Tecnologia con nucleo segmentato per trasformatori medicali

Brevetto statunitense 10056184; Brevetto EPO 3365901; Brevetto indiano 378739.

Il metodo tipico di produzione di un trasformatore toroidale prevede la creazione di un nucleo in acciaio, l'isolamento del nucleo, l'avvolgimento di un filo magnetico attorno al nucleo per creare un avvolgimento primario, l'isolamento del primario, l'avvolgimento del filo magnetico sopra l'isolamento per creare un avvolgimento secondario e l'isolamento del secondario per completare il trasformatore. Per montare il trasformatore, si utilizzano una rondella e un bullone di montaggio, oppure si riempie il centro del trasformatore con una resina epossidica con un foro per un bullone. Tra una fase e l'altra della produzione, il trasformatore viene manipolato e passa da un'operazione all'altra.

Progettazione e costruzione di tappi a nucleo segmentato

Le calotte del nucleo a segmenti supportano gli avvolgimenti primari e secondari in settori alternati per ridurre la corrente di dispersione. Diversi segmenti modulari elettricamente isolanti si incastrano o si uniscono in altro modo per formare calotte anulari o semianulari per coprire o coprire parzialmente un nucleo di trasformatore toroidale ad anello. I segmenti o i moduli sono in genere realizzati in Zytel® FR50, Rynite® FR530 o Zytel® E103HSL.

I moduli di protezione del nucleo isolano gli avvolgimenti dal nucleo per l'intera gamma di avvolgimenti e consentono un isolamento a doppia parete tra avvolgimenti adiacenti, riducendo in modo significativo la corrente di dispersione rispetto ai trasformatori toroidali convenzionali. Inoltre, consentono il raffreddamento diretto del nucleo da parte dell'aria ambiente o forzata senza l'intervento dell'isolamento. La calotta del nucleo può anche essere assemblata da moduli componenti su un nucleo toroidale avvolto completo.

I segmenti di ciascun modulo comprendono una coppia di pareti distanziate, in genere elettricamente isolanti, tra le quali è collegata una porzione di pannello di copertura del nucleo. Le pareti sono disposte a un angolo predeterminato l'una rispetto all'altra, in genere 30 gradi, 45 gradi, 60 gradi o simili, in modo che ogni segmento modulare si estenda su un arco di circa 30 gradi, 45 gradi, 60 gradi, ecc. Le rispettive pareti distanziate includono porzioni di connettore innestabili, tipicamente maschio e femmina, in modo che i segmenti adiacenti possano essere ripetutamente innestati l'uno con l'altro, con porzioni di segmento sufficientemente collegate che definiscono una calotta centrale anulare.

Il numero di segmenti necessari per completare una calotta è predeterminato ed è in genere funzione dell'angolo predeterminato tra le pareti; ad esempio, se l'angolo è di 45 gradi, saranno necessari otto segmenti da collegare insieme per definire una forma ad anello. Se l'angolo è di 60 gradi, saranno necessari solo sei segmenti per definire una forma ad anello. Sebbene le calotte d'anima siano generalmente costruite con moduli identici, le calotte d'anima possono alternativamente includere combinazioni di moduli di calotta d'anima che coprono archi diversi, ad esempio quattro moduli di calotta d'anima che coprono 45 gradi ciascuno e sei moduli di calotta d'anima che coprono 30 gradi ciascuno.

Sebbene i moduli di dimensioni e forme identiche siano in genere più convenienti, non esistono restrizioni pratiche alle combinazioni di dimensioni e forme dei moduli della calotta d'anima che possono essere combinate per ottenere una calotta d'anima personalizzata con le proprietà e le caratteristiche desiderate.

Pareti di separazione

In genere, le pareti si agganciano al pannello per definire un lato o una superficie di aggancio al nucleo relativamente piatta o a filo (che definisce il lato inferiore del segmento e dell'anello) e disposta di fronte alle barriere stabilite da due pareti unite o bloccate insieme (che definiscono il lato di segmentazione del filo o il lato superiore dell'anello). Le barriere definiscono i parametri tra i quali sono limitati gli avvolgimenti alternati dei fili, in genere avvolgimenti primari e secondari alternati.

I segmenti includono una o più separazioni o pareti posizionate in modo da estendersi parzialmente o completamente sul lato superiore del pannello per definire ulteriormente i parametri tra cui sono diretti gli avvolgimenti dei fili. La o le separazioni sono tipicamente posizionate in modo equidistante tra le pareti e/o tra loro, rispettivamente. Le separazioni sono tipicamente orientate in modo da estendersi radialmente verso l'esterno rispetto al centro del nucleo e/o dell'anulus definito dai segmenti uniti; in altre parole, ogni rispettiva separazione si trova tipicamente su un raggio dell'anulus, sebbene le pareti di separazione possano avere altre forme e contorni a piacere.

I segmenti includono inoltre un pannello di copertura del diametro esterno o OD del nucleo e/o un pannello di copertura del diametro interno o ID del nucleo, entrambi estesi verso il basso in modo da coprire almeno parzialmente il diametro esterno e l'ID, rispettivamente, di un anello toroidale del nucleo posizionato contro i pannelli di copertura del nucleo di un anello parzialmente o completamente formato. Questi pannelli possono essere piatti per coprire un anello del nucleo con lati del diametro esterno e interno piatti o curvi per seguire un anello del nucleo con parti del diametro interno ed esterno arrotondate o curve.

Le pareti sono tronche e non si estendono attraverso i pannelli. In alcuni casi, le pareti inferiori sono posizionate di fronte al pannello rispetto alla rispettiva parete. Anche la parete inferiore può includere connettori accoppiabili per la giunzione. Alcuni segmenti includono nervature posizionate sul lato superiore dei pannelli, in modo da generare un traferro tra gli avvolgimenti dei fili e la parte superiore dell'anello. La creazione di un'intercapedine d'aria facilita il raffreddamento degli avvolgimenti, consentendo all'aria di circolare tra gli avvolgimenti e la parte superiore della calotta.

Strumento per l'avvolgimento del nucleo segmentato

Un utensile di avvolgimento viene utilizzato per facilitare l'avvolgimento di un'anima con tappo da una singola bobina. L'utensile di avvolgimento è tipicamente un anello piatto con un bordo sporgente o una flangia che si estende dal diametro esterno. L'anello comprende tipicamente una scanalatura, che gli conferisce una forma a C. L'anello è dimensionato per accettare un segmento e la scanalatura è dimensionata per far passare il filo sul segmento. L'utensile per l'avvolgimento comprende anche un elemento di bloccaggio del filo ad arco allungato con più scanalature parziali e una o più aperture di bloccaggio per collegare il bloccaggio del filo a uno o più segmenti durante il processo di avvolgimento del filo.

In funzione, più segmenti possono essere collegati tra loro per definire un anello. L'anello comprende una porzione di copertura superiore anulare definita dai pannelli dei singoli segmenti. Nella maggior parte delle incarnazioni, l'anello comprende anche sporgenze radiali equidistanti, definite da connettori reciprocamente innestati, che si estendono verso l'esterno dell'anello. Ciascuna sporgenza radiale è in genere parte di una parete allungata posizionata sul lato superiore dell'anello e che si estende radialmente verso l'interno per una parte o per l'intera superficie del lato superiore. Alcune pareti terminano con sporgenze radiali che si estendono verso l'interno dell'anello. Queste sporgenze radiali sono in genere formate dall'unione di due pareti inferiori, anche se possono essere formate separatamente.

L'anello può anche includere un nucleo anulare, una copertura del diametro esterno e/o una copertura del diametro interno del nucleo anulare, ciascuna delle quali è posizionata in modo generalmente perpendicolare alla porzione di copertura superiore del nucleo e si estende verso il basso.

Le rispettive coperture sono tipicamente composte da pannelli di copertura adiacenti quando i segmenti sono collegati per definire l'anello.

In genere, una coppia di anelli di copertura è costituita da segmenti collegati e posizionati sui lati opposti di un nucleo toroidale con le sporgenze verso l'esterno allineate. Ogni anello è composto da un numero pari di segmenti collegati tra loro. Il filo è avvolto in modo contiguo attorno a segmenti alternati per definire gli avvolgimenti primari, con N avvolgimenti per segmento. Il filo è avvolto in modo contiguo attorno ai segmenti rimanenti, in multipli di N avvolgimenti per segmento, per definire gli avvolgimenti secondari. In genere, tutti gli avvolgimenti possono essere eseguiti da un'unica bobina o navetta in un'unica operazione di avvolgimento contigua, con il filo guidato da un segmento all'altro attraverso la scanalatura o lo spazio tra le due calotte opposte. Il filo viene tipicamente tagliato o reciso per isolare gli avvolgimenti primari da quelli secondari e il nucleo avvolto può essere avvolto in un isolante per definire un trasformatore toroidale. In alcuni casi, l'utensile di avvolgimento può essere utilizzato per facilitare l'avvolgimento del nucleo. Le bobine così avvolte mantengono i vantaggi dei trasformatori toroidali, pur godendo dei vantaggi di essere più leggere, più piccole, più efficienti e più silenziose rispetto ai nuclei laminati E-I. I nuclei così avvolti presentano una corrente di dispersione interavvolgente ridotta rispetto ai nuclei di trasformatori toroidali avvolti standard.

In genere, gli avvolgimenti primari occupano i segmenti dispari, a partire dal primo segmento avvolto, mentre gli avvolgimenti secondari occupano i segmenti pari. Ogni anello può contenere multipli di tre segmenti, come sei, nove o dodici, e il nucleo può essere avvolto con avvolgimenti primari, secondari e terziari (non mostrati) come sopra per ottenere un trasformatore trifase. In alternativa, l'anello può contenere segmenti con diverse configurazioni

Un materiale isolante, come una striscia di MYLAR, può essere posizionato per coprire la porzione di nucleo esposta dalla fessura, oppure il nucleo può essere parzialmente o completamente avvolto in un materiale isolante prima del posizionamento dei tappi. In altri modelli, le pareti sono distanziate e orientate l'una rispetto all'altra per definire un anulus, ma non sono fisicamente collegate tra loro. Tutti i cavi sono a doppio isolamento/manicotto e fissati con fascette.

Sintesi: Vantaggi del core cap segmentato

Se è possibile progettare una calotta con nucleo a segmenti che soddisfi le specifiche delle agenzie di sicurezza per quanto riguarda lo scorrimento e il gioco, i tempi di produzione si riducono:

• Non è necessario l'isolamento di terra e inter-avvolgimento, né l'involucro esterno.
• Gli avvolgimenti primari e secondari possono essere avvolti su un'unica macchina, riducendo i tempi di movimentazione.
• Se la calotta include i fori di montaggio, non è necessario riempire il centro del trasformatore con l'epossidica.

Se è possibile progettare una calotta a segmenti composta da sezioni ripetibili che si “incastrano” tra loro, i costi di lavorazione e assemblaggio delle calotte saranno inferiori:

• Il costo dell'attrezzaggio di un pezzo più piccolo per lo stampaggio a iniezione è inferiore al costo dell'attrezzaggio di un pezzo più grande.
• L'assemblaggio di parti “a scatto” richiede livelli di competenza inferiori rispetto ad altre tecniche di isolamento dell'anima

Se è possibile progettare uno strumento economico per tenere in posizione la calotta del segmento durante l'avvolgimento primario e secondario, i costi di produzione saranno inferiori in quanto si potranno utilizzare le attrezzature di produzione esistenti.

Se è possibile progettare un trasformatore con nucleo a segmenti che soddisfi le specifiche delle agenzie per la sicurezza in termini di creepage e spazio libero e che consenta il flusso d'aria intorno al nucleo e agli avvolgimenti, l'aumento di temperatura sarà minore:

• Il calore fuoriesce direttamente dal nucleo non isolato verso l'ambiente.
• Non c'è isolamento tra gli avvolgimenti e l'involucro esterno che trattiene il calore.
• Tutti gli avvolgimenti hanno un percorso diretto per il trasferimento del calore all'ambiente.

Se è possibile progettare una calotta con nucleo a segmenti che includa i fori di montaggio, il peso del trasformatore sarà inferiore:

• Non è necessario un centro epossidico
• Non è necessaria alcuna rondella di montaggio

Trasformatore con nucleo a segmenti vs. trasformatore toroidale standard

Trasformatori a cappuccio di segmento offrono una significativa riduzione della corrente di dispersione e dell'aumento di calore rispetto a trasformatori toroidali standard. Lo scambio di calore è relativamente migliore nei trasformatori con condensatori a segmenti, poiché il design dei condensatori stessi offre tutti gli isolamenti necessari. Nel nostro esperimento abbiamo riscontrato che i trasformatori a schema semplice (txmrs di isolamento 1:1) presentano un vantaggio di 13~17°C sull'aumento di temperatura.

Test a confronto / Potenza nominale: 1500VA

Confronto del peso

Confronto dell'aumento di temperatura

Confronto dei tempi di lavoro

La struttura stessa dei trasformatori con nucleo a segmenti favorisce una migliore dissipazione del calore e consente di ottenere una potenza maggiore a parità di volume, il che rappresenta il vantaggio principale. Pertanto, a parità di potenza, sono relativamente più piccoli nelle dimensioni e più leggeri nel peso rispetto ai trasformatori con metodo di costruzione standard. Altri vantaggi sono rappresentati dalla minore corrente di dispersione, dai minori costi di produzione e da un design di montaggio economicamente vantaggioso.

Ad esempio, qui di seguito è riportato un confronto tra il trasformatore con condensatore di segmento da 1500 VA (potenza estesa di 1800 VA) e il nostro trasformatore medicale standard da 1800 VA del metodo standard di costruzione toroidale 1800MD-1-003.

Test a confronto

Confronto del peso

Confronto dei tempi di lavoro

Omologazione UL per la costruzione di ferita di segmento

UL ha analizzato il Trasformatore di costruzione a segmenti avvolti secondo gli standard UL60601-1 1a edizione, ANSI/AAMI ES60601-1 1a edizione, CAN/CSA C22.2 No 601.1 M90 e CSA C22.2 NO. 60601-1 2a edizione e ha stabilito che il trasformatore a segmenti è conforme ai requisiti applicabili.

Numero di file UL Talema: E251176

Conclusione

Sebbene i progetti dei trasformatori toroidali siano abbastanza maturi in generale, questo libro bianco mostra che c'è ancora spazio per l'innovazione e per migliorare l'efficienza attraverso l'uso della tecnologia dei nuclei segmentati. Ci auguriamo che questo lavoro sia utile ai produttori di dispositivi medici, ai progettisti magnetici e a tutti coloro che sono interessati.

Per ulteriori informazioni sulla tecnologia della calotta a nucleo segmentato o su altri magneti di grado medicale di Talema, vi invitiamo a contattaci.

---

Per saperne di più, consultate il nostro libro bianco. Miglioramento dei trasformatori di isolamento medicale con la tecnologia dei cappucci a nucleo segmentato

Nome *

Nome

Cognome

Email *

Nome Accordo e-mail

Accordo GDPR *

• Acconsento a che questo sito web memorizzi le informazioni da me fornite in modo che possano rispondere alla mia richiesta.

Scarica il libro bianco completo »

---