BR112021014855A2 - Dispositivo para recuperar energia elétrica, e, método para fabricar um dispositivo para recuperar energia elétrica - Google Patents

Abstract

dispositivo para recuperar energia elétrica, e, método para fabricar um dispositivo para recuperar energia elétrica. a invenção se refere a um dispositivo (1) para recuperar energia elétrica, compreendendo um cabo ferromagnético (2) enrolado helicoidalmente em torno de uma porção (3) de um condutor de potência (4), e disposto para formar tanto um sistema magnético que é capaz de detectar o campo magnético induzido por uma corrente (i1) que passa através do referido condutor de potência (4) quanto meios para gerar uma voltagem induzida utilizável (u2) a partir deste campo magnético. para este fim, o cabo ferromagnético (2) é produzido a partir de um conjunto de cordões unitários (20) produzidos a partir de material ferromagnético, sendo esses cordões montados na forma de um fio trançado, cada cordão unitário (20) se comportando como um enrolamento no qual a voltagem induzida (u2) é induzida, e o conjunto de cordões unitários (20) formando um conjunto de enrolamentos conectados em paralelo por meio de terminais de conexão (6) providos nas extremidades do referido cabo ferromagnético (2) para recuperar a referida voltagem induzida (u2).

Description

1 / 18 DISPOSITIVO PARA RECUPERAR ENERGIA ELÉTRICA, E, MÉTODO

PARA FABRICAR UM DISPOSITIVO PARA RECUPERAR ENERGIA

ELÉTRICA Campo Técnico

[001] A presente invenção se refere a um dispositivo para recuperar energia elétrica que compreende pelo menos um cabo ferromagnético enrolado helicoidalmente em torno de pelo menos uma porção de um condutor de potência para formar um sistema magnético que é capaz de detectar o campo magnético induzido por uma corrente que passa através do referido condutor de potência, e meios para gerar uma voltagem induzida a partir deste campo magnético que podem ser usados.

[002] A invenção também se refere a um método para fabricar um dispositivo de recuperação conforme descrito acima. Técnica Anterior

[003] Cada vez mais sensores, sistemas ou acessórios são instalados em redes elétricas para prover as funções de proteção, monitoramento, medição, etc. Na maioria dos casos, esses dispositivos precisam ser alimentados com energia elétrica. Uma das soluções consiste em retirar esta energia elétrica dos condutores de potência em que circula uma corrente elétrica com o auxílio de dispositivos para recuperar energia baseados no princípio da autoindução, evitando assim o uso de uma fonte de energia adicional (bateria, energia renovável, etc..). Para isso, um núcleo magnético é fixado em torno de um condutor de potência por onde passa uma corrente e que forma um circuito primário. Essa corrente cria um campo magnético radial ao redor do condutor de potência, que induz a circulação de um fluxo magnético no núcleo magnético. Um enrolamento elétrico é enrolado em torno desse núcleo magnético para formar um circuito secundário. Assim, o fluxo magnético que circula no núcleo magnético induz uma voltagem nos terminais deste enrolamento. A voltagem induzida recuperada nos terminais

2 / 18 deste enrolamento elétrico torna possível autossuprir diferentes tipos de dispositivos, exemplos sendo um ou mais sensores de temperatura, posição, corrente, desgaste, etc., um ou mais sensores de iluminação, sinalização, comunicação, etc. elementos, sem que esses exemplos sejam limitantes.

[004] Até o momento, duas soluções para recuperar energia são conhecidas. Uma das soluções consiste em um núcleo magnético do tipo toroidal enrolado, que pode ser fechado ou aberto, que é fixado ao condutor de potência. A solução de toro de abertura é adotada principalmente porque permite a fácil instalação de um dispositivo de recuperação, inclusive em condutores de potência de grande comprimento. A outra solução consiste em um núcleo magnético na forma de um cabo ferromagnético no qual um fio de cobre é enrolado. Este cabo ferromagnético é enrolado helicoidalmente ao redor do condutor de potência.

[005] A invenção está mais particularmente relacionada com a solução de cabo ferromagnético, que tem a vantagem de poder ser instalada mais facilmente do que um toro, qualquer que seja o tipo de configuração e o local de instalação dos condutores de potência. No entanto, o diâmetro externo deste dispositivo de recuperação formado pelo cabo ferromagnético no qual o enrolamento é enrolado é aumentado, o que tem o efeito de enrijecer o dispositivo e de evitar que ele seja enrolado em torno de condutores de potência de pequeno diâmetro (normalmente menos de 20 mm).

[006] A publicação WO 2014/026300 A1 descreve um pedido no qual o dispositivo para recuperar energia provê uma faixa iluminada equipada com diodos emissores de luz destinada a marcar um condutor de potência. Este dispositivo para recuperar energia é constituído por um cabo ferromagnético no qual é enrolado um enrolamento de cobre ou outro material condutor. A voltagem útil é recuperada nos terminais do enrolamento para autossuprir a faixa iluminada.

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[007] O pedido de patente FR1850064 do Requerente descreve um toro flexível e de abertura, formado a partir de um cabo ferromagnético no qual um enrolamento de cobre é enrolado, constituindo um transformador de corrente destinado à detecção de correntes de falha e/ou para a medição da corrente fluindo na energia condutor.

[008] Nestes dois casos, o dispositivo para recuperar energia é constituído por um núcleo magnético em forma de cabo ferromagnético e um enrolamento externo formado por um material eletricamente condutor enrolado em torno deste núcleo magnético. O enrolamento é geralmente produzido a partir de um fio condutor (cobre, alumínio ou semelhante) que é isolado e enrolado diretamente em torno do núcleo magnético ou em um suporte intermediário, ao longo de um comprimento que é suficiente para gerar a voltagem desejada.

[009] Os dispositivos para recuperar energia existentes têm um diâmetro grande e não são flexíveis o suficiente para poderem ser enrolados em condutores de potência de pequeno diâmetro. As soluções existentes, portanto, não permitem a fácil integração de um dispositivo para recuperar energia em qualquer tipo de instalação e muito menos em torno de qualquer tipo de condutor de potência. Descrição da Invenção

[0010] A presente invenção visa superar essas desvantagens ao propor um método e um dispositivo para recuperar energia que possibilitem dispensar o enrolamento externo que é enrolado helicoidalmente em torno de um cabo ferromagnético, com o objetivo de reduzir seu diâmetro externo e recuperar flexibilidade suficiente para ser capaz de ser enrolado em qualquer tipo de condutor de potência, qualquer que seja seu diâmetro, a fim de garantir uma fácil integração deste dispositivo em qualquer tipo de instalação, e assim expandir seu potencial de uso em qualquer tipo de aplicação que requeira autossuprimento de energia elétrica sistemas de pelo menos um

4 / 18 condutor de potência.

[0011] Para este fim, a invenção se refere a um dispositivo para recuperar energia do tipo indicado no preâmbulo, distinguido pelo referido pelo menos um cabo ferromagnético ser constituído por um conjunto de cordões unitários produzidos a partir de material ferromagnético, montados na forma de um fio trançado e disposto para prover ao referido cabo ferromagnético flexibilidade em todas as direções, permitindo que ele seja enrolado em torno do referido condutor de potência qualquer que seja seu diâmetro, e em que os referidos meios para gerar uma voltagem induzida formem uma parte integrante do referido pelo menos um cabo ferromagnético.

[0012] Assim, os meios para gerar uma voltagem induzida são incluídos no diâmetro do cabo ferromagnético e não têm um efeito prejudicial em seu volume ou flexibilidade.

[0013] Em uma primeira modalidade, esses meios compreendem pelo menos um cordão unitário de material eletricamente condutor montado com os referidos cordões unitários produzidos a partir de material ferromagnético, a fim de constituir o referido pelo menos um cabo ferromagnético. Neste caso, o referido pelo menos um cordão unitário eletricamente condutor constitui um enrolamento no qual a referida voltagem induzida é gerada e compreende terminais de conexão em suas extremidades, tornando possível a recuperação da referida voltagem induzida.

[0014] Em uma segunda modalidade, esses meios são fundidos com o referido pelo menos um cabo ferromagnético, cada cordão unitário de material ferromagnético se comportando como um enrolamento no qual a referida voltagem induzida é gerada. Neste caso, os referidos cordões unitários formam um conjunto de enrolamentos ligados em paralelo por meio de terminais de ligação fixos nas extremidades do referido pelo menos um cabo ferromagnético, tornando possível a recuperação da referida voltagem

5 / 18 induzida.

[0015] Em uma modalidade preferida da invenção, os ditos cordões unitários são montados em fios trançados intermediários, e os ditos fios trançados intermediários são montados em um fio trançado final para constituir o referido pelo menos um cabo ferromagnético. Os ditos cordões unitários e os ditos fios trançados intermediários são vantajosamente torcidos no mesmo sentido de rotação.

[0016] O número total de cordões unitários que constituem o referido pelo menos um cabo ferromagnético é vantajosamente um múltiplo de três, e o diâmetro dos cordões unitários é preferencialmente menor do que um milímetro, e preferencialmente menor do que 0,5 mm.

[0017] Dependendo das aplicações, o material ferromagnético dos referidos cordões unitários pode ser um material com uma alta permeabilidade magnética relativa selecionada a partir de ligas de ferro-níquel com pelo menos 70% de níquel e, de um modo preferido, 78% a 81% de níquel, ou um material com uma menor permeabilidade magnética relativa, mas com uma saturação de indução maior ou igual a 1,5 Tesla, selecionada a partir de ligas de ferro-níquel com no máximo 55% de níquel e ligas à base de ferro.

[0018] Dependendo das modalidades variacionais da invenção, os referidos cordões unitários podem ou não ser eletricamente isolados uns dos outros.

[0019] Se os cordões unitários não são eletricamente isolados um do outro, então todos os cordões unitários contidos no referido pelo menos um cabo ferromagnético, devem ter a mesma forma e viajar ao longo do mesmo trajeto de modo que abranjam a mesma seção do referido cabo ferromagnético, de modo que eles estejam todos com o mesmo potencial e de forma que nenhuma corrente flui de um cordão unitário para o outro.

[0020] Na modalidade preferida, os referidos terminais de ligação são crimpados nas extremidades do referido cabo ferromagnético para ligar todos

6 / 18 os cordões unitários em paralelo.

[0021] Para este fim, a invenção também se refere a um método para fabricação do tipo indicado no preâmbulo, distinguido pelo referido pelo menos um cabo ferromagnético ser fabricado a partir de um conjunto de cordões unitários produzidos a partir de material ferromagnético por um método de torção para montar os referidos cordões unitários juntos na forma de um fio trançado, e em que os referidos meios para gerar uma voltagem induzida são integrados no referido pelo menos um cabo ferromagnético durante a sua fabricação. Breve Descrição das Figuras

[0022] A presente invenção e as vantagens da mesma ficarão mais claras a partir da seguinte descrição de várias modalidades providas a título de exemplo não limitativo e feitas com referência aos desenhos anexos, nos quais: [Fig. 1] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um dispositivo para recuperar energia de acordo com a invenção, provido com um cabo ferromagnético enrolado em torno de uma porção de um condutor de potência, [Fig. 2] A Figura 2 é um diagrama que mostra as etapas para a fabricação do dispositivo para recuperar energia de acordo com uma primeira modalidade variacional, [Fig. 3] A Figura 3 é uma vista ampliada de uma seção do dispositivo para recuperar energia de acordo com uma segunda modalidade variacional, [Fig. 4] A Figura 4 é uma vista semelhante à Figura 1 de um dispositivo para recuperar energia provido com dois cabos ferromagnéticos conectados em série e enrolados em torno de uma porção de um condutor de potência, mostrando os terminais de conexão localizados no mesmo lado do dispositivo, e

7 / 18 [Fig. 5] A Figura 5 representa gráficos das voltagens no dispositivo da Figura 4. Descrição Detalhada da Invenção

[0023] Nas modalidades exemplares mostradas, os elementos ou porções que são idênticos de uma figura a outra carregam os mesmos números de referência.

[0024] Com referência às figuras, o dispositivo para recuperar energia elétrica 1 de acordo com a invenção compreende pelo menos um cabo ferromagnético 2 que é enrolado helicoidalmente em torno de uma porção 3 de um condutor de potência 4, o último sendo eletricamente isolado por uma bainha 5 e através da qual uma corrente I1 que também é conhecida como corrente primária I1 flui. O cabo ferromagnético 2 forma, assim, um circuito magnético ou um sistema magnético que é capaz de detectar o campo magnético induzido pela corrente primária I1 que passa através do condutor de potência 4.

[0025] Vantajosamente, o cabo ferromagnético 2 é constituído por um conjunto de cordões unitários 20 de material ferromagnético, montados na forma de um fio trançado. Este tipo de construção permite dotar o referido cabo ferromagnético 2 de flexibilidade em todas as direções, facilitando o seu enrolamento em torno de um condutor de potência 4 qualquer que seja o seu diâmetro, mesmo os menores diâmetros, dependendo, é claro, do diâmetro externo do referido cabo. Como exemplo, a seguinte regra pode ser usada: o diâmetro do condutor de potência 4 mais sua bainha isolante 5 pode ser pelo menos duas vezes o diâmetro do cabo ferromagnético 2 (Φ4 ≥ 2 × Φ2), mas esta regra não é limitante.

[0026] O dispositivo de recuperação 1 compreende adicionalmente meios 10 para gerar uma voltagem induzida U2 a partir deste campo magnético que pode ser usado. O termo “voltagem que pode ser usada” deve ser entendido como significando uma voltagem que é suficiente para

8 / 18 autossuprimento de um ou mais sistemas elétricos, como, a título de exemplos não limitativos, um ou mais sensores de temperatura, posição, corrente, desgaste, etc., um ou mais elementos de iluminação, sinalização, comunicação, etc., ou para prover uma imagem da corrente primária I1 ou para detectar correntes de fuga em uma instalação elétrica, sem estes exemplos de aplicações sendo limitantes. A título de exemplo, a voltagem explorável deve ser pelo menos igual a 3 volts, mas este valor não é limitante.

[0027] Ao contrário dos dispositivos de recuperação da técnica anterior, os meios que tornam possível gerar uma voltagem induzida que pode ser usada não consistem em um enrolamento de cobre externo que é enrolado helicoidalmente em torno do referido cabo ferromagnético, mas formam uma parte integrante do referido cabo ferromagnético 2. Assim, eles não penalizam nem o diâmetro externo nem a flexibilidade do cabo ferromagnético.

[0028] Em uma primeira modalidade variacional da invenção ilustrada na Figura 3, os meios 10 para gerar uma voltagem induzida U2 compreendem pelo menos um cordão unitário 11 produzido a partir de material eletricamente condutor que é eletricamente isolado e montado com os outros cordões unitários 20 de material ferromagnético para constituem o referido cabo ferromagnético 2. Neste caso, o cordão unitário condutor 11, que pode ser constituído por pelo menos um fio de cobre ou semelhante, constitui um enrolamento no qual a voltagem induzida U2 é gerada e compreende terminais de conexão em suas extremidades (não mostrados) tornando possível recuperar a referida voltagem induzida U2. Este cordão unitário condutor 11 pode substituir um dos outros cordões unitários 20 produzidos a partir de material ferromagnético, conforme ilustrado na Figura

3. Claramente, o número de cordões unitários condutores 11 pode ser maior do que um, e seu arranjo dentro do cabo ferromagnético 2 pode ser diferente, sendo a parte essencial que ele deve ser integrado durante a fabricação do referido cabo. O método para fabricação do referido cabo ferromagnético 2

9 / 18 pode corresponder ao descrito abaixo com referência à segunda modalidade variacional da invenção.

[0029] Em uma segunda modalidade variacional da invenção ilustrada nas outras figuras, os meios para gerar uma voltagem induzida U2 coincidem com o referido cabo ferromagnético 2. A corrente primária I1 que flui no condutor de potência 4 induz um fluxo magnético na montagem de cordões unitários 20 que constituem o cabo. Incidentalmente, foi descoberto que, em função da maneira como os cordões unitários 20 são enrolados uns em torno dos outros, cada cordão unitário 20 abrange uma certa fração da seção transversal total do cabo ferromagnético 2 e se comporta como um enrolamento em qual uma voltagem é induzida. Assim, todos os cordões unitários 20 formam um conjunto de enrolamentos conectados em paralelo por meio de terminais de conexão 6 providos nas extremidades do referido cabo ferromagnético 2 e entre os quais uma voltagem induzida U2 está presente.

[0030] Esta modalidade parece ir contra o bom senso, porque o especialista na técnica não é encorajado a usar materiais ferromagnéticos como condutores elétricos. Na verdade, os materiais ferromagnéticos são conhecidos como condutores de eletricidade mais pobres do que o cobre, são mais resistentes e geram perdas pelo efeito Joule.

[0031] No entanto, os testes mostraram que o nível de voltagem induzida U2 presente nas extremidades do cabo ferromagnético 2 pode ser suficiente para as aplicações previstas e que depende de vários parâmetros e, em particular, da maneira como os cordões unitários 20 são torcidos , no número de cordões unitários 20, na seção transversal total do cabo ferromagnético 2, no comprimento do passo de torção P1 dos cordões unitários 20 e no passo de enrolamento P2 do cabo ferromagnético 2 em torno do condutor de potência 4. Além disso, este nível de voltagem induzida U 2 é proporcional ao comprimento do cabo ferromagnético 2 e também depende da

10 / 18 escolha do material ferromagnético que constitui os cordões unitários 20. O Material Ferromagnético

[0032] Para algumas das condições de uso do referido dispositivo para recuperar energia 1 (rede doméstica, baixa carga de potência em um edifício, ou semelhante), a geração de um nível de voltagem induzida máxima U2 com a corrente primária I1 mais baixa possível no condutor de potência 4 é procurado, da ordem de alguns amperes (por exemplo 10 A). Para tanto, o material ferromagnético usado para os cordões unitários 20 deve ter uma alta permeabilidade magnética relativa, da ordem de alguns milhares. Ligas do tipo ferro-níquel com pelo menos 70% de níquel, e de um modo preferido 78% a 81% de níquel, são, portanto, preferidas.

[0033] Para outras condições de uso do referido dispositivo para recuperar energia 1 (indústria pesada, minas ou semelhantes), em que a corrente primária I1 no condutor de potência 4 está sempre em um nível alto, um mínimo de algumas dezenas de amperes, ele é possível usar um material ferromagnético com uma permeabilidade magnética relativa inferior, mas com uma indução de saturação mais alta (por exemplo, maior ou igual a 1,5 Tesla), como ligas do tipo ferro-níquel com no máximo 55% de níquel, e outro ferro à base de ligas. Na verdade, a corrente primária I1 é suficiente para saturar o material ferromagnético com uma permeabilidade inferior à da liga de ferro-níquel 80%, e a alta saturação do referido material tem o efeito de aumentar a voltagem induzida U2. A Estrutura do Cabo

[0034] O cabo ferromagnético 2 é constituído por uma pluralidade de cordões unitários 20 de diâmetro suficientemente pequeno para manter uma boa flexibilidade: tipicamente de alguns centésimos de milímetro a alguns milímetros, em particular de 0,10 mm a 0,40 mm, e de um modo preferido de 0,2 mm, sem que esses valores sejam limitantes. O número de cordões unitários 20 é ajustado de modo que obter uma seção transversal total de

11 / 18 material ferromagnético que é necessário para obter a desejada voltagem induzida U2. Estes cordões unitários 20 são torcidos juntos em um único fio trançado para pequenas seções de cabo (por exemplo, menos de 2mm2), ou em vários fios trançados intermediários 21 para os outros. Os cordões unitários 20 e os fios trançados intermediários 21 no mesmo cabo ferromagnético 2 devem necessariamente ser enrolados no mesmo sentido de rotação (sentido horário ou anti-horário), de modo que as voltagens induzidas não se cancelem.

[0035] Os cordões unitários 20 podem ser isolados uns dos outros. Não os isolar uns dos outros também é uma possibilidade. Neste último caso, eles estão em contato permanente entre si e podem, portanto, criar curtos- circuitos. Para evitar isso, o gradiente de voltagem deve ser zero em cada seção do cabo ferromagnético 2, qualquer que seja sua posição no condutor de potência 4. Nessas condições, não há diferença de potencial entre os cordões unitários 20 e nenhuma corrente pode fluir de um cordão unitário para outro.

[0036] Para obter este resultado, todos os cordões unitários 20 contidos em um cabo ferromagnético 2 devem ter a mesma forma, a fim de viajar ao longo do mesmo trajeto e abraçar a mesma seção ao longo do comprimento do cabo ferromagnético 2.

[0037] Os parâmetros de torção dos vários fios trançados intermediários 21, constituídos pelo passo de torção P1 e o número de cordões unitários 20, devem permitir satisfazer esta condição, respeitando, tanto quanto possível, as regras da técnica no que se refere ao fabricação de cabos trançados. O Número de Cordões

[0038] O objetivo pretendido é fabricar um cabo ferromagnético 2 composto pelo maior número de cordões unitários 20 com o menor número possível de fios trançados intermediários 21, a fim de manter a flexibilidade do cabo.

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[0039] Para garantir que todos os cordões unitários 20 têm a mesma forma, ou seja, estão todos enrolados ou torcidos de maneira idêntica, apenas combinações de dois, três ou quatro cordões unitários 20 são teoricamente possíveis. Para além de quatro cordões unitários 20, existe pelo menos um cordão unitário 20, nomeadamente aquele situado no centro, que se mantém direito ou que não descreve o mesmo trajeto que os outros. A combinação com quatro cordões só é adequada se os cordões unitários 20 estiverem corretamente dispostos em relação uns aos outros em um quadrado, mas é difícil ou mesmo impossível de industrializar. As combinações com dois ou três cordões unitários 20 são preferidas, e aquela com três cordões unitários 20 representa a combinação preferida. Esta regra teórica das três vertentes não tem que ser respeitada no contexto da fabricação industrial se os resultados obtidos permanecerem satisfatórios, como demonstrado a seguir.

[0040] Com referência mais particular à Figura 2, a fabricação de um cabo ferromagnético 2 com a combinação preferida requer pelo menos as duas etapas a seguir: - Primeira etapa: pegar três cordões unitários paralelos 20 e torcer os mesmos juntos em uma direção simbolizada pela seta R para formar um primeiro fio trançado intermediário 21, em seguida, repetir a mesma operação mais duas vezes para formar dois outros fios trançados intermediários 21, cada um obtido a partir de três cordões unitários 20, - Segunda etapa: torcer os três fios trançados intermediários 21 obtidos juntos na mesma direção simbolizada pela seta R para obter um fio trançado final que forma o referido cabo ferromagnético 2.

[0041] Naturalmente, este número de etapas não está limitado a dois, mas pode compreender N etapas até que o número desejado de cordões unitários 20 e a seção desejada do sistema magnético sejam obtidos. É dada preferência a um número de cordões unitários 20, que é um múltiplo de 3. Quanto maior o número de cordões unitários 20, maior será a área de

13 / 18 superfície para detectar o campo magnético induzido pela corrente primária I1 que passa através do condutor de potência 4 e maior será o nível da voltagem induzida U2.

[0042] Os testes mostraram que são necessários cerca de cem cordões unitários 20 com um diâmetro de 0,1 mm a 0,4 mm, de um modo preferido 0,2 mm, para obter uma seção do cabo ferromagnético 2, tornando possível atingir um nível suficiente de voltagem induzida U2. Essa descoberta envolveria a fabricação do cabo em quatro etapas para montar 3 × 3 × 3 × 4, ou seja, 108 cordões unitários 20, o que é difícil de conseguir industrialmente e é caro. Os testes também permitiram observar que os parâmetros dos últimos fios trançados intermediários 21 (os maiores) são os mais importantes. É, portanto, possível não cumprir a regra teórica de três pernas nos fios trançados intermediários 21 do nível 1. Por fim, os testes permitiram demonstrar que é possível aumentar o número de cordões unitários 20 para doze nos cordões intermediários 21 do nível 1. Além desse número de cordões, o nível de voltagem induzida U2 no cabo ferromagnético 2 diminui.

[0043] Para ilustrar as combinações possíveis, pode ser feita menção, a título de exemplo não limitativo, à seguinte modalidade industrial: - Primeira etapa: pegar doze cordões unitários paralelos 20 e torcer os mesmos juntos em uma direção de rotação para formar um primeiro fio trançado intermediário 21 do nível 1, em seguida, repetir a mesma operação oito vezes mais para formar outros oito fios trançados intermediários 21 do nível 1, cada um obtido a partir de doze cordões unitários 20, - Segunda etapa: torcer juntos três fios trançados intermediários 21 do nível 2 obtidos no mesmo sentido de rotação, em seguida, repetir a mesma operação mais duas vezes para formar dois outros fios trançados intermediários 21 do nível 2, cada um obtido a partir de três fios trançados intermediários 21 do nível 1, - Terceira etapa: torcer juntos os três fios trançados

14 / 18 intermediários 21 do nível 2 obtidos no mesmo sentido de rotação para obter um fio trançado final que forma o referido cabo ferromagnético 2 contendo cento e oito cordões unitários no total. O Passo de Torção

[0044] O parâmetro de torção que influencia significativamente o nível de voltagem induzida U2 é o passo P1 do fio trançado ou o passo de torção P1. Em um cabo ferromagnético 2 constituído por vários fios trançados intermediários 21, é necessário levar em consideração o passo P1 de cada fio trançado intermediário 21, representado esquematicamente na Figura 2. A redução do passo P1 aumenta o número de voltas por unidade de comprimento e, consequentemente, o número de voltas de enrolamento equivalentes. Este resultado tem o efeito de aumentar o nível de voltagem induzida U2. No entanto, o comprimento do passo P1 deve obedecer tanto quanto possível às regras da técnica no que se refere à fabricação dos cabos trançados, a fim de manter uma boa flexibilidade do cabo e evitar a deformação excessiva dos cordões e o risco de quebra. A título indicativo, as regras da técnica sugerem que o comprimento do passo, P1 min, não seja inferior a cinco vezes o diâmetro do cabo obtido após a torção (P1min ≥ 5 × Φ cabo acabado). No contexto da invenção e de forma a aumentar a voltagem induzida U2, serão selecionados parâmetros de torção que respeitem este limite inferior, ou mesmo que estejam abaixo deste limite inferior. Enrolando no Condutor de Potência

[0045] Os parâmetros para enrolar o cabo ferromagnético 2 em torno do condutor de potência 4 também influenciam a fase e o nível da voltagem induzida U2.

[0046] Se a direção de torção do cabo ferromagnético 2 for a mesma que a direção de enrolamento no condutor de potência 4, a voltagem induzida U2 estará em fase com a corrente primária I1. Se a direção de torção do cabo ferromagnético 2 for invertida em relação à direção de enrolamento no

15 / 18 condutor de potência 4, a voltagem induzida U2 estará em oposição de fase com a corrente primária I1.

[0047] Além disso, verificou-se que para um dado valor de corrente primária I1, a voltagem induzida U2 nas extremidades de um cabo ferromagnético 2 é ligeiramente mais alta, se a direção de torção do cabo ferromagnético 2 for a mesma que a direção de enrolamento no o condutor de potência 4, do que se as direções forem invertidas. Será dada preferência a uma direção de torção idêntica à direção de enrolamento.

[0048] Finalmente, quanto menor o passo do enrolamento P2 (Figura 1), maior será a voltagem induzida U2. Para condições de uso ou métodos de fabricação em que o cabo ferromagnético 2 é enrolado helicoidalmente em um condutor de potência de grande comprimento 4, o passo de enrolamento P2 não deve ser maior do que três vezes o diâmetro do condutor de potência 4 (P2 ≤ 3 × Φ4). O Comprimento do Cabo

[0049] A voltagem induzida U2 que está disponível nas extremidades do cabo ferromagnético 2 é proporcional ao comprimento deste cabo. Para obter uma voltagem U2 induzida suficiente, por exemplo uma voltagem igual a pelo menos 3 volts, vários metros de cabo serão necessários. A distância entre os terminais de conexão para recuperar esta voltagem induzida U2 será, portanto, também de vários metros, o que pode representar problemas de operação. Diferentes soluções foram estudadas para colocar os dois terminais de conexão 6 lado a lado.

[0050] A Figura 4 ilustra uma das soluções em que o dispositivo de recuperação 1 compreende dois cabos ferromagnéticos 2, 2’, um primeiro cabo formando um trajeto “direto” e um segundo cabo formando um trajeto “de retorno” no referido condutor de potência 4. A Figura 4 mostra dois dispositivos para recuperar energia independentes ou conectados em série 1 distribuídos ao longo do comprimento de um condutor de potência 4 de

16 / 18 grande comprimento. Nesta solução, os dois cabos ferromagnéticos 2, 2’ do mesmo dispositivo de recuperação 1 são idênticos, que devem ser absolutamente torcidos em direções opostas, são conectados em série por uma ponte 7 e são enrolados em paralelo no condutor de potência 4. As extremidades livres desses dois cabos ferromagnéticos 2, 2’, cada um compreendendo um terminal de conexão 6, encontram-se no mesmo lado do dispositivo de recuperação 1 e podem, assim, ser facilmente conectadas para autopotencialização de um dispositivo elétrico ou para medir e/ou para detectar corrente. A ligação em série destes dois cabos ferromagnéticos 2, 2’ permite adicionar as voltagens induzidas U2. Assim, e conforme ilustrado na Figura 5, a voltagem total recuperada entre os terminais de conexão 6 corresponde a duas vezes o valor da voltagem induzida U2 em um único cabo ferromagnético 2.

[0051] Outra solução (não mostrada) consiste em substituir o segundo cabo ferromagnético 2’ por pelo menos um cordão unitário ou fio de material eletricamente condutor para fazer o trajeto de “retorno”. Neste caso e como no exemplo anterior, o cabo ferromagnético 2 e o fio de retorno são conectados em série e são enrolados no condutor de potência 4 em paralelo. As respectivas extremidades livres do cabo ferromagnético 2 e do fio de retorno compreendem, cada uma, um terminal de conexão que se encontra no mesmo lado do dispositivo de recuperação 1.

[0052] Na modalidade variacional da invenção em que os cordões unitários 20 não são isolados individualmente, todos esses cordões estão com o mesmo potencial em um determinado ponto. Os terminais de conexão 6 devem permitir conectá-los todos juntos a um condutor para autopotencialização de um sistema elétrico ou para detecção de corrente. Será possível usar terminais de conexão 6 na forma de mangas tubulares crimpadas em um lado nas extremidades do cabo ferromagnético 2 para prender os cordões unitários 20 um contra o outro e, assim, prover os contatos elétricos e

17 / 18 a resistência mecânica dos fios trançados intermediários 21, e do outro lado sobre os fios condutores 8 garantindo a conexão elétrica com o dispositivo elétrico a ser provido. Todos os cordões unitários 20 são assim colocados em paralelo de modo que constitua um condutor com uma grande secção transversal. Esta solução é rápida, simples e econômica. Pode ser estendido para a produção da ponte 7 para colocar os cabos ferromagnéticos 2, 2’ (ver Figura 4) em série. Naturalmente, qualquer outro tipo de terminal de conexão que cumpra as mesmas funções é possível.

[0053] O dispositivo de recuperação 1 descrito acima pode ser fixado ao condutor de potência 4 por qualquer meio técnico conhecido e adequado, como por adesão, ligação, crimpagem, etc., ou de fato adicionando uma bainha protetora termoencolhível ou semelhante.

[0054] É claro a partir desta descrição que a invenção torna possível atingir os objetivos definidos, ou seja, uma nova geração de dispositivos para recuperar energia de alto desempenho, versáteis e baratos, sem enrolamento secundário externo, em virtude de um cabo ferromagnético 2 tendo uma construção que lhe permite desempenhar uma função dupla: a de núcleo magnético e a de enrolamento secundário. Assim, a invenção oferece uma solução de autopotencialização para qualquer dispositivo elétrico a um custo mais baixo, mas também uma solução de detecção alternativa aos sensores de corrente convencionais.

[0055] Na verdade, o valor para a voltagem induzida U2 nas extremidades do cabo ferromagnético 2 é uma imagem mais ou menos precisa da corrente primária I1 que flui no condutor de potência 4 no qual este cabo é enrolado helicoidalmente. Portanto, é possível usar este dispositivo de recuperação 1 para fazer sensores de corrente, permitindo que a corrente primária I1 seja medida ou que correntes de fuga sejam detectadas.

[0056] A presente invenção não está claramente limitada às modalidades exemplares aqui descritas, mas abrange todas as alterações e

18 / 18 alternativas que são claras para um especialista na técnica.

Em particular, os parâmetros de construção para o cabo ferromagnético 2 podem variar em função das aplicações pretendidas.

Claims (26)

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo (1) para recuperar energia elétrica, compreendendo pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’) que é enrolado helicoidalmente em torno de pelo menos uma porção (3) de um condutor de potência (4) a fim de formar um sistema magnético que é capaz de sensorear o campo magnético induzido por uma corrente (I1) que passa através do referido condutor de potência (4), e meios para gerar uma voltagem induzida (U2) a partir deste campo magnético que pode ser usado, caracterizado pelo fato de que o referido pelo menos um o cabo ferromagnético (2, 2’) é constituído por um conjunto de cordões unitários (20) produzido a partir de material ferromagnético, montado na forma de um fio trançado e disposto para prover ao referido cabo ferromagnético (2, 2’) flexibilidade em todas as direções, permitindo que ele seja enrolado em torno do referido condutor de potência (4) qualquer que seja o diâmetro do referido condutor de potência, e em que os referidos meios para gerar uma voltagem induzida (U2) formem uma parte integrante do referido pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’).

2. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos meios (10) para gerar uma voltagem induzida (U2) compreendem pelo menos um cordão unitário (11) produzido a partir de material eletricamente condutor montado com os referidos cordões unitários (20) de material ferromagnético, a fim de constituir o referido pelo menos um cabo ferromagnético (2), e em que o referido pelo menos um cordão unitário eletricamente condutor (11) constitui um enrolamento no qual a referida voltagem induzida (U2) é gerada e compreende terminais de conexão em suas extremidades, tornando possível recuperar a referida voltagem induzida.

3. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos meios para gerar uma voltagem induzida (U2) coincidem com o referido pelo menos um cabo ferromagnético

(2, 2’), em que cada cordão unitário (20) de material ferromagnético se comporta como um enrolamento no qual a referida voltagem induzida (U2) é gerada, e em que os referidos cordões unitários (20) formam um conjunto de enrolamentos conectados em paralelo por meio de terminais de conexão (6) fixados às extremidades do referido pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’), possibilitando a recuperação da referida voltagem induzida.

4. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que os referidos cordões unitários (20) são montados em fios trançados intermediários (21), e em que os referidos fios trançados intermediários (21) são montados em um fio trançado final (22) que constitui o referido pelo menos um cabo ferromagnético (2).

5. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os ditos cordões unitários (20) e os ditos fios trançados intermediários (21) são torcidos no mesmo sentido de rotação.

6. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o número total de cordões unitários (20) que constituem o referido pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’) é um múltiplo de três.

7. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o diâmetro dos cordões unitários (20) é inferior a um milímetro, de um modo preferido inferior a 0,5 mm.

8. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material ferromagnético dos ditos cordões unitários (20) é um material com alta permeabilidade magnética relativa selecionado a partir de ligas de ferro-níquel com pelo menos 70% de níquel e, de um modo preferido, 78% a 81% de níquel.

9. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material ferromagnético dos ditos cordões unitários (20) é um material com uma permeabilidade magnética relativa mais pobre, mas com uma saturação de indução maior ou igual a 1,5 Tesla, selecionado a partir de ligas de ferro-níquel com no máximo 55% de níquel e ligas à base de ferro.

10. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos cordões unitários (20) são eletricamente isolados uns dos outros.

11. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos cordões unitários (20) não são eletricamente isolados uns dos outros.

12. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que todos os cordões unitários (20) contidos no referido pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’) têm a mesma forma e percorrem o mesmo trajeto de modo que abranjam a mesma seção do referido cabo ferromagnético (2, 2’), de modo que eles estejam todos no mesmo potencial e nenhuma corrente flua de um cordão unitário para o outro.

13. Dispositivo para recuperar acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que os referidos terminais de conexão (6) são crimpados nas extremidades do referido cabo ferromagnético (2) a fim de conectar todos os cordões unitários (20, 11) em paralelo.

14. Método para fabricar um dispositivo para recuperar energia elétrica (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, o referido dispositivo compreende pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’), disposto para ser enrolado helicoidalmente em torno de pelo menos uma porção (3) de um condutor de potência (4) e formar um dispositivo magnético que é capaz de detectar o campo magnético induzido por uma corrente (I1) que passa através do referido condutor de potência (4) e meios para gerar uma voltagem induzida utilizável (U2) a partir de este campo magnético, caracterizado pelo fato de que o referido pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’) é fabricado a partir de um conjunto de cordões unitários (20) de material ferromagnético por um método de torção para montar os referidos cordões unitários (20) juntos na forma de um fio trançado, e em que os referidos meios para gerar uma voltagem induzida (U2) são integrados no referido pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’) durante a sua fabricação.

15. Método para fabricar acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que pelo menos um cordão unitário (11) de material eletricamente condutor é usado como meio (10) para gerar uma voltagem induzida (U2), montado pelo referido método de torção com o referido cordões unitários (20) produzidos a partir de material ferromagnético, a fim de constituir o referido pelo menos um cabo ferromagnético (2), de uma maneira tal que o referido pelo menos um cordão unitário eletricamente condutor (11) constitua um enrolamento no qual a referida voltagem induzida (U2) é induzida, e em que as extremidades do referido pelo menos um cordão unitário (11) são equipadas com terminais de conexão que permitem que a referida voltagem induzida seja recuperada.

16. Método para fabricar acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o referido pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’) per se é usado como meio para gerar uma voltagem induzida (U2), de uma maneira tal que cada cordão unitário (20) de material ferromagnético se comporta como um enrolamento no qual a referida voltagem induzida (U2) é induzida, e em que todos os referidos cordões unitários (20) formando um conjunto de enrolamentos são conectados em paralelo por meio de terminais de conexão (6) adicionados às extremidades do referido pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’), tornando possível recuperar a referida voltagem induzida.

17. Método para fabricar acordo com a reivindicação 15 ou 16, caracterizado pelo fato de que os referidos cordões unitários (20) são montados por meio do referido método de torção, a fim de formar fios trançados intermediários (21), e em que os referidos fios trançados intermediários (21) são montados pelo referido método de torção a fim de formar um fio trançado final (22) correspondendo ao referido pelo menos um cabo ferromagnético (2).

18. Método para fabricar acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que os ditos cordões unitários (20) e os ditos fios trançados intermediários (21) são torcidos na mesma direção de rotação.

19. Método para fabricar acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que um número total de cordões unitários (20) que é um múltiplo de três é usado para fabricação do referido pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’).

20. Método para fabricar acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que são selecionados fios unitários finos (20) com um diâmetro inferior a um milímetro, e de um modo preferido inferior a 0,5 mm.

21. Método para fabricar acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que são usados cordões unitários (20) que são constituídos por um material com alta permeabilidade magnética relativa selecionado a partir de ligas de ferro-níquel com pelo menos 70% de níquel e, de um modo preferido, 78% a 81% de níquel.

22. Método para fabricar acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que são usados cordões unitários (20) que são constituídos por um material com uma permeabilidade magnética relativa inferior, mas com uma saturação de indução maior ou igual a 1,5 Tesla, selecionado a partir de ligas de ferro-níquel com no máximo 55% de níquel e ligas à base de ferro.

23. Método para fabricar acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que são usados cordões unitários (20) que são eletricamente isolados uns dos outros.

24. Método para fabricar acordo com a reivindicação 14,

caracterizado pelo fato de que são usados cordões unitários não revestidos (20) que não são eletricamente isolados uns dos outros.

25. Método para fabricar acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que, no método de torção, os cordões unitários (20) são posicionados um em relação ao outro de modo que todos os cordões unitários (20) contidos no referido pelo menos um cabo ferromagnético (2, 2’) tenham a mesma forma e percorram o mesmo trajeto de modo que abranjam a mesma seção do referido cabo ferromagnético (2, 2’), de modo que todos eles estejam com o mesmo potencial e de modo que nenhuma corrente flua de um cordão unitária para o outro.

26. Método para fabricar acordo com a reivindicação 15 ou 16, caracterizado pelo fato de que os referidos terminais de conexão (6) são crimpados diretamente nas extremidades do referido cabo ferromagnético (2) a fim de conectar todos os cordões unitários (20, 11) em paralelo.