Diferencia entre núcleos: acero amorfo o acero al silicio
Un acero de estructura amorfa presenta características especiales que hacen que núcleos así construidos sean preferibles en algunas aplicaciones de transformadores. En este artículo, una comparación punto por punto.
El núcleo amorfo está hecho a partir de aleaciones de acero ferromagnético que se enfrían rápidamente desde su estado fundido y forman una estructura amorfa o no cristalina. Este enfriamiento rápido evita el desarrollo de una estructura reticular cristalina, común en los productos ferromagnéticos típicos.
Por otro lado, el núcleo de acero al silicio está definido por una estructura cristalina que influye en gran medida en sus propiedades magnéticas por ser laminado en una dirección determinada. Se obtiene así lo que se llama una lámina de “grano orientado”.
Por otro lado, el núcleo de acero al silicio está definido por una estructura cristalina que influye en gran medida en sus propiedades magnéticas por ser laminado en una dirección determinada. Se obtiene así lo que se llama una lámina de “grano orientado”.
Figura 1. Cristalino y amorfo
Hasta ahora, las aleaciones de diferentes materiales con el metal dan como resultado siempre un material nuevo con una estructura metálica determinada. Se han descubierto algunos tipos de aleaciones que, bajo procesos y condiciones específicas logran resultados totalmente distintos, los cuales se han llamado “metales amorfos” o “vítreos”, debido a que su estructura, a diferencia del metal convencional y de la mayoría de las aleaciones conocidas, es desordenada, es decir sus átomos no están ordenados de manera clara.
La llegada de núcleos amorfos ha proporcionado materiales ideales para transformadores de media y alta frecuencia. Con el desarrollo industrial, la frecuencia de funcionamiento de las fuentes de alimentación electrónicas ha aumentado a 20 kHz y la potencia de salida supera los 30 kW. Los materiales tradicionales, como las láminas de acero al silicio, sufren grandes pérdidas y no pueden satisfacer las demandas de los nuevos requisitos en el suministro de energía.
La llegada de núcleos amorfos ha proporcionado materiales ideales para transformadores de media y alta frecuencia. Con el desarrollo industrial, la frecuencia de funcionamiento de las fuentes de alimentación electrónicas ha aumentado a 20 kHz y la potencia de salida supera los 30 kW. Los materiales tradicionales, como las láminas de acero al silicio, sufren grandes pérdidas y no pueden satisfacer las demandas de los nuevos requisitos en el suministro de energía.
Figura 2. Núcleos amorfos: un gran cambio en los transformadores
Los núcleos nanocristalinos amorfos y la base de hierro tienen un valor de aplicación significativo en transformadores de alta potencia y alta frecuencia debido a su alta fuerza de inducción magnética de saturación, alta permeabilidad, bajas pérdidas, buena estabilidad de temperatura y procesos de fabricación respetuosos con el medioambiente.
Los materiales amorfos se producen utilizando tecnología de enfriamiento ultrarrápido, con una velocidad de aproximadamente un millón de grados por segundo. Esta tecnología solidifica el acero fundido en tiras de aleación con un espesor de 30 μm en un solo paso. Debido al rápido enfriamiento, el metal no tiene tiempo de cristalizar, lo que da como resultado que no haya granos ni límites de grano en la aleación, formando así lo que es una aleación amorfa.
Los materiales amorfos se producen utilizando tecnología de enfriamiento ultrarrápido, con una velocidad de aproximadamente un millón de grados por segundo. Esta tecnología solidifica el acero fundido en tiras de aleación con un espesor de 30 μm en un solo paso. Debido al rápido enfriamiento, el metal no tiene tiempo de cristalizar, lo que da como resultado que no haya granos ni límites de grano en la aleación, formando así lo que es una aleación amorfa.
Figura 3. Proceso de enfriamiento del metal amorfo
Los metales amorfos tienen una microestructura única que se diferencia de los metales convencionales. Su composición y estructura desordenada les confieren muchas propiedades únicas, como excelente magnetismo, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste, dureza, tenacidad, alta resistividad y altos coeficientes de acoplamiento electromecánico.
Los componentes principales de los núcleos amorfos a base de hierro son el hierro, el silicio y el boro. Con un contenido de silicio de hasta el 5,3% y la estructura única del estado amorfo, su resistividad es de 130 μΩ.cm, el doble que la de las láminas de acero al silicio (47 μΩ.cm).
El espesor de los materiales amorfos a base de hierro utilizados en los núcleos amorfos es de unos 30 nm, mucho más delgado que el que pueden alcanzar las láminas de acero al silicio. En consecuencia, la pérdida por corrientes parásitas es baja durante el funcionamiento de alta frecuencia y, dentro del rango de frecuencia de 400 Hz a 10 kHz, su pérdida es solamente de 1/3 a 1/7 de la de las láminas de acero al silicio.
Además, la permeabilidad magnética (la capacidad de un material para atraer y dejar pasar campos magnéticos) de los núcleos amorfos a base de hierro es mucho mayor que la de los núcleos tradicionales: reduce las pérdidas en el núcleo en aproximadamente un 70% en comparación con el acero al silicio convencional, mejorando notablemente la eficiencia energética, especialmente en transformadores de distribución.
Otras consideraciones técnicas, a continuación:
Los componentes principales de los núcleos amorfos a base de hierro son el hierro, el silicio y el boro. Con un contenido de silicio de hasta el 5,3% y la estructura única del estado amorfo, su resistividad es de 130 μΩ.cm, el doble que la de las láminas de acero al silicio (47 μΩ.cm).
El espesor de los materiales amorfos a base de hierro utilizados en los núcleos amorfos es de unos 30 nm, mucho más delgado que el que pueden alcanzar las láminas de acero al silicio. En consecuencia, la pérdida por corrientes parásitas es baja durante el funcionamiento de alta frecuencia y, dentro del rango de frecuencia de 400 Hz a 10 kHz, su pérdida es solamente de 1/3 a 1/7 de la de las láminas de acero al silicio.
Además, la permeabilidad magnética (la capacidad de un material para atraer y dejar pasar campos magnéticos) de los núcleos amorfos a base de hierro es mucho mayor que la de los núcleos tradicionales: reduce las pérdidas en el núcleo en aproximadamente un 70% en comparación con el acero al silicio convencional, mejorando notablemente la eficiencia energética, especialmente en transformadores de distribución.
Otras consideraciones técnicas, a continuación:
- Inducción de saturación menor: el metal amorfo funciona con un flujo magnético menor (1,56 T) frente al acero de grano orientado (2,1 T), lo que a menudo requiere un núcleo más grande y pesado.
- Ruido: los transformadores con este material suelen generar un nivel de ruido mayor, entre 3 y 5 dB más que los tradicionales.
- Costo: tienen un costo inicial más alto, aunque la eficiencia operativa a largo plazo lo compensa.
- Baja coercitividad: es muy fácil de magnetizar y desmagnetizar.
- Alta resistividad: reducción de las corrientes parásitas.
Diferencias en la curva de histéresis
La curva de histéresis representa la relación entre la densidad de flujo magnético (B) y la intensidad del campo magnético (H).
Área de la curva, pérdidas:
Área de la curva, pérdidas:
- Hierro amorfo: tiene una curva sumamente estrecha. Su estructura atómica desordenada (sin granos) facilita el movimiento de los dominios magnéticos, resultando en pérdidas por histéresis extremadamente bajas (hasta un 70 a 80% menores que las del silicio).
- Hierro al silicio: presenta una curva más ancha debido a su estructura cristalina, lo que genera mayores pérdidas de energía en forma de calor durante cada ciclo de magnetización.
Figura 4. Diferencias en la curva de histéresis
Inducción de saturación
- Hierro amorfo: se satura a niveles más bajos, generalmente entre 1,3 y 1,5 T. Esto obliga a diseñar núcleos más grandes para la misma potencia.
- Hierro al silicio: tiene una saturación más alta, típicamente alrededor de 1,6 a 2 T. Esto le permite manejar cargas magnéticas mucho mayores en un volumen menor.
Permeabilidad magnética
- Hierro amorfo: posee una permeabilidad mucho más alta, lo que significa que alcanza la magnetización deseada con una corriente de excitación muy pequeña.
Conclusión
Mientras que el hierro al silicio es preferido por su capacidad para manejar densidades de flujo elevadas en máquinas compactas, el hierro amorfo es la opción superior para maximizar la eficiencia energética, especialmente en equipos que operan continuamente o con carga variable.
| Característica | Acero amorfo | Acero al silicio |
|---|---|---|
| Estructura | No cristalina(desordenada) | Cristalina (granos orientados) |
| Espesor de la lámina | 0,02 a 0,03 nm (cintas finas) | 0,23 a 0,35 nm |
| Pérdidas en el núcleo | Muy bajas (70 a 80% menos) | Moderadas, altas |
| Inducción de saturación | Moderada (aprox. 1,56 T) | Alta (aprox. 2,1 T) |
| Tamaño del equipo | Mayor (debido a la menor inducción) | Más compacto |
| Nivel de ruido | 3 a 5 dB más alto | Más silencioso |
| Facilidad de reparación | Difícil (láminas muy frágiles) | Estándar |
| Aplicación ideal | Transformadores de distribución (alta eficiencia) | Transformadores de gran potencia y carga alta |
Tabla 1. Comparación técnica entre acero amorfo y acero al silicio
Por Ricardo Berizzo
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