RO131757B1 - Transformator planar cu nanofluid magnetic - Google Patents

Description

Invenția se referă la un transformator planar cu nanofluid magnetic, de joasă tensiune și mică putere utilizat în circuite electronice ca transformator separator, în aplicații de tip harvesting energy, convertoare DC/DC de tip Flayback și Forward.

Se cunosc soluții tehnice privind transformatoare planare cu circuit magnetic realizat în totalitate din ferită cu profile de tip E, alte transformatoare planare cu bobine realizate prin tehnologia LIGA și circuit magnetic realizat integral din ferită cu profile de tip E și I.

De exemplu, documentul US 2010/0079233 face referire la un transformator planar având o structură de sandwich constituit dintr-un miez din material feromagnetic format din două jumătăți identice având formă de E, bobine primare și secundare formate pe plăci de circuit imprimat dublu stratificat, intercalate între ele, bobine conectate între ele în serie sau paralel și straturi izolatoare poziționate între plăcile cu bobine.

Dezavantajele soluțiilor cunoscute sunt următoarele:

- gabarit mărit comparativ la aceeași frecvență de lucru și cuplaj magnetic scăzut datorită în special existenței liniilor de câmp de dispersie și a întrefierurilor constructive;

- limitarea domeniului de frecvență determinat de tipul de ferită și de capacitățile parazite manifestate atât între spirele bobinelor planare cât și între bobinele primare și secundare;

- randamentul global scăzut.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în creșterea performanțelor specifice unui transformator planar.

Transformatorul planar cu nanofluid magnetic, conform invenției, înlătură dezavantajele menționate mai sus prin aceea că cele două bobine planare primare și cele două bobine planare secundare sunt identice ,având diametrul în intervalul 35-45 mm, fiind dispuse fiecare pe câte o placă din sticlo-textolit de grosime 1 mm placată pe ambele fețe cu un strat de cupru de grosime 35 pm și realizate prin frezare cu un interstițiu în intervalul 0,2-0,5 mm; fiecare bobină planară primară este formată din două semibobine de câte 20 de spire fiecare, înseriate între ele și dispuse față-verso, pe aceeași placă și identic se realizează bobina planară secundară; bobinele primare, formate fiecare din câte 40 de spire se înseriază între ele, între acestea se află bobinele secundare de asemenea înseriate între ele, formate fiecare din câte 40 de spire și toate bobinele sunt izolate între ele prin trei izolații de grosime 0,1 mm; ansamblul circuit magnetic tip format din două miezuri magnetice superior și inferior din ferită identice suprapuse simetric și un miez lichid format dintr-un nanofluid magnetic în care sunt imersate ansamblul de bobine și cele două miezuri magnetice; nanofluidul magnetic este obținut prin metoda co-precipitării reprezentând o suspensie coloidală de nanoparticule de magnetita Fe₃O₄ acoperite cu un strat de surfactant acid oleic și dispersate în ulei de transformator, cu caracteristica magnetică ce necesită o magnetizatie de saturație între 500 Gs și 1000 Gs iar fracția volumică în intervalul 22-24%, valorile susceptivitatii magnetice inițiale 4,224E^-3 emu/Oe, respectiv 7,680E^-3 emu/Oe și stabilitate cinetică.

Avantajele invenției sunt următoarele:

- miniaturizarea prin forma constructivă a bobinelor planare precum și poziționarea lor în cadrul ansamblului de bobine planare ce contribuie de asemenea la cuplajul magnetic îmbunătățit cu până la 10%;

- utilizarea unui nanofluid magnetic specific, cu magnetizatia de saturație ridicată, între 500 Gs și 1000 Gs, ca miez lichid, parte a circuitului magnetic elimină toate întrefierurile și liniile de câmp magnetic de dispersie, determină realizarea unui cuplaj magnetic îmbunătățit cu până la 10% și creșterea randamentului global cu până la 5%;

- utilizarea miezurilor magnetice din ferită suprapuse simetric în conjuncție cu nanofluidul magnetic specific pentru realizarea ansamblului circuit magnetic ce permite extinderea domeniului de frecvență de până la 1000 Mhz.

Avantajele utilizării nanofluidului magnetic, conform invenției ca parte a circuitului 1 magnetic sunt:

- stabilitate termică a nanoparticulelor precum și a soluției coloidale în ansamblu este 3 foarte importantă pentru proiectarea diferitelor dispozitive electromecanice care utilizează nanofluidul magnetic; 5

- de asemenea, se manifestă o foarte bună stabilitate în timp a soluției coloidale;

- nanofluidul magnetic face parte din categoria nanomaterialelor ce manifestă7 simultan proprietăți magnetice respectiv proprietățile unui fluid; în acord cu aceasta particularitate se folosește ca miez lichid.9

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură cu fig. 1...9 care reprezintă:11

- fig. 1, secțiune prin transformator planar cu nanofluid magnetic;

- fig. 2, secțiune prin ansamblul carcasă;13

- fig. 3, dispunerea bobinelor planare în miezurile magnetice din ferită;

- fig. 4, curbele de primă magnetizare pentru probele MF1000 respectiv MF500 15 corespunzătoare magnetizațiilor de saturație la 1000 Gs respectiv 500 Gs;

- fig. 5, curbele de vâscozitate pentru probele MF1000 și MF500 la temperaturile 17 t = 25, 35, 45, 55, 65°C și pentru diferite valori ale inducției câmpului magnetic;

- fig. 6, variația conductivității termice efective cu temperatura, pentru probele MF 19 1000 și MF 500;

- fig. 7, spectrul liniilor de câmp magnetic în cazul alimentării transformatorului planar 21 pe la cele două bobine primare;

- fig. 8, capturi osciloscop ale formelor de undă pentru tensiunea primară de excitație23 și pentru tensiunea din secundarul transformatorului 1, pentru frecvența 500,3 kHz;

- fig. 9, vedere explodată a transformatorului planar.25

Transformatorul planar cu nanofluid magnetic de joasă tensiune și putere mică, conform invenției, utilizează nanofluid magnetic și ferită ca circuit magnetic și este alcătuit27 dintr-un ansamblu de bobine planare, un ansamblu circuit magnetic și un ansamblu carcasă.

Ansamblul de bobine planare este format din patru bobine planare, respectiv două 29 bobine planare primare 1a identice și două bobine planare secundare 1b, identice, dispuse fiecare pe câte o placă din sticlo-textolit de grosime 1 mm și diametru în intervalul 35-45 mm, 31 placate pe ambele fețe cu un strat de cupru de grosime 35 pm și realizate prin frezare cu un interstițiu în intervalul 0,2-0,5 mm dimensionat în funcție de curentul vehiculat prin bobinele 33 planare.

Fiecare bobină planară primară 1a este formată din două semibobine inseriate, 35 dispuse față-verso, pe aceeași placă. Cele două semibobine au fiecare câte 20 de spire realizate prin frezare pe placă. Apoi cele două semibobine se înseriază între ele rezultând 37 o bobină primară 1a.

Fiecare bobină planară secundară 1b este formată din două semibobine înseriate, 39 dispuse față-verso, pe aceeași placă. Cele două semibobine au fiecare câte 20 de spire realizate prin frezare pe placă. Apoi cele două semibobine se înseriază între ele rezultând 41 o bobină secundară 1b.

Bobinele primare 1a, formate fiecare din câte 40 de spire se înseriază între ele 43 conform fig.1. Între acestea se află bobinele secundare înseriate între ele, formate de asemenea fiecare din câte 40 de spire. Toate bobinele sunt izolate între ele prin trei izolații 45 din hostaphan (polietilen tereftalat), de grosimea 0,1 mm.

Ansamblul de bobine planare se fixează față de cele două miezuri magnetice superior 4a și inferior 4b prin intermediul a doi distanțieri 3a și 3b realizați din sticlotextolit.

Ansamblul circuit magnetic, este alcătuit din:

- două miezuri magnetice superior 4a și inferior 4b, de tip oală 3F3, identice, din ferită, suprapuse simetric conform fig. 1 și fig. 9;

- un miez lichid format dintr-un nanofluid magnetic 5, în care sunt imersate ansamblul de bobine și cele două miezuri magnetice 4a și 4b, plasate în ansamblul carcasă. Rolul nanofluidului magnetic 5, este de a elimina toate întrefierurile și implicit liniile de câmp magnetic de dispersie (fig. 7). Acest nanofluid magnetic 5, este obținut prin metoda co-precipitării, reprezentând o suspensie coloidală de nanoparticule de magnetită (Fe₃O₄), acoperite cu un strat de surfactant acid oleic și dispersate în ulei de transformator. Pentru a fi utilizat ca miez lichid de transformator, nanofluidul magnetic 5, necesită stabilitate coloidală, caracteristici adaptate condițiilor de funcționare și compatibilitate funcțională cu materialele electrotehnice cu care se află în contact. Caracteristica magnetică este cea mai importantă pentru aceasta utilizare necesitând o magnetizatie de saturație ridicată, între 500 Gs și 1000 Gs. Fracția volumică (raportul dintre volumul nanoparticulelor de magnetită și volumul întregului nanofluid magnetic) s-a obținut în intervalul 22-24%, determinind magnetizația de saturație între valorile 500 Gs și 1000 Gs. În urma caracterizării magnetice (conform fig.4), magneto-reologice (conform fig.5) și termice (conform fig.6) a nanofluidelor magnetice, conform invenției, la 500 Gs și la 1000 Gs, au rezultat următoarele:

- din curbele de magnetizatie (conform fig.4) se obțin valorile susceptivității magnetice inițiale 4,224E^-3 emu/Oe, respectiv 7,680E^-3 emu/Oe;

- din determinările experimentale magneto-reologice (conform fig.5) a rezultat că nanofluidele magnetice cu 500 G și 1000 G se comportă cvasi-Newtonian (vâscozitatea este independentă de viteza de forfecare aplicată). Aceasta demonstrează stabilitatea cinetică deosebită a probelor. De asemenea, pe intervalul testat respectiv între 25°C și 65°C, vâscozitatea scade cu creșterea temperaturii;

- din determinările experimentale magneto-reologice (conform fig.5) se observă o creștere a vâscozității în prezența câmpului magnetic extern, deci particulele încep să formeze mici aglomerate, efectul saturându-se la valorile mari ale inducției B;

- din determinările experimentale ale conductivității termice (conform fig.6) efective a nanofluidelor magnetice, conform invenției, realizate pentru intervalul de temperatură 25°C-65°C, a rezultat că valorile conductivității termice sunt cvasi-constante cu creșterea temperaturii (variația pe intervalul analizat situându-se sub 2%, pentru ambele nanofluide magnetice), în timp ce dublarea magnetizației de saturație conduce la o creștere cu 65% a conductivității termice efective.

Ansamblul carcasă în care sunt imersate în nanofluidul magnetic atât ansamblul bobine cât și ansamblul circuit magnetic, se compune din cuva 6, realizată din aliaj duraluminiu 7075-T6, capacul 7, din aliaj duraluminiu 7075-T6, garnitura 8 cu rol de etanșare și un șurub central 9 din alamă CuZn 37, care fixează ansamblul circuit magnetic și ansamblul bobine planare, de cuva 6. Capacul 7 conține: o plăcuță cu borne 10, un sistem de alimentare cu nanofluid magnetic 11, alcătuit dintr-un ștuț de alimentare 12, un capac ștuț 13, o garnitură ștuț 14 și patru șuruburi de fixare 15.

Transformatorul planar mai conține patru șuruburi 16 cu rol de fixare în cadrul aplicațiilor specifice în care se utilizează.

Miniaturizarea constructivă a transformatorului planar conform invenției se 1 realizează prin:

- forma constructivă a bobinelor planare, 1a și 1b, realizate prin frezare cu un 3 interstițiu în intervalul 0,2-0,5 mm pe plăcile de sticlotextolit placate pe ambele fețe cu un strat de cupru de grosime 35 pm precum și poziționarea lor în cadrul ansamblului de bobine 5 planare, determină un cuplaj magnetic îmbunătățit cu până la 10% (fig. 7);

- utilizarea miezurilor magnetice din ferită tip 3F3, 4a și 4b, suprapuse simetric în 7 conjuncție cu nanofluidul magnetic specific 5, pentru realizarea ansamblului circuit magnetic.

Utilizarea nanofluidului magnetic specific 5, ca miez lichid, parte a circuitului mag- 9 netic, conform invenției aduce beneficii în funcționarea transformatorului prin eliminarea tuturor întrefierurilor (inevitabile în cadrul construcțiilor clasice ale transformatoarelor) și 11 implicit a liniilor de câmp magnetic de dispersie. De asemenea, contribuie la realizarea unui cuplaj magnetic îmbunătățit cu până la 10% (fig. 7) având consecințe în creșterea randamen- 13 tului global cu până la 5%. Realizarea formei constructive, precum și caracteristicile transformatorului, conform invenției, conduc la posibilitatea folosirii în aplicații ale convertoarelor 15 DC/DC cu utilizare în domeniul Harvesting Energy, în domeniul extins de frecvență 500-1000 Mhz (fig. 8). 17

Alte aplicații ale nanofluidului magnetic, conform invenției:

- utilizarea nanofluidului magnetic pentru aplicații de etanșare, etanșări rotitoare fără19 scăpări și uzură foarte redusă pentru vid înaintat;

- utilizarea nanofluidului magnetic în cazul lagărelor active, lagăre silențioase;21

- sisteme specifice de micro-pompare, utilizând nanofluide magnetice;

- amortizoare pasive și semiactive;23

- traductoare și senzori pentru mărimi aerodinamice accelerație/înclinare;

- traductoare și senzori pentru mărimi neelectrice cum sunt debitul și presiunea;25

- agent de răcire cu coeficient de transfer termic controlat magnetic pentru aplicații speciale, cum sunt transformatoare și treceri izolate;27

- nanopolimeri magnetizabili pentru componente din domeniul aeronauticii;

- dispozitive electroacustice;29

- sisteme de poziționare cu utilizarea nanofluidelor magnetice.

Referințe bibiografice:

1. E. Blums, A. Cebers, M.M. Maiorov, Magnetic Fluids, Publisher Walter der Guyter,33

Berlin New York, 1997.

2. L. Vekas, Doina Bica and Mikhail V. Avdeev, Magnetic nanoparticles and 35 concentrated magnetic nanofluids: Synthesis, properties and some applications, China Particuology, 5,43-49, 2007.37

3. Doina Bica, Preparation of magnetic fluids for various applications, Romanian Reports in Physics, 47 (3-5), 265-272,1995.39

4. Daniela Susan-Resiga, V Socoliuc, T Boros, Tunde Borbath, Oana Marinica, Adelina Han, L Vekas, The influence of particle clustering on the rheological properties of 41 highly concentrated magnetic nanofluids, Journal of colloid and interface science, 373 (1), 110-115, 2012. 43

Claims (2)

Revendicări

1. Transformator planar cu nanofluid magnetic, alcătuit din ansamblul de bobine planare, format din bobine planare, primare (1a) și secundare (1b), care se fixează prin intermediul a doi distanțieri (3a, 3b) realizați din sticlotextolit, ansamblul carcasă se compune din cuva (6), realizată din aliaj duraluminiu, capacul (7), din aliaj duraluminiu, garnitura (8) cu rol de etanșare și un șurub central (9) din alamă, care fixează ansamblul circuit magnetic și ansamblul bobine planare de cuva (6), capacul (7) conține o plăcuță cu borne (10), un sistem de alimentare cu nanofluid magnetic (11), alcătuit dintr-un ștuț de alimentare (12), un capac ștuț (13), o garnitură ștuț (14) și patru șuruburi de fixare (15) iar pentru amplasare patru șuruburi (16), caracterizat prin aceea că, cele două bobine planare primare (1a) și cele două bobine planare secundare (1b) sunt identice, dispuse fiecare pe câte o placă din sticlo-textolit de grosime 1 mm și diametru în intervalul 35-45 mm, placată pe ambele fețe cu un strat de cupru de grosime 35 pm realizate prin frezare cu un interstițiu în intervalul 0,2-0,5 mm, fiecare bobină planară primară (1a) este formată din două semibobine de câte 20 de spire fiecare, înseriate, dispuse față-verso, pe aceeași placă, cele două semibobine au fiecare câte 20 de spire și identic se realizează bobina secundară (1b); bobinele primare (1a), formate fiecare din câte 40 de spire se înseriază între ele, între acestea se află bobinele secundare de asemenea înseriate între ele, formate fiecare din câte 40 de spire și toate bobinele sunt izolate între ele prin trei izolații (2), de grosime 0,1 mm, iar ansamblul circuit magnetic este format din două miezuri magnetice superior (4a) și inferior (4b) din ferită identice suprapuse simetric și un miez lichid format dintr-un nanofluid magnetic (5) în care sunt imersate ansamblul de bobine și cele două miezuri magnetice (4a, 4b).

2. Transformator planar cu nanofluid magnetic conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, nanofluidul magnetic (5), este obținut prin metoda co-precipitării, reprezentând o suspensie coloidală de nanoparticule de magnetita Fe₃O₄ acoperite cu un strat de surfactant acid oleic și dispersate în ulei de transformator, cu caracteristica magnetică ce necesită o magnetizație de saturație între 500 Gs și 1000 Gs iar fracția volumică în intervalul 22-24%, valorile susceptivității magnetice inițiale 4,224E^-3 emu/Oe, respectiv 7,680E^-3 emu/Oe și stabilitate cinetică.