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, altavoces , actuadores de cabezales de discos duros , electroimanes , pastillas de guitarra eléctrica y otras aplicaciones que requieren bobinas apretadas de alambre aislado.
El cable en sí suele ser de cobre totalmente recocido y refinado electrolíticamente. El cable magnético de aluminio se utiliza a veces para transformadores y motores grandes. El aislamiento suele estar hecho de materiales de película de polímero resistente en lugar de esmalte vítreo , como podría sugerir el nombre.
Los materiales más adecuados para aplicaciones de alambres magnetos son los metales puros sin aleaciones, en particular el cobre. Cuando se consideran factores como los requisitos de propiedades químicas, físicas y mecánicas, el cobre se considera el conductor de primera opción para los alambres magnetos. [1]
La mayoría de las veces, el alambre magnético está compuesto de cobre completamente recocido y refinado electrolíticamente para permitir un bobinado más cercano al hacer 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 transformadores y motores de gran tamaño, principalmente por razones económicas. Debido a su menor conductividad eléctrica, el alambre de aluminio requiere una sección transversal 1,6 veces mayor que la de un alambre de cobre para lograr una resistencia de CC comparable.
Aunque se lo 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 de película cuádruple) de aislamiento de película de polímero , a menudo de dos composiciones diferentes, para proporcionar una capa aislante resistente y continua.
Las películas aislantes de alambre magnético utilizan (en orden de rango de temperatura creciente) polivinil formal (Formvar), poliuretano , poliamida , poliéster , poliéster - poliimida , poliamida-poliimida (o amida-imida) y poliimida . [3] El alambre magnético aislado con poliimida puede funcionar a 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 completos 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 vueltas 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 materiales aislantes, como el algodón (a veces impregnado con algún tipo de agente coagulante/espesante, como cera de abejas ) y el politetrafluoroetileno (teflón). Los materiales aislantes más antiguos incluyen el algodón, el papel o la seda, pero solo son útiles para aplicaciones de baja temperatura de hasta 105 °C.
Para facilitar su fabricación, algunos cables magnéticos de baja temperatura tienen un aislamiento que se puede quitar con el calor de la soldadura . [4] Esto significa que se pueden hacer conexiones eléctricas en los extremos sin quitar primero el aislamiento, pero la desventaja es que se puede derretir 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 una repetibilidad inigualables para garantizar una conectividad precisa.
El alambre magnético de diámetro más pequeño suele tener una sección transversal redonda. Este tipo de alambre se utiliza para cosas como las pastillas de guitarra eléctrica. El alambre magnético más grueso suele tener una sección transversal cuadrada, rectangular o hexagonal (con esquinas redondeadas), lo que permite un empaquetamiento más eficiente y una mayor estabilidad estructural y conductividad térmica entre las espiras 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.
La tensión de ruptura depende del espesor de la cubierta, que puede ser de 3 tipos: Grado 1, Grado 2 y Grado 3. Los grados superiores tienen un aislamiento más grueso y, por lo tanto, tensiones de ruptura más altas .
La clase de temperatura indica la temperatura a la que el cable tiene una vida útil de 20.000 horas . A temperaturas más bajas, la vida útil del cable es más larga (aproximadamente un factor de dos por cada 10 °C de temperatura más baja). Las clases de temperatura más 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 de 2,5 A/mm2 para un cable aislado del aire libre a 6 A/mm2 para un cable al aire libre. [ cita requerida ] Si el cable transporta corrientes de alta frecuencia (por encima de 10 kHz), el efecto pelicular puede afectar la distribución de la corriente a través de la sección al concentrar la corriente en la superficie del conductor.
Si se proporciona refrigeración activa mediante soplado de aire o circulación de agua, se pueden lograr densidades de corriente mucho más altas, proporcionalmente a la eficacia de la refrigeración.
Un cable de aluminio debe tener 1,6 veces la sección transversal de un cable de cobre para lograr una resistencia de CC comparable . Debido a esto, los cables 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 que transportan 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 nominales 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 armazón de motor, el material de alta conductividad reduce la pérdida de energía debido a la resistencia de la bobina. Los conductores más deficientes generan más calor residual al transferir energía eléctrica a energía cinética. [5]
Debido a su alta conductividad eléctrica, el cobre se utiliza comúnmente en bobinas, cojinetes, colectores, escobillas y conectores de motores, incluidos los motores de la más alta calidad. La mayor conductividad del cobre en comparación con 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 invariablemente utilizan cobre como material conductor en los bobinados. 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 de alta gama es la reducción de las pérdidas de calor debidas 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 materia de eficiencia de los motores se centraron en reducir las pérdidas eléctricas aumentando el peso de los devanados del estator . Esto tenía sentido, ya que las pérdidas eléctricas suelen representar 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, aumentar la eficiencia eléctrica de los motores mediante bobinados más grandes tiene sus desventajas, ya que aumenta el tamaño y el costo 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 motores son similares a las de los transformadores, pero con el requisito adicional de soportar 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 cuando el peso y el coste inicial son factores decisivos. [2]
En América del Norte, el aluminio es el material de bobinado predominante para transformadores secos de baja tensión de más de 15 kilovoltiamperios (kVA). En la mayoría de las demás zonas del mundo, el cobre es el material de bobinado predominante. Las decisiones de compra suelen depender de las valoraciones de las pérdidas expresadas en moneda por kilovatio. [8]
El cobre utilizado para la fabricación de los devanados de los transformadores se presenta en forma de alambre para productos pequeños y de tiras para equipos más grandes. En el caso de productos pequeños, el alambre debe ser lo suficientemente fuerte como para enrollarse sin romperse, pero lo suficientemente flexible como para proporcionar devanados compactos. Los productos en tiras deben tener una buena calidad superficial para que los esmaltes aislantes no se rompan bajo tensión. Una buena ductilidad es esencial para que la tira se forme y se compacte, mientras que se necesita una buena resistencia para soportar las altas tensiones electromecánicas que se generan en condiciones ocasionales de cortocircuito. Los alambres de cobre para devanados de transformadores son compatibles con todos los materiales de aislamiento modernos, como la laca y el esmalte. Las lacas permiten un espaciado reducido de los devanados para ofrecer la mejor eficiencia en las bobinas. [7]
Una de las principales razones de ingeniería para elegir bobinados de cobre en lugar de aluminio es la cuestión del espacio. Esto se debe a que un transformador bobinado de cobre puede fabricarse más pequeño que un transformador de aluminio. Para obtener valores nominales iguales en los 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 bobinado de aluminio sea casi equivalente a la de los bobinados de cobre. [8]
La conectividad es otro beneficio importante de los transformadores de cobre, ya que el recubrimiento de óxido en la superficie del aluminio dificulta la soldadura o cualquier otra conexión con él. No es necesario limpiar ni cepillar con un compuesto para juntas de calidad para evitar la oxidación con el cobre. [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]