Un núcleo magnético es una pieza de material magnético con una alta permeabilidad magnética utilizada para confinar y guiar campos magnéticos en dispositivos eléctricos, electromecánicos y magnéticos como electroimanes , transformadores , motores eléctricos , generadores , inductores , altavoces , cabezales de grabación magnéticos y conjuntos magnéticos. . Está fabricado de metal ferromagnético como el hierro, o compuestos ferrimagnéticos como las ferritas . La alta permeabilidad en relación con el aire circundante hace que las líneas del campo magnético se concentren en el material del núcleo. El campo magnético a menudo es creado por una bobina de alambre que transporta corriente alrededor del núcleo.
El uso de un núcleo magnético puede aumentar la intensidad del campo magnético en una bobina electromagnética en un factor de varios cientos de veces de lo que sería sin el núcleo. Sin embargo, los núcleos magnéticos tienen efectos secundarios que deben tenerse en cuenta. En los dispositivos de corriente alterna (CA) provocan pérdidas de energía, llamadas pérdidas en el núcleo , debido a histéresis y corrientes parásitas en aplicaciones como transformadores e inductores. En los núcleos se suelen utilizar materiales magnéticos "blandos" con baja coercitividad e histéresis, como el acero al silicio o la ferrita .
Una corriente eléctrica a través de un cable enrollado en una bobina crea un campo magnético a través del centro de la bobina, debido a la ley del circuito de Ampere . Las bobinas se utilizan ampliamente en componentes electrónicos como electroimanes , inductores , transformadores , motores eléctricos y generadores . Una bobina sin núcleo magnético se llama bobina de "núcleo de aire". Agregar un trozo de material ferromagnético o ferrimagnético en el centro de la bobina puede aumentar el campo magnético cientos o miles de veces; esto se llama núcleo magnético. El campo del cable penetra el material del núcleo, magnetizándolo , de modo que el fuerte campo magnético del núcleo se suma al campo creado por el cable. La cantidad en que el núcleo aumenta el campo magnético depende de la permeabilidad magnética del material del núcleo. Debido a que efectos secundarios como las corrientes parásitas y la histéresis pueden provocar pérdidas de energía dependientes de la frecuencia, se utilizan diferentes materiales de núcleo para las bobinas utilizadas a diferentes frecuencias .
En algunos casos las pérdidas son indeseables y con campos muy fuertes la saturación puede ser un problema, por lo que se utiliza un "núcleo de aire". Todavía se puede utilizar un ex; una pieza de material, como plástico o un compuesto, que puede no tener una permeabilidad magnética significativa pero que simplemente mantiene las bobinas de los cables en su lugar.
El hierro "blando" ( recocido ) se utiliza en conjuntos magnéticos, electroimanes de corriente continua (CC) y en algunos motores eléctricos; y puede crear un campo concentrado que es hasta 50.000 veces más intenso que un núcleo de aire. [1]
El hierro es deseable para fabricar núcleos magnéticos, ya que puede soportar altos niveles de campo magnético sin saturarse (hasta 2,16 teslas a temperatura ambiente. [2] [3] ) Se utiliza hierro recocido porque, a diferencia del hierro "duro", tiene baja coercitividad y, por lo tanto, no permanece magnetizado cuando se elimina el campo, lo que a menudo es importante en aplicaciones donde se requiere que el campo magnético se cambie repetidamente.
Debido a la conductividad eléctrica del metal, cuando se utiliza un núcleo metálico sólido de una sola pieza en aplicaciones de corriente alterna (CA), como transformadores e inductores, el campo magnético cambiante induce grandes corrientes parásitas que circulan dentro de él, bucles cerrados de corriente eléctrica en planos perpendiculares al campo. La corriente que fluye a través de la resistencia del metal lo calienta mediante calentamiento Joule , provocando importantes pérdidas de energía. Por lo tanto, los núcleos de hierro macizo no se utilizan en transformadores o inductores, se sustituyen por núcleos de hierro laminado o en polvo, o núcleos no conductores como la ferrita .
Para reducir las pérdidas por corrientes parásitas mencionadas anteriormente, la mayoría de los transformadores e inductores de potencia de baja frecuencia utilizan núcleos laminados , hechos de pilas de láminas delgadas de acero al silicio :
Los núcleos magnéticos laminados están hechos de pilas de finas láminas de hierro recubiertas con una capa aislante, lo más paralelas posible a las líneas de flujo. Las capas de aislamiento sirven como barrera contra las corrientes parásitas, por lo que las corrientes parásitas solo pueden fluir en bucles estrechos dentro del espesor de cada laminación. Dado que la corriente en un bucle de corrientes parásitas es proporcional al área del bucle, esto evita que la mayor parte de la corriente fluya, lo que reduce las corrientes parásitas a un nivel muy pequeño. Dado que la potencia disipada es proporcional al cuadrado de la corriente, dividir un núcleo grande en laminaciones estrechas reduce drásticamente las pérdidas de potencia. De esto, se puede ver que cuanto más delgadas son las laminaciones, menores son las pérdidas por corrientes parásitas.
Una pequeña adición de silicio al hierro (alrededor del 3%) da como resultado un aumento espectacular de la resistividad del metal, hasta cuatro veces mayor. [ cita necesaria ] La mayor resistividad reduce las corrientes parásitas, por lo que se utiliza acero al silicio en los núcleos de los transformadores. Un mayor aumento de la concentración de silicio perjudica las propiedades mecánicas del acero, provocando dificultades para la laminación debido a su fragilidad.
Entre los dos tipos de acero al silicio , de grano orientado (GO) y de grano no orientado (GNO), el GO es el más deseable para núcleos magnéticos. Es anisotrópico y ofrece mejores propiedades magnéticas que GNO en una dirección. Como el campo magnético en los núcleos de inductores y transformadores siempre está en la misma dirección, es una ventaja utilizar acero de grano orientado en la orientación preferida. Las máquinas giratorias, en las que la dirección del campo magnético puede cambiar, no obtienen ningún beneficio del acero de grano orientado.
Existe una familia de aleaciones especializadas para aplicaciones de núcleo magnético. Algunos ejemplos son mu-metal , permalloy y supermalloy . Se pueden fabricar como estampados o como cintas largas para núcleos enrollados con cinta. Algunas aleaciones, por ejemplo Sendust , se fabrican en forma de polvo y se sinterizan para darle forma.
Muchos materiales requieren un tratamiento térmico cuidadoso para alcanzar sus propiedades magnéticas y las pierden cuando se someten a abusos mecánicos o térmicos. Por ejemplo, la permeabilidad del mu-metal aumenta aproximadamente 40 veces después del recocido en una atmósfera de hidrógeno en un campo magnético; las curvaturas posteriores más pronunciadas alteran la alineación de sus fibras, lo que lleva a una pérdida localizada de permeabilidad; esto se puede recuperar repitiendo el paso de recocido.
El metal amorfo es una variedad de aleaciones (por ejemplo, Metglas ) que no son cristalinas o vítreas. Estos se utilizan para crear transformadores de alta eficiencia. Los materiales pueden ser muy sensibles a los campos magnéticos para lograr bajas pérdidas por histéresis y también pueden tener una conductividad más baja para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. Actualmente, las empresas eléctricas están haciendo un uso generalizado de estos transformadores para nuevas instalaciones. [4] La alta resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión también son propiedades comunes de los vidrios metálicos que son positivas para esta aplicación. [5]
Los núcleos de polvo consisten en granos de metal mezclados con un aglutinante orgánico o inorgánico adecuado y prensados hasta obtener la densidad deseada. Se logra una mayor densidad con mayor presión y menor cantidad de aglutinante. Los núcleos de mayor densidad tienen mayor permeabilidad, pero menor resistencia y por tanto mayores pérdidas por corrientes parásitas. Las partículas más finas permiten el funcionamiento a frecuencias más altas, ya que las corrientes parásitas se limitan principalmente al interior de los granos individuales. El recubrimiento de las partículas con una capa aislante o su separación con una fina capa de un aglutinante reduce las pérdidas por corrientes parásitas. La presencia de partículas más grandes puede degradar el rendimiento de alta frecuencia. La permeabilidad está influenciada por la separación entre los granos, que forman espacios de aire distribuidos; cuanto menor sea el espacio, mayor será la permeabilidad y la saturación será menos suave. Debido a la gran diferencia de densidades, incluso una pequeña cantidad de aglutinante, en términos de peso, puede aumentar significativamente el volumen y, por lo tanto, el espacio entre los granos.
Los materiales de menor permeabilidad son más adecuados para frecuencias más altas, debido al equilibrio de las pérdidas del núcleo y del devanado.
La superficie de las partículas a menudo se oxida y se recubre con una capa de fosfato, para proporcionarles un aislamiento eléctrico mutuo.
El hierro en polvo es el material más barato. Tiene una mayor pérdida de núcleo que las aleaciones más avanzadas, pero esto puede compensarse haciendo el núcleo más grande; es ventajoso cuando el costo es más importante que la masa y el tamaño. Flujo de saturación de aproximadamente 1 a 1,5 tesla. Histéresis y pérdida por corrientes parásitas relativamente altas, funcionamiento limitado a frecuencias más bajas (aprox. por debajo de 100 kHz). Se utiliza en inductores de almacenamiento de energía, bobinas de salida de CC, bobinas de modo diferencial, bobinas de regulador triac, bobinas para corrección del factor de potencia , inductores resonantes y transformadores de pulso y flyback. [6]
El aglutinante utilizado suele ser epoxi u otra resina orgánica, susceptible de envejecimiento térmico. A temperaturas más altas, normalmente por encima de 125 °C, el aglutinante se degrada y las propiedades magnéticas del núcleo pueden cambiar. Con aglutinantes más resistentes al calor, los núcleos se pueden utilizar hasta 200 °C. [7]
Los núcleos de polvo de hierro suelen estar disponibles en forma de toroides. A veces como E, EI y varillas o bloques, se utilizan principalmente en piezas de alta potencia y alta corriente.
El carbonilo de hierro es significativamente más caro que el hierro reducido en hidrógeno.
Los núcleos en polvo hechos de hierro carbonilo , un hierro de gran pureza, tienen una alta estabilidad de parámetros en una amplia gama de temperaturas y niveles de flujo magnético , con excelentes factores Q entre 50 kHz y 200 MHz. Los polvos de carbonilo de hierro están constituidos básicamente por esferas de hierro de tamaño micrométrico recubiertas por una fina capa de aislamiento eléctrico . Esto equivale a un circuito magnético laminado microscópico (ver acero al silicio, arriba), lo que reduce las corrientes parásitas , particularmente a frecuencias muy altas. El carbonilo de hierro tiene menores pérdidas que el hierro reducido en hidrógeno, pero también una menor permeabilidad.
Una aplicación popular de los núcleos magnéticos a base de hierro carbonilo es en inductores y transformadores de alta frecuencia y banda ancha , especialmente los de mayor potencia.
Los núcleos de hierro carbonilo a menudo se denominan "núcleos de RF".
Las partículas preparadas son de "tipo E" y tienen una piel similar a la de una cebolla, con cáscaras concéntricas separadas por un espacio. Contienen una cantidad importante de carbono. Se comportan mucho más pequeños de lo que sugeriría su tamaño exterior. Las partículas de "tipo C" se pueden preparar calentando las de tipo E en una atmósfera de hidrógeno a 400 °C durante un tiempo prolongado, lo que da como resultado polvos libres de carbono. [8]
Los núcleos en polvo hechos de hierro reducido en hidrógeno tienen mayor permeabilidad pero menor Q que el hierro carbonilo. Se utilizan principalmente para filtros de interferencias electromagnéticas y bobinas de baja frecuencia, principalmente en fuentes de alimentación conmutadas .
Los núcleos de hierro reducidos en hidrógeno a menudo se denominan "núcleos de energía".
Una aleación de aproximadamente 2% de molibdeno , 81% de níquel y 17% de hierro. Pérdida de núcleo muy baja, histéresis baja y, por tanto, baja distorsión de la señal. Muy buena estabilidad de temperatura. Alto costo. Flujo de saturación máximo de aproximadamente 0,8 tesla. Utilizado en filtros de alta calidad, circuitos resonantes, bobinas de carga, transformadores, bobinas de choque, etc. [6]
El material se introdujo por primera vez en 1940 y se utilizó en bobinas de carga para compensar la capacitancia en líneas telefónicas largas. Se puede utilizar hasta aproximadamente 200 kHz a 1 MHz, según el proveedor. [7] Todavía se utiliza en líneas telefónicas aéreas, debido a su estabilidad de temperatura. Las líneas subterráneas, donde la temperatura es más estable, tienden a utilizar núcleos de ferrita debido a su menor coste. [8]
Una aleación de aproximadamente 50-50% de níquel y hierro. Alto almacenamiento de energía, densidad de flujo de saturación de aproximadamente 1,5 tesla. Densidad de flujo residual cercana a cero. Se utiliza en aplicaciones con alta polarización de corriente CC (filtros de ruido de línea o inductores en reguladores de conmutación) o donde se necesita una baja densidad de flujo residual (por ejemplo, transformadores de pulso y retorno, la alta saturación es adecuada para accionamiento unipolar), especialmente donde el espacio es limitado. El material se puede utilizar hasta aproximadamente 200 kHz. [6]
Una aleación de 6% de aluminio, 9% de silicio y 85% de hierro. Pérdidas principales superiores al MPP. Magnetoestricción muy baja , produce poco ruido de audio. Pierde inductancia al aumentar la temperatura, a diferencia de otros materiales; Se puede aprovechar combinándolo con otros materiales como un núcleo compuesto, para compensar la temperatura. Flujo de saturación de aproximadamente 1 tesla. Buena estabilidad de temperatura. Se utiliza en fuentes de alimentación conmutadas, transformadores de impulsos y flyback, filtros de ruido en línea, inductores de oscilación y en filtros en controladores de fase (por ejemplo, atenuadores) donde el bajo ruido acústico es importante. [6]
La ausencia de níquel da como resultado un procesamiento más fácil del material y su menor costo que el alto fundente y el MPP.
El material se inventó en Japón en 1936. Se puede utilizar hasta aproximadamente 500 kHz a 1 MHz, según el proveedor. [7]
Una aleación nanocristalina de una aleación estándar de hierro, boro y silicio, con la adición de cantidades más pequeñas de cobre y niobio . El tamaño de grano del polvo alcanza entre 10 y 100 nanómetros. El material tiene muy buen rendimiento a frecuencias más bajas. Se utiliza en choques para inversores y en aplicaciones de alta potencia. Está disponible con nombres como, por ejemplo, Nanoperm, Vitroperm, Hitperm y Finemet. [7]
Las cerámicas de ferrita se utilizan para aplicaciones de alta frecuencia. Los materiales de ferrita se pueden diseñar con una amplia gama de parámetros. Al igual que las cerámicas, son esencialmente aislantes, lo que evita las corrientes parásitas, aunque aún pueden producirse pérdidas como las pérdidas por histéresis.
Una bobina que no contiene un núcleo magnético se llama núcleo de aire . Esto incluye bobinas enrolladas en forma de plástico o cerámica, además de las hechas de alambre rígido que son autoportantes y tienen aire en su interior. Las bobinas con núcleo de aire generalmente tienen una inductancia mucho menor que las bobinas con núcleo ferromagnético de tamaño similar, pero se utilizan en circuitos de radiofrecuencia para evitar pérdidas de energía llamadas pérdidas de núcleo que ocurren en los núcleos magnéticos. La ausencia de pérdidas normales en el núcleo permite un factor Q más alto , por lo que las bobinas con núcleo de aire se utilizan en circuitos resonantes de alta frecuencia , como por ejemplo de hasta unos pocos megahercios. Sin embargo, todavía están presentes pérdidas como el efecto de proximidad y las pérdidas dieléctricas . Los núcleos de aire también se utilizan cuando se requieren intensidades de campo superiores a 2 Tesla, ya que no están sujetos a saturación.
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Comúnmente está hecho de ferrita o hierro en polvo y se usa en radios , especialmente para sintonizar un inductor . La bobina se enrolla alrededor de la varilla, o se forma una bobina con la varilla dentro. Al mover la varilla hacia adentro o hacia afuera de la bobina, se cambia el flujo a través de la bobina y se puede usar para ajustar la inductancia . A menudo, la varilla está roscada para permitir el ajuste con un destornillador. En los circuitos de radio, se utiliza una gota de cera o resina una vez que se ha sintonizado el inductor para evitar que el núcleo se mueva.
La presencia del núcleo de alta permeabilidad aumenta la inductancia , pero las líneas del campo magnético aún deben pasar a través del aire de un extremo de la varilla al otro. La ruta del aire asegura que el inductor permanezca lineal . En este tipo de inductor, la radiación se produce en el extremo de la varilla y la interferencia electromagnética puede ser un problema en algunas circunstancias.
Como una varilla cilíndrica pero cuadrada, rara vez se usa sola. Es más probable que este tipo de núcleo se encuentre en las bobinas de encendido de los automóviles.
Los núcleos en forma de U y C se utilizan con I u otro núcleo C o U para hacer un núcleo cerrado cuadrado, la forma de núcleo cerrado más simple. Se pueden colocar devanados en una o ambas patas del núcleo.
Los núcleos en forma de E son soluciones más simétricas para formar un sistema magnético cerrado. La mayor parte del tiempo, el circuito eléctrico se enrolla alrededor de la pata central, cuyo área de sección es el doble que la de cada pata exterior individual. En los núcleos de transformadores trifásicos, las patas son del mismo tamaño y las tres están enrolladas.
Hojas de hierro adecuadas estampadas en formas como las letras ( sans-serif ) "E" e "I" se apilan con la "I" contra el extremo abierto de la "E" para formar una estructura de 3 patas. Las bobinas se pueden enrollar alrededor de cualquier pierna, pero generalmente se usa la pierna central. Este tipo de núcleo se utiliza frecuentemente para transformadores de potencia, autotransformadores e inductores.
Se utiliza nuevamente para núcleos de hierro. De manera similar a usar una "E" y una "I" juntas, un par de núcleos "E" acomodarán un formador de bobina más grande y pueden producir un inductor o transformador más grande . Si se requiere un espacio de aire, la pata central de la "E" se acorta para que el espacio de aire quede en el medio de la bobina para minimizar las franjas y reducir la interferencia electromagnética .
Un núcleo plano consta de dos piezas planas de material magnético, una encima y otra debajo de la bobina. Normalmente se utiliza con una bobina plana que forma parte de una placa de circuito impreso . Este diseño es excelente para la producción en masa y permite construir un transformador de pequeño volumen y alta potencia a bajo costo. No es tan ideal como un núcleo en recipiente o un núcleo toroidal [ cita necesaria ] pero su producción cuesta menos.
Generalmente ferrita o similar. Se utiliza para inductores y transformadores . La forma del núcleo de una olla es redonda con un hueco interno que encierra casi por completo la bobina. Por lo general, el núcleo de una olla se fabrica en dos mitades que encajan alrededor de un formador de bobinas ( bobina ). Este diseño de núcleo tiene un efecto de blindaje , evitando la radiación y reduciendo las interferencias electromagnéticas .
Este diseño se basa en un toroide (la misma forma que un donut ). La bobina se enrolla a través del orificio del toro y alrededor del exterior. Una bobina ideal se distribuye uniformemente por toda la circunferencia del toroide. La simetría de esta geometría crea un campo magnético de bucles circulares dentro del núcleo, y la falta de curvas cerradas limitará prácticamente todo el campo al material del núcleo. Esto no sólo lo convierte en un transformador altamente eficiente , sino que también reduce la interferencia electromagnética radiada por la bobina.
Es popular para aplicaciones donde las características deseables son: alta potencia específica por masa y volumen , bajo zumbido de red y mínima interferencia electromagnética . Una de esas aplicaciones es la fuente de alimentación para un amplificador de audio de alta fidelidad . El principal inconveniente que limita su uso para aplicaciones de propósito general es la dificultad inherente de enrollar el cable a través del centro de un toroide.
A diferencia de un núcleo dividido (un núcleo formado por dos elementos, como un par de núcleos E ), se requiere maquinaria especializada para el bobinado automatizado de un núcleo toroidal. Los toroides tienen menos ruido audible, como el zumbido de la red eléctrica, porque las fuerzas magnéticas no ejercen un momento de flexión sobre el núcleo. El núcleo está sólo en compresión o tensión, y la forma circular es más estable mecánicamente.
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El anillo es esencialmente idéntico en forma y rendimiento al toroide, excepto que los inductores comúnmente pasan solo a través del centro del núcleo, sin enrollarse alrededor del núcleo varias veces.
El núcleo del anillo también puede estar compuesto por dos hemisferios separados en forma de C asegurados entre sí dentro de una carcasa de plástico, lo que permite colocarlo en cables terminados con conectores grandes ya instalados, lo que evitaría pasar el cable a través del pequeño diámetro interior de un anillo sólido. .
Los fabricantes especifican con frecuencia el valor A L de una configuración central. La relación entre la inductancia y el número A L en la porción lineal de la curva de magnetización se define como:
donde n es el número de vueltas, L es la inductancia (por ejemplo, en nH) y A L se expresa en inductancia por vuelta al cuadrado (por ejemplo, en nH/n 2 ). [9]
Cuando el núcleo se somete a un campo magnético cambiante , como ocurre en los dispositivos que utilizan corriente alterna, como transformadores , inductores y motores y alternadores de corriente alterna , parte de la potencia que idealmente se transferiría a través del dispositivo se pierde en el núcleo. se disipa en forma de calor y, a veces, de ruido . La pérdida en el núcleo se denomina comúnmente pérdida de hierro en contraposición a la pérdida de cobre , la pérdida en los devanados. [10] [11] Las pérdidas de hierro a menudo se describen en tres categorías:
Cuando el campo magnético a través del núcleo cambia, la magnetización del material del núcleo cambia por expansión y contracción de los diminutos dominios magnéticos que lo componen, debido al movimiento de las paredes del dominio . Este proceso causa pérdidas, porque las paredes del dominio se "enganchan" en defectos en la estructura cristalina y luego "se rompen" a través de ellos, disipando energía en forma de calor. Esto se llama pérdida por histéresis . Se puede observar en la gráfica del campo B versus el campo H del material, que tiene forma de circuito cerrado. La energía neta que fluye hacia el inductor expresada en relación con la característica BH del núcleo se muestra mediante la ecuación [12]
Esta ecuación muestra que la cantidad de energía perdida en el material en un ciclo del campo aplicado es proporcional al área dentro del bucle de histéresis . Dado que la energía perdida en cada ciclo es constante, las pérdidas de potencia por histéresis aumentan proporcionalmente con la frecuencia . [13] La ecuación final para la pérdida de potencia por histéresis es [12]
Si el núcleo es conductor de electricidad , el campo magnético cambiante induce bucles de corriente circulantes en él, llamados corrientes parásitas , debido a la inducción electromagnética . [14] Los bucles fluyen perpendicularmente al eje del campo magnético. La energía de las corrientes se disipa en forma de calor en la resistencia del material del núcleo. La pérdida de potencia es proporcional al área de los bucles e inversamente proporcional a la resistividad del material del núcleo. Las pérdidas por corrientes parásitas se pueden reducir haciendo el núcleo con laminaciones delgadas que tengan un revestimiento aislante o, alternativamente, haciendo el núcleo con un material magnético con alta resistencia eléctrica, como la ferrita . [15] La mayoría de los núcleos magnéticos destinados a aplicaciones de convertidores de potencia utilizan núcleos de ferrita por este motivo.
Por definición, esta categoría incluye cualquier pérdida además de las pérdidas por corrientes parásitas y por histéresis. Esto también puede describirse como un ensanchamiento del bucle de histéresis con la frecuencia. Los mecanismos físicos de la pérdida anómala incluyen efectos localizados de corrientes parásitas cerca de las paredes del dominio en movimiento.
Una ecuación conocida como ecuación de Legg modela la pérdida del núcleo del material magnético a bajas densidades de flujo . La ecuación tiene tres componentes de pérdida: histéresis, corriente residual y de Foucault, [16] [17] [18] y está dada por
dónde
Las pérdidas en materiales magnéticos se pueden caracterizar mediante los coeficientes de Steinmetz, que sin embargo no tienen en cuenta la variabilidad de la temperatura. Los fabricantes de materiales proporcionan datos sobre las pérdidas en el núcleo en forma de tablas y gráficos para condiciones prácticas de uso.
