Glosario: Términos esenciales en el diseño de núcleos de motores y laminaciones de transformadores

Ya conoce la física. Este glosario solo recoge los términos que realmente influyen en las cifras de pérdidas, las quejas por ruido, las cotizaciones de los proveedores de acero y los argumentos en las revisiones de diseño, tanto en los núcleos de los motores como en laminados para transformadores.

¿Por qué es importante el vocabulario relacionado con el laminado?

La mayor parte del drama magnético suave en las máquinas modernas no proviene de las ecuaciones de Maxwell. Proviene de cómo se cortan, aíslan, apilan, sujetan y describen las laminaciones en los planos y en las hojas de datos del acero. Los pasos de fabricación como el punzonado, el apilado y el alojamiento pueden desplazar fácilmente las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas de los valores del «catálogo», al añadir deformación plástica y tensión residual a los bordes de las laminaciones. En transformadores y motores, eso se traduce directamente en vatios adicionales de pérdida en el núcleo, puntos más calientes y, a veces, fallos en las garantías de eficiencia.

Por lo tanto, los términos que se indican a continuación están dirigidos a personas que ya saben leer una curva B-H, pero que desean compartir un lenguaje común con los departamentos de compras, los talleres principales y los especialistas en FEA.

1. Términos relativos a los materiales y la laminación

Acero eléctrico

Acero eléctrico Es el material predeterminado para núcleos laminados: un acero con aleación de silicio y bajo contenido de carbono optimizado para bajas pérdidas y permeabilidad decente en frecuencias de potencia y más allá. Sus pérdidas a menudo se descomponen en componentes cuasiestáticos (dominados por histéresis), parásitos (similares a corrientes parásitas) y anómalos o excesivos en los modelos modernos. Rara vez se ven esas tres palabras en una cita, pero eso es lo que hay detrás de «W/kg @ 1,5 T, 50 Hz».

Acero eléctrico de grano orientado (GO, CRGO) Se enrolla de manera que el eje de magnetización fácil se alinee con la dirección de enrollado. Está diseñado para que el flujo se desplace principalmente en esa dirección, que es exactamente lo que ocurre en las patas y yugos de los transformadores clásicos. Utilícelo cuando las trayectorias del flujo sean ordenadas y principalmente unidimensionales, no en un estator muy dentado en el que las direcciones cambian en todo el entrehierro.

Acero eléctrico no orientado (NO, CRNO/CRNGO) Tiene propiedades magnéticas aproximadamente isotrópicas en el plano de la lámina. Los motores y las máquinas rotativas dependen en gran medida de esto, ya que el flujo circula a través de los dientes, el hierro trasero y los puentes en muchas direcciones. Los grados NO suelen tener una pérdida mayor que los GO a 50/60 Hz en su dirección «favorita», pero no penalizan cuando el flujo se desvía del eje.

Cuando alguien dice simplemente «M235-35A» o algo similar, se refiere al espesor (alrededor de 0,35 mm) y a la clase de pérdida; la ficha técnica del proveedor de acero eléctrico le indica lo optimistas que son esos números en condiciones de prueba Epstein en comparación con la realidad de su punzonado y sujeción.

Laminado, grosor y factor de apilamiento

A laminación es una fina lámina de acero eléctrico, recubierta con una capa aislante («placa central») y apilada para formar el circuito magnético. El laminado limita las trayectorias de las corrientes parásitas y permite compensar el grosor con la pérdida: laminado más fino → bucles de corrientes parásitas más pequeños → menor pérdida por corrientes parásitas a una frecuencia determinada, pero mayor coste y menor eficiencia de empaquetamiento.

Espesor/calibre de laminación suele estar en el rango de 0,18-0,50 mm para aplicaciones de potencia. Los calibres finos (0,18-0,23 mm) se utilizan para diseños de alta frecuencia y baja pérdida o aleaciones amorfas; los calibres más gruesos (~0,35-0,50 mm) son más baratos y aceptables a bajas frecuencias, donde predomina la histéresis. El espesor correcto no solo tiene que ver con la pérdida, sino que también impone restricciones al punzonado y la manipulación.

Aislamiento interlaminar / Coreplate Es la fina capa que se aplica en cada laminación para mantenerlas separadas eléctricamente. Cumple varias funciones a la vez: limita las corrientes interlaminares, resiste el punzonado, resiste el recocido (si lo hay), resiste la humedad y la corrosión, y no consume demasiado factor de apilamiento. El aislamiento interlaminar degradado conduce directamente a cortocircuitos locales a través de la pila, mayores pérdidas locales, y puede detectarse mediante pruebas especializadas de inyección de flujo y sobretensión en núcleos apilados.

Factor de apilamiento (también llamado factor de laminación o factor espacial) es la relación entre la longitud efectiva del hierro y la longitud medida de la pila. En otras palabras, qué parte de la altura de la pila es acero y qué parte son recubrimientos y bolsas de aire. Las cifras típicas para los núcleos de acero al silicio rondan el 0,95-0,97; los núcleos de tiras amorfas pueden situarse más cerca del 0,8 debido a las superficies rugosas y los recubrimientos.

Los diseñadores utilizan el factor de apilamiento de dos maneras. En primer lugar, corrigen la sección transversal magnética neta utilizada en el análisis por elementos finitos (FEA) y los cálculos manuales (B = Φ / A_eff, y A_eff incluye el factor de apilamiento). En segundo lugar, lo transmiten a los proveedores en las discusiones sobre tolerancias: si se especifica un factor de apilamiento agresivo pero se permiten rebabas, ondulaciones y recubrimientos gruesos, algo no encajará.

Envejecimiento magnético Es la deriva a largo plazo de la pérdida del núcleo y la permeabilidad debido a la relajación de la tensión, la oxidación o un recocido inadecuado. A menudo se manifiesta como un aumento gradual en W/kg tras años de funcionamiento o tras ciclos térmicos repetidos. Rara vez se menciona explícitamente en las especificaciones de la máquina, pero cualquier ficha técnica del acero que mencione la «pérdida garantizada tras el envejecimiento» se refiere discretamente a ello.

Resumen: palancas de laminación clave en todas las máquinas

La tabla siguiente resume algunos de los términos más comunes relacionados con el laminado tal y como se utilizan en las conversaciones. Los rangos numéricos típicos son indicativos; los proveedores y las normas establecen los valores exactos.

2. Términos geométricos: motores y transformadores

Estator, rotor, dientes, ranuras y hierro trasero.

En los motores, el núcleo del estator es un anillo de laminaciones con dientes y ranuras. El núcleo del rotor es otra estructura laminada que puede llevar imanes permanentes, barras de jaula de ardilla o saliencia. El vocabulario de laminación se aplica principalmente al estator, donde la geometría de los dientes, la abertura de las ranuras, los puentes y el grosor del hierro trasero están grabados en la lámina.

Dientes Son las protuberancias que llevan los devanados alrededor de sus lados. Su anchura, conicidad y geometría de la punta determinan la densidad del flujo en el diente y el margen de saturación en caso de sobrecarga. Tragamonedas Son los huecos que contienen los conductores; su forma determina la fuga de ranura, los armónicos de ranura y las restricciones mecánicas para la inserción del devanado. La geometría de la ranura también controla las concentraciones de tensión locales debidas al punzonado, lo que es importante para el modelado de pérdidas cerca de los bordes.

En plancha trasera (o yugo del estator) es la zona anular situada fuera de los dientes que cierra el circuito magnético. Su grosor se calcula a partir de los requisitos de flujo y el factor de apilamiento, utilizando relaciones de diseño estándar; en muchos libros de texto e informes de diseño, se puede ver álgebra en la que el factor de apilamiento de la laminación reduce explícitamente la anchura del hierro trasero.

Limb, yugo y ventana central en transformadores

En los transformadores de tipo núcleo, extremidades (o patas) son las columnas verticales de laminaciones que soportan los devanados primario y secundario. El yugos son las secciones horizontales que unen las ramas y proporcionan la ruta de retorno. Juntas, forman un circuito magnético cerrado.

En ventana central es la abertura delimitada por extremos y yugos. Alberga bobinados, aislamiento, conductos de refrigeración y estructuras de sujeción. Su altura, anchura y espacios libres alimentan al factor de espacio de ventana y dictar cuán ambicioso puede ser con la sección transversal del cobre y los niveles de aislamiento.

Un término interesante que se utiliza en todas las máquinas es espacio de aireEn los motores, el entrehierro es una característica diseñada entre el estator y el rotor; en los núcleos de los transformadores, los «entrehierros» suelen ser imperfecciones: huecos en las juntas, desalineaciones o pequeños huecos deliberados en diseños especiales, como los inductores con entrehierro. En ambos casos, el vocabulario de laminación aparece cuando se habla de la precisión con la que se mecaniza o se rectifica la pila.

3. Pérdida del lenguaje en torno a las laminaciones.

Pérdida total del núcleo y pérdida específica

Pérdida de núcleo o pérdida de hierro es la potencia disipada dentro del material magnético cuando está sometido a un flujo variable en el tiempo. Normalmente se expresa como pérdida específica en W/kg a una inducción B determinada (por ejemplo, 1,0-1,7 T) y una frecuencia (50/60 Hz o superior). En el caso de los aceros eléctricos, los modelos modernos dividen este valor en histéresis, corrientes parásitas clásicas y componentes excedentes, incluso cuando el catálogo solo indica un valor en W/kg.

En una hoja de datos del acero, es posible que vea varios puntos de prueba (por ejemplo, a 1,5 T, 50 Hz y 1,7 T, 50 Hz). Esos puntos ocultan supuestos del proceso: tiras Epstein limpias, sin daños por punzonado y apilamiento ideal. Una vez que las laminaciones se punzonan, se doblan y se sujetan, las pérdidas medidas en los núcleos ensamblados suelen aumentar debido a la tensión mecánica y a los bordes dañados.

Histéresis, corrientes parásitas y pérdidas por exceso.

Pérdida por histéresis está asociado con el área del bucle de histéresis B-H. En cada ciclo, se pierde energía debido al movimiento de la pared del dominio y a la magnetización irreversible. Los cambios de diseño de primer orden, como el grado del material, la densidad del flujo y el estado de recocido, influyen considerablemente en ello. En los transformadores, el funcionamiento más cercano a la saturación o el uso de un grado de acero con mayor coercitividad se refleja aquí.

Pérdida por corrientes parásitas surge de las corrientes circulantes inducidas dentro de cada laminación; varía considerablemente con el grosor de la laminación y la frecuencia de funcionamiento. Las laminaciones más finas y un mejor aislamiento interlaminar restringen estas corrientes. Un apilamiento inadecuado (huecos, rebabas, superficies cortocircuitadas) puede anular esta ventaja.

Pérdida excesiva (a veces denominada pérdida «anómala») representa una pérdida adicional dependiente de la frecuencia más allá del modelo simple de corrientes parásitas, relacionada con detalles microestructurales y la curvatura de las paredes de dominio. Los materiales y modelos modernos incluyen este término, especialmente en frecuencias más altas y formas de onda complejas.

Es posible que los equipos de diseño no siempre denominen explícitamente «pérdida excesiva», pero cuando los resultados del análisis por elementos finitos (FEA) no coinciden con la pérdida medida en un contenido armónico más alto, este es el culpable silencioso.

Densidad de flujo, punto de inflexión, saturación y magnetostricción.

Densidad de flujo B En el núcleo se calcula a partir del flujo neto y el área efectiva; el factor de apilamiento ajusta esa área. Ya conoce la curva B-H, pero en el lenguaje de la laminación se oye a menudo hablar del «punto de inflexión» o la «densidad de flujo de inflexión» del grado de acero. Se trata del punto de la curva de magnetización en el que la permeabilidad incremental comienza a descender rápidamente. Operar demasiado cerca de este punto de inflexión aumenta la pérdida por histéresis y distorsiona las formas de onda.

Saturación es el límite superior práctico en el que el aumento de la fuerza magnetizante H añade poco B, pero añade mucha pérdida y calentamiento. En los transformadores EI y los motores pequeños, los diseñadores suelen mantener el funcionamiento nominal cómodamente por debajo del punto de inflexión, pero los transitorios y los armónicos empujan las regiones locales hacia arriba.

Magnetostricción es la tensión inducida en el material cuando se magnetiza. Une el diseño magnético a la vibración y al ruido audible. Las juntas escalonadas en los núcleos de los transformadores, por ejemplo, se utilizan no solo para reducir las pérdidas en vacío, sino también para reducir la concentración de tensión magnetostrictiva en las juntas, lo que disminuye el zumbido.

4. Juntas, cortes y apilamiento

Juntas a tope, en inglete y escalonadas

Las laminaciones del transformador se pueden ensamblar en varios estilos de unión:

A unión a tope Corta láminas cuadradas y las une entre sí. Es fácil de fabricar, pero deja huecos relativamente grandes y una mayor acumulación local de flujo.

A junta en inglete Corta las laminaciones en ángulo (a menudo 45°) para que el fundente atraviese la unión de forma más gradual y se mantenga más cerca de la dirección de laminación del acero de grano orientado. Esto mejora la pérdida y reduce la saturación local en comparación con las uniones a tope.

A junta escalonada va un paso más allá. Las laminaciones se superponen en pequeños pasos (a menudo de 3 a 5 capas) en la unión, por lo que el flujo experimenta una transición gradual en lugar de una interfaz brusca. Esta disposición reduce significativamente la pérdida del núcleo sin carga, mejora la distribución del flujo a través de la unión y reduce la vibración y el ruido provocados por la magnetostricción.

El glosario oculto tras estas palabras trata sobre lo que se negocia con los proveedores principales: unas juntas más complejas implican más pasadas de corte, más trabajo de apilamiento y requisitos de alineación más estrictos, pero a cambio se consigue una reducción de las pérdidas y un funcionamiento más silencioso.

Paquetes, rebabas y calidad de apilamiento

Cuando las laminaciones se apilan, a menudo se agrupan en paquetes: pequeñas subpilas tratadas como unidades en una estructura circular o escalonada más grande. El diseño de paquetes intenta mantener cada paso como un múltiplo conveniente del recuento de laminación, de modo que el ensamblaje siga siendo repetible.

Rebabas son los bordes elevados que quedan tras el punzonado o el cizallado. Incluso las rebabas pequeñas importan el doble. Desde el punto de vista mecánico, afectan a la firmeza con la que se unen las laminaciones y, por lo tanto, al factor de apilamiento. Desde el punto de vista magnético, ofrecen puentes conductores no deseados entre las laminaciones, lo que aumenta las corrientes interlaminares y distorsiona los campos locales.

Sesgo En los motores, se trata de una ligera torsión de la pila de laminaciones del estator o del rotor a lo largo de la dirección axial. Se utiliza para reducir el par de cogging y la ondulación del par, a costa de una mayor complejidad en la fabricación, una alteración de la fuga de ranura y, en ocasiones, una mayor longitud de cobre. En términos de laminación, el sesgo también complica los patrones de punzonado y las plantillas de apilamiento.

La presión de apilamiento, las placas de sujeción y los pernos de unión influyen en el factor de apilamiento efectivo final y en el estado de tensión del acero. Si están demasiado flojos, se producen vibraciones y traqueteos, además de pérdidas inconsistentes. Si están demasiado apretados, se induce una tensión adicional, lo que aumenta la pérdida por histéresis cerca de las juntas y los bordes.

5. Factores relacionados con las ranuras, ventanas y espacios

Factor de llenado de ranuras y factor de llenado de cobre

Factor de llenado de ranuras Es la relación entre el área total de la sección transversal del conductor (normalmente cobre) y el área física de la sección transversal de la ranura del estator. En muchas máquinas industriales, los valores reales suelen oscilar entre 0,4 y 0,6, dependiendo de la forma del conductor, el grosor del aislamiento y el método de bobinado.

Los diseñadores también hablan sobre factor de llenado del cobre, que a veces se refiere específicamente a la relación entre el área de metal desnudo y el área de la ranura (sin tener en cuenta el aislamiento), y otras veces al conductor total más el aislamiento. La definición exacta es confusa en la práctica, por lo que en las revisiones de diseño es útil aclarar cuál de las dos utiliza su FEA u hoja de cálculo.

El factor de llenado de ranuras une el lenguaje electromagnético y el de la capacidad de fabricación. Un factor objetivo alto puede parecer excelente en los modelos térmicos y de pérdida de cobre, pero puede ser poco realista para la inserción automática o las tolerancias de doblado en horquilla. Por lo tanto, es un número que se negocia entre la simulación, la ingeniería de bobinado y las dimensiones de la pila central.

Factor de espacio de ventana

En los transformadores, factor de espacio de ventana Es la relación entre el área ocupada por los conductores y el área total de la ventana que pueden ocupar los devanados. Es necesario dejar espacio no solo para el cobre, sino también para el aislamiento, los conductos de refrigeración, los esquemas de intercalación y los espacios libres para cumplir con los niveles de prueba dieléctrica.

El factor de espacio de ventana interactúa con el diseño de laminación, ya que cambiar el ancho de las ramas, la altura del yugo o la geometría del solape escalonado modifica la ventana disponible. Un taller especializado podría proponer un ligero cambio en las dimensiones de las ramas para facilitar el apilamiento, y ese cambio repercute directamente en el factor de ventana y el diseño del bobinado.

6. Términos de fabricación y calidad relacionados con las laminaciones.

Efectos del punzonado, el corte y la tensión

Punzonado y estampación siguen siendo los métodos predominantes para cortar laminaciones en la producción de gran volumen. Producen una deformación plástica cerca de los bordes cortados, lo que aumenta localmente la coercitividad y la pérdida. La profundidad de esta zona dañada, y su importancia, depende del afilado, el espacio libre y el mantenimiento de las herramientas.

Corte por láser y otros métodos de corte de precisión reducen la tensión mecánica, pero introducen efectos térmicos y pueden afectar al estado del recubrimiento. Para prototipos o fabricaciones de bajo volumen, son habituales las laminaciones cortadas con láser, y la pérdida medida en el núcleo suele diferir de la producción punzonada, ya que la distribución de la tensión es diferente.

Dado que la tensión mecánica afecta a la permeabilidad y a la pérdida del núcleo, los modelos avanzados de pérdida de hierro para máquinas de imán permanente interior ahora tienen en cuenta explícitamente la deformación mecánica de las laminaciones del estator y el rotor bajo carga y sujeción. Eso está muy lejos de las pulcras pruebas de la tira de Epstein que generan valores de catálogo.

Recocido para aliviar tensiones Es un tratamiento térmico que se aplica después del corte/apilado para recuperar algunas de las propiedades magnéticas originales mediante la relajación de la tensión. La temperatura y el tiempo exactos interactúan con el tipo de recubrimiento y el ensamblaje del núcleo; no todos los diseños de núcleo pueden recocerse después del ensamblaje debido a restricciones mecánicas y de aislamiento.

Fallos de aislamiento interlaminar y pruebas del núcleo

En Fallo de aislamiento interlaminar Es un punto corto o débil entre laminaciones donde el revestimiento aislante ha sido dañado o contaminado. Estas fallas proporcionan vías de baja resistencia para que circulen corrientes entre láminas adyacentes, lo que aumenta la pérdida local y el riesgo de puntos calientes.

Los métodos de prueba, como las sondas de inyección de flujo y las pruebas de sobretensión, pueden detectar estos fallos en los núcleos de transformadores ensamblados excitando el núcleo y midiendo las señales de respuesta indicativas de una ruptura del aislamiento. Las normas orientadas al campo y los talleres de reparación suelen utilizar pruebas de pérdida de núcleo en vatios por kilogramo o vatios por libra a una inducción específica, junto con una métrica del factor de potencia, para determinar si un núcleo es aceptable después de su reparación o rebobinado.

Para aplicaciones de imanes pulsados de alta frecuencia, se han propuesto esquemas de aislamiento interlaminar adicionales para mantener las pérdidas bajo control en formas de onda mucho más severas, lo que demuestra lo sensibles que son las pilas de laminación a los detalles del aislamiento.

7. Leer las especificaciones teniendo en cuenta este glosario.

Cuando abra ahora una ficha técnica de acero eléctrico, las palabras clave relacionadas con la laminación deben aparecer en orden: grado, espesor, puntos de pérdida específicos y factor de apilamiento garantizado. Usted sabe que esos números se basan en condiciones de prueba ideales y que sus elecciones en cuanto a punzonado, presión de apilamiento y recocido cambiarán las reglas del juego.

Cuando se observa un dibujo básico, el tipo de unión (a tope, en inglete, solapada) y la disposición del paquete indican dónde se producirán los puntos críticos de acumulación de fundente y magnetostricción. En los motores, la geometría de los dientes y la parte posterior de hierro, la longitud apilada y el factor de llenado de la ranura vinculan el diseño de la laminación directamente con la ondulación del par, la pérdida y la capacidad de fabricación.

Y cuando llegan los resultados de las pruebas —medidos en W/kg por encima de lo esperado, factor de potencia desviado, aumento de temperatura ligeramente superior al modelo—, el vocabulario aquí es cómo mantener una conversación precisa sobre si el problema está en el grado del acero, el espesor de la laminación, el factor de apilamiento que se supuso, la calidad del aislamiento entre láminas o los factores de ventana y ranura que se forzaron demasiado.

Ese es realmente el objetivo de este glosario: menos argumentos vagos, preguntas más específicas y un lenguaje común entre el diseño electromagnético, la fabricación y los proveedores cuando se trata de núcleos de motores y laminaciones de transformadores.