Brevet FR2737038A1 — publié le 19970124

TITRE: INDUCTEUR EXTRA-PLAT A FORT COURANT ET METHODE DE FABRICATION DE CELUI-CI ANTECEDENTS DE L'INVENTION La présente invention concerne un inducteur extra-plat à fort courant et une méthode de fabrication de celui-ci. Les inducteurs de ce type sont désignés par le sigle IHLP qui est une abréviation de "inductor, high current, low profile." La plupart des composants inductifs de l'art antérieur sont composés d'un noyau magnétique ayant une forme en C, et une forme en E, une forme toroidale, ou d'autres formes et configurations. Des bobines de fil conducteur sont ensuite enroulées autour des composants du noyau magnétique pour créer l'inducteur. Ces types d'inducteurs de l'art antérieur exigent de nombreuses pièces séparées, dont le noyau, l'enroulement, et une sorte de structure pour maintenir les pièces ensemble. -2 - Par ailleurs, ces bobines inductives ont souvent une coquille qui les entoure. De ce fait, il existe dans l'inducteur de nombreux espaces d'air qui affectent son fonctionnement et qui empêchent la maximisation de l'espace. En conséquence, un premier objectif de la présente invention est la fourniture d'un inducteur extra-plat à fort courant amélioré et d'une méthode de fabrication de celui-ci. Un autre objectif de la présente invention est la fourniture d'un inducteur extra-plat à fort courant qui ne présente aucun espace d'air dans l'inducteur, et qui comporte une matière magnétique qui entoure complètement la bobine. Un autre objectif de la présente invention est la fourniture d'un inducteur extra-plat à fort courant amélioré qui comporte un système magnétique fermé qui fournit une capacité d'auto-blindage. Un autre objectif de la présente invention est la fourniture d'un inducteur extra-plat à fort courant amélioré qui maximise l'utilisation de l'espace requis pour une performance d'inductance donnée de manière à ce que l'inducteur puisse être d'une taille minimum. Un autre objet de la présente invention est la fourniture d'un inducteur amélioré qui est plus petit, -3- moins cher à fabriquer, et est capable d'accepter plus de courant sans saturation que les bobines d'induction antérieures. Un autre objectif de la présente invention est la fourniture d'un inducteur extra-plat à fort courant qui exige moins de spires de fil dans la bobine pour produire la même inductance produite avec les inducteurs plus grands de l'art antérieur, réduisant ainsi la résistance en série de l'inducteur. RESUME DE L'INVENTION Les objectifs précédents peuvent être atteints par un inducteur extra-plat à fort courant qui comporte une bobine de fil ayant une extrémité de bobine interne et une extrémité de bobine externe. Un matériau magnétique entoure complètement la bobine de fil pour former un corps d'inducteur. Une première sortie est connectée à l'extrémité de bobine interne de la bobine et s'étend à travers le matériau magnétique jusqu'à une première extrémité de sortie exposée en dehors du corps d'inducteur. Une deuxième sortie est connectée à la bobine externe et s'étend à travers le matériau magnétique jusqu'à une deuxième extrémité de sortie exposée à l'extérieur du corps d'inducteur. - 4 - La méthode de fabrication de l'inducteur comprend la formation d'une bobine de fil ayant une extrémité de bobine interne et une extrémité de bobine externe. Une première sortie est attachée à l'extrémité de bobine interne de la bobine. La bobine est ensuite enroulée en une spirale hélicoidale. Ensuite une deuxième sortie est attachée à l'extrémité de bobine externe. Les première et deuxième sorties ont chacune des première et deuxième extrémités libres. Ensuite un matériau magnétique en poudre est moulée par pression tout autour de la bobine de manière à créer un corps d'inducteur. Les extrémités libres des première et deuxième sorties s'étendent en dehors du corps d'induc- teur. --5 -- BREVE DESCRIPTION DES FIGURES DES DESSINS La figure 1 est une vue illustrant un induc- teur construit conformément à la présente invention et monté sur une carte de circuit. La figure 2 est une vue illustrant la bobine de l'inducteur et le cadre de montage qui est fixé à la bobine avant le procédé de moulage. La figure 3 est une vue illustrant l'induc- teur de la présente à la fin du procédé de moulage, mais avant que le cadre de montage ne soit séparé des sorties. La figure 4 est un organigramme montrant la méthode de construction de l'inducteur de la présente invention. La figure 5a est une vue en coupe du cadre de montage et de la bobine montés dans une presse. La figure 5b est une vue en plan de dessus de la figure 5a. La figure 5c est une vue semblable à la figure 5a, mais montrant la poudre entourant le cadre de montage et la bobine avant l'application de pression. La figure 5d est une vue semblable à 5a, mais montrant la pression appliquée à la bobine, au cadre de montage, et à la poudre. - 6- La figure 5e est une vue semblable à 5a, mais montrant l'éjection du cadre de montage et de l'induc- teur moulé hors du moule. La figure 6 est une vue en perspective d'une forme modifiée de l'invention utilisant une bobine de fil ayant une section transversale ronde. La figure 7 est une vue en perspective agrandie du cadre de montage et de la bobine du dispo- sitif de la figure 6 avant le montage. DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION PREFERE En se référant aux dessins, le numéro 10 désigne de manière générale l'inducteur extra-plat à fort courant (IHLP) de la présente invention. L'IHLP 10 est montré à la figure 1 monté sur une carte de circuit 12. L'IHLP 10 comporte un corps d'inducteur 14 ayant une première sortie 16 et une deuxième sortie 18 s'étendant vers l'extérieur à partir de celui- ci. Les sorties 16 et 18 sont fléchies et pliées sous le bas du corps d'inducteur 14 et sont montrées soudées à une première plage de connexion et une deuxième plage de connexion 20, 22 respectivement. En se référant à la figure 2 l'inducteur 10 est construit en formant une bobine de fil 24 à partir d'un fil plat ayant une section transversale rectangu- -7- laire. Un exemple d'un fil préféré pour la bobine 24 est un fil plat en cuivre émaillé fabriqué par H.P. Raid Company, Inc., 1 Commerce Boulevard, P.O. Box 352 440, Palm Coast, Florida 32135, le fil étant réalisé en Cuivre OFHC 102, d'une pureté de 99,95%. Un émail poly- mide, classe 220, enrobe le fil en vue de l'isoler. Une couche d'époxy adhésif collée "E" est couchée par dessus l'isolation. Le fil est formé en une bobine hélicoidale, et l'adhésif époxy est activé en faisant tomber de l'acétone sur la bobine. L'activation de l'époxy peut aussi se faire en chauffant la bobine. L'activation de l'adhésif force la bobine à rester dans sa configuration hélicoïdale sans se desserrer ni se dérouler. La bobine 24 comporte une pluralité de spires et comporte aussi une extrémité interne 26 et une extrémité externe 28. Un cadre de montage 32 formé en bronze au phosphore, alliage 510, qui est à moitié trempé, com- porte une première sortie 16 qui a une extrémité 34 soudée à l'extrémité interne 26 de la bobine 24. Le cadre de montage 32 comporte aussi une deuxième sortie 18 qui a une extrémité 38 soudée à l'extrémité externe 28 de la bobine 24. Les sorties 16 et 18 comportent des extrémités libres 36, 40 qui sont montrées attachées au -8- cadre de montage 32 à la figure 2. Le soudage des extrémités 34, 38 à l'extrémité interne 26 et l'extrémité externe 28 de la bobine 24 est de préfé- rence réalisé par un soudage électrique par résistance, mais d'autres formes de brasage ou de soudage peuvent être utilisées. En se référant aux figures 5a et 5b, une machine de moulage par pression 68 comporte un plateau 71 ayant un support de cadre de montage en forme de T 70 en communication avec une matrice rectangulaire 72. Le plateau 71 est monté à coulissement en vue d'un déplacement coulissant vertical sur des montants glis- sières 74 et est monté sur ressort sur ces montants 74 au moyen de ressorts 76. Une base 78 comporte un poinçon fixe 80 qui fait saillie vers le haut dans la matrice rectangulaire 72 comme cela est montré à la Figure 5a. L'ensemble cadre de montage et bobine montré à la Figure 2 est placé dans le support de cadre de montage en forme de T 70 comme cela est montré aux figures 5a et 5b. A cette position la bobine est espacée légèrement au dessus de l'extrémité supérieure du poinçon fixe 80. En se référant à la Figure 5c une matière de moulage en poudre 82 est versée dans la matrice 72 de manière à entourer complètement la bobine 24. Les sor- ties 16, 18 s'étendent vers l'extérieur à partir de la matière en poudre 82 o elles sont connectées au cadre de montage 32. Le matériau de moulage magnétique est composée d'une première poudre de fer, d'une deuxième poudre de fer, d'un agent de remplissage, d'une résine, et d'un lubrifiant. Les première et deuxième poudres de fer ont des caractéristiques électriques différentes qui permettent au dispositif d'avoir une haute inductance et toutefois des pertes de noyau basses de manière à maximiser son efficacité. Des exemples de poudres de fer préférées à utiliser dans ce mélange sont les suivants: une poudre de fer fabriquée par Hoeganaes Company, River Road and Taylors Lane, Riverton, New Jersey, sous la désignation commerciale Ancorsteel 1000C. Cette matière 1000 C est isolée avec une fraction de 0,48% en masse avec de l'H3PO4 à 75%. Le deuxième matériau en poudre est fabriqué par la BASF Corporation, 1000 Cherryhill Road, Parsippany, New Jersey sous la désignation commerciale Carbonyl Iron, Grade SQ. Ce matériau SQ est isolé avec une fraction de 0,875% en masse avec de l'H3P04 à 75%. La matière magnétique en poudre comporte aussi un matériau de remplissage, et le matériau de - 10 - remplissage préféré est fabriqué par Cyprus Industrial Minerais Company, Box 3299, Ingelwood, Californie 80155 sous la désignation commerciale Snowflake PE. Il s'agit d'une poudre de carbonate de calcium. Une résine polyester est aussi ajoutée au mélange, et la résine préférée à cette fin est fabri- quée par Morton International, Post Office Box 15240, Reading, Pennsylvanie sous la désignation commerciale Corvel Flat Black, Numéro 21-7001. En outre un lubrifiant est ajouté au mélange. Le lubrifiant est un stéarate de zinc fabriqué par Witco Corporation, Box 45296, Euston Texas sous la désignation de produit Lubrazine W. Diverses combinaisons des ingrédients ci- dessus peuvent être mélangées ensemble, mais le mélange préféré est le suivant: 1000 grammes de la première poudre de fer. 1000 grammes de la deuxième poudre de fer. 36 grammes du matériau de remplissage. 74 grammes de la résine. 0,3% en poids de lubrifiant. Les matériaux ci-dessus (autres que le lubrifiant) sont mélangées ensemble puis de l'acétone est ajoutée pour mouiller la matière et lui donner une consistance boueuse. Le matériau est ensuite laissée à sécher et - 11 - tamisée avec une ouverture de maille de -50. Le lubri- fiant est ensuite ajouté pour terminer la matière 82. Le matériau 82 est ensuite ajoutée à la matrice 72 comme cela est montré à la figure 5c. L'étape suivante du procédé implique le forçage d'un coulisseau mobile 87 vers le bas sur le poinçon amovible 84 de manière à forcer le poinçon 84 à l'intérieur de la matrice 72. La force exercée par le poinçon amovible 84 devrait être approximativement de 15 tonnes par pouce carré à 20 tonnes par pouce carré. Ceci force la compression du matériau en poudre 82 et son moulage serré tout autour de la bobine de manière à former le corps d'inducteur 14 montré à la figure i et à la figure 5c. En se référant à la figure 5e, un coulisseau d'éjection 86 est abaissé sur le plateau 71 de manière à forcer le plateau 71 vers le bas contre la charge des ressorts 76. Ceci force le coulisseau fixe 80 à éjecter l'ensemble moulé hors de la matrice 72. A ce stade de la production, l'ensemble moulé a la forme qui est montrée à la figure 3. Les ensembles moulés sont en- suite cuits à 163 C (325 F) pendant une heure quarante- cinq minutes pour durcir la résine polyester. L'étape suivante dans le procédé de fabrica- tion consiste à séparer le cadre de montage 32 des - 12 - sorties 16, 18 le long des lignes discontinues 42, 44. Les sorties 16, 18 sont ensuite fléchies vers le bas et vers l'intérieur de manière à être pliées contre la surface inférieure du corps d'inducteur 14. Les diverses étapes de formation de l'induc- teur sont montrées sous forme de schéma synoptique à la figure 4. Initialement, l'une des extrémités de fil 26, 28 est soudée avec son extrémité correspondante 34, 36 des sorties 16, 18 comme cela est représenté par le bloc 45. Ensuite, la bobine est enroulée en une hélice commne le montre le bloc 46. Le bloc 50 représente l'étape de soudage de l'autre extrémité 26, 28 avec sa sortie correspondante 16, 18. Le fil de bobine comporte une couche de liant époxy décrite plus haut. Une étape de collage 49 est réalisée en appliquant l'acétone 48 ou de la chaleur pour forcer le liant à relier ou maintenir ensemble les diverses spires 30 de la bobine 24. Ensuite, à l'étape 52, la matière magnétique en poudre est mélangée en ajoutant des ingrédients 54, 56, 58, 60, et 62. L'étape de moulage par pression 64 implique l'application de pression comme le montrent les figures a à 5e. Les pièces sont ensuite chauffées pour cuire la résine commne le montre la case 65. - 13 - Finalement, lorsque la cuisson est terminée, l'étape de fléchissement et de coupe implique la coupure du cadre de montage 24 et le pliage des sorties 16, 18 contre la surface inférieure du corps d'induc- teur 14. Comparé aux autres composants inductifs, l'inducteur IHLP de la présente invention a plusieurs attributs uniques. L'enroulement conducteur, le cadre de montage, la matière du corps magnétique, et l'enceinte de protection sont moulés en un seul corps unifié extra-plat intégral qui a des sorties de termi- naison qui conviennent au montage en surface. La réalisation permet une utilisation maximale de l'espace disponible pour des performances magnétiques, et est magnétiquement auto-blindée. La réalisation unitaire met fin à la néces- sité d'utiliser deux moitiés de noyau comme c'était le cas avec les noyaux E de l'art antérieur ou d'autres formes de noyau, et met également fin au travail de montage correspondant. L'enroulement conducteur exclusif de la présente invention permet un fonctionnement à fort courant et optimise également les paramètres magné- tiques dans les limites de l'empreinte de l'inducteur. - 14 - Le procédé de fabrication de la présente invention fournit un boîtier de haute performance, de faible coût, qui ne dépend ni de matières de noyau aux tolérances strictes, coûteux, ni de techniques d'enroulement spéciales. La matière du noyau magnétique a une haute résistivité (dépassant 3 méga ohms) qui permet à l'in- ducteur au fur et à mesure de sa fabrication de fonc- tionner sans chemin conducteur entre les sorties mon- tées en surface. La matière magnétique permet aussi un fonctionnement efficace jusqu'à i MHz. La performance du boîtier d'inducteur produit un rapport de résistance D. C. sur inductance faible de deux milliOhms par microHenry. Un rapport de 5 ou moins est considéré très bon. En se référant aux figures 6 et 7 une forme modifiée de l'invention est désignée par le numéro 88. L'inducteur 88 est formé à partir d'une bobine 90 de fil ayant une section transversale ronde. La bobine 90 comporte une première extrémité de bobine 92 et une deuxième extrémité de bobine 94. Un cadre de montage 96 comporte une première sortie 98 et une deuxième sortie ayant des première et deuxième extrémités de sortie 102, 104. - 15 - La méthode de montage du dispositif 90 est différente de celle du dispositif 10 montré aux figures 1 à 5. Avec le dispositif 90, la bobine est d'abord enroulée et collée par chauffage durant l'enroulement. Ensuite les extrémités de bobine 92, 94 sont soudées aux extrémités de sortie 102, 104 respectivement. La matière en poudre mélangée est ensuite appliquée et le procédé de moulage par pression est réalisé de la même manière que celle décrite plus haut. Finalement, les sorties 98, 100 sont coupées et fléchies vers le bas sous le bas du dispositif 10. La position des sorties 98, 100 peut être changée sans s'écarter de l'invention. Il est également possible de mettre plus d'une bobine à l'intérieur d'une pièce moulée. Par exemple, il serait possible de mettre deux ou plusieurs bobines 24 à l'intérieur du corps moulé 10 ou deux ou plusieurs bobines 90 à l'in- térieur du corps moulé 88. Dans les dessins et la description, un mode de réalisation préféré de l'invention a été présenté, et bien que des termes spécifiques soient utilisés, ils sont utilisés uniquement dans un sens générique et descriptif et non dans un but restrictif. Des change- ments dans la forme et dans la proportion des pièces, ainsi que dans la substitution d'équivalents sont - 16 - envisagés, ainsi que les circonstances pourraient le suggérer ou le rendre nécessaire, sans s'écarter de l'esprit ou de l'étendue de l'invention telle qu'elle est davantage définie dans les revendications suivantes. - 17 - REVENDICATIONS 1. Inducteur extra-plat à fort courant (10, 88) (IHLP) comprenant une ou plusieurs bobines de fil (24, 90) ayant chacune des première (26, 92) et deuxième (28, 104) extrémités de bobine, ledit inducteur étant caractérisé par un matériau magnétique entourant com- plètement lesdites une ou plusieurs bobines de fil pour former un corps d'inducteur (14, 88), chacune desdites premières extrémités de bobine étant connectée à l'intérieur dudit corps d'inducteur à une première sortie (34, 102), chacune desdites deuxièmes extrémités de bobine étant connectée à l'intérieur dudit corps d'inducteur à une deuxième sortie (38, 104), lesdites première et deuxième sorties s'étendant à travers ledit matériau magnétique dudit corps d'inducteur vers l'extérieur dudit corps d'inducteur, ledit matériau magnétique comprenant un premier matériau de poudre de fer et un deuxième matériau de poudre de fer ayant des caractéristiques électriques différentes l'un de l'autre, lesdits premier et deuxième matériaux de fer étant pressées ensemble pour former ledit corps d'inducteur. 2. Inducteur extra-plat à fort courant selon la revendication 1, caractérisé par une pluralité de - 18 - spires de bobine (30, 90), un liant enrobant lesdites extrémités de bobine et forçant lesdites spires à adhérer les unes aux autres. 3. IHLP selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bobine est composée par un fil plat ayant une section transversale rectangulaire. 4. IHLP selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième matériaux de poudre de fer sont pressées ensemble à une pression allant de 2,325 à 3,1 tonnes par centimètre carré. 5. IHLP selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bobine (90) est de section transversale ronde. 6. Méthode de fabrication d'un IHLP selon la revendication 1, caractérisée par le moulage par pression dudit matériau magnétique en poudre tout autour de ladite bobine de manière à créer ledit corps d'inducteur. 7. Méthode de fabrication d'un IHLP selon la revendication 6 et caractérisée en outre par le mélange desdites première et deuxième poudres de fer ensemble avant ladite étape de moulage par pression.