BR102019010818A2

BR102019010818A2 - Aperfeiçoamento em bobina elétrica

Info

Publication number: BR102019010818A2
Application number: BR102019010818-5A
Authority: BR
Inventors: Hugo Fernandes Castro
Original assignee: Hugo Fernandes Castro
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-12-01

Abstract

"aperfeiçoamento em bobina elétrica" o presente pedido de patente de invenção refere-se a aperfeiçoamento em bobina, pertencente ao setor técnico dos componentes elétricos, que foi aperfeiçoada de modo a constitui-se, essencialmente, em uma bobina enrolada com "fita", formada por fita condutora elétrica multifilamento, constituída por filamentos condutores isolados individualmente com esmalte dielétrico (ou outro material isolante) dispostos paralelos e coplanares uns aos outros e cujas extremidades livres constituem terminais de conexão elétrica.

Description

APERFEIÇOAMENTO EM BOBINA ELÉTRICA

INTRODUÇÃO

[001] O presente relatório descritivo refere-se a um pedido de patente de invenção para aperfeiçoamento em bobina, pertencente ao setor técnico dos componentes elétricos, que foi aperfeiçoada de modo a constituir-se, essencialmente, em um bobina enrolada com “fita”.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] Indutores são elementos elétricos passivos, que armazenam energia em forma de campo magnético.

[003] As propriedades dos indutores são exploradas em todas as aplicações que envolvem uso de energia elétrica. Quando eletrificados com uma corrente contínua CC, comportam-se como ímãs. Quando eletrificados com corrente alternada CA podem, através de suas propriedades, transferir energia a outro indutor, sem contato, por indução eletromagnética, permitindo sua exploração em transformadores, motores, sistemas de aquecimento por indução e outros.

[004] A passagem de corrente elétrica em um condutor retilíneo produz um campo magnético ao seu redor. O mesmo ocorre em um condutor de cobre no formato de espiras (bobina) que compõe um indutor, sendo neste caso possível determinar uma grandeza física existente, denominada indutância.

[005] A variação da corrente elétrica no indutor provoca mudanças no fluxo das linhas de campo magnético que atravessam as espiras, e consequentemente, surge uma diferença de potencial entre os terminais da bobina. Somente utilizando uma corrente alternada, ou abrindo e fechando uma chave em um circuito elétrico é possível gerar essa diferença de potencial no indutor. Sendo assim, em circuitos de corrente contínua pura, essa variação de corrente não ocorre, e o indutor passa a se comportar como um curto-circuito no regime permanente. A equação que relaciona essas grandezas é a equação 1 abaixo:
ε = L . (Δi/Δt)
Onde:
∈: É a diferença de potencial nos terminais da bobina
L: Indutância medida em Henry (H)
Δi/Δt: É a variação da corrente elétrica no tempo

[006] A indutância depende das características geométricas da bobina e pode ser estimada através de fórmulas que relacionam suas principais dimensões e o número de voltas - espiras - que a bobina possui (as fórmulas não permitem um cálculo exato).

[007] O cálculo de indutâncias começa com o trabalho de Maxwell, publicado em 1873, onde ele começa a buscar respostas para maximizar a indutância de um dado tamanho de fio. Outras referências importantes nesta área são Frederick Grover e Wheller.

[008] Para uma bobina plana qualquer, independentemente de seu formato básico (circular, retangular, triangular, outros), a partir das equações de Wheller, pode-se calcular a indutância da mesma, de forma bastante aproximada levando-se em conta basicamente três variáveis principais, sendo elas: o perímetro total (comprimento total) “p”, a área fechada “A” e o raio (espessura) do fio “r”. A equação 2 abaixo refere-se ao cálculo da indutância:
L≈(μ0p)/2π [ln.(2p/r) + 0,25 - ln.(p2/A) ]
Onde:
L= indutância
p = comprimento total do fio
r = espessura do fio
A = área da bobina

[009] Desta equação pode-se observar que não há qualquer relação explícita ao número de voltas e pode-se, também, ser induzido a pensar que a espessura do fio “r” tem pouca influência. Porém, há que se observar que em uma dada bobina com área “A” fixa, a espessura do fio “r” está diretamente ligada ao comprimento total “p” do fio, em outras palavras o comprimento total “p” do fio é inversamente proporcional a espessura do fio “r”, consequentemente, a indutância “L” da referida bobina também é inversamente proporcional a espessura do fio “r”.

[010] Para explicar melhor, tome-se em consideração a bobina ilustrada na figura 9 (circular apenas por facilidade didática).

[011] Da figura, pode-se extrair que a área “A” da bobina pode ser calculada em função dos raios externo “Re” e interno “Ri” usando a fórmula para áreas circulares: A=π.R2 . Para este caso, a área total é o resultado da subtração da área menor (proporcional ao raio interno Ri) do valor da área maior (proporcional ao raio externo Re) A=Ae-Ai.

[012] Já o comprimento total “p” será tanto maior quanto menor for a espessura “r” do fio, na prática o comprimento total será o resultado do raio médio “Rm” das circunferências interna “Ri” e externa “Re” multiplicada pela razão entre a distância da borda externa até a borda interna (Re-Ri) dividida pela espessura do fio “r” que dará o número de voltas “n” (espiras) da bobina na referida área, conforme equação 3 abaixo:
p= n . (2π.Rm) = (Re-Ri)/r) . 2π(Re+Ri)/2)

[013] As bobinas planas de indução usuais são enroladas com fio multifilamentos isolados individualmente, normalmente com esmalte dielétrico (o chamado fio litz), cujos filamentos são enrolados uns sobre os outros em forma substancial de uma cordoalha de secção substancialmente circular. Essa construção resolve a questão de superfície para enfrentar o “efeito de pele”, entretanto prejudica o arranjo final, dado que a soma das seções transversais enroladas umas sobre as outras resulta em um “fio” com espessura total “r” próximo à soma das espessuras individuais de cada filamento que compõe o cordão. Isso provoca significativa redução de indutância para uma bobina com área “A” ou, por outro lado, aumenta a área de uma bobina com indutância “L”. No caso de bobinas helicoidais o ganho se dá em relação à altura (ou comprimento) da mesma, para um mesmo comprimento, maior indutância, para uma mesma indutância, menor comprimento.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[014] Assim, o objetivo da presente patente de invenção é prover um bobina elétrica aperfeiçoada que supere os problemas do estado da técnica acima, relacionados com bobinas elétricas.

[015] Outro objetivo é prover uma bobina elétrica que proporcione maior concentração de carga em uma área menor que as áreas ocupadas por bobinas usuais de fio litz.

[016] Outro objetivo é prover uma bobina elétrica que possa ser usada em diversos equipamentos elétricos usuais, tais como aquecedor por indução eletromagnética, equipamentos de carregamento sem fio, transformadores e outros.

[017] Outro objetivo é prover uma bobina elétrica que além de superar o problema não seja por isso de construção ou fabricação com níveis de complexidade que a torne desinteressante em face das usuais.

[018] Outro objetivo é prover uma bobina elétrica de custo adequado.

DESCRICÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[019] Tendo em vista aproveitar as características geométricas relacionadas com bobinas elétricas que influenciam a indutância, acima analisadas, e visando superar os problemas observados nas bobinas elétricas usuais, acima referidos, relacionados particularmente com o tamanho da área que estas devem ocupar, foi desenvolvido o aperfeiçoamento em bobina elétrica, objeto da presente patente, a qual, segundo a invenção, é uma bobina elétrica enrolada com “fita”, composta por material multifilamento em forma de fita, constituído por filamentos de cobre isolados individualmente, em geral com esmalte dielétrico dispostos paralelos uns aos outros.

[020] A bobina de fita, utilizando a solução de multifilamentos em paralelo conforme a invenção, proporciona a solução para os problemas causados pelo “efeito de pele” conforme ocorre com as bobinas usuais, e adicionalmente permite uma espessura de fio “r” pouco maior que a espessura de um filamento único dependendo do arranjo, o que resulta em uma indutância maior em uma bobina de mesma área, ou uma bobina de menor área para uma mesma indutância relativamente às bobinas usuais.

[021] A vantagem proporcionada por tal arranjo é a de poder ter uma maior concentração de carga em uma área sensivelmente menor que a área ocupada por uma bobina comum produzida com fio litz, característica funcional essa que atende ao objetivo principal da invenção.

[022] Ainda, a presente bobina pode ser usada em equipamentos de aquecimento por indução eletromagnética, equipamentos de carregamento sem fio e transformadores baseados em bobinas planas, atendendo outros objetivos da invenção.

[023] Além das vantagens acima, a presente bobina apresenta construção e fabricação simples e custo adequado relativamente às usuais, atendendo assim outros objetivos da invenção.

LISTA DE DESENHOS

[024] Os desenhos anexos referem-se ao aperfeiçoamento em bobina elétrica, objeto da presente patente, nos quais:

[025] a fig. 1 mostra uma vista esquemática da bobina enrolada com fita, conforme a presente invenção;

[026] a fig. 2 mostra uma secção A-A de uma forma de realização da fita que pode ser usada na bobina enrolada com fita da presente invenção;

[027] a fig. 3 mostra um esquema de uma outra forma de realização da fita que pode ser usada na bobina enrolada com fita da presente invenção;

[028] a fig. 4 mostra um esquema de uma outra forma de realização da fita que pode ser usada na bobina enrolada com fita da presente invenção;

[029] a fig. 5 mostra um esquema da bobina enrolada com fita espiral (plana), objeto da invenção, vista em perspectiva;

[030] a fig. 6 mostra um esquema da bobina enrolada com fita helicoidal, objeto da invenção, vista em perspectiva;

[031] a fig. 7 mostra um corte de uma fita condutora elétrica multifilamento que compõe a bobina e a indicação da tangência entre seus filamentos;

[032] fig. 8 mostra uma vista esquemática da bobina enrolada com fio usual;

[033] a fig. 9 mostra um esquema de um bobina circular plana usual; e

[034] a fig. 10 mostra uma outra possibilidade de realização da fita que pode ser usada na bobina enrolada com fita da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA COM BASE NOS DESENHOS

[035] Já é conhecida bobina enrolada com fio 100 (fig. 8), formada por fio condutor elétrico, multifilamento de secção circular 101, composto por filamentos de cobre 102 isolados com esmalte 103 (fio litz), enrolados uns em torno dos outros de forma semelhante a uma cordoalha; dito fio multifilamento de secção circular 101 tem extremidades livres que constituem os terminais de conexão 104 da bobina elétrica enrolada com fio 100.

[036] O aperfeiçoamento, objeto da presente patente, consiste em prover uma bobina elétrica enrolada com fita 1 ( fig. 1) formada por fita condutora elétrica multifilamento 2, constituída por filamentos de cobre 3 isolados com esmalte 4 dispostos paralelos e coplanares uns aos outros e cujas extremidades livres constituem terminais de conexão elétrica 5.

[037] Detalhando, em uma possibilidade de realização (fig. 2), a fita condutora elétrica multifilamento 2 é formada por vários filamentos isolados individualmente,3-4 paralelos, coplanares e colados(não necessariamente são colados), ou trançados uns aos outros.

[038] Em outra possibilidade de realização (fig. 3), é previsto trança plana condutora elétrica multifilamento 2’, composta por, pelo menos, duas fitas condutora elétrica multifilamento 2 trançadas uma na outra de modo a constituir a trança plana.

[039] Em outra possibilidade de realização (fig. 4), é previsto trança circular, achatada sobre si, condutora elétrica, multifilamento 2” formado por, pelo menos, duas fitas condutora elétrica multifilamento 2 trançadas uma na outra, formando estrutura tubular, que é posteriormente achatada para constituir a forma de fita.

[040] Em outra possibilidade de realização (não ilustrada) é prevista fita condutora elétrica multifilamento composta pela combinação das possibilidades de realização (figs. 2,3,4) acima descritas.

[041] A bobina elétrica enrolada com fita 1, conforme a presente invenção (fig. 5) fica constituída, portanto, por fita condutora elétrica multifilamento 2 (ilustrada na fig. 2) e/ou trança plana condutora elétrica multifilamento 2’ (ilustrada na fig. 3) e/ou trança circular, achatada, condutora elétrica, multifilamento 2” (ilustrada na fig. 4).

[042] A bobina elétrica enrolada com fita 1 pode ter formato helicoidal (fig. 6) ou espiral (plana) (fig. 5).

[043] A bobina elétrica enrolada com fita 1 funciona da forma usual, porém incorporando, devido a sua configuração em fita, a vantagem de proporcionar uma maior concentração de carga por unidade de área relativamente às bobinas elétricas enroladas com fio usuais. Assim, quando referida bobina elétrica enrolada com fita 1, compõem, por exemplo, um indutor, a variação de corrente elétrica provoca mudanças no fluxo de linhas de campo magnético 6 (fig. 1) que atravessam as espiras e consequentemente surge uma diferença de potencial entre os terminais 5.

[044] Dentro da construção básica, acima descrita, a bobina elétrica enrolada com fita 1, objeto da presente patente, pode apresentar modificações relativas a materiais, dimensões, detalhes construtivos e/ou de configuração funcional, sem que fuja do âmbito da proteção solicitada.

[045] Dentro disso, a trança plana condutora elétrica multifilamento 2’ e a trança circular, achatada, condutora elétrica, multifilamento 2” podem ser constituídas por duas, conforme acima descrito, ou mais fitas condutora elétrica multifilamento 2, as quais podem ter os filamentos condutores isolados3-4 paralelos, coplanares colados ou não colados uns aos outros.

[046] Os filamentos condutores isolados 3-4, que compõem a fita condutora elétrica multifilamento 2, têm secção circular, ficam paralelos e coplanares, tal que ditos filamentos condutores isolados 3-4 têm secções dotadas de dois pontos diametralmente opostos “T” de tangência de referidos filamentos condutores isolados 3-4 uns em relação aos outros (fig. 7).

Claims

“APERFEIÇOAMENTO EM BOBINA ELÉTRICA”, usualmente compreendida por bobina enrolada com fio (100), formada por fio condutor elétrico, multifilamento de secção circular (101), composto por filamentos de cobre (102) isolados com esmalte (103) (fio litz), enrolados uns em torno dos outros de forma semelhante a uma cordoalha; dito fio multifilamento de secção circular (101) tem extremidades livres que constituem os terminais de conexão (104) da bobina elétrica enrolada com fio (100), caracterizado por bobina elétrica enrolada com fita (1), formada por fita condutora elétrica multifilamento (2), constituída por filamentos condutores (3) isolados individualmente com esmalte dielétrico (ou outro material isolante) (4) dispostos paralelos e coplanares uns aos outros e cujas extremidades livres constituem terminais de conexão elétrica (5).
“APERFEIÇOAMENTO EM BOBINA ELÉTRICA”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a fita condutora elétrica multifilamento (2) ser formada por vários filamentos condutores isolados individualmente (3)-(4) paralelos, coplanares e colados uns aos outros.
“APERFEIÇOAMENTO EM BOBINA ELÉTRICA”, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por trança plana condutora elétrica multifilamento (2)’, composta por, pelo menos, duas fitas condutora elétrica multifilamento (2) trançadas uma na outra de modo a constituir a trança plana.
“APERFEIÇOAMENTO EM BOBINA ELÉTRICA”, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por trança circular, achatada sobre si, condutora elétrica, multifilamento (2)” formado por, pelo menos, duas fitas condutora elétrica multifilamento (2) trançadas uma na outra, formando estrutura tubular, que é posteriormente achatada para constituir a forma de fita.
“APERFEIÇOAMENTO EM BOBINA ELÉTRICA”, de acordo com a reivindicação 1 ou 2 ou 3 ou 4, caracterizado por fita condutora elétrica multifilamento ser composta por fita condutora elétrica multifilamento (2) e/ou trança plana condutora elétrica multifilamento (2)’ e/ou trança circular, achatada, condutora elétrica, multifilamento (2)”.
“APERFEIÇOAMENTO EM BOBINA ELÉTRICA”, de acordo com a reivindicação 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5, caracterizado por a bobina elétrica enrolada com fita (1) ser constituída por fita condutora elétrica multifilamento (2) e/ou trança plana condutora elétrica multifilamento (2)’ e/ou trança circular, achatada, condutora elétrica, multifilamento (2)”.
“APERFEIÇOAMENTO EM BOBINA ELÉTRICA”, de acordo com a reivindicação 1 ou 6, caracterizado por a bobina elétrica enrolada com fita (1) tem formato helicoidal ou espiral (plana).