¿Por qué se lamina el núcleo del transformador?

El problema: corrientes de Foucault en un núcleo sólido

Cuando un flujo magnético alterno pasa a través de un núcleo de hierro sólido, induce corrientes circulantes dentro del metal. Estas corrientes parásitas fluyen en bucles cerrados perpendiculares al flujo, calientan el núcleo por disipación I2R y desperdician parte de la energía transmitida. Debido a que el voltaje inducido es proporcional al área rodeada por la trayectoria de la corriente, la pérdida por corrientes parásitas de un núcleo sólido crece con el cuadrado del espesor del núcleo y con el cuadrado de la frecuencia de operación. Por lo tanto, un núcleo masivo de una sola pieza se calentaría y sería ineficiente, y el aumento de temperatura degradaría rápidamente el aislamiento de los devanados que lo rodean.

Cómo la laminación suprime las corrientes parásitas

La laminación resuelve el problema cortando el núcleo en láminas finas. Cada laminación se recubre con una fina capa de aislamiento eléctrico, normalmente barniz o un revestimiento inorgánico, y las láminas se apilan y sujetan en un núcleo. El aislamiento entre las capas bloquea los bucles de corrientes parásitas, por lo que la corriente se limita a la delgada sección transversal-de cada hoja individual. Esta restricción aumenta la resistencia efectiva del camino actual y limita la corriente parásita a un valor muy pequeño. Cuanto más delgada es la laminación, menor es la pérdida por corrientes parásitas, razón por la cual los núcleos para frecuencias más altas utilizan láminas progresivamente más delgadas.

Espesor de laminación y factor de apilamiento

El espesor práctico de las laminaciones de los transformadores es una compensación-entre la pérdida y el costo de fabricación. Los núcleos de frecuencia eléctrica-normalmente utilizan láminas de 0,23 mm a 0,50 mm, siendo las de 0,30 mm y 0,35 mm las más comunes para el acero al silicio de grano-orientado. Cuando se incluye el recubrimiento, el material magnético utilizable es ligeramente menor que el volumen geométrico; La relación entre la sección transversal-magnética efectiva y la sección transversal- geométrica se denomina factor de apilamiento, generalmente de 0,95 a 0,97 para las laminaciones revestidas modernas. Se debe considerar el factor de apilamiento cuando el diseñador calcula la densidad de flujo y el número de vueltas.

Por qué el acero al silicio es el material de núcleo estándar

Se utiliza acero al silicio porque la adición de silicio al hierro aumenta la resistividad eléctrica del material, lo que reduce directamente el componente de corrientes parásitas de la pérdida del núcleo. El acero al silicio de grano-orientado (GO) se procesa para alinear los dominios magnéticos en la dirección de laminación, lo que proporciona una pérdida de núcleo muy baja y una alta permeabilidad a lo largo de la trayectoria del flujo, y es el material estándar para los núcleos de los transformadores de potencia. Los estándares de prueba y especificaciones relevantes incluyen GB/T 2522 para pruebas de propiedades magnéticas, IEC 60404 para materiales magnéticos y ASTM A876 para acero eléctrico de grano-orientado.

Beneficios clave de un núcleo laminado

Menor pérdida por corrientes parásitas: las delgadas láminas aisladas rompen el camino de la corriente y reducen la pérdida del núcleo y la generación de calor resultante.

Peso y material reducidos: las finas capas aislantes permiten un núcleo más compacto que un equivalente sólido

Mayor eficiencia: se desperdicia menos energía en forma de calor, por lo que una mayor cantidad de potencia transmitida llega a la carga

Ruta de flujo controlada: la pila laminada concentra el flujo magnético del devanado primario al secundario con menos dispersión

El ejemplo de la laminación EI

El núcleo EI es una construcción laminada común en la que se entrelazan punzones en forma de E-y de I-para formar el circuito magnético. Las uniones entre las piezas E e I están escalonadas de capa a capa, lo que mantiene los espacios de aire distribuidos y la desgana baja. Los núcleos EI se utilizan ampliamente en transformadores, bobinas de choque y dispositivos electromagnéticos, desde pequeños transformadores de control hasta unidades de distribución medianas, porque el proceso de punzonado es económico y la geometría es fácil de enrollar.

Preguntas frecuentes

¿Qué pasaría si el núcleo de un transformador fuera sólido en lugar de laminado?

Las corrientes parásitas serían muy grandes porque los bucles de corriente podrían rodear toda la sección transversal-del núcleo. El núcleo se sobrecalentaría rápidamente, la eficiencia colapsaría y el aislamiento de los devanados quedaría destruido por el aumento de temperatura.

¿Por qué la pérdida por corrientes parásitas aumenta con la frecuencia?

El voltaje inducido en el núcleo es proporcional a la tasa de cambio del flujo, por lo que duplicar la frecuencia duplica el voltaje inducido y aproximadamente cuadriplica la pérdida por corrientes parásitas para la misma densidad de flujo. Esta es la razón por la que los componentes magnéticos de alta-frecuencia requieren laminaciones muy finas o núcleos en polvo.

¿Cuál es el espesor típico de las laminaciones de los transformadores?

Para transformadores de potencia de 50/60 Hz, las hojas orientadas de grano- de 0,30 mm y 0,35 mm son las más comunes; 0,23 mm y 0,27 mm se utilizan en diseños de mayor-eficiencia, mientras que tiras muy delgadas por debajo de 0,1 mm aparecen solo en núcleos nanocristalinos y amorfos de alta-frecuencia.

¿Cuál es el factor de apilamiento de un núcleo laminado?

Es la relación entre la sección transversal-magnética efectiva y la sección transversal- geométrica de la pila, normalmente de 0,95 a 0,97, porque el revestimiento aislante y la rugosidad de la superficie ocupan una pequeña parte del volumen.

¿La laminación reduce la pérdida de histéresis?

No. La pérdida por histéresis depende del propio material magnético y de la densidad de flujo máxima, no del espesor. La laminación reduce la pérdida por corrientes parásitas; La pérdida por histéresis se minimiza mediante la selección del material y manteniendo la densidad de flujo dentro del rango de diseño.

¿Cómo se aíslan las laminaciones entre sí?

El acero al silicio de grano-orientado se suministra con un fino revestimiento aislante semi-orgánico o inorgánico aplicado por la acería. Después del estampado, las hojas se apilan y sujetan para que el recubrimiento mantenga las capas eléctricamente separadas.