Materiales magnéticos nanocristalinos de alta permeabilidad y sus aplicaciones – Magmattec

Materiales magnéticos nanocristalinos de alta permeabilidad y sus aplicaciones

magmattec_nano_b

Materiales Magnéticos Nanocristalinos de alta permeabilidad son aleaciones ferrosas que presentan un conjunto único de propiedades aplicables a la electro-electrónica: bajas

pérdidas, alta permeabilidad inicial, magnetostricción próxima a cero y magnetización de saturación en torno de 1,2T. Tales propiedades derivan de una nanoestructura de granos de Fe-Si cúbicos de cuerpo centrado, con cerca de 10 a 15 nm.  Por las dimensiones de esos granos es que estos materiales reciben el nombre de Nanocristalino.

Los gráficos abajo demuestran las propiedades típicas de materiales magnéticos suaves, donde es posible comparar el desempeño de los Nanocristalinos con otros materiales.

 

Imagem1

 

Conozca las principales aplicaciones de los Materiales Magnéticos Nanocristalinos

Transformadores de Corriente

Un transformador de corriente (TC) es un componente utilizado para mediciones, control y protección de circuitos.  Suele poseer una única vuelta en el enrolamiento primario y es conectado en serie con el sistema que se desea medir, el enrolamiento secundario es concertado al circuito de lectura.

 

Imagem2

 

En el TC ideal, la corriente del secundario es inversamente proporcional a la relación de vueltas y tiene fase opuesta a la corriente del primario. Sin embargo, esa relación perfecta no ocurre porque parte de la corriente del primario es perdida al excitar el núcleo.  Esa parcela de corriente perdida en la excitación debe ser sustraída de forma fasorial del total de corriente del primario para obtener la cantidad de corriente en el secundario. Como ese valor es levemente diferente del que sería indicado por la relación de vueltas original, resulta en errores en la amplitud de medición y de fase cuando comparados al TC ideal.

Debido a que la corriente de excitación causa estos errores de lectura, se intenta disminuirla al máximo trabajando con materiales que contribuyan a la reducción de estas pérdidas.  Pérdidas debido al material del núcleo son básicamente de dos tipos: pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes inducidas. Las pérdidas por histéresis corresponden a la energía gasta para magnetizar el material, o sea, dependen fuertemente del material del núcleo.  Pueden ser reducidas utilizando materiales magnéticos “suaves” (de alta permeabilidad y bajo campo coercivo). Las corrientes inducidas (corrientes de Foucault) son consecuencia del material ferromagnético del núcleo ser recorrido por un flujo variable y generan pérdidas por efecto Joule.  La forma de disminuir el efecto de estas corrientes es utilizar materiales laminados y de mayor resistividad.

Por esos motivos el material nanocristalino presenta un desempeño excepcional para esa aplicación: con una alta permeabilidad inicial, pudiendo llegar hasta 200.000, la corriente de excitación se vuelve menor que en otros materiales y, por consecuencia, resulta en una mayor confiabilidad en la medición.  Por presentar una alta inducción de saturación, alrededor de 1,2T, posibilita una relación menor de vueltas por Volt, disminuyendo el volumen del transformador y las pérdidas en el conductor. En cuanto a las pérdidas, el hecho de los núcleos nanocristalinos ser formados por el enrolamiento de una cinta muy fina (espesor del orden de 20 µm) hace con que las corrientes inducidas sean menores, disminuyendo las pérdidas.

 

Transformadores para Hornos de Inducción

Hornos de inducción son equipos usados para fundir, ablandar o tratar térmicamente metales u otros materiales conductores.  Estos hornos ofrecen combinaciones atractivas de velocidad, consistencia y control.

El horno funciona por inducción de campo magnético.  Una fuente de alta frecuencia se utiliza para generar una corriente alterna mayor en el secundario, este secundario se conecta a una bobina.  El paso de la corriente alterna por la bobina genera un campo magnético intenso y con alta oscilación en su interior, la pieza a ser calentada es colocada dentro del inductor exponiéndola a ese campo magnético intenso.

Este campo variable genera corrientes en la pieza dentro de la bobina.  Se puede considerar el sistema formado por la bobina y por la pieza como un transformador.  La bobina sería el primario, donde la energía es fornecida, y la pieza sería un secundario de vuelta simple que está en cortocircuito, siendo ese el motivo por el cual tenemos corrientes de intensidad tan altas circulando por la pieza.

Además, se trabaja en alta frecuencia para generar un calentamiento mayor debido al efecto skin En alta frecuencia las corrientes tienden a circular cada vez más en las extremidades del material, aumentando su resistencia.  Así tenemos un calentamiento aún mayor en la pieza

El material nanocristalino más una vez tiene una buena aplicabilidad en este tipo de sistema por trabajar bien en alta frecuencia, dando una señal mayor en la fuente debido a su alto flujo de saturación. De nuevo, otro factor importante son las bajas pérdidas del material, que posibilitan un rendimiento mejor y principalmente la disminución de volumen de material utilizado.

 

Transformadores de Potencia

Un transformador para electrónica de potencia es cualquier transformador usado en sistemas conmutados. Muy comunes en amplificadores para audio y fuentes de tensión, hoy ganan todavía más destaque por ser empleados en sistemas de energías renovables como fotovoltaica y eólica.

Aunque el material nanocristalino pueda ser utilizado en diferentes tipologías para transformadores de potencia, actualmente la Magmattec ha desarrollado transformadores para las topologías de puente completa y push-pull, por la posibilidad de trabajar sin gap en los núcleos.  El método de corte para la fabricación del gap viene siendo perfeccionado y futuramente seremos capaces de producir transformadores también para otras topologías, como, por ejemplo, para fuentes fly-backs. Este gap es necesario pues en algunos casos se trabaja con una componente de corriente continua en el transformador y, debido a su alta permeabilidad, el núcleo nanocristalino satura con baja corriente aplicada.

 

Imagem3

 

Estos núcleos han presentado resultados satisfactorios cuando empleados en fuentes.  En la mayoría de las veces se consigue disminuir por la mitad el volumen del núcleo- en comparación a la ferrita, y dependiendo del rango de frecuencia de trabajo y potencia deseadas llegamos a reducir en 1/3 el volumen, obteniendo rendimiento y reducción en el calentamiento significativamente mejores.

 

Inductores de modo común

Los inductores de modo común son utilizados para filtrar ruidos generados por otras fuentes conmutadas conectadas a la red. Este tipo de inductor es utilizado entre la fase y el retorno. O en sistemas trifásicos conectados entre las tres fases.  En este caso, los inductores son formados por bobinas idénticas donde las corrientes circularan en direcciones opuestas, generando flujos magnéticos en sentidos opuestos que se anulan.

 

Imagem4

 

En la práctica habrá un flujo residual, pero de magnitud muy baja, así no afectara la corriente principal de línea (60Hz), sin embargo, los ruidos de alta frecuencia, con magnitud muy inferior a la corriente nominal, encontrarán una grande impedancia en la fase-retorno y serán filtrados.

Por la permeabilidad alta del material nanocristalino tenemos inductancias muy altas, sin la necesidad de trabajar con muchas vueltas por bobina para obtener la inductancia deseada.  De esta forma es posible reducir las dimensiones del componente en comparación a inductores similares producidos con núcleo de ferrita.

 

 

Español