. Huber; Björn Karlson; Reinhard Dr. Maier; Hubert Dr. Schierling
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2008-08-14

Abstract

The coil (1) has a winding (3) formed by an electrical conductor and embedded in an electrically insulated shroud (10). The shroud is in thermal contact with the winding and is partially composed of a material i.e. plastic material, with high heat conductivity. A hollow space axially interfuses the coil and is filled with an electrically insulated material with high heat conductivity. The shroud is partially enclosed by a housing (12). The plastic material is selected from a group of liquid crystal polymer plastic, polyamide plastic, polypropylene plastic and polyphenylene sulfide plastic.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Spule mit einer aus einem elektrischen Leiter gebildeten Wicklung. Vor allem in höheren Leistungsbereichen ist die Wärmeentwicklung von Spulen problematisch, insbesondere dann, wenn gleichzeitig eine verkleinerte Spulengeometrie bzw. Spulenbauform gefordert wird. In diesen Fällen erhöht sich die Dichte des von der Spule erzeugten Magnetfelds bzw. die Energiedichte, was mit einer erhöhten nicht tolerierbaren Wärmeentwicklung verbunden ist.The The invention relates to an electrical coil with one of an electrical Conductor formed winding. Especially in higher performance areas the heat development of coils problematic, especially if at the same time a reduced coil geometry or coil design is required. In these cases elevated the density of the magnetic field generated by the coil or the Energy density, what with an increased intolerable heat development connected is.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Spule vorzuschlagen, die bei kleinen Abmessungen relativ große Leistungen zulässt.From that Based on the object of the invention, an electric coil to propose, which allows relatively large benefits in small dimensions.

Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Wicklung in einer sie umschließenden elektrisch isolierenden Ummantelung eingebettet ist, wobei die Ummantelung in thermischem Kontakt mit der Wicklung steht und zumindest teilweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Diese Ausgestaltung gewährleistet eine thermische Verbindung zwischen der Spulenwicklung und einer Wärmesenke, beispielsweise der Umgebung, und dementsprechend eine verbesserte Wärmeabfuhr. Eine erfindungsgemäße Spule kann daher eine gegenüber herkömmlichen Spulen gleicher Leistungsklasse verringerte Baugröße aufweisen, ohne dass dadurch eine Überhitzung zu befürchten wäre.These The object is achieved according to claim 1, characterized in that the winding in one enclosing them embedded electrically insulating sheath, wherein the sheath is in thermal contact with the winding and at least partially consists of a material with high thermal conductivity. This embodiment ensures a thermal connection between the coil winding and a Heat sink for example, the environment, and accordingly improved heat dissipation. A coil according to the invention can therefore be a opposite usual Coils of the same power class have a reduced size, without thereby overheating to fear would.

Der erfindungsgemäße Gedanke lässt sich sowohl bei Spulen mit und ohne Kern anwenden. Die Wärmeabfuhr von der Wicklung kann noch dadurch gesteigert werden, dass der den Spulenkörper bzw. die Spule axial durchsetzende Hohlraum ebenfalls mit einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Material gefüllt ist. Die Spule ist dann vollständig in dem Material eingebettet. Dabei kann es sich um das Material handeln, aus dem auch die Ummantelung zumindest teilweise besteht. Es kann aber auch ein anderes Material eingesetzt werden. Vorzugsweise wird ein im fließfähigen Zustand verarbeitbares Kunststoffmaterial verwendet. Mit einem solchen Material lässt sich das Ummanteln der Wicklung und/oder das Ausfüllen des Spulenkörpers im Spritzgussverfahren oder im Gießverfahren, letzteres z. B. mit einem Zweikomponenten-Gießharz, bewerkstelligen. Vorzugsweise ist das Kunststoffmaterial mit wenigstens einem elektrisch isolierenden Füllstoff hoher Wärmeleitfähigkeit versetzt. Die Wärmeleitfähigkeit eines solchen Compounds ist umso höher, je mehr Füllstoffpartikel in gegenseitigem Kontakt miteinander stehen, d. h. es sind relativ hohe Füllgrade zweckmäßig. Als elektrisch isolierende Füllstoffe mit im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen erhöhter Leitfähigkeit werden insbesondere Aluminiumoxid, Quarzmehl, Bornitrid und Aluminiumnitrid verwendet. Als Kunststoffmaterialen werden bevorzugt LCP, PA, PP und PPS eingesetzt.Of the inventive idea can be both apply to coils with and without core. The heat dissipation from the winding can still be increased by the fact that the bobbin or the Coil axially penetrating cavity also with a high thermal conductivity filled material is. The coil is then completely in embedded in the material. This can be the material, from which also the sheath consists at least partially. It can but also a different material can be used. Preferably one in the flowable state processable plastic material used. With such a material let yourself the sheathing of the winding and / or the filling of the bobbin in Injection molding or by casting, the latter z. B. with a two-component casting resin, accomplish. Preferably is the plastic material with at least one electrically insulating filler high thermal conductivity added. The thermal conductivity of a such compounds are higher, the more filler particles in mutual contact, d. H. they are relative high filling levels appropriate. When electrically insulating fillers with compared to conventional ones Plastics increased conductivity in particular, alumina, quartz flour, boron nitride and aluminum nitride used. As plastic materials are preferably LCP, PA, PP and PPS used.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ummantelung zumindest teilweise von einem Gehäuse umschlossen ist. Dies hat den Vorteil, dass bei der Auswahl des Materials für die Ummantelung im Wesentlichen dessen Wärmeleitfähigkeit im Vordergrund steht und an ein Gehäusematerial gestellte Anforderungen, wie Festigkeit oder Entflammbarkeit außer Acht bleiben können.at Another preferred embodiment provides that the Jacket is at least partially enclosed by a housing. this has the advantage that when choosing the material for the sheathing essentially its thermal conductivity in the foreground and demands placed on a housing material, how strength or flammability can be ignored.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The The invention will now be described with reference to the accompanying drawings explained in more detail. Show it:

1 einen schematisierten Querschnitt durch eine Spule mit Kern, 1 a schematic cross section through a coil with core,

2 einen Schnitt entsprechend Linie II-II in 1, 2 a section corresponding to line II-II in 1 .

3 eine Spule ohne Kern in einer 1 entsprechenden Darstellung. 3 a coil without a core in one 1 corresponding representation.

In 1 ist eine Spule 1 schematisch dargestellt. Sie umfasst in herkömmlicher Weise einen Spulenkörper 2 der eine eine Vielzahl von Windungen aufweisende Wicklung 3 eines elektrischen Leiters, in der Regel eines Kupferdrahtes, trägt. Der Spulenkörper 2 ist in Axialrichtung 4 von einem Hohlraum 5 durchsetzt, der von dem Mittelschenkel 6 eines E-förmigen, beispielsweise ferritischen Kerns 7 durchgriffen ist. Die beiden Außenschenkel 8 des Kerns 7 flankieren die Wicklung 3 unter Einhaltung eines Abstandes 9.In 1 is a coil 1 shown schematically. It conventionally comprises a bobbin 2 the winding having a plurality of turns 3 an electrical conductor, usually a copper wire carries. The bobbin 2 is in the axial direction 4 from a cavity 5 interspersed, that of the middle thigh 6 an E-shaped, for example, ferritic core 7 is penetrated. The two outer thighs 8th of the core 7 flank the winding 3 while maintaining a distance 9 ,

Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von der Wicklung 3 ist diese von einer Ummantelung 10 eingebettet. Die Ummantelung 10 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und welches z. B. stoffschlüssig mit dem Leiter der Wicklung verbunden ist und dadurch in engem thermischen Kontakt mit ihr steht. Die Ummantelung 10 ist so bemessen, dass sie die Wicklung 3 und die Außenschenkel 8 des Kerns 7 im Wesentlichen vollständig einbettet. Die Ummantelung 10 ist von einem Gehäuse 12 umschlossen. Dieses besteht aus einem Material, das gegenüber dem Material der Ummantelung 10 beispielsweise eine erhöhte mechanische Festigkeit aufweist. Das Material des Gehäuses 12 weist idealerweise auch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf. In jedem Fall ist es, um die Wärmeabgabe über seine Außenseite 13 an die Umgebung möglichst wenig zu behindern, so dünn wie möglich ausgestaltet. Hinsichtlich der Wärmeübertragung an die Umgebung ist es weiterhin zweckmäßig, die Zwischenräume 14 zwischen dem Gehäuse 12 und der Wicklung 3 sowie den Außenschenkeln 8 möglichst klein zu wählen.To improve the heat dissipation from the winding 3 this is from a sheath 10 embedded. The jacket 10 consists of an electrically insulating material which has a good thermal conductivity and which z. B. is integrally connected to the conductor of the winding and thus is in close thermal contact with her. The jacket 10 is sized to the winding 3 and the outer thighs 8th of the core 7 essentially completely embedded. The jacket 10 is from a housing 12 enclosed. This consists of a material that is opposite to the material of the sheath 10 for example, has an increased mechanical strength. The material of the case 12 ideally also has a relatively high thermal conductivity. In any case, it's about the heat dissipation over its outside 13 To impede the environment as little as possible, designed as thin as possible. With regard to the heat transfer to the environment, it is also appropriate, the Zwischenräu me 14 between the case 12 and the winding 3 as well as the outer thighs 8th to choose as small as possible.

Zur Herstellung einer Spule entsprechend 1, 2 kann der mit einer Wicklung 3 versehende Spulenkörper 2 zusammen mit dem Kern 7 innerhalb eines beispielsweise quaderförmigen, einseitig geöffneten Gehäuses 12 positioniert und das Gehäuse mit einer Vergussmasse, beispielsweise einer Zwei-Komponenten-Vergussmasse oder einem thermoplastischen Kunststoff ausgegossen werden. Dankbar ist es auch, den Spulenkörper 2 mit Wicklung 3 und Kern 7 in dem Formhohlraum einer Spritzgussform zu positionieren und den die genannten Teile umgebenden Hohlraum mit einer Spritzgussmasse auszuspritzen. In einem zweiten Schritt kann das entstehende Vorprodukt in einem weiteren Spritzgussschritt mit einem Gehäuse umspritzt werden.To make a coil accordingly 1 . 2 can the one with a winding 3 providing bobbin 2 along with the core 7 within an example cuboid, one-sided open housing 12 positioned and the housing with a potting compound, such as a two-component potting compound or a thermoplastic material are poured. Grateful, too, is the bobbin 2 with winding 3 and core 7 to position in the mold cavity of an injection mold and to inject the cavity surrounding the said parts with an injection molding compound. In a second step, the resulting precursor can be encapsulated in a further injection molding step with a housing.

3 zeigt eine Spule 1a ohne Kern. Die Wicklung 3 ist, wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel auch, von einer Ummantelung 10 umhüllt. Diese ist beispielsweise stoffschlüssig mit der Wicklung 3 bzw. den sie bildenden elektrischen Leitern verbunden, steht also in engem thermischen Kontakt mit der Wicklung. Da Luft ein relativ schlechter Wärmeleiter ist, ist es zweckmäßig, wenn auch der den Spulenkörper 2 durchsetzende Hohlraum 5 mit einer Masse 11 mit hoher Wärmeleitfähigkeit, etwa demselben Material aus dem die Ummantelung 10 besteht, gefüllt ist. Die Herstellung einer Spule 1a kann auf die oben beschriebene Weise, also im Spritzguss- oder Gießverfahren erfolgen. Ein die Ummantelung 10 umschließendes Gehäuse 12 ist auch hier relativ dünn gestaltet, um den Wärmetransport an die Außenseite 13 des Gehäuses möglichst wenig zu behindern. Gleiches trifft für den zwischen Gehäuse 12 und Wicklung 3 vorhandenen Zwischenraum 14a zu. 3 shows a coil 1a without a core. The winding 3 is, as in the embodiment described above, of a sheath 10 envelops. This is, for example, cohesively with the winding 3 or connected to the forming electrical conductors, so is in close thermal contact with the winding. Since air is a relatively poor conductor of heat, it is expedient, although the bobbin 2 penetrating cavity 5 with a mass 11 with high thermal conductivity, about the same material from the sheath 10 exists, is filled. The production of a coil 1a can be done in the manner described above, ie by injection molding or casting. A the sheath 10 enclosing housing 12 is also designed to be relatively thin here, the heat transfer to the outside 13 of the housing as little as possible to hinder. The same applies to the case between housing 12 and winding 3 existing gap 14a to.

Das wärmeleitende Kunststoffmaterial ist ein Compound aus einer Kunststoffmatrix, beispielsweise aus LCP, PA, PP und PPS und einem elektrisch isolierenden Füllstoff. LCP sind Flüssigkristallpolymere (liquid cristal polymers), beispielsweise flüssigkristalline Polyester. PPS steht für Polyphenylensulfid. Die Wärmeleitfähigkeit der an sich schlecht wärmeleitenden Kunststoffe wird durch einen anorganischen Stoff, beispielsweise Aluminiumoxid, Quarzmehl, Bornitrid und Aluminiumnitrid gewährleistet. Je nach Anteil und Art der verwendeten Füllstoffe lassen sich Wärmeleitfähigkeiten von beispielsweise 1 W/mK bis 10 W/mK erreichen.The thermally conductive Plastic material is a compound of a plastic matrix, for example, from LCP, PA, PP and PPS and an electrically insulating Filler. LCPs are liquid crystal polymers (liquid cristal polymers), for example liquid crystalline polyesters. PPS stands for Polyphenylene sulfide. The thermal conductivity the in itself poorly heat-conducting Plastics is characterized by an inorganic substance, for example Alumina, quartz powder, boron nitride and aluminum nitride guaranteed. Depending on the proportion and type of fillers used, thermal conductivities can be achieved from, for example, 1 W / mK to 10 W / mK.

Claims

Electric coil with a winding formed by an electrical conductor ( 3 ), which in an enclosing electrically insulating sheath ( 10 ), the sheath ( 10 ) in thermal contact with the winding ( 3 ) and at least partially consists of a material with high thermal conductivity.

A spool according to claim 1, wherein one of these axially penetrating cavity with an electrically insulating material filled with high thermal conductivity.

Coil according to claim 1 or 2, wherein the one high thermal conductivity having material processable in the flowable state Plastic material is.

A spool according to claim 3, wherein the plastic material at least one electrically insulating filler of high thermal conductivity contains.

A spool according to claim 4, wherein the plastic material an inorganic filler contains.

A spool according to claim 6, wherein the plastic material at least one filler from the group aluminum oxide, quartz flour, boron nitride and aluminum nitride contains.

A spool according to any one of claims 4 to 7, wherein the plastic material selected is the group LCP, PA, PP, and PPS

Coil according to one of the preceding claims, in which the sheathing is at least partially separated from a housing ( 12 ) is enclosed.