Materiais magnéticos nanocristalinos de alta permeabilidade e suas aplicações

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Materiais Magnéticos Nanocristalinos de alta permeabilide são ligas ferrosas que apresentam um conjunto único de propriedades aplicáveis à eletroeletrônica: baixas perdas, alta permeabilidade inicial, magnetostricção próxima a zero e magnetização de saturação em torno de 1,2T. Tais propriedadesderivam de uma nanoestrutura de grãos de Fe-Si cúbicos de corpo centrado, com cerca de 10 a 15nm. Por conta das dimensões desses grãos é que estes materiais recebem o nome Nanocristalino.

Os gráficos abaixo demonstram as propriedades típicas de materiais magnéticos macios, onde é possível comparar o desempenho dos Nanocristalinos com outros materiais.

 

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Conheça as principais aplicações dos Materiais Magnéticos Nanocristalinos:

Transformadores de Corrente

Um transformador de corrente (TC) é um componente utilizado para medições, controle e proteção de circuitos. Costuma possuir uma única espira no enrolamento primário e é conectado em série com o sistema que se deseja medir; o enrolamento secundário é conectado ao circuito de leitura.

 

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No TC ideal, a corrente do secundário é inversamente proporcional à relação de espiras e tem fase oposta a corrente do primário. No entanto essa relação perfeita não ocorre porque parte da corrente do primário é perdida ao excitar o núcleo. Essa parcela da corrente perdida na excitação deve ser subtraída de forma fasorial do total de corrente do primário para obter a quantidade de corrente no secundário. Como esse valor é levemente diferente do que seria indicado pela relação de espiras original, resulta em erros na amplitude da medição e de fase quando comparados ao TC ideal.

Devido à corrente de excitação causar esses erros de leitura, tenta-se diminui-la ao máximo trabalhando com materiais que contribuam para a redução destas perdas. Perdas devido ao material do núcleo são basicamente de dois tipos: perdas por histerese e perdas por correntes induzidas. As perdas por histerese correspondem à energia gasta para magnetizar o material, ou seja, dependem fortemente do material do núcleo. Podem ser reduzidas utilizando-se materiais magnéticos “macios” (de alta permeabilidade e baixo campo coercivo).  Já as correntes induzidas (correntes de Foucault) são consequência do material ferromagnético do núcleo ser percorrido por um fluxo variável e geram perdas por efeito Joule. A forma de diminuir o efeito destas correntes é utilizar materiais laminados e de maior resistividade.  Ainda é preciso considerar que nestes circuitos há perdas nos fios de cobre do enrolamento, de forma que se torna interessante utilizar o menor número de espiras possível.

Por esses motivos o material nanocristalino apresenta um desempenho excepcional para essa aplicação: com uma alta permeabilidade inicial, podendo chegar até 200.000, a corrente de excitação torna-se menor que em outros materiais e, por consequência, resulta em uma maior confiabilidade na medição. Por apresentar uma alta indução de saturação, em torno de 1,2T, possibilita uma relação menor de espiras por Volt, reduzindo o volume do transformador e as perdas no condutor. Ainda em relação às perdas, o fato dos núcleos nanocristalinos serem formados pelo enrolamento de uma fita muito fina (espessura da ordem de 20 µm) faz com que as correntes induzidas sejam menores, diminuindo as perdas.

 

Transformadores para Fornos de Indução

Fornos de indução são equipamentos usados para fundir, amolecer ou tratar termicamente metais ou outros materiais condutores. Esses fornos oferecem combinações atrativas de velocidade, consistência e controle.

O forno funciona por indução de campo magnético. Uma fonte de alta frequência é usada para gerar uma corrente alternada maior no secundário, esse secundário é conectado a uma bobina. A passagem da corrente alternada pela bobina gera um campo magnético intenso e com alta oscilação no seu interior, a peça a ser aquecida é colocada dentro do indutor expondo-a a esse campo magnético intenso.

Esse campo variável gera correntes na peça dentro da bobina. Pode-se considerar o sistema formado pela bobina e pela peça como um transformador. A bobina seria o primário, onde a energia é fornecida, e a peça seria um secundário de volta simples que é curto-circuitado, sendo esse o motivo pelo qual temos correntes de intensidade tão alta circulando pela peça.

Além disso, trabalha-se em alta frequência para gerar um aquecimento maior devido ao efeito skin (pelicular). Em alta frequência as correntes tendem a circular cada vez mais nas extremidades do material, aumentado sua resistência. Assim temos um aquecimento ainda maior na peça.

O material nanocristalino mais uma vez tem uma boa aplicabilidade neste tipo de sistema por trabalhar bem em alta frequência, conferindo um sinal maior na fonte devido ao seu alto fluxo de saturação. Novamente, outro fator importante são as baixas perdas do material, que possibilitam um rendimento melhor e principalmente a diminuição do volume de material utilizado.

 

Transformadores de Potência

Transformadores para eletrônica de potência são quaisquer transformadores usados em sistemas chaveados. Muito comuns em amplificadores para áudio e fontes de tensão, hoje ganham ainda mais destaque por serem empregados em sistemas de energias renováveis como fotovoltaica e eólica.

Embora o material nanocristalino possa ser utilizado em diferentes topologias para transformadores de potência, atualmente a Magmattec tem desenvolvido transformadores para as topologias de ponte completa e push-pull, pela possibilidade de trabalhar sem gap nos núcleos. O método de corte para fabricação do gap vem sendo aperfeiçoado e futuramente seremos capazes de produzir transformadores também para outras topologias, como por exemplo, para fontes fly-backs. Esse gap é necessário pois em alguns casos trabalha-se com uma componente de corrente contínua no transformador e, devido a sua alta permeabilidade, o núcleo nanocristalino satura com baixa corrente aplicada.

 

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Esses núcleos têm apresentado resultados satisfatórios quando empregados em fontes. Na maioria das vezes consegue-se diminuir pela metade o volume do núcleo – em comparação ao ferrite, e dependendo da faixa de frequência de trabalho e potência desejadas chegamos a reduzir em 1/3 o volume, obtendo rendimento e redução no aquecimento significativamente melhores.

 

Indutores de Modo Comum

Indutores de modo comum são utilizados para filtrar ruídos gerados por outras fontes chaveadas conectadas à rede.  Esse tipo de indutor é utilizado entre a fase e o retorno, ou em sistemas trifásicos conectados entre as três fases. Neste caso, os indutores são formados por bobinas idênticas onde as correntes circularam em direções opostas, gerando fluxos magnéticos em sentidos opostos que se anulam.

 

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Na prática haverá um fluxo residual, porém de magnitude muito baixa, assim não afetará a corrente principal de linha (60 Hz), no entanto, os ruídos de alta frequência, com magnitude muito inferior à corrente nominal, encontrarão uma grande impedância na fase-retorno e serão filtrados.

Por conta da permeabilidade alta do material nanocristalino obtemos indutâncias muito altas, sem a necessidade de trabalhar com muitas espiras por bobina para obter a indutância desejada. Dessa forma é possível reduzir as dimensões do componente em comparação a indutores similares produzidos com núcleo de ferrite.

 

 

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