BR112019020128A2

BR112019020128A2 - sistema para transferência de energia sem fio em um ambiente de alta tensão, disjuntor de alta tensão e uso do sistema

Info

Publication number: BR112019020128A2
Application number: BR112019020128A
Authority: BR
Inventors: Bormann Dierk; Salinas Ener
Original assignee: Abb Schweiz Ag
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2020-05-05
Also published as: CN110506379B; EP3607636A1; US11031819B2; WO2018184909A1; CA3058026C; CA3058026A1; BR112019020128B1; CN110506379A; EP3386072A1; BR112019020128A8; EP3607636B1; US20200119588A1

Abstract

a presente invenção refere-se a um sistema (1) para transferência de energia sem fio compreendendo um dispositivo de transferência de energia (2) compreendendo uma unidade capacitora (6) e uma unidade indutora (4) conectadas em série para formar um circuito ressonante lc. a unidade indutora (4) é projetada para formar um envelope (5) com uma forma toroidal, o envelope formando uma bobina indutora com pelo menos uma volta, o que gera um campo magnético oscilante fora do envelope usado para a transferência de energia sem fio. as extremidades de cada volta são eletricamente isoladas uma da outra por meio de uma folga de isolamento e conectadas adequadamente por fios dentro do envelope. a unidade capacitora (6) é disposta dentro deste envelope, de modo que o envelope envolva a unidade capacitora e os fios entre a unidade capacitora e a unidade indutora.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para SISTEMA PARA TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM FIO EM UM AMBIENTE DE ALTA TENSÃO, DISJUNTOR DE ALTA TENSÃO E USO DO SISTEMA.

Campo da Invenção [0001] A presente invenção refere-se a um sistema para transferência de energia sem fio com pelo menos um dispositivo de transferência de energia que compreende uma unidade capacitora e uma unidade indutora conectadas em série para formar um circuito ressonante de LC. Em particular, a invenção refere-se a um sistema adequado para transferência de energia sem fio em um ambiente de alta tensão. A presente invenção também se refere a um disjuntor de alta tensão que utiliza esse sistema.

Antecedentes da invenção [0002] Em sistemas de alta tensão, não é raro exigir energia auxiliar em regiões com alto potencial elétrico (até várias centenas de kV) em relação ao solo, geralmente localizadas a uma certa altura acima do solo. Isso é necessário para operar uma variedade de dispositivos, alguns dos quais relacionados a funções essenciais, como ligar disjuntores, carregar baterias ou manter a comunicação para o monitoramento de condições. Por exemplo, uma maneira padrão de acionar um disjuntor de alta tensão é com um mecanismo de mola carregado por motor (localizado no potencial de terra) que opera em combinação com uma haste isolante. Geraimente o motor é volumoso, os mecanismos pesados e a haste transmite apenas um único impulso mecânico no momento. Seria muito conveniente transferir energia elétrica sem fio para a parte do sistema com alto potencial para operar prontamente os disjuntores, por exemplo, por motores ou atuadores elétricos localizados no alto potencial, além de outros dispositivos. Portanto, é desejável poder alimentar equipamentos sem fio, como disjuntores,

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2/29 sensores, armazenamento de energia etc., localizados em alto potencial elétrico.

[0003] Com alto potencial, aqui se entende uma tensão acima de 1 kV em relação ao solo. A região de alto potencial geralmente está localizada a uma certa distância, até vários metros, do potencial do solo, a fim de evitar a descarga elétrica. Quanto maior a tensão, maior a distância do solo é necessária, por exemplo, no ar, 150 kV requer uma folga de 1,2 m. Assim, um problema é como transferir a energia a uma distância tão grande do solo para alcançar os dispositivos a serem alimentados.

[0004] Uma maneira conhecida de fazer essa transferência de energia, em princípio, é por indução magnética, usando ressonadores de LC acoplados magneticamente. No entanto, em um ambiente de alta tensão, bordas afiadas e detalhes de componentes metálicos podem gerar problemas graves, como parciais causados por descargas e, na pior das hipóteses, arcos, devido a excessivos gradientes de campo elétrico ao redor das bordas afiadas. Para trazer energia para a região de alto potencial, esse problema precisa ser resolvido.

[0005] CN205355968 divulga um sistema para transmissão de energia sem fio em um ambiente de alta tensão usando um loop ressonante de LC. O sistema de transmissão de energia compreende uma bobina transmissora, uma bobina receptora e uma bobina de repetição. A bobina de transmissão e a bobina receptora são configuradas com alto potencial e potencial de terra, respectivamente. A bobina de repetição é configurada entre a bobina transmissora e a bobina receptora. A bobina de repetição tem uma forma curva, seguindo a superfície equipotencial, para formar uma distribuição de campo elétrico suave entre a bobina transmissora e a bobina receptora. O documento não menciona o uso de capacitores no sistema. Um problema com o uso de capacitores em um ambiente de alta tensão é que a sua estru

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3/29 turn interna condutora e os cabos de conexão podem ter bordas afiadas que levam a excessivos gradientes de campo elétrico mencionados acima, a menos que medidas de blindagem adequadas sejam aplicadas. Tais medidas de blindagem são, portanto, uma parte necessária de qualquer solução de projeto aceitável.

[0006] US2016 / 284459 A1 divulga um aparelho de núcleo de ar magnético com um primeiro toroide formado por uma estrutura em forma de placa envolvida em uma forma helicoidal e incluindo um núcleo de ar. O aparelho possui ainda um segundo toroide que envolve o primeiro toroide de maneira concêntrica. O documento descreve uma modalidade em que este aparelho é usado para transferir energia. O toroide é então rodeado por enrolamentos em dois lugares, um que transfere energia para o toroide e outro que a recebe. Devido aos enrolamentos, o aparelho não pode ser usado para transferir energia entre diferentes potenciais em um ambiente de alta tensão. Além disso, como os enrolamentos envolvem o toroide, a transferência de energia não pode ser considerada sem fio, no sentido de que o transmissor e o receptor são entidades fisicamente separadas, assim como um transformador convencional.

Objeto e Sumário da Invenção [0007] É um objetivo da presente invenção superar pelo menos parcialmente os problemas acima e fornecer um sistema adequado para transferência de energia sem fio em um ambiente de alta tensão. [0008] Este objetivo é alcançado por um sistema de transferência de energia sem fio, conforme definido na reivindicação 1.

[0009] O sistema compreende um dispositivo de transferência de energia que compreende uma unidade capacitora e uma unidade indutora conectadas em série para formar um circuito ressonante LC adaptado para transferência de energia sem fio. De acordo com a invenção, a unidade indutora é projetada para formar um envelope com uma

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4/29 forma toroidal, o envelope formando uma bobina indutora com pelo menos uma volta e as extremidades de cada volta são eletricamente isoladas uma da outra por meio de uma folga de isolamento. A unidade capacitora está disposta dentro deste envelope, de modo que o envelope envolva a unidade capacitora e os fios condutores entre a unidade capacitora e a unidade indutora.

[0010] O envelope que forma uma bobina com pelo menos uma volta gera um campo magnético oscilante usado para a transferência de energia sem fio. A invenção resolve o problema de gradientes excessivos de campo elétrico devido a bordas afiadas, projetando a unidade indutora como um toroide suave e, mais particularmente, como um toro, e alojando a unidade capacitora dentro do toroide. Assim, é conseguido um ressonador de LC com uma forma externa toroidal. O toroide possui uma superfície lisa e sem bordas afiadas, de modo que os gradientes excessivos de campo elétrico são minimizados. A forma toroidal do ressonador LC garantirá uma distribuição suave do campo elétrico ao redor do ressonador LC, implicando tensões elétricas mínimas. A unidade capacitora é envolvida pelo envelope com a forma toroidal. Assim, o envelope com a forma toroidal forma uma blindagem em torno da unidade capacitora e, assim, evita gradientes excessivos de campo elétrico nos capacitores e, assim, evita que o capacitor seja danificado.

[0011] A ideia desta invenção é aplicar uma geometria toroidal ao dispositivo de transferência de energia para suavizar forças e tensões elétricas em um ambiente de alta tensão. O ambiente de alta tensão pode ser CA ou CC. O sistema de acordo com a invenção permite a transferência confiável de energia entre equipamentos localizados em diferentes potenciais. A diferença de potencial pode ser considerável, isto é, de 1 kV até vários 100 kV.

[0012] A forma toroidal do indutor também garante que a corrente

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5/29 no indutor fique bem distribuída para evitar pontos quentes no indutor, que, de outra forma, causariam perdas excessivas e podem causar danos ao indutor.

[0013] O envelope envolve a unidade capacitora e a fiação entre a unidade capacitora e a unidade indutora, fornecendo indutância ao sistema e, ao mesmo tempo, protegendo seu interior do campo magnético de alta resistência. Além disso, minimiza tensões devido ao alto campo elétrico externo.

[0014] A unidade indutora e a unidade capacitora são conectadas em série. Como a unidade indutora possui uma forma toroidal, o campo magnético resultante de uma corrente que atravessa o circuito ressonante LC passará pelo orifício médio do toroide e em torno da parte externa do toroide.

[0015] De acordo com uma modalidade da invenção, a folga de isolamento se estende radialmente de uma periferia interna para uma periferia externa do envelope, de modo que pelo menos uma volta do indutor seja formada, estendendo-se de um lado da folga de isolamento para o outro lado da folga de isolamento. A folga de isolamento é uma ranhura ou fenda que se estende ao redor do envelope em forma toroidal em uma direção radial para fornecer isolamento elétrico entre as extremidades de cada volta, para que a volta não fique em curtocircuito. Devido à folga de isolamento, o envelope forma uma bobina indutora com pelo menos uma volta e as extremidades de cada volta são eletricamente isoladas uma da outra por meio da folga de isolamento. O envelope toroidal fornece a indutância no ressonador LC e pode ser composto de uma, duas ou mais voltas do indutor conectadas em série.

[0016] De acordo com uma modalidade da invenção, a folga de isolamento é preenchida com um material isoiante para fornecer isolamento elétrico entre as extremidades da unidade indutora e fornecer

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6/29 estabilidade mecânica.

[0017] De acordo com uma modalidade da invenção, a unidade indutora compreende uma pluralidade de voltas de Indutor, conectadas em série para formar um enrolamento de indutor. Isto é, por exemplo, conseguido dividindo o envelope em uma pluralidade de porções que se estendem de um lado da folga de isolamento para o outro lado da folga de isolamento e adicionando conexões de fio adequadas entre as partes no interior do envelope. Cada parte do envelope forma uma volta de indutor do enrolamento completo do indutor, e as voltas são eletricamente isoladas umas das outras por folgas de isolamento. Mais de uma volta leva a uma tensão mais alta do indutor e, portanto, são necessários valores mais baixos de capacitâncla. A escolha do número de voltas é uma questão de otimização, dependendo das propriedades dos capacitores disponíveis, como densidade de energia, classificação de tensão, perdas e preço.

[0018] O envelope e, consequentemente, o condutor, é feito de um material eletricamente condutor, como alumínio ou cobre. O material condutor serve a dois propósitos. Em primeiro lugar, o material condutor forma uma ou mais voltas do indutor no circuito ressonador LC. Em segundo lugar, o material condutor protege a unidade capacitora elétrica e magneticamente e, assim, protege os capacitores das tensões externas de alta tensão e dos fortes campos magnéticos fora do toroide, que são gerados pelo próprio ressonador.

[0019] De acordo com uma modalidade da invenção, o envelope é feito de cobre. O cobre é um bom condutor elétrico e térmico. A forma toroidal do envelope exibe uma superfície relativamente grande e, como o cobre tem alta condutividade térmica, o envelope dissipa de maneira ideal o calor gerado internamente pelos capacitores e fios de conexão. Esta modalidade consegue, assim, um arrefecimento eficiente do dispositivo.

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7/29 [0020] De acordo com uma modalidade da invenção, o envelope tem um eixo de simetria e o envelope é dividido através do eixo de simetria em primeira e segunda metades do envelope, cada uma das primeira e segunda metades do envelope é projetada para formar uma volta do indutor, a seguir, chamada de volta do indutor. As voltas do indutor são conectadas em série. Nesta modalidade, o envelope é composto de duas seções, isto é, as metades superior e inferior. Ao dividir o envelope em duas metades, fica fácil inserir a unidade capacitora dentro do envelope. Cada uma das metades do envelope forma uma volta de indutor, e as voltas do indutor são conectadas em série. As metades do envelope são simétricas. As metades do envelope são dispostas coaxialmente em relação ao eixo de simetria do envelope em forma toroidal.

[0021] De acordo com uma modalidade da invenção, o dispositivo de transferência de energia compreende material isolante disposto entre a primeira e a segunda metades do envelope para fornecer isolamento elétrico entre as metades do envelope e aumentar a estabilidade mecânica. As metades do envelope estão dispostas a uma distância uma da outra para permitir que o material isolante elétrico seja disposto entre as metades do envelope. Cada uma das metades do envelope possui bordas circulares internas e externas, e o material Isolante é disposto entre as bordas.

[0022] De acordo com uma modalidade da invenção, a primeira metade do envelope tem uma primeira folga de isolamento que se estende radialmente de uma periferia interna para uma periferia externa da primeira metade do envelope e a segunda metade do envelope tem uma segunda folga de isolamento que se estende radialmente da periferia interna para uma periferia externa da segunda metade do envelope e o dispositivo de transferência de energia compreende pelo menos um fio conectado entre a primeira e a segunda metades do envelope.

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Com isso, cada uma das metades do envelope forma uma volta do indutor e as duas voltas do indutor são conectadas em série.

[0023] De acordo com uma modalidade da invenção, o dispositivo de transferência de energia compreende uma pluralidade de primeiros fios conectados eletricamente entre a primeira e a segunda metades do envelope, cada um dos primeiros fios tem uma extremidade conectada à primeira metade do envelope em um primeiro ponto de conexão e a extremidade oposta conectada à segunda metade do envelope em um segundo ponto de conexão, e os primeiros pontos de conexão são distribuídos ao longo da primeira folga de isolamento e os segundos pontos de conexão são distribuídos ao longo da segunda folga de isolamento. Com o termo ponto de conexão entende-se o ponto de conexão entre o fio e a superfície do envelope. Esta modalidade leva a uma distribuição de corrente homogênea na superfície do envelope. Adequadamente, os pontos de conexão são distribuídos uniformemente ao longo da borda da folga, isto é, as distâncias entre os pontos de conexão vizinhos são praticamente as mesmas.

[0024] Os primeiros pontos de conexão são dispostos em uma primeira área nas proximidades da primeira folga de isolamento e os segundos pontos de conexão são dispostos em uma segunda área nas proximidades da segunda folga de isolamento. Assim, as metades do envelope são conectadas em série. As primeira e segunda áreas nas proximidades da folga de isolamento são, por exemplo, dispostas a menos de cerca de 20 mm e, de preferência, a menos de 10 mm das folgas de isolamento, a fim de reduzir as perdas excessivas devido às correntes de proteção no envelope.

[0025] De acordo com uma modalidade da invenção, a unidade capacitora compreende uma pluralidade de capacitores conectados em paralelo, e os capacitores são conectados em série com o envelope. Ao ter mais de um capacitor conectado em paralelo e conectado

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9/29 em série ao envelope, é alcançada uma distribuição de corrente mais igual. Adequadamente, cada um dos capacitores tem a mesma capacitância. Um grupo de capacitores pode formar uma matriz interconectada internamente entre si em paralelo por suas conexões com o envelope e conectada em série com o envelope.

[0026] De acordo com uma modalidade da invenção, a unidade capacitora compreende pelo menos 5 e, de preferência, pelo menos 10 capacitores conectados em paralelo. Adequadamente, a unidade capacitora compreende entre 10 e 20 capacitores conectados em paralelo. O grande número de capacitores causa um grande número de pontos de conexão entre os capacitores e o envelope, fornecendo, assim, uma distribuição de corrente uniforme no envelope e, consequentemente, perdas mínimas no material condutor do envelope.

[0027] De acordo com uma modalidade da invenção, o dispositivo de transferência de energia compreende uma pluralidade de segundos fios conectados entre os capacitores e a primeira metade do envelope, cada um dos segundos fios tendo uma extremidade conectada à primeira metade do envelope em um terceiro ponto de conexão, e os terceiros pontos de conexão são distribuídos ao longo da primeira folga de isolamento. Isso permite a distribuição de corrente homogênea e, consequentemente, reduz as perdas. Os terceiros pontos de conexão estão dispostos em uma terceira área nas proximidades da primeira folga de isolamento.

[0028] De acordo com uma modalidade da invenção, o dispositivo de transferência de energia compreende uma pluralidade de terceiros fios conectados entre os capacitores e a segunda metade do envelope, e cada um dos terceiros fios tem uma extremidade conectada à segunda metade do envelope no quarto ponto de conexão, e os quartos pontos de conexão são distribuídos ao longo da segunda folga de isolamento. Isso permite a distribuição de corrente homogênea e, con

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10/29 sequentemente, reduz as perdas. Os quartos pontos de conexão estão dispostos em uma quarta área nas proximidades da segunda folga de isolamento. A terceira e a quarta áreas nas proximidades das folgas de isolamento são, por exemplo, dispostas a menos de 20 mm e, de preferência, a menos de 10 mm das folgas de isolamento.

[0029] De acordo com uma modalidade da invenção, a primeira área está disposta em um lado da primeira folga de isolamento e a terceira área está disposta em um lado oposto da primeira folga de isolamento, e a segunda área está disposta em um lado da segunda folga de isolamento e a quarta área está disposta em um lado oposto da segunda folga de isolamento.

[0030] De acordo com uma modalidade da invenção, o primeiro e o segundo fios são torcidos em pares um no outro. Esta modalidade atinge uma distribuição de corrente uniforme entre os primeiros fios. O uso de pares trançados de fios que conectam as duas metades do envelope leva a uma distribuição de indutância mútua que favorece uma distribuição de corrente mais homogênea entre esses fios. Como consequência, a distribuição de corrente que entra e deixa o envelope em suas bordas se torna mais homogênea e, assim, reduz as perdas no envelope bem como nos fios de conexão.

[0031] De acordo com uma modalidade da invenção, o sistema compreende uma pluralidade de dispositivos de transferência de energia dispostos coaxialmente, de preferência, de maneira equidistante, de modo que eles transmitam energia em estágios. Os dispositivos de transferência de energia compreendem um dispositivo de envio, um dispositivo de recebimento e, opcionalmente, uma pluralidade de dispositivos de transferência intermediários. De preferência, os dispositivos são de design idêntico ou semelhante. O sistema pode ser dimensionado e construído como um sistema de vários estágios, alcançando a distância necessária. Dessa maneira, distâncias de um a vários me

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11/29 tros podem ser alcançadas. O sistema compreende uma pluralidade de ressonadores de LC com formato toroidal dispostos de modo que eles transmitam energia em estágios do solo para o nível de alto potencial. A forma toroidal dos dispositivos garante uma distribuição suave do campo elétrico ao redor do sistema de energia sem fio, implicando tensões elétricas mínimas. Um dos dispositivos de transferência de energia pode ser conectado a um conversor de alta frequência que alimenta o sistema, e outro dos dispositivos de transferência de energia pode ser conectado a uma carga ou retificador com carga subsequente, com alto potencial. O sistema pode trazer energia elétrica do solo para uma altura especificada com alto potencial, em uma folga aberta ou através do interior de um isolador, que pode ser preenchido com um gás com maior resistência dielétrica, por exemplo SF6. Dessa maneira, distâncias de um a vários metros podem ser alcançadas. O sistema é capaz de alimentar sem fio dispositivos importantes, como disjuntores, sensores e armazenamentos de energia, localizados em alto potencial. Cada toroide pode ser selado e revestido, por exemplo, com epóxi, garantindo um sistema de longa duração sem desgaste, minimizando a manutenção.

[0032] O dispositivo de transferência de energia produz um campo magnético que flui através do orifício do meio do toroide e volta através do espaço externo que é usado para transferir energia para um segundo dispositivo semelhante. O dispositivo de transferência de energia é um circuito ressonante LC, em que a estrutura do condutor toroidal é sua parte indutora. Um dispositivo de transferência de energia pode ser excitado, por exemplo, pela conexão direta a uma fonte de alimentação ou colocando-o no campo magnético de uma bobina de acionamento na frequência de ressonância. Uma corrente ressonante através do circuito LC é então induzida no dispositivo de transferência de energia. Devido à ressonância LC, o dispositivo produz um

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12/29 forte campo magnético que pode ser usado para induzir uma corrente ressonante em outro dispositivo de transferência de energia colocado a alguma distância do primeiro dispositivo.

[0033] De acordo com uma modalidade da invenção, o sistema compreende uma unidade de fonte de alimentação configurada para alimentar o circuito ressonante de LC com energia CA com uma frequência entre 10 kHz e 100 kHz. Dependendo do design, o sistema é capaz de trabalhar em uma frequência específica na faixa de 10 a 100 kHz. Este sistema é capaz de trabalhar com frequências usadas em dispositivos comerciais, por exemplo, 20 kHz. Assim, o sistema é econômico, pois podem ser usadas soluções completas para a fonte de energia e capacitores padrão disponíveis no mercado.

[0034] De acordo com uma modalidade da invenção, a espessura de uma parede do envelope está entre 0,5 e 1,5 mm. A parede do envelope deve ser mais grossa que 0,5 mm para fornecer estabilidade mecânica suficiente. Do ponto de vista das perdas do condutor, a parede do envelope não precisa ser mais espessa que a profundidade magnética da crosta do material do condutor escolhido na frequência escolhida.

[0035] Outro objetivo da presente invenção é fornecer um disjuntor de alta tensão capaz de transferir energia de uma fonte de alimentação localizada em uma região de terra para uma unidade de interrupção localizada em uma região de alta tensão.

[0036] Este objetivo é alcançado por um disjuntor de alta tensão compreendendo um sistema de acordo com a invenção disposto para transferência de energia sem fio entre a região de terra e a região de alta tensão.

[0037] De acordo com uma modalidade da invenção, o disjuntor de alta tensão compreende pelo menos uma unidade de interruptores localizada na região de alta tensão e inclui um contato móvel disposto

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13/29 móvel entre uma posição aberta e fechada, um mecanismo operacional disposto para mover o contato móvel entre a posição aberta e fechada, em que o mecanismo de operação está localizado na região de alta tensão, e o sistema de acordo com a invenção está disposto para transferência de energia sem fio entre a fonte de alimentação de energia e o mecanismo de operação.

[0038] Este sistema também pode ser incorporado dentro de um isolador de suporte contendo um gás isolante, por exemplo, SF6.

[0039] O sistema de acordo com a invenção pode ser adequadamente utilizado para transferência de energia sem fio entre um baixo potencial elétrico, por exemplo, terra, e um alto potencial elétrico, isto é, um potencial de 1 kV a vários 100 kV. O sistema de acordo com a invenção pode ser adequadamente utilizado para transferir sem fio energia de um baixo potencial para equipamento localizado em alto potencial.

Breve Descrição dos Desenhos [0040] A invenção será agora explicada mais de perto pela descrição de diferentes modalidades da invenção e com referência às figuras anexas.

[0041] A Figura 1 mostra um sistema para transferência de energia sem fio de acordo com uma modalidade da invenção, incluindo um dispositivo de transferência de energia mostrado em uma vista em perspectiva e em uma seção transversal radial.

[0042] A Figura 2 mostra um exemplo de um dispositivo de transferência de energia, incluindo um capacitor e uma unidade indutora com uma volta do indutor.

[0043] A Figura 3 mostra um esquema elétrico de um circuito de ressonador LC correspondente ao dispositivo mostrado na figura 2.

[0044] A Figura 4 mostra um exemplo de um dispositivo de transferência de energia incluindo duas voltas do indutor.

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14/29 [0045] A Figura 5 mostra o dispositivo de transferência de energia mostrado na figura 4 com material isolante fornecido em folgas de isolamento.

[0046] A Figura 6 mostra um exemplo de um dispositivo de transferência de energia incluindo quatro voltas de indutor.

[0047] A Figura 7 mostra um exemplo de uma unidade capacitora incluindo uma pluralidade de capacitores.

[0048] A Figura 8 mostra um exemplo de fiação de um dispositivo de transferência de energia incluindo duas voltas de indutor e uma unidade capacitora incluindo uma pluralidade de capacitores.

[0049] A Figura 9 mostra um exemplo de um dispositivo de transferência de energia incluindo duas voltas de indutor e duas unidades capacitoras.

[0050] A Figura 10 mostra um esquema elétrico de um circuito de ressonador LC correspondente ao dispositivo mostrado na figura 9.

[0051] A Figura 11 mostra um sistema para transferência de energia sem fio de acordo com uma modalidade da invenção, incluindo uma pluralidade de dispositivos de transferência de energia.

[0052] A Figura 12 mostra um exemplo de um disjuntor de alta tensão incluindo um sistema para transferência de energia sem fio de acordo com uma modalidade da invenção.

[0053] A Figura 13 mostra um sistema para transferência de energia sem fio de acordo com uma modalidade da invenção, incluindo uma pluralidade de dispositivos de transferência de energia.

[0054] A Figura 14 mostra um exemplo de um dispositivo de transferência de energia incluindo um capacitor e uma unidade indutora em que são indicados uma corrente i e o campo magnético.

Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas da Invenção [0055] A Figura 1 mostra uma parte de envio de um sistema 1 para transferência de energia sem fio de acordo com uma modalidade da

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15/29 invenção. Nesta modalidade, a parte de envio compreende um dispositivo de transferência de energia 2. O lado esquerdo da figura 1 mostra o dispositivo de transferência de energia 2 em uma vista em perspectiva, e o lado direito da figura 1 mostra o dispositivo de transferência de energia 2 em uma seção transversal A-A. O dispositivo de transferência de energia 2 compreende uma unidade indutora 4 projetada como um envelope 5 com uma forma toroidal tendo um eixo de simetria S1. O envelope 5 tem uma superfície de revolução com um orifício de passagem 10 no meio, como uma rosquinha ou como um anel de proteção de alta tensão. O eixo de simetria S1 passa através do orifício de passagem 10 e não cruza a superfície do envelope 5. O campo magnético oscilante gerado peio dispositivo de transferência de energia passa por esse orifício 10 e é orientado aproximadamente ao longo do eixo de simetria S1. A unidade indutora 4 pode incluir uma ou mais voltas do condutor, no seguinte denotadas voltas do indutor. O dispositivo de transferência de energia 2 compreende ainda uma unidade capacitora 6 incluindo um ou mais capacitores dispostos dentro do envelope 5 4. Os capacitores podem, por exemplo, ser de um tipo de folha de polipropileno metalizado padrão. A unidade capacitora 6 e uma unidade indutora 4 são conectadas em série para formar um circuito ressonante LC.

[0056] O envelope 5 tem a forma de um toroide com uma superfície lisa para minimizar as tensões elétricas em um ambiente de alta tensão. O envelope 5 tem um orifício de passagem central 10, uma periferia interna circular 11a e uma periferia externa circular 11b. De preferência, o envelope 5 tem uma seção transversal circular e, consequentemente, é modelado como um toro, como mostra a figura 1. O envelope 5 é dotado de uma folga de isolamento 8 que se estende radiaimente da periferia interna 11a até a periferia externa 11b do envelope, de modo que que uma unidade indutora 4 incluindo uma ou mais

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16/29 voltas do indutor é formada. A unidade indutora 4 se estende de um lado 12 da folga de isolamento 8 para um lado oposto 13 da folga de isolamento. A folga de isolamento 8 corta radialmente o envelope 5, de modo que as extremidades opostas 14, 15 da unidade indutora sejam eletricamente isoladas uma da outra. A unidade indutora 4 é circular e se estende ao redor do eixo de simetria S1 de um lado 12 para o lado oposto 14 da folga de isolamento 8. A unidade indutora 4 é curva e tem duas extremidades 14, 15 dispostas em lados opostos da folga de isolamento 8. A unidade indutora 4 pode incluir uma ou mais voltas do indutor, formando uma bobina. Assim, o envelope forma uma bobina com pelo menos uma volta, o que gera o campo magnético oscilante usado para a transferência de energia sem fio. A folga de isolamento 8 é, adequadamente, entre 1 e 5 mm, a fim de fornecer isolamento elétrico entre as extremidades 14, 15 da unidade indutora. A folga de isolamento 8 pode ser fornecida com um material isolante para vedar o envelope.

[0057] A ideia básica da invenção é construir uma unidade indutora a partir de um material condutor, por exemplo, uma placa de cobre, na forma de uma superfície toroide, com um pequeno número N de voltas, por exemplo, entre 1 e 10 voltas, e colocar a unidade capacitora 6 no interior da unidade indutora. Como consequência, todo o dispositivo de transferência de energia 2 tem uma superfície externa toroidal lisa e condutora. O dispositivo 2 é, portanto, ideal para a colocação em um campo elétrico externo forte, pois leva a uma distorção mínima do campo e, portanto, apresenta um risco mínimo de causar descargas de coroa ou até avaria elétrica.

[0058] O envelope 5 é, por exemplo, feito de um material condutor sólido, como uma placa de metal moldada em uma superfície de toroide. O material do envelope pode, por exemplo, ser cobre, prata, alumínio ou qualquer outro bom condutor, incluindo, por exemplo, na

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17/29 noestruturas baseadas em carbono, que precisariam de uma estrutura especial e contatos dedicados. Como alternativa, ele pode ser feito de fios esmaltados finos em uma configuração Litz, o que minimiza as perdas na HF. A indutância da unidade indutora pode ser adaptada a quaisquer requisitos específicos, escolhendo uma solução com o número apropriado de voltas.

[0059] O envelope 5 define um espaço interno para alojar a unidade capacitora 6 e os fios. A parede 16 do invólucro 5 e, consequentemente, a unidade indutora 4, apresenta adequadamente uma espessura uniforme t. A espessura t da parede 16 do envelope 5 é preferencialmente mais espessa do que 0,5 mm para proporcionar estabilidade mecânica suficiente. A espessura t da parede do envelope 5 está adequadamente entre 0,5 e 1,5 mm. No entanto, a espessura t não precisa ser maior que a profundidade de crosta da frequência escolhida, pois as perdas seriam as mesmas para uma parede mais espessa. Por exemplo, se a frequência da corrente for 65 kHz, a espessura t não precisará ser maior que 0,8 mm.

[0060] O sistema 1 compreende ainda uma unidade de fonte de alimentação 18 configurada para alimentar o circuito ressonante de LC com energia CA. A unidade de fonte de alimentação 18 é conectada eletricamente à unidade indutora 4 por meio de um cabo 20. De preferência, a unidade de fonte de alimentação 18 é configurada para fornecer energia com uma frequência entre cerca de 10 kHz e 100 kHz. A unidade de fonte de alimentação pode compreender um conversor de alta frequência configurado para converter a frequência de uma fonte de energia convencional para uma frequência adequada.

[0061] A unidade indutora 4 pode incluir uma ou mais voltas do indutor. As Figuras 2 - 6 divulgam exemplos de unidades indutoras, incluindo diferentes números de voltas do indutor. Dividindo o envelope em uma pluralidade de porções que se estendem de um lado da

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18/29 folga de isolamento 8 para o outro lado da folga de isolamento 8, é possível fornecer duas ou mais voltas de indutor. Alternativamente, a unidade indutora em forma de toroide pode ser formada a partir de muitas voltas de fio condutor. De preferência, o fio litz deve ser usado para minimizar as perdas por correntes de Foucault. Neste caso, a folga de isolamento radial 8 não é necessária.

[0062] A Figura 2 mostra um primeiro exemplo de um dispositivo de transferência de energia 2' que compreende uma unidade indutora projetada como um envelope 5' com uma forma toroidal formando um indutor L com uma volta do indutor. Para um indutor L, é necessário abrir o envelope 5', como mostrado no lado esquerdo da figura 2, colocar a unidade capacitora 6 dentro do envelope e, em seguida, fechar o envelope e juntá-lo, por exemplo, por soldagem, em uma direção horizontal, mas deixando uma folga estreita de isolamento 8 na direção vertical, como mostrado no lado esquerdo da figura 2. O indutor L se estende ao redor do eixo de simetria do envelope e tem uma primeira extremidade 21 terminando em um lado da folga de isolamento 8 e uma segunda extremidade 22 terminando no lado oposto da folga de isolamento 8. A unidade capacitora 6 é conectada entre a primeira extremidade 21 do indutor L e a segunda extremidade 22 do indutor L.

[0063] A Figura 3 mostra um esquema elétrico de um circuito de ressonador LC correspondente ao dispositivo 2' mostrado na figura 2. O circuito inclui um indutor L e um capacitor C conectados em série. O circuito pode ser conectado a uma fonte de alimentação para fornecer uma corrente através do circuito ou pode ser alimentado fornecendo um campo magnético através da bobina da unidade indutora, o que induzirá uma corrente no circuito. A função do circuito ressonador LC é produzir uma forte corrente oscilante que, por sua vez, cria um forte campo magnético oscilante.

[0064] As Figuras 4 e 5 mostram um segundo exemplo de um dis

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19/29 positivo de transferência de energia 2 incluindo duas voltas de indutor L1 e L2. O envelope 5 é dividido perpendicularmente ao eixo de simetria C1 nas primeira e segunda metades do envelope 5a-b. As metades do envelope 5a-b são simétricas e dispostas coaxialmente em relação ao eixo de simetria C1 do envelope em forma toroidal. Cada uma dasprimeira e segunda metades do envelope 5a-b é projetada para formar uma volta do indutor L1, L2 do enrolamento do indutor. As voltas do indutor L1, L2 são conectadas em série. Assim, a unidade indutora tem duas voltas de indutor conectadas em série nesta modalidade. O envelope 5 tem uma folga de Isolamento dividida em uma primeira folga de isolamento 8a e uma segunda folga de isolamento 8b, a fim de separar as extremidades das voltas L1, L2 e fornecer isolamento elétrico entre essas extremidades. A primeira folga de isolamento 8a se estende radialmente do orifício de passagem central 10 para uma periferia externa da primeira metade do envelope 5a, e a segunda folga de isolamento 8a se estende do orifício de passagem central 10 para a periferia externa da segunda metade do envelope 5b. As metades do envelope 5a-b estão dispostas a uma distância uma da outra, de modo que uma segunda folga de isolamento 24 seja formada entre as metades do envelope 5a-b para fornecer isolamento elétrico entre as metades do envelope em um plano horizontal. A segunda folga de isolamento 24 se estende em uma direção circunferencial ao redor do envelope e é disposta perpendicularmente à primeira e à segunda folgas de isolamento 8a-b. Adequadamente, o material isolante é disposto na segunda folga de isolamento 24 entre as metades do envelope 5a-b, a fim de estabilizar mecanicamente e vedar as metades do envelope. Adequadamente, o material isolante 25 é disposto nas primeira e segunda folgas de isolamento 8a-b, bem como na segunda folga de isolamento 24, a fim de vedar o envelope e formar um envelope uniforme 5, como mostrado na figura 5.

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20/29 [0065] O dispositivo de transferência de energia 2” compreende pelo menos um primeiro fio 26 conectado eletricamente entre a primeira e a segunda metades do envelope 5a-b, de modo que as metades do envelope 5a-b sejam conectadas em série. O fio 26 tem um primeiro ponto de conexão 26a em uma primeira área 30a nas proximidades da primeira folga de isolamento 8a e um segundo ponto de conexão 26b em uma segunda área 30b nas proximidades da segunda folga de isolamento 8b. A unidade capacitara 6 é conectada entre a primeira e a segunda metades do envelope 5a-b, de modo que a unidade capacitara 6 é conectada em série com a primeira e a segunda voltas de indutores L1, L2. O dispositivo de transferência de energia 2 compreende pelo menos um segundo fio 28 eletricamente conectado entre a unidade capacitara 6 e a primeira metade de envelope 5a. O segundo fio 28 tem um terceiro ponto de conexão 28a em uma terceira área 30c nas proximidades da primeira folga de isolamento 8a. A unidade capacitara 6 também está conectada em um quarto ponto de conexão 28b a uma quarta área 30d nas proximidades da segunda folga de isolamento 8b. A primeira área 30a e a segunda área 30b estão dispostas em lados opostos da primeira folga de isolamento 8a do primeiro envelope metade 5a, e a terceira área 30c e a quarta área 30d estão dispostas em lados opostos da segunda folga de isolamento 8b do segundo envelope meia 5b. A distância entre os intervalos de isolamento 8a-b e os pontos de conexão 26a-b e 28a~b é preferencialmente menor que 20 mm e mais preferencialmente menor que 10 mm.

[0066] A Figura 6 mostra um terceiro exemplo de um dispositivo de transferência de energia 2, incluindo quatro voltas de indutor L1 - L4. Nesta modalidade, o envelope 5' é dividido em quatro porções que se estendem de um lado da folga de isolamento 8 para o outro lado da folga de isolamento 8, de modo que cada porção forma uma volta de indutor L1 - L4. As porções são divididas por duas segundas folgas de

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21/29 isolamento 24 que se estendem no sentido circunferencial e perpendiculares à primeira folga de isolamento 8. Adequadamente, o material isolante é disposto na primeira folga de isolamento 8, bem como nas segundas folgas de isolamento 24, a fim de estabilizar mecanicamente e vedar as porções e formar um envelope uniforme 5'. Cada uma das voltas dos indutores L1 - L4 é circular e se estende ao redor do eixo de simetria S1 de um lado da folga de isolamento 8 para um lado oposto da folga de isolamento. A folga de isolamento 8 corta radialmente o envelope 5', de modo que as extremidades opostas dos indutores L1L4 são eletricamente isoladas uma da outra. As voltas do indutor L1 L4 são conectadas em série. Assim, a bobina indutora possui quatro enrolamentos. Ao fazer as conexões entre as seções, a orientação dos fios deve ser preferencialmente feita de modo que as correntes nas seções funcionem todas nas mesmas direções. Para evitar diferenças muito grandes nos comprimentos do percurso e, portanto, na resistividade entre as seções internas L1, L4 e as seções externas L2, L3, na solução de múltiplos enrolamentos, uma torção é adicionada aos fios. [0067] A Figura 7 mostra um exemplo de uma unidade capacitora 6a incluindo uma pluralidade de capacitores C conectados em paralelo, mais precisamente cada um individual e separadamente conectados às mesmas áreas de conexão (marcadas 42 e 44 na Figura 8) no interior do envelope toroidal. Neste exemplo, a unidade capacitora 6a inclui sete capacitores C. É vantajoso ter um grande número de capacitores conectados em paralelo entre as áreas 42 e 44, pois um grande número de pontos de conexão distribuídos nas áreas 42 e 44 fornecem uma distribuição de corrente uniforme no envelope e, consequentemente, perdas mínimas no material condutor do envelope. Adequadamente, a unidade capacitora 6a pode compreender, por exemplo, entre 10 e 20 capacitores conectados em paralelo. Os capacitores são, por exemplo, capacitores de folha de polipropileno axial padrão. No

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22/29 entanto, outros tipos de capacitares CA de baixa perda podem ser usados.

[0068] A Figura 8 mostra um exemplo de uma fiação adequada de um dispositivo de transferência de energia 32 incluindo duas voltas de indutor L1, L2 conectadas em série e uma unidade capacitora 6a incluindo uma pluralidade de capacitares conectados em paralelo. O dispositivo compreende um grande número de primeiros fios 34 conectados entre a primeira e a segunda voltas de indutores L1, L2. Cada um dos primeiros fios 34 tem um primeiro ponto de conexão 38 em uma primeira área nas proximidades da primeira folga de isolamento 8a e um segundo ponto de conexão 40 em uma segunda área nas proximidades da segunda folga de isolamento 8b. Os primeiros pontos de conexão 38 são distribuídos ao longo da primeira folga de isolamento 8a e os segundos pontos de conexão 40 são distribuídos ao longo da segunda folga de isolamento 8b. De preferência, o primeiro e o segundo pontos de conexão 38, 40 são distribuídos uniformemente ao longo da primeira e da segunda folga de isolamento 8a-b. Um grande número de pontos de conexão 38, 40 entre os indutores L1, L2 fornece uma distribuição de corrente uniforme no envelope e, consequentemente, perdas mínimas nos fios de conexão, bem como no material condutor do envelope.

[0069] O dispositivo de transferência de energia 32 compreende uma pluralidade de segundos fios 36 conectados entre os capacitores C da unidade capacitora 6a e a primeira volta do indutor L1. Cada um dos segundos fios 36 tem um terceiro ponto de conexão 42 em uma terceira área nas proximidades da primeira folga de isolamento 8a e os terceiros pontos de conexão 42 são distribuídos ao longo da primeira folga de isolamento 8a. O dispositivo de transferência de energia 32 compreende uma pluralidade de terceiros fios 37 conectados entre os capacitores C da unidade capacitora 6a e a segunda volta de indutor

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L2. Cada um dos terceiros fios 37 tem um quarto ponto de conexão 44 em uma quarta área nas proximidades da segunda folga de isolamento 8b e os quartos pontos de conexão 44 são distribuídos ao longo da segunda folga de isolamento 8b. De preferência, os quartos pontos de conexão 44 estão distribuídos uniformemente ao longo da segunda folga de Isolamento 8b. Com o termo nas proximidades da folga de isolamento entende-se uma distância preferencialmente inferior a 20 mm da folga de isolamento e, mais preferencialmente, inferior a 10 mm.

[0070] A primeira e a terceira áreas são dispostas em lados diferentes da primeira folga de isolamento 8a e a segunda e a quarta áreas são dispostas em lados opostos da segunda folga de isolamento 8b. As direções da corrente no primeiro e no segundo fios 34, 36 são opostas. Adequadamente, o primeiro e o segundo fios 34, 36 são torcidos em pares em torno um do outro para alcançar uma distribuição de corrente uniforme entre os primeiros fios 34; a distribuição de corrente uniforme entre os segundos fios 36, ou equivalentemente, os terceiros fios 37, é garantida pelos capacitores.

[0071] A Figura 9 mostra outro exemplo de um dispositivo de transferência de energia 50, incluindo duas voltas de indutor L1 e L2 e duas unidades capacltoras C1, C2, que estão localizadas em lados opostos da folga de isolamento 8. Isso pode, por exemplo, ser necessário devido ao espaço limitado disponível para os capacitores dentro do envelope toroidal e a necessidade de manter o segundo e o terceiro fios de conexão tão curtos quanto possível. Cada uma das unidades capacltoras C1, C2 pode incluir vantajosamente uma pluralidade de capacitores. Por simplicidade, apenas alguns fios são mostrados na figura. A Figura 10 mostra um esquema elétrico de um circuito ressonador LC correspondente ao dispositivo de transferência de energia 50 mostrado na figura 9, tendo uma unidade indutora L com duas voltas

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24/29 de indutor L1, L2.

[0072] A Figura 11 mostra um sistema T para transferência de energia sem fio de acordo com outra modalidade da invenção, incluindo uma pluralidade de dispositivos de transferência de energia dispostos coaxial e uniformemente espaçados, de modo que transmitam energia em estágios. Nesta modalidade, o sistema compreende quatro dispositivos de transferência de energia 2a-d. No entanto, o número de dispositivos de transferência de energia pode variar, dependendo da distância em que a energia será transferida. A distância de separação entre os dispositivos de transferência de energia 2a-d deve ser no máximo da ordem do diâmetro dos dispositivos toroidais ou menos, para garantir uma eficiência de transferência aceitável (quanto menor a distância de separação, maior a eficiência). O mais baixo dos dispositivos de transferência de energia 2a é alimentado com energia de uma unidade de alimentação de energia 18, incluindo um conversor de alta frequência. Adequadamente, a energia fornecida ao sistema Tplotem uma frequência entre 10 kHz e 100 kHz, a fim de manter as perdas na transferência de energia dentro de limites aceitáveis e, ao mesmo tempo, permitir soluções simples e econômicas. O mais alto dos dispositivos de transferência de energia 2d é através de um cabo conectado a um retificador e / ou a uma carga.

[0073] Em um exemplo, os dispositivos de transferência de energia 2a-d do sistema Γ compreendem envelopes de cobre e com um diâmetro externo de 150 mm. A espessura da parede do envelope é de 1 mm. A frequência da energia a ser transferida é de ca. 60 kHz. A escolha da espessura da parede (1 mm) é baseada na faixa de profundidade da crosta (δ) do cobre em frequências na faixa de 10 a 100 kHz, que é de 0,64 a 0,20 mm, respectivamente. Neste exemplo, a unidade capacitora compreende 28 capacitores, cada um com 3,3 pF. Este sistema T está configurado para transferir energia através de um

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25/29 ambiente interior SF6 de um isolador de suporte para operar um béquer de depósito ativo (LTB) a 145 kV. Um requisito principal para esta modalidade é que ela possa transferir 100 Watts para uma altura de 1,4 m do potencial do solo.

[0074] A Figura 12 mostra um exemplo de um disjuntor de alta tensão 60 incluindo um sistema 1' para transferência de energia sem fio de acordo com uma modalidade da invenção. Um disjuntor é um comutador elétrico operado automaticamente, projetado para proteger um circuito elétrico contra danos devido a uma sobrecorrente causada por uma falha. Sua função básica é interromper o fluxo de corrente após um sensor de proteção detectar uma falha. O disjuntor 60 compreende uma unidade de interrupção 62 incluindo o contato fixo 63a e um contato móvel 63b disposto móvel em relação ao contato fixo entre uma posição aberta e uma fechada. A unidade de interrupção 62 compreende ainda um alojamento de isolamento 64 que encerra os contatos fixos e móveis 63a-b, e possui um terminal de entrada elétrico 65a em uma extremidade e um terminal de saída elétrico 65b na extremidade oposta. A unidade de interrupção 62 está disposta em uma região superior de alto potencial elétrico, isto é, em um potencial acima de 1 kV, localizada a alguma distância de uma região inferior do solo. O disjuntor 60 compreende ainda um mecanismo operacional 72 disposto para mover o contato móvel 63b entre a posição aberta e fechada. O mecanismo de operação 72 está localizado na região de alto potencial. O sistema Γ está disposto para transferência de energia sem fio entre a fonte de alimentação 18 e o mecanismo operacional 72.

[0075] O disjuntor 60 compreende ainda uma estrutura de suporte 66 para apoiar a unidade de interrupção 62 e manter a unidade de interrupção a uma distância segura do solo. A estrutura de suporte 66 inclui uma parte de base 68 disposta na região do solo, isto é, uma região em potencial de terra e um isolador de suporte 70 que se estende

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26/29 entre a parte de base 68 e a unidade de interrupção 62. O isoiador de suporte é preenchido com um meio isolante, para exemplo, SF6. O isolador de suporte 70 fornece isolamento elétrico entre a parte de base 68 no potencial de terra e a unidade de interrupção 62 em alto potencial.

[0076] O sistema Γ para transferência de energia sem fio compreende uma série de dispositivos de transferência de energia consecutivos 2 localizados um acima do outro. Nesta modalidade, o número de dispositivos de transferência de energia 2 é quatro. No entanto, o número de dispositivos de transferência de energia 2 pode variar, dependendo da aplicação. O mais baixo dos dispositivos de transferência de energia 2 recebe energia de uma unidade de alimentação de energia 18 e transmite energia sem fio para o próximo dispositivo de transferência de energia 2. O dispositivo superior de transferência de energia 2 recebe energia sem fio do dispositivo de transferência de energia anterior e está eletricamente conectado mecanismo operaciona!72 através de um cabo para fornecer energia ao mecanismo operacional. O isolador de suporte 70 é oco e o sistema 1' está localizado dentro do isolador de suporte oco 70. Os dispositivos de transferência de energia 2 estão localizados um após o outro dentro do isolador de suporte oco. Em uma modalidade alternativa, o sistema T pode ser localizado parcial ou totalmente fora do isolador de suporte 70.

[0077] A Figura 13 mostra um sistema para transferência de energia sem fio de acordo com uma modalidade da invenção, incluindo uma pluralidade de dispositivos de transferência de energia, como também mostrado na figura 11. Nesta figura, o campo magnético é indicado. Além disso, no lado direito da figura, são ilustrados diagramas de circuitos dos toroides. O campo magnético é uma consequência direta do design dos dispositivos de transferência de energia. O mais baixo dos dispositivos de transferência de energia 2a é alimentado

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27/29 com energia de uma unidade de alimentação de energia 18, incluindo um conversor de alta frequência, o mesmo mostrado na figura 11. A unidade de alimentação de energia fornece uma corrente ao dispositivo de transferência de energia mais baixo 2a, que cria uma fonte magnética através da forma toroidal, como mostrado na figura. Assim, a unidade de alimentação de energia 18 alimenta uma corrente para o dispositivo de transferência de energia mais baixo que cria um campo magnético através do seu centro. Outro dispositivo de transferência de energia 2b é colocado acima do mais baixo e a uma distância do mais baixo. O segundo dispositivo de transferência de energia 2b é afetado pelo campo magnético do primeiro 2a, de modo que uma corrente é induzida, criando seu próprio campo magnético. A corrente induzida e o campo magnético resultante são fortes, uma vez que os dispositivos de transferência de energia são circuitos ressonantes de LC. Na figura, um terceiro 2c e um quarto dispositivo de transferência de energia 2d são colocados acima do segundo. O terceiro 2c tem a mesma função que o segundo 2b e o quarto 2d é através de um cabo conectado a um retificador e / ou a uma carga. Em outras palavras, o quarto dispositivo de transferência de energia possui um cabo conectado para a saída de energia do sistema 1^s. Deve-se notar que o número de dispositivos de transferência de energia no sistema 1' é apenas um exemplo, o número de dispositivos de transferência de energia utilizados depende dos projetistas do sistema ao usá-los. De acordo com alguns aspectos, existem pelo menos dois dispositivos de transferência de energia, um colocado acima do outro. As conexões da fonte de alimentação ao primeiro dispositivo de transferência de energia ou do último dispositivo de transferência de energia à carga podem ser realizadas de maneiras diferentes, seja pela conexão direta de uma das duas maneiras indicadas na figura 13 ou pelo acoplamento indutivo a uma bobina de acionamento ou captura separada. O ponto essencial é que a energia

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28/29 é injetada no primeiro ressonador e extraída do último. Observe que, em todos os casos, as unidades capacitora e indutora são conectadas em série no sentido de que a corrente dominante que flui nos circuitos ressonantes LC é a mesma em ambos.

[0078] A figura 14 mostra um exemplo de um dispositivo de transferência de energia, incluindo uma unidade capacitora e uma indutora em que uma corrente i e o campo magnético são indicados. Como discutido anteriormente, a corrente i é acionada pela fonte de alimentação 18 no caso em que o dispositivo de transferência de energia é o dispositivo mais baixo 2a mostrado na figura 13. Nos outros casos, a corrente será induzida pelo campo magnético do dispositivo de transferência de energia abaixo. A direção da corrente e o campo magnético são ditados pelas leis da física; uma corrente no sentido anti-horário, como mostrado, dará um campo magnético de acordo com as setas nas figuras. À direita na figura 14, é ilustrado um diagrama de circuito do toroide. Como explicado anteriormente, a unidade indutora Léo envelope em forma toroidal e a unidade capacitora C está localizada dentro do envelope.

[0079] A presente Invenção não está limitada às modalidades divulgadas, mas pode ser variada e modificada dentro do escopo das reivindicações a seguir. Por exemplo, o número de voltas de indutores e capacitores, bem como seus tipos, materiais de composição e disposição geométrica precisa, podem ser variados. O tamanho e o número dos dispositivos de transferência de energia podem variar, dependendo da aplicação.

[0080] Em outra modalidade da invenção, o envelope toroidal que forma a unidade indutora não é apenas dividido em várias partes, mas também pode incluir várias camadas que são eletricamente isoladas umas das outras e, portanto, podem formar voltas individuais do indutor. Esse projeto pode ser vantajoso, por exemplo, nos casos em que o

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29/29 envelope é construído com fio blitz inoxidável, em vez de material condutor maciço.

[0081] Ainda em outra modalidade da invenção, o invólucro toroidal que forma a unidade indutora é formado por muitas voltas de algum fio, preferencialmente fio litz.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema (1; 1’) para transferência de energia sem fio em um ambiente de alta tensão que compreende um dispositivo de transferência de energia (2; 2’; 2”; 2”’), incluindo uma unidade capacitora (6; 6a) e uma unidade de indução (4) conectadas em série para formar um circuito ressonante LC, caracterizado pelo fato de a unidade indutora (4) ser projetada para formar um envelope (5; 5^!; 5”; 5’”) com uma forma toroidal, o envelope (5; 5’; 5;5’”) tendo uma folga de isolamento (8; 8a-b) estendendo-se radialmente de uma periferia interna (11a) para uma periferia externa (11 b) do envelope, de modo que uma bobina de indutor com pelo menos uma volta (L, L1, L2, L3, L4) se estendendo de um lado da folga de isolamento para o outro lado da folga de isolamento é formada e as extremidades de cada volta são eletricamente isoladas umas das outras por meio da folga de isolamento, e a unidade capacitora (6; 6a) é disposta dentro do referido envelope, de modo que o envelope envolve a unidade capacitora e os fios entre a unidade capacitora e a unidade indutora.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido envelope (5; 5’; 5”; 5”’) ser dividido em uma pluralidade de porções que se estendem de um lado da folga de isolamento para o outro lado da folga de isolamento e cada porção ser projetada para formar uma volta do indutor (L, L1, L2, L3, L4), em que o toroide tem uma superfície lisa e nenhuma borda afiada, de modo que os gradientes excessivos de campo elétrico são minimizados.
3. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o referido envelope (5”) ter um eixo de simetria (S1) e o envelope ser dividido cruzando o eixo de simetria em primeira e segunda metades de envelope (5a-b), cada uma das primeira e segunda metades do envelope ser projetada para formar pelo menos uma volta do indutor (L1, L2) e as voltas do indutor serem conectadas em série.

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4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a primeira metade do envelope (5a) ter uma primeira folga de isolamento (8a) que se estende radialmente de uma periferia interna para uma periferia externa da primeira metade do envelope e a segunda metade do envelope (5b) ter uma segunda folga de isolamento (8b) que se estende radialmente de uma periferia interna para uma periferia externa da segunda metade do envelope e o dispositivo de transferência de energia (2; 2’; 2”; 2’) compreender pelo menos um fio (34) conectado entre a primeira e a segunda metades do envelope.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o referido pelo menos um fio compreender uma pluralidade de primeiros fios (34) tendo uma extremidade conectada à primeira metade do envelope (5a) em um primeiro ponto de conexão (38) e a extremidade oposta conectada à segunda metade (5b) em um segundo ponto de conexão (40), e os referidos primeiros pontos de conexão serem distribuídos ao longo da primeira folga de isolamento (8a) e os referidos segundos pontos de conexão serem distribuídos ao longo da segunda folga de isolamento (8b).
6. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de a referida unidade capacitora (6a) compreender uma pluralidade de capacitores (C) conectados em paralelo.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de a referida unidade capacitora (6a) compreender pelo menos 5 e, de preferência, pelo menos 10 capacitores (C).
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 4 ou 6, caracterizado pelo fato de o dispositivo de transferência de energia (2; 2’; 2”; 2’) compreender uma pluralidade de segundos fios (36) conectados entre os capacitores (C) e a primeira metade do envelope (5a), cada um dos segundos fios tendo uma extremidade conectada à primeira

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3/3 metade do envelope em um terceiro ponto de conexão (42) e os terceiros pontos de conexão serem distribuídos ao longo da primeira folga de isolamento (8a).
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 4 ou 8, caracterizado pelo fato de o primeiro e o segundo fios (34, 36) serem torcidos em pares um no outro.
10. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o referido envelope (5; 5’; 5”; 5’”) ser feito de cobre.
11. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o sistema compreender uma pluralidade do referido dispositivo de transferência de energia (2; 2’; 2”; 2’”) disposto coaxialmente e de modo que eles transmitam energia em estágios.
12. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o sistema compreender uma unidade de alimentação de energia (18) configurada para alimentar o circuito ressonante de LC com energia CA com uma frequência entre 10 kHz e 100 kHz.
13. Disjuntor de alta tensão (60) compreendendo uma unidade de interrupção (62) localizada em uma região com alto potencial elétrico e uma fonte de alimentação de energia (18) localizada em potencial de terra, caracterizado pelo fato de o disjuntor compreender um sistema (1’) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, dispostas para transferência de energia sem fio entre a região de terra e a região de alto potencial.
14. Uso do sistema como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que é para transferência de energia sem fio entre um baixo potencial elétrico e um alto potencial elétrico.