Núcleo C de aleación amorfa de alta-eficiencia para transformadores

¿Qué es un núcleo de aleación amorfa?

Un núcleo de aleación amorfa es un núcleo magnético hecho de una aleación metálica que se ha enfriado tan rápidamente que se solidifica sin formar una estructura cristalina. Debido a que el material no tiene límites de grano, no depende del movimiento de la pared del dominio de la misma manera que los materiales cristalinos, lo que resulta en histéresis y pérdidas por corrientes parásitas muy bajas, especialmente a frecuencias más altas. Por el contrario, los núcleos cristalinos convencionales, como el acero al silicio y la ferrita, sufren pérdidas de energía notablemente mayores cuando aumenta la frecuencia de funcionamiento.

Núcleos amorfos versus núcleos convencionales

Diferencia estructural

Los núcleos amorfos se producen mediante solidificación rápida, generalmente enfriando una fina cinta de aleación fundida en una rueda de enfriamiento giratoria. La estructura resultante es más densa que un material cristalino convencional y no tiene estructura de grano, lo que le da al material una mejor permeabilidad magnética y menores pérdidas. Los núcleos convencionales están hechos de materiales cristalinos como acero al silicio, ferrita y compuestos ferromagnéticos unidos.

Diferencia de propiedad magnética

La aleación amorfa ofrece una mayor densidad de flujo magnético de saturación que la ferrita y una pérdida de bucle de histéresis mucho menor que el acero eléctrico convencional. Puede funcionar en entornos de alta-frecuencia y alta-temperatura sin la marcada degradación del rendimiento que se observa en los núcleos cristalinos, y la baja pérdida del núcleo mantiene el aumento de temperatura bajo control.

Diferencia de aplicación

Debido al rendimiento superior de alta-frecuencia y la baja pérdida, los núcleos amorfos se utilizan en transformadores, bobinas de choque y componentes magnéticos para electrónica de potencia, inversores de energía renovable, cargadores de vehículos eléctricos y transformadores de distribución de alta-eficiencia. Los núcleos convencionales siguen siendo la opción económica para transformadores de potencia de baja-frecuencia y para aplicaciones donde se requiere la mayor densidad de flujo.

¿Por qué la geometría en forma de C-?

El núcleo C se forma enrollando una cinta amorfa en una sección transversal-rectangular o circular y luego cortando el núcleo enrollado en dos mitades en forma de C-, que luego se muelen y combinan como un par. En comparación con los núcleos cerrados toroidales y rectangulares, la forma C-ofrece tres ventajas prácticas:

Comodidad de bobinado: la bobina se enrolla en el medio-núcleo abierto antes del montaje, por lo que no es necesario pasar el bobinado a través de un anillo cerrado. Esto simplifica la producción de bobinas de alambre de alto-giro o grueso-y mejora la eficiencia de fabricación.

Entrehierro controlable: se puede introducir un entrehierro rectificado con precisión en la superficie de corte para ajustar la reluctancia magnética y la inductancia del componente terminado, lo cual es útil para bobinas y diseños de transformadores que necesitan un entrehierro residual definido.

Disipación de calor: la geometría abierta y el contacto uniforme entre el devanado y la superficie del núcleo ayudan a alejar el calor, lo cual es importante en los equipos eléctricos de funcionamiento-continuo.

Especificaciones dimensionales representativas

Las tolerancias típicas son de 0,5 mm en la construcción y el ancho del núcleo, y de 1 a 2 mm en las dimensiones de longitud. La construcción del núcleo a define el espesor de la pila de bobinados, el ancho de la ventana b es el espacio disponible para el bobinado y las dimensiones restantes definen la envoltura exterior. Los tamaños se pueden personalizar según la potencia nominal y el área de ventana requeridas.

Aplicaciones de los núcleos de aleación amorfa C

Los núcleos C amorfos se utilizan en transformadores e inductores de inversores fotovoltaicos, convertidores de energía eólica, sistemas de almacenamiento de energía, estaciones de carga de vehículos eléctricos, equipos de soldadura y sistemas de alimentación ininterrumpida. También se especifican para transformadores de distribución de alta-eficiencia, donde la baja pérdida sin carga-del material amorfo reduce directamente la pérdida estacionaria de la red. En todos los casos, el diseñador compensa el mayor coste del material con el ahorro de energía durante la vida útil del equipo.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la densidad de flujo de saturación de un núcleo de aleación amorfa?

La aleación amorfa a base de hierro-tiene una densidad de flujo de saturación de aproximadamente 1,4-1,6 T, menor que la del acero al silicio de grano orientado pero mucho mayor que la ferrita, lo que la hace adecuada para transformadores de potencia con dimensiones compactas.

¿Por qué los núcleos amorfos son más eficientes que los núcleos de acero al silicio?

La ausencia de una estructura de grano cristalino elimina las pérdidas en las paredes del dominio del acero convencional, y la geometría de la cinta delgada limita las corrientes parásitas. La pérdida sin carga de un transformador de distribución amorfo puede ser entre un 60% y un 80% menor que la de un diseño equivalente de acero al silicio.

¿Se puede ajustar el entrehierro de un núcleo C?

Sí. Debido a que el núcleo consta de dos mitades a tierra, el entrehierro en la unión se puede establecer con precisión, o las dos mitades se pueden unir con un entrehierro controlado, para ajustar la inductancia y el comportamiento de polarización de CC del componente.

¿Qué determina el ancho de la ventana de un núcleo C?

El ancho de la ventana define el espacio para el devanado. Una ventana más grande permite un conductor más grueso o más vueltas, lo que aumenta la corriente o la tensión nominal del transformador construido en el núcleo.

¿Los núcleos C amorfos son adecuados para operaciones de alta-frecuencia?

Los núcleos amorfos a base de hierro-funcionan bien hasta varias decenas de kilohercios en la conversión de energía. Para las frecuencias más altas, se prefiere el material nanocristalino, mientras que el amorfo sigue siendo la opción rentable-para aplicaciones de distribución y frecuencia media-.

¿Cómo se mide la pérdida del núcleo de un núcleo amorfo?

La pérdida se mide con un marco Epstein o con un devanado de prueba toroidal de acuerdo con los métodos de prueba de IEC 60404, utilizando la frecuencia objetivo y la densidad de flujo de la aplicación, y el resultado se expresa en vatios por kilogramo de masa del núcleo.