BR112019028084A2 - dispositivo eletromagnético e interruptor - Google Patents
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Abstract
A invenção refere-se a um conversor de energia eletromagnético (10) que compreende: uma bobina condutora (20); um ímã principal (30) um espaço interno em V formado pela bobina condutora (20), meio de retenção (40) permitindo que o imã principal gire em torno de um eixo YY? entre duas posições estáveis de equilíbrio; um primeiro ímã do atuador (31) e um segundo ímã do atuador (32) dispostos voltados para a primeira extremidade (21) e a segunda extremidade (22), respectivamente, o primeiro (31) e segundo (32) ímãs do atuador estando dispostos para deslizar simultaneamente na mesma direção e paralelos ao eixo principal XX? uma vez que uma força é exercida tanto sobre o primeiro (31) como segundo (32) ímãs.
Description
[001] A presente invenção refere-se a um conversor de energia eletromagnético e/ou um microgerador eletromagnético. Em particular, a presente invenção refere-se a um conversor eletromagnético destinado a ser implementado em um interruptor autônomo.
[002] Um conversor de energia eletromagnético e/ou um microgerador eletromagnético (desse ponto em diante citado como “dispositivo”), conhecido na técnica, compreende: - um cabeçote ferromagnético; - uma bobina condutora formada pelo enrolamento de um fio condutivo sobre uma seção cabeçote ferromagnético; - um ímã principal, deslocado da bobina, formando com o cabeçote um circuito magnético fechado.
[003] De acordo com esta configuração, o fluxo magnético gerado pelo ímã principal é guiado através da bobina condutora pelo cabeçote ferromagnético.
[004] O princípio geral de funcionamento do dispositivo baseia-se na ativação de uma variação de tempo do fluxo magnético que passa através da bobina condutora a fim de induzir uma tensão elétrica nos terminais deste último.
[005] Sob este aspecto, o dispositivo também é equipado com um sistema de ativação mecânico, cuja ação torna possível ativar a variação de tempo do fluxo magnético. Em particular, a variação de tempo do fluxo magnético pode ser induzida por um deslocamento do ímã principal ou da bobina condutora, conforme descrito nos documentos (1) e (2) citados no final da descrição.
[006] No entanto, os dispositivos descritos nos documentos (1) e (2) não são satisfatórios.
[007] De fato, o fluxo magnético que passa através da bobina condutora é limitado pelas perdas magnéticas (em outras palavras a fração do fluxo magnético produzido pelo ímã que não passe através da bobina) e a saturação magnética do cabeçote ferromagnético, restringindo consequentemente a variação de fluxo magnético útil na geração da tensão elétrica nos terminais da bobina condutora.
[008] Além disso, o sistema de ativação mecânico exige o uso de uma liberação de energia e/ou módulo de armazenamento, como lâminas ou catracas de mola, permitindo movimento rápido da bobina condutora ou do ímã principal de modo que uma tensão significativa possa ser alcançada nos terminais da bobina condutora. Sob este aspecto, recorda-se que, de acordo com a lei de Lenz, a tensão nos terminais da bobina condutora é proporcional ao tempo derivado do fluxo magnético que passa através da dita bobina.
[009] Por exemplo, é necessário um movimento de duração na ordem de um milissegundo para um dispositivo que tem um volume na ordem de 1 cm3 para gerar uma tensão eléctrica na ordem de um Volt nos terminais da bobina condutora. Este é particularmente o caso dos conversores de energia eletromagnéticos implementados em interruptores autônomos.
[010] No entanto, o módulo de liberação de energia e/ou de armazenamento geralmente entra em contato (choques, atrito), para cada uso, com o circuito magnético, gerando assim confiabilidade e problemas de desgaste.
[011] Um objeto da presente invenção é propor um conversor de energia eletromagnético e/ou um microgerador eletromagnético compacto, passível de ter uma tensão elétrica significativa nos terminais da bobina condutora.
[012] Outro objeto da presente invenção é propor um conversor de energia eletromagnético e/ou um microgerador eletromagnético cujo controle de acionamento não entre em contato, por exemplo, em contato mecânico, com o circuito magnético.
[013] Outro objeto da presente invenção é propor um conversor de energia eletromagnético que é mais simples de implementar.
[014] Os objetos acima especificados são pelo menos parcialmente obtidos por um dispositivo eletromagnético que compreende: - uma bobina condutora que compreende uma primeira e uma segunda extremidade, e que se estende ao longo de um eixo principal XX’, - um ímã principal mantido por meio de retenção em um volume interno V formado pela bobina condutora, o meio de retenção permitindo movimento de rotação do dito ímã principal em torno de um eixo YY’, perpendicular ao eixo principal XX’, entre duas posições de equilíbrio estável denominada, respectivamente, primeira posição de equilíbrio e a segunda posição de equilíbrio, - um primeiro e um segundo ímã atuador disposto, respectivamente, voltado para a primeira extremidade e a segunda extremidade, cada um tendo uma polaridade magnética em um plano perpendicular ao eixo YY’, o primeiro e segundo ímãs atuadores sendo dispostos para serem acionados em translação, simultaneamente da mesma maneira, e paralelos ao eixo principal XX’ uma vez que uma força é exercida tanto no primeiro como no segundo ímã, a translação do primeiro e do segundo ímã conforme qualquer uma das formas definidas pela direção do eixo principal XX’ sendo adaptado para forçar o ímã principal a adotar, respectivamente, a primeira posição de equilíbrio ou a segunda posição de equilíbrio.
[015] “sendo que acionar na tradução” também significa “deslizar”.
[016] “a translação” também significa “o deslizamento”.
[017] De acordo com uma realização implementada, a polaridade magnética do primeiro ímã forma com o eixo principal XX’ um ângulo alfa, e a polaridade magnética do segundo imã forma com o eixo principal XX’ tanto um ângulo -alfa ou 180º +alfa como 180º -alfa.
[018] De acordo com uma realização implementada, o dispositivo compreende um meio de retorno que atua em um dentre o primeiro ímã e segundo ímã de modo que o ímã principal seja forçado a adotar uma das duas posições de equilíbrio estável quando nenhuma força externa é exercida sobre o primeiro ímã e o segundo ímã, vantajosamente o meio de retorno compreendendo uma mola.
[019] De acordo com uma realização implementada, o deslizamento tanto do primeiro ímã como do segundo ímã em direção ao ímã principal é limitado, respectivamente, por um primeiro e um segundo batente, o primeiro e o segundo batente sendo disposto para evitar qualquer contato entre o ímã principal e, respectivamente, o primeiro ímã e o segundo imã.
[020] De acordo com uma realização implementada, o primeiro ímã, o segundo ímã, e o ímã principal estão alinhados ao longo do eixo principal XX’.
[021] De acordo com uma realização implementada, o ímã principal tem uma simetria de rotação em torno do eixo YY’.
[022] De acordo com uma realização implementada, o dispositivo ainda compreende um primeiro cabeçote ferromagnético e um segundo cabeçote ferromagnético dispostos simetricamente entre si em relação a um plano que compreende o eixo YY’ e o eixo principal XX’.
[023] De acordo com uma realização implementada, o primeiro cabeçote e o segundo cabeçote compreendem cada uma das duas extremidades dispostas a formar um alojamento interno o qual o ímã principal é mantido, o alojamento tendo um formato complementar ao ímã principal.
[024] De acordo com uma realização implementada, o primeiro ímã e o segundo ímã estão dispostos em uma corrediça (slide).
[025] De acordo com uma realização implementada, é fornecido um espaçamento entre o primeiro e segundo cabeçotes, o dito espaçamento sendo disposto para guiar o primeiro e o segundo ímã durante seu deslizamento.
[026] De acordo com uma realização implementada, o dispositivo compreende dois ímãs de estabilização denominados, respectivamente, terceiro ímã e quarto ímã, estacionários e destinados a estabilizar, em uma das duas posições de equilíbrio estável, o ímã principal uma vez que o dispositivo está ocioso, os ímãs de estabilização sendo dispostos de modo que os polos do ímã de estabilização estabilizem o ímã principal de acordo com qualquer uma das duas posições de equilíbrio estão alinhados com as do ímã principal.
[027] De acordo com uma realização implementada, o terceiro e quarto ímãs são dispostos voltados, respectivamente, para a primeira e segunda extremidades, e cada imã de estabilização é compensado, em uma direção diferente, a partir do eixo principal XX’, o ímã principal ainda é montado em um portador que compreende uma corrediça, a corrediça é disposta de modo que o movimento de rotação do ímã principal em torno do eixo YY’ entre as duas posições de equilíbrio é acompanhado por um movimento de translação, permitindo o alinhamento dos polos do ímã principal com o terceiro ímã e o quarto ímã quando o dito ímã principal está, respectivamente, na primeira posição de equilíbrio ou na segunda posição de equilíbrio.
[028] De acordo com uma realização implementada, as polaridades magnéticas de cada um dentre o terceiro e quarto ímãs são paralelas ao eixo principal XX’ e são opostas entre si.
[029] De acordo com uma realização implementada, o terceiro e quarto ímãs são opostos, respectivamente, o segundo imã e o primeiro ímã.
[030] De acordo com uma realização implementada, o ímã principal ainda compreende uma cunha disposta em um de seus polos, e se destina a ser interposta entre o ímã principal e o terceiro ou quarto ímãs quando o ímã principal está, respectivamente, na primeira posição de equilíbrio ou na segunda posição de equilíbrio.
[031] De acordo com uma realização implementada, o dispositivo ainda compreende um cabeçote ferromagnético que compreende entre duas extremidades do cabeçote interpostas entre a cunha do ímã principal e o terceiro ou quarto ímã quando o ímã principal está, respectivamente, na primeira posição de equilíbrio ou na segunda posição de equilíbrio.
[032] De acordo com uma realização implementada, o dispositivo compreende tanto um conversor de energia eletromagnético como um microgerador eletromagnético.
[033] A invenção também se refere a um interruptor que compreende um dispositivo eletromagnético de acordo com a presente invenção.
[034] Outras características e vantagens se tornarão evidentes na descrição a seguir do dispositivo eletromagnético de acordo com a invenção, dadas por meio de exemplos não limitantes, com referência às figuras anexas na qual: - A Figura 1 é um diagrama esquemático de representação ao longo de um plano seccional que compreende o eixo principal XX’, e perpendicular ao eixo YY’, de um dispositivo eletromagnético de acordo com uma primeira variante de uma primeira realização da presente invenção; - As Figuras 2a e 2b são representações esquemáticas ao longo de um plano seccional que compreende o eixo principal XX’, e perpendicular ao eixo YY’, do dispositivo eletromagnético de acordo com uma segunda realização da presente invenção, na Figura 2a o ímã principal está em uma primeira posição de equilíbrio, e na Figura 2b, o ímã principal está em uma segunda posição de equilíbrio;
- As Figuras 3a e 3b são representações esquemáticas ao longo de um plano seccional que compreende o eixo principal XX’, e perpendicular ao eixo YY’, de um dispositivo eletromagnético de acordo com duas outras variantes da primeira realização da presente invenção.
[035] A invenção descrita em detalhes abaixo implementa um conversor de energia eletromagnético e/ou um microgerador eletromagnético (10) (desse ponto em diante citado como “dispositivo eletromagnético”) que compreende uma bobina condutora (20) que acomoda em seu volume interno V um ímã principal (30). Em particular, o ímã principal (30) é passível de executar um movimento de rotação, sob a ação de ímãs atuadores, a fim de gerar uma variação de tempo do fluxo magnético da bobina condutora (20), e dessa forma, revelar uma tensão eléctrica nos terminais da dita bobina.
[036] Ao longo da descrição, será considerado que o alinhamento dos polos de dois ímãs significa que a polarizações magnéticas destes dois ímãs estão alinhadas ao longo do mesmo eixo e da mesma maneira. Em particular, uma vez que os polos de dois ímãs estão alinhados, uma força magnética atrativa é exercida entre estes dois ímãs.
[037] Em geral, o dispositivo eletromagnético (10), e conforme ilustrado nas Figuras 1 e 2a a 2b, compreende uma bobina condutora (20) que se estende ao longo de um eixo principal XX’ e compreende duas extremidades chamadas, respectivamente, primeira extremidade (21) e segunda extremidade (22).
[038] Por eixo principal XX’ entende-se um eixo de simetria da bobina condutora (20).
[039] A bobina condutora (20) é formada por um enrolamento de um fio condutivo, por exemplo, um fio de cobre, ao longo de um eixo principal XX’. A bobina condutora (20) ainda compreende um volume interno V aberto em ambas as extremidades da dita bobina. É óbvio, sem necessidade de especificar, que o fio de cobre compreende duas extremidades que são, ao longo do restante da presente descrição, chamados de terminais da bobina condutora (20).
[040] O dispositivo eletromagnético (10) também compreende um ímã principal (30) disposto no volume interno V da bobina condutora (20).
[041] Em particular, o ímã principal (30) é mantido por meio de retenção (40) (Figuras 2a e 2b, 3a e 3b), no volume interno V da bobina.
[042] O meio de retenção (40) permite que o ímã principal (30) gire ao longo de um eixo YY’, perpendicular ao eixo principal XX’, entre duas posições de equilíbrio estável chamadas, respectivamente, primeira posição de equilíbrio e segunda posição de equilíbrio, sob a ação do movimento de ímãs atuadores chamados, respectivamente, de primeiro ímã (31) e segundo ímã (32).
[043] O primeiro ímã (31) e o segundo imã (32) são dispostos voltados, respectivamente, para a primeira extremidade (21) e para a segunda extremidade (22) da bobina condutora (20).
[044] O primeiro ímã (31) e o segundo imã (32) podem ter um formato alongado, por exemplo, um formato de paralelepípedo, e sua polaridade magnética pode ser orientada de acordo com a sua dimensão máxima. Em outras palavras, no caso de ímãs em forma de paralelepípedo, a polaridade pode ser orientada de acordo com o comprimento do dito ímã.
[045] Além disso, por formato de paralelepípedo também entende- se um ímã que tem geralmente um formato de paralelepípedo, e o menor lado do qual tem um formato côncavo. Por um lado pequeno de um ímã retangular, entende-se o lado de dimensões menores (menor superfície).
[046] O primeiro imã (31) e o segundo imã (32) podem ser idênticos. Por idêntico, entende-se mesmo formato e mesma polaridade magnética.
[047] A polaridade magnética, no presente pedido, também se refere à orientação dos polos de um ímã. Em particular, a polaridade magnética conecta, dentro do ímã, o polo sul ao polo norte do dito ímã. O polo sul refere-se convencionalmente a uma seção de superfície do ímã na qual o fluxo magnético entra. Reciprocamente, o polo norte corresponde à outra seção de superfície do ímã da qual o fluxo magnético sai.
[048] Além disso, o primeiro ímã (31) e o segundo imã (32) são dispostos de modo que a polaridade magnética de cada um destes dois ímãs está em um plano perpendicular ao eixo YY’, por exemplo, paralelos ao eixo principal XX’. Além disso, as polaridades magnéticas do primeiro ímã (31) e segundo ímã (32) podem ser opostas entre si. Em outras palavras, a polaridade magnética do primeiro ímã (31) é orientada de uma maneira oposta à do segundo ímã (32). Entende-se que as polarizações magnéticas do primeiro ímã (31) e segundo ímã (32) não estão necessariamente ao longo do eixo principal XX’ (em outras palavras, elas não são necessariamente colineares com o eixo XX’).
[049] Além disso, o primeiro imã (31) e o segundo imã (32) são dispostos para deslizar simultaneamente da mesma maneira, e paralelo ao eixo principal XX’ uma vez que uma força é exercida tanto do primeiro como no segundo ímã (32).
[050] A disposição que permite o deslizamento do primeiro ímã (31) e segundo ímã (32) pode compreender meios deslizantes, por exemplo, uma corrediça. No entanto, a invenção não se limita a somente este dispositivo deslizante, e o técnico no assunto com o seu conhecimento geral pode implementar quaisquer outros meios ou dispositivo passíveis de permitir o deslizamento do primeiro ímã (31) e segundo imã (32).
[051] Entende-se, sem a necessidade de especificar, que a amplitude de deslizamento de cada um dos dois ímãs é a mesma durante seu deslizamento (por amplitude de deslizamento entende-se distância).
[052] Esse efeito pode ser obtido ligando, por exemplo, fixamente o primeiro ímã (31) e o segundo imã (32).
[053] O deslizamento do primeiro ímã (31) e segundo ímã (32) de acordo com qualquer uma das formas definidas pela direção do eixo principal XX’ é adaptado para forçar o ímã principal (30) a adotar, respectivamente, a primeira posição de equilíbrio e a segunda posição de equilíbrio.
[054] Além disso, dada a orientação magnética do primeiro ímã (31) e segundo ímã (32), é claro, sem a necessidade de especificar, que a polarização magnética do ímã principal (30) não é paralela ao eixo YY’.
[055] Além disso, e vantajosamente, a polarização magnética do ímã principal (30) pode ser substancialmente perpendicular, preferencialmente perpendicular, ao eixo YY’.
[056] Em funcionamento, nesse dispositivo eletromagnético (10), um movimento de rotação do ímã principal (30) de uma das posições de equilíbrio estável em direção a outra das duas posições de equilíbrio estável é induzido por deslizamento do primeiro ímã (31) e segundo ímã (32).
[057] A rotação do ímã principal (30) a partir de sua segunda posição de equilíbrio até sua primeira posição de equilíbrio é chamada de “ciclo direto”.
[058] A rotação do ímã principal (30) a partir de sua primeira posição de equilíbrio até sua segunda posição de equilíbrio é chamada de “ciclo indireto”.
[059] O movimento de rotação do ímã principal (30), em seguida, induz uma variação de tempo do campo magnético que passa através da bobina condutora (20) gerando assim uma tensão elétrica diferente de zero nos terminais da bobina condutora (20).
[060] A adopção de qualquer uma das posições de equilíbrio estável pelo ímã principal (30) é controlada pela amplitude da interação entre o dito ímã principal (30) e os ímãs atuadores (31), (32).
[061] Em outras palavras, se o primeiro ímã (31) está mais próximo do ímã principal (30) do que o segundo imã (32), o dito ímã principal (30) adotará a primeira posição de equilíbrio.
[062] Reciprocamente, se o segundo imã (32) está mais próximo do ímã principal (30) do que o primeiro ímã (31), o dito ímã principal (30), adotará a segunda posição de equilíbrio estável.
[063] A título de ilustração, o ímã principal (30) pode estar, em um momento inicial, na segunda posição de equilíbrio estável. Em outras palavras, o segundo ímã (32) está mais próximo do ímã principal (30) do que o primeiro ímã (31).
[064] Uma força de origem mecânica, por exemplo, exercida sobre o primeiro ímã (31) na direção XX’, torna então possível iniciar o deslizamento do primeiro ímã (31) e segundo ímã (32), de modo que o primeiro ímã (31) fique mais próximo do ímã principal (30) e o segundo ímã (32) fique longe dele.
[065] Dessa forma, durante o deslizamento dos dois ímãs atuadores, a interação magnética entre o segundo imã (32) e o ímã principal (30) diminui, enquanto a que existe entre o primeiro ímã (31) e o ímã principal (30) aumenta, aumentando assim a instabilidade magnética do ímã principal (30).
[066] Uma súbita rotação do ímã principal (30) em torno do eixo YY’ é então observada uma vez que a instabilidade magnética induzida pelo deslizamento dos dois ímãs atuadores já não é mais sustentável.
[067] Dessa forma, a rotação do ímã principal (30) é induzida sem fazer, a prática, contato com o dito ímã principal (30), limitando o desgaste e problemas de confiabilidade. O movimento do ímã principal (30) induz uma rápida reversão da direção do fluxo que passa através da bobina e, portanto, uma variação de tempo máxima do fluxo magnético. A tensão induzida nos terminais da bobina condutora (20) pela variação de fluxo magnético que passa através da mesma, torna possível gerar uma corrente elétrica que flui em uma carga elétrica conectada aos terminais da dita bobina condutora (20). O trabalho mecânico usado para fazer os ímãs (31) e (32) deslizarem é, dessa forma, convertido em energia elétrica.
[068] Além disso, a disposição do ímã principal (30), no volume interno V da bobina condutora (20) torna possível aumentar a porção de fluxo útil na geração da tensão elétrica nos terminais da dita bobina condutora (20). É, então, possível considerar um ímã principal (30) de dimensões menores.
[069] Além disso, um ímã principal (30) alojado no volume interno V da bobina condutora (20) torna o dispositivo eletromagnético (10) mais compacto.
[070] O dispositivo eletromagnético (10) também pode compreender um meio de retorno que atua em um dos ímãs atuadores dispostos de modo que o ímã principal (30) seja forçado a adotar uma das duas posições de equilíbrio estável quando nenhuma força externa é exercida sobre o primeiro ímã (31) e segundo ímã (32).
[071] Por exemplo, os meios de retorno podem ser dispostos de modo a fazer que o segundo imã (32) force o ímã principal (30) a adotar a segunda posição de equilíbrio estável quando nenhuma força externa é exercida sobre o dispositivo eletromagnético (10) (e, em particular, sobre os ímãs atuadores). Em outras palavras, os meios de retorno podem ser dispostos para forçar o segundo imã (32) a estar mais próximo do ímã principal (30) do que o primeiro ímã (31). De acordo com esta configuração, quando ele está ocioso, o ímã principal (30) está na segunda posição de equilíbrio.
[072] Ainda de acordo com esta configuração, se o dispositivo eletromagnético (10) foi acionado, e se o ímã principal (30) foi forçado a adotar a primeira posição de equilíbrio, entende-se que os meios de retorno estão dispostos para restaurar o ímã principal (30) em sua segunda posição de equilíbrio. Por dispostos para restaurar o ímã principal (30) em sua segunda posição de equilíbrio, entende-se também que a força de retorno dos meios de retorno é pelo menos suficiente para fazer o ímã principal (30) executar um ciclo indireto sem recorrer a uma ação externa.
[073] Os meios de retorno são particularmente vantajosos na medida em que, depois de liberar a força exercida sobre o primeiro ímã (31) para acionar um ciclo direto do ímã principal (30), os meios de retorno, por sua vez, exercem uma força destinada a restabelecer o ímã principal (30) em sua segunda posição de equilíbrio.
[074] Em outras palavras, um ciclo direto e um ciclo indireto do ímã principal (30) pode ser acionado por uma única ação exercida sobre o primeiro ímã (31), tornando assim possível duplicar a variação de tempo do fluxo magnético na bobina condutora (20).
[075] Os meios de retorno podem compreender vantajosamente uma mola.
[076] Particularmente vantajoso, o deslizamento tanto do primeiro ímã (31) como do segundo ímã (32) em direção ao ímã principal (30) é limitado, respectivamente, por um primeiro ou segundo batente. O primeiro e o segundo batente estão dispostos para prevenir qualquer contato entre o ímã principal (30) e, respectivamente, o primeiro ímã (31) e o segundo ímã (32).
[077] As Figuras 1, 3a e 3b ilustram uma primeira realização particular do conversor de energia eletromagnético (10) de acordo com a presente invenção.
[078] De acordo com uma primeira variante desta primeira realização (ilustrada na Figura 1), o primeiro ímã (31), o segundo ímã (32) e o ímã principal (30) estão alinhadas ao longo do eixo principal XX’.
[079] Por alinhado ao longo do eixo principal XX’ entende-se que as polarizações magnéticas destes três ímãs são colineares com o eixo principal XX’.
[080] Esta disposição é particularmente vantajosa na medida em que o ímã atuador, que impõe uma das duas posições de equilíbrio estável sobre o ímã principal (30), também estabiliza o dito ímã nesta posição de equilíbrio (por estabilizar-se em uma posição de equilíbrio, entende-se, em particular, se manter).
[081] Este efeito de estabilização resulta, essencialmente, da atração mútua entre o ímã principal (30) e o ímã do atuador que força o mesmo a adotar uma dentre duas posições de equilíbrio estável.
[082] O efeito de retenção do ímã principal (30) por um dos ímãs atuadores em uma posição de equilíbrio estável também constitui um meio de liberação que permite ao ímã principal (30), quando o conversor é acionado, girar ainda mais brutalmente.
[083] No entanto, é notável que o efeito de estabilização induzido pelo primeiro ímã (31) e pelo segundo ímã (32) também pode ser obtido para outras orientações dos ditos ímãs.
[084] Dessa forma, as Figuras 3a a 3b ilustram outras variantes desta primeira realização.
[085] Em particular, a polaridade magnética do primeiro ímã (31) e do segundo ímã (32) (representada pelas setas A e B na Figura 3a) têm um desvio angular diferente de zero em relação ao eixo principal XX’. As polarizações magnéticas dos dois ímãs formam, por exemplo, um ângulo de 180º.
[086] Além disso, de acordo com esta variante, as polarizações magnéticas são vantajosamente opostas entre si.
[087] Em outra variante, ilustrada na Figura 3b, as polarizações magnéticas do primeiro ímã (31) e do segundo ímã (32) (representadas pelas setas C e D na Figura 3b) têm um desvio angular diferente de zero em relação ao eixo principal XX’ e formam entre si um ângulo menor que 180º.
[088] As ações do primeiro ímã (31) e do segundo ímã (32) de acordo com suas posições em relação ao ímã principal (30) são idênticas àquelas descritas na primeira variante desta primeira realização.
[089] De uma maneira particularmente vantajosa, o ímã principal (30) pode ter uma simetria de rotação sobre o eixo YY’. Em outras palavras, o ímã principal (30) pode ser um cilindro de rotação de eixo YY’. De acordo com esta configuração, o eixo YY’ é estacionário, e vantajosamente pode cruzar-se com o eixo principal XX’ no centro da bobina condutora (20).
[090] O meio de retenção (40) do ímã principal (30) pode compreender, por exemplo, um portador de ímã. O ímã principal (30) pode ser equipado com um suporte, posicionado ao longo do eixo YY’, do dito ímã. O transportador de ímã pode compreender uma cavidade que tem uma forma complementar ao suporte, e em cujo dito suporte é inserido.
[091] O dispositivo eletromagnético (10) pode compreender ainda um primeiro cabeçote ferromagnético (50) e um segundo cabeçote ferromagnético (50’) dispostos simetricamente entre si em relação a um plano que compreende o eixo YY’ e o eixo principal XX’.
[092] Cada um dos dois cabeçotes ferromagnéticos pode compreender pelo menos um material ferromagnético selecionado a partir de: ligas à base de ferro com alta indução de saturação (por exemplo, uma indução de saturação maior que 1,5 Tesla) como ferro puro, ferro com liga de Si (FeSi), ferro com liga de Ni (FeNi), ferro com liga de Co (FeCo). Estas ligas também podem compreender a adição de elementos como Cr, P, Cu, Al.
[093] O material ferromagnético também pode compreender pelo menos um dos elementos selecionados a partir de: uma estrutura espinélio de ferrita (como MnZn, NiZn). Esta última, devido à sua baixa condutividade elétrica, é particularmente vantajosa, pois permite reduzir as perdas por corrente parasita.
[094] Por fim, o material ferromagnético também pode compreender pelo menos um dos elementos selecionados a partir de: uma liga à base de ferro do tipo vidro metálico produzido na forma amorfa ou nanocristalina.
[095] O primeiro (50) e segundo (50’) cabeçotes podem compreender, cada um, duas extremidades dispostas para formar um alojamento dentro do qual o ímã principal (30) é mantido. Então, é claro, sem a necessidade de especificar que cada um dos dois cabeçotes se aproximam no ímã principal (30). De outro modo, as duas extremidades de um cabeçote têm um espaçamento dentro do qual o ímã permanente está localizado de modo que cada um dos dois cabeçotes forma com o ímã ciclo magnético fechado (closed magnetic loop).
[096] Particularmente vantajoso, o alojamento (ou uma cavidade) tem uma forma complementar ao ímã principal (30).
[097] Os cabeçotes ferromagnéticos podem ser dispostos em torno do ímã principal com uma folga de largura perfeitamente determinada de modo a fazer vãos de ar (51), (51’) dispostos opostos entre si. A largura do vão de ar que é formada pelo espaço de ar localizado entre a superfície externa do ímã principal (30) e uma ou outra dentre as extremidades do cabeçote ferromagnético determina a intensidade do fluxo magnético que flui no dito cabeçote. A magnitude que determina a influência do vão de ar sobre do fluxo magnético é conhecida como a relutância. Uma dada largura de vão de ar corresponde a um valor preciso de relutância.
[098] O ímã principal (30) pode ter uma superfície externa cilíndrica estruturada ou, em outra variante, lisa. Neste segundo caso, a superfície média do ímã permanece cilíndrica mas localmente o seu perfil se desvia da superfície média de acordo com um padrão determinado. Entende-se que os desvios para o perfil médio são maiores que a rugosidade do material e são tipicamente superiores a um décimo do valor do vão de ar.
[099] Desta maneira, o espaço de ar formado entre o ímã e o cabeçote e, portanto, as dimensões do vão de ar serão variáveis dependendo da posição angular do ímã. Um vão de ar cria um efeito chamado efeito de relutância variável e pode, dessa forma, vantajosamente contribuir para a velocidade de rotação do ímã e para sua estabilização.
[100] Além disso, entende-se que, sem a necessidade de especificar, o alojamento formado pelas extremidades dos cabeçotes ferromagnéticos é disposto no volume interno V da bobina condutora (20). Em particular, conforme representado na Figura 1, a bobina condutora que forma o fio condutor (20) envolve a primeira seção de cada cabeçote ferromagnético. A primeira seção de cada cabeçote ferromagnético, conforme representado na Figura 1, é composta de dois braços separados pelo vão de ar.
[101] Cada cabeçote forma com o ímã principal (30) um circuito magnético fechado. Em outras palavras, cada um dos cabeçotes ferromagnéticos permite orientar o fluxo magnético, de acordo com um circuito fechado, e assim limitar as fugas magnéticas.
[102] De forma particularmente vantajosa, o primeiro cabeçote ferromagnético (50) e o segundo cabeçote ferromagnético (50’) são espaçados por um espaçamento E. O dito espaçamento E é disposto para orientar o primeiro e segundo ímãs (32) mediante seu deslizamento.
[103] O conversor de energia eletromagnético (10) em funcionamento permite que o ímã principal (30) gire 180º. A adição de um meio de retorno, conforme descrito na descrição geral da presente invenção, também permite que o ímã principal (30) execute um ciclo direto e um ciclo indireto, cada um correspondendo a uma rotação de 180º do dito ímã principal (30) sobre em torno do eixo YY’.
[104] As Figuras 2a e 2b ilustram uma segunda realização particular do conversor de energia eletromagnético (10) de acordo com a presente invenção.
[105] De acordo com esta segunda realização, o conversor compreende dois ímãs de estabilização estacionária denominados, respectivamente, terceiro ímã (33) e quarto ímã (34). Os dois ímãs de estabilização destinam-se a estabilizar em uma das duas posições de equilíbrio o ímã principal (30), uma vez que o conversor está inativo.
[106] O efeito de retenção do ímã principal (30) por um dos ímãs de estabilização em uma posição de equilíbrio estável também constitui um meio de liberação que permite, quando o conversor é acionado, que o ímã principal (30) gire ainda mais brutalmente.
[107] Além disso, os ímãs de estabilização são dispostos de modo que os polos do ímã de estabilização que estabilizam o ímã principal (30) em uma das duas posições de equilíbrio sejam alinhados com os do ímã principal (30).
[108] De forma vantajosa, o terceiro ímã (33) e o quarto ímã (34) são dispostos, respectivamente, voltados para a primeira extremidade (21) e para a segunda extremidade (22). Além disso, cada imã de estabilização é compensado, em uma direção diferente, a partir do eixo principal XX’. Por compensar, em uma direção diferente, a partir do eixo principal XX’, entende-se dispostos em ambos os lados do dito eixo.
[109] Além disso, de acordo com esta disposição, o ímã principal (30) é montado em um portador (de outro modo o meio de retenção (40)) que compreende uma corrediça (41), a corrediça sendo disposta de modo que o movimento de rotação do ímã principal (30) sobre o eixo YY’ entre as duas posições de equilíbrio é acompanhado por um movimento de translação, permitindo o alinhamento dos polos do ímã principal (30) com o terceiro ímã (33) e quarto ímã (34) quando o dito ímã principal (30) está localizado respectivamente na primeira posição de equilíbrio ou na segunda posição de equilíbrio.
[110] A corrediça (41) pode ser retilínea ou curvada.
[111] O ímã principal (30) pode ser guiado na corrediça pelo suporte disposto no dito ímã.
[112] O ímã principal (30) pode ter uma forma alongada, por exemplo, um formato de paralelepípedo.
[113] As polaridades magnéticas de cada um dentre o terceiro ímã (33) e o quarto ímã (34) podem ser paralelas ao eixo principal XX’ e podem ser opostas entre si.
[114] Além disso, conforme representado na Figuras 2a e 2b, o terceiro ímã (33) e o quarto ímã (34) podem estar opostos, respectivamente, ao segundo imã (32) e ao primeiro ímã (31).
[115] De forma vantajosa, o ímã principal (30) pode compreender uma cunha disposta em uma de suas extremidades, e destinada a ser interposta entre o ímã principal (30) e o terceiro ímã (33) ou o quarto ímã (34) quando o ímã principal (30) está, respectivamente, na primeira posição de equilíbrio ou na segunda posição de equilíbrio. A cunha pode, assim, absorver os choques experimentados pelo ímã principal (30) durante a sua estabilização.
[116] A cunha pode compreender pelo menos materiais ferromagnéticos selecionados a partir de: uma liga à base de ferro com uma alta indução de saturação como ferro puro, ferro com liga de Si (FeSi), ferro com liga de Ni (FeNi), ferro com liga de Co (FeCo).
[117] Estas ligas também podem conter a adição de elementos como Cr, P, Cu, Al.
[118] O material ferromagnético também pode compreender pelo menos um dos elementos selecionados a partir de: uma estrutura espinélio de ferrita (MnZn, NiZn). Esta última, devido à sua baixa condutividade, é particularmente vantajosa, pois permite reduzir as perdas por corrente parasita.
[119] Por fim, o material ferromagnético também pode compreender pelo menos um dos elementos selecionados a partir de: uma liga à base de ferro do tipo vidro metálico produzido na forma amorfa ou nanocristalina.
[120] De forma vantajosa, o conversor ainda compreende um cabeçote ferromagnético que compreende duas extremidades do cabeçote 60 e 60’ interpostas entre a cunha do ímã principal (30) e o terceiro ímã (33) terceiro ímã ou o quarto ímã (34) quando o ímã principal (30) está, respectivamente, na primeira posição de equilíbrio ou na segunda posição de equilíbrio.
[121] O cabeçote ferromagnético permite guiar o fluxo magnético produzido pelo ímã principal (30) através da bobina condutora (20) e assim limitar fugas magnéticas.
[122] O acionamento do conversor pode ser iniciado exercendo uma força sobre o primeiro ímã (31), por exemplo, (se o ímã principal (30) estiver na segunda posição de equilíbrio). O deslizamento do primeiro ímã (31) e, portanto, do segundo ímã (32), é inicialmente impedido pelo ímã principal (30) cujos polos têm uma orientação oposta à dos polos do primeiro ímã (31). Durante esta fase, o quarto ímã (34) (estabilizador), mantém o ímã principal (30) na segunda posição de equilíbrio, e há um armazenamento de energia no sistema, conforme a força exercida sobre o primeiro ímã (31) aumenta. Assim que a distância entre o primeiro ímã (31) e o ímã principal (30) diminui, esta energia aumenta mais, até que o ímã principal (30) não pode ser mantido na segunda posição por causa da instabilidade magnética induzida pela aproximação do primeiro ímã (31).
[123] Uma súbita rotação de 180º do ímã principal (30) é então produzida, acompanhada de um deslocamento do dito ímã ao longo da corrediça do portador.
[124] O ímã principal (30), seguindo esse movimento, está em sua segunda posição de equilíbrio, com seus polos sendo alinhados com os do quarto ímã (34).
[125] A rotação abrupta do ímã principal (30) gera uma variação de fluxo magnético através da bobina condutora (20), revelando assim uma tensão elétrica nos terminais da dita bobina condutora (20).
[126] Se o conversor de energia eletromagnético (10) é fornecido com o meio de retorno (por exemplo, uma mola que age sobre o segundo imã (32)), o ímã principal (30) é restaurado para a sua segunda posição de equilíbrio uma vez que a força exercida sobre o primeiro ímã (31) é liberada. O meio de retorno torna assim possível duplicar a variação de tempo do fluxo magnético.
[127] O efeito oposto pode ser obtido a partir da primeira posição de equilíbrio e exercendo uma força sobre o segundo ímã (32).
[128] A título de exemplo, o ímã principal (30) pode ter uma remanência B de 0,5 Tesla, e ocupar metade do volume interno V da bobina condutora (20). A bobina condutora (20) pode ter uma seção transversal de S = 0,1cm², e compreende N = 10 voltas. De acordo com a esta disposição, uma tensão elétrica de 2*N*B*S/Δt = 10 volts pode ser gerada. Se for considerado que a resistência do fio elétrico que forma a bobina condutora 20 é de R = 1 Ω (Ohms), então a energia produzida é E=e²/RΔt=1000 μJ.
[129] O ímã principal (30) e os ímãs atuadores podem ser ímãs sinterizados ou plasto-ímãs. Os plasto-ímãs obtidos por moldagem têm a vantagem de poderem ser fabricados a baixo custo de acordo com formatos complexos e distribuições de magnetização. Esses ímãs têm as seguintes características interessantes para microgeradores eletromagnéticos e/ou conversores de energia eletromagnético: - Eles podem estar de acordo com os volumes disponíveis no dispositivo, - O formato e/ou o perfil da sua superfície externa pode ser otimizada para criar um vão de ar variável durante o movimento do ímã e, portanto, um efeito de relutância variável que aprimora o desempenho do conversor, - A distribuição da magnetização, quer dizer a direção que conecta os polos do íman, pode ser otimizada para aprimorar o fluxo da corrente no circuito magnético e limitar as perdas de fluxo, - Os plasto-ímãs são menos sensíveis a choques e a problemas de envelhecimento, como corrosão, - Os plasto-ímãs podem ser obtidos por moldagem, em particular, pela técnica de injeção de plástico. Para este propósito, uma mistura de polímeros (por exemplo, polímero termofixo como PA) e pó magnético (por exemplo, SmCo) é aquecida e injetada sob a forma de fluido na cavidade de um molde. Durante a injeção, um campo magnético é aplicado sobre o recesso de modo a orientar e magnetizar o pó magnético. A peça resfria nesta configuração até solidificação e preserva assim sua polarização magnética. É possível fabricar ímãs multipolares com formato complexo. Funções adicionais podem ser adicionadas ao íman para facilitar sua integração em um sistema mecânico (por exemplo, a adição de suportes).
[130] A presente invenção também se refere a um interruptor autônomo sem fio e/ou sem bateria, destinado a fornecer controle de funções de automação doméstica, como iluminação, abertura e fechamento de persianas de rolo.
[131] Referências: (1) patente US 9240267, (2) patente US 9509304.
Claims (18)
1. DISPOSITIVO ELETROMAGNÉTICO (10), caracterizado por compreender: - uma bobina condutora (20) que compreende uma primeira (21) e uma segunda (22) extremidade, e que se estende ao longo de um eixo principal XX’, - um ímã principal (30) mantido por meio de retenção (40) em um volume interno V formado pela bobina condutora (20), o meio de retenção (40) permitindo movimento de rotação do dito ímã principal (30) em torno de um eixo YY’, perpendicular ao eixo principal XX’, entre duas posições de equilíbrio estável denominada, respectivamente, primeira posição de equilíbrio e a segunda posição de equilíbrio, - um primeiro (31) e um segundo (32) ímã atuador disposto, respectivamente, voltado para a primeira extremidade (21) e a segunda extremidade (22), cada um tendo uma polaridade magnética em um plano perpendicular ao eixo YY’, o primeiro (31) e segundo (32) ímãs atuadores sendo dispostos para serem acionados em translação, simultaneamente da mesma maneira, e paralelos ao eixo principal XX’ uma vez que uma força é exercida tanto no primeiro (31) como no segundo (32) ímã, o deslizamento do primeiro (31) e do segundo (32) ímã conforme qualquer uma das formas definidas pela direção do eixo principal XX’ sendo adaptado para forçar o ímã principal (30) a adotar, respectivamente, a primeira posição de equilíbrio ou a segunda posição de equilíbrio.
2. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela polaridade magnética do primeiro ímã (31) formar com o eixo principal XX’ um ângulo alfa, e a polaridade magnética do segundo imã (32) formar com o eixo principal XX’ tanto um ângulo -alfa ou 180º +alfa como 180º - alfa.
3. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo dispositivo (10) compreender um meio de retorno que atua em um dentre o primeiro (31) e segundo (32) ímãs de modo que o ímã principal (30) seja forçado a adotar uma das duas posições de equilíbrio estável quando nenhuma força externa é exercida sobre o primeiro ímã e segundo ímãs, vantajosamente o meio de retorno compreendendo uma mola.
4. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo deslizamento tanto do primeiro como do segundo ímã em direção ao ímã principal (30) ser limitado, respectivamente, por um primeiro e um segundo batente, o primeiro e segundo batentes sendo dispostos para evitar qualquer contato entre o ímã principal (30) e, respectivamente, o primeiro e segundo imãs.
5. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo primeiro ímã (31), o segundo ímã (32), e o ímã principal (30) estarem alinhados ao longo do eixo principal XX’.
6. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo ímã principal (30) ter uma simetria de rotação em torno do eixo YY’.
7. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo dispositivo (10) ainda compreender um primeiro cabeçote ferromagnético (50) e um segundo cabeçote ferromagnético (50’) dispostos simetricamente entre si em relação a um plano que compreende o eixo YY’ e o eixo principal XX’.
8. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo primeiro (50) e segundo (50’) cabeçotes compreenderem cada uma das duas extremidades dispostas a formar um alojamento interno o qual o ímã principal (30) é mantido, o alojamento tendo um formato complementar ao ímã principal (30).
9. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo primeiro e segundo ímãs estarem dispostos em uma corrediça (slide).
10. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado por um espaçamento estar disposto entre o primeiro e segundo cabeçotes (50’), o dito espaçamento sendo disposto para guiar o primeiro e o segundo ímã durante seu deslizamento.
11. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo dispositivo (10) compreender dois ímãs de estabilização denominados, respectivamente, terceiro ímã (33) e quarto ímã (34), estacionários e destinados a estabilizar, em uma das duas posições principais de equilíbrio, o ímã principal (30) uma vez que o dispositivo (10) está ocioso, os ímãs de estabilização sendo dispostos de modo que os polos do ímã de estabilização estabilizem o ímã principal (30) de acordo com qualquer uma das duas posições de equilíbrio estão alinhados com as do ímã principal (30).
12. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo terceiro ímã (33) e o quarto ímã (34) serem dispostos voltados, respectivamente, para a primeira e segunda extremidades (22), e cada imã de estabilização ser compensado, em uma direção diferente, a partir do eixo principal XX’, o ímã principal (30) ainda é montado em um portador que compreende uma corrediça, a corrediça é disposta de modo que o movimento de rotação do ímã principal (30) em torno do eixo YY’ entre as duas posições de equilíbrio é acompanhado por um movimento de translação, permitindo o alinhamento dos polos do ímã principal (30) com o terceiro ímã (33) e o quarto ímã (34) quando o dito ímã principal (30) está, respectivamente, na primeira posição de equilíbrio ou na segunda posição de equilíbrio.
13. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelas polaridades magnéticas de cada um dentre o terceiro ímã
(33) e quarto ímã (34) serem paralelas ao eixo principal XX’ e serem opostas entre si.
14. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo terceiro ímã (33) e do quarto ímã (34) serem opostos, respectivamente, ao segundo imã (32), e ao primeiro ímã (31).
15. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado pelo ímã principal (30) ainda compreender uma cunha disposta em um de seus polos, e destinada a estar interposta entre o ímã principal (30) e o terceiro ímã (30) ou o quarto ímã (34) quando o ímã principal (30) está, respectivamente, na primeira posição de equilíbrio ou na segunda posição de equilíbrio.
16. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo dispositivo (10) ainda compreender um cabeçote ferromagnético que compreende duas extremidades do cabeçote, formando um vão de ar, e interposto entre a cunha do ímã principal (30) e o terceiro ímã (30) está, respectivamente, na primeira posição de equilíbrio ou na segunda posição de equilíbrio.
17. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo dispositivo (10) ser tanto um conversor de energia eletromagnético como um microgerador eletromagnético.
18. INTERRUPTOR, caracterizado por compreender um dispositivo (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17.
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