Desvelando los secretos de la curva B-H: Pérdidas por histéresis en motores de CC

"Curva B-H", "curva de magnetización" y "pérdida por histéresis", estos términos parecían complicados, pero comprender estas ideas es sumamente esencial si se trata de cualquier tipo de motor, especialmente un Motor de CC. Este breve artículo es para usted si alguna vez se ha preguntado qué significan estas curvas y por qué son importantes. Vamos a revisar la famosa curva B-H, ver exactamente cómo se muestra las propiedades magnéticas de un material, y aprender por qué la pérdida de histéresis puede ser un verdadero desperdiciador de energía en su motor.

¿Qué es esta curva B-H sobre la que sigo leyendo para la magnetización?

Piense en ella como un mapa que demuestra cómo se comporta un material magnético cuando se intenta convertirlo en un imán. La "H" de esta curva representa la fuerza magnetizadora (o intensidad del campo magnético). Es el esfuerzo que se ejerce, como el de una bobina de alambre por la que circula corriente eléctrica, para producir un campo electromagnético. La "B" de la curva B-H representa la densidad de flujo magnético. Indica exactamente la intensidad del campo electromagnético dentro del propio material magnético. Esta curva de magnetización es esencial para reconocer la magnetización. Así pues, la curva B-H traza esta conexión. Al aumentar la fuerza de magnetización (H), la densidad de flujo magnético (B) en el material se magnetiza y también aumenta. Este primer contorno suele denominarse curva de magnetización inicial. La inclinación de este contorno nos indica la permeabilidad del material, es decir, la facilidad con la que permite que se establezca el flujo magnético. Una buena curva B-H nos ayuda a seleccionar el material ferromagnético adecuado para puntos como un electroimán o piezas de un motor. La curva B-H es básica para reconocer la magnetización. Esta curva B-H no es una simple línea para muchos productos. El método por el que se produce la magnetización y después se deshace es especial, y ahí es donde entra el concepto de bucle. Consultamos mucho esta curva B-H cuando desarrollamos motores eléctricos y núcleos de transformador. La curva B-H revela las propiedades magnéticas del producto, como el acero al silicio. Es una curva importante para los ingenieros.

¿Por qué mi producto magnético no sigue una trayectoria recta en la curva B-H?

Aquí es donde entra la parte de "histéresis" de la pérdida de histéresis. Histéresis sugiere "quedarse atrás". La magnetización del material no se adhiere perfectamente a la presión magnetizante cuando ésta cambia. La curva B-H revela este retraso. Al aumentar la fuerza de magnetización en sentido positivo, la densidad de flujo magnético aumenta a lo largo de una curva. Pero cuando se reduce la fuerza de magnetización a cero, la densidad de flujo magnético no vuelve a cero a lo largo de la misma curva. El material se magnetiza y conserva parte de su magnetización. Esta "memoria" es una característica crucial que revela la curva B-H. Este efecto de retardo sirve principalmente para reconocer la curva B-H y las propiedades residenciales de un material. Este retardo se produce debido a pequeños lugares diminutos dentro del producto ferromagnético llamados dominios magnéticos. Piense en ellos como pequeños imanes. Cuando aplicas un campo electromagnético externo, estos dominios magnéticos se alinean. Sin embargo, cuando se elimina el campo electromagnético, no todos vuelven a alinearse por completo. Esta resistencia a transformarse desarrolla la forma única de la curva B-H o curva B-H.

¿Qué es la pérdida por histéresis?

Puesto que sabemos que el material magnético se retrasa, ¿qué es la pérdida por histéresis? Pues bien, cada vez que la magnetización de un material ferromagnético pasa por este ciclo retardado -se magnetiza de un modo y luego de otro, como en un circuito de corriente alterna o en un motor rotativo- se pierde algo de energía. Esta energía perdida se manifiesta en forma de calor en el producto magnético. Es la pérdida por histéresis. Esta pérdida depende del propio material magnético. Imagínese que está presionando y dibujando algo que tiene mucha fricción. Consumirías energía y esa energía se transformaría en calor. Es comparable con los ciclos de magnetización y desmagnetización en un material magnético. La curva B-H crea un bucle, y el área dentro de este bucle de histéresis magnética nos indica la cantidad de pérdida por ciclo. Un bucle más grande en la curva B-H significa aún más pérdida por histéresis. Es muy importante tener en cuenta esta pérdida por histéresis en dispositivos como transformadores y máquinas de corriente continua. Esta pérdida de histéresis es una especie de potencia que se disipa en forma de calor dentro del producto. Es uno de los factores por los que los motores y los transformadores se calientan. Minimizar la pérdida por histéresis es un gran objetivo de los ingenieros para que los dispositivos sean más eficientes. La pérdida por histéresis puede ser una gran ganga si no se maneja, sobre todo cuando se trata de acero al silicio en un motor.

¿Puede mostrarme a qué se parece un bucle de histéresis magnética?

La curva B-H que muestra este resultado retardado se denomina bucle de histéresis magnética (o bucle de histéresis B-H). Vamos a trazarlo. Empezamos con un material ferromagnético que no está magnetizado. Al aplicar una fuerza magnetizadora (H) en sentido positivo, la densidad de flujo magnético (B) aumenta. Ésta es la curva de magnetización inicial. En algún momento, el material se magnetiza en todo su grado; llega al punto de saturación. Ahora bien, si disminuimos la fuerza de magnetización (H) hasta cero, ¡la densidad de flujo magnético (B) no llega a cero! La curva revela que el producto ferromagnético todavía tiene algo de magnetización. Esto se denomina magnetismo residual o remanencia. Para que la densidad de flujo magnético vuelva a cero, tenemos que aplicar una fuerza magnetizadora en sentido inverso. La cantidad de esta fuerza inversa necesaria se denomina fuerza coercitiva. El bucle de histéresis magnética revela todo este proceso de magnetización. Si seguimos utilizando la fuerza magnetizadora en sentido negativo, el material volverá a alcanzar la saturación, pero con polos magnéticos opuestos. Después, si volvemos a llevar H a cero y de nuevo a la dirección positiva, se completará el bucle de histéresis magnética. Esta curva, el bucle de histéresis magnética, es una huella dactilar del producto magnético, como el acero al silicio. El área del bucle de histéresis magnética es clave. La curva del núcleo ferromagnético se ajusta a los tipos de este bucle.

¿Cómo afecta esta pérdida de histéresis al rendimiento de mi motor de CC?

En un motor de corriente continua, los componentes del material ferromagnético (como el núcleo construido con acero al silicio) ven modificada constantemente su magnetización a medida que el motor gira. Cada vez que la magnetización cicla, traza ese bucle de histéresis magnética en la curva B-H. Y, como ya hemos visto, el área de ese bucle representa la pérdida de potencia en forma de calor: la pérdida por histéresis. Esta pérdida de histéresis indica que tu motor requiere más potencia para hacer la misma cantidad de trabajo. Este calor no deseado de la pérdida de histéresis puede ser un problema. Puede hacer que el motor sea menos eficaz. Un calentamiento excesivo también puede dañar el aislamiento o los cojinetes del motor con el tiempo. Por lo tanto, para un buen diseño del motor, especialmente en máquinas de CC, deseamos elegir un material magnético que tenga una pérdida de histéresis pequeña. Esto implica que queremos un material ferromagnético con un bucle de histéresis estrecho en su curva B-H. La pérdida por histéresis se acumula. Si un motor funciona durante mucho tiempo, también un pequeño porcentaje de pérdida de histéresis por ciclo puede significar mucha potencia desperdiciada y calor adicional. Por eso, investigar la histéresis y la curva B-H es tan importante para la eficiencia del motor. Deseamos que el bucle de histéresis sea lo más pequeño posible.

¿Son todos los productos magnéticos iguales? ¿Y los materiales magnéticos blandos?

No, ¡no todos los materiales magnéticos coinciden! Este fue un gran "¡ajá!" para mí. Tienen propiedades magnéticas diferentes, lo que indica que sus formas de curva B-H son diferentes. Habitualmente se habla de dos tipos principales: materiales magnéticos duros y blandos. Los materiales magnéticos duros, como los que se utilizan para los imanes permanentes, tienen un amplio bucle de histéresis magnética. Son difíciles de magnetizar pero, una vez magnetizados, siguen siendo un imán sólido. Tienen una alta retentividad y una gran fuerza coercitiva. Los materiales magnéticos blandos, en cambio, son los que generalmente queremos para núcleos de motores y núcleos de transformadores. Estos productos tienen bucles de histéresis estrechos que dan lugar a pérdidas de histéresis muy pequeñas. Algunos ejemplos son el acero al silicio y algunos compuestos magnéticos. Los materiales magnéticos blandos se magnetizan y desmagnetizan con facilidad. Esto implica que su curva B-H mostrará un bucle de histéresis estrecho. Esto es estupendo porque indica que se desprende menos energía en forma de calor durante cada ciclo de magnetización. La elección del material magnético, como el acero al silicio, afecta directamente a la pérdida por histéresis. Para aplicaciones con campos electromagnéticos en transformación, como en un circuito de CA o un motor rotativo, elegimos materiales magnéticos blandos o productos ferromagnéticos blandos. Tienen un magnetismo residual bajo y una fuerza coercitiva baja. Esto ayuda a mantener baja la pérdida de histéresis y alto el rendimiento. Utilizar productos magnéticos blandos es esencial para reducir la pérdida de histéresis.

¿Qué significa "retentividad" para un producto magnético?

¿Recuerdas cuando, tras alcanzar la saturación, redujimos la fuerza magnetizante (H) a cero y, sin embargo, el material magnético siguió magnetizado? Esa permanencia de la magnetización se denomina magnetismo residual o remanencia. La remanencia es la capacidad de un producto magnético de mantener este magnetismo residual una vez eliminado el campo electromagnético exterior. En la curva B-H o bucle de histéresis magnética, la retentividad es el punto en el que la curva atraviesa el eje B (donde H es cero) después de la saturación. Una retentividad elevada indica que el material ferromagnético sigue estando muy magnetizado después de que desaparezca el campo magnético externo. Esto es excelente para los imanes permanentes, pero no tan bueno para las piezas del núcleo de un motor o transformador que necesitan transformar su magnetización rápida y convenientemente. Una alta retentividad en un material de núcleo provocaría un bucle de histéresis magnética más grande y muchas más pérdidas por histéresis. Por eso, para aplicaciones como motores eléctricos o solenoides y transformadores, donde el producto magnético se magnetiza y desmagnetiza constantemente, normalmente queremos un material con baja retentividad. Esto ayuda a que el bucle de histéresis magnética sea más pequeño, reduciendo la pérdida de histéresis. Las propiedades residenciales de un producto, como la retentividad, se muestran en su curva B-H. El acero al silicio suele seleccionarse porque puede tener una buena permeabilidad, pero una retentividad relativamente baja para un material magnético blando.

¿Cómo podemos reducir realmente esta pérdida por histéresis en un motor?

Se trata de una gran pregunta para cualquier persona que cree o trabaje con un motor. Teniendo en cuenta que la pérdida de histéresis proviene del área del bucle de histéresis magnética en la curva B-H, el principal medio para reducirla es elegir un producto magnético con un bucle de histéresis estrecho. Como ya hemos dicho, los materiales magnéticos blandos son la mejor opción. El acero al silicio es una opción muy típica. ¿Por qué acero al silicio? Al añadir silicio al hierro (fabricando acero al silicio) se modifican sus construcciones magnéticas. Aumenta la resistividad eléctrica del material, lo que ayuda a reducir otro tipo de pérdida llamada pérdida por corrientes de Foucault (¡una historia para otro día!), pero también ayuda a crear un bucle de histéresis estrecho, disminuyendo así la pérdida por histéresis. La fuerza coercitiva puede reducirse y, en el caso de los materiales magnéticos blandos, también se desea un magnetismo residual bajo. Otros medios diversos consisten en hacer funcionar el material magnético a grados de densidad de flujo magnético óptimos más bajos, idealmente. El bucle de histéresis depende de cuánto se presione la magnetización hacia arriba en la curva B-H. También puede ayudar la fabricación cuidadosa del núcleo ferromagnético de las piezas magnetizadas. Ocasionalmente, los tratamientos térmicos únicos o el uso de finas láminas de acero al silicio puede optimizar los hogares magnéticos y reducir las pérdidas totales, compuestas por la pérdida de histéresis. Es vital que el bucle de histéresis B-H sea lo más pequeño posible. El bucle depende de la naturaleza del material magnético, como el hierro o el acero.

¿Por qué la curva de magnetización no es constantemente lineal?

Para valores pequeños de fuerza magnetizante (H), la densidad de flujo magnético (B) puede aumentar con cierta lentitud. A continuación, para diversos valores de H, el contorno adquiere una pendiente mucho más pronunciada: aquí es donde la permeabilidad del material ferromagnético es alta, y la densidad de flujo magnético (B) también aumenta rápidamente. Esta parte de la curva es realmente fiable para la magnetización. Este comportamiento no lineal de la curva B-H se debe a esos dominios magnéticos que hemos mencionado. Inicialmente, sólo cambian las superficies de las paredes de los dominios que se mueven con facilidad. A medida que aumenta la fuerza magnetizante, aún más nombres de dominio se enderezan, provocando un rápido aumento de la magnetización. La curva B-H muestra este intrincado procedimiento interior dentro del material ferromagnético. Si fuera perfectamente directa, la vida podría ser menos compleja, sin embargo, las distintas construcciones de productos ferromagnéticos como el acero al silicio nos proporcionan imanes fuertes y núcleos eficaces, aunque su curva B-H no sea recta. En algún momento, a medida que la fuerza de magnetización alcanza valores muy elevados, la mayoría de los dominios magnéticos se alinean y resulta cada vez más difícil aumentar la densidad de flujo magnético. La curva de magnetización se aplana entonces. Esta curvatura y aplanamiento de la curva B-H es característica de los materiales ferromagnéticos y es muy diferente de la respuesta del aire o de los productos no magnéticos a un campo magnético, que es lineal. La curva de magnetización es una curva crucial.

¿Qué ocurre cuando un producto ferromagnético alcanza la saturación?

La saturación es una idea crucial cuando se observa una curva B-H o una curva de magnetización. Imagina que estás intentando meter un número cada vez mayor de objetos en una bolsa de viaje. Al principio, es fácil, pero con el tiempo, la bolsa se llena, y usted no puede caber mucho más, a pesar de lo fuerte que presiona. La saturación en un producto ferromagnético como el acero al silicio es similar. Al aumentar la fuerza de magnetización (H), la densidad de flujo magnético (B) en el interior del material es atraída y aumenta. Sin embargo, existe una limitación. En un momento dado, casi todos los dominios magnéticos del producto ferromagnético se han alineado con el campo electromagnético. Una vez que esto ocurre, también si se aumenta mucho más la fuerza magnetizante, la densidad de flujo magnético apenas aumenta. Se dice que el material está saturado magnéticamente. Este es el punto de saturación en la curva B-H, donde la curva se aplana. La densidad de flujo alcanza su valor útil óptimo, denominado inducción de saturación. Reconocer la saturación es importante. Si se diseña un motor o un transformador y el material del núcleo alcanza la saturación demasiado rápido, no funcionará como se esperaba. La permeabilidad disminuye considerablemente en la saturación. Esto significa que la curva B-H nos indica los límites de funcionamiento de un material magnético. Cuando un producto ferromagnético llega a la saturación, su capacidad para aumentar aún más el campo electromagnético disminuye considerablemente. En la mayoría de las aplicaciones en las que se desea una permeabilidad elevada, es preferible trabajar por debajo de este nivel de saturación.