Materiales del núcleo del transformador y detalles de diseño

El núcleo es básicamente el corazón de cualquier transformador de potencia - es el circuito magnético del que depende todo lo demás. Los materiales que elijas y cómo los diseñes tienen un gran impacto en las pérdidas sin-carga, la eficiencia general, el ruido, el tamaño y, por supuesto, el costo.

La mayoría de los núcleos de transformadores actuales se dividen en dos grandes categorías: materiales cristalinos tradicionales y materiales más nuevos-amorfos o nanocristalinos que ahorran energía. La elección suele reducirse a equilibrar la densidad del flujo de saturación, las pérdidas del núcleo, la facilidad de fabricación y el precio.

Acero al silicio (acero eléctrico orientado a grano-)Esta sigue siendo la opción más utilizada - y representa alrededor del 90% del mercado. Básicamente es hierro con un poco de silicio (normalmente entre un 3 y un 4,5 %), enrollado en láminas finas, normalmente de 0,23 a 0,35 mm de espesor para transformadores estándar de 50/60 Hz.

¿Qué tiene de bueno? Tiene un punto de saturación alto (alrededor de 1,9 a 2,0 T), es relativamente económico, fácil de perforar y apilar y se sostiene bien mecánicamente. La desventaja es que tiene mayores pérdidas en el núcleo en comparación con los materiales más nuevos, especialmente en condiciones sin carga, y las pérdidas se disparan si aumenta la frecuencia.

Aleación amorfa (vidrio metálico)Están hechos de aleaciones a base de hierro-que se enfrían extremadamente rápido, creando una estructura no-cristalina, similar al vidrio-. Las cintas son súper finas - de sólo 20 a 35 micrómetros.

La gran ventaja es una pérdida sin carga dramáticamente menor -- a menudo entre un 60 % y un 80 % menor que el acero al silicio - y una corriente de excitación mucho menor. También son más respetuosos con el medio ambiente y desperdician menos material durante la producción. Por otro lado, la densidad del flujo de saturación es menor (alrededor de 1,5 a 1,6 T), por lo que necesita un núcleo un poco más grande. También son frágiles, sensibles al estrés mecánico y un poco más caros por adelantado. Aún así, para los transformadores de distribución con cargas bajas o variables (piense en redes rurales o instalaciones de energía renovable), los ahorros de energía generalmente amortizan el costo adicional con el tiempo.

Aleación nanocristalinaEsta es la opción de alto-rendimiento. Se comienza con material amorfo y luego se recoce cuidadosamente para crear pequeños cristales a nanoescala mezclados con la fase amorfa.

Le ofrece lo mejor de ambos mundos: pérdidas muy bajas (especialmente en frecuencias más altas), alta permeabilidad y saturación decente. Los únicos inconvenientes reales son el mayor coste y el proceso de fabricación más exigente. Los verás principalmente en suministros de modo de conmutación-de alta-frecuencia-, transformadores-de frecuencia media o transformadores-de estado sólido-de última generación.

Al diseñar el núcleo, los ingenieros intentan principalmente crear la ruta magnética más eficiente posible manteniendo al mismo tiempo las pérdidas, los espacios de aire y el ruido lo más bajos posible.

Hay dos formas principales de construirlo:

Núcleos laminados (apilados)– el enfoque clásico. Las hojas delgadas se apilan juntas, a menudo en forma E-I o escalonada. El aislamiento entre láminas ayuda a reducir las corrientes parásitas, pero las juntas inevitablemente crean pequeños espacios de aire.

Núcleos de heridas– muy común con cinta amorfa. El material se enrolla continuamente en formas toroidales o tridimensionales-. Esto proporciona una trayectoria magnética más suave con menos espacios, lo que significa menores pérdidas, mejor simetría y un funcionamiento más silencioso.

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Algunos detalles clave de diseño que realmente importan:

Factor de apilamiento: Esto le indica qué parte del área geométrica del núcleo es realmente hierro útil. Los buenos diseños apuntan a 0,93–0,98. Incluso pequeñas mejoras pueden reducir notablemente las pérdidas.

Diseño conjunto: La forma de superponer o ingletear las uniones (las uniones en inglete escalonadas o de 45 grados son populares) marca una gran diferencia a la hora de reducir el flujo perdido y el sobrecalentamiento local. Unas mejores articulaciones también ayudan a reducir el ruido.

Control de espacio de aire: Incluso los espacios pequeños aumentan la corriente de magnetización y las pérdidas, por lo que los fabricantes se toman muchas molestias para minimizarlos - especialmente con material amorfo quebradizo, al que no le gusta el estrés mecánico.

Otras cosas importantes incluyen elegir la densidad de flujo operativa adecuada (generalmente 1,5 a 1,7 T), un recocido adecuado para aliviar las tensiones internas y una sujeción mecánica cuidadosa para mantener todo estable y silencioso.

En este momento, las regulaciones de eficiencia energética y los objetivos de reducción de carbono están empujando a más fabricantes hacia diseños de núcleos amorfos y enrollados-. El acero al silicio también sigue mejorando, con calidades más delgadas y con menores-pérdidas apareciendo todo el tiempo.

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