Materiais do núcleo do transformador e detalhes de projeto

O núcleo é basicamente o coração de qualquer transformador de potência - é o circuito magnético do qual todo o resto depende. Os materiais que você escolhe e como você os projeta têm um enorme impacto nas-perdas sem carga, na eficiência geral, no ruído, no tamanho e, claro, no custo.

A maioria dos núcleos de transformadores hoje se enquadra em duas grandes categorias: materiais cristalinos tradicionais e materiais mais recentes, amorfos ou nanocristalinos,-que economizam energia. A escolha geralmente se resume a equilibrar a densidade do fluxo de saturação, as perdas do núcleo, a facilidade de fabricação e o preço.

Aço silício (aço elétrico orientado a grãos-)Esta ainda é a opção mais utilizada - e representa cerca de 90% do mercado. É basicamente ferro com um pouco de silício (geralmente cerca de 3–4,5%), enrolado em folhas finas, normalmente com 0,23 a 0,35 mm de espessura para transformadores padrão de 50/60 Hz.

O que há de bom nisso? Tem um ponto de saturação alto (cerca de 1,9–2,0 T), é relativamente barato, fácil de perfurar e empilhar e tem um bom desempenho mecânico. A desvantagem é que ele tem perdas no núcleo mais altas em comparação com os materiais mais novos, especialmente sob condições sem{3}}carga, e as perdas aumentam se você aumentar a frequência.

Liga amorfa (vidro metálico)Eles são feitos de ligas-à base de ferro que são resfriadas extremamente rápido, criando uma estrutura não-cristalina, semelhante a vidro-. As fitas são superfinas - apenas 20 a 35 micrômetros.

A grande vantagem é drasticamente menor-as perdas sem carga -, muitas vezes 60-80% menos do que o aço silício - e uma corrente de excitação muito menor. Eles também são mais ecológicos e desperdiçam menos material durante a produção. Por outro lado, a densidade do fluxo de saturação é menor (cerca de 1,5–1,6 T), então você precisa de um núcleo um pouco maior. Eles também são frágeis, sensíveis ao estresse mecânico e um pouco mais caros no início. Ainda assim, para transformadores de distribuição com cargas baixas ou variáveis ​​(pense em redes rurais ou configurações de energia renovável), as poupanças de energia normalmente compensam o custo extra ao longo do tempo.

Liga NanocristalinaEsta é a opção-de alto desempenho. Você começa com material amorfo e depois o recoze cuidadosamente para criar pequenos cristais em nanoescala misturados com a fase amorfa.

Oferece o melhor dos dois mundos: perdas muito baixas (especialmente em frequências mais altas), alta permeabilidade e saturação decente. As únicas desvantagens reais são o custo mais elevado e o processo de fabricação mais exigente. Você os verá principalmente em fontes de modo de comutação-de alta-frequência, transformadores de-frequência média ou transformadores de-estado sólido-de última geração.

Ao projetar o núcleo, os engenheiros estão tentando principalmente criar o caminho magnético mais eficiente possível, mantendo as perdas, os entreferros e o ruído o mais baixo possível.

Existem duas maneiras principais de construí-lo:

Núcleos laminados (empilhados)– a abordagem clássica. Folhas finas são empilhadas juntas, geralmente em formato E-I ou escalonado. O isolamento entre as folhas ajuda a reduzir as correntes parasitas, mas as juntas criam inevitavelmente pequenos espaços de ar.

Núcleos Feridos– muito comum com fita amorfa. O material é enrolado continuamente em formas toroidais ou tri-dimensionais. Isto proporciona um caminho magnético mais suave com menos lacunas, o que significa perdas mais baixas, melhor simetria e operação mais silenciosa.

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Alguns detalhes importantes de design que realmente importam:

Fator de empilhamento: Isso informa quanto da área geométrica do núcleo é realmente ferro útil. Bons designs visam 0,93–0,98. Mesmo pequenas melhorias aqui podem reduzir visivelmente as perdas.

Projeto Conjunto: a maneira como você sobrepõe ou esquadria as juntas (juntas escalonadas ou de esquadria de 45 graus são populares) faz uma grande diferença na redução do fluxo parasita e do superaquecimento local. Articulações melhores também ajudam a diminuir o ruído.

Controle de entreferro: Mesmo pequenas lacunas aumentam a corrente de magnetização e as perdas, por isso os fabricantes se esforçam muito para minimizá-las - especialmente com materiais amorfos quebradiços, que não gostam de estresse mecânico.

Outras coisas importantes incluem a escolha da densidade de fluxo operacional correta (geralmente 1,5–1,7 T), recozimento adequado para aliviar tensões internas e fixação mecânica cuidadosa para manter tudo estável e silencioso.

No momento, as regulamentações de eficiência energética e as metas de redução de carbono estão empurrando mais fabricantes para projetos de núcleo-amorfo e enrolado. O aço silício também está cada vez melhor, com graus mais finos e com menor{2}}perda aparecendo o tempo todo.

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