PT1501106E - Núcleo de ferrite para um elemento de indutância - Google Patents

Description

ΡΕ1501106 - 1 -

DESCRIÇÃO "NÚCLEO DE FERRITE PARA UM ELEMENTO DE INDUTÂNCIA" A invenção diz respeito a um núcleo para um elemento de indutância, com pelo menos duas pernas dispostas paralelamente entre si que são ligadas uma à outra, nas extremidades, por uma culatra, de acordo com as características do preâmbulo da reivindicação 1. Em particular, a invenção diz respeito a um núcleo para uma, assim chamada, bobina de indução ressonante, normalmente destinada a ser usada em componentes dos circuitos de comutação.

Nas últimas décadas, a frequência de comutação em componentes dos circuitos de comutação vem sendo gradualmente aumentada, de modo a minimizar o tamanho dos elementos de indução e, consequentemente, também o tamanho dos componentes dos circuitos de comutação. Devido à emergente perda de comutação nos semicondutores de potência, resultante das altas frequências, a tendência nos últimos anos dirige-se para topologias de comutação ressonantes ou quasi-ressonantes, em que os semicondutores de potência tanto são ligados num estado de corrente eléctrica nula (ZCS: Zero Current Switch) como num estado de tensão eléctrica nula (ZVS: Zero Voltage Switch). Estas -2- ΡΕ1501106 topologias de comutação tornam necessário o recurso a uma bobina de indução ressonante.

As bobinas de indução ressonante são caracterizadas por a corrente que passa através da bobina de indução ser frequentemente sinusoidal, embora também se possa tratar de correntes com forma de onda rectangular ou triangular. No entanto, existe sempre uma grande diferença de corrente ΔΙ nas frequências de comutação muito altas. Nestas circunstâncias, no dimensionamento de uma bobina de indução serão de aplicar as seguintes directrizes de design: - deve ser utilizado material de núcleo com baixa perda de potência eléctrica, por exemplo ferrite - a modulação do núcleo deve ser relativamente pequena, sendo por exemplo alcançada através de um mais elevado número de voltas de enrolamento, ou através de um grande entreferro - deve ser usada uma fina trança metálica de alta frequência - o núcleo deve ser enrolado apenas por um dos lados - a trança metálica de alta frequência não deve ficar muito próxima do entreferro - os entreferros não devem ser muito grandes de modo a manterem o campo de dispersão pequeno.

Ao considerar essas directrizes, pode acontecer que algumas sejam ocasionalmente contraditórias, por -3- ΡΕ1501106 exemplo a manutenção de um entreferro mais pequeno devido ao campo de dispersão está em contradição com um entreferro maior para manter a modulação de corrente pequena, pelo que terá de ser sempre encontrado um compromisso entre os critérios. A busca de uma pequena modulação do núcleo tem como resultado que a permeabilidade efectiva do núcleo fica muito reduzida e, consequentemente, o entreferro será muito qrande. Uma permeabilidade μ de 35 a 40 é o melhor que se pode conseguir por intermédio de uma ferrite com um a dois entreferros.

Para se alcançar uma permeabilidade ainda mais pequena, o núcleo pode ser cortado através da inserção de mais entreferros. No passado, era por exemplo utilizado um núcleo toroidal segmentado, no qual se alternavam entreferros com segmentos de núcleo toroidais. A desvantagem aqui prende-se com o preço elevado, uma vez que ainda não se encontram disponíveis para aquisição núcleos toroidais segmentados já prontos, e a colagem conjunta das peças torna-se muito difícil. Além disso, é difícil obter uma distância para a trança metálica de modo que a janela de enrolamento fique cada vez mais pequena, deixando de ser possível o enrolamento por um dos lados.

Para a maior parte dos elementos de indutância será conveniente uma bobina de enrolamento cilíndrica, que tem como vantagem o facto de ter um mais pequeno comprimento de enrolamento e, graças a uma elevada razão -4- ΡΕ1501106 superfície/volume, as propriedades térmicas serem mais favoráveis.

No documento DE 12 45 487 B é feita a divulgação de um processo de fabricação de um núcleo de ferro laminado para transformadores e bobinas de indução. O núcleo ai mostrado possui as caracteristicas do preâmbulo da reivindicação 1. Trata-se aqui de uma redução de ruído que é provocada pelo núcleo de ferro laminado, no qual a trajectória magnética é interrompida em uma ou mais posições através de um entreferro ou barras não magnéticas, sendo estas barras não magnéticas coladas com uma massa endurecedora de boa adesão sobre as placas de núcleo varridas na posição de interrupção. A fabricação de um tal núcleo de ferro laminado com placas coladas é relativamente complexa e dispendiosa.

No documento GB 2 037 089 A é feita a divulgação de um dispositivo (transformador), o qual dispõe de um núcleo ferromagnético. Este núcleo apresenta lateralmente uma coluna unilateral que está dividida numa multiplicidade de sub-colunas, as quais são preenchidas com um material fixo, não ferromagnético (cola e partículas de vidro). As colunas são magneticamente colocadas umas ao lado das outras através da disposição de material ferromagnético. Desta forma, o tamanho das partículas de vidro determina a largura da coluna. As áreas dos entreferros limitam o campo de dispersão que passa através da folha de alumínio do lado primário do transformador, a qual é enrolada sobre o núcleo -5- ΡΕ1501106 de ferrite. O núcleo do secundário é feito com fios de cobre. Esta invenção tem a desvantagem de o entreferro se situar apenas de um lado e ai existir um mais elevado ruido no enrolamento comparativamente com um núcleo em conformidade com o enrolamento apresentado. O documento GB 1 229 437 A faz a divulgação de um núcleo magnético, que apresenta uma forma tridimensional triangular ou redonda com três regiões de depleção ("Butzen = pinch-off regions") . Os segmentos individualizados das regiões de depleção são feitos de placas laminadas e as culatras de placas laminadas com formato triangular. O trabalho de Boyle J.W. et al. "HF Magnetics for High Power Resonant Switching Converters" - apresentado no Colóquio da IEE sobre sistemas ressonantes, (Digest n° 95/013), em Londres 1995, páginas 4/1 a 4/7, XP006528741 -divulga um núcleo de ferrite para um elemento de indutância que consiste em dois núcleos em forma de E, cujas peças intermédias de ligação são interligados através de segmentos do tipo pastilha para formação de entreferros. O documento US 2002/0132136 Al faz a divulgação de um núcleo magnético composto por várias placas de material, as quais são separadas umas das outras por materiais de isolamento. -6- ΡΕ1501106 0 objectivo da invenção consiste em proporcionar um núcleo para um elemento de indutância, e num correspondente elemento de indutância, com o qual seja possível alcançar uma elevada densidade de potência da indutância, e que seja relativamente simples de montar e económico. O núcleo de ferrite é particularmente adequado para ser usado em bobinas de indução ressonantes.

Este objectivo é alcançado por um núcleo possuindo as características da reivindicação 1 da Patente. Um elemento de indutância com um núcleo desse tipo é apresentado na reivindicação 5.

Uma característica essencial da invenção reside em que o núcleo seja um núcleo de ferrite, no qual as pernas são cilíndricas e onde os segmentos individualizados são construídos sob a forma de pastilhas de ferrite ("Ferrittabletten") comprimidas, apresentando uma secção transversal redonda ou oval. Os segmentos são separados entre si por intermédio de um isolador.

Os isoladores são feitos de um material com uma permeabilidade μ-l. Estes desempenham o papel de "entreferro" entre os segmentos individualizados, ou seja os troços das pernas. 0 modelo com múltiplos entreferros é adequado para bobinas de indução ressonantes, pois os entreferros -7- ΡΕ1501106 individuais são relativamente pequenos, mesmo para a permeabilidade mais pequena.

As pernas têm uma secção transversal redonda ou oval. Um formato redondo ou oval das áreas das pernas a serem enroladas permite minimizar a perda no cobre e um mais fácil enrolamento. A culatra tem uma secção transversal rectangular, de modo que as extremidades das pernas possam ser facilmente dispostas sobre uma superfície plana da culatra. O núcleo de ferrite, de acordo com um outro modelo de realização para a invenção, pode ser construído como um núcleo em forma de "E" com três pernas, as quais são ligadas entre si sobre uma culatra. Nestas circunstâncias, os eixos longitudinais das pernas assentam todos num mesmo plano.

Para aplicações especiais ou condições estruturais particulares, também pode estar previsto que os eixos longitudinais das pernas assentem em planos diferentes, pelo menos parcialmente, para seja permitida uma disposição triangular das pernas numa vista de cima.

Como elemento de indutância equipado com um núcleo de ferrite de acordo com a invenção, será preferencialmente usada uma bobina de indução ressonante, em que a perna será de preferência enrolada com uma única -8- ΡΕ1501106 camada de enrolamento. O enrolamento é constituído por tranças metálicas de alta frequência.

Para manter baixa a influência do campo de dispersão sobre o enrolamento, pode ser colocado um isolador entre as correspondentes pernas do núcleo de ferrite e os enrolamentos, de modo a permitir criar uma certa distância entre o enrolamento e o núcleo, ou o respectivo entreferro. No entanto, também pode ser colocado um corpo de bobina que envolva o núcleo, pelo menos na área do enrolamento.

Outra vantagem da invenção reside em que a razão entre a largura da janela de enrolamento e a altura da janela de enrolamento pode ser optimizada de forma adaptada à respectiva aplicação, tornando por exemplo possível aplicar uma única camada de enrolamento. Daqui resultam reduzidas perdas no cobre, graças ao deslocamento da corrente eléctrica e a um componente de baixa capacidade. A altura da janela de enrolamento pode ser ajustada de maneira a poder ser definida uma distância ideal entre tranças metálicas e entreferro.

Os segmentos das pernas, de preferência cilíndricos, são produzidos com uma ferramenta relativamente simples e também de forma económica. As "pastilhas de ferrite" comprimidas requerem pouco ou nenhum pós-processamento, antes de poderem ser coladas umas às outras. Os segmentos são fáceis de colar e o seu -9- ΡΕ1501106 enrolamento (enrolamento em camada) é simples. Pode-se até mesmo fazer o enrolamento directamente sobre o núcleo. O conceito de núcleo de ferrite conjuntamente montado é muito variável, já que se podem fazer muitas bobinas de indução diferentes com dois a três tamanhos de segmentos, ou seja com diferentes diâmetros e alturas. O modelo de núcleo de ferrite em conformidade com a invenção pode, com relativa facilidade, estar equipado com um dissipador de calor, visando alcançar a maior densidade de energia possível. Tanto o enrolamento como o próprio núcleo disponibilizam uma suficiente "superfície de contacto" para um dissipador de calor passivo.

Um modelo de realização para a invenção passa agora a ser descrito em maior detalhe, fazendo referência aos desenhos. A Figura 1 representa uma vista lateral do núcleo de ferrite em conformidade com a invenção, com um correspondente enrolamento; a Figura 2 mostra uma secção de corte realizado através do núcleo de ferrite em conformidade com a invenção. A Figura 1 representa uma vista lateral do núcleo de ferrite em conformidade com a invenção. O núcleo de ferrite é essencialmente constituído por duas pernas 1, 2 preferencialmente cilíndricas, cujas extremidades estão respectivamente ligadas entre si por intermédio de uma -10- ΡΕ1501106 culatra 3, 4. Cada uma das pernas cilíndricas 1, 2 - também designadas por regiões de depleção - será de preferência composta por diversos segmentos uniformes 5 conjuntamente montados, estando tais segmentos separados uns dos outros por discos isoladores 6. Os segmentos 5 e os discos isoladores 6 são colados uns aos outros, tal como acontece com as pernas 1, 2 que são coladas às respectivas culatras 3, 4.

Ambas as pernas 1, 2 dispõem de um enrolamento 7, o qual pode ser directamente enrolado nas regiões de depleção 1, 2 conforme indicado na Figura 1. De preferência, será usada uma única camada de enrolamento 7.

Em contraste com a Figura 1, na Figura 2 o enrolamento 7 não está directamente aplicado sobre as pernas 1, 2. Em vez disso, cada uma das pernas 1, 2 é inicialmente envolvida com um material de isolamento 8, sendo depois o enrolamento 7 aplicado sobre este material de isolamento 8.

Na Figura 1, estão identificadas as correspondentes altura da janela de enrolamento H e largura da janela de enrolamento B. De acordo com este modelo de núcleo, a razão entre a largura da janela de enrolamento B e a altura da janela de enrolamento H pode ser facilmente alterada e adaptada às respectivas condições.

Lisboa, 19 de Abril de 2011

Claims (3)

1. ΡΕ1501106 -1 - REIVINDICAÇÕES 1. Núcleo para um elemento de indutância, com pelo menos duas pernas (1; 2) dispostas essencialmente paralelas uma à outra, que são ligadas entre si nas suas duas extremidades por uma culatra (3; 4); tais pernas (1; 2) consistem numa multiplicidade de segmentos individualizados (5), cada um dos quais ficando separado dos outros por um isolador (6), sendo os segmentos (5) e os isoladores (6) colados uns aos outros; as culatras (3; 4) são configuradas como núcleos em I com uma secção transversal rectangular; o núcleo é caracterizado por consistir num núcleo de ferrite, em que as pernas (1; 2) são cilíndricas e os segmentos individualizados (5) são configurados sob a forma de pastilhas de ferrite comprimidas apresentado uma secção transversal redonda ou em formato oval.
2. 2. Núcleo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dispor de três pernas. 3. Núcleo de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por os eixos longitudinais das pernas (1; 2) assentarem todos num mesmo plano. 4. Núcleo de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por os eixos longitudinais das pernas assentarem, pelo menos parcialmente, em planos diferentes. -2- ΡΕ1501106

   5. Elemento de indutância caracterizado por compreender um núcleo de ferrite de acordo com as reivindicações 1 a 4.

   6. Elemento de indutância de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por consistir numa bobina de indução.

   7. Elemento de indutância de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado por consistir numa bobina de indução ressonante.

   8. Elemento de indutância de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado por o enrolamento (7) consistir em uma ou mais camadas de tranças metálicas de alta frequência.

   9. Elemento de indutância de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizado por o enrolamento (7) consistir numa combinação entre uma ou mais camadas de tranças metálicas de alta frequência e uma banda de cobre.

   10. Elemento de indutância de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 9, caracterizado por ser instalado um isolador (8; 9) entre o enrolamento (7) e as correspondentes pernas (1; 2) do núcleo de ferrite. -3- ΡΕ1501106

   11. Elemento de indutância de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 10, caracterizado por o núcleo de ferrite estar envolvido, pelo menos parcialmente, por um corpo de bobina. Lisboa, 19 de Abril de 2011 ΡΕ1501106 1/1
3. 3 ΡΕ1501106 -1 - REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO Esta lista de referências citadas pelo requerente é apresentada somente para conveniência do leitor e ela não faz parte do documento de patente Europeia. Ela foi compilada com grande cuidado; no entanto, o European Patent Office - EPO descarta qualquer responsabilidade relativamente aos eventuais erros ou omissões. Documentos de Patente citados na descrição . DE 1245487 B . GB 1229437 A . GB 2037089 A . US 20020132136 AI Documentos citados na descrição que não constituem Patentes . Boyle J.W. et al. HF Magnetics For High Power Resonant Switching Converters. IEE Colloquium on Resonant Systems, 1995, 4, 1-47