ELÉTRICA

CAMPO DA DESCRIÇÃO

[0001] A presente invenção descreve uma bobina elétrica compreendendo uma pluralidade de camadas conectadas em paralelo por meios condutores elétricos, sendo a bobina elétrica fabricada por um processo de fabricação de bobina elétrica. A presente invenção se situa nos campos da engenharia elétrica e engenharia de energia.

ANTECEDENTES DA DESCRIÇÃO

[0002] Atualmente, eletromagnetos (ou bobinas) comerciais consistem no enrolamento contínuo de fios ou fitas na forma de camadas ligadas em série, através das quais correntes elétricas circulam produzindo campos magnéticos. Mediante sua resistência elétrica e potência dissipada, as bobinas podem ser classificadas como resistivas ou supercondutoras.

[0003] As bobinas resistivas são feitas a partir de metais condutores, como cobre. Esses materiais apresentam resistividade não nula. Como a resistência depende da área da seção transversal do fio e de seu comprimento, ou seja, quanto mais comprido e mais fino for o fio, maior a resistência elétrica, a ligação em série entre as camadas faz com que a resistência total da bobina seja alta. Isso resulta em limitações para o seu uso, pois quanto maior a resistência elétrica, maior é a potência dissipada. Como o campo magnético produzido é tão maior quanto for a corrente aplicada, esse tipo de bobina para a aplicação de campos contínuos por longos períodos é usualmente limitado a baixos campos (até ~ 3 T), pois altas correntes necessárias para gerar altos campos são dificultadas pela resistência da bobina. Bobinas desse tipo são usualmente resfriadas com água. Também apresentam rápida resposta à aplicação de corrente elétrica, permitindo, por exemplo, uma rápida inversão de campo magnético.

[0004] As bobinas supercondutoras, por sua vez, são feitas a partir de materiais supercondutores (como o NbTi e Nb3Sn), os quais apresentam resistividade elétrica nula. Portanto, as bobinas possuem resistência elétrica extremamente baixa (limitada a características do circuito como a resistência de contatos elétricos) independente do comprimento do fio utilizado. Essa baixíssima resistência permite a utilização de correntes altas com baixa dissipação de calor e que podem ser mantidas (após carregamento inicial) com baixa ou nenhuma potência elétrica de entrada. Isso permite a utilização de bobinas supercondutoras para a geração de altos campos (da ordem de 10 T) e que podem ser mantidos ligados continuamente por um longo período. No entanto, a propriedade de resistividade nula nessas bobinas é alcançada em temperaturas muito baixas, necessitando de resfriamento criogênico com hélio líquido, que é bastante caro e consiste em um recurso não renovável. Além do resfriamento criogênico, outro inconveniente das bobinas supercondutoras é a alta indutância, que juntamente com a baixa resistência implica em uma resposta lenta do campo magnético em relação à corrente aplicada, podendo uma inversão de campo levar em torno de horas.

[0005] O documento JP6347303B1 revela uma solução de bobina, visando reduzir resistência CC (corrente contínua) e, ao mesmo tempo, suportar tensão entre terminais, podendo ser aplicada como um filtro de modo comum ou um transformador. A referida bobina inclui um núcleo disposto entre dois flanges, sendo cada flange dotado de dois eletrodos com terminais. Adicionalmente, a bobina é composta de quatro fios dispostos sobre o núcleo em forma de enrolamentos, sendo que as extremidades dos fios são conectadas aos eletrodos, visando diminuir a resistência CC da bobina por meio da conexão em paralelo. Os fios são enrolados lado a lado e continuamente de um flange a outro. A conexão em paralelo dos fios, dois a dois, é realizada pelos eletrodos, sendo um primeiro fio conectado em uma região superior de um flange, enquanto um segundo fio conectado em uma região inferior do mesmo flange. Assim, o primeiro e segundo fios, considerando fios como camadas da bobina na mesma distância radial em relação ao eixo central do núcleo, são conectados em paralelo ao mesmo eletrodo de cada flange. Com isso, a solução do referido documento JP6347303B1 limita-se com relação ao número de quatro camadas conectadas em paralelo duas a duas, de modo que a conexão em paralelo depende de eletrodos. Dessa forma, o documento JP6347303B1 difere da presente invenção por não realizar a paralelização de uma quantidade considerável de camadas de fios enroladas umas sobre as outras. Com isso, a solução do documento JP6347303B1 não possibilita que as camadas estejam a distâncias diferentes em relação ao eixo central da bobina e, portanto, não obtendo um gradiente de resistência e de corrente na direção radial da bobina. Diferentemente, a presente invenção permite que todas as camadas de fio sejam conectadas a dois eletrodos, um eletrodo em cada extremidade da bobina.

[0006] O documento CN204407125U revela uma solução de indutor para reduzir a capacitância paralela, visando aumentar a capacidade de filtragem de resposta de alta frequência. Para isso, a solução propõe uma estrutura do indutor composta de um núcleo cilíndrico com dois flanges nas extremidades do núcleo, além de três eletrodos em cada flange dispostos em uma região superior do flange. Adicionalmente, a estrutura é dotada de duas bobinas com ao menos dois fios em cada bobina, sendo os fios enrolados em torno do núcleo cilíndrico. A primeira bobina é composta por dois fios enrolados lado a lado, formando uma bobina de única camada. A segunda bobina também é composta por dois fios enrolados lado a lado e seu enrolamento é sobreposto à primeira bobina, cobrindo parcialmente a mesma. A solução do documento CN204407125U também permite um modelo em que as duas bobinas, compostas por dois fios cada, possam ser enroladas em torno do eixo central do núcleo, sendo que cada bobina ocupa metade do eixo central do núcleo. Para isso, o documento CN204407125U destaca a fabricação do indutor revelado que permite uma pluralidade de fios sobrepostos ao longo do núcleo cilíndrico e conectados em diferentes eletrodos. Assim, o indutor necessita de eletrodos para as conexões, de modo a acrescentar componentes à solução, além de limitar a disposição espacial de conexão dos fios aos eletrodos. No entanto, a solução do documento CN204407125U não revela conexão em paralelo dos fios. Ainda, o documento CN204407125U não apresenta uma quantidade considerável de camadas de fios enroladas radialmente umas sobre as outras, diferindo da presente invenção. Também, os fios do indutor do documento CN204407125U são conectados em diferentes eletrodos, o que difere da presente invenção em que todas as camadas de fio são conectadas a dois eletrodos, um eletrodo em cada extremidade da bobina.

[0007] O documento CN108123551A revela uma solução de bobina para carregamento sem fio por meio de duas ou mais camadas conectadas em paralelo ao longo de um eixo da bobina. Para tanto, a bobina da solução é composta por camadas de bobinas planas, sendo cada camada dotada de um enrolamento concêntrico e contínuo de fio (voltas em série), ocupando uma região planar. Adicionalmente, cada camada apresenta variação da largura dos enrolamentos, aumentando de dentro para fora, de modo que a impedância total da bobina possa ser reduzida, reduzindo, assim, a dissipação de energia para o carregamento sem fio. Ainda, a bobina do documento CN 108123551 A revela a conexão em paralelo das camadas por meio de dois enrolamentos mais interno e mais externo de cada camada (ou bobina plana). No entanto, os enrolamentos de cada camada da solução limitam-se a uma disposição planar. Além disso, o termo camada refere-se a cada um desses planos de bobina que são, então, conectados em paralelo, o que difere da presente invenção em que cada camada se refere a voltas de fio distribuídas radialmente. Portanto, a solução do documento CN 108123551 A não apresenta camadas radiais conectadas em paralelo.

[0008] O documento CN204315360U revela uma solução de uma estrutura de indutor, que visa a redução da capacitância paralela equivalente. A estrutura da solução é composta por um núcleo em forma de I com dois flanges adjacentes às suas extremidades. Com isso, o indutor dispõe de duas bobinas, cada uma dotada de duas camadas de fio enrolado continuamente. Cada extremidade de fio é conectada a um terminal diferente (quatro terminais para as duas bobinas), e esses terminais são dispostos sobre os flanges da estrutura (dois terminais em cada flange). Com isso, a estrutura permite o empilhamento das camadas (lado a lado em direção ao eixo do núcleo) sendo enroladas em torno do núcleo, de modo intercalado, e conectadas aos terminais por meio de um fio extensor, inibindo a sobreposição de camadas. No entanto, a solução do documento CN204315360U não apresenta conexão em paralelo entre as duas camadas de cada bobina que compõe a estrutura de indutor.

[0009] Com base nos conhecimentos apresentados, observa-se a necessidade de uma bobina que apresente baixas resistência elétrica total e indutância, visando gerar campos magnéticos com maior eficiência a partir da redução da potência dissipada. Com isso, busca-se dispensar o uso de recursos não-renováveis, como o hélio líquido, para resfriamento criogênico em bobinas supercondutoras, assim, contribuindo para o meio ambiente.

[0010] Assim, do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0011] Dessa forma, a presente invenção tem por objetivo resolver os problemas do estado da técnica a partir de uma bobina elétrica provida de camadas conectadas em paralelo através de um meio condutor, o que possibilita uma disposição espacial e a conexão em paralelo entre camadas, resultando em baixas resistência elétrica total e indutância da bobina. Com isso, a bobina elétrica da invenção proporciona menor dissipação de energia quando comparadas com as bobinas resistivas convencionais, permitindo a aplicação de campo magnético com menor consumo de energia, inclusive em condições ambientes.

[0012] A presente invenção possibilita a construção de bobinas que se baseiam no empilhamento de camadas de fios condutores (resistivos) ligados em paralelo. Para esse novo tipo de bobina, usam-se fios metálicos não supercondutores (como fios de cobre esmaltados), que por serem arranjados em camadas ligadas em paralelo, resultam em uma resistência elétrica baixa sem a necessidade de resfriamento criogênico. Com essas bobinas, é obtida uma dissipação de potência mais baixa, ou seja, com menor produção de aquecimento no sistema. Dessa forma, o campo magnético é produzido com menos energia e a demanda por resfriamento em relação às bobinas tradicionais com ligações em série feitas com metais não supercondutores diminui. Além disso, as bobinas com ligações paralelas da presente invenção apresentam tempos de resposta do campo magnético em relação à corrente de entrada equivalentes aos das bobinas não supercondutoras com ligação serial.

[0013] O modelo da presente invenção de bobina com ligações paralelas apresenta resistência elétrica intermediária entre bobinas tradicionais resistivas e supercondutoras. As bobinas com conexões em paralelo demandam menor potência de entrada e dissipam menos calor, podendo superar as limitações de campo das bobinas resistivas tradicionais, sem a necessidade de resfriamento criogênico e tempo adicional para a inversão de campo magnético, sendo estas desvantagens das bobinas supercondutoras.

[0014] Em um primeiro objeto, a presente invenção apresenta uma bobina elétrica que compreende uma pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo, em que a conexão em paralelo é realizada por meio de ao menos um meio condutor elétrico (X).

[0015] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta um processo de fabricação de bobina elétrica, sendo que a bobina compreende uma pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo por meio de ao menos um meio condutor elétrico (X), sendo o processo compreendendo as etapas de associação de um fio condutor elétrico contínuo (W) a uma primeira estrutura mecânica (h1) e enrolamento do fio condutor elétrico contínuo (W) até uma segunda estrutura mecânica (h2), formando uma camada (N); formação de pontos de extremidade (PE) das camadas (N) a partir de associação do fio condutor elétrico contínuo (W) com os meios condutores elétricos (X), em que os meios condutores elétricos (X) são dispostos de modo a interagir mecanicamente com a primeira estrutura mecânica (h1) e a segunda estrutura mecânica (h2); e paralelização elétrica da pluralidade de camadas (N) a partir de interligação elétrica entre pontos de extremidade comuns (PC) de cada camada (N).

[0016] Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serão descritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0017] Com o intuito de melhor definir e esclarecer o conteúdo do presente pedido de patente, as seguintes figuras são apresentadas:

[0018] O conjunto de figuras 1 mostra uma vista perspectiva de uma das possíveis concretizações da bobina elétrica da presente invenção.

[0019] A figura 1a mostra um destaque à pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo por meio dos meios condutores elétricos (X), sendo cada camada (N) compreendendo dois pontos de extremidade (PE) ancorados na primeira estrutura mecânica (h1) e na segunda estrutura mecânica (h2).

[0020] A figura 1b mostra um destaque aos pontos de extremidade comuns (PC) ancorados na primeira estrutura mecânica (h1) a serem conectados ao meio condutor elétrico (X).

[0021] A figura 2 mostra uma vista lateral da concretização do conjunto de figuras 1 com destaque ao prato lateral (A) e ao meio condutor elétrico (X1) sendo pressionado contra a primeira estrutura mecânica (h1) por meio do conjunto de blocos de material isolante (Y1).

[0022] A figura 3 mostra o corte transversal D-D, indicado na figura 2, com destaque à pluralidade de camadas (N) em torno do eixo central (C), de modo que os pontos de extremidade (PE) são externos à região entre os pratos laterais (A e B) e são conectados aos meios condutores elétricos (X), por sua vez, os meios condutores elétricos são pressionados pelos conjuntos de blocos de material isolante (Y1 e Y2).

[0023] A figura 4 mostra o conceito de bobina com ligações em paralelo, onde o sentido da corrente é representado pelas setas.

[0024] O conjunto de figuras 5 mostra a exemplificação do processo de fabricação de bobina elétrica da invenção.

[0025] A figura 5a destaca o fio condutor elétrico contínuo (W) percorrendo uma volta em torno da primeira estrutura mecânica (h1).

[0026] A figura 5b mostra um enrolamento do fio condutor elétrico contínuo (W) ao longo do eixo central (C) no sentido longitudinal da primeira estrutura mecânica (h1) para a segunda estrutura mecânica (h2) em sentido horário (CW), considerando um observador à esquerda do eixo central (C).

[0027] A figura 5c destaca o fio condutor elétrico contínuo (W) percorrendo uma volta em torno da segunda estrutura mecânica (h2) formando uma camada (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo.

[0028] A figura 5d mostra um enrolamento do fio condutor elétrico contínuo (W) ao longo do eixo central (C) no sentido longitudinal da segunda estrutura mecânica (h2) para a primeira estrutura mecânica (h1) em sentido anti-horário (CCW), considerando um observador à esquerda do eixo central (C), para formação de uma camada (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo.

[0029] A figura 6, que mostra um conceito do estado da técnica, apresenta camadas (N) com ligações em série, onde o sentido da corrente é representado pelas setas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0030] As descrições que se seguem são apresentadas a título de exemplo e não limitativas ao escopo da invenção e farão compreender de forma mais clara o objeto do presente pedido de patente.

[0031] Bobinas elétricas geram campos magnéticos, ao mesmo tempo, que dissipam energia devido à resistência elétrica total da bobina. A presente invenção permite a aplicação do conceito de associações em paralelo em circuitos elétricos para as camadas (N) da bobina, resultando na redução da resistência elétrica total bem como da indutância da bobina. Para isso, as camadas (N) associadas em paralelo estão submetidas a uma mesma diferença de potencial elétrico entre dois polos.

[0032] Em um primeiro objeto, a presente invenção apresenta uma bobina elétrica que compreende uma pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo, em que a conexão em paralelo é realizada por meio de ao menos um meio condutor elétrico (X).

[0033] Entende-se pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo como número de camadas (N) empilhadas, sem restringir o número de camadas (N) submetidas a uma mesma diferença de potencial elétrico. Em uma concretização, a bobina elétrica da invenção possui dois meios condutores elétricos (X) correspondendo aos dois polos que aplicam a diferença de potencial nas camadas (N).

[0034] Além disso, para fins da presente invenção, o meio condutor elétrico (X) é dotado de elevada condutância elétrica que permite a livre passagem de corrente elétrica entre as camadas (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo. Em uma concretização, o meio condutor elétrico (X) é um fio condutor elétrico ou uma haste metálica.

[0035] Assim, a pluralidade de camadas (N) da invenção é formada por um fio condutor elétrico contínuo (W), sendo que o fio condutor elétrico contínuo (W) é enrolado em um eixo central (C). As camadas (N) são dispostas em torno do eixo central (C) que pode ou não ser perfurado dependendo da aplicação desejada (respectivamente, gerar campo magnético dentro da bobina elétrica, em que o eixo central oco é a câmara onde a intensidade de campo magnético é máxima ou gerar campo magnético fora da bobina, em que um eixo central maciço é um núcleo magnético). Em uma concretização, o eixo central (C) é cilíndrico. Em uma concretização, o eixo central (C) é um disco.

[0036] Em uma concretização, a presente invenção descreve a bobina elétrica, como sendo um arranjo de solenoides de fio condutor enrolados, sendo que cada solenoide, correspondendo uma camada (N) da bobina elétrica, é enrolado sobre o solenoide anterior. [0037] A partir disso, a bobina elétrica da invenção é formada em camadas conectadas em paralelo. Ou seja, as N camadas (N) da bobina são conectadas em paralelo entre dois polos, formando um arranjo de camadas (N), onde cada camada (N) é formada por M enrolamentos em torno do eixo central (C). Em uma concretização, cada enrolamento é formado por espiras de um mesmo diâmetro ligadas em série em sentido longitudinal do eixo central (C). Nesse arranjo de camadas (N) conectadas em paralelo, em que a conexão das camadas (N) em paralelo é realizada em sentido radial do eixo central (C), a corrente elétrica se distribui gradualmente de uma maior intensidade na camada (N) mais interna para uma menor intensidade na camada (N) mais externa, de modo que a magnitude dos campos magnéticos gerados pela bobina é mais intensa nas camadas (N) mais internas do que nas camadas (N) mais externas. A partir disso, há maior concentração das linhas de campo no centro da bobina elétrica, contribuindo para a redução da indutância apresentada pela bobina.

[0038] Para isso, cada camada (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo compreende ao menos dois pontos de extremidade (PE), sendo cada ponto de extremidade (PE) da camada (N) conectado a um meio condutor elétrico (X). Adicionalmente, em uma concretização em que a bobina compreende dois meios condutores elétricos (X), os meios condutores elétricos (X) são dispostos de maneira oposta entre si, sendo cada um dos meios condutores elétricos (X) conectado a um dos pontos de extremidade (PE) das camadas (N).

[0039] Dessa forma, os pontos de extremidade (PE) das camadas (N) são formados a partir de associação do fio condutor elétrico contínuo (W) com os meios condutores elétricos (X). Adicionalmente, os referidos pontos de extremidade (PE) de uma camada (N) são conectados eletricamente com os pontos de extremidade (PE) das demais camadas (N) da pluralidade de camadas (N), formando pontos de extremidade comuns (PC) entre as camadas (N).

[0040] Assim, os pontos de extremidade comuns (PC) são formados a partir da conexão com um mesmo meio condutor elétrico (X), formando conjuntos de pontos de extremidade comuns (PC) proporcionalmente à quantidade de meios condutores elétricos (X). Em uma concretização que a bobina compreende dois meios condutores elétricos (X) dispostos de maneira oposta entre si, a bobina elétrica da invenção compreende dois conjuntos de pontos de extremidade comuns (PC) que recebem a diferença de potencial proveniente dos meios condutores elétricos (X).

[0041] Assim, um conjunto de pontos de extremidade comuns (PC) forma um dos polos da bobina elétrica e, da mesma forma, um outro conjunto de pontos de extremidade comuns (PC) forma um outro polo da bobina elétrica. Para tanto, quando uma tensão elétrica é aplicada entre os dois polos da bobina elétrica, uma corrente atravessa a bobina elétrica, de forma que a corrente elétrica introduzida em um dos polos é dividida entre as camadas (N) e reunida novamente no outro polo. Portanto, as camadas (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo estão ligadas entre si em um esquema paralelo, sendo as camadas (N) submetidas à mesma diferença de potencial elétrico. Devido ao esquema paralelo, a divisão de corrente entre as camadas (N) acontece de forma que as camadas (N) mais internas, de menor resistência, recebem uma corrente maior enquanto as camadas (N) mais externas, de maior resistência, recebem uma corrente menor.

[0042] Em uma concretização, os pontos de extremidade comuns (PC), sendo de um mesmo conjunto de pontos de extremidade comuns (PC), são conectados diretamente entre si, ou seja, em contato direto, para fins da presente invenção, os pontos de extremidade comuns (PC) são curto-circuitados.

[0043] Ademais, a bobina da invenção compreende estruturas mecânicas dispostas de maneira oposta em relação ao eixo central (C), em que as estruturas mecânicas interagem mecanicamente com os meios condutores elétricos (X). Em uma concretização, os meios condutores elétricos (X) são pressionados contra as estruturas mecânicas por meio de conjuntos de blocos de material isolante (Y1 e Y2). Em uma concretização que a bobina compreende duas estruturas mecânicas adjacentes ao eixo central (C) e dispostas perpendicularmente ao eixo central (C), as camadas (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo são empilhadas sobre as estruturas mecânicas.

[0044] Para fins da presente invenção, a estrutura mecânica é qualquer componente mecânico capaz de interagir mecanicamente e ser posicionado nas regiões ou proximidades dos meios condutores elétricos (X), de modo a possibilitar o contato elétrico entre o meio condutor elétrico (X) e as camadas (N). Por exemplo, a estrutura mecânica pode ser uma haste, termo retrátil, conectores terminais, etc. Em uma concretização, as estruturas mecânicas são hastes, sendo estas mencionadas ao longo da descrição da invenção, porém sem restrição ao conceito da mesma.

[0045] Com isso, os pontos de extremidade (PE) das camadas (N) são ancorados nas hastes. Em uma concretização da bobina da invenção compreendendo dois conjuntos de pontos de extremidade comuns (PC), um conjunto de pontos de extremidade comuns (PC) é ancorado em uma primeira haste (h1) e um outro conjunto de pontos de extremidade comuns (PC) é ancorado em uma segunda haste (h2).

[0046] Assim, os pontos de extremidade (PE) compreendem uma região de contato elétrico, sendo que o meio condutor elétrico (X) é disposto em contato com a região de contato elétrico dos pontos de extremidade (PE). Assim, o meio condutor elétrico (X), sendo de resistência elétrica baixa em relação à resistência elétrica da bobina, possibilita o esquema paralelo, sendo as camadas (N) submetidas à mesma diferença de potencial elétrico.

[0047] Em uma concretização, cada camada (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo compreende uma volta do fio condutor elétrico contínuo (W) em cada haste, de modo que os pontos de extremidade (PE) passam pela região de contato elétrico.

[0048] Em uma concretização, a bobina elétrica da invenção recebe um desgaste de parte do fio condutor elétrico contínuo (W), retirando uma isolação elétrica do fio condutor elétrico contínuo (W) que passa pela região de contato elétrico, onde se encontram os pontos de extremidade (PE). Em uma concretização, o meio condutor elétrico (X) é posicionado sobre a parte do fio condutor elétrico contínuo (W) desgastada, conectando as camadas (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo por meio dos pontos de extremidade comuns (PC).

[0049] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta um processo de fabricação de bobina elétrica, sendo que a bobina compreende uma pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo por meio de ao menos um meio condutor elétrico (X), sendo o processo compreendendo as etapas de associação de um fio condutor elétrico contínuo (W) a uma primeira estrutura mecânica (h1) e enrolamento do fio condutor elétrico contínuo (W) até uma segunda estrutura mecânica (h2), formando uma camada (N); formação de pontos de extremidade (PE) das camadas (N) a partir de associação do fio condutor elétrico contínuo (W) com os meios condutores elétricos (X), em que os meios condutores elétricos (X) são dispostos de modo a interagir mecanicamente com a primeira estrutura mecânica (h1) e a segunda estrutura mecânica (h2); e paralelização elétrica da pluralidade de camadas (N) a partir de interligação elétrica entre pontos de extremidade comuns (PC) de cada camada (N).

[0050] Em uma concretização, a pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo da invenção é formada pelo fio condutor elétrico contínuo (W) sendo enrolado em torno de um eixo central (C). Em uma concretização, o eixo central (C) é cilíndrico de comprimento L e diâmetro d _int.

[0051] Em uma concretização, as extremidades do eixo central (C) são adjacentes à primeira haste (h1) e à segunda haste (h2), de modo que a primeira haste (h1) é posicionada em uma extremidade do eixo central (C) e a segunda haste (h2) é posicionada em outra extremidade do eixo central (C), sendo a primeira haste (h1) e a segunda haste (h2) dispostas de maneira oposta entre si, perpendicularmente ao eixo central (C).

[0052] Adicionalmente, a etapa de associação do fio condutor elétrico contínuo (W) à primeira haste (h1) e à segunda haste (h2) compreende uma volta do fio condutor elétrico contínuo (W) em torno da primeira haste (h1) e uma volta do fio condutor elétrico contínuo (W) em torno da segunda haste (h2), de modo que as camadas (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas são empilhadas entre a primeira haste (h1) e a segunda haste (h2).

[0053] Em uma concretização, o empilhamento das camadas (N) compreende a sobreposição de enrolamentos.

[0054] Além disso, o enrolamento do fio condutor elétrico contínuo (W) compreende sentidos longitudinais de enrolamentos intercalados entre as camadas (N), em que o sentido longitudinal do enrolamento de uma camada (N) é contrário ao sentido longitudinal do enrolamento da camada (N) seguinte. Em uma concretização que a bobina elétrica compreende o eixo central (C), o fio condutor elétrico contínuo (W) é enrolado ao longo do comprimento L do eixo central (C) formando a pluralidade de camadas (N). Em uma concretização, o fio condutor elétrico contínuo (W) é enrolado da primeira haste (h1 ) até a segunda haste (h2) em um sentido longitudinal, e retorna em um sentido longitudinal contrário da segunda haste (h2) até a primeira haste (h1 ).

[0055] Ainda, o enrolamento do fio condutor elétrico contínuo (W) compreende sentidos radiais de enrolamentos intercalados, entre horário (CW) e anti-horário (CCW), de uma camada (N) para a camada (N) seguinte, sendo considerado um mesmo referencial. Para fins da presente invenção, a primeira haste (h1 ) diferencia-se da segunda haste (h2) pelo sentido radial de enrolamento. Em uma concretização, o enrolamento em sentido horário (CW) inicia-se a partir da primeira haste (h1 ), enquanto o enrolamento em sentido anti-horário (CCW) inicia-se a partir da segunda haste (h2).

[0056] Assim, em uma concretização, a etapa de associação e enrolamento do fio condutor elétrico contínuo (W) compreende um ciclo em que o fio condutor elétrico contínuo (W) percorre uma volta em torno da primeira haste (h1 ) e, em seguida, é enrolado ao longo do eixo central (C) em um sentido radial horário (CW) até atingir a segunda haste (h2), formando uma camada (N). Ainda nesse ciclo, o fio condutor elétrico contínuo (W) percorre uma volta em torno da segunda haste (h2) e, em seguida, é enrolado em um sentido longitudinal contrário ao da camada (N) anterior ao longo do eixo central (C) em um sentido radial anti-horário (CCW), até atingir a primeira haste (h1 ). Dessa forma, o ciclo é repetido para formação da pluralidade de camadas (N), que inicia o enrolamento a partir do diâmetro d _int do eixo central (C) até um diâmetro externo d _ext da bobina elétrica, considerando o diâmetro d _fi0 do fio condutor elétrico contínuo (W) e que a primeira haste (h1) e segunda haste (h2) estejam distanciadas pelo comprimento L do eixo central (C).

[0057] Dessa maneira, os enrolamentos de cada camada (N), em uma concretização, são espiras de um mesmo diâmetro ligadas em série. O dito diâmetro aumenta de uma camada (N) para uma camada (N) seguinte, por conseguinte, a resistência elétrica de cada camada (N) aumenta do diâmetro d _int do eixo central (C) até o diâmetro externo d _ext da bobina elétrica. Com isso a corrente elétrica se distribui gradualmente de uma maior intensidade na camada (N) mais interna para uma menor intensidade na camada (N) mais externa, de modo que a magnitude dos campos magnéticos gerados pela bobina é mais intensa nas camadas (N) mais internas do que nas camadas (N) mais externas. A partir disso, há maior concentração das linhas de campo no centro da bobina elétrica, com efeito na redução da indutância apresentada pela bobina. A partir disso, o campo magnético é mais intenso nas camadas (N) próximas do diâmetro d _int do eixo central (C).

[0058] Em uma concretização, o fio condutor elétrico contínuo (W) é feito sem emendas e de material isolante ao longo de sua superfície. Além disso, nessa concretização, a bobina elétrica compreende um carretel formado pelo eixo central (C), que é o eixo de enrolamento da bobina, cujas extremidades são ligadas a pratos laterais (A e B). Cada prato lateral compreende duas fendas ortogonais ao eixo central (C) que formam a primeira haste (h1 ) e a segunda haste (h2), de modo que o fio condutor elétrico contínuo (W) percorre as voltas na primeira haste (h1 ) e na segunda haste (h2) de forma independente ao enrolamento do fio condutor elétrico contínuo (W) ao longo do eixo central (C).

[0059] Ainda nessa concretização, o ciclo descrito anteriormente é repetido até que a diâmetro externo d _ext da bobina (que aumenta com o número de ciclos) desejado seja atingido. Ao fim dos enrolamentos, a primeira e a segunda hastes (h1 e h2) de cada um dos pratos laterais (A e B) compreendem voltas empilhadas do fio condutor elétrico contínuo (W) correspondentes às camadas (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo. Adicionalmente, cada volta compreende um seguimento do fio condutor elétrico contínuo (W) externo à região entre os pratos laterais (A e B).

[0060] Adicionalmente, cada camada (N) da pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo compreende ao menos dois pontos de extremidade (PE) associados aos seguimentos do fio condutor elétrico contínuo (W). Com isso, a etapa de formação de pontos de extremidade (PE) das camadas (N) compreende a associação dos seguimentos do fio condutor elétrico contínuo

(W) com meios condutores elétricos (X), em que os meios condutores elétricos

(X) são dispostos de maneira oposta entre si, sendo cada um dos meios condutores elétricos (X) conectado a um dos pontos de extremidade (PE) das camadas (N).

[0061] Em uma concretização, o material isolante da superfície desses segmentos do fio condutor elétrico contínuo (W) é retirado, expondo o material condutor do fio condutor elétrico contínuo (W). Tal exposição permite o contato elétrico entre os pontos de extremidade (PE), de modo que os pontos de extremidade (PE) são comuns quando conectado a um mesmo meio condutor elétrico (X), formando um conjunto de pontos de extremidade comuns (PC) conectado a cada meio condutor elétrico (X).

[0062] Por fim, a etapa de paralelização elétrica da pluralidade de camadas (N) compreende interligação elétrica entre pontos de extremidade comuns (PC) de cada camada (N). Para fins da presente invenção, entende-se que os pontos de extremidade (PE) são comuns quando conectados a um mesmo meio condutor elétrico (X), formando conjuntos de pontos de extremidade comuns (PC) proporcionalmente à quantidade de meios condutores elétricos (X). Em uma concretização que a bobina compreende dois meios condutores elétricos (X) dispostos de maneira oposta entre si, a bobina elétrica da invenção compreende dois conjuntos de pontos de extremidade comuns (PC) que recebem uma diferença de potencial proveniente dos meios condutores elétricos (X). Em uma concretização, os pontos de extremidade (PE) e os pontos de extremidade comuns (PC) são coincidentes.

[0063] Em uma concretização, os meios condutores elétricos (X) são mantidos em posição pressionados contra a primeira e segunda hastes (h1 e h2) por dois conjuntos de blocos de material isolante (Y1 e Y2), que por sua vez, são fixados por conjuntos de fixação (S1 e S2) que os ligam ao corpo dos pratos laterais (A e B). Com isso, os pontos de extremidade (PE) são formados em contato com os meios condutores elétricos (X), sendo um conjunto de pontos de extremidade comuns (PC) empilhados sobre a primeira haste (h1) e conectado a um dos dois meios condutores elétricos (X); e um outro conjunto de pontos de extremidade comuns (PC) empilhados sobre a segunda haste (h2) e conectado ao outro meio condutor elétrico (X).

[0064] Com a bobina elétrica da invenção construída, uma tensão é aplicada entre os polos compreendendo os meios condutores elétricos (X) que recebem a diferença de potencial elétrico e, assim, a corrente percorre todas as camadas (N) em um mesmo sentido longitudinal (da primeira haste para a segunda haste ou da segunda haste para a primeira haste), o que foi possibilitado pelos sentidos radiais de enrolamentos intercalados entre as camadas (N) (horário (CW) em todas as voltas de uma camada e anti-horário (CCW) em todas as voltas da camada seguinte). Portanto, cada um dos meios condutores elétricos (X) se torna então um polo da bobina; a corrente elétrica na bobina entra por um desses meios condutores elétricos (X) e sai pelo outro meio condutor elétrico (X). Por fim, o campo magnético obtido na bobina pela passagem de corrente elétrica resulta da soma das contribuições de todas as camadas (N).

[0065] As bobinas elétricas desenvolvidas na presente invenção apresentam baixa resistência elétrica e possuem menor dissipação de energia quando comparadas com as bobinas resistivas convencionais, permitindo a aplicação de campo magnético com menor consumo de energia. Essas vantagens podem ser obtidas dispensando o uso de líquidos criogênicos de alto custo, como é o caso do hélio líquido utilizado no resfriamento de bobinas supercondutoras. Dessa forma, usando o conceito de paralelismo, é possível alcançar campos magnéticos mais elevados usando bobinas resistivas operando em temperatura ambiente. Portanto, o principal benefício com a presente invenção de bobinas utilizando ligações em paralelo entre camadas (N) é a geração de campos magnéticos com maior eficiência.

EXEMPLO 1 - BOBINA ELÉTRICA DOTADA DE CAMADAS EM PARALELO

[0066] Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar uma das inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo sem limitar, o escopo da mesma.

[0067] A bobina elétrica do exemplo compreende camadas (N) formadas por um fio condutor elétrico contínuo (W) com dimensões proporcionais aos parâmetros geométricos da bobina. O fio condutor elétrico contínuo (W) de diâmetro d _fi0 forma enrolamentos, correspondendo ao comprimento L da bobina. Além disso, as camadas (N) são empilhadas a partir do diâmetro interno até o diâmetro externo da bobina. As camadas (N) são conectadas em paralelo, sob mesmo potencial elétrico, conforme ilustrado no esquema paralelo de três camadas (N) da figura 4.

[0068] Para o exemplo, a pluralidade de camadas (N) da bobina elétrica do exemplo compreende vinte e quatro camadas (N) conectadas em paralelo por meio de dois meios condutores elétricos (X) conforme mostrado na figura 1 a.

[0069] A bobina elétrica do exemplo compreende um desgaste no isolamento elétrico superficial do fio condutor elétrico contínuo (W), na primeira haste (h1) e na segunda haste (h2), provocado para que a superfície sem isolamento elétrico fique em contato com os meios condutores elétricos (X), formando pontos de extremidade (PE) do fio condutor elétrico contínuo (W). Esta ação possibilita que as camadas (N) da bobina criem pontos de contato comum entre si, isto é, pontos de extremidade comuns (PC) para geração da associação paralela, alcançada pela presente invenção conforme mostrado na figura 1 b.

[0070] Ainda, a bobina do exemplo compreende dois blocos de material isolante (Y1 e Y2) posicionados de modo a pressionar os meios condutores elétricos (X) em direção aos pratos laterais (A e B), conforme mostrado na figura 2 sendo uma vista lateral da bobina com destaque ao bloco de material isolante (Y1) pressionando o meio condutor elétrico (X) em direção ao prato lateral (A), mais especificamente na região da primeira haste (h1). Assim, a bobina possibilita a ocorrência do contato entre os meios condutores elétricos (X) e a superfície do fio condutor elétrico contínuo (W) sem isolamento elétrico. Ou seja, os segmentos do fio condutor elétrico contínuo (W) sem isolamento elétrico, que ficam enrolados e empilhados sobre a primeira haste (h1) e a segunda haste (h2), formam os pontos de extremidade (PE), conforme mostrado na figura 3. A partir disso, formam-se os pontos de extremidade comuns (PC) empilhados sobre uma mesma haste, sendo sobre a primeira haste (h1) ou sobre a segunda haste (h2). Além disso, os dois blocos de material isolante (Y1 e Y2) são fixados por dois conjuntos de fixação (S1 e S2) que os ligam ao corpo dos pratos laterais (A e B). Para o exemplo, os conjuntos de fixação (S1 e S2) são parafusos e o material dos blocos de material isolante (Y1 e Y2) é teflon.

EXEMPLO 2 - PROCESSO PREFERENCIAL DE FABRICAÇÃO DE BOBINA ELÉTRICA DOTADA DE CAMADAS EM PARALELO

[0071] O processo preferencial de fabricação da bobina elétrica do exemplo, em destaque conforme o conjunto de figuras 5 (de 5a a 5d), compreende enrolamentos de uma pluralidade de camadas (N) conectadas em paralelo em torno de um eixo central (C) cilíndrico de comprimento L e diâmetro d _int por meio de um fio condutor elétrico contínuo (W) de diâmetro d _fi0 enrolado até um diâmetro externo d _ext . [0072] As extremidades do eixo central (C) são associadas a dois pratos laterais (A e B) compreendendo fendas que formam uma primeira haste (h1) e uma segunda haste (h2) perpendiculares ao eixo central (C).

[0073] Assim, o enrolamento do fio condutor elétrico contínuo (W) compreende um ciclo. O ciclo inicia-se com o fio condutor elétrico contínuo (W) percorrendo uma volta em torno da primeira haste (h1) conforme mostrado na figura 5a. Em seguida, o fio condutor elétrico contínuo (W) é enrolado ao longo do eixo central (C) em um sentido radial horário (CW) até atingir a segunda haste (h2), formando uma camada (N), conforme mostrado na figura 5b. Ainda nesse ciclo, o fio condutor elétrico contínuo (W) percorre uma volta em torno da segunda haste (h2) conforme mostrado na figura 5c. Em seguida, o fio condutor elétrico contínuo (W) é enrolado em um sentido longitudinal contrário ao da camada (N) anterior ao longo do eixo central (C) em um sentido radial anti-horário (CCW), conforme mostrado na figura 5d, até atingir a primeira haste (h1). Dessa forma, o ciclo é repetido para formação da pluralidade de camadas (N), que inicia o enrolamento a partir do diâmetro d _int do eixo central (C) até um diâmetro externo d _ext desejado.

[0074] O processo de fabricação da bobina elétrica do exemplo compreende a redução da resistência elétrica total, visando reduzir a potência dissipada pela bobina para geração de campos magnéticos mais eficientes, considerando a resistividade elétrica p do fio condutor elétrico contínuo (W) e a permeabilidade do espaço livre (vácuo) m _0.

EXEMPLO 3 - TESTES EM PROTÓTIPOS DA BOBINA ELÉTRICA

[0075] Utilizando o processo de fabricação descrito anteriormente (polos baseados em hastes com enrolamentos associados às camadas (N) na bobina) foram construídos 20 protótipos de bobina com diferentes parâmetros geométricos (diâmetros externos entre 4 cm e 30 cm, comprimentos entre 1 cm e 10 cm, diâmetros internos de 1,4 cm e utilizando fios de cobre esmaltado de diâmetros AWG entre 18 e 34). Esses 20 protótipos foram construídos como 10 pares de bobinas, sendo que cada par é composto por 2 protótipos de bobinas o e p de mesmos parâmetros geométricos, onde a bobina p foi construída utilizando o esquema de ligação da presente invenção (ligação paralela entre camadas (N) conforme mostrado na figura 4) e a bobina o foi construída com o esquema tradicional de ligação (ligação serial entre camadas (N) conforme mostrado na figura 6).

[0076] Para esses protótipos, as resistências elétricas das bobinas com ligação paralela foram de 386 vezes até 84200 vezes menores do que as resistências das bobinas com ligação serial correspondentes (ou seja, comparando-se bobinas de mesmos parâmetros geométricos, mas com ligações diferentes entre camadas (N)). Com isso, foram comparadas as potências necessárias para a produção de um campo magnético central de 100 Gauss (no centro do tubo interno, C) utilizando bobinas de um mesmo par. Em 7 dos 10 pares foi observado que a potência necessária para a geração desse campo era menor na bobina que utilizou o tipo de ligação da presente invenção (em esquema paralelo). Nesses casos, as bobinas com esquema paralelo utilizaram de 85,9% a 14,7% da potência utilizada nas bobinas com esquema serial. Isso equivale respectivamente a uma a economia de 14,1% em energia (consumo 1,16 vezes menor) a 85,3% em energia (consumo 6,80 vezes menor). Nos 3 pares em que a melhor eficiência de potência da presente invenção não foi observada, isso pode ser explicado por um empacotamento não ideal das camadas durante o processo de fabricação.

[0077] Outros 3 pares adicionais de bobinas com ligações paralela e serial entre as camadas (N) foram construídas. Nesses protótipos, o diâmetro interno foi variado de 1,4 cm a 3,5 cm, sendo que, dentro de cada par, os protótipos apresentam o mesmo diâmetro interno. As demais dimensões (comprimento e diâmetro externo) foram otimizadas para a condição de menor potência por quadrado de campo no centro do eixo central(C). Com isso, o comprimento e o diâmetro externo não foram os mesmos para bobinas dentro de um mesmo par. Para essas bobinas otimizadas as bobinas de ligação paralela tiveram resistências elétricas de 1620 a 8320 vezes menores do que as resistências das bobinas de ligação serial correspondentes (ou seja, comparando-se bobinas do mesmo par). Além disso, comparando-se bobinas em um mesmo par, as bobinas com ligação paralela utilizaram de 55,5% a 29,1% da potência nas bobinas com esquema serial para o mesmo valor de campo magnético central produzido (100 Gauss). Isso equivale respectivamente a uma economia de 44,5% em energia (consumo 1,80 vezes menor) a 70,9% em energia (consumo 3,44 vezes menor).

[0078] Os dados obtidos dos testes com esses protótipos confirmam a capacidade das bobinas com ligação paralela de produzirem campo magnético com menor consumo de energia.

[0079] Além disso, a redução da resistência elétrica total, a potência dissipada pela bobina e a concentração de linhas de campo proporcionam a redução da indutância de uma bobina TT. NO caso dos protótipos dos testes para o exemplo, a bobina p apresentou indutância aproximadamente 103 a 105 vezes menor do que indutância de uma bobina o, obtendo constante de tempo indutiva entre 1 e 10 ms.

[0080] Neste contexto, desde logo se esclarece que a partir da revelação do presente conceito inventivo, os versados na arte poderão considerar outras formas de concretizar a invenção não idênticas às meramente exemplificadas acima, mas que na hipótese de pretensão de uso comercial tais formas poderão ser consideradas como estando dentro do escopo das reivindicações anexas.