El alambre magnético o alambre esmaltado es un alambre de cobre o aluminio recubierto con una capa muy fina de aislamiento . Se utiliza en la construcción de transformadores , inductores , motores , generadores, parlantes , actuadores de cabezales de discos duros , electroimanes , pastillas de guitarra eléctrica y otras aplicaciones que requieren bobinas apretadas de alambre aislado.
El alambre en sí suele ser cobre completamente recocido y refinado electrolíticamente. El alambre magnético de aluminio se utiliza a veces para grandes transformadores y motores. El aislamiento suele estar hecho de materiales resistentes de película polimérica en lugar de esmalte vítreo , como sugiere el nombre.
Los materiales más adecuados para aplicaciones de cables magnéticos son los metales puros sin alear, particularmente el cobre. Cuando se consideran factores como los requisitos de propiedades químicas, físicas y mecánicas, el cobre se considera el conductor de primera elección para el alambre magnético. [1]
Muy a menudo, el alambre magnético está compuesto de cobre totalmente recocido y refinado electrolíticamente para permitir un bobinado más cercano al fabricar bobinas electromagnéticas. [2] Los grados de cobre libre de oxígeno de alta pureza se utilizan para aplicaciones de alta temperatura en atmósferas reductoras o en motores o generadores enfriados por gas hidrógeno.
El alambre magnético de aluminio se utiliza a veces como alternativa para grandes transformadores y motores, principalmente por razones económicas. Debido a su menor conductividad eléctrica, el alambre de aluminio requiere un área de sección transversal 1,6 veces mayor que un alambre de cobre para lograr una resistencia de CC comparable.
Aunque se describe como "esmaltado", el alambre esmaltado en realidad no está recubierto con una capa de pintura de esmalte o esmalte vítreo hecho de polvo de vidrio fundido. El alambre magnético moderno normalmente utiliza de una a cuatro capas (en el caso del alambre tipo película cuádruple) de aislamiento de película de polímero , a menudo de dos composiciones diferentes, para proporcionar una capa aislante continua y resistente.
Las películas aislantes de alambre magnético utilizan (en orden creciente de rango de temperatura) polivinilo formal (Formvar), poliuretano , poliamida , poliéster , poliéster- poliimida , poliamida-poliimida (o amida-imida) y poliimida . [3] El cable magnético aislado con poliimida es capaz de funcionar a temperaturas de hasta 250 °C (482 °F). El aislamiento de un alambre magnético cuadrado o rectangular más grueso a menudo se aumenta envolviéndolo con una cinta de poliimida o fibra de vidrio de alta temperatura, y los devanados terminados a menudo se impregnan al vacío con un barniz aislante para mejorar la resistencia del aislamiento y la confiabilidad a largo plazo del devanado.
Las bobinas autoportantes están enrolladas con alambre recubierto con al menos dos capas, siendo la más externa un termoplástico que une las espiras cuando se calienta.
Otros tipos de aislamiento, como el hilo de fibra de vidrio con barniz, el papel de aramida , el papel kraft , la mica y la película de poliéster, también se utilizan ampliamente en todo el mundo para diversas aplicaciones, como transformadores y reactores.
En la industria del audio, a veces se utilizan cables hechos de plata en lugar de cobre. Se pueden encontrar otros aislantes como el algodón (a veces impregnado con algún tipo de agente coagulante/espesante, como cera de abejas ) y politetrafluoroetileno (teflón). Los materiales aislantes más antiguos incluyen algodón, papel o seda, pero solo son útiles para aplicaciones de baja temperatura de hasta 105 °C.
Para facilitar la fabricación, algunos cables magnéticos aptos para bajas temperaturas tienen un aislamiento que se puede eliminar mediante el calor de la soldadura . [4] Esto significa que las conexiones eléctricas en los extremos se pueden realizar sin quitar primero el aislamiento; sin embargo, la desventaja es que puede derretirse accidentalmente. El pelado de cables con láser tiene la capacidad de eliminar secciones del aislamiento del cable para mejorar la conectividad; La tecnología láser puede proporcionar una precisión y repetibilidad incomparables para garantizar una conectividad precisa.
El alambre magnético de menor diámetro suele tener una sección transversal redonda. Este tipo de cable se utiliza para cosas como pastillas de guitarra eléctrica. El alambre magnético más grueso suele tener una sección transversal cuadrada, rectangular o hexagonal (con esquinas redondeadas), lo que se empaqueta de manera más eficiente y tiene mayor estabilidad estructural y conductividad térmica en las vueltas adyacentes.
Al igual que otros cables, el cable magnético se clasifica por diámetro ( número AWG , SWG o milímetros) o área (milímetros cuadrados), clase de temperatura y clase de aislamiento.
El voltaje de ruptura depende del espesor de la cubierta, que puede ser de 3 tipos: Grado 1, Grado 2 y Grado 3. Los grados más altos tienen un aislamiento más grueso y, por lo tanto, voltajes de ruptura más altos .
La clase de temperatura indica la temperatura del cable a la que tiene una vida útil de 20.000 horas . A temperaturas más bajas, la vida útil del cable es mayor (aproximadamente un factor de dos por cada 10 °C de temperatura más baja). Las clases de temperatura comunes son 105 °C (221 °F), 130 °C (266 °F), 155 °C (311 °F), 180 °C (356 °F) y 220 °C (428 °F).
En la práctica, la densidad de corriente máxima puede variar desde 2,5 A/mm 2 para un cable aislado del aire libre hasta 6 A/mm 2 para un cable al aire libre. [ cita necesaria ] Si el cable transporta corrientes de alta frecuencia (por encima de 10 kHz), el efecto superficial puede afectar la distribución de la corriente a través de la sección al concentrar la corriente en la superficie del conductor.
Si se realiza una refrigeración activa mediante soplado de aire o circulación de agua, se pueden conseguir densidades de corriente mucho mayores, en proporción a la eficacia de la refrigeración.
Un cable de aluminio debe tener 1,6 veces el área de la sección transversal de un cable de cobre para lograr una resistencia de CC comparable . Debido a esto, los alambres magnéticos de cobre contribuyen a mejorar la eficiencia energética en equipos como los motores eléctricos.
El alambre magnético se utiliza en devanados de motores eléctricos , transformadores , inductores , generadores , auriculares , bobinas de altavoces , posicionadores de cabezales de discos duros, electroimanes y otros dispositivos. [2] [1]
Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en movimiento mecánico, generalmente mediante la interacción de campos magnéticos y conductores portadores de corriente. Los motores eléctricos se encuentran en numerosas aplicaciones diversas, como ventiladores, sopladores, bombas, máquinas, electrodomésticos, herramientas eléctricas y unidades de disco. Los motores eléctricos más grandes, con potencias de miles de kilovatios, se utilizan en aplicaciones como la propulsión de grandes barcos. Los motores más pequeños mueven las manecillas de los relojes de pulsera eléctricos.
Los motores eléctricos contienen bobinas para producir los campos magnéticos necesarios. Para un tamaño determinado de estructura de motor, el material de alta conductividad reduce la pérdida de energía debido a la resistencia de la bobina. Los conductores más pobres generan más calor residual al convertir energía eléctrica en energía cinética. [5]
Debido a su alta conductividad eléctrica, el cobre se utiliza comúnmente en devanados de bobinas, cojinetes, colectores, escobillas y conectores de motores, incluidos los motores de la más alta calidad. La mayor conductividad del cobre frente a otros materiales mejora la eficiencia energética eléctrica de los motores. Por ejemplo, para reducir las pérdidas de carga en motores de inducción de uso continuo de más de 1 caballo de fuerza , los fabricantes utilizan invariablemente cobre como material conductor en los devanados. El aluminio es un material alternativo en motores de menor potencia, especialmente cuando los motores no se utilizan de forma continua.
Uno de los elementos de diseño de los motores premium es la reducción de las pérdidas de calor debido a la resistencia eléctrica de los conductores. Para mejorar la eficiencia energética eléctrica de los motores de inducción, se puede reducir la pérdida de carga aumentando la sección transversal de las bobinas de cobre. Un motor de alta eficiencia suele tener un 20% más de cobre en el devanado del estator que su homólogo estándar.
Los primeros avances en la eficiencia de los motores se centraron en reducir las pérdidas eléctricas aumentando el peso del embalaje de los devanados del estator . Esto tenía sentido ya que las pérdidas eléctricas normalmente representan más de la mitad de todas las pérdidas de energía, y las pérdidas del estator representan aproximadamente dos tercios de las pérdidas eléctricas.
Sin embargo, existen desventajas al aumentar la eficiencia eléctrica de los motores mediante devanados más grandes. Esto aumenta el tamaño y el coste del motor, lo que puede no ser deseable en aplicaciones como electrodomésticos y automóviles. [6]
Un transformador es un dispositivo que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro a través de sus bobinas (devanados). Las propiedades necesarias para los devanados de los motores son similares a las necesarias para los transformadores, pero con el requisito adicional de resistir vibraciones mecánicas y fuerzas centrífugas a temperaturas de funcionamiento. [7]
Los devanados de los transformadores normalmente están hechos de cobre, pero el aluminio es un competidor adecuado donde el peso y el coste inicial son factores decisivos. [2]
En América del Norte, el aluminio es la opción predominante como material de devanado para transformadores de tipo seco de bajo voltaje de más de 15 kilovoltios-amperios (kVA). En la mayoría de las demás zonas del mundo, el cobre es el material de bobinado predominante. Las decisiones de compra generalmente son función de valoraciones de pérdidas expresadas en moneda por kilovatio. [8]
El cobre utilizado para la fabricación de devanados de transformadores se presenta en forma de alambre para productos pequeños y tiras para equipos más grandes. Para productos pequeños, el cable debe ser lo suficientemente fuerte como para enrollarlo sin romperse, pero lo suficientemente flexible como para proporcionar devanados muy compactos. Los productos en tiras deben tener una buena calidad superficial para que los esmaltes aislantes no se descompongan bajo tensión. Una buena ductilidad es esencial para que la tira se forme y empaquete, mientras que se necesita una buena resistencia para soportar las altas tensiones electromecánicas que se generan en condiciones ocasionales de cortocircuito. Los cables de cobre para bobinados de transformadores son compatibles con todos los materiales aislantes modernos, como lacas y esmaltes. Las lacas permiten un espaciamiento cercano de los devanados para brindar la mejor eficiencia en las bobinas. [7]
Una de las principales razones de ingeniería para elegir devanados de cobre en lugar de aluminio son las consideraciones de espacio. Esto se debe a que un transformador bobinado de cobre puede hacerse más pequeño que los transformadores de aluminio. Para obtener clasificaciones iguales en transformadores de aluminio, se requiere un área de sección transversal un 66% mayor que para los conductores de cobre. Sin embargo, el uso de conductores de mayor tamaño da como resultado que la resistencia del devanado del aluminio sea casi equivalente a la del cobre. [8]
La conectividad es otro beneficio importante de los transformadores bobinados de cobre, ya que la capa de óxido en la superficie del aluminio dificulta la soldadura o la conexión con él. Con el cobre no es necesario limpiar y cepillar con un compuesto para juntas de calidad para evitar la oxidación . [8]
La tendencia en los generadores modernos es operar a temperaturas más altas y conductividades eléctricas más altas con cobre libre de oxígeno para barras de campo y cables magnéticos en lugar del cobre desoxidado utilizado anteriormente. [2]