¿De qué están construidos los núcleos de los transformadores? Guía de materiales, formas, fabricación y selección.

1. Materiales del núcleo utilizados en transformadores.

Los núcleos de los transformadores se construyen principalmente con materiales magnéticos blandos elegidos para minimizar las pérdidas (histéresis y corrientes parásitas) y proporcionar una alta permeabilidad. Los materiales más comunes utilizados en los transformadores modernos son aceros laminados al silicio (tanto de grano orientado como no orientado), metales amorfos, aleaciones nanocristalinas y ferritas para aplicaciones de alta frecuencia. Cada material tiene propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas específicas que lo hacen adecuado para diferentes rangos de voltaje, potencia y frecuencia.

Acero eléctrico de grano orientado (GOES)

GOES es el material elegido para núcleos de transformadores de distribución y potencia de alta eficiencia que funcionan a 50/60 Hz. Está laminado en frío y tratado térmicamente para alinear los granos en la dirección de laminado, lo que reduce significativamente la pérdida por histéresis a lo largo de esa orientación. GOES se suministra en forma de laminaciones delgadas (normalmente de 0,23 mm o menos) con un revestimiento aislante para reducir las corrientes parásitas.

Acero al silicio no orientado (NOES)

NOES tiene propiedades magnéticas isotrópicas y se usa comúnmente cuando la dirección del flujo magnético cambia dentro del núcleo, como en máquinas rotativas o ciertas geometrías de transformadores. También está disponible en laminaciones delgadas para minimizar las pérdidas por remolinos y es menos costoso que GOES.

Aleaciones amorfas y nanocristalinas.

Los metales amorfos (vidrios metálicos) y las aleaciones nanocristalinas ofrecen pérdidas en el núcleo mucho menores que los aceros al silicio convencionales, lo que los hace ideales para transformadores de distribución energéticamente eficientes y aplicaciones especializadas. Por lo general, se suministran en forma de cintas finas y se enrollan o apilan en núcleos. El costo y la fragilidad mecánica son compensaciones a considerar.

Ferritas y compuestos magnéticos blandos en polvo.

Para transformadores de alta frecuencia (kHz a MHz), las ferritas (MnZn o NiZn) son comunes debido a la baja pérdida por corrientes parásitas a altas frecuencias y a una permeabilidad razonable. En algunos diseños donde se requieren trayectorias de flujo tridimensionales o formas mecánicas específicas se utilizan hierro en polvo o compuestos magnéticos blandos (SMC).

2. Geometrías centrales y tipos de construcción.

La geometría del núcleo afecta la longitud del camino magnético, la distribución del flujo, la reactancia de fuga y la capacidad de fabricación. Los tipos de construcción comunes incluyen núcleos laminados apilados, núcleos enrollados (de cinta) y núcleos toroidales. La elección de la geometría depende de la aplicación (potencia frente a alta frecuencia), las limitaciones de espacio y los objetivos de rendimiento.

Núcleos laminados (EE, EI, UI, shell)

Los transformadores de potencia de baja frecuencia suelen utilizar núcleos laminados perforados a partir de láminas de acero al silicio y apilados en formas como EE, EI o tipos de carcasa. Las laminaciones reducen las corrientes parásitas porque cada lámina delgada está aislada de la siguiente. Los núcleos laminados son mecánicamente simples y económicos para transformadores medianos y grandes.

Núcleos toroidales

Núcleos toroidales (ring shapes) offer low leakage flux and compact design, often improving efficiency and reducing audible noise. They are commonly made from wound strip of GOES, amorphous ribbon, or ferrite (for smaller, high-frequency units). Winding on a toroid requires special equipment but yields excellent electromagnetic performance.

Núcleos de cinta enrollados

Los núcleos amorfos y nanocristalinos generalmente se producen enrollando cintas delgadas en los núcleos y recociéndolos para aliviar las tensiones. Este método se utiliza para transformadores de distribución altamente eficientes y electrónica de potencia especializada.

3. Pasos de fabricación y parámetros importantes.

La construcción de un núcleo de transformador requiere un control mecánico y de proceso cuidadoso para preservar las propiedades magnéticas y minimizar las pérdidas. Los pasos típicos y los parámetros críticos se enumeran a continuación.

• Adquisición de materiales: especificación de calidad (GOES, NOES, amorfo), espesor de laminación, tipo de recubrimiento y tolerancias mecánicas.
• Punzonado o corte: las laminaciones se perforan con herramientas precisas para mantener la alineación del grano y reducir las rebabas; La cinta se corta al ancho para los núcleos enrollados.
• Revestimiento aislante: las laminaciones reciben una fina capa de barniz u óxido para aislar eléctricamente las láminas adyacentes y limitar las corrientes parásitas.
• Apilamiento y sujeción: las laminaciones se apilan con un escalonamiento correcto de las juntas y se sujetan para proporcionar una trayectoria magnética ajustada y minimizar los espacios.
• Recocido: el recocido para aliviar tensiones después del corte/bobinado restaura las propiedades magnéticas y reduce la coercitividad y la pérdida del núcleo.
• Verificaciones del ensamblaje del núcleo: verifique la continuidad de la trayectoria del flujo, mida la pérdida sin carga y la corriente magnetizante antes del ensamblaje final.

4. Cómo elegir el material central adecuado (criterios de selección)

Los ingenieros seleccionan un material central en función de la frecuencia, los objetivos de eficiencia, el costo, las limitaciones mecánicas, los límites de tamaño/peso y el rendimiento térmico. La siguiente lista de verificación cubre las consideraciones prácticas más importantes.

• Frecuencia de funcionamiento: utilice acero al silicio para 50/60 Hz, ferritas para alta frecuencia y amorfo/nanocristalino para diseños de pérdida ultrabaja de baja frecuencia.
• Objetivos de pérdidas y regulaciones de eficiencia: los objetivos de pérdidas más estrictos impulsan la selección hacia GOES o núcleos amorfos.
• Robustez mecánica y capacidad de fabricación: los aceros laminados son resistentes y fáciles de producir; Las cintas amorfas pueden ser quebradizas y requieren un manejo cuidadoso.
• Costo y disponibilidad: los amorfos y los nanocristalinos son más caros y pueden afectar el costo total del producto.

5. Tabla de comparación rápida de materiales básicos comunes

6. Consejos prácticos para diseñadores e ingenieros de mantenimiento

La aplicación del material del núcleo y las prácticas de construcción correctas reduce las pérdidas, el ruido audible y mejora la longevidad del transformador. A continuación se presentan consejos prácticos para implementar en el diseño y el mantenimiento:

• Primero haga coincidir el material del núcleo con la frecuencia; no intente utilizar acero al silicio en frecuencias de conmutación; utilice ferrita o núcleos en polvo en su lugar.
• Especifique el espesor de la laminación según la aplicación: las laminaciones más delgadas reducen las pérdidas por remolinos, pero pueden aumentar el costo de fabricación.
• Tensiones de control: las tensiones mecánicas aumentan las pérdidas en el núcleo. Utilice ciclos de recocido adecuados después del punzonado y bobinado.
• Mida la pérdida sin carga y la corriente magnetizante durante la producción; utilícelas como criterios de aceptación vinculados a las especificaciones del material.
• Considere el costo del ciclo de vida: un núcleo más caro de bajas pérdidas (amorfo o GOES) puede justificarse mediante ahorros de energía durante la vida útil del transformador.

7. Lista de verificación resumida para adquisiciones

Al especificar o comprar núcleos, asegúrese de que se incluya lo siguiente en la oferta técnica: calidad del material y certificados de prueba de fábrica, espesor y tolerancia de la laminación, tipo de revestimiento aislante, pérdida (W) y corriente magnetizante a voltaje nominal, dimensiones mecánicas, procedimientos de recocido y manipulación, y cualquier clase de eficiencia requerida o cumplimiento normativo.