Selección de Materiales Ferromagnéticos Blandos para Realizar Pantallas del Campo

Magnético a Frecuencia de Red

Riba Ruiz, Jordi-Roger EUETI d’Igualada. Universitat Politècnica de Catalunya. Plaça Rei 15, 08700 Igualada. Tf: 93 8035300 Fax: 93 8031589 jordi@euetii.upc.edu

Alabern Morera, Xavier ETSEI de Terrassa. Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d’Enginyeria Elèctrica. C./ Colom 11, 08222 Terrassa. Tf: 93 739 80 35 alabern@ee.upc.edu

ABSTRACT

En este trabajo se presentan las características de los materiales ferromagnéticos blandos más utilizados para construir máquinas eléctricas y se razona cuáles de ellos son aptos para realizar pantallas magnéticas para líneas eléctricas. La pretensión del trabajo es aportar conocimientos acerca de las características (magnéticas, eléctricas, mecánicas, acabado térmico, precio, etc.) a tener en cuenta para seleccionar el material adecuado para realizar pantallas del campo magnético a frecuencia de red. Los materiales ferromagnéticos blandos o dulces son muy utilizados en los núcleos de la mayor parte de máquinas eléctricas (transformadores, motores, generadores, relés, etc.) porque permiten concentrar y canalizar el flujo magnético generado por las bobinas que contienen dichas máquinas. Palabras clave Materiales ferromagnéticos, pantallas del campo magnético, líneas eléctricas.

INTRODUCCIÓN

Los materiales ferromagnéticos blandos o dulces son muy utilizados en los núcleos de todas las máquinas eléctricas (transformadores, motores, generadores, relés, etc.) ya que permiten concentrar y canalizar el flujo magnético generado por las bobinas que contienen dichas máquinas. Normalmente dichos materiales van laminados; la finalidad de dichas láminas es minimizar las pérdidas en los núcleos debidas a las corrientes parásitas de Foucault. El espesor de las chapas para frecuencia de red suele ser de 0,35 mm pero para frecuencias más altas se emplean chapas más delgadas de hasta 0,15 mm. Cuando se empezó a trabajar con este tipo de materiales, los investigadores se dieron cuenta que prácticamente todos ellos eran mecánicamente blandos (maleables y dúctiles) y de aquí su nombre. Los materiales magnéticos blandos son los que se pueden magnetizar y desmagnetizar con facilidad, por lo tanto estos materiales deben tener una fuerza coercitiva baja y un magnetismo remanente bajo, es decir, que la superficie abarcada por el ciclo de histéresis debe ser la mínima posible y por lo tanto las pérdidas por histéresis deben ser mínimas. Además deben cumplir que la permeabilidad magnética sea elevada así como el flujo de saturación (el ciclo de histéresis debe ser alto y estrecho).

El parámetro de mérito más utilizado para caracterizar a estos materiales es la permeabilidad relativa µr = B/(µo.H). Otros parámetros importantes son el campo coercitivo, la inducción de saturación y la conductividad eléctrica.

Después de laminadas, las chapas se recuecen a unos 800 ºC. El recocido favorece una orientación de los cristales que mejora en gran medida las propiedades magnéticas del material (aumenta la permeabilidad magnética).

Steimetz demostró que las pérdidas en el material provocadas por las corrientes parásitas inducidas son proporcionales al cuadrado del grosor de las láminas. Por lo tanto, al disminuir el grosor de las láminas disminuyen las pérdidas debidas a corrientes parásitas, pero nunca se pueden eliminar totalmente. Dichas pérdidas aumentan con la frecuencia y son las principales pérdidas en los núcleos de los transformadores. Para frecuencias superiores a 10 kHz es casi imposible hacer laminados efectivos y los núcleos se deben hacer con ferritas, ya que no son conductoras.

APLICACIONES DE LOS MATERIALES FERROMAGNÉTICOS BLANDOS

Las aplicaciones de los materiales ferromagnéticos blandos las podemos clasificar en aplicaciones de corriente alterna y de corriente continua.

Aplicaciones en corriente alterna (AC)

En aplicaciones AC el material continuamente realiza ciclos de magnetización y desmagnetización, por ejemplo en un transformador de potencia. En todas estas aplicaciones es deseable una alta permeabilidad magnética y es muy importante la disipación de energía debida a los ciclos de histéresis (se reducen las pérdidas disminuyendo Hc y por lo tanto el área de los ciclos), a las pérdidas debidas a las corrientes parásitas (éstas se reducen disminuyendo la conductividad eléctrica y laminando el material) y a otras pérdidas debidas al movimiento de los dominios ferromagnéticos en el interior del material (éstas se reducen teniendo un material completamente homogéneo, de este modo se eliminan las oposiciones internas al movimiento de los dominios ferromagnéticos).

Los materiales ferromagnéticos blandos son muy utilizados en los núcleos de todas las máquinas eléctricas (transformadores, motores, generadores, etc.). También se utilizan en motores de imanes permanentes, donde canalizan el flujo magnético creado por los imanes permanentes.

También se pueden utilizar para efectuar pantallas del campo magnético alterno. En estos casos se deben elegir materiales sin laminar que tengan una profundidad de penetración δ como más pequeña posible. En corriente alterna el apantallado es debido a que el campo magnético induce en el interior del material conductor unas corrientes que generan un campo magnético opuesto al que pretendemos apantallar, de modo que el campo resultante puede llegar a ser prácticamente nulo. La profundidad de penetración se define como:

δ = (π.φ.µ.σ)-1/2 (1) Para que las pantallas sean efectivas es necesario que el grosor del material sea

del orden de tres veces la profundidad de penetración. Por lo tanto, para obtener blindajes efectivos a frecuencia industrial cuyos grosores sean mínimos es necesario que el producto µ.σ sea tan elevado como sea posible. Por lo tanto estos materiales deben tener una alta permeabilidad magnética y una elevada conductividad eléctrica. Existen materiales ferromagnéticos que cumplen estos requisitos.

Para frecuencias superiores a unos pocos kHz son más efectivos los blindajes de cobre o aluminio (materiales buenos conductores) porque la permeabilidad magnética de los materiales ferromagnéticos decrece al aumentar la frecuencia.

Aplicaciones en corriente continua (DC) En aplicaciones de corriente continua el material se magnetiza para una

operación determinada y al finalizar esta es desmagnetizado. Por ejemplo un electroimán de desguace se magnetiza para recoger la chatarra y se desmagnetiza para dejar la chatarra en su sitio. En pantallas de corriente continua el flujo magnético debe ser canalizado a través del material y es especialmente importante disponer de una elevada permeabilidad magnética. Cuando el material es utilizado para generar un campo magnético intenso o para crear una fuerza elevada es importante la magnetización de saturación.

Los materiales ferromagnéticos blandos también se utilizan para las piezas ferromagnéticas de los polos magnéticos, para canalizar y amplificar los campos producidos por el imán permanente o el solenoide. Los interruptores electromagnéticos también utilizan dichos materiales.

Una de las principales aplicaciones de los materiales ferromagnéticos blandos en el caso de corriente continua es en el campo del apantallado magnético. Se define la efectividad S del blindaje en un punto del espacio como el ratio entre el campo magnético medido en este punto cuando hay pantalla y el campo magnético cuando no hay pantalla:

S = Bcon pantalla/Bsin pantalla (2) La efectividad del blindaje resulta ser S = 1 cuando no hay apantallado,

mientras que cuando el apantallado es total vale S = 0. La figura 1 muestra el efecto de pantalla debido a un cilindro o una esfera de

material ferromagnético blando. Debido a su alta permeabilidad magnética, el flujo magnético es canalizado a través del material, dejando la zona interior del cilindro o de la esfera libre de campo magnético.

Figura 1. Apantallado del campo magnético debido a un cilindro o a una esfera de material

ferromagnético blando.

Para un cilindro, la efectividad del blindaje S(3) se calcula a partir de la

ecuación:

222

212 )1()1(

4

−⋅−+=

rr

r

RR

Sµµ

µ (3)

R1 y R2 son, respectivamente, los radios interno y externo del cilindro. Para pantallas cilíndricas de alta permeabilidad magnética y grosor es reducidos

que cumplen µr.(R2-R1)/R1>>1, la expresión (1) se puede simplificar resultando:

).(

.2

12

1

RRRS

r −≈

µ (3’)

Para una pantalla esférica, la efectividad del blindaje S [3] se calcula a partir de la ecuación:

2

32

31 )1(2)1.2).(2(

9

−⋅⋅−++=

rrr

r

RR

Sµµµ

µ (4)

Para pantallas esféricas de alta permeabilidad magnética y grosor es reducidos que cumplen µr.(R2-R1)/R1>>1, la expresión (2) se puede simplificar resultando:

).(.2

.3

12

1

RRRS

r −≈

µ (4’)

De las ecuaciones anteriores se desprende que como más alta sea la permeabilidad magnética más cercano a 0 será la efectividad del blindaje, es decir, mejor funcionará éste.

ALEACIONES HIERRO-SILICIO

Las aleaciones hierro-silicio (conocidas como aceros eléctricos o electrical steels) constituyen el material magnético blando más utilizado actualmente. Se utilizan para los núcleos de hierro de los motores, generadores, transformadores, actuadores electromagnéticos, relés, etc. Los núcleos de las máquinas concentran el campo magnético y hacen al electroimán más potente. El material del núcleo debe ser fácil de magnetizar y desmagnetizar.

El continuo crecimiento de la generación de energía eléctrica ha requerido el desarrollo de materiales que permitan incrementar el rendimiento energético de las máquinas eléctricas. Las aleaciones hierro-silicio presentan baja disipación de energía y permiten minimizar el peso y el volumen de dichas máquinas.

El primer material magnético blando que se utilizó fue el hierro, que contenía muchas impurezas. Los investigadores se dieron cuenta que al añadir silicio incrementaba su resistividad, disminuían las pérdidas por histéresis, incrementaba su permeabilidad magnética y se eliminaba en gran parte el envejecimiento.

El proceso de magnetización del hierro está muy influido por las impurezas, la orientación y las dimensiones de los granos (dominios ferromagnéticos), las tensiones mecánicas, el grosor de las láminas así como la lisura de las superficies. Eliminar las impurezas mejora mucho las propiedades magnéticas del material porque éstas dificultan la orientación de los dominios. Los aceros al silicio son excepcionalmente puros (se les debe eliminar el contenido en carbono antes del recocido).

Cuando al hierro se añade silicio aumenta su resistividad (para el hierro puro vale 10 µΩ.cm) y así disminuyen las pérdidas por corrientes parásitas y disminuye el flujo de saturación.

Como muestra la figura 2, un 3% en peso de silicio hace incrementar resistividad eléctrica del material en un factor superior a 4. El silicio también reduce el fenómeno de la magnetostricción (cambio de longitud durante la magnetización) y la anisotropía magnetocristalina.

El material se emplea en forma de láminas de entre 0,3 y 0,7 mm de grosor. La adición de demasiado silicio hace que el material se vuelva quebradizo y poco dúctil. Esto dificulta su laminación siendo el límite práctico de un 4 % de peso en silicio. Una técnica reciente permite producir laminaciones con una proporción de silicio superior al 6 % en peso mediante una deposición de SiCl4 en forma de vapor una vez se ha laminado el material. La mayor parte de los aceros eléctricos contienen entre un 3 y un 4 % de silicio.

Porcentaje de contenido en silicio

0 1 2 3 4 5 6

Res

istiv

idad

(µΩ

.cm

)

10

20

30

40

50

60

70

80

Figura 2. Resistividad eléctrica de la aleación hierro-silicio al variar el contenido de silicio. Como regla general la permeabilidad magnética aumenta a medida que lo hace

el grosor de las láminas y se reduce a medida que aumenta el contenido de silicio. La inducción de saturación es otro factor importante y decrece al aumentar el contenido de silicio tal como muestra la figura 3.

Porcentaje de contenido en silicio

0.0 2.5 5.0 7.5 10.0

Indu

cció

n de

sat

urac

ión

(T)

1.50

1.75

2.00

2.25

Figura 3. Inducción de saturación de la aleación hierro-silicio al variar el contenido de silicio.

El acero templado normal, el acero al carbono o el hierro puro presentan un

campo remanente elevado, quedando fuertemente magnetizados al retirar el campo magnético exterior. Esto se puede comprobar acercando un imán permanente a un clavo o a un destornillador, quedando estos magnetizados. La adición de silicio reduce este efecto.

Las aleaciones hierro-silicio pueden ser de grano orientado o de grano no orientado. Las primeras producen núcleos más eficaces porque canalizan el campo magnético paralelamente a su estructura granulada de modo que la permeabilidad magnética es mayor en la dirección de laminación que en los materiales no orientados.

Recocido

Los aceros eléctricos, a diferencia de las ferritas, normalmente se recuecen en un horno después de su procesado mecánico para luego ser enfriados hasta la temperatura ambiente. Este proceso se debe realizar sin que el material sufra estrés térmico. Este proceso elimina en gran parte las tensiones mecánicas (estas pueden reducir extraordinariamente las propiedades magnéticas) debido a los procesos de

mecanizado y permite que el material pueda retornar a su estado inicial. Este proceso se debe repetir si el acero eléctrico ha sufrido nuevas tensiones en procesos como laminado, corte, apilonado, etc. El recocido normalmente lo hace el fabricante del producto final.

El recocido permite que los cristales recuperen su orientación original. El recocido esencialmente se basa en elevar la temperatura del material a una velocidad determinada hasta una temperatura límite, mantener dicha temperatura durante un tiempo determinado y disminuir progresivamente la temperatura hasta la temperatura ambiente. El ciclo completo debe ser tan corto como sea posible sin generar en el material estrés térmico. El gradiente térmico debe tener en cuenta la masa y las dimensiones del material que se recuece, pudiendo variar entre 20 y 170 °C/h. La temperatura máxima necesaria para el recocido suele ser de unos 800 ºC. El tiempo durante el cual se debe aplicar esta temperatura es el mínimo necesario para que incluso las partes más internas del material estén a esta temperatura.

El ciclo completo se debe hacer en una atmósfera controlada para evitar posibles contaminaciones químicas del acero. En particular se deben evitar contaminaciones debidas a carbono, oxígeno y vapor de agua. Normalmente se recomienda una atmósfera de nitrógeno seco con un 5 % a un 10 % de hidrógeno.

Aceros de grano orientado

Los aceros de grado orientado son aleaciones hierro-silicio que tienen la mayor parte de los cristales orientados en la dirección de laminación. En las otras direcciones del plano del material las propiedades magnéticas disminuyen. En este sentido son materiales anisótropos. Controlando estrictamente la composición del acero y los procesos de laminado en frío y en caliente y de recocido, los cristales quedan alineados según la dirección de laminación. Por lo tanto, estos materiales proporcionan una superior permeabilidad en la dirección de laminación, así como bajas pérdidas del núcleo y menor magnetostricción. El resultado es un aumento en el rendimiento energético de las máquinas eléctricas que tienen núcleos de dicho material así como una reducción de su peso (por necesitar menor cantidad de material).

Se utilizan en transformadores (potencia, distribución, balastos, instrumentos, audio), generadores (turbinas de vapor y de agua) y otras máquinas eléctricas cuando se persiguen rendimientos elevados. Para aplicaciones como el núcleo de los transformadores el flujo se canaliza predominantemente según la dirección de las láminas. Por lo tanto es deseable aumentar la permeabilidad magnética en dicha dirección.

A las láminas se les da un recubrimiento de silicato de magnesio que proporciona un aislamiento eléctrico entre láminas contiguas. Este recubrimiento y la textura de los aceros de grano orientado hacen disminuir la magnetostricción y por lo tanto disminuye el ruido de los transformadores.

A veces también se utiliza el láser Nd:YAG que barre rápidamente el material perpendicularmente a la dirección de laminación, produciendo microtensiones térmicas que generan nuevas paredes en los dominios ferromagnéticos. De este modo, al subdividirse los dominios, se reducen las pérdidas en el núcleo debidas a la orientación de los dominios ferromagnéticos. Se debe tener en cuenta que un recocido posterior anularía este efecto.

Aceros de grano no orientado

Los aceros de grano no orientado son más económicos que los de grano orientado pero tienen propiedades magnéticas inferiores. Estos aceros son aleaciones hierro-silicio que poseen prácticamente las mismas propiedades magnéticas en todas las direcciones del plano del material. No son tan sensibles a las tensiones mecánicas como lo son los aceros de grano orientado y por lo tanto no es tan esencial el recocido aunque sigue siendo necesario.

Sus aplicaciones incluyen pequeños y grandes motores, pequeños y grandes

transformadores, balastos de iluminación y bobinas de encendido eléctrico. Se utilizan principalmente en máquinas rotativas medias y grandes, en

pequeños transformadores, en electrodomésticos así como en relés y solenoides. Los aceros de grano no orientado suelen contener entre un 0.5 a un 3.25 % de

silicio y hasta un 0.5 % de aluminio.

Aleaciones níquel-hierro Estas aleaciones níquel-hierro (perminvar, permalloy, supermalloy, mumetal,

etc.) son muy versátiles y se usan en un amplio intervalo de composiciones, desde un 30 % hasta un 80 % en peso de níquel. Las propiedades magnéticas varían dependiendo del contenido de níquel y la composición óptima depende de cada aplicación. Estas aleaciones son más caras que las aleaciones hierro-silicio y se utilizan en los núcleos de pequeños transformadores (poco volumen de material y por lo tanto el costo del material influencia poco), en pequeños motores, en equipos de telecomunicaciones y en aplicaciones donde se requieren permeabilidades magnéticas muy elevadas como es el caso de las pantallas magnéticas. Poseen muy baja anisotropía magnética (magnetocristalina y magnetoelástica) por lo que presentan muy bajas pérdidas magnéticas.

Al aumentar el contenido de níquel la permeabilidad magnética inicial y la conductividad eléctrica aumentan pero la magnetización de saturación disminuye.

El mumetal (con este nombre se conocen diversas aleaciones con aproximadamente un 80 % de Ni, un 15 % de hierro y pequeños porcentajes de cobre, cromo o molibdeno; bajo este nombre nos podemos referir a aleaciones patentadas bajo los nombres permalloy, supermalloy, etc.) tiene una permeabilidad relativa máxima del orden de 300000 y una coercividad intrínseca muy baja. Es una aleación níquel-hierro que también contiene pequeñas proporciones de cobre y cromo. Se produce mediante un tratamiento térmico muy controlado. Es muy utilizado en blindajes magnéticos por su elevada permeabilidad magnética y tiene un precio elevado.

Tabla I. Características magnéticas de diversos materiales ferromagnéticos blandos[8].

Las aleaciones níquel-hierro se hacen fundiendo los metales puros en una

atmósfera de hidrógeno o en vacío en un horno eléctrico normalmente de alta frecuencia. Es de primordial importancia el tratamiento térmico que se les aplique para optimizar las propiedades magnéticas.

La tabla I muestra la composición aproximada, la permeabilidad magnética relativa máxima y la inducción de saturación para diferentes materiales ferromagnéticos blandos entre los que se encuentran varios compuestos de níquel-hierro.

COMPOSICIÓN APROX. % Nombre comercial

FormaFe Ni Co Mo OTROS

µr màx. Bsat (T)

Hierro Lámina 99,91 --- --- --- --- 5000 2,15 Hierro purificado Lámina 99,95 --- --- --- --- 180000 2,15 Acero al silicio

Grano no orientado Lámina 96 4 Si 7000 1,97

Acero al silicio Grano orientado Lámina 97 3 Si 30000 2,00

Permalloy 45 Lámina 54,7 45 --- --- 0,3 Mn 50000 1,60 Hipernik Lámina 50 50 --- --- --- 70000 1,60

Permalloy 78 Lámina 21,2 78,5 --- --- 0,3 Mn 100000 1,07 Permalloy 4-79 Lámina 16,7 79 --- 4 0,3 Mn 100000 0,87

Mumetall Lámina 18 75 --- --- 2 Cr, 5 Cu 100000 0,65 Supermalloy Lámina 15,7 79 --- 5 0,3 Mn 800000 0,80 Permendur Lámina 49,7 --- 50 --- 0,3 Mn 5000 2,45

Permendur 2V Lámina 49 --- 49 --- 2 V 4500 2,40 Hiperco Lámina 64 --- 34 --- 2 Cr 10000 2,42

La tabla II muestra la conductividad y la densidad másica de diversos materiales ferromagnéticos.

Tabla II. Conductividad eléctrica y densidad de diversos materiales ferromagnéticos blandos[8]. La figura 4 muestra las curvas de imanación y las permeabilidades relativas de

diversos materiales ferromagnéticos blandos, entre los que hay varias aleaciones níquel-hierro.

Figura 4. Curvas de imantación de diversos materiales ferromagnéticos blandos.

Aleaciones amorfas y nanocristalinas

Estos materiales consisten en hierro, níquel y/o cobalto con uno o más de los elementos siguientes: boro, carbono, fósforo y silicio. Presentan una coercividad extremamente baja (un orden de magnitud inferior a la del hierro-silicio) debido a la muy baja anisotropía cristalina que presentan, y, por lo tanto, tienen unas pérdidas magnéticas muy reducidas. Por el contrario, presentan una magnetización relativamente baja y no son adecuados para aplicaciones de intensidad elevada. Sus aplicaciones se encuentran en pequeños dispositivos que requieren bajas intensidades de corriente, donde pueden competir con las aleaciones níquel-hierro.

Las aleaciones amorfas presentan mínimas anisotropías magnetocristalina y magnetoelástica, y una resistividad elevada (aproximadamente un orden de magnitud

Nombre comercial Forma σ (S/m) d (g/cm3)

Hierro Lámina 107 7,88 Hierro purificado Lámina 107 7,88 Acero al silicio

Grano no orientado Lámina 1,67.106 7,65

Acero al silicio Grano orientado Lámina 2,13. 106 7,67

Permalloy 45 Lámina 2,22. 106 8,17 Hipernik Lámina 2. 106 8,25

Permalloy 78 Lámina 6,3. 106 8,60 Permalloy 4-79 Lámina 1,82. 106 8,72

Mumetall Lámina 1,61. 106 8,58 Supermalloy Lámina 1,67. 106 8,77 Permendur Lámina 1,43. 107 8,3

Permendur 2V Lámina 3,85. 106 8,2 Hiperco Lámina 4. 106 8,0

más grande que el mismo material cristalizado). Para producir alambres amorfos se lanza un chorro de aleación fundida en un baño de agua o de aceite. Estos alambres presentan un ciclo de histéresis muy cuadrado con cambios importantes en la magnetización para campos débiles, haciéndoles ideales para sensores e interruptores. También presentan mucho interés los materiales nanocristalinos, que se obtienen recociendo el material amorfo. Están formados por granos o cristales del orden de 10 a 50 nanómetros embebidos en una matriz con estructura amorfa. Presentan una resistividad eléctrica relativamente elevada, muy baja anisotropía y buena resistencia mecánica.

COMO APANTALLAR EL CAMPO MAGNÉTICO GENERADO POR UNA LÍNEA ELÉCTRICA

La figura siguiente muestra el campo magnético generado por un conductor único y rectilíneo, con una intensidad que entra en el plano del papel. El dibujo es válido tanto si por el conductor circula corriente continua como si circula corriente alterna.

Figura 5. Campo magnético generado por un conductor único.

Cuando se trabaja con corriente continua, un cilindro hueco de material

ferromagnético no hace la función de pantalla del campo magnético. Atendiendo a la ley de Ampere: como a través de una línea circular de radio r externa a la pantalla (ver la figura 6) la corriente total no se ve modificada por el hecho de haber introducido el cilindro hueco, el campo magnético en el exterior de dicho cilindro es el mismo que si éste no estuviera.

Figura 6. Conductor y pantalla cilíndrica. Cuando se trabaja con corriente alterna lo explicado en el párrafo anterior sigue

siendo cierto pero en este caso, debido a la variación temporal del campo magnético (y por lo tanto del flujo magnético) generado por la línea, aparecen unas corrientes parásitas inducidas en la pantalla conductora. Estas corrientes crean un campo magnético que se opone al campo creado por la línea, de modo que el campo total tiende a anularse.

Como ya se ha explicado anteriormente, para realizar una buena pantalla del

I

r

IdlB oc µ=∫ .

campo magnético a frecuencia de red con un grosor lo más delgado posible es necesario utilizar un material ferromagnético que tenga una profundidad de penetración lo más reducida posible, dicho material debe poseer una permeabilidad magnética lo más grande posible y una conductividad eléctrica también elevada. Como más delgada sea la pantalla, más económica será. Para obtener reducciones del campo magnético importantes se debería cumplir que el grosor de la pantalla ferromagnética fuera como mínimo de tres veces la profundidad de penetración.

SELECCIÓN DE LOS MATERIALES PARA APANTALLAR EL CAMPO MAGNÉTICO GENERADO POR UNA LÍNEA ELÉCTRICA

Como se ha explicado anteriormente, para realizar pantallas efectivas del campo magnético a frecuencia de red es primordial disponer de materiales ferromagnéticos con elevadas permeabilidad magnética y conductividad eléctrica. Otro factor a tener en cuenta es el coste económico de dichas pantallas. Para minimizar el coste económico se ha de minimizar el peso de material a utilizar en las pantallas, es decir, el espesor de estas y utilizar, a ser posible, materiales económicos.

Para realizar pantallas económicas una buena opción es utilizar acero al silicio de grano no orientado. Pero debido a la distribución del campo magnético generado por la línea, el acero al silicio de grano orientado presenta mejores características. Estos dos tipos de acero son materiales muy utilizados en la construcción de máquinas eléctricas y tienen un costo muy inferior al de otros materiales comúnmente utilizados como pantallas del campo magnético (por ejemplo las aleaciones de hierro-níquel).

Los aceros al silicio de grano orientado permiten maximizar la permeabilidad del material en la dirección de laminación y esto les proporciona mejores características magnéticas para el problema en estudio que las que presentan los aceros al silicio de grano no orientado.

La figura 7 muestra la dirección de máxima orientación de los cristales en una chapa de material ferromagnético blando, es decir la dirección de permeabilidad magnética máxima.

A partir de la lámina de la figura 7, es fácil obtener la pantalla cilíndrica mostrada en la figura 8.

Figura 7. Dirección de permeabilidad magnética máxima en un acero al silicio de grano orientado.

Figura 8. Pantalla cilíndrica y dirección de máxima permeabilidad magnética. La figura 9 muestra que la dirección de permeabilidad máxima de la pantalla

magnética (flecha roja) coincide con la dirección del campo magnético generado por el conductor eléctrico. Por lo tanto, las corrientes parásitas inducidas en el interior de la pantalla generan un campo magnético cuya dirección coincide con la dirección de máxima permeabilidad magnética. De este modo se minimiza la profundidad de penetración dada por la expresión δ = (π.f.µmáxima.σ)-1/2, permitiendo grosores mínimos de la pantalla.

Figura 9. Pantalla cilíndrica y campo magnético creado por el conductor.

Figura 10. El campo generado por las corrientes parásitas se opone al creado por el conductor. Por lo tanto, la disposición geométrica estudiada en este trabajo permite

aprovechar al máximo la elevada permeabilidad magnética del acero al silicio de grano orientado en la dirección de laminación, obteniendo pantallas del campo magnético de espesor reducido (y reducido coste económico) con materiales comúnmente utilizados en la industria de máquinas eléctricas.

EXTENSIÓN AL CASO DE UNA LÍNEA TRIFÁSICA

Para simplificar los dibujos y las explicaciones, los ejemplos que se han puesto en los apartados 4 y 5 hacen referencia al caso de un conductor único. Muchas veces interesará apantallar el campo magnético generado por una línea monofásica o por una línea trifásica. En estas situaciones tanto los materiales utilizados para las pantallas como su geometría coincidirán con lo expuesto en los apartados 4 y 5.

A partir de la figura 11 (muestra el campo magnético generado por una línea trifásica equilibrada en corrientes) se puede apreciar que el campo magnético generado por la línea trifásica sigue girando entorno a los tres conductores de la línea, de modo similar a como ocurre en el caso de un conductor único. Por lo tanto las justificaciones del apartado 5 siguen siendo válidas en el caso de una línea monofásica o trifásica.

La figura 12 muestra la pantalla y el campo magnético generado por la línea, donde la dirección de máxima imantación coincide bastante con la dirección del campo generado por la línea.

Campo magnético generado por el conductor

Campo magnético debido a las corrientes inducidas

Figura 11. Líneas de campo magnético generadas por una línea trifásica equilibrada.

Figura 12. Pantalla del campo magnético para una línea trifásica.

CONCLUSIONES

A continuación se exponen las conclusiones de este trabajo:

• Los aceros de grano orientado al silicio presentan unas propiedades eléctricas (conductividad eléctrica) y magnéticas (elevada permeabilidad magnética) muy apropiadas para realizar pantallas magnéticas de los campos magnéticos generados por las líneas eléctricas.

• Los aceros de grano no orientado presentan propiedades magnéticas inferiores a los de grano no orientado para ser utilizados en pantallas magnéticas para líneas eléctricas.

• Si se somete el acero al silicio a tensiones mecánicas y/o térmicas, pueden disminuir sus propiedades magnéticas y, por lo tanto, disminuir la eficacia de la pantalla. Este fenómeno afecta más intensamente a los aceros de grano orientado que a los de grano no orientado. Por lo tanto, conviene evitar dichas tensiones al producto final.

• El tratamiento térmico final aplicado a los aceros al silicio es muy importante para determinar las características magnéticas del material final.

REFERENCIAS

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