BR102022008319A2 - Processo de fabricação de indutores e transformadores com bobinamento contínuo - Google Patents
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Abstract
A presente invenção pertence ao setor de dispositivos elétricos, e se refere, mais especificamente, a um processo de fabricação de indutores e transformadores em geral, com bobinamento contínuo, com ou sem núcleo ferro/ferrimagnético. Em relação aos métodos atuais, de fabricação individual, a presente invenção traz como principais novidades a redução de custos de fabricação e agilidade no processo (maior produtividade). O conceito inventivo central está no processo de bobinamento em uma linha contínua para fabricação de indutores e transformadores. Além do bobinamento, fazem parte dessa linha contínua de fabricação os processos de formação de núcleo, montagem, corte e testes eletromagnéticos. O processo para fabricação de indutores e transformadores com bobinamento contínuo é dividido nas seguintes etapas: I. Formação da Barra Sólida (1); II. Bobinamento Contínuo (2); III. Montagem e fixação do Terminais (3); IV. Corte e Testes (4); e V. Embalagem (5).
Description
[001] A presente invenção pertence ao setor de dispositivos elétricos, e se refere, mais especificamente, a um processo de fabricação de indutores e transformadores em geral, com bobinamento contínuo, com ou sem núcleo ferro/ferrimagnético.
[002] Os indutores e transformadores de fio são atualmente produzidos através de processos de bobinamento individual de cada peça. Sobretudo para os indutores/transformadores com indutância na ordem de nano Henry, os quais operam na escala de frequência entre MHz e GHz e são principalmente aplicados em aparelhos de comunicação e computação de dados, o processo de bobinamento individual se torna economicamente custoso e tecnicamente desafiador devido as pequenas dimensões dos indutores/transformadores, na escala de décimos de milímetros.
[003] Os métodos atuais realizam o bobinamento e outros processos de forma individual para cada indutor/transformador fabricado. Isso implica em processos mais morosos, custosos e complexos (principalmente devido à baixa dimensionalidade desses indutores/transformadores), problema este solucionado pela presente invenção.
[004] Em relação aos métodos atuais, de fabricação individual, a presente invenção traz como principais novidades a redução de custos de fabricação e agilidade no processo (maior produtividade).
[005] O conceito inventivo central está no processo de bobinamento em uma linha contínua para fabricação de indutores e transformadores. Além do bobinamento, fazem parte dessa linha contínua de fabricação os processos de formação de núcleo, montagem, corte e testes eletromagnéticos.
[006] Deve-se ressaltar que os ganhos em produtividade e diminuição da complexidade não impactarão negativamente na qualidade do produto final, pois o processo contínuo de fabricação garante alta qualidade/uniformidade no bobinamento e nas propriedades eletromagnéticas.
[007] A fim de que o presente invento seja plenamente compreendido e levado à prática por qualquer técnico deste setor tecnológico, o mesmo será descrito de forma clara, concisa e suficiente, tendo como base os desenhos anexos, que o ilustram e subsidiam abaixo listados: Figura 1 representa um esquema com as cinco etapas do processo de fabricação com bobinamento contínuo; Figura 2 representa um esquema com a primeira etapa do processo de formação de barra sólida bobinada; Figura 3 representa um esquema com a primeira etapa do processo, com destaque para o aparato para núcleos ferri/ferromagnéticos; Figura 4 representa um esquema com a primeira etapa do processo, com destaque para o caso em que fibras de vidro são mergulhadas em resina e posteriormente impregnadas com material ferri/ferromagnético; Figura 5 representa um esquema com a primeira etapa do processo, com destaque para o caso da extrusão de material ferri/ferromagnético; Figura 6 representa um esquema com a segunda etapa do processo de bobinamento contínuo com destaque no bobinamento de uma camada; Figura 7 representa um esquema com a segunda etapa do processo, com destaque ao bobinamento de múltiplas camadas; Figura 8 representa um esquema com a segunda etapa do processo, com destaque a uma alternativa aos esquemas das Figuras 6 e 7, com uma configuração em que carretéis transladam ao redor da barra de fibras compactadas; Figura 9 representa um esquema com a terceira etapa do processo de montagem e fixação dos terminais; Figura 10 representa um esquema com a terceira etapa do processo, com destaque ao design dos terminais que pode variar; Figura 11 representa um esquema com a quarta etapa do processo de corte e teste de continuidade e indutância; Figura 12 representa um esquema com a quarta etapa do processo, com destaque ao teste de continuidade e indutância pode ser utilizada uma ponte LCR; Figura 13 representa um esquema com a quinta etapa do processo de embalagem.
[008] De forma geral como exemplificado na Figura 1, o processo para fabricação de indutores e transformadores com bobinamento contínuo é dividido nas seguintes etapas: I. Formação da Barra Sólida (1); II. Bobinamento Contínuo (2); III. Montagem e fixação do Terminais (3); IV. Corte e Testes (4); V. Embalagem (5).
[009] Os indutores e transformadores podem possuir núcleo de ar (ou de material com susceptibilidade magnética próxima à do ar) ou de material ferro ou ferrimagnético. O processo nesta invenção inclui a produção tanto de indutores/transformadores com núcleo de ar como de material ferromagnético ou ferrimagnético.
[010] No caso de núcleo equivalente ao de ar é formada uma barra sólida, por exemplo, através da compactação de fibras de vidro (6) impregnadas com resina (7). O diâmetro desta barra pode ser de qualquer valor e é determinado mediante especificações da aplicação final do componente. Por exemplo, para a fabricação de indutores/transformadores aplicados em dispositivos que operam em frequências de MHz a GHz o diâmetro da barra é da ordem de 1 mm. Para a fabricação de barras é necessária a utilização de bicos ejetores (8), aplicadores do fixador (resina/verniz) (9) e sistema de tracionamento (10), como apresentado na Figura 2. O sistema de tracionamento (10) é composto por motor, engrenagens e correias que tracionam a barra com uma velocidade definida dependendo do produto a ser fabricado (dependendo do diâmetro ou do passo de bobinamento essa variável pode ser diferente). É controlado eletronicamente podendo ter sua velocidade ajustada por exemplo a 300mm/min podendo variar dependendo da peça a ser fabricada. Também é mostrado que após a impregnação e compactação o fio é bobinado (11) de forma contínua na saída do bico ejetor (8). Depois a barra com o fio passa por um processo de cura nos fornos (12) podendo ser de quantidades diferentes dependendo do produto fabricado (no exemplo estão representados 3 fornos). As temperaturas alcançadas estão entre 150-300°C, mas podem variar além desses limites dependendo da peça a ser fabricada.
[011] Para núcleos ferri/ferromagnéticos o aparato é ilustrado na Figura 3. Podem ser utilizados núcleos cilíndricos (ou em formato de paralelepípedo) previamente sinterizados de ferrita (13) comumente empregados na fabricação de indutores/transformadores com o método individual. Os núcleos como recebidos são direcionados através de panelas (14) e calhas vibratórias (15) para serem envoltos, por exemplo, por fibra de vidro. Na sequência o conjunto núcleo de ferrita e fibra de vidro (16) passa por tratamento térmico em fornos (12) para que a fibra forme uma camada rígida. As temperaturas alcançadas estão entre 150-300°C, mas podem variar além desses limites dependendo da peça a ser fabricada. As etapas de impregnação (7) aplicação dos fixadores (9) também ocorrem nessa variante do processo.
[012] Os núcleos ferri/ferromagnéticos também podem ser formados na própria linha de produção através da aplicação de grãos do material ferri/ferromagnéticos, tais grãos podem estar tanto na escala de microns como de nanômetros. A Figura 4 apresenta um exemplo em que as fibras de vidro são mergulhadas em resina e posteriormente impregnadas com material ferri/ferromagnético (17). Na sequência as fibras são compactadas e passam por tratamento térmico em fornos (12). As temperaturas alcançadas estão entre 150- 300°C, mas podem variar além desses limites dependendo da peça a ser fabricada. Diferentes pós de materiais podem ser utilizados, por exemplo, ferrita de NiZn e ferrita de MnZn. Assim como, diferente granulação do pó, temperatura e tempo de tratamento térmico do pó (e.g., 1000°C por 1h), e a concentração por área de material magnético impregnado na fibra. A aplicação dos fixadores (9) também ocorre nessa variante do processo.
[013] Outra possibilidade, vide a Figura 5, é a extrusão de material ferri/ferromagnético. Extrusão e sinterização (18) desse material em forno equipado com esteira (19) para formação de uma barra que é continuadamente fornecida à linha de produção (20). Este forno deve operar em temperaturas da ordem de 1000°C e em alguns casos podendo chegar a 1200°C. Durante este tratamento também pode ser aplicado um campo magnético em uma direção definida para alinhamento dos domínios magnéticos. A barra segue para ser envolvida por fibra de vidro e posterior bobinamento conforme já apresentado anteriormente.
[014] Neste processo o(s) fio(s) é(são) bobinado(s) sobre uma barra sólida formada por fibras de vidro, conforme apresentado anteriormente. Isso ocorre em sequência e em modo contínuo. O passo do bobinamento (por exemplo entre 0,03 e 0,3mm) e tensão do fio são controlados para atender as especificações do produto. O sistema de bobinamento, conforme a Figura 6, é composto por um Flyer duplo ou simples (21) ou até com quantidades maiores e contém também um duto/tubo (22) para a passagem das fibras e montagem do carretel (23). Além deste segundo carretel, poderiam ser adicionados mais carreteis. No Flyer estão montadas roldanas (24) para condução do fio bobinado (25) até o bastão em bobinamento. Esse sistema permite o bobinamento contínuo com possibilidade de aumentar ou diminuir o espaçamento entre cada espira conforme necessidade do produto.
[015] Na Figura 7 é apresentado um sistema similar ao mostrado na Figura 6, porém com um segundo carretel adicionado (23) — além deste segundo carretel poderiam ser adicionados mais carreteis. Na presente etapa de bobinamento se tem a capacidade para fabricação de bobinas em paralelo podendo ter as espiras empilhadas uma sobre a outra (26) ou intercaladas no sentido axial (27) bastando apenas adicionar o número correspondente de carretéis e flyers, conforme quantidade de bobinas em paralelo — em (26) existem duas bobinas empilhadas e em (27) são duas bobinas intercaladas, mas podem ser mais bobinas dependendo da necessidade do produto. No caso em que as bobinas estão empilhadas, entre estas bobinas pode ser utilizado material (por exemplo, fita de poliéster, resina epóxi, etc.) para isolamento elétrico entre as bobinas. Para transformadores a aplicação deste isolamento é essencial.
[016] A Figura 8 apresenta uma alternativa frente ao sistema mostrado na Figura 6 e 7. Uma configuração em que os carretéis (23) transladam ao redor da barra de fibras compactadas (28). A quantidade de carretéis dependerá do projeto e pode ser adicionado conforme necessidade de bobinamento com mais de uma bobina em paralelo. O fio é desbobinado do carretel conforme consumo, guiado por um conjunto de roldanas (24) que pode ter a quantidade e posição modificados conforme necessidade do projeto.
[017] Em relação ao processo, a principal diferença entre indutor e transformador, é que o transformador obrigatoriamente precisa ter mais do que 1 bobinamento.
[018] Conforme a Figura 9, após o bobinamento a barra segue para a montagem dos terminais (29) em sua superfície. Cada produto tem os terminais com espaçamento e quantidade definidos de acordo com o projeto do indutor/transformador. Por exemplo, cada indutor possui 2 terminais, mas transformadores possuem mais de 2 terminais. Durante a montagem, vários terminais podem ser inseridos por ciclo em uma barra maior que o comprimento de um indutor ou transformador. Para a fixação dos terminais, diferentes tecnologias podem ser utilizadas, por exemplo, Micro solda a Laser, solda por ultrassom, solda TIG, brasagem com estanho e adesivos condutores ou ainda uma camada de estanho (ou outro material condutor) nas extremidades do indutor diretamente sobre o fio bobinado.
[019] O design dos terminais pode variar, exemplos são ilustrados na Figura 10. Os terminais podem ser compatíveis com o método SMT (Surface-Mount Technology) (30) para montagem de componentes na superfície de placas de circuito impresso, pelo método PTH (Pin Through Hole) (31), ou mesmo algum outro conforme demanda do projeto.
[020] Estes processos ocorrem logo após a fixação dos terminais e não necessariamente nesta ordem. Opções de corte são, por exemplo, o uso de discos (32) fixados em motores (33), ou outro sistema dependendo dos materiais que compõe a barra conforme necessidade do projeto. A Figura 11 mostra um exemplo de um sistema de corte composto de fixadores (34) que guiam a barra e a fixam durante o corte. Por exemplo, o conjunto disco e motor desce para realizar o corte e depois sobe novamente. O fixador libera as garras para um novo ciclo de corte. As peças cortadas podem cair numa calha (35) e serem, por exemplo, apanhadas por um manipulador automático, dependendo da demanda do projeto. Dependendo do projeto ou requisitos do cliente, o indutor/transformador poderá ser encapsulado com resina para resultar em uma melhora no processo de pega nas linhas de montagem de componentes SMT (dispositivos que não possuem terminais para serem colocados em furos), por exemplo. Outro ponto que pode ser invertido conforme necessidade do produto é a realização do corte e fixação dos terminais após o corte, não descaracterizando o conceito do processo contínuo de produção de indutores/transformadores.
[021] Para o teste de continuidade e indutância pode ser utilizada uma ponte LCR (36), conforme ilustrado na Figura 12. As pontas de prova (37) devem ser dimensionadas e posicionadas nas distâncias e quantidades de forma a atender as necessidades de cada produto (indutor ou transformador) a ser fabricado. As pontas de prova poderão ser itens de mercado, ou desenvolvidos especialmente para o produto em teste e serão a interface entre o produto em teste e a ponte LCR (36). As estações de teste poderão ser replicadas para atender a produtividade.
[022] Os indutores ou transformadores aprovados nos testes serão embalados, por exemplo, em fitas transportadoras em relevo plástico (38), ou a granel (39), ou ainda desenvolver alguma embalagem conforme requisitos do cliente. No caso de uso de fitas, essas são então bobinadas em carretéis (40). As peças reprovadas no teste são descartadas em uma boca de lobo (41) para posterior análise, controle de índice de refugos e retroalimentação do ciclo de melhorias no processo.
[023] É importante salientar que as figuras e descrição realizadas não possuem o condão de limitar as formas de execução do conceito inventivo ora proposto, mas sim de ilustrar e tornar compreensíveis as inovações conceituais reveladas nesta solução. Desse modo, as descrições e imagens devem ser interpretadas de forma ilustrativa e não limitativa, podendo existir outras formas equivalentes ou análogas de implementação do conceito inventivo ora revelado e que não fujam do espectro de proteção delineado na solução proposta.
Claims (18)
1- PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE INDUTORES E TRANSFORMADORES COM BOBINAMENTO CONTÍNUO caracterizado pelas seguintes etapas: I. Formação da barra sólida (1): através da compactação de fibras de vidro (6) impregnadas com resina (7), dispondo de bicos ejetores (8), aplicadores do fixador (resina/verniz) (9) e sistema de tracionamento (10); após a impregnação e compactação o fio é bobinado (11) de forma contínua na saída do bico ejetor (8), e depois a barra com o fio passa por um processo de cura nos fornos (12); II. Bobinamento Contínuo (2): o(s) fio(s) é(são) bobinado(s) sobre uma barra sólida formada por fibras de vidro ocorrendo em sequência e em modo contínuo, com o sistema de bobinamento composto por ao menos um Flyer duplo ou simples (21), um duto/tubo (22) para a passagem das fibras e montagem de ao menos um carretel (23), sendo que no Flyer estão montadas roldanas (24) para condução do fio bobinado (25) até o bastão em bobinamento; III. Montagem e fixação do Terminais (3): após o bobinamento a barra segue para a montagem dos terminais (29) em sua superfície; IV. Corte e Testes (4); ocorrer logo após a fixação dos terminais (29), por meio do uso de discos (32) fixados em motores (33); V. Embalagem (5): os indutores ou transformadores aprovados nos testes serão embalados em fitas transportadoras em relevo plástico (38), ou a granel (39); e as peças reprovadas no teste serem descartadas em uma boca de lobo (41) para posterior análise, controle de índice de refugos e retroalimentação do ciclo de melhorias no processo.
2- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por na etapa I) o sistema de tracionamento (10) ser composto por motor, engrenagens e correias que tracionam a barra com uma velocidade definida dependendo do produto a ser fabricado.
3- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por na etapa I) as temperaturas dos fornos (12) alcançadas estarem preferencialmente entre 150 a 300°C, podendo variar além desses limites dependendo da peça a ser fabricada.
4- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por na etapa I) poderem ser utilizados bastões cilíndricos previamente sinterizados de ferrita (13), onde os cilindros são direcionados através de panelas (14) e calhas vibratórias (15) para serem envoltos por fibra de vidro; na sequência o conjunto núcleo de ferrita e fibra de vidro (16) passa por tratamento térmico em fornos (12) para que a fibra forme uma camada rígida.
5- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 4, e caracterizado por na etapa I) as temperaturas alcançadas pelos fornos (12) estarem preferencialmente entre 150 a 300°C, podendo variar além desses limites dependendo da peça a ser fabricada.
6- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por na etapa I) as fibras de vidro poderem ser mergulhadas em resina e posteriormente impregnadas com material ferri/ferromagnético (17), e na sequência as fibras são compactadas e passam por tratamento térmico em fornos (12).
7- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 6, e caracterizado por na etapa I) as temperaturas alcançadas pelos fornos (12) estarem preferencialmente entre 150 a 300°C, podendo variar além desses limites dependendo da peça a ser fabricada.
8- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 4 e 6, e caracterizado por na etapa I) a aplicação dos fixadores (9) também ocorrer nessas variantes do processo.
9- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por na etapa I) a extrusão de material ferri/ferromagnético e sinterização (18) que ocorre em forno equipado com esteira (19) para formação de uma barra que é continuadamente fornecida à linha de produção (20).
10- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 9, e caracterizado por na etapa I) o forno operar em temperaturas de 1000 a 1200°C.
11- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 9, e caracterizado por na etapa I) poder ser aplicado um campo magnético em uma direção definida para alinhamento dos domínios magnéticos.
12- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por na etapa II) ao menos um segundo carretel ser adicionado (23), possibilitando a fabricação de bobinas em paralelo com as espiras empilhadas uma sobre a outra (26) ou intercaladas no sentido axial (27) bastando apenas adicionar o número correspondente de carretéis e flyers, conforme quantidade de bobinas em paralelo.
13- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 12, e caracterizado por na etapa II) as bobinas estando empilhadas, entre estas bobinas poder ser utilizado material como fita de poliéster, resina epóxi ou outro para isolamento elétrico.
14- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por na etapa II) apresentar uma configuração em que os carretéis (23) transladam ao redor da barra de fibras compactadas (28), onde o fio é desbobinado do carretel conforme consumo, guiado por um conjunto de roldanas (24) que pode ter a quantidade e posição modificados.
15- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por na etapa III) a fixação dos terminais (29) ocorrer por meio de Micro solda a Laser, solda por ultrassom, solda TIG, brasagem com estanho e adesivos condutores ou ainda uma camada de estanho (ou outro material condutor) nas extremidades do indutor diretamente sobre o fio bobinado.
16- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por na etapa IV) ter um sistema de corte composto de fixadores (34) que guiam a barra e a fixam durante o corte, onde o conjunto disco (32) e motor (33) desce para realizar o corte e depois sobe novamente, e o fixador libera as garras para um novo ciclo de corte; as peças cortadas podem cair numa calha (35) e serem apanhadas por um manipulador automático.
17- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por na etapa IV) no teste de continuidade e indutância poder ser utilizada uma ponte LCR (36), onde as pontas de prova (37) devem ser dimensionadas e posicionadas nas distâncias e quantidades de forma a atender as necessidades de cada produto (indutor ou transformador) a ser fabricado.
18- PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por etapa V) no caso de uso de fitas (38) serem bobinadas em carretéis (40).
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