¿Cómo reduce el acero silicio la pérdida en el núcleo del transformador?

Por qué se utilizan láminas de acero silicio en los núcleos de transformadores – Reducción de las pérdidas por corrientes parásitas

¿Por qué reducir el otro tipo de pérdida de hierro—las pérdidas por corrientes parásitas?
Cuando un transformador opera, la corriente alterna fluye a través de sus bobinas, produciendo un flujo magnético alterno correspondiente. Este flujo cambiante induce corrientes dentro del núcleo de hierro. Estas corrientes inducidas circulan en planos perpendiculares a la dirección del flujo magnético, formando bucles cerrados—por lo que se les llama corrientes parásitas. Las pérdidas por corrientes parásitas también causan que el núcleo se caliente.

¿Por qué se fabrican los núcleos de transformadores con láminas de acero silicio?

El acero silicio, un acero aleado que contiene silicio (también conocido como "silicio" o "Si") con un contenido de silicio entre 0.8% y 4.8%, se utiliza comúnmente para los núcleos de transformadores. La razón radica en la alta permeabilidad magnética del acero silicio. Como material magnético altamente eficiente, puede producir una alta densidad de flujo magnético cuando se energiza, permitiendo que los transformadores sean más compactos.

Como sabemos, los transformadores reales operan bajo condiciones de corriente alterna (CA). Las pérdidas de potencia ocurren no solo debido a la resistencia en las bobinas, sino también dentro del núcleo de hierro debido a la magnetización cíclica. Esta pérdida de potencia relacionada con el núcleo se conoce como "pérdida de hierro", que consta de dos componentes:

• Pérdida por histéresis

• Pérdida por corrientes parásitas

La pérdida por histéresis surge del fenómeno de histéresis magnética durante el proceso de magnetización del núcleo. La magnitud de esta pérdida es proporcional al área encerrada por el bucle de histéresis del material. El acero silicio tiene un bucle de histéresis estrecho, lo que resulta en una menor pérdida por histéresis y una reducción significativa del calentamiento.

Dadas estas ventajas, ¿por qué no se utiliza un bloque sólido de acero silicio para el núcleo? ¿Por qué se procesa en láminas delgadas?

La respuesta es para reducir el segundo componente de la pérdida de hierro—la pérdida por corrientes parásitas.

Como se mencionó anteriormente, el flujo magnético alterno induce corrientes parásitas en el núcleo. Para minimizar estas corrientes, los núcleos de transformadores se construyen con láminas delgadas de acero silicio que están aisladas entre sí y apiladas juntas. Este diseño confina las corrientes parásitas a caminos estrechos y alargados con áreas transversales más pequeñas, aumentando así la resistencia eléctrica a lo largo de sus trayectorias. Además, la adición de silicio en la aleación aumenta la resistividad eléctrica del material en sí, suprimiendo aún más la formación de corrientes parásitas.

Típicamente, los núcleos de transformadores utilizan láminas de acero silicio laminado en frío de aproximadamente 0.35 mm de grosor. Según las dimensiones requeridas del núcleo, estas láminas se cortan en tiras largas y luego se apilan en configuraciones de "日" (doble ventana) o de ventana única.

En teoría, cuantas más delgadas sean las láminas y más estrechas las tiras, menores serán las pérdidas por corrientes parásitas, lo que resulta en un menor aumento de temperatura y un uso reducido de material. Sin embargo, en la fabricación real, los diseñadores no optimizan únicamente en función de minimizar las corrientes parásitas. El uso de tiras extremadamente delgadas o estrechas aumentaría enormemente el tiempo de producción y la mano de obra, mientras reduce el área transversal efectiva del núcleo. Por lo tanto, al fabricar núcleos de acero silicio, los ingenieros deben equilibrar cuidadosamente el rendimiento técnico, la eficiencia de fabricación y el costo para seleccionar las dimensiones óptimas.