Como funciona un Transformador de grano orientado.
Los amigos del foro colegas ing. Eléctricos y amantes de la electricidad.
Me comunico al foro para preguntar lo siguiente.
Los ingenieros eléctricos manejamos el transformador de potencia, este transformador tiene un núcleo formado de chapas de acero al silicio. Las cualidades magnéticas de la chapa las da el laminado y el tratamiento térmico
Laminado en caliente
Laminado en frío llamado de grano orientado.
En el caso de la chapa de acero al silicio laminado en caliente este es un material isotropico. En donde las propiedades magnéticas son iguales en todas direcciones.
Y en el caso de la chapa de acero al silicio laminado en frío este material es anisotropico. En donde las propiedades magnéticas son muy buenas en la dirección del laminado.
Ahora de aquí me surge una duda, en los ejercidios y teoría de circuitos magnéticos que se ven en libros, para calcular flujos, inducción magnética, fuerza magnetomotriz se usa una fórmula y de ella se derivan las demás:
La fórmula de la inducción magnética para un medio homogéneo e isótropo es B = n H
Y ya de ahí sale la fórmula Fmm = (flujo) (reluctancia)
Bueno el punto es que de ahí se ponen a realizar ejercicios de circuitos magnéticos aplicando estas fórmulas, pero si el material fuera anisótropo ahora como se calculará la inducción magnética, si esa fórmula solo aplica para materiales isotopos y homogéneos.
Bueno ahora en el caso de los materiales ferromagnético, sabemos que están formados por cristales, estos cristales por dominios y cada dominio tiene átomos los cuales tienen sus momentos magnéticos orientados en una misma dirección formado pequeños pequeños dominios.
Bueno en el caso del cristal de hierro, que es un cubo, este tiene 3 ejes de imanación el 100, el 110 y el 111, el de imanación fácil es el eje 100 tiene 6 direcciones que son las direcciones de las caras en donde cada dominio del cristal están orientados en una de esas 6 direcciones, si se aplica un campo en una de esas 6 direcciones, los dominios que estén orientados en las otras 5 direcciones posibles, se reorientaran en la dirección del campo aplicado o del eje favorable.
Ahora en un transformador de acero al silicio laminado en caliente es isótropo, ¿sobre qué eje se aplica el campo magnético? 100 , 110 o 111?
Y la permeabilidad del núcleo se calcula con la fórmula B =n H
Pero para un transformador de grano orientado la dirección del flujo debe ir en la dirección del laminado, este es anisótropo, aquí mi pregunta es, la curva de magnetización y de histéresis de este transformador de grano orientado anisótropo se comporta igual que la de una transformador de grano no orientado isótropo es decir tiene una zona lineal, un codo de curva que es donde se empieza a saturar el núcleo y la zona de saturación final o es diferente el comportamiento a medida que se va aumentando la intensidad magnetizante (H). Y en este caso como se calculará la permeabilidad magnética si como mencione antes, esa fórmula solo aplica para materiales isotopos y homogéneos.
3 Respuestas
Yo creo que el fenómeno es mucho más sencillo. La orientación del grano afecta más que nada a la reducción del área interior del bucle de histéresis del material. Cuanto más pequeña es dicha área, menos trabajo cuesta el que la magnetización lo recorra por el efecto de la corriente eléctrica alterna. En otras palabras, lo que difiere entre dos transformadores iguales (misma inducción B, y mismas dimensiones) uno con chapa magnética corriente y otro de grano orientado, son las pérdidas en el núcleo, que se reducen grandemente.
No es corriente manejar el bucle de histéresis para apreciar esto, porque se suele utilizar la línea central de dicho bucle como referencia del material, tal como aparece la línea azul en esta figura de Wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Hist%C3%A9resis
En la siguiente figura, sacada de la referencia a la que aporta el ingeniero Albert buscapolos, se aprecia como es "la línea azul" en los bucles de magnetización de diferentes materiales magnéticos. Cuando más apartada del eje de ordenadas, más ancho es el bucle real y tiene más área comprendida = más perdidas por Histéresis = más calor generado en el núcleo.
Esta apreciación gráfica se sustancia en coeficientes de pérdidas que se pueden calcular de antemano.
En el diseño de un transformador intervienen más factores, y en lo referente a las pérdidas también las producidas por corrientes Foucault y por efecto Joule en los devanados. Además las chapas de grano orientado permiten un inducción mayor porque se saturan a más inducción, y como se suele admitir el igualar las pérdidas en el hierro a las en el cobre todo puede ser diferente, aunque transformadores equivalentes con diferente material magnético, serán diferentes en forma tamaño volumen y peso.
Veo que la figura aludida no ha salido. Pruebo de nuevo a ver si sale
No sale. Es la que aparece en el apartado MATERIALES MAGNÉTICOS BLANDOS debajo de la dirección de laminación, a) Aleatoria. b) Orientada.
Tema muy interesante el que traes. A nivel estudiante o proyecto nunca analizamos en profundidad ese punto. Simplemente aceptamos las bondades del material de grano orientado que comentas modelando los cálculos con valores más elevados del flujo de trabajo y reducción de perdidas.. Te participo un breve articulo de la Universidad Tecnológica Nacional ( Argentina) sobre el tema. Vamos a analizarlo un poco más en detalle.
Te agradeceria si me podes enviar algun link referente al tema, donde se vean datos actuales y curvas comparativas.
Si la chapa es laminada en caliente, como dices es isótropa, por lo tanto da igual en la dirección que vaya el flujo magnético y no tiene sentido preocuparse por la dirección respecto a los cristales de hierro.
Si es de grano orientado el calculo es igual, porque se instala la chapa de forma que la dirección del flujo coincida con la de la laminación. Por tanto para el flujo magnético el material se comporta uniformemente.