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Núcleos

Forma de los núcleos:

La forma del núcleo es variable según el uso y potencia, pues sabemos que entre los monofásicos se encuentran los de forma anillo, o los acorazados, según se ha visto anteriormente. Entre los trifásicos, hay el modelo simétrico o el anillo. En transformadores pequeños se colocan las chapas una a una, alternando las juntas, para dar más solidez al conjunto, y evitar piezas de unión entre partes del núcleo. En los grandes, las dos cabezas quedan separadas, y deben sujetarse con pernos roscados.

Diferentes materiales para fabricación de los núcleos:

El fenómeno de histéresis determina que las pérdidas producidas por él representan una cierta potencia que absorbe el núcleo metálico de todo bobinado sometido a corrientes variables. Es decir, que el trabajo eléctrico gastado en la imantación del núcleo no se invierte totalmente en efecto útil, sino que parte de él se consume en describir el ciclo o lazo de histéresis.

Steinmetz estudió diversos materiales magnéticos, casi todos ellos compuestos por hierro puro o con agregados como silicio, manganeso, etc. El estudio se extendió al acero y la fundición. Posteriormente se ensayaron láminas de acero especialmente preparadas para núcleos de máquinas y transformadores. De todos estos ensayos surgió una fórmula empírica para calcular las pérdidas por histéresis, que es:

W = B1,6 f 10-8

Donde W es la potencia perdida en un Kg. de núcleo, dada en Watt. Para calcular la pérdida en todo el núcleo, hay que multiplicar el resultado de la fórmula por el peso total en Kg. O, si se conoce el volumen, dado en dm3, se multiplica éste por el peso específico, que puede tomarse igual a 7,8 Km/dm3, y se tiene el peso del núcleo. En la expresión anterior, B es la inducción máxima que atraviesa el núcleo, en Gauss, de modo que si es alternada, se tomará su amplitud, f es la frecuencia en ciclos/segundos. El coeficiente es el llamado coeficiente de Steinmetz y depende del tipo de hierro del núcleo.

Coeficientes de Steinmetz para cada material:

Material - Coeficiente ()
Hierro dulce 2,5
Fundición 17,0
Acero fundido 15,0
Acero dulce para máquinas 10,0
Acero dulce recocido 5,8
Acero dulce 2,7
Acero dulce, con 2% de silicio 1,5
Acero dulce, con 3% de silicio 1,25
Acero dulce, con 4% de silicio 1,0
Laminación dulce 3,1
Laminación delgada 3,8
Laminación ordinaria 4,2

Se observa en la tabla la influencia que tendrá el tipo de material elegido en la cifra de pérdidas.

NÚCLEOS PARA INDUCTORES Y TRANSFORMADORES

En electrónica, la aplicación más frecuente de los materiales magnéticos se encuentra en la fabricación de núcleos de inductores y transformadores.

Como existe una gran variedad de aplicaciones, así como rangos de potencia y frecuencias muy diversos, se presenta una amplia gama de núcleos posibles, en forma, tamaño, material, entrehierro, etc., teniendo cada caso ventajas, desventajas y características particulares. A continuación se describirán en forma general los tipos principales.

Núcleos laminados:

Este tipo de núcleos es el más popular en frecuencias bajas, donde se lo emplea extensamente en transformadores de potencia baja y media (hasta unos 1000 VA).

La materia prima - usualmente Fe con un porcentaje de Si entre el 3 y el 4% - viene en dos formas:

  • 1. Hojas de 1 por 2 metros con espesores variables, siendo una de los más comunes 0,35 milímetros.

  • 2. Cintas arrolladas, con espesores típicos de 0,05 a 0,2 milímetros.

Núcleos en anillo armados con tiras “I”

Una de las formas más sencillas de realizar un núcleo laminado consiste en utilizar láminas o chapas de hierro-silicio, como se ha mencionado anteriormente. Este se corta en trozos de forma regular y luego se lo arca.

Se superponen chapas hasta obtener un apilado Ap necesario para lograr la sección de hierro deseada:

Sh = a . Ap

La sección de hierro Sh, conjuntamente con la longitud del camino magnético del hierro lh (también llamada “espira magnética”) constituyen los parámetros significativos del circuito magnético.

Puede apreciarse que en el circuito magnético existen cuatro cortes o “entrehierros”. Veremos más adelante que este entrehierro juega un papel muy importante en el comportamiento del circuito magnético.

Núcleos E-I (o acorazados):

Este tipo de núcleos se usa ampliamente en baja frecuencia, para tamaños pequeños y medianos, debido a las varias ventajas que ofrece:

  • 1. Es compacto y de fácil montaje.

  • 2. La bobina se encuentra protegida por las partes exteriores de la E (por ese motivo se lo llama “acorazado”).

  • 3. La bobina puede realizarse por separado y ser montada posteriormente en el núcleo.

Estos núcleos utilizan láminas (chapas) cortadas con matriz con formas de “E” e “I”.

Cuando se utiliza la laminación E-I generalmente la bobina se coloca en la parte central, con una longitud media lh (también llamada “espira magnética”). Es como si se tuvieran dos circuitos magnéticos en paralelo, de modo que en realidad existe un único camino en el hierro lh.

Por otra parte, la sección efectiva del núcleo Sh es igual al ancho de la rama central “a” por el apilado “Ap”:

Sh = a . Ap

El formato de núcleo acorazado posibilita un buen aprovechamiento de la chapa entera de la cual se cortan las laminaciones E-I. En efecto, dimensionando adecuadamente la laminación y haciendo el matrizado con la secuencia apropiada, se producen dos chapas “I” y dos “E” por corte.

En particular, si se dimensionan las laminaciones, se obtienen lo que se denomina “laminación sin desperdicio”, que aprovecha totalmente la hoja en que se produce el material.

Núcleos Toroidales laminados:

Los núcleos toroidales constituyen una solución óptima desde el punto de vista magnético. Los toroides de sección cuadrada, construidos con materiales laminados, son realizables en dos variables:

Núcleos Toroidales de chapas planas apiladas:

Estos núcleos, como todos los toroides tienen estas ventajas:

  • 1. Configuración magnética ideal.

  • 2. Mínimo flujo disperso (ideal nulo).

  • 3. Entrehierro nulo (es una ventaja en ciertas aplicaciones).

Sin embargo, adolecen en ciertos aspectos:

  • 1. Imposibilidad de realizar un entrehierro (esto es decisivo en ciertas aplicaciones)

  • 2. Gran dificultad de bobinado: el arrollamiento debe realizare “in situ” (a diferencia de otras formas de núcleo, que permite realizar la bobina separadamente y luego montarla en el núcleo). En baja frecuencia, donde los arrollamientos suelen tener muchas vueltas de alambre fino, el bobinado de toroides requiere máquinas especiales, con alto costo asociado.

  • 3. El bobinado es externo, lo cual lo hace vulnerable.

  • 4. El conjunto presenta problemas de soporte, ya que el núcleo es poco accesible.

El balance entre ventajas e inconvenientes restringe su uso generalizado, limitándolo a aplicaciones especiales de baja frecuencia que priorizan su disposición geométrica (transformadores regulables) o su bajo flujo disperso (amplificadores de alta sensibilidad).

Núcleos toroidales de cinta arrollada:

Estos núcleos, realizados con cintas finas (de 0,02 hasta 0,2 milímetros) poseen ventajas adicionales a las señaladas anteriormente para los toroides en general:

  • 1. El pequeño espesor de la cinta, unido a la utilización de materiales magnéticos especiales, posibilita trabajar a frecuencias de hasta 100 Khz.

  • 2. Si se usan materiales de grano orientado a lo largo de la cinta, se aprovechan totalmente sus propiedades.

  • 3. Es posible construir núcleos de este tipo en tamaños pequeños, y encapsularlos.

Estas ventajas adicionales abren un campo de aplicaciones relativamente amplio en el cual este tipo de núcleo es competitivo con otras alternativas constructivas (transformadores de potencia en frecuencias medias). Un inconveniente adicional es el costo elevado, comparado, por ejemplo, con núcleos toroidales de ferrita.

Núcleos acorazados (E-E) de cinta arrollada:

Una solución ingeniosa a algunos de los inconvenientes de los núcleos toroidales se tiene con la utilización de los núcleos cuasi-toroidales de cinta arrollada en configuración E-E.

Estos núcleos se fabrican de la siguiente forma: se construye un núcleo doble (en cada sección se arrolla la cinta sobre un mandril rectangular con cantos redondos). Las cintas se impregnan con adhesivos epoxy, de modo de constituir un conjunto sólido.

Luego se corta en la dirección a-a y se lapidan las superficies para asegurar un óptimo contacto, obteniéndose un núcleo acorazado E-E, cuyas mitades se pueden separar para colocar el arrollamiento en la rama central.

NÚCLEOS DE MATERIALES NO METÁLICOS (FERRITAS O POLVOS AGLOMERADOS)

A frecuencias medias y altas el uso de núcleos metálicos se vuelve más y más problemático ya que la laminación no alcanza a evitar las pérdidas por corrientes parásitas. Se utilizan entonces materiales que poseen mayor resistividad intrínseca.

Estos materiales de alta resistividad pueden ser compuestos de polvos aglomerados, o más comúnmente, cerámicas ferromagnéticas llamadas ferritas.

Núcleos acorazados de ferrita (E-E)

Estos núcleos tienen configuración acorazada, pero ambas piezas son iguales, con forma de “E”. Sus propiedades son similares a los núcleos acorazados laminados que ya se han estudiado, con la ventaja adicional que, de requerirse un entrehierro, éste puede practicarse solamente en la rama central (debe solicitárselo al adquirirlo, porque se realiza durante el lapidado de las superficies). De esta forma se reduce el flujo magnético disperso que siempre se produce en un entrehierro.

Como estos núcleos son muy populares para algunas aplicaciones (por ejemplo, para los transformadores de las fuentes conmutadas usadas en las computadoras personales), sus tamaños y características se encuentran normalizados y son fabricadas por numerosas empresas proveedoras.

Núcleos toroidales de ferrita (o de polvos aglomerados):

Estos núcleos son muy utilizados en frecuencias elevadas, por dos razones: su muy buen comportamiento magnético, y por que en altas frecuencias los arrollamintos emplean pocas espiras, con lo cual la dificultad de bobinar los núcleos toroidales se reduce grandemente.

El material magnético más común es la ferrita, con lo que pueden trabajar hasta frecuencias de cientos de Mhz, pero en algunas aplicaciones especiales se emplean polvos aglomerados.

Estos núcleos, que tienen gran difusión en frecuencia entre 100 Khz. Y 10 Mhz., tienen, como su nombre lo indica forma de pote o cazoleta. El cierre se puede efectuar de dos maneras: con una tapa plana, o mediante otra media cazoleta igual a la primera.

Ferritas:

En la actualidad, los materiales magnéticos que han tenido un desarrollo espectacular, son las ferritas. Sus características van mejorando día a día y cada vez son más empleadas en la tecnología moderna por sus notables cualidades y su bajo costo.

Muchas diferentes tipos de ferritas son obtenidas para distintos tipos de aplicaciones. Entre los dispositivos que utilizan este material podemos citar a filtros, transformadores, inductores, llaves magnéticas y elementos de memoria.

La primera ferrita natural es la magnética o piedra imán (Fe3O4). Las magnetitas fabricadas por el hombre, o sea las ferritas comerciales también contiene básicamente oxido de hierro, pero en estos materiales hay además otro iones metálicos que regulan las propiedades magnéticas. Estas sustancias adicionales tienen generalmente valencia 2.

Entre los elementos usados con este fin, se encuentran el magnesio, cobre, magneso, cobalto, niquel, cadmio y zinc.
En comparación con los materiales magnéticos metálicos, las ferritas son inferiores con respecto a la permeabilidad inicial, densidad de flujo de saturación, temperatura de Curie, esfuerzos mecánicos, etc. En contrapartida con estas desventajas, las ferritas dominan el campo de los núcleos usados para alta frecuencia. La razón para esto es muy simple: las ferritas tienen extremadamente alta resistividad.

Con el mismo criterio aplicado anteriormente, las ferritas también pueden ser clasificadas en dos grandes grupos: ferritas magnéticamente blandas y ferritas magnéticamente duras.

Ferritas magnéticamente duras:

En este campo no hay prácticamente variantes respecto a lo ya visto para los materiales magnéticos duros. Como información damos una tabla actualizada de algunas ferritas utilizadas para este fin.

Ferritas magnéticamente blandas:

Estos materiales se caracterizan por tener relativamente alto valor de permeabilidad (en baja frecuencia) y principalmente muy bajo valor de fuerza coercitiva (Hc). Además el área del lazo de histéresis es pequeño.

El factor fundamental en la elección de un material determinado es el rango de frecuencia en el cual se desea trabajar.

 

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