ES2915837T3 - Circuito de inductancia que integra una función de gestión térmica pasiva - Google Patents
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Abstract
Circuito de inductancia que comprende: a) un núcleo (20) hecho de un material magnético, de una sola pieza, de tamaño V volumétrico, que comprende un marco (21), y una barra (30) dispuesta en el centro del marco (21) de manera que forme dos bucles magnéticos rectangulares, simétricos con respecto a la barra (30), contiguos al nivel de un plano de simetría de la barra (30), y de longitud I magnética efectiva, las partes rectas del marco (21) presentan una sección transversal de superficie A, y la barra (30) presenta una sección 2A transversal el doble de la sección A transversal, b) una bobina (40) que comprende un número de N espiras destinadas para generar una inducción magnética en la barra (30), c) aletas (50) expuestas al ambiente exterior y destinadas para disipar el calor, siendo las aletas hechas del mismo material magnético que el núcleo, siendo el circuito de inductancia caracterizado porque las aletas (50) están comprendidas, al menos en parte, en al menos una zona (24a, 24b) volumétrica del marco (21), dispuesta en la prolongación de al menos un extremo de la barra (30).
Description
DESCRIPCIÓN
Circuito de inductancia que integra una función de gestión térmica pasiva
Campo técnico y técnica anterior
La invención se refiere a un circuito de inductancia que comprende un núcleo de una sola pieza que integra una función de gestión térmica pasiva.
La Figura 1 representa un circuito de inductancia conocido del estado de la técnica y descrito en la patente US 7,920,039 B2 que comprende:
a) un núcleo 1 hecho de un material magnético, de una sola pieza, de tamaño V volumétrico, que comprende un marco 2, y una barra 3 dispuesta en el centro del marco 2 de manera que forme dos bucles magnéticos rectangulares, simétricos con respecto a la barra, contiguos al nivel del plano de simetría de la barra, y de longitud I efectiva, las partes rectas de los bucles magnéticos presentan una sección transversal de superficie A,
b) una bobina 4 que comprende N espiras alrededor de la barra 3,
c) aletas 5 expuestas al ambiente exterior y destinadas para disipar el calor,
Las aletas están añadidas en la superficie lateral exterior del núcleo 1.
Un circuito de inducción presenta una inductancia L determinada por las dimensiones A, I y N, así como por la permeabilidad pr magnética del núcleo 1, y está determinada por la siguiente relación:
En otras palabras, la geometría del núcleo 1, y más particularmente la relación de los factores I y A geométricos, determina el valor de la inductancia del circuito de inductancia.
Un tal circuito de inducción se utiliza, por ejemplo, en convertidores de potencia cuya función es adaptar la tensión y la corriente entregadas por una fuente de potencia eléctrica para alimentar un sistema eléctrico.
Un convertidor de potencia también comprende componentes electrónicos que funcionan como interruptores (componentes activos) que conmutan a una frecuencia f determinada, y, por tanto, permiten alimentar la bobina 4 de excitación magnética.
En el caso de los convertidores DC/DC, por ejemplo, los componentes activos son transistores que se utilizan para «cortar» la tensión de entrada según los ciclos regulares. Con el fin de entregar una tensión continua en la salida, se utilizan circuitos de inductancia para almacenar y sacar de almacenamiento la energía eléctrica en cada ciclo y para extender la tensión de salida a su valor promedio.
En funcionamiento, la corriente eléctrica, entregada por los componentes activos, recorre la bobina 4 de excitación magnética y, por tanto, genera un flujo magnético, que comprende dos bucles simétricos cerrados, en el núcleo 1.
Tal como se ilustra en la Figura 2, el flujo magnético se origina en la barra 3 según el eje de simetría, y fluye de manera simétrica, de un extremo de la barra 3, en el marco 2 para regresar en el otro extremo de la barra 3.
Los circuitos de inductancia pueden representar hasta el 40 % del volumen y del coste del convertidor.
También, el volumen de un circuito de inductancia se puede reducir a través de la utilización de núcleos magnéticos que comprenden un material con alta permeabilidad magnética, por ejemplo, pr> 50. Entre los materiales magnéticos que presentan una permeabilidad magnética elevada, se pueden citar los óxidos de tipo ferrita, y más particularmente los materiales: Mn-i-xZnxFe2O4 y Nh-xZnxFe2O4.
El volumen de los circuitos de inductancia también se puede reducir aumentando la frecuencia de funcionamiento de los circuitos de inductancia. Por ejemplo, los componentes activos pueden comprender transistores hechos de Nitruro de Galio (GaN). Estos últimos permiten alcanzar frecuencias de conmutación superiores a 1 MHz. A este respecto, los expertos en la técnica podrán consultar el documento A. M. LEARY [2].
La salida del flujo magnético en el núcleo 1 se acompaña de pérdidas magnéticas, que dan lugar a un calentamiento del núcleo.
Este calentamiento del núcleo puede degradar el rendimiento del circuito de inductancia, y con el tiempo dejarlo inoperativo.
La reducción del volumen del núcleo, permitida por la utilización de materiales magnéticos que constituyen el núcleo de permeabilidad magnética elevada y/o por el aumento de la frecuencia de funcionamiento del circuito de inductancia, exacerban este calentamiento.
Por lo tanto, se adicionan medios de disipación de calor al circuito de inductancia con el fin de gestionar mejor la cantidad de calor creada durante el funcionamiento del circuito de inductancia.
Los medios de disipación de calor, tales como los representados en la Figura 1, en general toman la forma de aletas dispuestas en el exterior del núcleo y añadidas en la superficie exterior del dicho núcleo, de manera que aumente la superficie de intercambio del núcleo 1 con el aire circundante.
Las aletas 5 así dispuestas no modifican los factores geométricos del núcleo 1, y, por lo tanto, dejan sin cambios el valor de la inducción magnética del circuito de inductancia. Sin embargo, estos medios de disipación de calor no son satisfactorios. En efecto, el volumen ocupado por los medios de disipación se añade al volumen de la inductancia, y también aumenta su masa. Además, para ser eficaces, las aletas 5 deben presentar una superficie de intercambio significativa y, por lo tanto, ocupar un volumen relativamente significativo con respecto al núcleo.
Sin embargo, para determinadas aplicaciones, es deseable, incluso fundamental, que los circuitos de inductancia equipados de sus medios de disipación de calor ocupen el más bajo volumen posible.
Por lo tanto, los circuitos de inductancia requieren medios de disipación que funcionen de manera más eficaz que los conocidos del estado de la técnica, especialmente, en los campos de la aeronáutica y del automovilismo.
Más particularmente, la gestión de la disipación de calor también se debe optimizar para los circuitos de inducción que impliquen la utilización de núcleos 1 magnéticos que presenten una permeabilidad magnética superior a 50, y/o de los funcionamientos de los dichos circuitos a frecuencias elevadas, por ejemplo, superiores a 1 MHz.
Un objetivo de la invención es, por lo tanto, proponer un circuito de inductancia que presente medios de disipación de calor más eficaces, y que limite a la vez el aumento del volumen y de la masa del dicho circuito.
Exposición de la invención
Por lo tanto, el objetivo de la invención se logra a través de un circuito de inductancia que comprende:
a) un núcleo hecho de un material magnético, de una sola pieza, de tamaño V volumétrico, que comprende un marco, y una barra dispuesta en el centro del marco de manera que forme dos bucles magnéticos rectangulares, simétricos con respecto a la barra, contiguos al nivel de un plano de simetría de la barra, y de longitud I magnética efectiva, las partes rectas del marco presentan una sección transversal de superficie A, y la barra presenta una sección 2A transversal el doble de la sección A transversal,
b) una bobina que comprende un número de N espiras destinadas para generar una inducción magnética en la barra,
c) aletas expuestas al ambiente exterior y destinadas para disipar el calor, siendo las aletas hechas del mismo material magnético que el núcleo,
las aletas están comprendidas, al menos en parte, en al menos una zona volumétrica del marco, dispuesta en la prolongación de al menos un extremo de la barra.
El circuito de inductancia, cuando está desprovisto de aletas en la al menos una zona volumétrica del marco, tiene una inductancia igual a la inductancia L nominal definida por las dimensiones A, I y N.
Además, para un circuito de inducción desprovisto de aletas, y en funcionamiento, la al menos una zona volumétrica también está recorrida por líneas de inducción magnética.
La sección transversal en las partes rectas del marco es la misma para cada parte recta, y es rectangular.
A diferencia del estado de la técnica, las aletas se encuentran así en el volumen del núcleo que participa en la circulación de las líneas de inducción magnética.
El Solicitante ha constatado que existen zonas para las cuales la inducción magnética local es muy baja, y contribuyen muy poco a las características magnéticas del circuito de inductancia. Por lo tanto, el solicitante propone utilizar al menos una de estas zonas en el núcleo para formar las aletas. Gracias a estas disposiciones, el Solicitante obtiene un nivel de enfriamiento notable. Por ejemplo, el Solicitante ha podido observar que la presencia de aletas, según la invención, permite aumentar la temperatura del núcleo del circuito de inductancia en funcionamiento de 250 °C a 110 °C. Además, la presencia de aletas tiene poco o ningún efecto sobre la inductancia del circuito de inductancia con respecto a la inductancia nominal.
Por tanto, las aletas se forman directamente en el volumen del núcleo. Las aletas también se pueden formar sin agregar material adicional, y, en consecuencia, sin afectar el tamaño volumétrico del núcleo.
Además, la disposición de las aletas, en una zona volumétrica del núcleo y dispuesta en la prolongación de la barra, permite crear una superficie de intercambio de calor lo más cerca posible de la zona del núcleo más caliente.
Además, el funcionamiento de un circuito de inductancia a frecuencias superiores a 1 MHz no son más un obstáculo. En efecto, el aumento de la temperatura debido al incremento de frecuencia está perfectamente gestionado por las aletas según la invención.
Según un modo de implementación, las aletas están dispuestas en un fondo de al menos un hueco practicado en la al menos una zona volumétrica del marco, abriéndose el dicho al menos un hueco en una superficie lateral exterior del dicho marco, y atravesando de lado a lado el marco según una dirección perpendicular al plano del marco.
Por tanto, la forma del hueco hace posible una ventilación más eficaz de las aletas, y en consecuencia un mejor enfriamiento del núcleo.
Según un modo de implementación, el al menos un hueco se ensancha desde su fondo hacia la superficie lateral exterior del marco.
Según un modo de implementación, el al menos un hueco tiene una sección, paralela al plano del marco, que presenta dimensiones constantes según una dirección perpendicular al plano del dicho marco, la dicha sección es ventajosamente trapezoidal, todavía más ventajosamente trapezoidal isósceles.
Según un modo de implementación, las aletas están dispuestas de modo que la diferencia relativa entre la inductancia del circuito de inductancia con la inductancia L nominal es inferior al 5 %, de preferencia inferior al 2 %.
Según un modo de implementación, la al menos una zona volumétrica es una zona para la cual, cuando el circuito de inductancia está en funcionamiento, la inducción magnética local es inferior al 5 % del valor de la inducción magnética promedio en el núcleo.
Según un modo de implementación, las aletas son paralelas al plano definido por el marco.
Según un modo de implementación, la superficie desarrollada por cada aleta está comprendida entre el 10 y el 100% de la superficie A.
Según un modo de implementación, las aletas dispuestas en la al menos una zona volumétrica dejan el tamaño volumétrico del marco sin cambios.
Según un modo de implementación, se añaden aletas adicionales en la superficie lateral exterior del marco.
Según un modo de implementación, la barra presenta una sección cuadrada, y está atravesada de lado a lado según una dirección perpendicular al plano del marco por cavidades, estando las cavidades llenas por un conductor eléctrico de manera que forme una parte de la bobina.
Según un modo de implementación, el espacio entre las aletas se rellena con un material metálico, ventajosamente un material metálico elegido entre: aluminio, cobre.
La invención también se refiere a un convertidor de potencia que comprende el circuito de inductancia.
La invención también se refiere a un método de fabricación de un circuito de inductancia que comprende las etapas:
a) elaborar una cartografía teórica de las líneas de flujo magnético en el núcleo del circuito de inductancia en funcionamiento, presentando el dicho circuito de inductancia un valor de inductancia predeterminado L, el núcleo está hecho de un material magnético, de una sola pieza, de tamaño V volumétrico, comprendiendo el núcleo un marco, y una barra dispuesta en el centro del marco de manera que forme dos bucles magnéticos rectangulares, simétricos con respecto a la barra, contiguos al nivel del plano de simetría de la barra, y de longitud I magnética efectiva, las partes rectas del marco presentan una sección transversal de superficie A, y la barra presenta una sección 2A transversal el doble de la sección A transversal,
b) identificar, a partir de la cartografía previamente elaborada, las zonas de volumen del dicho núcleo, del circuito de inductancia en funcionamiento, para las cuales la inducción magnética es inferior al 5 % del valor de la inducción magnética promedio en el núcleo,
c) fabricar el núcleo considerado en la etapa a), estando las aletas comprendidas, al menos en parte, en al menos una parte de las zonas de volumen identificadas en la etapa b) y las aletas también están dispuestas en la prolongación de al menos un extremo de la barra, las aletas están hechas del mismo material magnético que el núcleo,
d) formar una bobina de un material conductor alrededor de una parte del núcleo.
Según un modo de implementación, se añaden aletas adicionales en la superficie lateral exterior del marco.
Según un modo de implementación, después de la etapa c), se realiza una etapa de c1) de relleno con un material metálico del espacio entre las aletas.
Según un modo de implementación, la etapa c) de fabricación del núcleo se ejecuta por moldeo por inyección de polvo. Breve descripción de los dibujos
Otras características y ventajas aparecerán en la descripción que va seguida de los modos de implementación del circuito de inductancia según la invención, dada a título de ejemplos no limitativos, con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:
- La Figura 1 es una vista desde arriba de una representación esquemática de un circuito de inductancia conocido de la técnica anterior.
- La Figura 2 es una representación esquemática del recorrido del flujo magnético en un circuito de inductancia conocido de la técnica anterior.
- La Figura 3 es una vista desde arriba de una representación esquemática del camino magnético efectivo en un núcleo magnético, comprendido en un circuito de inductancia conocido del estado de la técnica.
- La Figura 4 es una vista desde arriba de una representación esquemática de un circuito de inductancia según un ejemplo de realización de la invención.
- La Figura 5 es una cartografía de las líneas de inducción magnética en el núcleo de un circuito de inductancia conocido de la técnica anterior.
- La Figura 6.a es una simulación de la distribución de temperatura en un núcleo desprovisto de medios de disipación de calor conocidos de la técnica anterior.
- La Figura 6.b es una simulación de la distribución de temperatura en un núcleo según un ejemplo de realización de la invención.
- La Figura 7 es una vista desde arriba de una representación esquemática de un circuito de inductancia según un ejemplo de realización de la invención.
Exposición detallada de los modos de realización particulares
Para los diferentes modos de implementación, se utilizarán las mismas referencias para elementos idénticos o que aseguren la misma función, por razones de simplificación de la descripción.
Definiciones:
Longitud I magnética efectiva (longitud del camino magnético efectivo): La longitud magnética efectiva (Lefectiva) se define como la longitud del contorno cerrado tomado en el núcleo magnético sobre el cual la circulación del campo magnético medio (Hmedio) es igual a la suma de las corrientes (número de espiras N multiplicado por la corriente nominal I) que atraviesa el circuito (teorema de Ampére). En otras palabras: Hmedio.Lefectiva = N*I. En la Figura 3 se da un ejemplo del camino magnético efectivo. En este ejemplo, el núcleo forma un bucle rectangular, y el camino magnético efectivo asociado a esta configuración se representa en líneas discontinuas.
Sección transversal: se entiende por sección transversal, al corte resultante de la intersección de un plano perpendicular al eje longitudinal de un elemento de forma alargada.
Inductancia L nominal: valor de la inductancia L definido por la longitud I magnética efectiva, la superficie A, y el número de espiras N, y según la relación:
L = HoMr^ V27
En la Figura 4, se puede observar una realización de un circuito 10 de inductancia según la presente invención. Se trata de un circuito 10 de inductancia de inductancia Lm definido por las características geométricas del núcleo y del número de espiras N.
En la continuación de la descripción, se describirá un ejemplo del circuito 10 de inductancia.
El circuito 10 de inductancia según la invención comprende un núcleo 20.
El núcleo 20, según la invención, está hecho de un material magnético, de una sola pieza, de tamaño V volumétrico, que comprende un marco 21, y una barra 30 dispuesta en el centro del marco 21 de manera que forme dos bucles magnéticos rectangulares, simétricos con respecto a la barra 30, contiguos al nivel de un plano de simetría de la barra
30, y de longitud I efectiva, las partes rectas de los bucles magnéticos presentan una sección transversal de superficie A.
El marco 21 define un plano, que será denominado plano del marco en la continuación de la descripción. La huella de superficie del marco 21 (o incluso la intersección del marco con un plano paralelo al plano del marco) es un rectángulo que presenta una superficie S.
La sección transversal en las partes rectas del marco 21 es la misma para cada parte recta, y es, ventajosamente, rectangular.
La sección transversal de la barra 30 puede ser cuadrada, rectangular o circular.
De manera ventajosa, el núcleo 20 comprende un material magnético de permeabilidad magnética superior a 50 (pr > 50).
Por ejemplo, el material magnético puede comprender un óxido de tipo ferrita de estructura de cristalografía de espinela. En efecto, la permeabilidad magnética de tales materiales es estable en el rango de las altas frecuencias. Los materiales magnéticos más comunes responden a la formulación:
Mni-xZnxFe2O4 y Nii-xZnxFe2O4.
Por ejemplo, un núcleo 20 que comprende el Mni-xZnxFe2O4, con x comprendido entre 0,3 y 0,6, la permeabilidad magnética pr evoluciona con x, y está comprendida entre 500 y 1000.
Un modo de realización preferente para el núcleo 20, y que será presentado en la continuación de la exposición, comprende el moldeo por inyección de polvo de ferrita NiZn o MnZn («PIM» o «Powder Injection Molding» según la terminología anglosajona).
De manera ventajosa, los materiales de tipo ferrita también presentan valores de resistividad eléctrica elevados, lo que permite limitar las pérdidas por corrientes inducidas.
Los materiales Mn-i-xZnxFe2O4 y Nh-xZnxFe2O4 también presentan la ventaja de estar disponibles a la escala industrial. El núcleo 20 comprende un marco 21 de espesor e. Las partes rectas del marco 21 presentan una sección transversal de superficie A.
El marco 21 también comprende cuatro caras laterales exteriores que dibujan una superficie 22 lateral exterior. La superficie 22 lateral exterior es perpendicular al plano del marco.
El marco 21 comprende cuatro caras interiores que dibujan una superficie 23 interior, también perpendicular al plano del marco.
Se define el tamaño V volumétrico del marco 21 por su huella volumétrica. Más particularmente, el tamaño V volumétrico del marco 21 es entonces el producto del espesor e y del área S. El tamaño V volumétrico del marco 21 también es igual al tamaño V' volumétrico del núcleo 20.
El núcleo 20 comprende la barra 30 de sección transversal de superficie 2A (por lo tanto, el área de la sección transversal de superficie 2A de la barra es, sustancialmente, el doble del área de la sección transversal de superficie A de las partes rectas del marco) y conecta dos caras opuestas de la superficie 23 interior del marco 21, de manera que forme dos bucles magnéticos simétricos de longitud I magnética efectiva, y contiguos según un plano de simetría de la barra 30.
La barra 30 comprende un eje de simetría que se extiende según su longitud (representado por el eje XX' en la Figura 4).
Por tanto, la configuración descrita es un caso típico de núcleo 20 utilizado en un circuito 10 de inductancia, y en general se habla de configuración de tipo E-E, eventualmente de configuración de tipo E-E de dos partes.
Una tal configuración en general se obtiene a través del ensamblado de dos medias partes. Cada media parte comprende un medio marco y una media barra.
De manera eventual, la media barra es más corta que las dos medias partes laterales del medio marco. Por tanto, la barra 30, formada por las dos medias barras, presenta un entrehierro ((«air gap» según la terminología anglosajona). El circuito 10 de inductancia comprende una bobina 40, de excitación magnética, que comprende un número de N espiras. La bobina 40, de excitación magnética, cuando está atravesada por una corriente, está destinada para crear una inducción magnética en la barra 30. Las N espiras de la bobina 40 se pueden formar alrededor de la barra 30.
La bobina 40 de excitación magnética está hecha de metal, por ejemplo, de cobre. La bobina 40 de excitación magnética comprende un alambre ininterrumpido enrollado alrededor de la barra 30, de manera que forme las N espiras.
El núcleo 20 comprende medios de disipación de calor.
Los medios de disipación de calor pueden tomar la forma de aletas 50 expuestas al ambiente exterior.
De manera particularmente ventajosa, las aletas 50 están hechas del mismo material magnético que el núcleo 20. Las aletas 50 aumentan la superficie de intercambio térmico del núcleo 10 con el ambiente exterior, y, por tanto, hacen posible su enfriamiento más eficaz cuando el circuito 10 de inductancia está en funcionamiento.
Según la invención, las aletas 50 están comprendidas, al menos en parte, en al menos una zona volumétrica del marco 21, dispuesta en la prolongación de al menos un extremo de la barra 30.
La al menos una zona volumétrica puede comprender una primera zona 24a volumétrica, y una segunda zona 24b volumétrica.
Por ejemplo, el núcleo está provisto de dos juegos de aletas 50, comprendidas, respectivamente, al menos de manera parcial, en la primera zona 24a volumétrica, y la segunda zona 24b volumétrica del marco 21.
La primera zona 24a volumétrica y la segunda zona 24b volumétrica pueden disponerse de manera simétrica según un plano que pasa por el centro de la barra 30, y perpendicular al eje longitudinal de la dicha barra 30.
De manera ventajosa, las aletas 50 están dispuestas en el fondo de al menos un hueco practicado en la al menos una zona volumétrica del marco 21, abriéndose el dicho al menos un hueco en la superficie 22 lateral exterior del dicho marco 21.
El al menos un hueco puede comprender un primer hueco 25a y un segundo hueco 25b.
El primer hueco 25a y el segundo hueco 25b están comprendidos, respectivamente, en la primera zona 24a volumétrica y la segunda zona 24b volumétrica.
De manera ventajosa, cada hueco 25a y 25b atraviesa de lado a lado el marco 21 según una dirección perpendicular al plano del dicho marco 21.
En el ejemplo presentado en la Figura 4, cada hueco 25a y 25b puede comprender un fondo plano paralelo a la cara lateral exterior del marco 21 sobre la cual se abre.
Por lo tanto, un juego de aletas 50 se sobresale con respecto al fondo de cada hueco 25a y 25b.
Por tanto, la disposición de las aletas 50 en el fondo de al menos un hueco permite aumentar la superficie de intercambio y posicionar esta última lo más cerca posible de la barra 30.
En efecto, el Solicitante ha constatado que el mayor aumento de temperatura se produce en la barra 30 cuando el circuito 10 de inductancia está en funcionamiento. Por ejemplo, la Figura 6.a representa la distribución de temperatura de un núcleo 1 de un circuito de inductancia, conocido del estado de la técnica, en funcionamiento, y desprovisto de medios de disipación de calor. Las características generales del núcleo considerado son dadas en la Tabla 1.
Tabla 1.
Por lo tanto, se puede constatar que el núcleo 1 comprende una zona B caliente (al nivel de la barra 3) para la cual se alcanza una temperatura de 250 °C, mientras que en las zonas C1 y C2 laterales del núcleo 1 se observa una temperatura inferior a 170 °C.
Además, a diferencia de las soluciones propuestas por el la técnica anterior y más particularmente el documento US 6,920,039 B2, la configuración de las aletas 50 según la invención no impone un aumento de volumen significativo.
De manera ventajosa, las aletas 50 pueden ser perpendiculares al plano del fondo sobre el cual se apoyan.
Aún de manera ventajosa, las aletas 50 pueden estar completamente comprendidas en el volumen definido por el al menos un hueco. En el ejemplo de la Figura 4, la adición del medio de disipación de calor no genera un aumento de volumen del núcleo 20.
Por tanto, el tamaño volumétrico del núcleo 20 no está afectado.
De manera alternativa, las aletas 50 pueden extenderse más allá del volumen definido por el al menos un hueco.
Por tanto, las aletas más largas aumentan la superficie de intercambio del núcleo 20 con el ambiente exterior, haciendo así más eficaz el enfriamiento del dispositivo 10 de inducción cuando éste último está en funcionamiento.
Según un ejemplo de realización particularmente ventajoso, el primer hueco 25a y el segundo hueco 25b se ensanchan desde sus respectivos fondos hacia la cara lateral exterior en la cual se abren. Por tanto, tal como se ilustra en la Figura 6b, se asegura una mejor ventilación al nivel de las aletas 50. Cada hueco 25a y 25b tiene una sección, paralela al plano del marco 21, que presenta dimensiones constantes según una dirección perpendicular al plano del dicho marco 21. La dicha sección puede ser trapezoidal, más particularmente trapezoidal isósceles.
Las aletas 50 pueden ser paralelas o perpendiculares al plano definido por el marco 21.
Como variante, el hueco puede presentar, de manera no limitativa, una sección en forma de V, en forma de U. El hueco también puede tener una sección conforme con la sección de la zona volumétrica, por ejemplo, el hueco puede adaptar la forma de la zona volumétrica.
Por tanto, las aletas 50, que se extienden desde la superficie 22 lateral en una zona volumétrica del marco 21, estando la dicha primera zona dispuesta en la prolongación de la barra 30, permiten crear una superficie de intercambio de calor lo más cercana posible de la zona caliente del núcleo
Según un segundo ejemplo, la Figura 6b representa una cartografía simulada de la temperatura de un circuito de inductancia equipado con medios de disipación de calor según otro modo de implementación de la invención (las aletas 50 sobresalen del volumen V del núcleo). Por lo tanto, se observa una temperatura de 110 °C tanto en la barra (zonas C1 y C2) como en el marco (zona B). La temperatura no solo es mucho más baja, sino también más homogénea en el núcleo.
Por tanto, la formación de aletas 50 en el núcleo 20, según la invención, se realiza de manera que se optimice su eficacia en términos de dispersión de calor, afectando sólo de manera moderada la inductancia del circuito de inductancia.
Ventajosamente, las aletas 50 están dispuestas para modificar sólo de manera moderada la inductancia del circuito 10 de inductancia. De preferencia, la inductancia Lm de un circuito 10 de inductancia presenta una diferencia con respecto a la inductancia L nominal inferior al 5 %, incluso más preferiblemente, la diferencia es inferior al 2 %.
Con el fin de minimizar la diferencia entre la inductancia de un circuito 10 de inductancia según la invención con respecto al mismo circuito 10 de inductancia, pero desprovisto de medios de disipación de calor, se puede adoptar el siguiente protocolo:
En una primera etapa, se considera un circuito de inductancia, desprovisto de medios de disipación de calor, caracterizado por los parámetros geométricos A y I de su núcleo, y el número de espiras N de la bobina.
A continuación, se calcula con precisión una cartografía de las líneas de flujo magnético en el núcleo, con la ayuda, por ejemplo, de un código de cálculo a través de elementos finitos, considerando la geometría de referencia determinada en la primera etapa. Las simulaciones numéricas en dos o tres dimensiones a través de elementos finitos son bien conocidas por los expertos en la técnica y no se detallan en esta descripción. Las zonas del núcleo donde la inducción magnética local permanece inferior al 5 % del valor de la inducción magnética promedio en el dicho núcleo se identifican en negro en la Figura 5.
En el ejemplo ilustrado en la Figura 5, la primera parte del volumen del núcleo está, ventajosamente, identificada con la zona donde la inducción magnética permanece inferior al 5 % del valor de la inducción magnética promedio en el núcleo, y dispuesta en la prolongación de al menos un extremo de la barra.
Este método permite identificar de manera fina las zonas del volumen del núcleo en las cuales se pueden realizar las aletas 50 en el núcleo, y modificando sólo de manera moderada la inductancia del circuito 10 de inductancia considerado.
De manera particularmente ventajosa, las aletas 50 son paralelas a las líneas de campo susceptibles de ser creadas cuando el circuito 10 de inductancia está en funcionamiento. Por tanto, se puede reducir la diferencia entre la inductancia del dicho circuito y la inductancia nominal.
Además, la superficie desarrollada por cada aleta puede estar comprendida entre un 10 y un 100 % de la superficie A, por ejemplo, un 30 %.
La profundidad de las aletas 50 puede estar comprendida entre el 10 y el 50 % de la raíz cuadrada de la superficie A, por ejemplo, el 30 %.
Para un núcleo cuya barra 30 es cilíndrica y de diámetro igual a 6 mm.
El ancho de las aletas 50 puede estar comprendido entre 0,1 y 2 mm, por ejemplo, 1 mm.
La separación de las aletas 50 puede estar comprendida entre 0,1 y 0,5 mm, por ejemplo, 0,2 mm.
Las aletas 50 pueden tener una forma rectangular, o triangular o curva.
De manera particularmente ventajosa, el espacio entre las aletas 50 puede estar, durante una etapa c1), relleno con un material no magnético y buen conductor térmico, tal como el cobre o el aluminio. Por tanto, según este modo de implementación, permite realizar un puente térmico que permita enfriar de manera eficaz el núcleo 20.
Con el fin de aumentar aún más la superficie de intercambio del núcleo, se pueden añadir aletas 51 adicionales en la superficie 22 lateral exterior del marco 21 distinta de la superficie ahuecada.
De manera particularmente ventajosa, las aletas 51 adicionales están hechas del mismo material magnético que el núcleo 20.
El núcleo 20 puede comprender un entrehierro de espesor inferior al 5 % de la longitud I magnética efectiva.
De manera ventajosa, el entrehierro está dispuesto en el centro de la barra 30.
Tal como se mencionó anteriormente, la formación del núcleo 20 puede ser ejecutada por moldeo por inyección de polvo de ferrita. A este respecto, el experto en la técnica encontrará el detalle del método de moldeo por inyección de polvo en la patente FR2970194 [3]. Esta técnica comprende una primera etapa de formación de un masterbatch que comprende un material orgánico (por ejemplo, poliolefinas, tales como el polietileno, el polipropileno), y polvos inorgánicos (por ejemplo, para la aplicación prevista, óxidos de tipo ferrita, por ejemplo, Mn1-xZnxFe2Ü4 y Ni-ixZnxFe2Ü4).
A continuación, el masterbatch se inyecta en un molde con el fin de darle la forma deseada. Por lo tanto, la pieza moldeada se desaglomera («debinded» según la terminología anglosajona) a una temperatura comprendida entre 400 y 700 °C (por ejemplo, 500 °C) de manera que elimine la materia orgánica. Por lo tanto, la etapa de desaglomerado está seguida de una etapa de sinterización («sintering» según la terminología anglosajona), realizada a una temperatura comprendida entre 900 y 1300 °C (por ejemplo, 1220 °C para un óxido de ferrita Mn1-xZnxFe2Ü4) permitiendo así aumentar la densidad de la pieza así formada. El núcleo puede estar realizado en una sola pieza, o puede comprender un conjunto de varias piezas (por ejemplo, un conjunto de dos piezas en forma de E, o una pieza en forma de E y una pieza en forma de I, o incluso una pieza en forma de U y una pieza en forma de I). Con base en el modo de realización del núcleo, pueden ser necesarios uno o más moldes.
El relleno del espacio entre las aletas 50, durante la etapa c1), con un material conductor se ejecuta a través de una técnica de sobremoldeo bien conocida por el experto en la técnica y descrita en el documento Ruh et al. [4].
Tal como se representa en la Figura 7, la barra 30 puede presentar una sección cuadrada, y estar atravesada de lado a lado según una dirección perpendicular al plano del marco 21 por cavidades 41a y 41b cerca de las dos caras 31 y 32 laterales del núcleo, respectivamente. Por lo tanto, las cavidades 41a y 41b se rellenan (por ejemplo, por sobremoldeo) con un material conductor (por ejemplo, el cobre o el aluminio) con el fin de constituir una parte del bobinado 40 destinado para ser sumergido en la barra 30. Por lo tanto, el bobinado 40 se completa, por ejemplo, por transferencia de placas 42 metálicas en cada una de las caras de la barra 30 paralelas al plano del marco 21. Cada una de las dichas plaquetas 42 conecta una cavidad 41a con una cavidad 41b de manera que forme un bobinado ininterrumpido adecuada para generar una inducción magnética en la barra 30.
Por tanto, las espiras de la bobina pasan parcialmente en el volumen de la barra. Siendo también la bobina el asiento de disipación de energía (por efecto Joule), el enterramiento parcial de las espiras en la barra también permite disipar mejor, a través de las aletas 50 según la invención, el calor emitido por la bobina.
Por tanto, los medios de disipación de calor según la invención permiten disipar de manera eficaz el calor producido en un circuito de inductancia. Por lo tanto, se reduce la temperatura de funcionamiento de los circuitos de inductancia, y es mucho más homogénea en el núcleo.
La implementación de los medios de disipación de calor según la invención degrada sólo de manera moderada, o incluso nada, el tamaño volumétrico del circuito de inducción. En efecto, los dichos medios de disipación de calor, a diferencia del estado de la técnica, están dispuestos en el volumen del núcleo. En otras palabras, a diferencia del estado de la técnica, los medios de disipación de calor necesitan poca o ninguna adición de material.
Más particularmente, los medios de disipación de calor están dispuestos en las zonas del núcleo donde la inducción magnética es baja con respecto al resto del volumen del núcleo de un circuito de inducción en funcionamiento.
Los medios de disipación según la invención también permiten considerar utilizar los circuitos de inductancia a frecuencias más elevadas, ventajosamente superiores a 1 MHz.
Referencias
[1] Documento US 6,920,039 B2.
[2] A. M. LEARY, «Soft Magnetic Materials in High-Frequency, High-Power Conversión Applications», JOM, Volumen 64, Edición 7, Julio de 2012, Páginas 772-781.
[3] Documento FR2970194.
[4] Ruh et al., «The development of two-component micro powder Injection by moulding and sinter joining», Microsyst. Tecnología, 2011, 17:1547-1556 B.
Claims (17)
1. Circuito de inductancia que comprende:
a) un núcleo (20) hecho de un material magnético, de una sola pieza, de tamaño V volumétrico, que comprende un marco (21), y una barra (30) dispuesta en el centro del marco (21) de manera que forme dos bucles magnéticos rectangulares, simétricos con respecto a la barra (30), contiguos al nivel de un plano de simetría de la barra (30), y de longitud I magnética efectiva, las partes rectas del marco (21) presentan una sección transversal de superficie A, y la barra (30) presenta una sección 2A transversal el doble de la sección A transversal,
b) una bobina (40) que comprende un número de N espiras destinadas para generar una inducción magnética en la barra (30),
c) aletas (50) expuestas al ambiente exterior y destinadas para disipar el calor, siendo las aletas hechas del mismo material magnético que el núcleo,
siendo el circuito de inductancia caracterizado porque las aletas (50) están comprendidas, al menos en parte, en al menos una zona (24a, 24b) volumétrica del marco (21), dispuesta en la prolongación de al menos un extremo de la barra (30).
2. Circuito de inductancia según la reivindicación 1, en el cual las aletas (50) están dispuestas en un fondo de al menos un hueco (25a, 25b) practicado en al menos una zona (24a, 24b) volumétrica del marco (21), abriéndose el dicho al menos un hueco (25a, 25b) en una superficie (22) lateral exterior del dicho marco (21), y atravesando de lado a lado el marco (21) según una dirección perpendicular al plano del marco (21).
3. Circuito de inductancia según la reivindicación 2, en el cual el al menos un hueco (24a, 24b) se ensancha desde su fondo hacia la superficie (22) lateral exterior del marco (21).
4. Circuito de inductancia según la reivindicación 3, en el cual al menos un hueco (25a, 25b) tiene una sección, paralela al plano del marco (21), que presenta dimensiones constantes según una dirección perpendicular al plano del dicho marco (21), la dicha sección es ventajosamente trapezoidal, todavía más ventajosamente trapezoidal isósceles.
5. Circuito de inductancia según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual las aletas (50) están dispuestas de modo que la diferencia relativa entre la inductancia del circuito (10) de inductancia y la inductancia L nominal es inferior al 5 %, de preferencia inferior al 2 %.
6. Circuito de inductancia según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual la al menos una zona (24a, 24b) volumétrica es una zona para la cual, cuando el circuito de inductancia está en funcionamiento, la inducción magnética local es inferior al 5 % del valor de la inducción magnética promedio en el núcleo (20).
7. Circuito de inductancia según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual las aletas (50) son paralelas al plano definido por el marco (21).
8. Circuito de inductancia según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el cual la superficie desarrollada por cada aleta está comprendida entre el 10 y el 100 % de la superficie A.
9. Circuito de inductancia según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual las aletas dispuestas en la al menos una zona (24a, 24b) volumétrica dejan el tamaño volumétrico del marco (21) sin cambios.
10. Circuito de inductancia según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el cual las aletas (51) adicionales están añadidas en la superficie (22) lateral exterior del marco (21).
11. Circuito de inductancia según una de las reivindicaciones 1 a 10, en el cual la barra (30) presenta una sección cuadrada, y está atravesada de lado a lado según una dirección perpendicular al plano del marco (21) por cavidades, estando las cavidades llenas por un conductor eléctrico de manera que forme una parte de la bobina (40).
12. Circuito de inductancia según una de las reivindicaciones 1 a 11, en el cual el espacio entre las aletas (50) está relleno con un material metálico, ventajosamente un material metálico elegido entre: aluminio, cobre.
13. Convertidor de potencia que comprende el circuito (10) de inductancia según una de las reivindicaciones 1 a 12.
14. Método de fabricación de un circuito de inductancia según una de las reivindicaciones 1 a 12 que comprende las etapas:
a) elaborar una cartografía teórica de las líneas de flujos magnéticos en el núcleo (20) del circuito (10) de inductancia en funcionamiento, presentando el dicho circuito (10) de inductancia un valor L de inductancia predeterminado, el núcleo (20) está hecho de un material magnético, de una sola pieza, de tamaño V volumétrico, comprendiendo el núcleo un marco (21), y una barra (30) dispuesta en el centro del marco (21) de manera que forme dos bucles
magnéticos rectangulares, simétricos con respecto a la barra (30), contiguos al nivel del plano de simetría de la barra (30), y de longitud I magnética efectiva, las partes rectas del marco (21) presentan una sección transversal de superficie A, y la barra (30) presenta una sección 2A transversal el doble de la sección A transversal,
b) identificar, a partir de la cartografía elaborada previamente, las zonas de volumen del dicho núcleo (20), del circuito (10) de inductancia en funcionamiento, para las cuales la inducción magnética es inferior al 5 % del valor de la inducción magnética promedio en el núcleo (20),
c) fabricar el núcleo (20) considerado en la etapa a), estando las aletas (50) comprendidas, al menos en parte, en al menos una parte de las zonas de volumen identificadas en la etapa b) y las aletas (50) también están dispuestas en la prolongación de al menos un extremo de la barra (30), siendo las aletas (50) hechas del mismo material magnético que el núcleo (20),
d) formar una bobina (40) de un material conductor alrededor de una parte del núcleo (20).
15. Método de fabricación según la reivindicación 14, en el cual las aletas adicionales están añadidas en la superficie (22) lateral exterior del marco (21).
16. Método de fabricación según la reivindicación 14 o 15, en el cual después de la etapa c), se realiza una etapa c1) de relleno con un material metálico del espacio entre las aletas (50).
17. Método de fabricación según una de las reivindicaciones 14 a 16, en el cual la etapa c) de fabricación del núcleo (20) se ejecuta por moldeo por inyección de polvo.
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