¿Por qué los núcleos de los transformadores están laminados?

Los núcleos de los transformadores son esenciales para una transferencia de energía eficiente, pero pueden sufrir ineficiencias debido a las corrientes parásitas, que generan calor no deseado y pérdida de energía. Laminar los núcleos con láminas delgadas de acero eléctrico puede interrumpir la trayectoria de estas corrientes, minimizando así su impacto negativo. En este blog, le resultará útil comprender por qué se laminan los núcleos de los transformadores y cómo este proceso mejora el rendimiento.

El papel de los núcleos de transformadores en los sistemas eléctricos

Los núcleos de los transformadores son elementos cruciales que ayudan a la transferencia eficiente de energía eléctrica entre circuitos. Ofrecen concentrar las áreas magnéticas creadas por la corriente que fluye por las bobinas, mejorando así el rendimiento y la eficacia del transformador .

Básicamente, el núcleo del transformador funciona como una vía para el cambio magnético, desempeñando un papel esencial en el funcionamiento de los transformadores. Sin un núcleo eficaz, los transformadores no solo serían mucho menos fiables, sino que además podrían generar calor extremo y desperdiciar energía a través de sistemas no deseados.

La elección de los materiales y el diseño del núcleo del transformador pueden afectar drásticamente la eficacia y el rendimiento del transformador. Los factores clave a tener en cuenta giran en torno a la reducción de las pérdidas de energía, en particular debido a sensaciones como las corrientes parásitas. En este contexto, resulta evidente por qué los núcleos de los transformadores suelen estar laminados, algo que se tratará con detenimiento en las secciones siguientes. El proceso de laminación es importante para mejorar el rendimiento del núcleo, reducir la generación de calor e, inevitablemente, aumentar la eficacia general de los sistemas eléctricos.

¿Cómo reducen los núcleos de transformadores laminados las corrientes de Foucault ?

Una de las principales razones por las que se laminan los núcleos de los transformadores es para aliviar los efectos negativos de las corrientes parásitas. Las corrientes parásitas son corrientes de distribución que se generan dentro del núcleo debido al campo magnético alterno. Estas corrientes pueden provocar pérdidas de potencia considerables, lo que reduce la eficacia y aumenta la generación de calor.

Para reconocer exactamente cómo los núcleos laminados resuelven este problema, es importante pensar en los principios físicos en juego. Las corrientes de Foucault se inducen en cualquier tipo de conductor sometido a un campo electromagnético variable, tal como se define en la Ley de inducción electromagnética de Faraday. En un núcleo de transformador resistente, estas corrientes pueden fluir sin obstáculos por grandes áreas, lo que genera pérdidas significativas.

La laminación del núcleo consiste en construirlo a partir de  láminas delgadas de acero eléctrico , cada una de ellas protegida de las demás. Esta estructura restringe sustancialmente el camino disponible para las corrientes parásitas, lo que reduce su magnitud. Las láminas delgadas aumentan la resistencia eléctrica al flujo de corrientes parásitas, separando de manera eficiente las grandes corrientes circulantes en corrientes mucho más pequeñas y menos dañinas.

La eficiencia de la laminación se puede demostrar cuantitativamente considerando la reducción de las pérdidas por corrientes parásitas. La pérdida como resultado de las corrientes parásitas (Pe) en un núcleo se puede expresar mediante la fórmula:

La fórmula para la pérdida por corrientes de Foucault es:

Pe ∝ (B ² * f ² * d ²)/ p

De esta conexión se desprende que la minimización del espesor de las láminas (d) tiene un efecto cuadrático en la reducción de las pérdidas por corrientes parásitas. Por ello, los núcleos de los transformadores suelen estar formados por láminas extremadamente finas, normalmente en serie de 0,23 a 0,35 mm. Estas capas finas se aíslan entre sí mediante un acabado de barniz u óxido, que mejora aún más la resistencia a las corrientes parásitas.

Al reducir adecuadamente las corrientes parásitas, los núcleos laminados no solo mejoran la eficacia de los transformadores, sino que también contribuyen a su longevidad al reducir el exceso de calor y la tensión térmica asociada. Este método estructural es un elemento fundamental en el estilo y el funcionamiento de los transformadores modernos, ya que garantiza que funcionen de manera precisa y eficaz bajo diferentes cargas eléctricas.

El impacto de los núcleos laminados en la eficiencia de los transformadores 

Una de las ventajas más importantes de utilizar núcleos laminados en transformadores es la mejora significativa de su eficacia. Cuando los núcleos de transformadores están hechos de una pieza sólida de metal, son propensos a la formación de corrientes parásitas. Estas corrientes circulan dentro del material del núcleo y crean un calor no deseado, lo que da lugar a pérdidas de potencia. Al laminar el núcleo, interrumpimos eficazmente el curso de estas corrientes parásitas, lo que reduce su formación y la generación de calor asociada.

La reducción de las corrientes parásitas es esencial, ya que se traduce directamente en una disminución de las pérdidas de potencia dentro del transformador. Esta mejora del rendimiento es especialmente crucial en los grandes sistemas eléctricos, donde incluso pequeñas mejoras pueden suponer un importante ahorro de energía con el tiempo. Los núcleos laminados están fabricados con láminas finas de acero eléctrico, cada una de ellas recubierta de una capa aislante. Este aislamiento evita que las corrientes parásitas se distribuyan libremente entre las capas, restringiéndolas así a lagunas más pequeñas y menos dañinas.

Además, el rendimiento mejorado de los núcleos de transformador laminados contribuye a reducir los costos operativos. Cuando los transformadores funcionan de manera más eficiente, consumen menos energía y generan menos calor, lo que a su vez reduce las demandas de refrigeración y mantenimiento. Esto no solo extiende la vida útil del transformador, sino que también garantiza una eficiencia más confiable, lo cual es importante para preservar la estabilidad de las redes eléctricas.

En resumen, el uso de núcleos laminados aumenta sustancialmente el rendimiento de los transformadores al mitigar los efectos perjudiciales de las corrientes parásitas. Esta mejora se logra mediante la estratificación y el aislamiento críticos de los productos del núcleo, lo que reduce las pérdidas de potencia y mejora el rendimiento general.

Núcleos de transformadores laminados  y sólidos

Al analizar el estilo y la eficiencia de los núcleos de transformadores, es necesario comparar los núcleos laminados con sus equivalentes sólidos. El núcleo de un transformador desempeña un papel esencial en su eficiencia y funcionalidad general, y la selección entre estos dos tipos puede afectar significativamente el rendimiento del transformador.

Uno de los principales factores por los que los núcleos de los transformadores están laminados es para minimizar la formación de corrientes parásitas. Las corrientes parásitas son lagunas de corriente eléctrica inducidas dentro del núcleo por campos magnéticos alternos y pueden provocar pérdidas de potencia significativas. En un núcleo sólido, estas corrientes tienen un recorrido mayor para distribuirse, lo que da como resultado una mayor disipación de energía en forma de calor. Sin embargo, los núcleos laminados están construidos a partir de láminas delgadas de acero eléctrico, cada una protegida de las demás. Esta laminación restringe el curso de las corrientes parásitas y, por lo tanto, reduce su tamaño y las pérdidas asociadas. La siguiente tabla describe las diferencias esenciales entre los núcleos de transformador laminados y sólidos:

Además de reducir las pérdidas por corrientes parásitas, los núcleos laminados también ayudan a gestionar mejor el cambio magnético. Las delgadas capas de acero de los núcleos laminados garantizan que el campo magnético se distribuya de manera uniforme, lo que mejora el rendimiento del transformador. Por otro lado, los núcleos sólidos suelen tener una distribución desigual del cambio magnético, lo que puede provocar un calentamiento local y una menor eficiencia.

Si bien la fabricación de núcleos laminados es mucho más compleja y costosa en comparación con los núcleos resistentes, las ventajas duraderas, que incluyen un mejor rendimiento y menores pérdidas de energía, generalmente justifican la inversión financiera inicial. Los núcleos laminados generalmente utilizan acero eléctrico de última generación, lo que además mejora su eficiencia al reducir las pérdidas por histéresis, otro tipo de pérdida de energía en los transformadores.

Opciones de materiales para núcleos de transformadores laminados

A la hora de elegir materiales para núcleos de transformadores laminados, se deben tener en cuenta varias variables para mejorar el rendimiento y la eficiencia. El objetivo principal es reducir las pérdidas de energía como resultado de las corrientes parásitas y la histéresis. Por ello, los materiales elegidos deben poseer propiedades magnéticas y eléctricas detalladas que se ajusten a estos propósitos.

1. Acero al silicio

Uno de los materiales más comunes utilizados para los núcleos laminados de los transformadores es el acero al silicio , también conocido como acero eléctrico. El acero al silicio es el preferido porque tiene una alta resistividad eléctrica y propiedades magnéticas favorables, que ayudan a reducir las pérdidas por corrientes parásitas. La adición de silicio (normalmente alrededor del 3,2 % en peso) mejora la resistencia eléctrica del acero y reduce la pérdida por histéresis.

Existen varios grados de acero al silicio, cada uno con diferentes calidades. Estas calidades se pueden clasificar en función del material de silicio, la orientación del grano y el espesor. La siguiente tabla describe algunas calidades comunes del acero al silicio que se utiliza en los núcleos de los transformadores:

El acero eléctrico de grano orientado (GOES) se procesa especialmente para alinear los granos del acero, lo que mejora sus propiedades magnéticas en la dirección del grano. Esto hace que el GOES sea especialmente ideal para transformadores de alta eficiencia donde es esencial reducir las pérdidas en el núcleo. El acero eléctrico de grano no orientado (NGOES) , por otro lado, tiene granos orientados arbitrariamente y normalmente se utiliza en aplicaciones donde varía la dirección del campo magnético.

2. Acero amorfo y aleaciones nanocristalinas​​

Junto con el acero al silicio, también se utilizan otros materiales como el acero amorfo y las aleaciones nanocristalinas para núcleos de transformadores laminados en aplicaciones especializadas. El acero amorfo, que tiene una estructura no cristalina, ofrece pérdidas en el núcleo drásticamente reducidas en comparación con el acero al silicio tradicional. Este producto se utiliza habitualmente en transformadores de alta frecuencia y aplicaciones donde la eficiencia energética es vital.

Las aleaciones nanocristalinas, compuestas de hierro, silicio y boro, también ofrecen menores pérdidas en el núcleo y mayor permeabilidad que el acero amorfo. Estos productos se utilizan en diseños avanzados de transformadores donde se necesita una eficacia óptima y un tamaño pequeño.

En resumen, la elección del producto para los núcleos laminados de transformadores depende de los requisitos específicos del transformador, como la eficacia, la frecuencia del procedimiento y las consideraciones de costes. El acero al silicio sigue siendo el producto más utilizado debido a su equilibrio entre rendimiento y coste, aunque otros materiales como el acero amorfo y las aleaciones nanocristalinas ofrecen alternativas para aplicaciones especializadas.

Preguntas frecuentes sobre núcleos laminados para transformadores

1. ¿Cuál es la función principal de un núcleo de transformador?

La función principal del núcleo de un transformador es proporcionar una ruta de baja reluctancia para el flujo magnético, lo que permite una transferencia de energía eficiente entre los devanados del transformador. Esto mejora el proceso de inducción, reduce la generación de calor y proporciona soporte estructural para los devanados.

2. ¿Por qué los núcleos de los transformadores están laminados?

Los núcleos de los transformadores están laminados para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. La laminación del núcleo implica construirlo a partir de láminas delgadas de acero eléctrico, cada una aislada de las vecinas. Esta estructura restringe el camino disponible para las corrientes parásitas, lo que reduce su magnitud y las pérdidas de energía asociadas.

3. ¿Cómo reducen los núcleos laminados las corrientes de Foucault?

Los núcleos laminados reducen las corrientes parásitas al aumentar la resistencia eléctrica al flujo de estas corrientes. Las láminas delgadas y su aislamiento descomponen las grandes corrientes circulantes en corrientes más pequeñas y menos dañinas, minimizando así las pérdidas de energía y la generación de calor.

4. ¿Cuál es la diferencia entre los núcleos de transformadores laminados y sólidos?

Los núcleos laminados están construidos a partir de láminas delgadas de acero eléctrico, cada una aislada de las demás, lo que reduce las pérdidas por corrientes parásitas y la generación de calor. Los núcleos sólidos, por otro lado, tienen mayores pérdidas de energía debido a los mayores caminos para las corrientes parásitas y, por lo general, son menos eficientes.

5. ¿Qué materiales se utilizan normalmente para los núcleos de transformadores laminados?

El material más común utilizado para los núcleos laminados de los transformadores es el acero al silicio. Otros materiales como el acero amorfo y las aleaciones nanocristalinas también se utilizan en aplicaciones especializadas debido a sus menores pérdidas en el núcleo y su mayor permeabilidad.

6. ¿Por qué se utiliza comúnmente acero al silicio para los núcleos de transformadores?

El acero al silicio se utiliza comúnmente porque tiene una alta resistividad eléctrica y propiedades magnéticas favorables, que ayudan a reducir las pérdidas por corrientes parásitas y por histéresis. La adición de silicio mejora la resistencia eléctrica y el rendimiento magnético del acero.