Funciones y clasificación de núcleos de transformadores.

1. Funciones de los núcleos de los transformadores

Los transformadores prácticos siempre funcionan en condiciones de corriente alterna (CA). Las pérdidas de energía ocurren no sólo en la resistencia de los devanados sino también dentro del núcleo de hierro cuando es magnetizado por la corriente alterna. Estas pérdidas de energía en el núcleo de hierro se denominan generalmente 'pérdidas en el núcleo', y son causadas por dos factores: pérdida por histéresis y pérdida por corrientes parásitas. La pérdida de histéresis ocurre durante el proceso de magnetización debido a la histéresis magnética y su magnitud es proporcional al área encerrada por el bucle de histéresis del material. El acero al silicio tiene un bucle de histéresis estrecho; por lo tanto, usarlo para núcleos de transformadores da como resultado menores pérdidas por histéresis, lo que reduce significativamente la generación de calor.

Dadas estas ventajas del acero al silicio, ¿por qué se procesa en laminaciones en lugar de utilizarlo como un bloque sólido? Esto se debe a que los núcleos laminados ayudan a minimizar otro tipo de pérdida del núcleo: la pérdida por corrientes parásitas. Durante el funcionamiento, la corriente alterna en los devanados genera un flujo magnético alterno, que induce corrientes dentro del núcleo de hierro. Estas corrientes inducidas circulan en planos perpendiculares a la dirección del flujo magnético y, por eso, se denominan corrientes parásitas. Las pérdidas por corrientes de Foucault también hacen que el núcleo se caliente. Para reducir estas pérdidas, el núcleo del transformador se ensambla a partir de láminas de acero al silicio mutuamente aisladas. Esto obliga a las corrientes parásitas a fluir a través de bucles estrechos y alargados con áreas de sección transversal más pequeñas, aumentando así la resistencia eléctrica a lo largo de su camino. Además, el contenido de silicio en el acero aumenta la resistividad eléctrica del material, reduciendo aún más las corrientes parásitas.

Para los núcleos de transformadores, normalmente se seleccionan láminas de acero al silicio laminadas en frío de 0,35 mm de espesor. Según las dimensiones del núcleo requeridas, se cortan en tiras rectangulares y se apilan en formas 'EI' o cuadradas ('□'). En teoría, para minimizar las corrientes parásitas, las láminas más delgadas y las tiras más estrechas producen mejores resultados. Esto no sólo reduce las pérdidas por corrientes parásitas y el aumento de temperatura, sino que también ahorra materiales de acero al silicio. Sin embargo, en la fabricación práctica, se deben considerar otros factores. El uso de láminas excesivamente delgadas o estrechas aumentaría drásticamente las horas de trabajo y reduciría la sección transversal efectiva del núcleo. Por lo tanto, al fabricar núcleos de transformadores de acero al silicio, los ingenieros deben sopesar los pros y los contras en función de condiciones específicas para seleccionar las dimensiones óptimas.

Los transformadores se basan en el principio de inducción electromagnética. Dos devanados, un devanado primario y un devanado secundario, se enrollan alrededor de extremidades cerradas con núcleo de hierro. Cuando se aplica un voltaje de CA al devanado primario, fluye una corriente alterna, estableciendo una fuerza magnetomotriz (MMF). Bajo la influencia de este MMF, se genera un flujo magnético principal alterno dentro del núcleo. Este flujo principal pasa simultáneamente a través de los devanados primario y secundario. Debido a la inducción electromagnética, se generan fuerzas electromotrices (EMF) en ambos devanados. El mecanismo de aumento o reducción del voltaje puede explicarse mediante la ley de Lenz: el flujo magnético generado por la corriente inducida siempre se opone al cambio en el flujo magnético original. Cuando el flujo original aumenta, el flujo inducido actúa en la dirección opuesta. Esto significa que el flujo magnético inducido en el devanado secundario se opone al flujo principal producido por el devanado primario, lo que da como resultado un voltaje de CA transformado a través del devanado secundario. Así, el núcleo de hierro sirve como circuito magnético del transformador, mientras que los devanados forman su circuito eléctrico.

2. Clasificación de estructuras de núcleos de transformadores.

Núcleos de hierro tipo coraza y tipo núcleo
La parte del núcleo de hierro que alberga los devanados se llama 'miembro del núcleo', mientras que la parte que no alberga los devanados y sirve únicamente como camino magnético se llama 'yugo'. Si el núcleo de hierro encierra los devanados, se denomina núcleo tipo coraza; si los devanados encierran las extremidades del núcleo, se denomina núcleo de tipo núcleo. Si bien ambos tienen características distintas, los procesos de fabricación dictados por sus diseños estructurales difieren significativamente, lo que dificulta cambiar entre ellos una vez elegidos. En China, la mayoría de los núcleos de transformadores utilizan la estructura de tipo núcleo apilado.

El acero al silicio se utiliza comúnmente para transformadores de baja frecuencia. Según los procesos de fabricación se dividen en:
A. Recocidos (Hojas Negras)
N. No recocidos (Hojas Blancas)

Según su forma, se clasifican en tipo EI, tipo UI, tipo C y cuadrado (□).

• Tipo cuadrado (□): se utilizan a menudo en transformadores de alta potencia y ofrecen un excelente aislamiento, fácil disipación del calor y una trayectoria magnética corta. Se utilizan principalmente para transformadores con potencia nominal superior a 500 ~ 1000 W.

• Tipo CD: Consta de dos láminas de acero al silicio tipo C. Para transformadores tipo CD con áreas de sección transversal idénticas, una altura de ventana más alta equivale a una mayor capacidad de potencia. Dado que las bobinas se pueden instalar en ambos lados del núcleo, el número total de vueltas se puede distribuir en dos bobinas. Esto reduce la longitud promedio de vuelta por bobina, lo que reduce las pérdidas de cobre. Además, al colocar bobinas simétricas en bobinas separadas se consigue una simetría perfecta.

• Tipo ED: Compuestos por cuatro láminas de acero al silicio tipo C, los transformadores tipo ED tienen un perfil plano y ancho. Bajo la misma potencia, son más cortos pero más anchos que los de tipo CD. Debido a que las bobinas están instaladas en el centro del acero al silicio con una trayectoria magnética externa, el flujo de fuga y la interferencia general son mínimos. Sin embargo, dado que todas las bobinas están enrolladas en una sola bobina gruesa, la longitud promedio de las vueltas es más larga, lo que resulta en mayores pérdidas de cobre.

• Tipo C: Los transformadores fabricados con núcleos tipo C son compactos, livianos y altamente eficientes. Desde una perspectiva de ensamblaje, los componentes tipo C son pocos y muy versátiles, lo que conduce a una alta eficiencia de producción. Sin embargo, el procesamiento del acero al silicio tipo C implica numerosos pasos complejos y requiere equipos especializados, lo que los encarece actualmente.

• Tipo E (Tipo Shell/Tipo EI): Su principal ventaja es que las bobinas primaria y secundaria comparten una bobina común, lo que produce un alto factor de espacio de ventana (la relación entre el área de la sección transversal neta del cable de cobre y el área de la ventana). El acero al silicio forma una capa protectora alrededor de los devanados, evitando daños mecánicos. También ofrece una gran área de disipación de calor y bajos campos magnéticos parásitos. Sin embargo, sufre de una mayor inductancia de fuga y una mayor susceptibilidad a la interferencia magnética externa. Además, debido al perímetro promedio más largo de los devanados, los transformadores tipo EI requieren más alambre de cobre para el mismo número de vueltas y sección transversal del núcleo.

Métodos de espesor y apilamiento:
Los espesores comunes del acero al silicio son 0,35 mm y 0,5 mm. Los métodos de ensamblaje incluyen apilamiento intercalado y apilamiento a tope. El apilamiento intercalado alterna los extremos abiertos de las hojas en lados opuestos. Aunque tedioso, minimiza los espacios de aire y la reluctancia magnética, maximizando el flujo magnético, lo que lo hace ideal para transformadores de potencia. El apilamiento a tope coloca las hojas E y I en lados opuestos, dejando un espacio de aire (ajustado mediante inserciones de papel) para evitar la saturación causada por la corriente directa (CC).

3. Tipos de bobinas
Las bobinas/núcleos se dividen en tres categorías:
A. Núcleo toroidal: Ensamblados a partir de laminaciones en forma de O o enrollados a partir de tiras de acero al silicio. Dar cuerda es bastante difícil para este tipo.
B. Núcleo de la varilla.
C. Núcleo del tambor.

3. Clasificación de los materiales del núcleo del transformador.

1. Categoría de alta frecuencia: Núcleos de polvo de hierro y núcleos de ferrita
Los núcleos de ferrita se utilizan en transformadores de alta frecuencia. Son materiales cerámicos con estructura cristalina de espinela, compuestos por óxido de hierro y otros compuestos metálicos divalentes (p. ej., kFe₂O₄, donde 'k' representa metales como Manganeso (Mn), Zinc (Zn), Níquel (Ni), Magnesio (Mg) o Cobre (Cu)).
Las combinaciones comunes incluyen las series MnZn, NiZn y MgZn. Estos materiales poseen alta permeabilidad e impedancia y funcionan eficazmente desde 1 kHz hasta más de 200 kHz.

• Rango de frecuencia del núcleo de ferrita: 18 kHz ~ 1 MHz y superior.

2. Categoría de baja frecuencia: acero al silicio y aleaciones amorfas

• Rango de frecuencia del núcleo de acero al silicio: 5 Hz ~ 1 kHz. Los transformadores estándar de acero al silicio suelen funcionar a 50 Hz. Si bien las frecuencias más altas pueden mejorar la eficiencia dependiendo de la clasificación Gauss del acero al silicio, las aplicaciones de audio que superan los 20 kHz no son prácticas. El rango recomendado es 50-60Hz, aunque pueden funcionar normalmente entre 50-200Hz.

• Rango de frecuencia de núcleo amorfo: 2 kHz ~ 13 kHz.