aleaciones amorfas y su aplicación en transformadores de
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ALEAüIüNES A}'ORT'.AS Y SU AT'tICAÜION EN TRANSFUR}IADORES DI¡J
DISTRItsUCION
JÜSE VIÜENTE D{]LCE CABRERA
Univcrsidad Aul6.rom¡ r.i; r- ":idenl¡sEcctaN BtBLt0iEC^
ú01890_1t8f
rlruuffirillrltruuru
$ANTIALiü DE CALI
üORF'ü}IAüION UNIVERSITARIA AUTONOMA DE OCCIDENTE
DIVISIüN f,IE INGENIERIAS
FRUGRAMA DE INüENIERIA ELECTRICA
1994
At&NTIüNEÉ A}iORFAS Y SU APLIÜAüION EN TRANSFOR},IAUORHS DE
DISTRIBUIJION
JTX}E VITENTE D{.'LCE CABRERA
Trabajo de Grado presentado como requisito parcial ¡>ara
optar aI titulo de Ingeniero Eleetricista
Ltirector: NELLY üECILIA ALBA DE SANCHEZ
Ingeniera Hesánica. MSc-
$ANTIAGO f,IE CALI
üORT'üIIIACION UNIVERSITARIA AUTONOMA DE OCCIDENTE
DIVISION DE INGENIERIAS
I¡H&iIIAHA DE INGENIERIA ELECTRICA
1994
'-i-67t- 3t Ll.\nonD Y) 7óct,
-l
JURA
JU}IAIX)
Santiago de Cali, ()ctubre 1994-iii
NüTA DE ACEPTACION
Aprobada por eI comite de grado encunplimiento de loa requieitos€.rigidoa por la üorpor'¿s15tUniversitaria Autónoma de OccidenteFara oFtar aI titulo de IngenieroElectricista.
Ao*-b*ñl
AGTTADEC1HIENTOS
E} autor €rxpr€rs¡a au€¡ agradacimientos a:
NELLY CEüILIA ALBA DE SANüIiEE, Ingeniera blecánica'protesora del programa de Ingenieria Hecdnica de Ia CUA0.
AtsEL üRUZ SERFiANO, Ingeniero Elestricista, gerente de Iafirma INGETRANS-
FRANüIgCCI ABEL RüLDAN, Ingeniero Electricista, profesordel programa de Ingenieria Eléctrica de Ia CUAO-
I{ELTOII SANCI{EZ ST}IEI'A, Ingeniero Hecánico, profesor delprograma de Ingenieria Mesániea de }a üUAO.
ANTtINIO FENAGOS, üoordinador de} área de servicios deldepartamento de bibliótesa de la üU40.
JAIME üABIIERA üUERRA" pop Bua oportunag y vallosaeopinionee -
AI pereonal del Departamento de ljistemas y Biblioteca de1a CUAO.
I\f
DE¡]lCATOHIA
A mis padres y hermanae.
TAtsI"A DE CÜNTENIDO
INTRÜIXITTION
1-
1.1
1-u
1-3
l,-1
1-4-1
L-4.2
1-5
1-5- 1
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Páe.
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DE
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IIATEHI ALE$ FEHITO}IAüNETI TÜ$
llEF'INIt:ILtN
I'ITOCESO üE IMANACION EN UN MATERIAL
F'EITRT¡MAGNETICO
üT}NÉTRUCüION DE UNA CURVA I}E IHANACION
UN HATERIAL FENROHAGNb]TICO
TII.AIJIFIL:ACIÜN DE LOS HATERIALES
FEITRÜMAGNETICOS
Hateriales magnéticos blandos o auava€t
Hateriales magnétisos duros
PERDIDAS DE ENERGIA EN Il)$ HATERIAI,ES
I'ETTROT,TAGNETICOS
Pérdidae de energia ps¡ histéreeis
PÉrdidas de energia 96¡ corrientes
parásitas
Férdidas anómalas
vi.
1-5_3 18
a
2-1
2 -ft,
É.3
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2_4_1
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E-5- 1
Í-5-tÉ-5.3
3.
3_1
3_e
3.2- 1
3-2-2
3-tJ_É_1
ALI'HüIONE$ AMOHINS
ANTEüEDENTES
DEFINICION DE UNA AILI;AÜIÜN AMÜRFA
üHTGEN
ü()t,TFügIÜION
ALeasiones metal-metaloide
Aleaciones de elenentos de transiciónAleasionaa compuestas
ME:TüDOS DE OBf,ENüION
Eva¡loraeión térmica
Fulverisaqión catódica
Enfriamiento rápido
ESTRUúTUTiA Y FRI-}FIEDADES I}E I,AS AI,EACIONES
AHüRFAS
ESTRULTURA
FRÜT'IEDADES HAüNF,ITICAS Dh; I,AS ALEATIONES
AMOR}'AS
üomgortamiento de un material magnético
blando ante la influensia de un sampo
magnético
üarasterigticas magnéticas blandag de las
aleasiones amorfas
Induoeión magnétiea de lae aleaciones
ar¡orfas
20
2A
22
22
24
25
25
25
26
2l
30
33
39
42
44
39
40
4L
vL.J.
3-l-!-lÉ Fermeabilidad magnÉtica de lae aleacionee 45
anortag
3.Íc.2-3 üamps et¡ersitivo de lae aleaciones asrortas 45
3.3 RETÜTID{I EN FRESENüIA DE UN üA},IFO MAüNETICO 46
3.4 }'ERNIDAS DE ENERGIA EN I,AS ALUACIONES 48
B-4_1
AMORFAS
Férdidaa de energia por histéresis en }ae ¿lg
aleacionss a¡¡orfas
3-4.2, Férdidas de energia por comientee
parásitae €rn las aleasiones amorfas
tsérdidas anómalas en lae aleaciones amorfas
UI'ELTOÍJ DE I"A TEMPERATURA EN LOS MATE}TIALES
FERI{CIHAüNETICOS
FITOFIEDADES MUCANICAS
LIMITE ELASTICO
DT'REZA
If,ICTILIDAD
FROPIEDADES QUIMICAS
AUJACIONES AllORt'AS EMFLEADAS EN
TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCION
50
52
52
3_ 4.3
3-5
3-8
3-8-1
3.6- 2
3-6-3
3-?
4_
,1. I4-1-1
4-1-2
4. 1.3
4-1-4
54
55
55
56
57
59
TIUNTEFTOg BAglCOg DE UN TRANSFORI'TADOH 59
f,iefinición y estrustura de un trangformador 59
Fenómeno de inducción electromagnética 60
Transformadoree do distribución tt1
FÉrdidas de energia en los transformadores 61
v].t l-
4-1-,'1.1
4.1-{-il
4. 1.4.3
4-ti
4-3
4_3-1
4-3-!.1- 4
4-5
4-6
4-7
4-7_1
4-7.r.L4-7.L_2
4_7.2
4-7.3
4-8
f'érdidae
Férdidas
el sobre
eI nücleo
Pérdidas en eI materlal dieléctricoAI.EAÜIONES AMüRTNS Y SU AI'LICACION EN
T}tANSFO}iMAIX)RES DE DISTRIB{JCION
COHI'OSICION Y TIPO DE ALEACIONES AHOITFAS
UTILIZADAS EN NUÜI,EüS E'A}TA TIIANSFU}I}TAIX)HES
I}E DISTRIBUCION
Aleación amorfa metglas ?6ü5 S-z
Aleasión amorta por!¡ercore
INüI¡VENIENTES PRESENTADO$ E'OR I"AS
AI,EAÜIONES AHORF'AS
HETOIX)S DE CüHTE Db] I,AS ALEAÜIONES AHORFAS
TÜNSIDSRACIONES EN EL DISEñIO DE UN NUCI,EO
AHORFO
F'OSIBLES TIFOS DS NUCLEü$
Núcleos encintados
Nücleos encintados ein cortes
Núcleoe encintadoa con cortes
NüeLeos apilados
Frototipos de nüsleos brifdsicos a¡¡orfos
}'}IOÜESO DE R¡JÜÜÜIIru SN NUÜLEOS MAGNh;TICÜS
CON$THUIIX)$ EN ALEACION AHORFA
IIETERIORO DE I"AS FRÜFIUDAUES MAGNSTICAS EN
NUTI,EÜS ÜON$TRUIDOS EN ALEACIONES AHORFAS
en
en
61
62
62
62
73
73
73
77
78
78
81
64
64
65
67
68
69
Universid¡d lutó"0:;StCCr0N 61,
4-g
lx
83
;ffi]
4.1O üT}gTÜ E IMPAÜTO EÜONüHlÚO DE I.,ÜS
TTTANSFLITTHADURES f,'E DI STRIBUCION CONSTRUIDOS
HN AIEAÜIüN AHUHTNA
4. 11 ÉITUAÜIT]N ACTUAL Y FUTURO DESAHROLT,O EN I,A
FRL¡DUüTII]N DE LüS NUTI,ECIS AMORFOS
5. EVOLUCION DE I,oS AL:EROS AL SILICIO
5-1 RESEÁIA T{ISTOHICA
5.2 ACERO AL SILICIO GHANO ORIENTADO
5-3 DESAFTROLI,ü DE I,OTi ACEROS AL SILICIO
5-3-1 Perfeceión en la orientación de los
sristales5 - 3 - E Reduccién de loe aspesores de las lá¡ri¡ras
5-3-g Aceros con un mayor contenido de eilicio5-3-4 Rayado de los aceros
84
8Ét
89
89
g1
9rt
94
95
g5
95
98
100
101
6_
7-
BIBLIOGRAF'IA
üÜNÜLU$IÜNEli
REÜü},IENDAÜIONES
LI|JTA DE TABIAS
Pá9.
TABI"A 1- Parámetroe magnáticos de dos aleaciones 46amorfas conparadaa con un acero aIsiliclo.
TABLA 2- Hesietividad y espesores de diversaealeacionee amortas somparadag con unalámina de asero aI eilicio.
TAtsI"A 3. Puntrc curie (Tc¡ y tenl¡eratura de 53eristalisación (Tx) de dos aleacioneeanorfas y un acero al silicio 3%.
TABLA 4- Valores de duresa de una aleación anorfa 56y un acero aI silicio usados entranstormadoreg -
51
TABI,A 5. üonparación de lae pérdidas t^l,¡Ke deMetglae 26üb S-2 y acero al silicio tipoM-4.
TABLA É- Fariimetroe nagnétieoe de Ia aleasiór¡amorfa f¡owersore.
65
67
TABI"A ? - Froduesión somereial de núcteoe ar¡ortos A7monofásicos.
TABI"A 8 - Froducción conercial de nüoleoe amt¡rfoe Bgtrifásicos.
xi
FIüUITA 1.
FIGUITA 2,.
FlGUlrA 3-
FrüUIrA 4 -
F1TJUTTA 5.
F'IüUNA 6.
I"IGURA 7 -
FIüUITA 8.
FITJURA 9.
LISTA DE FIGURAS
üurva tipica de un proceso deimanació¡r.
Nüeleo magnético-
üiclo de hietáresis de un material.magnéti.co.
üomientes parásitas er¡ una láninamagnética.
Núcleo laminads o apiladr:-
Lámina para el eáIsulo de sorrientesparásitas.
Esr¡uema de un eieter¡a de evaporaeióntérmisa tlara la obtension de unapelicula amorfa.
Eequema de un eistema de pulverisasióncatódisa Rb'Fara la obtención de unapelicula ar¡orta.
Esguena de un sistema de enfriamientorápido para Ia obtención de una sintade aleaeión amorfa.
Esguema de obtención de una eintaa¡norta por medio del método de los dossilindroe -
14
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15
16
l'á9.
6
2A
31
34
FTüURA 1ü.
.}Il1
36
FIGURA 11- Esguena del método de fundición y J?obtenslón de una einta de aleasiónar¡orta.
Ir'TGURA L2 - Esquema de un procec¡o de obtensión de gguna cinta amorfa eontinua.
FIüURA 1iJ- üicro de histéresis de un materia] 47magnÉtico laminado en trio luego de untratamiento de recocido.
ITIGUHA 141- Forción superior de doe ciclos de bOhistéresis de una aleasión amorfa y unacero aI silicio tipo M-4.
I'IGU}{A 15 - Efestoe de Ia sorrtreion €'n un material 58cristalino -
I"IGUIIA 16- Frineipio de indueción sn un 60transformador.
FIüUltA 17- Núeleo tipo toroide - '14
I"IGUI{A 18 - Nüc}eo eneintado tipo colur¡na o 75nüsleo.
FIüUttA 19- Núcleo ensintado de sección eruciforr¡e- Z5
FIGUITA ?0- Núcleo eneintado tipo acorazado- ?6
b'lGURA 21. Nücleo encintado tipo asorazado de 7Aseeción srusitorme.
FlüURA eg- Núcleo encintado tipo sortado son ,17
entrehierros distribuidoe.¡'I{¡URA 23- Núcleo amorto tipo apilado son cortea Zg
a 45" y 9O".
I"IüURA tl4 - üomparación de pérdidaa en nücleoe gOanortos son cortes a 45u y gO" t:t:n unnücleo de acero al silicio co¡r r:ortesa .45" -
l'rriu}tA 25- Nüeleo encintado asorasado trifásico. gl
FIüUItA 28- I'lano y clirección de un cristal de gzaeert¡ al. silicio.
¡Írll
FIGUItA Í7 - üristal de acero aI silieio en eI gginterior de una ldr¡ina magnética-
l'IüUItA 28- Efesto del rayado mecánico en eI 96acero magnético.
FIGUI{A 29- üurva de pérdidas en eI nücleo en un 97acero eon dominioe retinadoe a 60 Hz-
.ltL\f
RUSUMEN
Las areaeiones anortas o vidri<¡s metáIicos, compuestos de
elementos tradicionarmente temomagnéticos, obtenidag a
través de un Éiroceao de enfriamiento rápido, 1;or¡
extraordinariae propiedades magnétieas €e¡rssi¿lmente
blandas, rlevó a su experimentación en un sinnü¡r¡ero de
erementos utilizados en diversos sa¡n[loa, entre slloe en
transfornadores de distribución donde au aprisación ha
significado una considerable disminución de }as pérdidae
ein carE¡a, cuyoÉr niveree de reduseión arcan¿an hasta un
?oH, comparado sor¡ e] mejor de loe aceros al eiricioactuarmente empreados- No obetante todos €ruÉr potencialee
be*+u#initrs, exigen siertos deeafios tecnológicos en IaL'.'Ltú¡eb',rN¡L¡u-ién de Los núcleos r¡agnéticoa au¡orfos para
transforr¡adores.
lNTRODI.]CCION
Ante eI creciente costo del valor de la energia y eI altt¡
nivel de pérdidas en los slstemag de dietribución, debido
entre otras rarones a ]ae pérdidae ein carga de loe
transforrnadores de distribución' eausadas ¡lor ]oe
materialeg empleados en los nüsleoe magnétieoe, sonllevó
a Ia experimentación y aplisación de las aleaciones
amorfas las cuales pueden reducir eI nivel de pérdidae
ein sarga de loe trangformadoree.
El proyecto ea ur¡ eetudio de Ia teoria de }as aleacionee
amortas y un anáIisie bibliográfico, €I cual tlene somo
obJetivo, dar a sonocer eI uao de egtas aleacionee en
transforr¡adores de distribución, debido a su creciente
desarrollo y aI nacaao sonosimiento que existe de estos
materiaL€ra en nuestro medio -
Este proyecto se ha dividido en sineo capituloe gue ae
detallan de la siguiente nan€ra:
2
EI primero Éstá oriantado a identificar sonce¡ltog báeicoe
sobre mat,eriales magnÉtisos, como: def inición,elaeiticacién y pérdidas de energia en elloe.
El segrrndo capitulo estd dedicado
definición, eomposieión y métodos
aleaciones a͡ortas.
determinar origen,
obtensión de Iae
a
de
E} tercer caFitulo esta relacionado Gon Ia estructura y
propiedades fisicas de las aleasiones amortas,
ea¡¡€eialmente propiedades magnétieas, mecánicae y
quimicas-
El cuarto capi.tulo está dedicado exslusivamente a La
aplicación de las areasiones ar¡ortas €rn transtormadoree
de distribución, en él ae desarrolran diferenteg tipos de
aleaciones usadas" problemas preeentados por laealeaciones amorfas y algunos poeiblea tipoe de nüereoe,
además de su cogto e impacto esonómico y situación actualds eetos materiales-
El quinto capitulo se refiere a Ia evolución de loe
acaro€¡ magnéticoe principalmente se muestran roe proceaoa
actuaLes que se eetan deeamolrando para la reducsión de
Ias pérdidas magnéticaa en eI acero aI eiliclo.
El Freeante estudio
3
s€ tundanentó principalmente €n
artierulne de revietas Gorr¡o Ia IEEE Traneactions on
Magnetics, IESB Transactione on ltower llelivery; además
se recurrió aL centro de investigacionee Metarürgicag de
Hadrid España y conjuntamente ae congultó en libroo sobre
ingenieria de materiales, transformadoree y documentoe
afines.
1. HATERIATES FERROMAGNETICOS
[¿e materia]ee ferromagnÉtieoe eon utilizadoe en divereos
campoE rle Ia ingenlería eléctrl-ca, entre otroe; en
equipoe que poceÉn la propiedad rfe erer converaoree de
er¡ergí:¿ tal ee eL ¡ca:e,o rle traneformadorea, motorea, y
generarlrtrea.
1.I. DEFINI{]ION
Los materiales en los eualeg aFar€ca una deneidad de
fluJo bajo La influensia de un pequeño ca¡npo magnébico Ee
conos€'n sono materiales ferromagnétLcos. AlÉunos de loe
materiales femomagnéticoe tradicionales aon hiemo,
cobalto, niguel o algunas aleaciones qu€ contienen una
mixtura de uno o máe de estog metalee.
I.2 PROCESO f,IE IMANACION EN UN MATENIAL FERROMAGNETICO
material femomagnébico tal eono una nueetra de hiemc¡
conos€ ¡ror estar compueeta d9 muchae regionee o
Un
ae
5
clominloe; Ioe cr¡alee ga:,eeer¡ una gran variedad de tanañoe-
Carfa cl6minio tLere rrn momentg magnético pre{ominante eon
una orlentacifrn aI azar rle ta} üIanera qne Ia resultante
rfe Lr¿a ürourentoe¡ eB nula y en éI materlal no apar€ee
nlnguna rfeneirl.ad rte f IuJo determinada- Sln embargo,
cuarrdo un eamrro utagnétlco o l¡na fuerza magnetlzante (H)
ee apllea a Ia mrreetra rfe hierro, Lr¡e dominioe que Poceen
r¡na orlentaelón próxima a la direeclón de rlichr¡ car¡fro
rrriglnan una peqrreña eantlrlad rle deneidad cle fluio (B) en
el materlal, cotrvr ee ap¡recLa en la regLár:- I de la Figura
1- A merlfuIa que an¡menta gr'arlualm'ente eL cartPo, los
lÍuritee o P.are¡diee rüe Lrta rlomlnir..re ae movillzan y como
errrLeeetnencia rle ello aumentan rle tanaño É. expenea€t de
rrtrrre que lr:ÉÉen orienl.aeir-xtee eontraríae a Ia del cannpo,
Ioe llmltee que reaprlrrler.r lnlclalmente ac'n aquelloe que
Tlo tlenen lml¡erfeer:tonee, eete an¡nento del tanaño del
rl¡rminio origina una uráyrrr rfeneidarl rle fluJo, región II de
Ia Figpra 1. EI an¡nentr¡ rfe Ia fuerza magnetlzante ae
mantlene haeta euarrrk: Lrse drmlnir:e glran en una eola
dlrecclón y querJan alineadoe e.or¡- La dLrer:ción de1 campo.
Err eeta r:rsrtrli..cLúr:. Ee dLr:e que eI materlal ae halla
imanarfr¡ o eaturado, eete ptoerréo ee puede apreelar
merfiante una gráfLea conocida comrr curva de imanaclón de
rrn materLal wagnétlecr
6
FIt-lf,--lHK'{
]I
FIGURA 1. Curva tiplca de un proceso de lmanaclón
1.3 CONSTRUCCION DE UNA CURVA DE IMANACION DE UN
MATERIAL FERROMAGNETICO
Esta curva se uttliza para determinar la permeabrrldad
del material (g) la cual representa la capacldad que
posee un material magnético para conduclr una gran
densidad de fluJo ante la presencla de un caml>o
magnétlco, la permeabilldad varía para los diferentesmaterlares ferromagnétlcos y está dada por ra reraclón de
la densldad de flujo y Ia fuerza magnetlzante-
(1.1)
una curva imanación se puede obtener de doe maneras
dlferentes:
Blr: H
7
Una a partir de una muestra de hierro totalmente
desmagnetizada (ver Flgura 1), o través de la unión de
las puntas de varios clclos de histéresls.
Construcción de un cielo de histéresls. Sl a un núc1eo
magnétlco como el de Ia Figura 2, se Ie apllca una fuerza
magnetizante }a cual varía aI aumentar gradualmente La
corriente clrculante por eI devanado deI núcleo; desde
cero hasta un valor f inito en el cual eI materi.al
ferromagnétieo se imane o se eature, sé obtendrá una
curva tipica de magnetización (OA), eomo se muestra en laFigura 3, si la fuerza magnetizante es gradualmente
reducida a cero, Ia trayectoria de regreso no se efectua
por la curva inicialm"nt" trazada. EI valor de B cuando H
es cero (OC), es llamada densidad de flujo resldual o
remaneneia Br.
FIGURA 2. Núcleo magnétlco
Para desmagnetizar ei materlal completamente, es
Inecesario aplicar una fuerza magnetlzante en eentldo
contrario representado por (OD), Ilamada fuerzacoercltlva. sl Ia fuerza de magnetizaci-ón Ee aumenta en
esta nueva di-recclón, eI material se saturará en
dirección opuesta a ra tnicial- (E), sl la fuerzamagnetlzante es gradualmente reduclda a cero y
posteriormente invertida e incrementada a su vaLor máxlmo
lniclal, s€ formará un razo cerrado conocldo eomo clcro o
anillo de histéresis- Er nombre de hlstéresis se debe aque eI material tiende a oponerse a la variaclón de ralnducción magnética, este ciclo también s¡e puede
representar mediante un cálculo (ver secclón 1.S.1).
FIGUM 3. Ciclo de histéresis de un materlal magnético
sl un clclo de hlstéresis se mlde por medio de una fuerzamagnetlzante arterna, el área der eiclo encerrada es
Ilanada anlllo dlnámlco,
totales en eI núcleo por
IeI cual repreeenta las pérdldaE
clclo y por unldad de volr¡nen.
L.4 CTASIFICACION DE IPS MATERIALES FERROMAGNETICOS
Por aua propledades magnétLcae y su aplicaclón log
materlales ferromagnétlcoe pueden claslflcaree en
materlalee magnétlcoe blandoe y duros.
1.4.1 Materiales magnéticos blandos o auaveg. Son
fáclImente magnetlzables y desmagnetlzablee y Ee
earacterlzan por ofrecer una mfnlma reslgtencla a que las
paredes de los domlnloe ee movlllzen y, a que ae produzca
una fácll lmanaclón del materlal, lo cual permite obtener
1ae eigulentee propledades:
Una alta permeabllldad.
Pequeña fuerza coercltlva.
Pequeñae pérdldae de hletéreels.
EetoE materl.ales nornralmente estan cor¡puestoa de una
eerle de aleaclones blnarlae tales cono hlerno-alllclo,hierro-nlquel máe conocldo como permalloy, etc.
EI prlmer tlpo de aleaclón es ugada en nrieleog de
transformadones, motores o generadores ya que poaeen una
^ t:l
10
depermeablltdad alta a baJoe ea¡npoa con altoe nlvelee
lnducclón.
Lae aleaclones de hlerro-nlquel gon ugadae en equlpog de
comunlcaelonee, los cuales requleren de una elevada
perr¡eabllldad lnLelal para ser senslblee a baJoE campoa.
L.4-Z Mdterlalee magnétlcoe duroe. Estoe materialeg Ére
magnetlzan con dlflcultad y una vez magnetlzados, pueden
eongervar Ia energia magnétlca durante clerto tlenpo,
dandole al materfal las elgulentes propledadee:
BaJa permeabÍlldad.
AIta fuerza coercitlva.
Altas pérdtdas por hleténesle.
Egtoe tlpos de materLales son ueadoe en lmanes
permanentee y en Ia construcclón de equlpoe de altavozn
estan compuestos de aleaclonee de alumlnlo-nlquel-
cobalto, o hierro-cromo-cobalto entre otrog.
1.5 PERDIDAS DE ENERGIA EN LOS MATERIALES
FERROMAGNETICOS
Son orlglnados por loe equlpos eléctrLcos que operan con
corriente alterna; Ios cuales generan f1uJos alternoe en
11
desua clrcultog magnétlcoe que
pérdldas debldas a:
orlgLnan eenle
La tendencla del materlal a conEervar Bu lmanaclón o a
oponer€re a la varlaclón de la mlgma 1o que ocaslona las
llamadaa pérdidas por hlstéregie.
Al calentamlento por efecto Joule que apanece en eImaterlal, debldo a lae comlentes lnducldae por losfluJos varlablee que circulan a travée del materlal,llamadas corrlentes de Foucault, Eddy o parásitas-
- Debfdo al comportamLento dlnámlco de lae paredes de losdonlnloe durante el proceso de LmanacÍón ros cualeg
causan unaB pérdldas llanadae anómalas.
1.5.1 Pérdlda de energfa por hlgtéresle. Eetae péndrdae
estan aeociadas al fenómeno de dlslpaclón de energfa Iacual es requerlda durante log proceÉro de magnetlzación y
desmagnetlzaclón de los materlaleg magnétl-coe.
(deeprazanlento de las paredes del dominlo y rotacrón de
los domLnloe). La cantldad de energla dlelpada durante
cada clclo se repreeenta a travée de un clclo de
hlstéreels.
cáleulo de las péndldas pon hlstéreeie. sl un nrlcleo
tzcomo el de la Ftgura 2, de cLrcunfenencia medla I en
metros y un área transversal (A en metnos cuadradog), se
devana una boblna de N vueltag, a la cual se conecta una
fuente que eEtablece una corriente(l en anp.), Ia cualproduce una fuerza magnetlzante
u=ST (L'2'
la cual eetablece un fluJo que aI varÍan en el tlem¡¡o
produce una fem lnduclda (e) repreaentada por:
como el fluJo eeta conflnado en e] núcleo y con una
dletrlbuclón unlforme obtenemoe que O = BfA,reemplazando en la fem lnduclda se obtlene:
" =-Nffidt
pl=e*1
reemplazando (L-2) v (L.4) en (1.5) obtenenos:
( 1.3)
(1.5)
e=I-^dB*E- ( 1-4)
La potencla entregada al núcleo por la fuente en un
lnstante de tLemf¡o ee:
I gl signo meno€r indica qué la fem tisnde a estableceruna corriente en dlrecclón lal que produzca un campo quege gpgnga aI cambÍo en eI fluJo que enlaza lag wueLtai dela bobina. Una wez aslgnada la póIarldad de la feminducida en er bobinado de acueido a la regla de ra manoderecha, al slgno de Ia expreelón de la feñ puede seromftldo.
13
La energfa o
tlempo dt eeta
pl=
trabaJo (W)
dado por:
dBdt
nequenldo
( 1.6)
en eate lnetante de
( 1.7)
(1.8)
dl{h= lAH:t * dt
Y Ia energía total requerida en un clclo eg:
rrlh = f elHae
?
Donde fHO ee el aréa encernada pon eI lazo y Il<A ee eI
volunen del núcleo magnétlco. Vlh nepneEenta Ia enengfa
dlslpada en forna de caror pon unldad de volunen. pero raenergfa dislpada en unldad de tlempo debldo a rahletéreele esta dada por:
h:fWr ( 1,s)
donde f es la frecuencia de la variación der cicro en
hertz- como puede notarse rae pérdrdae por hletéreele son
proporcfonalee a la freeuencia y el área encenrada pon elIazo, Ia cual depende de la deneldad del fluJo máxÍmo-
L.5.2 Pérdldae de enengla por corrr-entes paráeltas. Loe
materiales ferromagnétlcos ademáe de tenerperneabllldad, poseen tanblén Ia propledad
conductividad eléctriea pero en reducido grado;
comparan con cualquler otro material, como por
el cobre o alumlnlo.
L4
una altade la
cuando se
eJemplo:
cuando un núcreo magnético, ee halla sometido a la acción
de un fluJo varlable, B€ lnducen en éI fuerzas
electromotrlces las cuares generan en e1 núcleo unas
corrientes llamadas parásltas, de foucaurt o de Eddy como
se aprecia en la Flgura 4. Como eI materlal magnético
poaee una resÍstividad, las corlentes que fluyen dentro
del núcleo di-eipan cierta cantldad de energía, Ia cuaL se
maniflesta por un calentaniento del núcleo.
FTGURA 4. corrientes paráeltas en un lánlna magnética
15
La direcclón de estas corrlentee es ta1 que ere opone alcamblo de] flujo en el núcleo, lo cual trae como
consecuencia que la distribución deI flujo no sea
unÍforme en la sección transversal del núcleo, €B deeirque La lnducclón nagnética es mínlma en eI centro y
máxima en los extremos, este efecto ea conocldo tamblén
como efecto pel-lcu1ar o efecto pfel.
Para mlnlmizar estae pérdldas los núcleos magnétlcos, se
conetruyen de láminas fenomagnétlcas con esrpesores
aproxlmadamente entre 0.13 ¡nm y 0.5 nm. Eetas lámlnas se
apllan y ae als1an una de otra, dismlnuyendo
coneiderablemente eI efecto origlnado por estas pérdldas
como puede verse en Ia Flgura 5.
FIGURA 5- Núcleo lamlnado o apllado
Cálcu1o de lae pérdldas por corrlentee parásltas. 51
considera un elemento de volumen como una lánlna
espe€ror d, longltud I, altura h; en metrog cada uno
ge
de
tal
16
como se muestra en La Flgura E.
FIGURA 6. Lámlna para et caicuio cie corr.ie¡iües parásltas
La densldad de f LuJo m¡íxlmo Bm en ra dlrecclón que se
muestra es sinusoidal y pulsante a una frecuencia f en
ciclos por segundo. EI flujo a través del aréa llmltadapor e1 elemento diferencial dX sombreado es:
T
I
I
h
I
I
O =BmfA
A : 2:<h
O = Bm.2xh
( 1.10 )
( 1. 11)
(L - L2)
El voltaJe lnducldo por er fruJo pulsante en las rá¡rlnas
esta dado por:
(1.13)do"=E-
reemplazando las ecuaclónes (1.10), (1.11), (L.L2) en
t7
(1.13) y derlvando eeta con respeeto a t se obtlene:
hü : 2lúBmn€oewt
E(-) = ffttr,O-l
La comLente en eI diferenelal dx
eiguiente eeuaclón:
eeta dada por la
donde p es la neeletlvldad
materlal O m, Iuego laelemento dlferenclal d:< ee:
(1.14)
( 1.15 )
( 1.16)
( 1.17 )
Ia 16n1na del
dlslpada en el
donde Ix = 2h + 4x y como h))Xn Ix = 2h, ax = Id:(.
Ix : longltud del elemento diferencial.
ax : área de eecclón tranavergal que atravleea el f1uJo
de corrlente. Reemplazando estog Paránetros en la
ecuaclon (1.16) ge obtlene
r_ E-tp-
&
, _Eh'' pzb
eléctrlca de
potencla Pdx
Reemplazando
obtlene que
Pc¡: EI
(1.15), (1.17) en
la potencla dlElpada
18
(1.18)
la eeuaclón (1.18) se
en eI dlfenenclal ü< es:
Pa: ¿/ f2nm2hl¡r2&p
y Ia potencia total dlsipada (P) en la Iánlna ee:
p -{"'po ó,
lntegrando, reemplazando y evaluando, Ee obtlene:
a 2f?n-2hld3
(1.19)
(r.zol
( 1.21)
por tanto
unLdad de
P
donde hld eB lgual aI
Ias pérdÍdas debidas a
volumen son:
6p
volumen de Ia lámlna y
cornlentee parásltaE por
ri - (rrfM)2
6p(L.22',t
Como ge apreela lae pérdldas pon corrlentes ¡larágltas son
proporclonales aI cuadrado de Ia frecuencla, de ladensidad de fluJo máxlmo y del eepeaor de las lá¡rlnas e
lnvereamente proporclonal a Ia resletlvldad del materlal-
1.5.3 Pérdldas anómalas. Su origen esta asociado a una
19
dlferenela presentada entne las pérdidae medrdae y rag
calcuradae. Estae pérdÍdas se han definldo como un exeeero
de lae pérdidas por corrlentes de eddy, debldo a que en
el cálculo de estae se aaume que el materlal es homogéneo
además de que éete posee una permeabltldad conetante yque el fluJo penetra completanente dentro de Ia lánlna,
eln embargo, eetas supoalclonea no son clertas debldo aIa naturaleza del materlal y a Ia eetructura de loe
domLnloe. Las
princLpalmente a
pérdidas anóma1ae aon atrlbuldasIa exlgtencla de lae paredes de los
domlnloer y a Bu comportamlento dlnámlco dunante er clclode magnetlzaclón. La exletencla de paredee conetltuye un
75X de éstae pérdldae, €1 restante 25?6 ae debe a laorlentación, lnteracclón y tanaño de loe granoE (en
materlales crlstallnoe). Et cáIculo de éete tlpo de
pérdidas ha sldo diflcultoso, no obgtante, exlgtenaproxlmaclonee a travée de clertae ecuaclonee
matemátlcas, experlmentalmente eetas pérdldae Ee le ha
aslgnado un factor (¿),? eI eual ee ha deflnido como:
n_ orceeo de pérdid¡g apóm¡l¡s
pérdidas cládcas dooddy( 1.23)
üniversiCli Arr
s[cct0N-.=<-;¡¡:r¡
de ljcu¡,.jpnte Ierarrerecr I
lovERsHorr, K.J. The caugee of the anomalous tn amonphousmaterLale. IEEE Trans. on Magn., Vol. LT, N.6, November1981, p.2698-2670.2B0LL, R., HILZINGER, H.R. Comparasion of amonphouematerlals, ferrftes and permalloy. IEEE Trane. on Magn.
"VoI. 19, N.5, September 1983, p.1949.
AI.,.E;AÜTUNIJ:J AHUII}A$
La a¡¡arición d€ nuavoa materiales y au ¡:'osterior
aplieación an divereos ca¡npc¡ai de Ia ingenierra, ha
exigido eI conocimiento de los r¡ismos para au acsrtada
aplicaeión.
2.L ANTEüEDENTES
La necesidad de minimisar los costos de f¡árdidas de
en€'rg¡.a 6n los sistemas de distribucion, debido aI
ereciente costo deL valor de Ia misma, origino divergos
estudios que tenran couro ob"ietivo dlsminulr taleepérdidas- Un parametro importante para alsanzar sene,iante
propóeito sonsistio Bn Ia reducción de las pérdidas ain
carga d€ los transtormadorea. l.lebido a (;tue estae unidades
durante eI tiempo €n gue a€ fiallan conestadas a loe
sistemas de dietribucion, Gausan disipacionea cte en€rgia
oriÉlinadaa €n los materiales empleadoa en Ia construcción
de sus nucleos magnétieos. Por tal motlvo Ia necesidad de
innovar y de investigar €rn diferentes elases de
¿T
materiales, €ra un reto cuyo ti¡r pretendia alt:anzar una
redusción considerable de los costos caugados por dit:has
¡Érdidas.
La aparición y deearrollo de nu€voa nétodos de obtenr:ion,
brindó una nu€rva y anplia gama de rnterialee con
diterentes estructuras y propiedades; aignificativamente
supariores a los materiales tradicionalmente utilizadoe.
Especialu¡ente en .La década del sesenta y getenta, Ia
aparición de nu€voa materiales tué notoria' algunos de
ellos sóIo eran songiderados co¡no suriosidad de
]aboratorio y entre ellag las aleaciones antortas, Ias
cua-les no tueron Ia exeepción. liin embargo, Ia apari.r;ion
de propiedades terromagnétisae en las aleacionee anorfas,
acrecento au conocimiento y ¡roaterior degarrolk¡-
Esbas aleaciones han llar¡ado eI interég de grandee
€mFr€re¡aa, Ias cuales destina¡l gra¡r parte de elu
presupuesto a Ia investigación cientifica, especialmente
de compaiiras del seetor eléctrico y electró¡¡ico
fundamentalments For slu€r extraordinariag ¡;rropiedades
magnétieaa blandag, cuya€r saracterrsticag For e;iemplo
logran reducir eI nivel de ¡Érdidae de en€rgra en loe
nücleoe magnÉticos de Log transtormadores de dietribucion
hasta €n un '7Q8, com¡rarado ecln eI ¡¡ivel de pórdidae
*l*$n¡q¡dee [,lor eI mejor de loe ace¡roa el.ectricos
22
tradieional¡nente empleado .
!-3 I]Etr'INIüIUN I}E UNA AI,EACION AHO}TF'A
Las aleaciones a¡rorfas, derivan au nor¡bre de au
eetrustura interna Ia cual ae sarasterina ¡¡r:r un arreglo
aI agar de sus atomosr €e¡ decir, sus ato¡noa tto ae ordenarr
dsntro de un arreglo tridimeneional repetibivc¡ eI r:ual ea
caracterretieo de los nateriales cristali¡roa- Uonp
conaesusncia de ello los ar¡ortoa carecsn ds r¡rdsn a -largo
alcance.
.UI uao del término amorto no €rsl reciente, ds hecho los
vidrios tradicionalnente empleados l¡oeeen una estrustura
annorfar FroF sllo estas aleacioneg aon tambié¡r conosidae
eou¡o vidrios metál.icos-
iI-3 ÜItITiEN DE I,ATi ALEAÜIONHJ AMUIiFAS
Iras aleaeiones a.u¡ortas deben E u origen aI brabajo
realisado For eI cientrtico l,o1 lluwes y €ru€t
eolaboradoras, deeamollado sn eI lnsE,ituto lecnologico
¡le (lalitornia en Paeeadena e.rt eL aiir¿ rle 19g01- EIIoe
emplearcrn urra tér:ttLr:a conocida gPLA'f ü)OLING
lItASKIl,l Y IIAVIS. Hetallic glaeaes: a magneticalternative. Il;$E Fipectrun, Noviembre L96L, p.ZE
23
(entriamiento For impacto), la cual congistia €rn emplear
un caiion que a través de un gas expulsalra pequenae gotaa
de un material tundido sobre un eustrato entriadc¡ que
giraba a alta velocidad, rseultado de sllo Grra que eImaterial en estado liquido €ra entriado rápidamenüe, sor]
lo cual a€ obtenran r¡aterialss con una estructura muy
diferente de lae tradicionals¡ente conocídas (estrusturaa
sristalinaa). Sin embargo Las primeras aleaciones
obtenidas carssian de temomagnetient¡, aungu€r aiios maa
tarde Ia insistencia por Farte de l.n¡wez dentro de Iacr-easion de estados fercomagnétieoe en J.as aleasiones
amsrtas condujo ar descubrimiento de un vidrio cornpuesbo
de hiemo, tóstoro, carbono sn Ls6'/. Esta fue la primera
areación amorfa con base en hierco, la cual era egtabre a
tempe¡¿¡¡r*. a¡¡bisnte, esta alsacion ¡rostro poaeor lruenas
propiedades magnéticae blandas, aunqua era nuy tragil y
no era arler:wa¡la I.j¡E'¡r:á- aplicacionee---
En el aiirs de 197{J la compaiiia nr¡rteanericana Arrled(kttpr¿rat'Lrstt &aurrfu5 eL tetc¿ rle Eu tabrieaciÉrn, d.oe afioe
máe tarde inveetigartrsree de la miema compaiiia Ho fihou
{}hen y lronakl PrsLk, Lograror:- rsbt",ettet la patente
funrlanental erl Ia r;r¿wrroaír:Lórr rle Lrsa virlrloe metálicoe-J
I HASSÉiAblA, lt¡rueuke. Application ofnetals in UtiA and in JA['AN, s.F,i.r¡r¡$tttN y ItAVr$. üp.üir, p.tB
rapidly eolidifiedr P.I.
24
iiin embargo au€r srétodos de obtenció¡r aran aun
desventajosos, debido a tastoree tares cotrroi loeeompricados metodos de obtensién los cualeg producian
laminas inegulares y tragiles; aunado a egto eI altocosto de La areasión, eran todas egtas considerabieeraso¡lÉ!€l Etara €tu€r desventajas trents a los as€rost
tradisionales normalnente empleados- No obetante mucfio€¡
de estos tactor.og rograron a€r au¡re¡66o", hagta er punLo
gur €rn 1$aa EÉ' instaro el primer nucleo amorfo de ?tt KvA
conetrurdo Fror ra Generar $lestric üompany y acLuar¡¡ente
existen diversas comFaiiiaa con car'aci.dar.l de producir y
eomerciarisar nucleos amortog para tranatornadoreg cte
distribucién.
ii - 4 ü{l}!PugtüI0N
La compogición de ras areacioneg amortas aa diverea ya
qu€ no existe un goro eremento empleado en €n¡
compoaiciÓn, debido a que aua aplicaciones requieren de
diterentes propiedadee. La gra¡r nayorr.a de ras aleacronesamortas estan com¡ruestae de m€tarea y metaloides(eremento éster gue poe'ee caracteriaticaa de ere¡¡enEoe
r¡etáIicos y no metaiisoe), aungue, exieten aleacionea
as¡ortae compueatas por goro eren¡er¡bog metalicoe, ras
cualee requieren de nayor€€r procaaoel de preparacion.
Las diversae clases d6 aleacioneg
actualidad conocidas estan reFr€a€'ntatlag
zb
anorfag €ul la
en traa gruPo€r:
u_4-r Aleaciones
aleaeiones eonti€rnen
sobalto, niquelr oror
iJU H de metaloideg de
tostoro y carbón-
2-4-Z Aleaciones de metalee de
esta cornpueeto For elenentos
solumbio gr/o tantalio y de 3UX a
hiemo, cobalto, nrquel y cobre.
de metal-meEaloide. ltste tipo de
un '/Ob de metalee tales coüro hieryo,paladio, los cualse a€ alear¡ cor¡ url
eLeme¡¡bog tal-ee eomo boro, silicio,
transición- Este grupo
tales como :z irconio,ur¡ 6t) fr de metales como
i/-4-B Al.eacion€ra eompueataa- Este grupo esta reprea€ntadopor ¡tetales tarea soülo mangancrao, carcio y berilio de ioscuales €re pueden obtener arear:iones conpuesbaa como;
uragnee irr - zLrtrc, r: a Lr: Lo-a rr¡ninio y ber i I io-tanta I io -,!
Er primer go.rEo ea er máe empreado en eL eao,po de raeleetrár¡.iea y de la eLeci-rotécnia debido a qrre elementoetalee como hierro, niquel y rcrthaLtt'r¿ r¡or naturaleza aon
waterLaLea ferromagnéticoe, la preeencia de loemetaLr¿íd.ee err rae aleacionee contribuye a obtener bajoa
4 rt i.J. p. zg
puntoa tugio¡l, )q
tluidez Io eual
26
ye que en eete punto se tiene Ia mayor
facilita la tormaci_ón del eatado anorfo.
?. b H$fOIX)S DE OHT'ENüION
Exieten diterentes técnieas para ra obteneion cte
materiarea €'n estado anorto, lrE Eea en torr¡a de pericuraso de cintasr no obetante er empreo de cuarquier forma
depende de las diveraaa propiedadee gue a€ deaeen obtenery Én Las euales puedan a€r mejor utilisadas-
IJa las técni.cae desarrorladas tres E on comur¡ner¡te
empleadas, cada una de estas han sutrido una serie de
FroEÉ'E osr innovadores pero su procerao de obber¡ciórr
tundamental aün sl€' cona€rva- tiin embargo Ia escoge¡¡cia de
un mÉtodo depende der estado de ra estrustura degeada; ya
qu€ Fara una tase amorta no exiete un sólo tipo de
estructura- un faetor además nuy im¡rortanta €ra qu€ aun
para Ia misma tÉsnica de F'r€'paración, an au proc€r€ro de
obtención se nequiere de musho suldado y atención de 1oe
parámetros de ros métodoe ya qu€ la varíación de
L-uálqr¡igra de ellos, pueden moditicar suetar¡cialmer¡te laspropiedades de Ia aleacion.
sc.ttusstHtiEH, It., riA'IA TUHTELLI, R. A¡prphous ar¡rJnanocryatarrine arloye- tEuE'lraneactions or¡ nagneLice.Vol- Bü, N-!, March L994, p.4bb-490-
2'l
Las tÉsnicas emprean Los tres astadoe d€ la maberia
varlc¡r, riquido y eólido, paro para ra producción de
eóridoe anortos }as tasee de deposición de vapor o
riquido Eor¡ realmente im¡rortantes. iodas eetas bécr¡isas
er€) fundamentan, en evaporar un metal o rar¡¿ar un metar
riquido para rlu€, B€' prorJuzca un impacto tlorl ur¡ elemenLo
extremadanente trio con ro cuar se evita la forr¡acion de
cristale€r €rn er materiat. Las tecnicas naa uauarea gon:
2-5.1 Evaporación térmisa- fle el método máa anprianente
utirieado an Ia obtensión de pelicuras dergadas anorfas,por depssisi6tt de vapor. Esta téenica esencialmente
coneiste; en qu€ er compuesto i¡¡icial 6s va¡ro¡isrdo por
medio de calentamiento y er materiar e€r depoertad<¡ eobre
un sustrato entriado- En la práctica Ia €vaps¡¿¡si6¡t a€
desarrolra en er vasio para disminuir ra eontaminación,
un eaquema de egte método €re aFrasia en ra ligura ?. ltetesistama eonsta de ur¡a bomba de ditusion, .junbo t:on
nitrógeno liquido entrrado er cual s€ e¡rcuentra atrapado
con el fin de eriminar er va¡xr de agua y para rerluci.r elposible grado de conta¡ninación del hidrocarburt¡ -
Los materiales eLaboradog con este
¡.erluie¡*en u¡¡a preeión del orden de
cár¡ara- EI eonpuesto inicial puede
vt+Ffi8.+s$r¡re de dog ¡nanÉrraa - Una €el un
tipo de técr¡ica. -6,I(} Eom er¡ Iacalentarse partr
recipiente el sual
¿aL-DntiEnE El naterLaL purvÉri.rador que a,,bua .,oü¡., u¡¡eremento resistivo -y er cual se lleva aI pu'Eo tle tusio¡rtror medio de dos electrodos ar paso de u¡ra eLevarJaco*iente en de-ila presio' de' metal evaporado sobrepasa1a presion e¡¡istente en la carnara ,le lracLo y cubre Ic. quehay a su alrededor, este metodo es adecuatlo paracornpuestos de bajo punto de tusion (este punto representala tenperatura a ra r:*a1 un material Fasa tle u¡r eagactosolido a un estado rrquidoJ, aquelros r¡ateriales cor¡ altopunto de fusio¡r ae vaporiza¡r mediante e1 lrombar,ceo tle ur¡haz de el.ectrones a traves de u¡l sanon situarlo err l_agatr¡ara -
Rec ip ie n te
Al sistemc de vocio
I'rljulrA '/ - Esquema de un sisterna evaporacion terrn¿cafra?a La rtblerteii:,n rle ¿¡.4 pelrcrrla amr-¡rta.,
¿ELLtuT, $-lt- I'hysrcs ot anorFhcus nraterrars. NewYork:Editorral Lóngmán,I$6J, F. b",/T$hutter u obturadar. Se emplea para eviEar LaL'ontamlnacion 'nicral de 10s r¡ate*ra'es eea¡rr¡¡¿¿,¡-.
29
IaEl propósito deI rayo de electrones €'a bombardear
r¡uestra Fara saLentarla a au punto de fusién.
La tésnica de eva¡roración térmiea Ee caraeteri¿a por que
la movilidad de Ia superticie atomica aa vB disnrinuida a
Éausla del eustrato trio, originando q1ue los atouros eiÉ,
congelen ubicándo€r€ etr Fosiciones aI auar-
liin embargo esta técnica poa€e una serie de desvenbajas
que pueden afestar Ia Fureua y com¡roaicion de las
Felrculas obtenidae, entre eilag se puede sitar:
La temperatura del suetrato, Ia cual €a importante ya
q1uÉ a mayor ten¡r6r¡¿¡ura, mayor será Ia movilidad de losátomos an Ia superticie Io cual Fuede llevar a un
materiar eon muy Focos detestos, aunqu€ er au¡r¡ento de ratenperatura del sustrato puede a€rr tan alto gue eImaterial ee ¡r6rd¡¡a crisüalizar.
La rerativa eeparación y orientacion der sugbrabo co¡l
rÉsE¡EEt(] a Ia tuente r ga qu€ €tu €rvar¡€¡ra{-iót¡ €r¡ un ángulo
oblicuo produce materialea no honrcgéneoe.
La presión del gag €rn Ia cánara y las im¡,rr¡¡sr." del
recipiente que afeetan la compogisLon.
3()
La svaporación diterenciar, ya qlu€ no ae tiene co¡¡trorsobre ]a composicion obtenida de ra pelicura depoeibada.
Por medio de este r¡etodo €r€ pueden obtener pelrcurae de
É'sf;r6s¡¡¡'ss del 0rden de décimas de nioras, ras cuales €'on
producidaa a velocidades del orden de o,r haeba L up por
eegundo- Eetae velor:ldadee errrl erntie;lentee para oh¿tener
pelleulae rd.eLgadae anrsrXae para aplicaclcrnÉt¡, eoncr en eIea.eo rle loe Ex,ocearoe rle xeroxrl ¡' Ea¡r.a la obtención de
¡tellculae rleLg,arJ.rrE para materialee eemiconductoree-
2-f:.2 Pulverizar:iirn cat-.fsdlc,a ( eputtering) - En Beencia,
este #-to¡ks r:rtrteLebe Brt un l:llagma {en éete c.a:ac un gaa
que ee mantlene Lr¿ttLzartrs mediante un r:amgto), eL blanco
r;orr Ia com¡roeicidn deeeada y eL euetrato- Ét blanco debe
manteneree trio para evitar qr¡e Ee prodrrzca ra
evÉ.porar:ión- toe ionee del ga.a ae aceleran hacia raanr¡rrf icie rfel blanco y arrancan átomoe de ra miama.,
eetoe átomoe sa depoeitan eohrre el sustrato formando una
d.eLgada pericula- ta uranÉra mas fácil de obtener erprrlverizarJr¡ ae aplíc-.ando r¡n elevado vrrltaje negativcr a laeuperfii:ie qr¡e eE el blanco, y por 1o tanto atrayendo
ionee poeltivoe rler plaerra- iiin emlsargo, eL r¡toc,earo de
pulverizado erl dc ea esla¡nente tactibre para brancog
eompueetoe ¡le metalee o al urenoE compueatoa de un
r rhrl.l. p.-¡,8
material sutici€ntemente conductor Fara
pueda actuar como electrodo.
que eI
lJl
bl.anco
Utra nanera para aproximarse aI blanco es aplicantlo una
tuente de U.A" la rruáI genera un campo a alta freLruetrcr-¿l
( alrededor de 1iJ |lHU ] como se muestra e¡l la l'igura 6. A]
igual que en Ia tecnica de evaporaeion térmica se t¡ace un
vac:-o €n Ia cErmara del urder¡ de 1U-6 tor¡'- .EI gas
pulverieadorr cornurunente es u¡r gas inerte crJno e L at'gorr
eE lntrcrrlucj-rk¡ a aLta preeLi.l'n, entre t haeta 2Q mtory-I
La af¡Lir:ar:tlsrt rleL vrsLLaJe a aLt'a tter:1aefi¡ci-a riau.€a eL
r¿ettartr¿ rIeI plaema, Ioe iÉnee lneitivc,e sÉn atrairloe hacia
e L ltLo-ocrs rfilt*-r:rt e r:arta eemicir-, lo negativo y loe
eLer:Ltr;r:.ee efi eL semLcielo poeitivo-
Blonco
Plqsmo
Ststroto
Argón
Al sistcmo de vocio
FI(;IJIIII, B. EeguemaHt para
rle un eietema de pulverj-zacic:n r:at-ortlcala ,rbtención rie rrna. pelicula atrterrta-
\----,
I Il-r1rl- p. ó, g.
32
liin embargo, dado que Ia r¡oviLidad de los elestronee es
nas arta gue La de roe iones e¡¡ el plasma, más erectronesguÉ ionee E¡on atrardos har:ia eI frente de Ia superfieie
del blanso en €rua reapectivoe eemieisloa, reeultar¡do un
aur¡ento de la teneión de polarlsacior¡ negativa, Iuego de
un tiempo, Ios iones aon atraidog deede el plasma
esensialmente por la teneión de polarlzación, antee que
el. poteneial de Rt'- EI material emitido degde e} blanco
€Er entonces }levado hacia aI suetrato por loe aiguientes
semiciclos del campo a alta tresueneia.
Ll'B iguar forma cono sucede en el método de evaForación,
el materiar depoaitado €n er sustrato pueda tormar una
pelicula amorfa cuya movilidad de log átonos e€t
suficientemente baja, a cauaa de Ia baja tenr¡rerabura der
sustrato, Io cual inpide Ia crietalización. Eate mébodo
produce matsriales bastante homogéneoa y u¡r poco
gruee.re. lli
La técnisa de pulverizado, particularmente puede
enprearae para producir materiales de interss taree eono
hiemo-boro, hiemo-sarbono - Dentro de eeta técnica ae
debe tener cuidado con factores talea como:
- I'resión del gas Fulverigador.
lr3 rbi.r. r'. l(J,11.
33
tsotencia a arta trecuencia aplicada ar brar¡t¡o.
Voltaje de polarizasión del blanso o el guetrabo.
il-5-lJ Enfriamiento ráFido. Es el método más antiguo que
aB eonoc€ para producLr aLeaciones amortaa. su orige¡r Ee
debe a Iae investigaciones realizadae Fol lluwez y R.
Itlilriar¡e- Estoe investigadores deecubri€ro¡r que eiertotipo de areaciones liquidas (mixtura de oro y ¡raradio con
eilicio )
eometidas
1 '()00 - {){)(}
E€r solidifieaban rápidamenbe suando ao¡¡
un proe€so de enfriamiento rápido t:€rt:ano alaülBe.g-
a
rle
.Ein egencia er entriami.ento rapido impide que durante lasoliditicación exigta Ia tormación de crietales, esto
signitica qu€ ros átomos qu€ €r€r encuentran an eL eEbado
riquido €r¡1 forna desordenada; por medio der entriamientorápido ae "congeran" impidiendo eI ordenar¡iento de rosmisr¡os y por eoneiguiente evitando ra forrnación de la red
sristalina-
Las aleaciones aurortas obtenidas por egte método puetlen
producirse forzando Jog conpuestos de las arear:íones
deruetidae a entrar en contacto son un sustrato meLárico
de alta condustividad térnicar el sual gira a alba
velocidad-
34
Esta técnica consiste básicamente en introtlucir ra
ajeacion preparada an Lln tubo de guar:¿o el cuar Fose€ err
su parte interior un oriticio de algunas déciutas de
mirir¡etro de diametro, Éste con.junLo ele introduce €n lasespiras de un trorno de induccion, ei cuai calie¡rba La
aLeacion hasta un punto donde ra aleacio¡¡ r:¡rn¡bia tle
estado ( sóIido-lrquido, , este cambio de eetarlo or:urr€, auna temperatura agroximadar¡ente de L2luo a lduo ',u, ruego
l-a aieacion -l-rquida es expureada der conjunto por medio
de una sobrepresion de arEionr El eual produce ra salidatle trlr Llhorro r¡tüy tlelgads qu€ a1 entrar en contacto cor]rrna rueda €ir¡ movimiento, produce una cinta de Lrr¡a8
r-;r:antas mierae (ver Figura gr-1Í
l'igrrra I llsguena derapido Farar)e aLeac:Lr¿rt
un sistema dela obtensionamorta- 1"'
enlriamientode una cinta
tl G¡mNtr.U, Anto¡rronetalicos, .Espana,;!nRsrl¡r y DAVI$.
H. Nuevoe rn.sterlalea:: Eudema, 196'/ , p. 46.lJE. ui t, F'. 1¿9.
l¡oe vlril'Ioe
3b
No obetante an Ésta técnica sla presentan ciertaedif icultades sotrro ra velocidad de ra rueda de ra r:uar
dnpnnde el rslFr€¡or de Ia cinta, ademáe este método no
permltx nhüener sintas de s¡ucho €rapcrerorr ga gu6 ei ae
hinlersn rel podrr.an obtener ciertos estados crietalinog
debido a q1ue Ia transterencia de salor a traváe de Ia
cinta aa }enta y por consiguiente Ia velocidad de
entriamiento €a disminuida, Io sual no seria suficiente
para la obtencion de una estructura amorfa- Se eetina que
a€' Fuede obtener una sstructura artorfa en cintas t;ott ut¡
esp€€ror máximo de 80-l-O0 um.
A F€,aar de las aparentee complejidades del méLodo de
snfriamiento rápido, €Bta técnica tiene una nayor
difueión, debido a que permite Ia obtenciór¡ de t:intaa de
divarsog anshos y ditersnbeg €rspeeor€ra, Iae t:uales son
utilieadas en Ia sonstruceión de log nücleos magnéticos
para transtormadores-
A travée de diferentes investigacioneg Be han
desarrollado diversae eontiguraeionea, fae cuales aor¡ er¡
eeencia variacionee der método de entria¡liento rdpido,
entre elrosr EB deetaca el método de los dog cirindroe
FÉr girr-r. En eI *u¡I eL m¡tarial tundidt¡ EtEr h¡rttx sr*r++<
et.b¡-e drae dip.tue t¡ tamhurse llue gir;*r h* n¡rte¡rbr¡rne rIune *l etrt¡ r Écrmif, ela aflr€cia e¡r Ia lr.igura I()
3ti
I'igura IU .Esquema de obtencion de una cinta anrorta pormerlír¿ rteL mÉtodr¡ de los rle¡e r:ilinctrc,e_1..
iiietena de entria-rrient' rapictr: para ra obteneion de
eintae avl¡-lrf'ag rjorrtirruas. Eete eLetema eA á.pLLcarlrt trOrAllierlljignaL y e€i r:r¿y¡r¿¡¿i¡!¡¿ c:rrmo eretema rle tlujo planar,trte Lrtventar)r-t Pi.Jt tTencJ.ayan llaraeimhan eta Lg'tl¿- Eln ea:.Je
metr:dr¡ EÉ emple,a un horn¿ cle inrÍrr_,r_rir:rr. Én el rrrral eImaterial Bg: tr¡nclirja, r¡at-;. L:o.e=lrt ÉE v¿criadtr a 1r¡r sietema
rle alimentaciún clon'le sÉ r=ter:tua el r_rr:lado ctel materialersbre una rueda gr¡É gira a r¡na velaciclacl af,roximada cle gL)
-ñI
v
l.lTHuHTuN, !,eter A. ttie¡rcraingenierra. Héxico : prentice196'/, p- 223.
rle materialee par¿lHall Hispanoamericar¡a Li.A. .
I
3'/
Km¡h, la r:inta t-¡bte¡rida Fasa a un proces o tle
enrollamientor €n er cual también se etectua un proceso
de medicion de esElesor !¡ de unitormrdad de Ia u-inta (ver
l'igura 11) -
r"rGultA 11
Sistcrm clc
medidq,
Esqueura del nretotlo de'DbtÉnsion de u¡ta cinLaavr¿tta eontinua- 14
Sistcmo de
c nrollcrm icnto
funtlicion ytle sleasiorl
N¡r r.tbet-anLe ae han rlitunrlirjo otroe eequÉurag &r_t¡;:.c^ cle Ia
tundicion, trÉmñ Fr rlÉri Fr$r sh¡+É¿.r¡:+ pr1 re lltigu+*e liil H{1 lacuar se ol-rtiener r¡na r-rinta a.norta r1e aproximaclanente
{),{)?!:ru¡rt rle ee'Eegrux. y Llr cur cle anehcr- En esI.e :g¡rroeeao La-
rsbterr:Lc¿rt (te Ia r::-ttt-a amorta ee eler:t¿lo.a rle La eiguiente
márLeta:
iim¿noS, Peter., JAüI¡UE$, Didier. MetgLas transtormercore alloy: Mayor environnental benetits Ulrt'ough asigniticant reduction Ín core losses-Allied$ingal lnc. 'p.J.
Sistemq de
de mctql
q lirnentocion
lundido
Horno de
Fundic ión
36
Lng s¡etsriales sorr introducidos €t¡ u¡r horno de
inducción en el cual loe materiaLea sin retl¡rar son
tu¡r*lidurs s ertas Lemperaturas. una ves er nateriar eÉ
tundid'¡ este Ée pasatfi: a un sistema de Fie:ra ¡u¡rdiria en
el eual És e::puleatlu del sister¡a a traves de urla
sobrepresión de un erernento no reactivo y ae purverrza
desde er inyector sobre una banda nleLáLica rJe cobre, l-a
euar tiene acoplada una r:án¡ara de entriamie¡rLo !¡ue
r¡antiene ra temperatura de La cr¡¡ta, üert:ana a l-a
temperatura ambiente. .Esta banda gira a gran velocirlarl(apro.x 9U Kn,r¡, üon la cinta de alea(jió¡r anror-La, la cualposteriormente ¡rasa a un proceso de enrolladr-¡.
Cinto de cleocidn omorld
Sistemq de piczof undido
Bondo metá¡¡cí de cob¡c Cámo¡o de enfriomicnto
t¡ r.g"ura lii ltsquena de un proceso de obbencion dec Lr¡t-a lrrlotXa c;sn¿ in¿¿ - i;l
15sMlTH, wiJ.liarn l'- !'undamentoe de ra ciencia eningenierra de materiares, Espana:HcG¡'aw Hirr,p. '/og.
tlorn o
UI¡A
3 ESTRUCTUf¿A Y PHOPIEDADES DE LA$ ALEAOIONES A}'ORIAÉ;
Conocer Ia estructura y laa propiedades de un material €tn
general, permite identificar au comportamiento y de igual
torna determinar aus posiblee aplicacion€g.
3.1 E$TRUCTURA
Los materialeg ae caracterizan por poaeer una estructura
en Ia cual existen dLversae configuracionea dependiendo
de lae dieposiciones de los átomoe en eI interior del
material.
Gran parte de lae eetructurae conosidae en Ia actualidad
(sólidos crietalinoe) han sido determinadas a travée de
Iae tácnicas de ditracción de eepectros de rayoa x, Ia
sual- Fara au aplicación aa tunda¡¡enta en la exiete¡¡cia
de orden a largo alcance en e-[ maberial.
En un sólido amorto, B€ han identificado siertos orrlenee
de ctrrttl alsanee (arueglo caracteriaco donde los dtomoe
Uniycnidrl Artlnomr rte CccidentasEcct0il tt¡Lt0t rcA
40
El€ r€atrin€€n Eolam€nte a atomog circur¡vecinoa), rro
obstante debido a au deeorden atómico, rlo ae conocen
ordenes de largo alcance, siendo esta una limiLante para
no podar aplicar Ia técnica de ditraccior¡ de rayoa J(, y
por ende aea eeta una técnica no nuy intornativa partr url
conocimiento acertado de la dietribueión de los átomoa €tr
eI material, V Ia rason Frineipal para que aún ae
degconoscan y no a€r comprendan muchoe de etua FrocesoÉt y
de sue proFiedades.l
3.2 FROPIEDAI}ES MAGN¡ilIÜAS DE I,ATi ALI:ACIONES AHORIiAS
l,as propiedades magnéticas de un material representan Ia
interacción de Ia estructura y la microeetrustura atómica
ante Ia intluencia de un campo magnétit:o- Desde ésbe
punto de vieta las aleaciones annortae ae carar:teriaan por
presentar temomagnetisno y por poaeer extraordinarias
propiedades magnéticaa especialmente blandas o eluav€s,
caracterietico de ello ea que estae aleaciones requieren
de m€rnor cantidad de ener6¡ra para imanar eI maEerial en
forma inversa Io cual representa lt€'norÉre pérdidas
magnétisas, los amorfos además a€ saracteri¿an por
presentar una alta permeabilidad y buenos niveles de
inducsión para Io eual reguieren una nenor potencia de
excitación qua los materiales tradicionaleE, estae
lcHnNou. QD.üir. p.g0,49,b0,bl.
4L
saraeterreticas E¡ermiten a loa materiales ar¡ortoe tler
candidatos idóneoa aI reemplazo de un ginnümero de
materiaLes utilizados hasta ahora en eguil¡oa eléctricos o
an eomponentee electrónicos. No obstante, su€r excelentee
propiedadee nagnéticas dependen de muEhog fastores talee
so¡no Ia composición de las aleacionee y de los
tratamientos térmicoe aplicados.
lJ-2-1 Comportaqiento de un material magnétiso blando
ante Ia intluencia de un can¡Fo magnético- 'Iutlo material
magnético blando ae earacEerisa por Eloseer un campo
coersitivo bajo eI eual determir¡a la difisulbatl tlue
presenta eI material para a€r imanado. Sn cuaLquier
material eristalino o amorto eI proc€ao de imanación
implica dos tenómenos; eI movimiento de las parnedes del
dominio y Ia rotaeión del dominio ante Ia graaencia de t¡rt
rampo magnético.
EI proc€ao de desplazamiento de }as paredes del dominio
esta asociado son el tipo de detectoe (dislocaciones,
vacancias, fronterae de Élranos) y estueruoa exigtentes en
los materiales, ya gu€ estoe aetúan qono barrera que
impiden el tácil movimiento de Las paredee del doni¡rio.
La resisteneia a que eI dominio gire está aeociada sor¡ Ia
anisotropia magnétiea presente en los r¡aterialee
42
magnéticos, Ia cual a €ru vez depende de otrae ansitropias
tales cono; Ia magnetocrietali¡ra, Ia intlucida y Ia
nagnetoeláet,ioa, pr€rcentee en los maberiales det¡irio a losprocesos de obtensión, estructura y tratamie¡rtoe térnicoe
aplicados.
üon e} fin de obtaner bajos niveles tle coersitividad elmaterial debe floseer una eetrustura homogénea (carente de
defectos) y a€r magnéticamente ieotrópico€r, es decir
Írcteeel" lae miemae proplerlarlee en tadae lae rlireeel-ónee-J
3 -2 -',¿ l)araeterieticae magnétieae blandae de laeaLeaeLor¡ge anortae- Loe materialee ar¡ortoa ae
r:aractetLzan rrJr preeentar un mayor grado de hrerrogeneidad
y E,rae,et baja anieotropia en comparación con loe
materlalee r:rietalino€r; como coneecuencia de ellor el€r
reguieren vrenaree valoree de eÍretgLa, para imanar elm¿terial -
EI grado de homogeneidad de }os amorfos Ér€' debe a qu€ son
earentee de def ectoe cristalinoa. Los amortos €re
sarecterigan PCIT carecer de anigotrop].as
magnetocrietalinaa, de Ia cual depende la energia
necesaria Bn }os materiares cristalinoe Fara rotar losdominios É'n las direcciones gue B€r encuentran; hacia ra
3goLL. Y HIL¿fNGEH- os.{-lit, p.19416.
43
dirección del c€r¡ngo aplicado, Ia aueencia de egte tipo de
anisotropia €a resultado dp Eu desorden atómict¡ y de
componentes tales eono eI boro qu€ ayudan a amorfizar la
aleación, sin embargor elü baja anisotroFia ei€r debe a los
efectos de otras anisotropias cotrro La inducida Ia cual eE
introdueida €rn los proce€roa de recocidos y Ia
magnetoelástica -
La anisotropia magnetoelástica esta aaociada r:or¡ eI
etesto de magnetoatrisción y los estuerzos internoe o
externoe producidoa €r¡ eI material.
En los materiales magnéticoe ocuma ur¡ alarganienLo o
contraceión del material suando este €€t imanado, eate
tenómeno €'a llamado magnetostricciór¡, el sual ea ur¡a de
las fuenteg para eL ruido en los tranaformadores y para
Ias pérdidas magnétisas.
Los a¡tortos sla carectizan por un albo valor de
magnetoetricción, resultado de eIIo €a qu€ estos
materiales aon muy sensíbles a estuerzos y For ende que
€¡ua pÉrdidaa magnéticae aunenten- tii¡r embargo a pesar de
€ru relativamente alto valor de tn¿rgnebostrict:ió¡¡ los
trangtormadores sonstrujrdos con nüsleog amorfog esban
dentro de Los limites adnisibles de ruido exigidos por
las norr¡as.
44
For erlo ra presencia de esta serie de anisotropilaa o talv€'s -[a existencia de ¡rosibree defestos e¡t¡r¡ las causaa de
au relativa diticultad para inanar eL maberial. Nt¡
obetante ra €nergia requerida para igtanar er materiar aÉ'
de rianor valor {lue ra requerida por los r¡ateriareemagnétisos crietalinos sonosidos -
A continuacion sa describen algun-aa caracterieticaamagnéticas de las aleaeiones anorfae utilizadae e¡I
transtormadores de dietril¡ució¡r.
3 - il - il - 1 lnducción magnética de }as areasionee a¡r¡orf as.
HI nivel de inducción magnética preaente er¡ loe
r¡ateriales anortos compueetos de hiemo-boro, con un
segundo com¡ronenta cosro siricio o sarbono, presentan ur¡
nive] de saturación bajo aproximadamente 1,6 'regras, er¡
conparación cor¡ una areació¡r cristarina de a(}ero arsiricio que a€r gatura a 2 Tesras- Estudius ar respecto
concruyen qu€ E'on varias rag cauEaa para au n€nor uivelde inducción, eiendo ]a principal ragon er atlro conber¡ido
de metaloides €'r¡ Ia aleaeión, ya qu€ Ia mayor
eo¡xcantración de átomos no magnétiL-oa Grn los vidriosmetálieos disminuye el. etecto femomagnético de Loe
Ét.,rsmc¿ e magnét lc.re . .l'
SIiASKIN Y DAVIS.OD.Cit, p.30
45
lJ-3-2-iit I'ermeabilidad magnética de las aleacionee
annortae- La perneabilidad repreeenta ulla de lae
caracterrsticae máe importantes dentro del
temomagnetismo ya gu€ un material q¡u€ poa€'€ alta
permeabilidad pu€de sonducir una Éfran deneidad de tlujo
ante 1a preaencia de un campo magnético-
Loe anortos presenban una elevada permeabilidad, musho
¡ráe alta qu€ Ia ofrecida por aua contrapartes
cristalinasr ya que an los vidrios metáIit¡oe Ia reLación
de BIH es alta, co¡no reeultado de au baja Lntensidad para
imanar eI material.
3-2-2.3 üampo coersitivo de lag aJeacionee autorfas.
Llebido a qu€ Ia fuersa coercitiva de los maLeriales
repreeenta Ia tacilidad del material a magnetizarae, los
nateriales ar¡ortos por aer qarentas ds defectoe
erigtalinoe y por IloEe€rr una baja anisotropia responden
fácilmente a La fuersa de campo magnébieo y por Io tanto
disminuyendo Ia cantidad de energla requerida Fara imanar
eL material.
En Ia tabla 1 se reau¡nen egtas caracterretisag mediante
las medicioneg de algunoe parámetros magnétir:oa
realigados Fara dos aleaciones amortas y ur¡ s¡aterialcristalino.
4ts
TABLA 1, !'arámetroe magnétisog de doe aleaciones amortaecomparadae con un acero aI eilicio.
},AITAHETIlOS ALEACIONT;Ii
2605 SL: 2605 $-? tr'etii 3%
lnducción máxima (T) 1,61 L'b6 2
Induesion remanente (T) I,42 1'4O 1'3
Uampo coersitivo (A,/H) 3 l,bg 6'3'/
Hagnetoetricción (pfü¡) 3(} 2'l 2l
Z6t)ri ${;, '¿6ü"ú i3-'¿ ¡ ¿}¿¿eloneÉ ámortÉe. d *F'e lil :JH : naterial crletalino.
3.;3 HE(}}]IU] EN PRESENCIA DE fJN CAHPü !{AüNETT(})
AI lgual que k:e métodr¡e ueadr¡e Para uejorar lae
I¿toPLeclarlee mecánicae rle k¡a materiaLee, exieten ta¡rbián
¡¡Qlrsr-j¿rsa :É'álra optlmizar lae proPie{adee magnéticaa- Et
ter:rtc-i.do eE un trata.rriento calorifico en PreEeneia de un
r;amrx¡ magnético- Un efer:to de este ProcBEo Ea aprecia eln
la Flgura Llf, g.rr la c¿al un material terromagnético
mcrdifiea au ciclo de hietÉreeie, Iuego de lm Froeeito de
ter:rse.Lrlo en ¡;'reeencia de un ÉamPo magnetico-
{¡lAt¡tgsrNgH, David H., Llt;BFiItHANN, H0}{AHI} H. Iransformerapplications of anorphous alloys in Power dietributlon"iát"r- IEHE fransaclion on Power llelivery, VoI 2, N'3'grly 198? ' p.84'/ .*HUItAltAl{}, A I UIHOS. An amorphoue magnetostrlctivedelay-Iine cordlese digitiser. IEI;E Trane. on Hagn' VoI25, N-ll, May 1989, p. 2740.
47
coc¡do
F1GUITA 13 Uielo de histéresi.s de un material mag;néticolaminado en trro luego de un tratamiento derecocido.6
Recocido de fas aleaciones anortas- l¡'ebido a (lue los
vidriog metáIicos tÍenen bajas energras anisotrópicas
cor¡paradas con las aleaeioneg cristali¡tas, el recocido de
e1l-as en presencia de un campo magnético, cuya magnrtud
debe asegurar l-a saturación del materiaL a una
tempretatura r:rtmpten'dLrla ertt-re :34$-4L0 i{-: pueden rtrejrtrar
or¡s prrtpier)ar)ea r'vrg:lletír;a.e- La preaenr:ia rleL cam¡;'o ea
utilizada p.a'?a alinear los dominir:e k¡ cual induee una
a¡rLer¿l'rc¿:rLa uniaxial'/ a Lo Largo cle la einta- Por rnectio
rle eete trataniento se alc,lan:¿a r¡na alta remantsneia y alta
¡re-tmeabLlirlarJ, Lr¿ cual t-tae cr:mo reeulta.clo un
ti f,rAHlANU, v.v-, LUtcENlt:ALr, c., uoLLlNriti, H.w.anrd Úleta-1,-!,urg¡r- Haw York:Acacle¡nic .L'regs" 1969,707-7|u8.7¡¡ATH¿gt¡¡Cg Y LIEBEI{MANN - o9. rjit, p.844.
MagnetrsmVoI 2, E'.
48
mejoramiento en lag sarasteri-etieas del material.
EI recosido magnético además de mejorar las Fropiedadee
magnÉticas eimultáneamente elimina estuersoe introducidoe
Ér¡ los FroceeioE de obtensión de los vidrioe metállsog,
asl miemo como los eetuersoe producidoa an eI ¡rroc€ao de
conformación de loe nucleos r¡agnétieoe- liin embargo
durante ÉI Frose€ro de recocido, Ia temperabura de eete
debe sontrolarge ya gue si €s muy elevada puede
cristalisar Ia aleación
magnéticas.
y moditisar aus propiedadee
Un aspecto desventajoeo del proceto de recocido de IaE
aleasiones amortas €s qu€ este tiene un €fecto advereo
sobre La aleaciónr ya rtus Ia fragiliza aün más y por
consiguiente su manipulación ee ditieil-
3.4 PEHDII}AS DE ENERGIA DE I,A$ ALEAÜIONES AMORfIIS
l,ag pérdidae de en€rgia €n }oe vidrios matdlicoe ea
minima comparada con lae alear:ionea cristalinac,
fundar¡entalmente por €ru estructura, pCIr }os componenbee
utilisados y 1oe tratamientoa térmicoe aplisados-
üonvencionair¡ente lae párdidas a€
dtrn HHHI¡E¡rlE¡rtes; las pérdidas
dividido dentro de
histéreais y las
har¡
Fror
49
pérdidas por comientee parásitas o de eddy. liin embargo,
eI tenÉmeno de pÉrdidae en Jos materiales rngnéticos no
sóIo son atriburdag a estae dog eaugas sino ademáe a otra
EomFonÉnte conocida como pérdidas a¡rónalas; Iae cualee a€,
deben a eixe€reos de Las comienteg de eddy-
Investigacionee degamolladas sobre lag pérdidae
tn¿rgnÉticaa en Lae aleaciones amortae, etectuadas en
¡nuestrae de hiemo-boro-silieio una v€E ha¡¡ sido
recocidae, consideran gu€ un 25 B de las párdidas totalee
a 6{) Ha eotr.eap¡r)nden a ¡rérdldae pctt hletéreetel y el
reetante a ¡:xgrdirlae de eorrientee de eddy cláeleae máe
anómalae. iiln emtsargrs, otroe eetudloe al reepecto
r:oncluyen qrre la prlnclpal eauera de las ¡rérdidae
magnétieae eon É¡(ceEo€r de er¡rriente de eddy o anóma1ae,
rir.rya€r ¡Érdldae pueclen aet haeta de1 g{)# de lae ¡Érdidaetotalea en ta,rleoe de frecueneia de Z0 a 1OOO Hz-I
3-4- 1 Pérdidae de energi-a Í,or hi-etéreeie en laealeaelr¿nee axrtttae. tae pÉrdldae rfe hletéreele en eetoe
materiales han sidr: atrihn¡idae a eefr¡ergrra raeidualee otal vez a defectos preaentee Bn Ia eetrrrctr¡ra- tiin
eml)a:rgo aete tlpo de pérdidaa en loe amorfoe ee redueido,
riebido aI grado de homcrgeneidad de gu eetn¡ctr¡ra Io eualll.utvt¡luS'füN, J-D-, H()ltlilS, ll.G- Sem etudiee of magneticdomaine on amorphoue ribbone. IEE¡: Trane. on Hagn., VoI.17,N.6, Novenber 1981, p.?598.govgnsnor?, K-J. uD. üir, p.z69g-t?oo.
50
F€rmite a los a¡nortos poseer bajos valores de coercitivoscon buenos niveles de induccion- Una comparacion de las
perdidas por histeresis se muestran en Ia l'igura 14 donde
sle muestran las porciones auperiores de dos ciclos de
histeresis, uno de elLos comesponde a un vidrio metalico
y eI otro a un acero aL silicio tipo M-4-
Compo mognático (A/m)
8 t6 21 32 10 18 56 64 72
í¡ 7I,
- ¿{¡¿qsij¡qmorfo de30 ¡¡m
--- Acero gronooricntqdo M-40128 mm
I¡
III
II
III
(9-tl¡
c
"9r,r,aE
16
11.
12
r0
I
5
I
z
00,t 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 OJ 0B 0B
Compo mqgnético ( Oc)
l'IGUiul 14 - Porción superior de los cicios de histéresiede una aieacion amorta y un acero al eiliciot,Lt¡c.t t't-4 - lil
:3-4-'2, Pérrlidae rle er:rergr.a por r:¡:rrientee paráeitae Bn
Iae aLeac-i.r¿rtee ariorta€ - Eetae perrJirlae etepet]rrtea de IarleneLrJ.arJ. rle tlujo em1gLeada, rle Ia reeietivíclacl deL
máterLaL, cfeL espeeor rje las lá¡ninae y de la eticacia del
aielariiento entre l*minae de loe nucleos- Eetae pérdidae
0,1
tsHAs$GewA. uF. L:it, p, 1 .
51
€'n las aleaciones amortas eon apllcación €rn componentee
eléctricoc aon rcducidas debido a lae siguientee causas:
Por €ru mayor contenido de silicio }as aleaciones amorfae
presentan un resietividad treg v€rce€r superior qu€ IoE
ac€lros eláctricoa normalmente usados (ver 'fabla 2).
tsor auE métodos de obteneión estae aleaciones I¡ogeen
e€rF€Eor€'a reducidos (20-50 Um) y For consiguiente laspérdidas de eddy son disminuidae (ver Tabla 2).
TABLA 2. Resietividad y enpecores de divereaE aleacioneeamortas comparadaa con una lÉimina de acero aIsilicio -
ALEAÜTON }TESTSTI VIDAD DEL HATE}TIAL ESPESOR
tur¡l
0,0:18
O' ?3
¡p[!-r:mJ
Hetglae 26{)5
tíe-t g].ae 260!i
Fe Si iJH,
¡i(-:
ii-¿
L?b
L:t7
4ts
Her,gLaa: VlrJrlo r¡etáIler:- ll lE lii
:1.4.3 Pérrlirlae antúwaLaa en lae aLeacLonea amcrrtae. Éiegün
r¡n eeturlLrt teaLLzartrt p,or ürerehott encontró gue el exceeo
tl¡lA'mesrNGH y LTEtsEHI1ANN. op.ür-r, p.r¡HUITAKAKI . flp . Ci r , P. '¿7 40 .r3Deeprendible de boletin Metglae 2605
847.
TCA A}liedSignal.
52
de perdidas anómalas es reeponsabre aproximada¡nente en un
9üE de lae pÉrdidas totales- Hientras qu€r estas miemas en
ac€'ro al silicio pueden soru€sponder a un 5Og de laspérdidas totalee-
La principal cauaa de lae pérdidae anómalaa For €rxccraoa
de Las coruientes de eddy en cintas aqorfas ea eI
movimiento de las Faredes de} dominio €1 cual no ea
unlforme, ni eenoeoidal, ni repititivo-lil
3-5 EFECT{]s DE T,A TEMPERATURA tsN T$.9 MATHRIATES
FE}T}I(]HA{;NETI{ruS
Cuando Bn un material femomagnético 6e presenta un
aumento de la temperatura la enÉrÉria térmica aiiadida
reduce la permeabilldad magnética y facilita a loedominios orientarse areatorianente. üomo conaecuencia ra
magnetla&r:L(sn, la remaneacia y e-L c'ariEa eoercitivolS Ee
ven notablemente ater:t-adoe ante la aer¿í6n- de altae¿66geratr¡rae. Pr-rr eLLrt exlete una teurperatura o punto en
eI cual un m¿terial ferromagnético pierde EuE propiedadee
rl.agrréLLr:ae llanado punta curie.Punto curie ¡le rae aleaciones amorfae- El punto eurie
de lae areacionee a.nortae mueetran valoree inferioree quet
lcuvunsttoor. uE. L¡L.!, p. z'taa.TFASKEI"ANL¡, Donald- Ciáneia en ingenieria deHéxico: Grupo EditoriaL lberoanérica, l$gg,
materiales.D- 443,444.
53
lae ccrrreapondientes aleaciones crigtalinasl, como Ee
aprecian an la Tabla 3- No obstante estog valoreg
de¡renden de Ia egtructura atómisa agi miemo cono de Ia
composisión- tspecialer¡ente €n los materiales sristalinos
risos €'n hiemo con un alto contenido de silicio, Ia
preeeneia de éste tiene un r¡arcado efecto sobre Ia
temperatura surie del hiemo.
TAtsl,A 3- Funto curie (Tc) y temperatura de crietalizacióntTx) de dos aleacionee anorfaa y un acero aIsiLicio. [ 1?, 13]
ALEAÜIONEIi
Hetglas 26Ob
Metglas ?805
l'€ Si 3g
SÜ
s-2
fc [ "ü]
370
,4115
?40
Tx [ "C]
4SO
550
t'ara un material femomagnético €a destavorable r ¡roaeer
un bajo punto curie, Vá que s€ ha demostrado e¡l loe
materiales sristalinos qu€ para reali¡:ar u¡¡ adecuado
proceao de resocido, €l sampo debera aplicarse a una
ternperatura inferior de] punto curier pero no interlor a
Ioe 4OO "ü donde no tendria eteeto (Ver Graham). No
obstante an }os vidrios metáIicos tl€' haeen reeocidoe a
bemperaturas aproximadamente entre 310 - 410 uü.
54
3. 6 f'}TOPIEDADES HECANICAS
lion coneideradag una de Iae mejores proFiedadee que
Eloel€'en las aleasiones anorfaa, ya que estas aleaeionee
presentan valores de ruFtura bastante elevado, alta
duresa y alta ductilidad, sin embargo ae coneideran (lue
no han sido totalmente explotadas aua propiedadee
mecánicas, Ios elenentos más ugadog para setae
propiedades eon eI sirconio, titanio,boro, toatóro.
Su elevada resistensia €rn parte a€ debe a au estructura
deesrdenada, La cual reduee Ia movilidad de }os defectoe
Lineal-ee (dislocaciones). GeneraLmente en los materialee
cristalinos una de las car¡aaa para qus se detorme un
matsrial €rE La existencia de una gran deneidad de
im¡rertecciones (disJ.ocaciones), Ias cuales a€ adquieren a
medida que el materia] s€ aoLiditica.
Log anortoe aon nor¡r¡armente empreados en erementoe
tuertes y resistentes a J-a comoeión, por ejemglo; en Iaeetructura de cornponentee de g¡uias de hilos do máquinae
tejedoras, Iae suales s€ encuentran sometidag a grandes
eetuerzos, de iguar manera eio¡l empleadas sn erementos de
carter €rt Japón ae emplean varillas de metal amorfo para
lretel zrar loe paloe cte goLf y lae eaiiae de p"""."-li
ttiHRSSGAt'lA. ()E¡-Llir, p.b.
55
Aunque estae propiedadee dependen de factores im¡rortantea
como Ia intluancia de ]a com¡rosición ya q1ue
caracteriticae tales como; eI módulo de young (E), la
dure¿a de} material, y la registancia de ruptura linal
aumentan eon eI contenido de metaloides espacialmente en
Ioe vidrios metálicos son alto conbenido de hiemo y
eobalto - 1?
3.6-l Limite elástieo. EI limite elágtico representa Iamár:ima capacídad q1u€ aoporta un material aI auprimir una
carga sin qu€ exista detormación al.guna del material.
Este Iimite €n las aleacionse anortas puede aleanzar
valoreE comprendidos entre }os 4,5 haeta IoE 11
gigapascales.
Los vidrioe metáIicoe con€rarvan su elasticidad cuando Eon
forgados haeta au tension de ruptura y cuando a€r doblan
sobre pequeiioe radioe.
3-6.2 lluresa- La dureza €a una medida de Ia resistencia
de Lrn material a Ia detorr¡ación, Ia cual a€ guede
determinar mediante una prueba que mide Ia resiat€ncia de
Erenetración eobre Ia su¡lerficie del r¡aterial.
i?.ul,l,tt-lt. flp.üit, p- gb8.
b6
La dureza de los vldrios netáIicos égta asocLado tanbien
con Ia extrema tragilidad del material debido aI altocontenido de silicio, asi nismo cor¡ eI ritmo de
entriamiento de la aleación. Los amortoe prasentan un
nivel. de duresa cinco vclcea superior aI de Ioa materiales
erietal.i¡losrr consrrcuencia de ello ea au dificultad Fara
cortarloa, estos valores se pueden comprobar en la Tabla
4.
TAtsI"A 4. VaLoree de dureza de una aleaeión amorta y unacero aI eilicio usadoe en trangtornadores.1 13, 131
ALEAL:IONES
Hetglas 26Ub TüA
tre tii 3?"
IITJHEZA SN VIL:KERS tHV]
860*
1'/3r*
,f, üarga de 5O gr- t:*Carga de 1Kg.
iJ-ts-3 l,luetilidad. .Ee Ia capaeidad de un material de eer
dxtnrm¡dn ¡¡Er¡nanentemente sin qlre ocurra ruptura cuando
sre' Ie apliea una tuersa. Los vidrios met¡ilicos E e
sonsideran que aon bastante ductiles, antes de aer
recocidos, ya q1ua soportan deforr¡aciones en los nücleos
ensintados y otrae operaciones de manipulación- No
obstante luego deI proceso de recocido au ductilidaddisminuye.
5'/
IJ.7 I'ITTJPIEDADEIJ QIJIMICAS
üarroeión - La corroeién qua presenta un naterial €ra un
ataque quimico gradual aI material r pop €ru medio
ambienter 9u€ da por regurtado Ia sonversión del materiar€'n oxido, sa1 u otro conpuesto. toe materialeg que
preeentan somosión pierden resietencia, ductilidad y
atras propiedades-
{.liertas aleacionee antortae preaentan una mayor
resietencia a Ia eorrosión que los materiales
crietaLinoe r debido a Ia ausencia de tronteras de granoa.
En los materiales cristalinos ae presentan diversos tipoede corroeión entre ellos; la comosión intergranular, Ia
cuar €'el un deterioro de la sona adyacente de roe limiteede €ranoa, est€ fenomeno ocume €n algunos aceroa
inoxidables donde axiete ra precipitación de carburo de
cromo eobre los limites der grano, em¡robreciendo argunae
regionee donde er niwer der cromo deaciende, somo €r€
aprecia en Ia f'igura 15.
58
¡'IGUIü 15. Etectoe de la comosionr:rietalino - 1ü
en un material
Corburo dc cromo
res$I't'H- e¡¡.uir, 9-772.
4- ALSACTONES AHOITFAS SN TF¿ANShST$'ATruNES DE DISTRIBUCION
La craciente expectativa por lae aleasioneg anorfas ae ve
motivada por au sonsiderable ahomo de energia,
ee¡:rsci¡¡r¡ente €rn transtormadores de distribución, donde
Iae párdidas €rn eI nücleo a€ reducen hasta €rn un 7016.
Antes de conocer aapectoe sobre au aFllcación, es de suma
importancia considerar algunos conceptoa báeicos acarca
de }oe trangformadoreg.
4 - 1 üÜNüE}ITOS BASICOS DE UN TRANSFf,IRMAIPR
¡l-1.1 Definición y estructura
transtormador €rs un elemento
Energlia elÉctrica do un circuito
diferenteg valores de voltaie
frecuencia ps¡ medio de inducción
de un traneformador- Un
que ¡¡ermite transf erlra otro generalnente con
o comiente, a igual
electronagnética -
Un transformador en forma
nÉÉnÉtienr ctrnstituido de
te*nou*gnÉtico lag cuales
general consigte Bn un nücleo
Láminas o eintae de material
as hallan revsstidas de capae
UniversiCad lut6noma d! ( :sidentrSECC|0N 6tBLlo ¡ICA
tso
aislantes con eI tin de evitar e] contacto eléctrico
entre ellas evitando Ia f ormación de comienteÉl
parásitas- ljobre Ia estructura del nucJ.eo s'€' devanan Ias
bobinas las cuales se encuentran tijas dentro del mismo.
Uno de los bsbinados aB eonecta a La tuente de suministro
por Lo cual s€) 1lama devanado primarior y eI otro
bobinado ]Iamado devanado secundario se conecta Ia carga-
4-1-2 Fenómeno de inducción electror¡agnética- AI aplicar
una tem Ia cuaL varia en eI tiempo aL devanado primario
de un transtormador con eL devanado seeundario abierto,
a€' estabLece €n eI devanado primario una pequei{a
sorriente la cuaL var.r.a sinusoidaLmente, pueato q.ue este
devanado envt¡elve eI nücleo, su rü¡m Froduse en er nucreo
un fLujo eI cual varia sinusoidalmente con eI tiempo, y
er cuar ar r¡isr¡o tiempo induce una tem en er devanado
pri.nario y an eI devanado secundario- (ver I'igura lti)
I.'IüUHA 16. Principio de induccionEranslormactor -
en un
61
4.1-g Transformadores de distribución. Un transformador
de distribuciónr BE aquel eler¡ento qlue tiene como
finalidad suminietrar €rn€rg¡.a a residenciaa, comereio y
pequeiiae industrias.
En nuestro medio sn encuentran conestados a un nivel de
tensión da 13r? KV, pueden instalarse a Ia interperie en
¡roste o en H o an interioreg. La gran mayoria de elloo
son refrigerados [¡or aceite ya quÉ este elemento preaenta
meJores earacteristisas térmLcas sorno eléstricas gue Ioe
tranfornadores de tipo elaco los suales aon refrigeradoe
por circulación de airer ar¡nqu€r la aplicación de eetoE
ü]timoe debe de efectuarse €n lugareg donde ae deeeen
minimizar los rieegos de incendio o explogLón.
Los transtormadoree s€ refrigeran con el fln de prevenir
exs€raoa de aumento de temperatura y con ello evitar daños
en ]os aiela¡rientos de los conductoreei, debido aIcalenta¡r¡iento producido flor las pérdidae de €nergia en eI
traneformador que oe dioipan en torma de calor.
4-1-4 Férdidae de energia en los transformadoree. Las
pérdidas en }os traneformadores €r€) deben a las ¡Érdidaeen eL cobrer elrr el nücleo y en material dieléctriso.
,4 = 1= 4, I FÉrÉld¡e en eI sobre - lSon conocidas corno pérdidas
de
62
earge ya qu€ fluctüan con Ia carga y fundamentalmente
deben a las siguientee sau€ras. :
IElt debida a las eorrientes de carga.
l"R debida a Ia comiente de imanaeión-
Pérdidas debidaa a corrientes parásitas en loe
conductorea y €n Ia estructura del transformador eausadae
por los flujos de dispersión.
4-1-4-il t'érdidas en el nüelao- Tar¡bién aon conocidas como
pérdidae ein sarga. Sistas pérdidaa aon conetantea
mient,ras el transformador ae encusntra conectado a la red
de an€pgra, y a€ preaentan debido, a] fenóneno de
histéresia, corrientes paráaitas, y anómalas €rn eI
material magnético. (ver secsión 1-5).
4 - 1 - 4 - iJ FÉrdidas €n el matsrial die]éctrico. Fara
transtormadorea de bajas tensionee estas ¡Érdidae Ee
coneideran despreeiabes.
4_2 ALEAC1ONES AMOHTN$ $U APLICACION EN
TTTANüFüITMAIXJRES DE DISTRIB{JCION
La aplicaeión de loe vidrioe metáIieos en transformadorea
de distribución conensó en 1982 con la instalaeión de un
transiormador tipo padmound de 25 KVA por Ia General
63
Eleetric (Jompany, Iuego bajo un acuerdo con EPRI
desamolló 1OOO unidadee más de 25 KVA cada una.
Aetualmente varias comt)€riiias estan €n diaposición de
suminietrar nüsleoe amorfog monofásicos en Fotenciae que
van desde 1ü haeta 1O0 KVA, y degde 3() hasta 75O KVA €n
unidades t,rifáeieas, sin embargo su aplicación no ha sido
del todo efectuada en eI mundo.
Son variog factores los que no fnrmite fru fdsil
implementación en loe transformadorrear uno de ellos ae au
bajo taetor de apilamiento, ya q1u€ no a€r puede sonetruircon demasiada facilidad nücleos apiladoe anortos, por
eIlo ea aün un verdadero reto para inveatigadorea,
diseiiadores y constructores v€nc€rr áste y otros
obstáculos tales colr¡o: au dificultad aI corte y au
fragilidad deapués del recocLdo.
A p€'Ear de el}o a€r han arcanzado eignlticanteg mejoriae
lrura la posible aplieación de los anorfos en nücleoe
apiradosl y Érsrfl€ciarmente an transfornadores de potencia,
roe cuareg aün r€' encuentran €n investigación, entre
ellos ge destacan los eiguientee:
Er surgimiento de una }ámina o cinta amorfa de mayor
E Erl}EE]or Ia eual ¡rodria aar una gorueión para implamentar
Ela}ñF, ele¡rt+lnnee rn ni¡s1eoe de transformadorae de mayor
64
potencia, los cuales Ee construyen generalmente de tlpoapilado -
- El deeerrollo en laboratorio de un proceeo de corte, €I
sual no fracture y deteriore lae propiedades magnéticas
del material
4.3 ÜO}IPO$IÜION Y TIT'O IJE AI,EAÜTONES AHORF'AS UTITIZADAS
EN NUÜI,EOS FARA TRANSII]R}'AIX,¡RNS f,¡E DISTRIBT,'CION.
La eomposición de ]ae aleaeiones amorfag utilizadae €n
nücleos magnéticos eon variadaa, principaLmente contienen
elementos tal.es como; hiemo, silicio, boro y algunas
contenian earbono en bajas proporcione€r.
Una de }ae prineras compoeiciones aplieadas fue una
areaclfin aÍr,or.ta que contenia ktEqi,li:tlt-j¡n conocida eomo
metglae Z6,Ot¿ ü), rLr) obetante Be ha deearrollado una
eegunda gertetac-ífsr:- de aleacionee cuyo rendimlento ea
meJr-rr y ee ha eatarlr¿ lnplementanrk¿ en núeleoe amorfoe
encintadoen algunae de EuE caracrterieticae rel detalla¡r a
eontinuación-
4.3-1 Aleación ar¡orfa Metglas 2605 S-2. Es Ia mejor
aleación amorfa desamollada y aplicada €n nücleoe de
transiormadoree de dietribuciénr €trl coml¡oeición
65
aproxlmarla ea Fftn Btt,5ig " clovrer.icL:almente eonoclcla como
l4et-gLae ZÍi{s?¿ '.;-Z f.t tiet-gLae 2609 TCA (Traneforurer core
alloy), la crral puerle rcrtneegrairge en divereoe anehoe
{L4,? riüI, L7 cürn 2L,3 r:m) y eepéErrree (2ü-5{) pn)- El
nivel rle lÉrdldae lW/kg) alcanzada 5'or aat.a aleación aB
rfetallan en la tahrla 5-
TABI,A g- ()omparaeión de laa pírdidae ttl/kg de metglae 26O5i:-Z v ut1 aeero al elllcio ti¡:ro t'{-4-l
Inctucclón tTIl, {)
Lr2
Lr4
1. f,
1-6
Het-gLaa ?BIJE¿ lj-Z(), 10
0,L4
o-2:3
Acero al aillcioo,48
0,6É¡
O,92
1, OB
L,2B
4-3-Z ALear:í6n a¡norfa powereore- Ileede Ia aplieaclón de
Iae aLe-ar:Lortea ancrrfae erl núcleoe encintadoe de
tranefr¡rmadoree de dietribu¡=ión rronofáeir:oa, ee tenía Ia
L¡Iea de dieeñar un método qn¡e pudieee coheeionar Iae
delgadae eintae amcrrfae €rn r¡na e,6La lámina de máyor
eapleeor, Lrs cual permitiria Eru tácll aplieaeión en
IAI,EXANDROV, H.,SCHIJtZ, R., ROBERGE, R- Am¡:rrphoue alloyefor dietribution traneformere:IJ€sign considerations andeconomis impact- IEEB Trans. on !'ower rlelivery, vo} pttHD-2, N-2, April 198?, p. 42L-
ts6
nücleos aFiladoe, todo esto sin cauaar un considerableauslento de las pérdidas, For ello bajo patrocinio y
financiaeión del EPHI (instituto de inveatigacionee de
energia eláctrica de los Eetados unidos), ae degarrollo
una cinta o lánina amorta de mayor €apeaor en loe
lahoratorios de Aflied Corporation y Ia cual ae conoce
gomo Poü¡Brcore -
Caracterietieag de Ia aleasión amorta l¡ow€rcore.
Respecto a su proceao de elaboraeión y au somportamlento
magnÉtico existe muy poca informasión, sin embargo act
sahe qr¡É E E¡ producida por Ia unión de variae cintae
aproximadamente seia o máe de metglag 26Ob ti-Z de 10 cm
de ancho; a través de diterentes Froc€raoa de preaión y
calorr son Lo cual se obtiens una }ámina amorfa del orden
ele- 1() r:m ¡Ie ancho y un ee'Eee,or entre $,L'¿ um y 0r2b mnÉ-
tJn tactor de mueha imlxrrtancia Ée que eata vereión
Ianlnada de Lae aLeaci.rtrilee amcrrfae no neeelrita deepuee de
Eu pr-oc:eeo de eLab,rstacLittt de reer:reidoe pa?a meJorar elua
prrspLedarlee ú;lgn.étLga,e- tiin embargo eeta aleación no Ee
eejLd. prrrduciendr: ¡covreraLalmente, debido a inconvenientee
preeentadoe en gu fabrieacién, a ¡reear de ello algunoe de
erre rfatoe earacterietieog ae detallan en Ia ta.bla 6-
tNA't'HAsrNGt{ y L'TEBEITHANN. o!.ür.r. p. g4g
TABI"A B- Farámetrog.. magnéticos deprtwex,eore -j
67
Ia aleación ar¡orta
PARAMETRüI; HAGNET I CI]S
Factor da laminación ÍY.l
Indur:cif¡n de eaturación- tkt tTlIndrrecifin rÉüranente Br tTJ
llamgn eoerr:itivo Hr: tA,¡nJ
ALEACIONES AHORFAS
POT{ER{}]RE
g0
L,58
Lril
8,ltj
4.4 IH(})VENTENTEg PRESENTADOÉ POR T,AS ALEACIONES AHORFAS
A Ee*aa't de eru reducido nivel de ¡Érdidae lae aleaeionee
amortae E,a,'eeent-an dlvereoe inconvenlentee, Iog cualee han
olretaculLzarlrs eL arrplio uÉo de los anorfoe en
traneformarlotea de rfietribución y potenr=ia, Er¡ principal
lm¡rerlimento eata erL los ¡lrocÉroe de manr¡factlra, ya qr¡e
eu manipulación no p-a fácll, dichoe fact.oree Ee detallana eontlnuación:
El corte de las aleacionee amorfag €€r dificultogo, ya
que los métodos tradicionales implementados en asero aIeilicio nü aon adesuados para €ru uao en rag aleacio¡ree
a¡norfas- Al sortarLas por cuarquiera de loe métodoe
+rtricl. p- B4'l -
conocidrr€r a€ som€r €l ri€6go de fracturara au É¡ran tragilididad Io que deteriorará€rua propiedades magnéticae.
¡BtlYD, Edrvar t- y BCTRBT, Johnamorphous mebaL distributionTransaction on Ap¡raratug andNovember 1984, p. 3367.
68
la cinta debido
ostensibLemente
!'or Eu extrer¡ada dureaa, ra vida ütir de rae
hemamientas de corte ea bajar vá qus €¡ua f iroe e¡e
desgantan rápidamente .
Ilebido a au bajo espsss* t0"üitb-0,050 nm), Iaconetrusción de un núcleo amorfo tipo apilado de metglas
?605 g-A reguiere un ÉEran nümero de cintas eiendo
laboriosa e¡u construcción.
Debido a au molde de fundLción loe amorfos preaentan
superficies asp6¡¿s e imegularidades e¡r su €E p€sor que
unido a au bajo e€rpeslor dan al amorfo un tactor de
apilamiento bajod (0,'15-0,8), aunque en Ia actualidad aIparec€'r se han desarrollado sintas más uniformsa.
.jI.5 HETUIX}¡J DE ÜOFTTE DE LA$ ALEAÜloNEs AHOfIISS.
Respecto aL corte de las sLntae amortae exreten
D. Deeing concepte for antranstormer. Its¡:ESystem, Vol PAS-1O3, N.11,
69
diterentee conceptos, ullo de elloe atirma qu€ ae cortan
For medio de Ia téenica de rayo laaer, o a través de un
cuidadoso corte por medio de un método convencionar flue
no fraeture La cinta- Sin embargo aÉ ha desarollado una
nuÉva técnica la cual ha eido implementada en eILaboratorio.
Bdsieamente eI proeeao soneiste en un calentamiento de Iasona ds cortel con el fin de reducir Ia dureza de Ia
aleaeión, eI proceso de calentamiento ele etestüa a travéa
de reeisteneia q¡ue gÉ'n€'ra una temparatura de 300 "C o
superior- EI caLentar¡Lento eólo €re realiza en la uona de
corte para evitar calentamientoe inneceearios qu€ Fuedan
afectar adversamente lae propiedades magnéticae de la
aleaclón5.
4.6 ÜONSIIIEHA(:IüNES EN EL DISbITO IIE UN NUCLEO AMORFO
Fara aprt:vechar mejor lae propiedadee de }as aleaciones
asrorfas en los nücleog mag¡¡étisos, el diseilo de }oe
¡nie¡ntre dehe congiderar aspectoe tales cotno; la geometri.a
del nücleo, €1 tipo de bobinado y de igual manera Ia
forma de ensamble de los misnoe, gin gauaar una
dieminución de Ia eficiencia del transtornador.
Univ¿rsidad ¡uióncmr .;;Fistcc¡oN B,BL,oircA I
-
ftet¡rir¡tNrj y LIEB$kMANN- !l!-crr. p- g4'I,E4g.
70
EI tipo de geometria y La forma de engamble de Las
btrhinae anrpleada debe Ei€lr aquella que minimize Ia
santidad de estuerzoe, loe euales aon producidos durante
la construcción del núcleo, debido a Ia tensión de
eneintado, forma de engamble de 1as bobinas o Ia forma de
amam€ del nücleo-
EI dieeiio de Ia bobina y torma do eujesión deben
soportar los egfuer.sos producidos For cortocircuitoe sinEaugar considerables sobreesfueruoa en el nücleo.
En el diseiio de un transformador con nücleo anorfo, urr
aspecto a coneidelrar ea eI económico, ya qu€ eI costo de
una aleación amorta €)a suparior a la de un ac€'ro aI
eilicio- f'or consiguiente, al tipo de geometria (nücleo-
bobina) deberán aJuatarse dentro de costos razonablee, lo
eual faciLitará }a eompetitividad en eI mercado, frente a
los tranetormadores construidos en nücleos de ac€rro al
eilicio.
La escogensia de ]a forma de configuración de un núcleo
amorto y forna de bobinado egtará ligado con laregulación, la efieiensia y eI voltaje de inducción de
las bobinas del trangformador-
E1 voltaje inducido (e) lag bobinas de
7L
tranetormarJor tT), eeürarrgtr¡rmarle;r' y la
harr rJetlnlrlo riomrl :
etLeLer¡¿r:La rdeL
e:d¡i{NfAB'*,
H: rrrimerr¡ de vueltae del r:onductor
t: trecuencLa deL eletema
fuáx: Nlvel de induer-,ión máxima-
A: úrea efLr:az ¡Ie eer:r:L(¿n tranevereal del
ep- ha deflrrtrfo (:e,úLo eL área total V)r eIapilaniento.
t4.1)
nrlcleo Ia eual
coefieiente de
S $difh,l=Pentsede+P*r. mrlfrrclm + PÉ.r. tnrlcobm
(4.z',)
EI cáIr:uLr-t rle loe voltioe p,or rn¡elta en el bobinado de un
ttanefr¿xrtarlr¿v Ép- efer:tíia aamriendo una deneidad de flujorIeI materlal rr eL ¡4tea rlel núcleo, Vá que la freeuenciaee conetante- Sin embargo en un rrúeleo anorfo el valor de
ra rfenekfarl rle frujo aer¡¡nirfa eerá aproximadanente 1,3 T,
ya que eete valor Ert ener¡entra ee?cer¡1o aI codo de
eaturar:lón rIeI material, para eoml>€nEar eat-e bajo va.lor
ee requiere un aunento del área rle eección trangvereal
del núcleo- Aungrre ¡rar;r a.lcansar un velerr acepta.ble de
esta área an un rrúr-rler antrrior Éel requiere m;ryor r:antid¿d
rle materialn Io r:r¡al prodrree r¡r1 an¡nerrtr¡ rfe,l tam¿ño del
72
r¡íleLecs gue trae como eonaecnensia un au¡trelnto del díÉmetro
de }ae bobinae- El incremento del tanañtr del diámetro de
éetaE ttae r:oneigo rrl.r aumento tsn Ia longitud del
conrfirctr¡r eL cr¡al a Ia vez prodrl:e un anutento €n Ia
reeÍeteneia total clel devanador V po? conaiguiente
inerementa lae ¡Érdldae ¡:'or eertga, aei- que un núcleo
rlemaeiado gtantele y con una reeieteneia de bobinado
rlemaelado aLt-a, produeen un an¡¡nenta de lae fÉrdidae del
núcleo y en Ia carg,a, Lrs cual iría en detrimento de Iaeflciencia del traneformador- $ín embargo, dado eI nivelrle ¡ÉrrJirlae baJo rle lae aleaeiones a.¡nortae un anrnento en
eI tarraño del núr-:leo no traerá un considerable anrnento de
Éetae, at*rrque P.¿:rá. dleminulr eL nivel de ¡Érdidae de
rcarg,a en loe bobinarfoe Ee requerirá rfe rrn urayor diámetro
rfer área del conduetor lo cual origina una digrrlnuci-ón en
Ia deneldad de corriente circulante por é1 y I¡or Io tantouna redur:cj.f¿tt en lae pérdidae por cargla-
Debido a eu baja deneidad de flujo y Eu bajo factor de
aPllarrlentr: Ioe tranetormadorÉe eonetrufdoe err aleaciónamcrrfa preeentan núcreoe, hrobinae, y tanquee '4áe g,randee,
que L:re tranefonnadoree conetruídoe eon núclege en acero
aI eilir:io.
't3
4.7 PÜSIBI,E.$ TIPOS DE NUÜLEOS A}IORT.O$
Algunas de las técnicae y formas de conetrucciónimplementadas en núeleos de acero ar oiricio no eon
adecuadas para ra construcción de un núcreo anorto, einembargo existen ciertag contigurasionee similaree a lascuares posiblemente aa ]e deben variar as¡rectoa de tipoconstructrivo-
Loe amorfos debido a su forma fisica (cintas), pueden
implementarge mds fdcilmente en nücreoe de tipo encintado
qu€ Bn núcleoE de tipo apilado, vE que este ültinorequiere de muchos corteg, además de aer raboriosa fru
conformación.
4 -'¡ - 1 Núcreos encintados- Élgtos nücreos ae conetruyen
enrorlando la cinta sobre un mandrir. l:r niimero de
vuertas realigadas sobre estos deben a€'r ras suficientesy necesariae para arcansar ra secsión transversal de
nücreo requerida- lLrigten dos formae para construir un
nücleo encintado con cortes y ein sortee.
4-?-1-1 Núsreoe eneintadoe ein sortas- Ee la forma idealFara la eonstrucción de un nücreo amorfo ya flue no a€
reguieren demasiados eortes, una de estae configuraciones
És¡ ur¡ nút-'len tipo toroide (ver !.igura 17 ) _
't4
l'lGUliA 17- Nüeleo tipo toroide-
Este nucleo desde el punto de vista magnético desamolla
Ias mejores condiciones de operacion, ya q1ue no existen
esquinas, ni entrehiemosr, Ios suales contribuyen a lostlujos dispersos, aumentado la reactancia- La ausencia de
esguinas €n los nuüLeos disminuye Ia comiente de
exsitasión y por lo tanto reduce Las pérdidas, ademas eIdesperdicio de materiaL €'n estos nücleos es minimo en
comparación con los otros tipos de nücIeos.
La forma de ensambJe de las bobinas debe efectuarse por
medio de máquinas bobinadoras, sin embargo eI empleo de
esta cantiguración podrra limitarse a nücleos pequeiios.
{Jtra posible torma Fara La construccion de u¡r nucleo
amorto encintado sin cortes es¡ una configuracion tipo
columna o tipo nucl.eo var !'igura 18, este nucleo Foslee
una sección traneversal reetangular y e1 devanado se
enrolla a través de una maguina bobinadora, €rn lae
75
qoLrm¡nas deL nucleo.
l'IGUltA 18- Nüc1eo encintado tipo colunna o tipo nucleo.
{Jtra de las posibles tormas Fara }a construcción de un
nücleo amorto eomesponde a un nucleo diseiiado y
construido en acero ai silici.o For ra compaiiia Line
material company, e€te tipo de nucleo permite obtener una
sección transversar crucitorme (ver rigura 1g). El cualsE, construye con cintas de diversos anchos- El empreo de
sste t,ipo de nucleo €s ventajoso para er uso de bobi¡rados
cireular€'srr los cuarÉ's s€' ensar¡blan €'¡l e1 nusreo a travesde máquinas bobinadoras.
Bobinos Núclc
¡"lLiUltA 1s Nüeleo encintado de sección qruciforme.
76
Otra de las posibilibades para Ia sonatrucción de un
nüc1eo amorfo es un nücleo encintado tipo acorazado, en
eI cual eL núcleo ss encinta sobre los conductores (ver
figura 2a).
FIGUIiA 20. Nücleo encintado tipo acorazado.
LIna posihiridad más en un nüereo amorfo, ro constituye un
núr:lpn tipo acorazado sruciforme (ver tigura 21), eI eual
seria wentajoso Fara la aplicación de bobinadoe
c-*ircuLaresr aunque para La construcción de éste núcleo
Etrmo del anterior se requier€ nayor cantidad de material.
Bo binas
¡'lLiU¡tA il- Núcleo encintadocrucitorme.
Nú clc o
tipo acorasado de seccion
77
4-7 -L.2 Nücreo encintado con cortes- l,a construcció¡r de
un nüc1eo a¡norto encintado con sortes presenta
diticul-tades en sus cortes, además por €ru extremada
tragiridad luego del resocidor {ua podrran arterar raspropiedades magnéticas deI material debido a losesfuerzos producidos sobre estos_ (ver Haskin y .Davis p,
31 ,32 ) - liin embargo se f abrican nucleos cortados, €lprocesro de construcción der nucleo s€ real.iza uniendo
varias cintas anorfas }as cuares confor¡nan un paguete de
cintas que se escalonan, y se juntan a tope en la Fartesuperior del núe1eo (yugo ) tormando una seri.e de
entrehiemos distribuidos (veáse Figura ZZ,, aunque para
esta configuración una variación en ra eonstrucción de
este nücleo podria ser son traslapes.
Nücleo encintado tip<¡ cortado conentrehierros distribuidos.
FIüUTiA 22.
78
f'or au torma de conetrusción este tipo de nüsleo no
r*cquicrr dx s¡¡'luinas bobinadorast para acoplar loe
devanados- Eetoe acn conetruidag de antenano fuera del
núcleor su forma de eneamble a€ realisa abriendo eI yugo
suidadosamente Ér introduciendo las bobinas sobre lae
¡-:nlu¡nr¡*¡a del nii*Ieu y uniendo de nuevu l*e cint¡e-
f,txed¡+ el punto de vista magnético en comparación con loe
otros ti¡loe de niicleosr ctrrr¡tr cada sinta ha sido cortada,
la presencia del. entrehiemo
reluctaneia y For lo tanto eia
pntencia de excitación, esto
Ias pérdidae del nüeleo.
an Ia .junta increr¡enta Ia
requerira un au¡nento de Iaconeigo trae un aumentando
4-7-Z Núcieoe apiladoe. La incoveniencia de emplear e€rte
tipo de nücleo ea la eantidad de cortes y Ia cantidad de
material requerido Fara construir el nüsleo, suya
operación E€' hace en forna manual. No obstante ae han
construido varios prototipoa de nüsleos apiladoe, uno de
los cuales a€ detalla €rn a€Éuida- En comparación con los
nú*letre en*intadae el empleo de entrehiemoa en estos
lrlrÉleue requiere de una mayor comiente de excitación-
4-7.3 Prototipos de nücleos tritásieos amortos. E¡r laaetualidad se conoc€ unos poco€r prototipos construidos de
matglas ?605S-2- Eetos prototipos confirman lae bondadee
79
de Las aleaciones amorfas asi Io demuestra un prototipo
construido por ingenieros de Ia Mitsubishl Electric
llr¿tpr¿tatLr¿n rlel Jap$v¡,É l,re r:ualee rlieeiiaron rfr¿e nucleos
amorfoe trifásicos apilados rle 35 KVA con eortee a 45" y
9()", c)(rme se aprp-rcia en Ia Figura !lJ.
FIGTJRA Z:J- Núcleoe amrsrfr¿e tipo apilado c,rsr¡ eetctee a 45oY 9{)" -
Estos núcleos además se compararon con un nücLeo
construido en asero aI silicio son cortes a 45". lras
pérdidas en eI hiemo en los núcleos a¡norfos con cort€s a
45' y 90" tueron de ü,25 (w,¡kg ) y 0,27 (!.¡,/kg )
rElgpeu-tiva.nente, medidas a un nivel de inducsion de 1,3Tr estae pÉrdidas r¡uestra¡r s€'r interir¡res a rasel.c¡n:s¡das For eL nucleo de ac€ro aJ silicio (ver tigurail"I) - I-a diterencia en 1as pérdidas en los nuereos anortoÉ,
ee ¡trihuida a Ia torma de corte de ellos nucl_eos, debido¡ EUE rl r--L1rtÉ a 45" r€presenta menores perdidas de tlujofi¡rEun, ll- , L)KABE, M., ()HMU}iA, T. lron loss ot stackedcor€)s using anorphous a110ya. rEEE Trans. on Magn. vor.Ét, ñ. S. tjeptember 86, p- EZg-Sgl.
Univ¡,:; I I .^ r';, ^;
SLCCrOil 6tBLt0rrCA
magnético Io cual es conaecuencia de
q1ue posl€'€n los ar¡ortos.
1,2 1.1 1,6
Inducci<ín ( T )
F'lGUltA 24. üomparacióncortes a 4b"e i I ie Lr¿ r:r¿rt
La aplicaclón r.le
(tl-=o
at
E,
at
t
UIo3tt
o-
80
Ia débiL anisotropia
de pérdidas en nucleos anorfos cony 90" con un nucleo de acero aI
cr¿rt ea a 4b' . ,i
cualquier cinta anfir"ta. err
tranetr¡rmarfrstee rte rlietribución trif áeicoe no Eon deI
Er¿r7o frir:LLee rle implerrentar, ya que r¡n tipo apilado
requeriria rlemaaLack¿ raterial, ?crt eLLr¿ eet ae unidaclee
rleberan eonetrrriree de tipo encintada, rlna de- Iae
poslhrlee tr¿wtae r)e r:orretrrtir nucleoe ¡tmtrtoe tritáeicoeTnclrLa aer una eonfiguración rle ttee núcler¡e monofásieoe
y lr¿e Y¿ot:Lnadrte diepueetiee en r:al"Ia eolu¡nna c, un núcleo
tip'o ¿.eotazade en¡:irrtarJo. que P,rreea r-'inco columnae (ver
Figura 2'r), eL c::¿aL reguerira rfe cr¡rtee-
A 60 Hz
A m orfos900
trui¿- p. bal.
81
Bo bin os Núc lco
.U'füU¡¿A ?5, Nücleo enclntado asorasado tritáslco.
EI ansho de Las ventanas laterales en eate nüsleo es
r¡enor que La de las ventanas centralee, eon el fin de
aprovechar los flujos dispersos originadoe por los
bobinados situados en lae columnas centrales.
4.8 F'RÜÜESU DE Rb'COÜIIÜ EN NUÜLEOS HAGNbTIÜÜti L:ON$TRUIIPS
EN AL$ACION AHOR}A.
gI proc€so de resocido en las aleaciones amorfas tienecomo proposito nejorar las propiedades magnéticas, debido
a log estuersos introducidos en Ios procesos de obtencion
del material, asi cono los estuereos producidos en Los
procesos de elaboración de }og nucleos magnéticos, ya que
I<¡s vidrios metalicos son altannente sensibLes a ellos y
For consiguiente srus propiedades magnéti.cas ee deterioran
t-tt¡¡*ndg É¡¡tu:re ¡nateriales estan sujetos a estuerzog taies
a2
Go¡no los de compreeión.
EI Froc€'Éro de recocido debe haeerse luego de construidoe
Ios núeleoe, p€ro antes de ensamblar las bobinasr V& qu€
sino set realisa, deepuéa los devanados del transtormador
estarán eometidos a elevadas temperaturaa y para ello
dsberian cubriree con capaE aielantea reaistentee aI
calorn lae cualee serian coetoeaeü e irian en detrimento
del r:rsztrs rlel transformador- El recocido debe realizaree
eepecialmente erL núe;leoe enclntadr:e, ya qlre eetudiog
dermeetran que la tenelón en loe enclntadoen ee¡ eI máe
gx'ar;.de r:ontrlbuyertte de eefuetzoa en Il€quÉñoa núcleoa-
{rpttmo p¡reeee,o ¡le recocLrks. Para un adecuado Ptarceao
rle rer:rsr:Ldo Ia cr:mbinación tieurpo y teml¡'eratura deben eer
lae euf lelentee r,ara aliviar Ia Erayor cantidad de
eaf¡uetzoa, pero a Ia vez qr¡e Ia alta tempetatr¡ra no
ctLetaLi-ze Ia aleaciÉrn, rrna vez ae:¿ recocido r¡n rrúcleo
errelntadr:; eate rr¿ cletse de aer deeenrolladon dabido a gr¡e
eL Í,lroeeeo de rer:rteLdo ar¡menta la fragllldad de Ia
aLear:Lfstt y por Lrs tanto Ia aleaej.ísn c'crrr.É eI rieago de
fracturarse.
sBoyD f B()HST. f)g.üir, p,3UZ0.
a3
4-C DETERIORO DE I,AS FRUT'IEDADES HAGNETICAS EN NUÜLEOS
D8 AI,EAÜION AMO}TFA
En eseneia eI deterioro de laa propiedadeg magnéticac con
eI tiempo de las aleacionee ar¡ortas ee el regultado de €ru
operación a altas temperaturaa, además de efectoe
ambientales cornc) eI oxigeno, radicales libres disueltoe
€n eI aceite o eI grado de humodad existente €n los
materialee aielantes empleadoe en los devanados, todos
eetos factores pueden contribuir aI deterioro €revero de
Iae propiedadee nagnéticas a elevadas temperaturaa,
*up*rinree á I¡e tem¡ra3¡¿¿uraa del tranaforr¡ador durante
su tiemFg de o¡rsr¡¿ción (ver Nathaeingh y Lieberr¡ann).
Lltrn eetudio acerca del envejecimiento y deterioro de lag
propiedadee magnéticas fue realizado por Hatsuura, guien
afirma que eI aceite aielante tiene poco efecto en eI
deterioro de laa propiedadee magnéticaa a 150 'ü, aungue,
cuando ae incluyo el bobinado aislado son trapel.Eeobservó un deterioro de las Fropiedades magnéticae y
estimó que Ia degradación de estae propiedadeg durante eI
periodo de o¡reración de un transformador a una
temperatura interior a 105"ü frodrran a€r menoran a un tOV"
rlurante un perfr¡ ¡la rfe :J0 añoe. H
omATSUUttA, T. Y UTH(J$. Long - term retlablllty of lron-based amorphous alloy corea tor oil immersed trangformereIEEE Trans.on Magn- Vol. 26,N. S,tieptember 1990,p, 1999-1995.
84
4.1O ÜOSTO E IMI'AÜTO ECONOMIÜO DE Il)S T}TANSFOHMAI$RES DE
DI$T}TIBUÜION ÜONSTRUIDOS EN NUL:LEOS AMOR8US
liegún estudios elaboradog por eI EPRI¡ ei€ eatima que
c€'pea de un 6Uf4 de lae pérdidas en los sietemae de
distribución aon atribuidas a transtornadores de
distribución, siendo un 807" de estas pérdidae
com€€¡Fondientes a ¡Érdidas sin carga.
Astualmente er precio de un transtormador de distribuclóneonstruido con nücleo amorfo, €a eu¡rerior aI de un
transformador construrdo con nücleos de accrro ar siricio,aproximadamente entre un 2b a 30ñ, debido aI alto coeto
del boro gue au¡nenta el precio de La aleación. No
obstante, ras empresaa de gervicio pübrico, generarmente
para Ia compra de un tranetormador, evaluan las ofertaedel r¡ercado de acuerdo a doe parámetros; eI precio
iniciar der transforr¡ador y er cogto de oI¡eración durante
eI ciclo de vida del transtormador, aungue algunae
eompañias efectüan evaluaciones más rigurosa8, lag cuales
tau¡bién incluyen, Ia probabilidad de tallas deltranstormador y ro adicionan dentro de log cogtos totareedel traneformador.
Er parÉmetro evaluativo de los soetos de un transformador
durante au tiempo de o[¡eración, esr comp]ejo,
que evaiuar eI costn del kw,/!¡ generado, de
vaLor de las diterentes tuentee de €rncrrgia,
carhónr aguar Éaa, tuel oil-
85
ya que hay
asuerdo aI
tales cono
l)ado que loe estudios sobre gérdidas de en€rgia
demuestran un alto nivel de pérdidaa debido a toe
nateriales magnéticoa empleados en los nücleog de
transtormadores, Ia compra de un nücleo amorto eI cual
ahorra un '/OS de energia e inclugo hasta un 8OE cuando se
comparan con viejas unidades de acero aI silicio,compensará a largo plazo eI alto valor inLsial deltranstormador- Un tactor además de auma inportancia a
tener en cuenta ea que se requerira de menorea fuentee de
enerÉlia para confis¡g¿¡ las tÉrdidas causadas por lostransformadoree y son eIIo disminuyendo el grado de
carentamiento del grobo temegtre producido por erenentoe
taLes como eJ carbón o ei tuel oil.
Por eIIo AlliedSignal egtima que si todoe loetr¡n¡¡tnrnadores existentes de nücreos de ac€ro aI eiticioan loe Egtados Unidos tueran reemplazadoa por nücleog
ar¡ortos, 4{) billonee de Rhlr/h ¡rodrian a€rr ahorradoe
anualmente, Io sual significa un ahomo anual esrcano a
Ios U$ 3 billonee.
8ts
EN Lll4-11 $ITUAL:IüN ACTUAL Y ¡UTUHO D¡;SARHÜLLO
FITTJIJ{.JTT}TIN IJE NUÜLEOS AMORI'OTi
A p€elar de que au aplicaeión ha sido }enta, €tn 1992 a€
estimaba qu€l €n los lletados Unidos, cerca de un 6ts de loe
traneiormadores de distribución 6ran construidoe con
nücleog anorfos, y a€gün un reporte de Ia ofisina de
dirección y presupuesto del gobierno federal de los
Egtados Unidos proyecta gu€ a tinales de los noventas loe
traneformadoree de dietribusión con nücleos amorfoe
alcancen un 25 9L de penetración en eI mercado de eete
pais,lii ¡rero todo ello cuenta tanbién con Ia superación de
Ios problemas existentes, con notorioe avanse€r en
tecnologia de tabricación y aei misno eon la invención
f+itÉrvoa diseiloe en los próximoe aiioe.
Alliedtiignal Ia em¡¡r€€ta q1ue suministra Ia aleaciÓn en el
mercado, a través del gobierno de }oe Sstadog Unidos
estableció ur¡ acuerdo en 1991 con eI goblerno JaPonés
para abrir dicho mercado a eI eetableslmiento de las
aleaciones amorfas an Japón, este acuerdo Ee baea en Ia
]a Frodussión de 3?OOO nüsleoe de aleasión amorfa, loe
suales sa distribuiran entre nueve compaitias de energia,
de cuyos regultadoe s€ eEp€rra au masifieación en eI
oriente.
Ia
de
iüMARTIH, Vleky y PETERE, Robert.choosing AHTlls. Elestrical_ world,
Why eantee g.oarter ieOctober 1992,p. 3.
a't
Una prueba de au creciente desamolló ]o congtituye l_a
creación de una nueva planta de producción ¡ror parte de
AlliedtiiÉnal, Ia cual esta €n capacidad de suministrarastualmente al nereado 60-O00 toneladas anuales de
aleaciones anortas, en comparación con las 5OO0 toneladas
que podia suminigtrar al mercado dicha sompaitia a
eos¡iengos de los ochenta. La amplia ex¡reriencia obtenida
en Ia construcción de nücleos amortos €re retleja en Iacapacidad de fabricar transtormadoreg haeta de 750 KVA,
por divereas sompaiiias americanas, cuya producción
comercial s€ eaFesifiean en lae labla 7 y 8.
TAtsl,A 7. Froducsión somercial de nücleos amortoemonotásicoa. ( potencia€r en l{VA )
General.llLectrie
10
15
25
37 ,5
5()
75
1Uü
ABB f'ovrer Tl)Company
1t)
1b
?5
3?'5
bo
75
100
Hor¡ardInduetrLee
25
50
KuhlmanCor¡¡oratlon
10
15
88
TABI"A 8- Froduccióntrifásicog.
comercial de nücleos amorfos(Fotencia€r en KVA)
General Electric75
11?,5
150
167
,¿25
300
500
750
ABB Pocrer TD Company
30
45
75
112,5
150
22b
300
5- EVOLTJ(]I(]H DE TrJg ACEROS HAGNETI{rug UTILIZAÜüS EbI
TRANISFÜ8},IATXJRES DE DI$TITItsTJCION
ta inveetigacíbn asi mismo couro el deearrollo y mejori-a
de }cre a.e.etr:E magnÉtieoe exietentee han eido provechoeoe
¡lara aLeanzar una aignifieante dieminueión de lae
párdlrlaa rle enargLa en loe núeleog magnétieoe- Eete
capltulo eeta r:rientado a moetrar algunoe de loe avanceg
al.r:artzadoe en Ia redrreeión de Lae pérrlidae magnétlcae por
eL a.e.eto al eilieio, tradicionalmente r¡eado en loe
fiic Lerta magnéticeog P,ara tranetormadoree-
Fr- 1 RE.gE[tA HISTORICA
f¿rte ar:etaa lrnñ.gnétler¡e empleadoe en la eonstrr¡eción de }oe
núc1eoe magnétieoa rle traneformadoree a finalee del eiglopaaarlrs y eomíenzoe rle eat.e¡ Bé coneideraban aceror eon
aLt.ae ÍÉtrlLrLae magnétlcae, ademáe de preeentar eldetex'irtrrs y un rápido envejecimiento, eI cual eontribuia
Universidrd A',ri6non: ¡ : f :.,,.ientc
sECC,0N 8i3Ll0¡ iCA
a incrementar
ac:etoé -
Lae fÉrdidae T,ot hietéreeie,
gc)
de talee
La aparición de las aleaciones de f emosilioio, a
comienzog de siglo permitieron una gran digminución de
Iae pérdidas además de frenar eI rápido envejecimiento de
los ac€rroa magnéticoe. No obstanter €n 1918 son eI
descubrimiento de que }as propiedades magnéticas variaban
en las diterentes diresciones de loa ejee
crietaLográficoe de los crigtales de hiemo sorl poso
porcentaje de silicio, conllevó a tratar de Lmplementar
un método q1ue desarroLlara Ia textura que orientara }oe
eristales de as€ro al silioio en Ia direcclón <1OO>,
direcsión en la sual los srigtales de hiemo aI ellicioaG' imanan fácilmente.
Un gran avance Grn eI desamollo de los aceroa magnéti.coe
ei€' obtuvo €n eI aiio de 1930 con Ia orlentasión de los
cristalea For medio de la ]aminación en trio, 1o cual dio
origen aI as€ro aI silicio eI grano orientado, más tarde
en eI aiio 1964 a€ produjo un acero aI oilicio de grano
altamente orientado por parte de los ja¡roneeee,
comercialmente sonoeido como HI-B o eono Orientcore.
Sln embargo la aparición de
un r¡arcado efecto en Ia
ma¡jnÉticae eln lss aceroslr
las aleaciones nmorfas eausó
dieminución de lae pérdidae
aunqu€ los requerimientos de
91
aht¡rro de energia, ha demandadó en }og aceroÉr aI eilicio
con grano orientado de nuevas tecnologias en loa proc€aog
de tabrisación los cuales tienan como propoeito digminuir
Ias pérdidas del acero mayormente.
5.2 AÜEHÜ AL SIL1üIü GITANO ORTENTADO
Este tipo de acero ha eido eI máe usado en nücleoe
magnéticoa de transformadores- La adición de silicio aI
hiemo permite reducir siÉniticativamente las pérdidae,
debido a dos sauaa€r.
lil silisio reaceiona son una gerie de impurezae taleecotno eL earbón y oxigeno, sin embargo Ia presencia del
carbón esl nesesario en eI proceao de obtencion gsro que
luego debe de eliminanar€re Én eI Froce€ro de obtención
finalr ga que degrada lae propiedadea magnéticas, ademáe
la adición de silieio permite un ar¡¡rento de Iapermeabilidad magnética y reduce las pérdidas de
histéresle.
La preeencia de un alto contenido de silicio en Ia
alsación ¡rermite un aunento de Ia resiEtividad deI
material, son La consiguiente reducción de lag pérdidaa
por sorrientes parágitas.
92
laroceso de obtención de un acero aI eilicio grano
orientado- EI proeeso de obtención de un acero aI silicio
básicamente sonsiste en tundir los materiales en lingotes
a una temperatura de 13ü0 'ü" luego de su*""ito" plegadoe
y l-aminados en caliente e1 r¡aterial posee un espesor
entre Or15 y 0125 cnr posteriormente eI material pasa a
un Froceso de Laminado en trio¡ proqeso en eI cual
tinaliza con un eapesror entre 0,25-0r35mm. En eI
intermedio de estos Froceaosr eI material es sometido a
una serie de tratamientos de recocidos los suales Éron
etectuados con hidrógeno o nitrogeno generalmente y que
permiten desarcollar en eI r¡ateriaL u¡la buena estructura
de grano. (ver üraham ü.D. )
E1 material- obtenido luego de un proce€ro de lar¡inado en
frio presenta un alineamiento de los cristales en eIplano (11O) y dirección tO01J, somo s¡e r¡ueetra en IaFigura 26.
z
I
!'lgura 36. f'lanoaL sil
y 'lirdcclón de un crt stal. oeieio
acero
93
Los cristales de acero aI sitir:io orientados segün Ia
dlrección y plano antes sitados se sonoce como textura de
goss o cubo de cantc, Ios cuales guedan en el interior
del material como se aprecj.a en Ia f'igura 27 .
I igura 27 üristal de acero al silieio orientado eninterior de una lá¡nina magnética
eI
E} material de grano orientado Fosee u¡la elevada
permeabilidad, cuando eI material ae imana en una
dirección, ya que en otras direcciones Ia permeabilidad
del material se ve disminuida, por Io tanto 8e deben
emplear en la construeeión de nucleos recorridos Por
flujos €rn una sola dirección, somo es eI caso de los
transformadoree.
E} material obtenido a través de una laninación en trio
presenta superticies lisas y uniform€et y se otrecen en eI
mercado revestido€r con una capa de aisLante muy tinar ñüV
resistente tanto a loe trabaios mecántcos cotr¡o a las
temperaturas requeridas por los sucesivos tratamienbos de
reeocido -
¿fr
g4
5 - 3 IJE$AHHOLIT0 D¡; ruS ACI;HOS AL ÉiILICIO
lieede hace varioe
Ia fabrieación de
fin tls lograr una
€'n eI hiemo - La
orientadaa a:
Hejorar Ia
direcclón deI
mejoramiento de
orientación de loa
laminado, Io cual
]a textura de üoss.
cristales, €n Ia
aa conocido como
airoe han aurgido grandee proÉSreaoa €tn
lae ]áminae de asero aI silicio¡ cuyo
considerable reducción de lag pérdidaa
nayoria de ]as inveatigaciones estan
Reducir e}
disminuir las
de
Desamollar un ac€ro q1ue poaea un mayor contenido de
silicio.
ftayar la superfieie del asero para Lnfluensiar Ia
nusleación o aparición de nuevoa dominioe-
E . íJ. 1 Feriección Érn Ia orientación de los cristalee.
LlEsde haee aiios se egta tratanto de mejorar Ia pertección
de Ia textura de goesl en eI r¡omento a€ astan produciendo
as€rroa üon una degorientación aproximadar¡ente de 3" sntre
la dirección del erietal y la direccion del laqinado.
es¡rsss" de Láminas de asero sor¡ eI tinpérdidas por somientes paráaitas.
95
5.3,2 Reducción de los ecpesore€r de las }áminas. Muchos
estudios €r€r han orientado con eI fin de obtener láminae
de muy bajo €rpecor, sin embargo €rn estoa ei€ han
encontrado muchas dificultadee ya que aI retlusir loe
€aprsss¡"" ea muy dificultoeo obtener aceroa con buena
orientaeión For }os mátodos de laminado y de reeocidoe
uti llzado€r normalmente .
5-3-g Aceros Gon un mayor contenido de Éiilicio.Astualmente s€ egta produciendo €n }aboratorio un asero
con r¡n contenido silicio de 615 91, utilizando métodog de
obtención similares a los ya existenteg en los grocstonr
de obtensión de lae aleasiones amorfag (rápida
solidificación) debido a que los métodos de laminadoE
tradicionaLmente ueados no aon adecuados ya qu€ eL altoeontenido de silieio dificulta su Froceao obtención,
debido a la considerable fragilidad q1u€ adquiere eI
agelro -
5-li-4 Rayado de los ac€rroa- Egta técnica €a sonocida
eomo refinamiento de }oe dominios fue deeamollada con eI
fin de disminuir los exseaos de sorrientes de eddy
(anómaias) €rn log materiales magnéticos, esp6si¿¡mente €re
apliean €'n acerost con alto grado de oriantación cotrro eI
Hi-B. Farticularmente en sstos aceroc aI disminuir eI
calibre de eLlos, las ¡Érdidas tuvieron una considerable
disminución.
s6
sin esta t'écnica Ére crean nuevoa dominios a partir de }os
dominios ya existentes, con Lo cuar disminuyen ej espacio
de Las paredes de Los dominios, el Froceso .:onsiste en
rayar el r¡aterial perpendicuLar a Las direcciones der
dominio, €r1 cual da origen a otra serie de dominios, Fara
efectuar este Froceso se enplean las técnicas de
iradiación de raser o a través de un rayado mecánico r ürl
etecto de este proceso se apreür.a en la l'igura t8.
t
(o)
¡'IGUltA 28. Iltecto delnagnético,( h.r irayarlo
rayado mecánico er¡ eI acero(a)antes del rayado
(el equilibrio.l
( c)(b)
ffin emt;¿rget, éete material TLrr ea adecuado para emplearee
r¿yl nrieleoe erl.ci;r¿t-arkte, rleYtLrlr¿ a que lae pafedee ctel
r.lrrmlrrlo vuelven a er¡ eat-arlo original euando eeta eujeto a
aLtae t eutpetat¿uráe r:omr) Iae r)e rar¿r¿r¿!¡!¡¿, artngue ae estanrlesarrrsllando r:Lertcse mÉtr¿rloe que p,ermitan eL
x'efLraavtíe:rrÚ¿ rle loe rk¡rninioe :.:,¿;r..a núr:Ieoe encintarjoe.l
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Este acero es conocido cor¡ercialmente
siendo fabricado por Nippon liteel
eeF€sores ür3 mrn, 0,27 mn, 0123 mm- Una
para este ace¡'o ae apresia en Ia l'igura
97
cono ZUI(H y esta
üorporation, en
curva de pérdidas
:¿9.
0t6
, 1,0
¡'IGUItA 29. üurva dedominios
fJ t3 r,3 ll 1,5 1,6 1,7
In<lucción (T)
pérdidas en eL nueLeo de un asero conrefinados a 6O Hz.
0r4
0,2
¡¡J
=oc,
¡otict
:t,o-
ZDKHZ DKTI
Z DKH
0,30 mm
0,27 mm
0,23 mm
Esta técnica de
las aleaciones
hasta en un 15 U
los aseros r€tinados se emFleo tanbién en
as¡orfas donde aus pérdidas se redujeron
mds.
6- coNct{JsIONES
Loe traneformadoree rle rlietribución eonstruidoe en
nilcLeo antottr¿ repretenta una oportrrnidad unry eignificantepara la rerfucción de lae ¡Érdidae de Brrergia y Ia
rllemlnuel¡lin de loe eoetoe griginadoe por eetae-
Deeele eL punto de vlsta magnético Be ¡rodria eonsiderar
qlre lae aleaeiones anorfae eon materialee idealee para Ia
apl lcac l- (ttr. efi tranef ornadores .
Varioe tacl,rtree allEnrran
maelficaelón rfe loe núe;Ieoe
dletritrueLfin, ettt-re elloe ee
en un futuro cercano
anortoe erl tranformadoree
deetacan loe eiguientee:
Ia
de
El lncrenrento rfe la produccifin de lae aleaeionee
amorfae, Lo eual contribulrá indudablemente a dieminuir
eL ertet-a de lae aleaeionee y por ende eI precio de lae
unldadee.
9g
ta notat¿Ie meJoria y evolrreión rle loe proceaoE de
fatrrlcaclón de loe núeleoe amcrrfoe, ¡rrmitirá lmplementar
otrae plantae de prorllacr:Lán, en dlterentee lugaree del
ulurtt'Jo.
La tendeneia aI aumento de} costo de la €n€rgia, fo
sual demandará de equipos y sietemaa de dLetrlbución
altamente efisientes.
A peaar que las aleasionee amortas parecen haber
alcansado un alto ahomo de pérdidas de energia, se
sontinuan obteniendo grandes ¡lrogre€roa €n Ia reducción de
las pérdidas en el nücleo de ]oe aceroe aI ellieLo.
Universid:d A:r15ne¡ r ii: Cccidente
SECCION BISLIOiECA
7, HI]COHENT}ACIONES
Eetudiar Ia factibilidad de financiamiento, Ilara eldioeiio y congtrusción de algún prototipo de nücleo
amorto.
Evaluar }a posibilidad de imprementar una aaignatura
eobre materiales, ra cuar exclusiva¡nente eete dedicada a
materiales empleados en equi¡ros eléctricos-
BltsLt0GttAt"IA
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