ingeniería eléctrica

MATERIALES MAGNETICOS

MATERIALES ESTRUCTURALES

1.1 Generalidades

Se trata de los materiales usados tanto exclusivamente con funciones mecánicas, como con funciones mixtas (mecánico-eléctricas o mecánico-magnéticas).

Los materiales que tienen funciones exclusivamente mecánicas son generalmente los mismos empleados en las construcciones de cualquier otro tipo de máquina; constituyen elementos dimensionados según criterios generales de las construcciones mecánicas teniendo en cuenta de la naturaleza de las solicitaciones tanto estáticas como dinámicas.

Esta parte del dimensionamiento tiene por objetivo, como cualquier proyecto de ingeniería, lograr los menores costos, utilizando la calidad adecuada y previendo el menor gasto de mano de obra.

Se tiende en general a alcanzar las más altas solicitaciones mecánicas, y en tal sentido el proyectista está seguro mediante los resultados de controles (no destructivos) que le permiten realizar los modernos equipos disponibles.

Se deben detectar, en las distintas etapas del proceso de fabricación, la presencia de eventuales sopladuras, anisotropías, oclusiones, fisuras, recurriendo a pruebas destructivas o no, como por ejemplo el uso de rayos X, rayos gamma, ultrasonido, tintas penetrantes, partículas magnéticas.

A2.2 ACERO Y FUNDICION

Los aceros se emplean en las partes magnéticas, fundidos, forjados y laminados, como así también en partes exclusivamente mecánicas como: escudos para motores de tracción, bujes para colectores, rayos de máquinas sincrónicas destinados a recibir anillos de acero forjado, etc.

Cuando no son necesarias excepcionales cualidades mecánicas, y se trata de elementos de forma compleja, se recurre al acero fundido.

Las piezas de acero fundido son, antes de ser mecanizadas, tratadas térmicamente para conferir homogeneidad a la estructura y contemporáneamente eliminar las tensiones internas.

Con los aceros al carbono laminados y forjados se construyen los ejes; se construyen además los anillos montados en caliente sobre los rayos o directamente sobre los ejes.

A2.3 MATERIALES MAGNETICOS

3.1 Propiedad magnética de los materiales

Mientras la cualidad de los materiales conductores se define mediante la resistividad, aquellos magnéticos se caracterizan por la permeabilidad absoluta µ que es el factor de proporcionalidad entre los módulos de la fuerza magnética H (causa) y la inducción B (efecto).

B = µ ´ H

Habitualmente para caracterizar las propiedades magnéticas de los materiales se recurre no a la permeabilidad absoluta µ, sino a la permeabilidad relativa µr, que es igual a la relación entre la absoluta y la del vacío  H/m.

La permeabilidad µr es por lo tanto un factor puramente numérico y es el que normalmente se indica en las tablas y en los diagramas.

La permeabilidad relativa del vacío es la unidad, y prácticamente también el aire y todas las sustancias sólidas diamagnéticas y paramagnéticas.

Se tiene por lo tanto en este caso que el campo resulta aproximadamente igual a:

Los materiales ferromagnéticos tienen una permeabilidad muy superior a la del vacío (del orden de miles de veces mayor) y por lo tanto a igualdad de fuerza magnética se obtienen inducciones notablemente más grandes.

La permeabilidad µ para los materiales ferromagnéticos, no tiene un valor bien definido (debido a dos fenómenos, la alinealidad y la histéresis) y por ello naturalmente se atribuye a µ (en la práctica µr) los valores obtenidos de la curva de primera magnetización o desmagnetizando con sucesivos ciclos de histéresis de amplitud variable.

Los circuitos magnéticos se fabrican a partir de trozos de espesores delgados que provienen del corte de chapas, bobinas o flejes de acero magnético. Por lo tanto, para su ejecución, es preciso conocer las pérdidas de energía en la excitación de estos circuitos magnéticos, que en las máquinas eléctricas se conocen como "pérdidas en el hierro".

Una parte son debidas a la histéresis que, en una primera aproximación, se podría considerar como la energía consumida en el circuito magnético para orientar los vectores magnéticos elementales que hay en su estructura cristalina, en una dirección paralela a las líneas de campo magnético que se establecen en el material, estas pérdidas toman importancia en los circuitos alimentados con corriente alterna.

El empleo de estructuras laminadas es también preferible en los casos en los cuales el flujo es constante (unidireccional) o lentamente variable, por comodidad constructiva (menor costo).

La potencia disipada por la histéresis en un kilogramo de material ferromagnético sometido a un campo variable se puede determinar por la siguiente expresión:

siendo:
f: la frecuencia del campo
B: la inducción máxima

La pérdida por histéresis no depende a igualdad de Bmax del modo de variación de la inducción. La constante Ci varía con la calidad del material, mientras que el exponente "x" (determinado de modo empírico), para valores de inducción menores de 1 T resulta igual a 1,6, para valores de inducción mayores de 1 T, (como generalmente se adoptan en las máquinas rotantes y en los transformadores), alcanza y supera el valor 2.

La segunda parte importante de pérdidas de energía se tiene debido a los efectos de corrientes parásitas (Foucault), que se establecen en las partes del circuito magnético y otras partes metálicas.

Se obtienen las pérdidas por unidad de peso con la expresión:

donde la constante Cp resume las propiedades físicas y dimensionales de la laminación (espesor) y tiene además en cuenta la ley de variación en el tiempo de la inducción.

Cuando la inducción no varía con ley sinusoidal es fácil reconocer que las pérdidas debidas a los armónicos tiene una sensible influencia.

Para distintos tipos de chapa magnética sometidos a un valor de inducción magnética y frecuencia dados, se tiene un valor de pérdida por unidad de peso que los caracteriza, (característica de pérdidas por unidad de peso).

Otra característica importante que define la calidad magnética es la que vincula los valores de inducción con los valores de campo, (característica B-H), observándose que para las aplicaciones en corriente alterna los valores de inducción son máximos, mientras que los de corriente (causa de H) son eficaces.

El aumento de excitación da lugar a un aumento del campo inducido, hasta llegar a un límite en que, para un aumento sensible de este último, haría falta un aumento exagerado de excitación y, por lo tanto, un consumo de energía anormal. Este fenómeno, denominado saturación del material, señala un límite superior en el empleo de los materiales magnéticos de distinta calidad.

Las distintas calidades magnéticas de los materiales se consiguen con diferentes contenidos de silicio, que puede alcanzar hasta el 4,5%. Si bien, un aumento del contenido de silicio da lugar a pérdidas por unidad de peso menores, la saturación se presenta para valores de inducción más bajos, el material se vuelve más frágil y se tiene una mayor abrasión sobre los troqueles que se utilizan para la fabricación.

Las condiciones de cizallabilidad empeoran a medida que las pérdidas disminuyen, siendo el objetivo de los fabricantes de materiales magnéticos mejorar la cizallabilidad para permitir realizar las operaciones de ranurado con una duración aceptable de las matrices.

A2.4 LAMINACION DE GRANO ORIENTADO Y GRANO ORIENTADO HI-B

Un decisivo progreso en el mejoramiento de las cualidades de los materiales magnéticos se llevó a cabo con el procedimiento de laminación en frío, según una invención americana que se remonta al año 1934.

Estas nuevas laminaciones se obtienen de un prelaminado en caliente de pocos milímetros de espesor, con un contenido de silicio de aproximadamente 3%, sometido a laminaciones en frío y recocidos intermedios en atmósfera neutra.

A2.5 PROPIEDADES MAGNETICAS DE ACUERDO A ESPECIFICACIONES AISI (American Iron Steel Institute)

Cada grado está caracterizado en términos de máximas pérdidas para un valor de inducción de 1,5 T y para una frecuencia de 50 ó 60 Hz.

El factor de apilado vale 0,96 resultando para estos materiales un valor excepcionalmente alto. Para pequeños transformadores de distribución se reduce a 0,93.

Estos materiales se suministran con una aislación superficial a base de una pintura inorgánica (AISI C-5) de alta resistencia mecánica y que soporta temperaturas superiores a los 800 grados centígrados, que es superior a la temperatura que se alcanza durante el tratamiento térmico de estos materiales.

Además la aislación debe ser resistente al aceite utilizado en los transformadores, tener buena adherencia y resistir las operaciones normales de cizallado y troquelado.

Tabla A2.1 - Propiedades para grano orientado

Espesor mm	Grado	Densidad g/cm³	Máximas pérdidas a 1.5 T W/kg
			50 Hz	60 Hz
0.27	M-4	7.65	0.89	1.17
0.30	M-5	7.65	0.97	1.28
0.35	M-6	7.65	1.11	1.45

Se observa en la tabla que el valor de las pérdidas a la frecuencia de 60 Hz para el mismo valor de inducción aumenta aproximadamente en un 30%.

Las rebabas, tanto más temibles cuanto más altos son los valores de inducción, deben eliminarse cuidadosamente con adecuados dispositivos, a máquina montada debe evitarse el limado, amolado, cepillado.

Tabla A2.2 - Propiedades para grano orientado HI-B

Espesor mm	Grado	Densidad g/cm³	Máximas pérdidas a 1.7 T W/kg
			50 Hz	60 Hz
0.30	M-2H	7.65	1.17	1.54
0.30	M-3H	7.65	1.23	1.63
0.35	M-4H	7.65	1.37	1.79

A2.6 PROPIEDADES TIPICAS DEL GRANO ORIENTADO HI-B

Alta permeabilidad y bajas pérdidas

Mientras los valores típicos de inducción de un grano orientado convencional a 800 A/m es del orden de 1,83 T, el de un material HI-B es de 1,92 T.

A una inducción de 1,7 T, la permeabilidad es alrededor de 3,5 veces mayor que la de un grano orientado convencional.

Las pérdidas en el núcleo para laminación de 0,3 mm de espesor corresponden al rango de un material grado M-2 y M-3. Para un espesor de 0,35 mm, las pérdidas en el núcleo son tan bajas como las de una laminación grado M-3 y M-4, por extrapolación de las especificaciones AISI.

Magnetoestricción reducida

Tiene una menor magnetoestricción en comparación con productos de naturaleza similar.

La magnetoestricción de las chapas de acero en el circuito magnético es la causa principal del ruido permanente de los transformadores. Las variaciones de la inducción originan variaciones de longitud periódicas de las chapas, con amplitudes del orden de dimensión de algunos micrones por metro de longitud de chapa.

Son varios los parámetros que influencian la magnetoestricción además de la calidad del material, por ejemplo, el tratamiento de la chapa, la solicitación mecánica, la dirección del flujo con respecto a la orientación del material.

La consideración primaria consiste en reducir el ruido en su fuente, es decir en el circuito magnético. Para un transformador determinado, ello significa que es necesario disminuir los valores de inducción, lo que conduce a costos de material más elevados.

La magnetoestricción también depende fuertemente de la uniformidad del flujo, de la dirección del mismo y de la calidad de los ensamblados del circuito magnético, manifestándose más intensamente en los yugos que en las columnas.

Trabajos de desarrollo en un transformador de 100 kVA, han permitido comprobar que aumentando la sección de los yugos en un 16% se obtiene una reducción del ruido del transformador en 5 dB.

La mayor parte del ruido transmitido a la cuba del transformador proviene de los yugos, en particular del inferior que tiene un contacto mecánico con la cuba. La mayoría de las veces es posible aumentar la sección del yugo sin que ello implique un aumento del tamaño de la cuba del transformador.

Mínimo efecto de fabricación

Las propiedades magnéticas están mucho menos afectadas por la fabricación (punzonado, cizallamiento, doblado, etc.) que un material de grano orientado convencional. Esto es el resultado de un efecto combinado de una excelente orientación de los cristales y de un óptimo tamaño de grano.

Las mencionadas características de un material HI-B facilitan:

• La fabricación de transformadores con extremadas bajas pérdidas en vacío;
• Una substancial reducción del ruido.
• Reducción de las dimensiones del núcleo debido al incremento de los valores de diseño de la inducción.
• Simplificación de los procesos de fabricación (por no requerir tratamiento térmico) cuando se utilizan espesores de 0,30 y 0,35 mm comparado con productos convencionales de menor espesor.

Veamos en la Tabla A2.3 algunos ejemplos que ilustran en forma cuantitativa el mejoramiento de las características.

Tabla A2.3 - Mejoramiento de algunas características

Potencia MVA	Inducción 1.7 T
	Pérd. núcleo	Pot. excitación	Reducción de ruido
20	11% menor	36% menor	4 Phons menos
40	8% menor	40% menor	¾
100	4% menor	27% menor	2 Phons menos
200	7% menor	19% menor	2 Phons menos