ES2862550T3 - Dispositivo de inducción electromagnética - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de inducción electromagnética (1) que comprende un circuito magnético cerrado (2) sin entrehierro, del cual al menos una primera parte (11) es sustancialmente rectilínea y está rodeada por un manguito (3) del dispositivo, estando dicho manguito (3) rodeado por un conductor eléctrico (4) del dispositivo, comprendiendo el conductor eléctrico (4) al menos una lámina metálica aislada eléctricamente en al menos una de sus caras, en el que : - al menos dicha o cada dicha primera parte (11) de dicho circuito magnético (2) tiene una sección de forma circular; - dicho circuito magnético (2) está formado por una pluralidad de capas de material magnético separadas por un aislamiento eléctrico, y al menos un dicho manguito (3) tiene una cara interior (7) cuya forma en sección es circular y coincide con la forma de dicho circuito magnético (2), y una cara exterior (8) que tiene partes curvas (19) y partes planas (20), el dispositivo de inducción que comprende un intercambiador de calor local (15) en contacto con dicho circuito magnético (2) fuera de dicha primera parte o partes (11), dicho intercambiador de calor local (15) que tiene al menos una superficie que coincide con la forma de dicho circuito magnético (2) y al menos una superficie plana (22), siendo una sección de dicho circuito magnético (2) de forma circular a lo largo del contacto con dicho intercambiador de calor local (15).

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de inducción electromagnética
La presente invención se refiere al campo de inductores electromagnéticos y transformadores eléctricos. Este tipo de dispositivo se utiliza, por ejemplo, para hacer un filtro en la salida de un convertidor de corriente eléctrica alterna/continua. Estos inductores permiten reducir las variaciones residuales de corriente y/o voltaje a la salida de dicho convertidor. Este tipo de inductor electromagnético, conocido como bobina, también puede ser usado para hacer un transformador. En este caso, es necesario acoplar varias bobinas enrolladas alrededor del mismo circuito magnético. En el campo aeronáutico, la masa y el ruido de los componentes de a bordo son parámetros importantes que se busca reducir. Para ello se pueden utilizar conductores eléctricos de aluminio, más ligeros que el cobre, para un uso del componente eléctrico a una potencia determinada. La ductilidad del aluminio es mucho menor que la del cobre. Como resultado, el papel de aluminio se utiliza a menudo en forma de láminas, que se enrollan en bobinas.
Las bobinas se enrollan alrededor de circuitos magnéticos cerrados para guiar mejor el flujo magnético. Se utilizan comúnmente circuitos magnéticos de dos partes. La o las bobina(s) se hace(n) fuera del circuito magnético y se coloca(n) en él. Una vez hecho esto, las dos partes del circuito magnético se ensamblan para cerrar el circuito. La unión entre las dos partes forma un entrehierro. Es difícil hacer que las dos superficies que forman el entrehierro sean estrictamente paralelas: queda una brecha local entre las dos partes, que es difícil de eliminar. Las superficies de las dos partes destinadas a entrar en contacto pueden ser rectificadas para mejorar el acabado de la superficie en la unión. También el circuito magnético puede cerrarse envolviendo una banda alrededor de él. La fuerza de la banda ayuda a reducir aún más el entrehierro.
Sin embargo, la corriente eléctrica que fluye por las bobinas puede generar vibraciones mecánicas en el dispositivo. Estas vibraciones tienden a separar las dos partes del circuito magnético para reformar un entrehierro. Las vibraciones también pueden tender a aflojar la sujeción mecánica de las diferentes partes del circuito magnético, lo que tiende a permitir que la amplitud de las vibraciones aumente a lo largo de la vida de la bobina. Al mismo tiempo, el dispositivo de inducción se calienta durante su uso. La diferencia de temperatura del dispositivo de inducción entre el uso y el descanso puede llevar a una dilatación del circuito magnético y a la formación de un hueco en el entrehierro.
Además, las vibraciones descritas anteriormente también tienden a generar ruido que puede ser molesto. Por ejemplo, los fabricantes están imponiendo niveles de contaminación acústica cada vez más bajos en la industria aeronáutica. Para superar este problema, hay dispositivos de inducción electromagnética y transformadores cuyo circuito magnético no tiene un entrehierro. La bobina conductora eléctrica debe ser enrollada alrededor del circuito magnético: un dispositivo para ello se describe en la patente FR 2939559. Este dispositivo utiliza un manguito, también llamada canalón, con una sección interna circular, ensamblada a partir de dos partes alrededor del circuito magnético. El conductor eléctrico se fija primero a este manguito. Un medio de accionamiento hace entonces girar este manguito, a través de un medio de acoplamiento del manguito. La lámina o láminas de conductor eléctrico se envuelven alrededor del manguito.
Otro problema técnico conocido de los dispositivos de inducción es la aparición de corrientes de Foucault en el circuito magnético, lo que resulta en una pérdida de energía debido a la resistencia eléctrica del material magnético, si el material es un conductor eléctrico. Este problema se resuelve típicamente fabricando un circuito magnético laminado en capas: chapas planas de material magnético, aisladas eléctricamente unas de otras por un material eléctricamente aislante, como el barniz o ciertos tipos de pegamento, se superponen unas a otras. Esta superposición también se puede lograr enrollando una chapa. Cada capa del devanado está separada por un material eléctricamente aislante. El material magnético utilizado en el circuito magnético es a menudo un material magnético blando, para evitar pérdidas de energía debido a la histéresis cuando se imponen flujos magnéticos variables. El circuito resultante permite limitar la aparición de corrientes de Foucault, pero la sección del circuito magnético resultante, utilizando este método de fabricación, es rectangular.
La diferencia de forma entre la sección circular del manguito y la sección rectangular del circuito magnético limita la eficiencia del acoplamiento energético entre la bobina y el circuito magnético y conduce a pérdidas cuando se utiliza el transformador.
Otra limitación del dispositivo está relacionada con las pérdidas por efecto Joule. Pueden hacer que el dispositivo alcance altas temperaturas (típicamente por encima de los 100°C) y así limitar su uso. Para reducir la temperatura de los dispositivos de inducción electromagnética se utilizan generalmente diferentes medios de refrigeración: por contacto líquido o por contacto sólido con un tanque de refrigeración.
Los documentos US 4.060.783, CN 102945734 A, US 3.894.270 describen otros dispositivos de inducción electromagnética.
La invención tiene por objeto superar al menos una de las desventajas del estado de la técnica antes mencionadas.
Un objeto de la invención para lograr este propósito es un dispositivo de inducción electromagnética que comprende un circuito magnético cerrado, sin entrehierro, al menos una primera parte del cual es sustancialmente rectilínea y rodeada por un manguito del dispositivo, estando dicho manguito rodeado por un conductor eléctrico del dispositivo, el conductor eléctrico comprende al menos una lámina metálica aislada eléctricamente en al menos una de sus caras, donde al menos dicha o cada dicha primera parte de dicho circuito magnético tiene una sección circular, dicho circuito magnético está formado por una pluralidad de capas superpuestas de material magnético separadas por un aislante eléctrico, y al menos uno dicho manguito tiene una cara interior cuya forma en sección es circular y coincide con la forma de dicho circuito magnético, y una cara exterior que comprende partes curvas y partes planas, el dispositivo de inducción que comprende un intercambiador de calor local en contacto con el circuito magnético aparte de dicha primera parte o partes, comprendiendo dicho intercambiador de calor local al menos una superficie que coincido con la forma de dicho circuito magnético y al menos una superficie plana, estando una sección de dicho circuito magnético de forma circular a lo largo del contacto con dicho intercambiador de calor local.
Ventajosamente, dicho circuito magnético comprende al menos una segunda parte que tiene al menos una superficie plana.
Ventajosamente, varias superficies escogidas de al menos una de dichas superficies planas de dicho circuito magnético y al menos una de dichas superficies planas de dicho(s) intercambiador(es) de calor local(es) son coplanarias y adaptadas para ser puestas en contacto con al menos un intercambiador de calor plano.
Ventajosamente, dicho circuito magnético comprende al menos una lámina de material magnético aislada eléctricamente en al menos una de sus caras y enrollada en al menos un elemento elegido de al menos otra de dicha lámina de material magnético y de ella misma.
Ventajosamente, cada dicho manguito comprende varias partes adaptadas a cooperar para rodear dicho circuito magnético.
Ventajosamente, al menos un dicho manguito tiene al menos un medio de acoplamiento adaptado para transmitir un accionamiento para permitir la rotación de cada dicho manguito sobre cada dicho eje longitudinal de cada dicha primera parte, para enrollar y almacenar al menos un dicho conductor eléctrico de lámina alrededor de cada dicho manguito. Ventajosamente, dicho dispositivo de inducción electromagnética comprende dos conductores eléctricos planos en contacto eléctrico con dicho conductor eléctrico y dispuestos de tal manera que forman los terminales de dicho conductor eléctrico.
La invención será mejor comprendida y otras ventajas, detalles y características de la invención aparecerán en la siguiente descripción explicativa, realizada a título de ejemplo en referencia a los dibujos anexos en los que:
• La figura 1 es una vista esquemática en perspectiva de un dispositivo de inducción electromagnética,
• La figura 2 es una vista esquemática en perspectiva de un circuito magnético y un intercambiador de calor plano,
• La figura 3 es una vista esquemática en perspectiva de parte del circuito magnético y un intercambiador de calor local,
• La figura 4 es una vista esquemática en perspectiva de un manguito por un lado y una parte de un manguito por el otro,
• La figura 5 es una vista esquemática en perspectiva de una parte del circuito magnético, un manguito y un conductor eléctrico,
• La figura 6 es una vista esquemática en perspectiva de los detalles de una parte del dispositivo de inducción electromagnética,
• La figura 7 es una vista esquemática de la parte superior de dos bobinas de material magnético.
En la siguiente descripción se presentan varios ejemplos de realización del dispositivo de la invención: estos ejemplos no son limitativos del ámbito de la invención. Estos ejemplos de realización presentan tanto las características esenciales de la invención como las características adicionales relacionadas con los modos de realización considerados. Para mayor claridad, los mismos elementos llevarán las mismas marcas en las distintas figuras.
La figura 1 muestra una vista esquemática en perspectiva de un dispositivo de inducción electromagnética 1. El circuito magnético 2 está cerrado y sin entrehierro. En esta particular realización, que ilustra algunas imposiciones de un dispositivo según la invención, tiene una sección de forma circular a lo largo del conjunto del circuito 2. Está rodeado por un manguito 3 en una parte rectilínea del circuito magnético, llamada primera parte 11. El manguito 3, en una realización particular de la invención, puede estar hecho de un material aislante, por ejemplo mediante el proceso de aislamiento compacto al vacío (“Compact Vacuum Insulatiorí’, US 5157893 A). El circuito magnético 2 tiene al menos una parte rectilínea, o al menos una parte que puede ser comparada con una parte rectilínea delante de la longitud del manguito 3.
Un conductor eléctrico 4 de lámina se enrolla alrededor del manguito 3. En una realización particular de la invención, la lámina puede estar hecha de aluminio. La lámina debe estar aislada eléctricamente en al menos una de sus caras para mantener las propiedades de una bobina electromagnética. En una realización particular de la invención, se utiliza la oxidación de la superficie del conductor eléctrico 4, el barniz o la cola, o una mezcla de barniz y cola para aislar eléctricamente las superposiciones de la lámina del conductor eléctrico 4.
La figura 2 muestra una vista esquemática en perspectiva de un circuito magnético 2 y un intercambiador de calor plano 14. El circuito magnético 2 que se muestra en esta realización particular tiene varias partes distintas: las primeras partes 11, previamente definidas, y las partes que tienen cada una al menos una superficie plana de dicho circuito magnético 13, denominadas segundas partes 12. En una realización particular, algunas de estas superficies planas pueden ser coplanarias y estar adaptadas para ser puestas en contacto con un intercambiador de calor plano 14. Esta configuración permite controlar o limitar la temperatura del dispositivo durante el uso a alta potencia. En el ejemplo de la figura 2, las dos superficies planas 13 son coplanarias y aptas para el contacto con un intercambiador de calor plano 14. En aras de la claridad de la representación, el intercambiador de calor plano 14 se pone en contacto con otras dos superficies planas 13, que son coplanarias y no están referenciadas en la figura.
La figura 3 es una vista esquemática en perspectiva de parte del circuito magnético 2 y un intercambiador de calor local 15, también llamado cuna. El intercambiador de calor local 15 está en contacto con una porción del circuito magnético 2 distinta de la primera parte 11. El intercambiador de calor local 15 tiene una cara que se ajusta a la forma del circuito magnético 2 para maximizar el área de contacto y así promover la transferencia de calor, para una forma dada del circuito magnético 2. Además, el intercambiador de calor local 15 tiene al menos una superficie plana 22. En la figura 3, el intercambiador de calor local 15 tiene una pluralidad de superficies planas 22, una de las cuales coincide con una superficie plana 13. En la realización particular de la invención que se muestra en la figura 3, la porción del circuito magnético 2 tiene una sección de forma circular a lo largo del contacto con el intercambiador de calor local 15.
El panel "A" de la Figura 4 muestra una vista esquemática en perspectiva de un manguito 3. El panel "B" de la figura 4 muestra parte de un manguito 6. En esta particular realización de la invención, el manguito 3 que se muestra está compuesto por dos partes de manguito 6. Una parte de manguito 6 sola no puede rodear el circuito magnético 2. Por el contrario, es posible unir solidariamente diferentes partes del manguito 6, en cooperación, para encerrar el circuito magnético 2 y formar un manguito 3. Esa cooperación se muestra en la figura 4.
La figura 4 también muestra los medios de enganche de los manguitos 3, que pueden ser, dependiendo de la ejecución de los agujeros, muescas, protuberancias, espigas o envolturas. Estos medios de enganche 17 son útiles durante la fabricación del dispositivo 1. Una vez que se cuelga una lámina metálica conductora en el exterior del manguito 3, se puede insertar una varilla en cada medio de enganche 17 y luego transmitir un par motor que permita una rotación del manguito 3 alrededor del eje longitudinal de una primera parte 11 del circuito magnético 2. Esta rotación permite que la lámina metálica se enrolle alrededor del manguito 3 y así formar un devanado del conductor eléctrico 4 alrededor del circuito magnético 2.
La figura 4 muestra un manguito con una sección circular en la cara interior 7. Este atributo es esencial para poder efectuar la rotación del manguito 3 alrededor del circuito magnético 2 a lo largo del eje longitudinal de una primera parte 11 durante la fabricación del dispositivo. Por el contrario, la cara exterior 8, es decir, la cara lateral del manguito, tiene una parte curva 19 y una parte plana 20. La cara exterior 8 también puede definirse como una cara axial: esto es, una superficie que puede definirse por un conjunto de líneas rectas paralelas al eje principal del manguito. En la cara exterior 8, la fabricación del dispositivo requiere la ausencia de un ángulo excesivamente agudo que pueda inducir la ruptura o el desgarro de la lámina conductora eléctrica 4 cuando se envuelve alrededor del manguito 3. La alternancia presentada en la figura 4 entre la parte curva 19 y la parte plana 20 permite superar este problema manteniendo una parte plana 20, útil para las conexiones eléctricas del dispositivo 1. La parte plana 8 del manguito conduce, durante el bobinado, a la disposición de una parte plana de una lámina de metal que rodea el manguito 3, situada en la parte plana 8. De esta manera se puede lograr un contacto plano entre la lámina metalizada y otro elemento, permitiendo por ejemplo una transferencia de calor del dispositivo de inducción electromagnética a este elemento. Esta característica puede permitir la refrigeración del dispositivo de inducción electromagnética.
La figura 5 es una vista esquemática en perspectiva de una parte del circuito magnético 2, un manguito 3 y un conductor eléctrico 4. Muestra el conductor eléctrico 4 en forma de lámina envuelta alrededor del manguito 3, que a su vez está envuelto alrededor de una primera parte 11 del circuito magnético 2 de sección circular. La presencia de una parte curvada 19 y una parte plana 20 en la cara exterior del manguito 8 repercute en la forma del devanado: la figura 5 muestra un devanado del conductor eléctrico 4, cuya parte exterior también tiene una parte curvada y una parte plana. Este atributo también es útil para las conexiones eléctricas del dispositivo 1.
La figura 6 es una vista esquemática en perspectiva de los detalles de una primera parte 11 del dispositivo de inducción electromagnética 1. En una realización particular de la invención, dos conductores eléctricos planos 16 están en contacto mecánico y eléctrico con el conductor eléctrico 4 enrollado alrededor del canalón. Estos dos conductores eléctricos planos 16 están dispuestos de manera que forman los terminales del conductor eléctrico 4. En la parte A de la figura 6, el conductor eléctrico plano 16 está en contacto con el conductor eléctrico 4 al principio del devanado. En la parte B, el conductor eléctrico plano 16 está en contacto con el conductor eléctrico 4 en el extremo del bobinado.
En esta realización particular de la invención, los conductores eléctricos planos 16 pueden ser colocados en la parte plana 20 de la cara externa 8 del manguito 3, y/o en las correspondientes partes planas del devanado del conductor eléctrico 4. Esta característica permite poder doblar los conductores eléctricos planos 16. El doblado de los conductores permite facilitar la conexión eléctrica con el exterior del dispositivo 1.
La figura 7 es una vista superior esquemática de dos bobinados de material magnético 21. La parte A de la figura 7 describe un solo bobinado 21 de material magnético: una sola lámina de material magnético 18 está enrollada sobre sí misma. Esta lámina 18 está cubierta al menos en una de sus caras con aislamiento eléctrico. En las realizaciones particulares de la invención, este aislante puede ser un barniz, un pegamento o ambos.
Esta configuración aporta dos ventajas claras al dispositivo. Por un lado, el circuito magnético 2 formado por el bobinado único 21 forma una sucesión de capas entre el material magnético y el aislamiento eléctrico. Esta configuración permite evitar la aparición de corrientes de Foucault laminando el circuito magnético 2. Estas corrientes, cuando existen, causan pérdidas de energía relacionadas con la resistividad eléctrica del material magnético. Por otro lado, este tipo de bobinado permite crear un circuito magnético de sección redonda. De hecho, al partir de una lámina de material magnético 18 de ancho variable, el ancho de esta lámina 18 puede, para un punto fijo del circuito magnético 2 y en cada vuelta del bobinado, aumentar o disminuir significativamente. Esta anchura no es visible en la figura 7 porque la representación esquemática se ve desde arriba. Por consiguiente, partiendo de una lámina cuya forma general es un rombo, se puede hacer un circuito magnético 2 con una sección circular. Con este método, cuanto mayor sea el número de vueltas en la bobina 21, más exactamente la forma de la sección puede acercarse a un círculo. Para mayor claridad de la explicación, las vueltas 21 en la figura 7 son poco numerosas. En una realización particular de la invención, el número de vueltas puede ser entre 20 y 600.
La parte B de la figura 7 muestra una bobina 21 de varias láminas de material magnético 18 para la fabricación del circuito magnético 2. Una primera lámina de material magnético 18 está enrollada alrededor de dos láminas de material magnético 18, enrolladas sobre sí mismas. Esta configuración permite multiplicar las ramas del circuito magnético 2 para aplicaciones como la selección de la relación de voltaje en un transformador. En este caso, una bobina 21 puede estar hecha de varias láminas de material magnético 18, cuyo ancho va aumentando para cada una de las láminas 18.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de inducción electromagnética (1) que comprende un circuito magnético cerrado (2) sin entrehierro, del cual al menos una primera parte (11) es sustancialmente rectilínea y está rodeada por un manguito (3) del dispositivo, estando dicho manguito (3) rodeado por un conductor eléctrico (4) del dispositivo, comprendiendo el conductor eléctrico (4) al menos una lámina metálica aislada eléctricamente en al menos una de sus caras, en el que :
- al menos dicha o cada dicha primera parte (11) de dicho circuito magnético (2) tiene una sección de forma circular;
- dicho circuito magnético (2) está formado por una pluralidad de capas de material magnético separadas por un aislamiento eléctrico, y
al menos un dicho manguito (3) tiene una cara interior (7) cuya forma en sección es circular y coincide con la forma de dicho circuito magnético (2), y una cara exterior (8) que tiene partes curvas (19) y partes planas (20),
el dispositivo de inducción que comprende un intercambiador de calor local (15) en contacto con dicho circuito magnético (2) fuera de dicha primera parte o partes (11), dicho intercambiador de calor local (15) que tiene al menos una superficie que coincide con la forma de dicho circuito magnético (2) y al menos una superficie plana (22), siendo una sección de dicho circuito magnético (2) de forma circular a lo largo del contacto con dicho intercambiador de calor local (15).
2. Dispositivo de inducción electromagnética (1) según la reivindicación precedente, en el que al menos un dicho manguito (3) tiene un eje principal, una cara interior (7) cuya en sección es circular y coincide con la forma de dicho circuito magnético (2), y una cara exterior (8) definida por un conjunto de líneas rectas paralelas a dicho eje principal, que comprende partes curvas (19) y partes planas (20).
3. Dispositivo de inducción electromagnética (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho circuito magnético (2) comprende al menos una segunda parte (12) que tiene al menos una superficie plana (13).
4. Dispositivo de inducción electromagnética (1) según la reivindicación 3, en el que varias superficies seleccionadas de al menos una de dichas superficies planas de dicho circuito magnético (13) y al menos una de dichas superficies planas de dicho intercambiador de calor local (22) son coplanarias y adaptadas para ser puestas en contacto con al menos un intercambiador de calor plano (14).
5. Dispositivo de inducción electromagnética (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho circuito magnético (2) comprende al menos una lámina de material magnético (18) aislada eléctricamente en al menos una de sus caras y enrollada en al menos un elemento elegido entre al menos otra lámina de material magnético (18) y ella misma.
6. Dispositivo de inducción electromagnética (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en el que cada manguito (3) comprende varias partes (6) adaptadas para cooperar a rodear dicho circuito magnético (2).
7. Dispositivo de inducción electromagnética (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos un dicho manguito (3) comprende al menos un medio de enganche (17) adaptado para transmitir un accionamiento que permite la rotación de cada dicho manguito (3) sobre cada dicho eje longitudinal de cada dicha primera parte (11), con el fin de enrollar y almacenar al menos un dicho conductor eléctrico (4) en forma de lámina alrededor de cada dicho manguito (3).
8. Dispositivo de inducción electromagnética (1) según una de las reivindicaciones precedentes, que comprende dos conductores eléctricos planos (16) en contacto eléctrico con un dicho conductor eléctrico (4) y dispuestos de manera que forman los terminales de dicho conductor eléctrico (4).
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