ES2968497A1 - MAGNETIC CONCRETE FOR MAGNETIC INDUCTION CHARGING OF ELECTRONIC DEVICES (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Classifications
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
HORMIGÓN MAGNÉTICO PARA RECARGA INDUCTIVA DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOSMAGNETIC CONCRETE FOR INDUCTIVE CHARGING OF ELECTRONIC DEVICES
SECTOR TÉCNICOTECHNICAL SECTOR
La invención está relacionada con la ingeniería civil y la construcción, y más particularmente con el sector de la movilidad inteligente. Y con más detalle para la recarga inductiva de un dispositivo electrónico utilizando un nuevo material de construcción. The invention is related to civil engineering and construction, and more particularly to the smart mobility sector. And in more detail for the inductive charging of an electronic device using a new construction material.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
La invención se refiere a un nuevo hormigón para la recarga inductiva de baterías de vehículos eléctricos (EV) o dispositivos electrónicos, que funciona como un sistema donde el hormigón magnético actúa como bobina primaria y el dispositivo electrónico a cargar sirve como bobina secundaria. En la invención descrita, la bobina primaria está conectada a una fuente de corriente eléctrica y, una vez que la corriente eléctrica discurre a través de la bobina primaria, se genera un campo electromagnético alrededor de esta bobina. Este campo electromagnético sirve como una forma de transferir energía, induciendo mientras tanto la corriente eléctrica en la bobina secundaria que recarga el dispositivo electrónico (es decir, la batería de un VE). The invention relates to a new concrete for the inductive charging of electric vehicle (EV) batteries or electronic devices, which works as a system where the magnetic concrete acts as a primary coil and the electronic device to be charged serves as a secondary coil. In the described invention, the primary coil is connected to a source of electric current and, once the electric current flows through the primary coil, an electromagnetic field is generated around this coil. This electromagnetic field serves as a way to transfer energy, meanwhile inducing electric current in the secondary coil that recharges the electronic device (i.e. an EV battery).
Una invención como la mencionada anteriormente se detalla, por ejemplo, en el documento WO2016160739A3. En este caso, se proporciona un sistema, método y aparato para unidades de revestimiento magnético de superficies y capas inferiores magnetizadas para asegurar unidades de revestimiento de pisos magnetizadas para diferentes aplicaciones y usos. En el documento GB2525185A se detalla un sistema de transferencia de potencia inductiva para vehículos eléctricos o híbridos estacionados o que circulan por una superficie de una carretera. La invención considera una definición de ensamblaje de losa de pavimento y un método para operar el sistema de transferencia de energía. El sistema también incluye un sistema de calefacción para la carretera basado en el sistema inductivo de transferencia de energía, el cual es capaz de derretir el hielo o la nieve en la superficie de la carretera. An invention such as the one mentioned above is detailed, for example, in document WO2016160739A3. Herein, a system, method and apparatus for magnetic surface coating units and magnetized underlays are provided to secure magnetized floor coating units for different applications and uses. Document GB2525185A details an inductive power transfer system for electric or hybrid vehicles parked or traveling on a road surface. The invention considers a definition of pavement slab assembly and a method of operating the energy transfer system. The system also includes a road heating system based on the inductive energy transfer system, which is capable of melting ice or snow on the road surface.
El documento EP0289868A2 revela un sistema eléctrico modular para la pavimentación de carreteras que está adaptado para la transmisión de potencia vía inductiva hacia los vehículos que circulen sobre él. El sistema considera diferentes módulos conectados eléctricamente. Cada módulo incluye un núcleo magnético y un devanado de potencia que son responsables de generar el campo magnético en la superficie de la carretera. Respecto al documento US20120012406A1 se presenta un método y sistema para la alimentación inductiva de vehículos. El sistema se basa en una solución constructiva que compone el pavimento con uno o más elementos estructurales, un eje acoplado al portador, una rueda acoplada al eje y configurada para girar sobre el propio eje. Una bobina secundaria se fija a la varilla y se configura para generar un campo magnético en la carretera una vez que la varilla está cerca del vehículo a recargar. Finalmente, en el documento WO2017060387A1 se presenta una solución constructiva para la recarga inductiva de vehículos eléctricos o híbridos a través de un pavimento magnético que incluye una bobina primaria. En la invención el vehículo sirve como bobina secundaria. La solución constructiva se define en términos del uso de un hormigón magnético y la sección de los huecos para ubicar la bobina. La invención también incluye un procedimiento para fabricar la solución constructiva predefinida.EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓNDocument EP0289868A2 discloses a modular electrical system for road paving that is adapted for the transmission of power via inductive means to the vehicles that circulate on it. The system considers different electrically connected modules. Each module includes a magnetic core and a power winding which are responsible for generating the magnetic field on the road surface. Regarding document US20120012406A1, a method and system for the inductive power supply of vehicles is presented. The system is based on a constructive solution that composes the pavement with one or more structural elements, an axle coupled to the carrier, a wheel coupled to the axle and configured to rotate on the axis itself. A secondary coil is attached to the wand and is configured to generate a magnetic field on the road once the wand is close to the vehicle to be recharged. Finally, document WO2017060387A1 presents a constructive solution for the inductive charging of electric or hybrid vehicles through a magnetic pavement that includes a primary coil. In the invention the vehicle serves as a secondary coil. The construction solution is defined in terms of the use of magnetic concrete and the section of the holes to locate the coil. The invention also includes a procedure for manufacturing the predefined construction solution. EXPLANATION OF THE INVENTION
Analizando las invenciones anteriores, el objetivo de la invención es divulgar un nuevo material para la recarga inductiva de dispositivos electrónicos. En base a su rendimiento magnético mejorado, el principal valor añadido reside en la capacidad de adaptar el sistema para cualquier tipo de recarga inductiva, no estando cerrado a una solución constructiva concreta en cuanto a forma o uso específico. Los dispositivos electrónicos del sector de la construcción como equipos IoT, maquinaria industrial, elementos de señalización o unidades móviles pueden recargarse así a través de un nuevo material magnético capaz de funcionar bajo diferentes soluciones constructivas o condiciones específicas. Analyzing the previous inventions, the objective of the invention is to disclose a new material for inductive recharging of electronic devices. Based on its improved magnetic performance, the main added value lies in the ability to adapt the system for any type of inductive charging, not being closed to a specific constructive solution in terms of shape or specific use. Electronic devices in the construction sector such as IoT equipment, industrial machinery, signaling elements or mobile units can thus be recharged through a new magnetic material capable of functioning under different construction solutions or specific conditions.
Este objetivo se logra a través de una solución con las características especificadas en la Reivindicación 1. This objective is achieved through a solution with the characteristics specified in Claim 1.
En base a la alta permeabilidad magnética del hormigón magnético, la bobina primaria está compuesta por el propio hormigón y el alambre de cobre o latón incrustado en su cuerpo. Este es uno de los principales valores añadidos de la invención en comparación con patentes similares, que utilizan resinas específicas o conglomerados a base de arena para proteger el alambre de cobre / latón, incluso considerando dejarlo desprotegido. Based on the high magnetic permeability of magnetic concrete, the primary coil is composed of the concrete itself and the copper or brass wire embedded in its body. This is one of the main added values of the invention compared to similar patents, which use specific resins or sand-based conglomerates to protect the copper/brass wire, even considering leaving it unprotected.
El punto clave de la invención es la diferencia en términos de permeabilidad electromagnética entre el hormigón magnético y el hormigón convencional para realizar soluciones constructivas, en las cuáles la parte magnética de hormigón siempre tiene una forma triangular donde la base enfoca directamente a la bobina secundaria. Siguiendo este concepto se garantiza que se generarán mínimas interferencias en los campos electromagnéticos, considerando que la mayor parte de la densidad de energía electromagnética alcanzará la bobina secundaria (ver Fig. 1). Alrededor de la sección triangular de hormigón magnético se puede utilizar cualquier tipo de hormigón convencional para configurar la solución constructiva necesaria para cada escenario. Barreras prefabricadas oin situ,Nueva Jersey, muros, paneles de revestimiento de fachadas o losas de pavimento, son algunos de los ejemplos principales de elementos que pueden ser confeccionados mediante este nuevo material. Una vez que se configura la bobina primaria, se instala una bobina secundaria de cobre o latón en el dispositivo electrónico para recargar el dispositivo, completando así el sistema. The key point of the invention is the difference in terms of electromagnetic permeability between magnetic concrete and conventional concrete to create constructive solutions, in which the magnetic part of concrete always has a triangular shape where the base focuses directly on the secondary coil. Following this concept guarantees that minimal interference will be generated in the electromagnetic fields, considering that most of the electromagnetic energy density will reach the secondary coil (see Fig. 1). Around the triangular section of magnetic concrete, any type of conventional concrete can be used to configure the necessary construction solution for each scenario. Prefabricated on-site barriers, walls, facade cladding panels or pavement slabs, are some of the main examples of elements that can be made using this new material. Once the primary coil is set, a secondary copper or brass coil is installed in the electronic device to recharge the device, thus completing the system.
La invención utiliza materias primas o componentes magnéticos reciclados para introducir el comportamiento magnético en el hormigón, principalmente en un tamaño 2D para mejorar el comportamiento magnético en comparación con las adiciones magnéticas actuales. La invención también puede considerar la adición de materiales de alta conductividad eléctrica para contribuir a alcanzar en el hormigón una permeabilidad magnética de hasta 35, si es necesario. Se incluye un procedimiento de fabricación para garantizar la compatibilidad magnética del hormigón con el acero del refuerzo de hormigón. The invention uses recycled raw materials or magnetic components to introduce magnetic behavior into concrete, primarily in a 2D size to improve magnetic behavior compared to current magnetic additions. The invention may also consider the addition of high electrical conductivity materials to help achieve a magnetic permeability of up to 35 in the concrete, if necessary. A manufacturing procedure is included to ensure the magnetic compatibility of the concrete with the concrete reinforcement steel.
Como se mencionó, la clave de la invención son las propiedades magnéticas mejoradas del material aquí descrito. Alcanzar una permeabilidad magnética (parámetro comúnmente utilizado para medir el rendimiento magnético a través de la norma IEC 62044-2) de hasta 35 solo es posible, no solo contando con los materiales adecuados, sino también empleándolos bajo nuevos tamaños y distribuciones en la matriz de hormigón. Por lo tanto, la magnetita reciclada o la ferrita se utilizan como material magnético, pero no utilizando tamaños granulométricos (escala milimétrica). El tamaño 1D (nanotubo) y 2D se utiliza para agregar los materiales magnéticos a la matriz de hormigón. Se ha demostrado que, debido a la estructura atómica de los materiales, este tipo de tamaños aumenta exponencialmente las propiedades que los materiales ya tienen por sí mismos. As mentioned, the key to the invention is the improved magnetic properties of the material described herein. Achieving a magnetic permeability (parameter commonly used to measure magnetic performance through the IEC 62044-2 standard) of up to 35 is only possible, not only by having the appropriate materials, but also by using them under new sizes and distributions in the matrix of concrete. Therefore, recycled magnetite or ferrite is used as a magnetic material, but not using granulometric sizes (millimeter scale). The 1D (nanotube) and 2D size is used to add the magnetic materials to the concrete matrix. It has been shown that, due to the atomic structure of materials, these types of sizes exponentially increase the properties that the materials already have on their own.
Sin embargo, con el propósito de alcanzar todos los beneficios que este tipo de materiales puede aportar, la invención recoge también un planteamiento de distribución de los materiales magnéticos 2D en el interior de la matriz de hormigón. Evitando un procedimiento convencional que considere la simple adición del material magnético en la mezcla, la invención considera el uso de agentes dispersores capaces no solo de alcanzar una distribución homogénea sino también de alinear dichos materiales favoreciendo así su rendimiento para el cometido de incrementar la permeabilidad magnética (ver Fig. 2). Por lo tanto, la continuidad magnética en la matriz de hormigón se refuerza y la permeabilidad magnética aumenta drásticamente en comparación con los procedimientos actuales. Además, debe considerarse una técnica novedosa para mantener la consistencia del flujo del campo electromagnético. También se agregarán materiales de alta conductividad para mejorar toda la conductividad eléctrica en la matriz de hormigón. Al estar dentro de la matriz de hormigón los materiales de alta conductividad actúan como puente entre los materiales electromagnéticos, dando así continuidad al campo electromagnético que circula por la matriz de hormigón. However, in order to achieve all the benefits that this type of materials can provide, the invention also includes an approach for distributing 2D magnetic materials inside the concrete matrix. Avoiding a conventional procedure that considers the simple addition of the magnetic material to the mixture, the invention considers the use of dispersing agents capable of not only achieving a homogeneous distribution but also of aligning said materials, thus favoring their performance for the task of increasing magnetic permeability. (see Fig. 2). Therefore, the magnetic continuity in the concrete matrix is reinforced and the magnetic permeability increases dramatically compared to current procedures. Furthermore, a novel technique should be considered to maintain the consistency of the electromagnetic field flow. High conductivity materials will also be added to improve all electrical conductivity in the concrete matrix. Being inside the concrete matrix, the high-conductivity materials act as a bridge between the electromagnetic materials, thus giving continuity to the electromagnetic field that circulates through the concrete matrix.
Por ello, y en resumen, la permeabilidad electromagnética mejorada se consigue a partir de la acción combinada de los materiales magnéticos (magnetita reciclada o ferrita en tamaño 1D o 2D) y los materiales de alta conductividad (acero, hierro o fibra de carbono). Las adiciones previamente detalladas se integrarán en la matriz de hormigón, que se configura a través de un material con capacidad conglomerante. Con este fin se pueden utilizar materiales a base de cemento o cemento blanco, limas, puzolonas, cenizas volantes, activadores de geopolímeros o resinas. Utilizando estos componentes, el hormigón magnético será capaz de alcanzar un rendimiento mecánico mínimo que permita que el hormigón cumpla con los requisitos estructurales necesarios para fabricar todos o algunos de los usos potenciales mencionados anteriormente. Además, se consideran dos elementos para contribuir a la mejora de las resistencias mecánicas. Aditivos superplastificantes predosificados para aumentar el grado de hidratación del cemento y fibras de refuerzo para aumentar el rendimiento de flexión del hormigón. Si se utilizan fibras de acero o carbono para reforzar el rendimiento de flexión, jugarán un doble papel no solo desde una perspectiva estructural, sino también como una adición conductora de alta electricidad. Therefore, and in summary, improved electromagnetic permeability is achieved from the combined action of magnetic materials (recycled magnetite or ferrite in 1D or 2D size) and high-conductivity materials (steel, iron or carbon fiber). The previously detailed additions will be integrated into the concrete matrix, which is configured through a material with binding capacity. For this purpose, materials based on cement or white cement, files, pozzolones, fly ash, geopolymer activators or resins can be used. Using these components, magnetic concrete will be able to achieve a minimum mechanical performance that allows the concrete to meet the structural requirements necessary to manufacture some or all of the potential uses mentioned above. In addition, two elements are considered to contribute to the improvement of mechanical resistance. Pre-dosed superplasticizer additives to increase the degree of hydration of the cement and reinforcing fibers to increase the flexural performance of the concrete. If steel or carbon fibers are used to reinforce bending performance, they will play a dual role not only from a structural perspective, but also as a high electrically conductive addition.
El hormigón magnético puede alcanzar hasta 25 MPa de resistencia a la compresión y 5 MPa de resistencia a la flexión, si es necesario. Por lo tanto, se puede fabricar cualquier tipo de pared, panel o losa (considerando que las barjas de New Yersey no tienen requisitos estructurales estrictos). Además, gracias a la posibilidad de alcanzar este valor de resistencia no se genera ningún plano de discontinuidad en la interfaz entre el hormigón magnético y el hormigón regular en términos mecánicos (ver Fig. 3). Esta es otra de las principales características con valor añadido respecto de los hormigones magnéticos actuales, que generalmente tienen unas resistencias estructurales muy bajas que pueden debilitar la solución constructiva en el plano de interfaz con el hormigón regular (con mayores resistencias mecánicas, asumiendo el papel de incrementar la capacidad estructural de la solución constructiva). De este modo, se pueden fabricar barreras Ney Jersey, muros, losas para pavimentación o paneles de revestimiento de fachadas (ver Fig. 4). Magnetic concrete can achieve up to 25 MPa compressive strength and 5 MPa flexural strength, if necessary. Therefore, any type of wall, panel or slab can be manufactured (considering that New Jersey bars do not have strict structural requirements). Furthermore, thanks to the possibility of reaching this resistance value, no discontinuity plane is generated at the interface between the magnetic concrete and the regular concrete in mechanical terms (see Fig. 3). This is another of the main characteristics with added value compared to current magnetic concretes, which generally have very low structural resistances that can weaken the construction solution in the interface plane with regular concrete (with higher mechanical resistances, assuming the role of increase the structural capacity of the constructive solution). In this way, Ney Jersey barriers, walls, paving slabs or facade cladding panels can be manufactured (see Fig. 4).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La invención se explica detalladamente en las siguientes figuras tomando como ejemplo la fabricación de una losa de hormigón para la recarga inductiva de cualquier tipo de dispositivo electrónico. The invention is explained in detail in the following figures, taking as an example the manufacture of a concrete slab for inductive recharging of any type of electronic device.
En la figura 1 se muestra una sección transversal y longitudinal de la losa. La sección transversal muestra la forma triangular que tiene el hormigón magnético (2) dentro de la solución constructiva para maximizar la densidad del campo electrónico (6). La parte magnética triangular de la solución constructiva está incrustada en una pieza de hormigón normal (3), y también incluye el espacio para la instalación de la bobina primaria (1). Las dos partes magnéticas triangulares están orientadas hacia el dispositivo electrónico a recargar inductivamente (5), en el cual se aprecia la bobina secundaria (4). Figure 1 shows a cross and longitudinal section of the slab. The cross section shows the triangular shape that the magnetic concrete (2) has within the construction solution to maximize the density of the electronic field (6). The triangular magnetic part of the construction solution is embedded in a normal concrete piece (3), and also includes the space for the installation of the primary coil (1). The two triangular magnetic parts are oriented towards the electronic device to be recharged inductively (5), in which the secondary coil (4) can be seen.
En la figura 2, se muestra una vista detallada de la parte magnética triangular. Se representa el material magnético 2D. La dimensión no nano de cada partícula magnética se muestra orientada al dispositivo electrónico a recargar inductivamente. A detailed view of the triangular magnetic part is shown in Figure 2. The 2D magnetic material is represented. The non-nano dimension of each magnetic particle is shown oriented to the electronic device to be inductively recharged.
En la figura 3 se representa la parte magnética triangular de la losa para mostrar la interfaz entre el hormigón magnético y el hormigón regular en el que está incrustada la primera. Ambos hormigones se vierten en estado fresco, con el fin de no generar un plano de rotura en el interior de la losa. Figure 3 represents the triangular magnetic part of the slab to show the interface between the magnetic concrete and the regular concrete in which the former is embedded. Both concretes are poured in a fresh state, in order not to generate a failure plane inside the slab.
En la figura se muestran 4 diferentes ejemplos de soluciones constructivas fabricadas a través del hormigón magnético: (a) Barrera Ney Jersey, (b) Pared y (c) Panel de revestimiento de fachada. The figure shows 4 different examples of construction solutions manufactured through magnetic concrete: (a) Ney Jersey Barrier, (b) Wall and (c) Facade cladding panel.
EJECUCIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EXECUTION OF THE INVENTION
La invención tiene un procedimiento específico de fabricación considerando el orden en que se tienen que agregar los materiales. Los materiales de hormigón inusuales como las adiciones conductoras magnéticas o eléctricas deben integrarse completamente en la matriz de hormigón, por lo que se deben evitar los procedimientos de mezcla convencionales. Como ejemplo de proceso de fabricación, la adición magnética se premezcla con el material conglomerante en polvo como primer paso. Independientemente del material conglomerante utilizado (cemento, cales, resinas o cualquier material entre los anteriormente nombrados), el proceso de premezcla cubre toda la superficie de adición magnética garantizando una correcta adherencia con la matriz de hormigón. The invention has a specific manufacturing procedure considering the order in which the materials have to be added. Unusual concrete materials such as magnetic or electrically conductive additions must be completely integrated into the concrete matrix, so conventional mixing procedures should be avoided. As an example of a manufacturing process, the magnetic addition is premixed with the powdered binder material as a first step. Regardless of the binding material used (cement, lime, resins or any material among those previously mentioned), the premix process covers the entire magnetic addition surface, guaranteeing correct adhesion with the concrete matrix.
Como segundo paso, hasta el 20% del agua de mezcla se agrega junto con los aditivos superplastificantes. El propósito es maximizar el grado de hidratación del cemento con el objetivo de que la cantidad máxima de aditivo superplastificante pueda estar en contacto con las partículas del material conglomerante. Como paso siguiente, el material conductor eléctrico y las fibras de refuerzo, si es necesario, se agregan a la mezcla junto con el agente dispersor para garantizar una distribución adecuada y homogénea en la matriz de hormigón. Una vez que los agentes dispersores actúan, se agrega hasta un 40% del agua restante, junto con los áridos. La mezcla tiene que amasar durante pocos minutos hasta que los áridos absorban y devuelvan el agua debido a su capacidad de absorción. Este proceso puede durar dependiendo del grado de absorción de los áridos. Finalmente, el 40% restante de agua se agrega a la mezcla. As a second step, up to 20% of the mixing water is added along with the superplasticizing additives. The purpose is to maximize the degree of hydration of the cement with the objective that the maximum amount of superplasticizing additive can be in contact with the particles of the binding material. As a next step, the electrically conductive material and reinforcing fibers, if necessary, are added to the mixture along with the dispersing agent to ensure proper and homogeneous distribution in the concrete matrix. Once the dispersing agents act, up to 40% of the remaining water is added, along with the aggregates. The mixture must be kneaded for a few minutes until the aggregates absorb and return the water due to their absorption capacity. This process can last depending on the degree of absorption of the aggregates. Finally, the remaining 40% water is added to the mixture.
Se pueden aplicar algunos ajustes al proceso para escenarios específicos. El material conductor se puede agregar en el primer paso para ser premezclado con el material de polvo conglomerante y la adición magnética. En este caso, la primera adición de agua de mezcla es de hasta el 30% en lugar del 20%, debido a la mayor cantidad de material sólido. Este procedimiento modificado se aplica cuando la cantidad de material conductor eléctrico es superior a un 20%. Some adjustments can be applied to the process for specific scenarios. The conductive material can be added in the first step to be premixed with the binder powder material and magnetic addition. In this case, the first addition of mixing water is up to 30% instead of 20%, due to the greater amount of solid material. This modified procedure is applied when the amount of electrically conductive material is greater than 20%.
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- 2022-10-10 ES ES202230872A patent/ES2968497A1/en active Pending
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