Por qué el núcleo del transformador está laminado para reducir las pérdidas

El núcleo del transformador es laminado para reducir un tipo específico de derroche de energía. Este artículo le explicará exactamente por qué se hace esto. Aprenderás cómo esta sencilla idea hace que todo, desde el cargador de tu teléfono hasta la red eléctrica, sea más eficiente. No es sólo para ingenieros, sino para cualquiera que sienta curiosidad por saber cómo funcionan las cosas.

¿Por qué es tan importante el núcleo del transformador?

Se introduce electricidad por un lado y se obtiene un voltaje diferente por el otro, sin piezas móviles. El secreto es el principio de inducción electromagnética. Un transformador tiene dos juegos de cables, un bobinado primario y un bobinado secundario. Están enrollados alrededor de un núcleo central de hierro. Cuando una corriente alterna (ca) circula por la bobina primaria, crea un campo magnético cambiante. Este campo magnético es guiado a través del núcleo del transformador.

La función del núcleo es ser una superautopista para esta energía magnética, que llamamos flujo magnético. El flujo va de la bobina primaria a la secundaria. Cuando este flujo magnético en movimiento pasa por el devanado secundario, crea, o induce, una corriente en esa bobina. El núcleo de hierro es el puente que hace que todo esto ocurra de manera eficiente. Necesitamos un buen material magnético para este puente. Y el mejor material para los núcleos de los transformadores es un tipo especial de acero. El núcleo de hierro suele denominarse núcleo del transformador. Un buen núcleo de transformador garantiza que la mayor parte del flujo magnético del devanado primario llegue al devanado secundario.

¿Qué es exactamente una corriente de Foucault?

Ahora, aquí está el problema. El núcleo del transformador es de metal. Como el acero es un material magnético y un conductor, el flujo magnético cambiante no sólo crea una corriente en la bobina secundaria. También en el núcleo de hierro crea pequeños remolinos de corriente. Imagine un río que fluye suavemente. Si pones una gran roca en medio, detrás de ella se forman pequeños remolinos. Una corriente de remolino es igual, pero con electricidad dentro del núcleo de hierro.

Estos pequeños remolinos eléctricos son un gran problema. No hacen ningún trabajo útil. Sólo giran dentro del núcleo, generando calor. Este calor es energía desperdiciada. A este desperdicio lo llamamos pérdida por corrientes de Foucault. Esta pérdida se debe a dos factores principales: la intensidad del flujo magnético y la facilidad con la que el material del núcleo conduce la electricidad. Un campo magnético intenso y un núcleo conductor crearán una gran corriente de Foucault. Esto provoca un aumento significativo de la temperatura en el transformador, lo que resulta ineficaz y puede incluso dañar el aparato. Debemos luchar contra esta pérdida de potencia.

¿Cómo detiene la laminación las molestas corrientes de Foucault?

Entonces, ¿cómo detener estos remolinos que derrochan energía? Aquí es donde entra en juego la brillante idea de la laminación. En lugar de un bloque sólido de metal, construimos el núcleo a partir de una pila de láminas metálicas muy finas. Cada lámina se recubre con una fina capa aislante, como un barniz o una capa de óxido. Es como una baraja de cartas en lugar de un bloque de madera. El flujo magnético puede seguir desplazándose fácilmente a lo largo de las chapas, desde la bobina primaria a la secundaria.

Sin embargo, las capas aislantes actúan como barreras. Dificultan la formación de remolinos de corrientes de Foucault. Una corriente de Foucault quiere fluir en un círculo amplio, pero las capas aislantes cortan ese círculo en muchos caminos diminutos e ineficaces. Este ingenioso truco reduce drásticamente las corrientes de Foucault. Cuanto más fina sea cada lámina, más pequeño será el camino para cualquier corriente de Foucault potencial y menor será la pérdida por corriente de Foucault. Fabricar el núcleo de hierro de esta manera es la clave de un transformador eficiente. Así es como reducimos las corrientes parásitas.

¿Por qué no utilizar un núcleo de hierro macizo?

Quizá se pregunte: "¿No sería más barato y fácil utilizar un solo núcleo de hierro macizo?". A primera vista, sí. Pero el derroche de energía sería enorme. Un núcleo de hierro macizo dejaría pasar una corriente de Foucault muy grande por toda su sección transversal. Esto provocaría una enorme pérdida de corriente de Foucault, haciendo que el transformador se calentara mucho y desperdiciara mucha energía. Utilizar un núcleo sólido de esta forma aumentaría enormemente la pérdida de hierro.

Esta pérdida de energía, o pérdida de hierro, se debe a estas corrientes. Un núcleo sólido sería un desastre para la eficiencia. La mayor parte de la energía eléctrica que entra se convertiría en calor en lugar de transferirse al devanado secundario. El tamaño del núcleo de hierro tendría que ser mucho mayor para soportar el calor, lo que aumentaría el coste y el peso. El objetivo de un transformador es transferir energía de forma eficiente. Un núcleo de hierro macizo hace exactamente lo contrario. La laminación reduce el flujo de corrientes parásitas sin afectar a la trayectoria magnética.

¿Qué es este acero al silicio especial que utilizamos para el núcleo?

Las chapas finas que utilizamos para el laminado no son de acero cualquiera. Están hechas de una aleación especial llamada acero al silicio. A veces también se llama acero eléctrico. El acero al silicio es un tipo de aleación que se fabrica añadiendo una pequeña cantidad de silicio al acero con bajo contenido en carbono. La adición de silicio es crucial. ¿Por qué el acero al silicio es el protagonista? Porque tiene dos propiedades magnéticas asombrosas que lo hacen perfecto para el núcleo de un transformador.

En primer lugar, el material utilizado necesita una alta permeabilidad magnética. En segundo lugar, necesita una alta resistividad eléctrica. La resistividad es una medida de la resistencia de un material al flujo de corriente eléctrica. El acero normal es un buen conductor. Pero cuando se fabrica acero al silicio, el contenido de silicio aumenta la resistividad del material. Una mayor resistividad significa que es más difícil que fluya una corriente de Foucault, lo que reduce aún más la pérdida por corriente de Foucault. Por eso se utiliza el acero en esta forma. El acero al silicio es el material de núcleo perfecto. Es el mejor material magnético para este trabajo. Nos encanta el acero al silicio por sus increíbles capacidades. Un transformador fabricado con acero al silicio es mucho más eficiente. Utilizar acero al silicio es la norma del sector. Este acero al silicio especial cambia las reglas del juego.

¿Cómo ayuda el acero al silicio al campo magnético?

Hemos hablado de cómo el acero al silicio ayuda a reducir las corrientes no deseadas. Pero su función principal es ser una excelente vía para el flujo magnético. La propiedad mágica se llama alta permeabilidad magnética. La permeabilidad es una medida de la facilidad con la que un campo magnético puede establecerse en un material. Es como una alfombra magnética de bienvenida. El acero al silicio tiene una permeabilidad magnética muy alta. Esto significa que acepta con entusiasmo y guía el flujo magnético del devanado primario al secundario con muy pocas "fugas".

Esta propiedad garantiza que casi toda la energía magnética creada por la bobina primaria llegue a la bobina secundaria. El resultado es una gran intensidad de inducción magnética. Esto es lo que hace que un transformador sea tan eficaz a la hora de transferir energía. La gran calidad magnética del acero al silicio nos permite construir transformadores más pequeños, ligeros y potentes. El alto contenido en silicio del acero al silicio contribuye a crear estas fantásticas condiciones magnéticas. La elevada naturaleza magnética del acero al silicio es exactamente lo que necesitamos. Esta fuerte propiedad magnética es esencial. El acero al silicio gestiona perfectamente el campo magnético. Esta permeabilidad magnética es una medida clave del rendimiento. Necesitamos un alto rendimiento magnético. Las líneas del campo magnético se concentran en el interior del acero al silicio.

¿Qué es la pérdida de núcleo y por qué debemos reducirla?

Cuando un transformador funciona siempre con una alimentación de corriente alterna, siempre se pierde algo de energía en su núcleo. A esta pérdida total la llamamos pérdida en el núcleo, o a veces pérdida en el hierro. Esta pérdida en el núcleo de hierro es una fuente importante de ineficacia en los transformadores de potencia. Queremos que la baja pérdida en el núcleo sea una prioridad. Esta pérdida de potencia en el hierro se desperdicia en forma de calor.

La pérdida en el núcleo se debe a dos motivos. La primera es la pérdida por corrientes parásitas de la que ya hemos hablado. La segunda es la pérdida por histéresis. Juntas, se conocen como pérdidas por histéresis y por corrientes de Foucault. Reducir ambas es la clave para mejorar el rendimiento del transformador. El desarrollo de mejores materiales para el núcleo, como el acero al silicio avanzado, consiste en crear un material magnético con la menor pérdida posible en el núcleo. Cada vatio de energía que se ahorra aquí es un vatio que puede utilizarse para alimentar nuestros hogares y aparatos.

¿Puede explicar la pérdida por histéresis de forma sencilla?

Parece complicado, pero la idea es sencilla. Un material magnético como el acero al silicio está formado por pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos. Son como pequeños imanes. Cuando no hay campo magnético, todos apuntan en direcciones aleatorias. Cuando la bobina energizada crea un campo magnético, estos dominios se alinean. Este proceso se denomina magnetización.

Como el transformador funciona con corriente alterna, la corriente va y viene constantemente, 50 ó 60 veces por segundo. Esto significa que el campo magnético también se invierte rápidamente. Cada vez que se invierte, todos esos diminutos dominios magnéticos tienen que girar para alinearse con la nueva dirección. Se necesita un poco de energía para hacerlos girar. Esta energía se pierde en forma de calor. Esta pérdida se denomina pérdida por histéresis. El acero al silicio es especial porque tiene una baja coercitividad, lo que significa que sus dominios magnéticos pueden oscilar hacia delante y hacia atrás muy fácilmente, sin mucha energía. Este efecto de histéresis se reduce al mínimo. Una vez magnetizados, tienen que desmagnetizarse y volver a magnetizarse en sentido contrario, y este ciclo provoca pérdidas por histéresis.

¿Cómo se fabrican y ensamblan estas planchas de acero al silicio?

El proceso de fabricación del núcleo es bastante avanzado. El acero al silicio empieza como un gran rollo de metal. Hay dos tipos principales: acero al silicio laminado en caliente y acero al silicio laminado en frío. Las chapas de acero al silicio laminadas en frío se utilizan principalmente hoy en día porque tienen propiedades magnéticas aún mejores. Este acero al silicio laminado en caliente se procesa posteriormente. A continuación, el acero se trata para crear la estructura cristalina ideal. Esto suele implicar un proceso llamado recocido, en el que el metal se calienta y se enfría lentamente. El recocido mejora el acero.

A continuación, la lámina de acero al silicio se recubre con una capa aislante muy fina. Esto es crucial para detener las corrientes parásitas. Por último, la chapa de acero al silicio recubierta se corta en trozos largos, normalmente en el forma de una "E" y una "I". A continuación, estas piezas se apilan, una a una, para formar el núcleo de hierro del transformador. La chapa de acero al silicio debe manipularse con cuidado. La forma de apilar esta chapa de acero al silicio importa. Cuanto más estrechas sean las piezas empalmadas, mejor será el efecto. La chapa de acero al silicio final puede tener sólo 0,35 mm de grosor. Por eso utilizamos una chapa de acero al silicio. Generalmente se utiliza este tipo específico de acero al silicio. Este acero al silicio es perfecto para ser una chapa de acero al silicio. El material de silicio laminado en caliente es menos común ahora.

¿Cuál es la gran ventaja de utilizar un núcleo de acero al silicio laminado?

¿Qué obtenemos de todo este trabajo? Un transformador muy eficiente. Al utilizar un núcleo laminado de acero al silicio, atacamos las dos principales fuentes de pérdidas de energía. El laminado detiene las corrientes parásitas y las propiedades especiales del acero al silicio reducen las pérdidas por histéresis. Así se reducen las pérdidas totales del núcleo. Este diseño también tiene un bajo coeficiente de expansión térmica, lo que significa que no se expande ni se contrae demasiado cuando cambia su temperatura.

Todos los factores favorables mencionados se combinan para hacer que los transformadores modernos sean increíblemente eficientes, a menudo por encima de 98% o 99%. Esto significa menos electricidad desperdiciada, temperaturas de funcionamiento más bajas y dispositivos más pequeños y potentes. Se puede reducir el tamaño del transformador. Desde los gigantescos transformadores de las subestaciones eléctricas hasta los diminutos de sus aparatos, el uso de un núcleo laminado de acero al silicio es un principio fundamental que hace posible nuestro mundo eléctrico. Supone una disminución de la energía desperdiciada y un aumento del rendimiento. Reducimos las pérdidas efectivas. El desarrollo de nuevos materiales continúa, pero los principios básicos siguen siendo los mismos. El uso del acero al silicio está muy extendido en la industria eléctrica.