La presente invención se centra en el campo de las inductancias o bobinas magnéticas,

las cuales permiten almacenar energía en forma de campo magnético. El objeto de la invención es la presentación de una nueva morfología para bobina magnética de corriente continua, compuesta únicamente a partir de chapa ferromagnética, de manera que ésta puede realizar las funciones de conductor de corriente eléctrica y de núcleo magnético simultáneamente

Inductancia para corriente continua.

Objeto de la invención

La presente invención se centra en el campo de las inductancias (o bobinas magnéticas), las cuales permiten almacenar energía en forma de campo magnético. El objeto de la invención es la presentación de una nueva morfología para bobina magnética de corriente continua, compuesta únicamente a partir de chapa ferromagnética, de manera que ésta puede realizar las funciones de conductor de corriente eléctrica y de núcleo magnético simultáneamente.

Antecedentes de la invención

Actualmente las inductancias son empleadas tanto en aplicaciones eléctricas como electrónicas, con la misión fundamental de almacenar energía (su capacidad de almacenamiento viene representado por su coeficiente de autoinducción).

En el diseño de inductancias (o bobinas magnéticas) normalmente se presentan, entre otros, los siguientes problemas:

1. Tamaño y peso. En muchas ocasiones estas inductancias deben ser diseñadas para soportar elevados niveles de corriente y presentar gran coeficiente autoinductivo, y es necesario fabricarlas de un tamaño y peso elevado (lograr más autoinductancia está directamente ligado a estos dos anteriores factores). En electrónica de potencia, en muchas ocasiones las inductancias representan la mayor parte del peso de todo el equipo. En equipos embarcados (transporte ferroviario, aéreo, etc.) las especificaciones son muy rigurosas al respecto, ya que afecta directamente al consumo energético.

2. Resistencia en serie con la inductancia. Debido a las resonancias eléctricas que producen las inductancias junto con las capacidades presentes en el sistema, en algunas aplicaciones es importante añadir resistencias serie de elevado tamaño para amortiguar las formas de onda de tensión y de corriente.

3. Para corrientes o frecuencias de trabajo muy elevadas, habitualmente se emplean bobinas de núcleo de aire. Estas bobinas utilizan una gran cantidad de cobre (precio elevado), y producen una elevada emisión EMI.

Una aplicación que puede servir de ejemplo para ilustrar estos problemas, y para la cual resulta de especial utilidad la aplicación del componente que se presenta en este documento, es la tracción ferroviaria.

Actualmente, es necesario incluir en los convertidores auxiliares y sistemas de tracción de los trenes una bobina de gran inductancia y alto voltaje.

La señalización para los semáforos se envía por las vías y por tanto, no deben existir interferencias entre esta señalización y dichos convertidores.

Para evitar estas interferencias, a esta bobina de gran inductancia y alto voltaje es necesario añadirle resistencias serie de gran valor para poder reducir al máximo la resonancia producida por la misma. Por este motivo, algunos fabricantes incluso se ven en la obligación de montar físicamente estas resistencias junto con la bobina en sus propios sistemas, lo que implica un mayor tamaño y peso del sistema.

Morfológicamente, hasta el momento actual, las bobinas para estas aplicaciones ferroviarias se fabrican de núcleo de aire o de núcleo de hierro.

Las bobinas de núcleo de aire provocan una dispersión del campo considerable. La dispersión de este campo suele presentar un problema de cara a cumplir las recomendaciones sobre emisión de campo electromagnético a baja frecuencia, y puede afectar tanto a las personas como a las propias señales enviadas a los semáforos.

Además, se necesita una gran cantidad de cobre para su fabricación, con lo cual su precio y peso se eleva de forma considerable.

Con respecto a las bobinas de núcleo de hierro, se necesita menos cobre para su fabricación, con lo cual la resistencia serie que se nos presenta es mucho menor, y esto va en contra de lo que buscamos para nuestros sistemas.

No se conocen en el estado de la técnica soluciones de inductores con conductores de sólo chapa ferromagnética debido a los problemas que implicarían las corrientes inducidas, y la gran dificultad del diseño por la compleja distribución de flujo.

Descripción de la invención

Las bobinas convencionales con conductores de cobre no aprovechan el espacio ocupado por el cobre desde el punto de vista energético, ya que éste es un mal conductor magnético pese a ser un muy buen conductor eléctrico.

Sin embargo, la chapa ferromagnética es un buen conductor tanto eléctrico como magnético, con lo cual todo el espacio ocupado por el componente queda energéticamente aprovechado.

Ello, unido al hecho de que el coste de la chapa ferromagnética es considerablemente menor al del cobre, hace que la posibilidad de concebir bobinas de sólo chapa ferromagnética resulte interesante.

La invención se refiere a una bobina magnética para sistemas de corriente continua, que comprende al menos un elemento magnético conectado entre dos terminales de conexión. La bobina se caracteriza porque dicho elemento magnético está formado por al menos una chapa de material ferromagnético arrollada en forma de espiral sobre un mismo plano, de manera que define un cuerpo tubular cilíndrico.

Las principales ventajas que presenta la bobina de material ferromagnético objeto de la invención, son las siguientes:

• Una considerable reducción en peso del sistema. En sistemas embarcados, ello supone una gran ventaja ecológica, ya que trasladar menos peso en el interior del transporte implica un ahorro energético importante.

• Capacidad de integrar una resistencia elevada en serie con la inductancia, necesaria en algunas aplicaciones tanto eléctricas como electrónicas.

• Menor emisión EMI, sobre todo respecto a las bobinas de núcleo de aire.

• Saturación progresiva, debido a la no uniforme distribución del campo magnético, de manera que siguen presentando un elevado coeficiente inductivo aun para corrientes muy elevadas.

• Se evita la necesidad de utilizar cobre, fabricándose el componente sólo a partir de material ferromagnético. Esto se traduce en una reducción considerable no sólo en peso sino también en costes (el cobre tiene un precio elevado).

La conductividad de la chapa magnética es relativamente alta, pero menor que la del cobre, por lo que se producen pérdidas de potencia más elevadas. Además, el hecho de que este material sea un buen conductor eléctrico y magnético potencia las interacciones electromagnéticas no lineales, y ello intensifica aun más la disipación de calor.

Sin embargo, existen ciertas aplicaciones para las cuales los inconvenientes de utilizar chapa ferromagnética no suponen un problema. Por ejemplo, en el caso de la tracción ferroviaria explicada en la sección previa, las bobinas utilizadas soportan un elevado nivel de corriente continua, y un rizado de alterna de magnitud mucho menor. Además, se necesitan elevadas resistencias serie para suprimir las resonancias producidas entre la bobina y las capacidades presentes en el sistema.

Las bobinas magnéticas de sólo chapa ferromagnética se presentan especialmente ventajosas en este caso, ya que:

• Integran la resistencia serie con la bobina magnética en un solo componente, gracias a la menor conductividad de la chapa, respecto a la del cobre.

• Se eliminan los problemas derivados de la elevada disipación de calor debido a las interacciones electromagnéticas no lineales, ya que el nivel de corriente alterna es mucho menor que el nivel de corriente continua.

• Menor emisión EMI que la de las bobinas de núcleo de cobre.

• Menor peso del componente. Considerando el elevado peso y tamaño de estos componentes, la reducción de peso embarcado es considerable, con lo cual el impacto energético es grande, teniendo en cuenta la gran cantidad de kilómetros que recorre un tren a lo largo de su vida útil.

Breve descripción de las figuras

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo y para complementar esta descripción, se acompaña como parte integrante de la misma un juego de dibujos, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- muestra una gráfica ilustrativa de las lineas de flujo magnético obtenidas en una bobina ferromagnética objeto, de la invención. La figura está representada en coordenadas cilíndricas, con simetría axial,...

1. Inductancia magnética para corriente continua caracterizada porque comprende al menos un elemento magnético conectado entre dos terminales de conexión, y porque dicho elemento magnético está formado por al menos una chapa de material ferromagnético arrollada en forma de espiral sobre un mismo plano, de manera que define un cuerpo tubular cilíndrico.

2. Inductancia según la reivindicación 1 caracterizada porque dispone de un cuerpo cilíndrico de material ferromagnético dispuesto en el espacio interior de dicho cuerpo tubular cilíndrico.

3. Inductancia según la reivindicación 2 caracterizada porque dicho cuerpo cilíndrico está formado por chapa arrollada en forma de espiral.

4. Inductancia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dispone de un cuerpo tubular cilíndrico de material ferromagnético, situado coaxialmente en el exterior de dicho elemento magnético.

5. Inductancia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dispone de una culata superior y una culata inferior, dispuestas respectivamente en las bases superior e inferior de la inductancia, y porque dichas culatas están realizadas con un material ferromagnético.

6. Inductancia según la reivindicación 5 caracterizada porque dispone de un entrehierro entre las culatas y el elemento magnético.

7. Inductancia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque dispone de una pluralidad de elementos magnéticos superpuestos e interconectados.

8. Inductancia según la reivindicación 7 caracterizada porque dichos elementos magnéticos están separados por entrehierros.

9. Inductancia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque la chapa de material ferromagnético tiene forma de cinta.