núcleo magnético

Los núcleos de polvo están compuestos de granos metálicos mezclados con un aglutinante orgánico o inorgánico adecuado, y prensados ​​hasta alcanzar la densidad deseada. Se logra una mayor densidad con mayor presión y menor cantidad de aglutinante. Los núcleos de mayor densidad presentan mayor permeabilidad, pero menor resistencia y, por lo tanto, mayores pérdidas por corrientes parásitas. Las partículas más finas permiten operar a frecuencias más altas, ya que las corrientes parásitas se limitan principalmente al interior de los granos individuales. El recubrimiento de las partículas con una capa aislante, o su separación con una fina capa de aglutinante, reduce las pérdidas por corrientes parásitas. La presencia de partículas más grandes puede degradar el rendimiento a alta frecuencia. La permeabilidad está influenciada por el espacio entre los granos, que forman un espacio de aire distribuido; cuanto menor sea el espacio, mayor será la permeabilidad y menor la saturación blanda. Debido a la gran diferencia de densidades, incluso una pequeña cantidad de aglutinante, en términos de peso, puede aumentar significativamente el volumen y, por lo tanto, el espacio entre granos.

Los materiales de menor permeabilidad son más adecuados para frecuencias más altas, debido al equilibrio entre las pérdidas en el núcleo y en el bobinado.

La superficie de las partículas suele estar oxidada y recubierta con una capa de fosfato para proporcionarles aislamiento eléctrico mutuo.

Una bobina sin núcleo magnético se denomina bobina de núcleo de aire . Esto incluye bobinas enrolladas sobre una base de plástico o cerámica, además de las fabricadas con alambre rígido autoportante con aire en su interior. Las bobinas de núcleo de aire suelen tener una inductancia mucho menor que las bobinas de núcleo ferromagnético de tamaño similar, pero se utilizan en circuitos de radiofrecuencia para evitar las pérdidas de energía, denominadas pérdidas de núcleo , que se producen en los núcleos magnéticos. La ausencia de estas pérdidas permite un factor Q más elevado , por lo que las bobinas de núcleo de aire se utilizan en circuitos resonantes de alta frecuencia , hasta unos pocos megahercios. Sin embargo, persisten pérdidas como el efecto de proximidad y las pérdidas dieléctricas . Las bobinas de núcleo de aire también se utilizan cuando se requieren intensidades de campo superiores a unos 2 Tesla, ya que no se saturan.

Generalmente fabricada de ferrita o hierro en polvo, se utiliza en radios, sobre todo para ajustar un inductor . La bobina se enrolla alrededor de la varilla, o bien se utiliza un molde con la varilla en su interior. Al mover la varilla dentro o fuera de la bobina, se modifica el flujo magnético que la atraviesa, lo que permite ajustar la inductancia . A menudo, la varilla tiene rosca para facilitar el ajuste con un destornillador. En los circuitos de radio, una vez ajustado el inductor, se utiliza una gota de cera o resina para evitar que el núcleo se mueva.

La presencia del núcleo de alta permeabilidad aumenta la inductancia , pero las líneas del campo magnético aún deben atravesar el aire desde un extremo de la varilla hasta el otro. El recorrido del aire garantiza que el inductor se mantenga lineal . En este tipo de inductor, se produce radiación en el extremo de la varilla y la interferencia electromagnética puede ser un problema en ciertas circunstancias.

Tiene forma de varilla cilíndrica pero cuadrada, y rara vez se usa sola. Este tipo de núcleo se encuentra con mayor frecuencia en las bobinas de encendido de los automóviles.

Los núcleos en forma de U y C se utilizan junto con un núcleo en forma de I u otro núcleo en forma de C o U para formar un núcleo cuadrado cerrado, la forma más simple de núcleo cerrado. Los devanados pueden colocarse en una o ambas ramas del núcleo.

Un núcleo en forma de U, con esquinas afiladas.

El núcleo en forma de C, con esquinas redondeadas.

Los núcleos en forma de E son soluciones más simétricas para formar un sistema magnético cerrado. Generalmente, el circuito eléctrico se enrolla alrededor de la pata central, cuya sección transversal es el doble que la de cada pata exterior. En los núcleos de transformadores trifásicos, las patas tienen el mismo tamaño y las tres están enrolladas.

Núcleo de Mi clásico

El núcleo EFD permite la construcción de inductores o transformadores con un perfil más bajo.

El núcleo ETD tiene una pata central cilíndrica.

El núcleo EP se encuentra a medio camino entre un núcleo E y un núcleo pot.

núcleo "E" e "I"

Las láminas de hierro adecuadas, troqueladas con formas como las letras "E" e "I" ( sin serifa ) , se apilan con la "I" contra el extremo abierto de la "E" para formar una estructura de tres patas. Se pueden enrollar bobinas alrededor de cualquiera de las patas, pero generalmente se utiliza la central. Este tipo de núcleo se usa frecuentemente en transformadores de potencia, autotransformadores e inductores.

Construcción de un inductor utilizando dos núcleos ER , una bobina de plástico y dos clips. La bobina tiene pines para soldar a una placa de circuito impreso .

Vista explosionada de la figura anterior que muestra la estructura.

Un núcleo plano consta de dos piezas planas de material magnético, una encima y otra debajo de la bobina. Se suele utilizar con una bobina plana integrada en una placa de circuito impreso . Este diseño es ideal para la producción en masa y permite fabricar un transformador de alta potencia y tamaño reducido a bajo coste. Si bien no es tan óptimo como un núcleo de tipo potenciómetro o toroidal , su producción resulta más económica.

Un núcleo plano en forma de 'E'

Un inductor planar

Vista explosionada que muestra la pista en espiral realizada directamente sobre la placa de circuito impreso.

Generalmente de ferrita o similar. Se utiliza en inductores y transformadores . El núcleo de la bobina tiene forma redonda con una cavidad interna que la envuelve casi por completo. Normalmente, se compone de dos mitades que se unen alrededor de un soporte ( bobina ). Este diseño de núcleo proporciona un efecto de apantallamiento , evitando la radiación y reduciendo las interferencias electromagnéticas .

Un núcleo de olla de tipo 'RM'

Un núcleo de olla normal

Este diseño se basa en un toroide (con forma de rosquilla ). La bobina se enrolla a través del orificio del toroide y alrededor de su exterior. Una bobina ideal se distribuye uniformemente alrededor de la circunferencia del toroide. La simetría de esta geometría crea un campo magnético de bucles circulares dentro del núcleo, y la ausencia de curvas pronunciadas confina prácticamente todo el campo al material del núcleo. Esto no solo da como resultado un transformador de alta eficiencia , sino que también reduce la interferencia electromagnética radiada por la bobina.

Es popular para aplicaciones donde las características deseables son: alta potencia específica por masa y volumen , bajo zumbido de red y mínima interferencia electromagnética . Una de estas aplicaciones es la fuente de alimentación para un amplificador de audio de alta fidelidad . El principal inconveniente que limita su uso para aplicaciones de propósito general es la dificultad inherente de enrollar el cable a través del centro de un toroide.

A diferencia de un núcleo dividido (un núcleo compuesto por dos elementos, como un par de núcleos en E ), se requiere maquinaria especializada para el bobinado automatizado de un núcleo toroidal. Los toroides generan menos ruido audible, como el zumbido de la red eléctrica, porque las fuerzas magnéticas no ejercen momento flector sobre el núcleo. Este solo se encuentra sometido a compresión o tensión, y su forma circular le confiere mayor estabilidad mecánica.

El anillo es esencialmente idéntico en forma y rendimiento al toroide, excepto que los inductores normalmente solo pasan por el centro del núcleo, sin rodearlo varias veces.

El núcleo anular también puede estar compuesto por dos hemisferios separados en forma de C, unidos entre sí dentro de una carcasa de plástico, lo que permite colocarlo sobre cables terminados con conectores grandes ya instalados, que impedirían pasar el cable a través del pequeño diámetro interior de un anillo sólido.

Cuando el campo magnético a través del núcleo cambia, la magnetización del material del núcleo cambia debido a la expansión y contracción de los diminutos dominios magnéticos que lo componen, a causa del movimiento de las paredes de dominio . Este proceso causa pérdidas, porque las paredes de dominio se "enganchan" en defectos de la estructura cristalina y luego "se "deslizan" más allá de ellos, disipando energía en forma de calor. Esto se denomina pérdida por histéresis . Se puede observar en la gráfica del campo B frente al campo H para el material, que tiene la forma de un bucle cerrado. La energía neta que fluye hacia el inductor, expresada en relación con la característica BH del núcleo, se muestra en la ecuación ^{[ 12 ].}

${\displaystyle W=\int {\left(nA_{c}{\frac {dB(t)}{t}}\right)\left({\frac {H(t)l_{m}}{n}}\right)dt}=(A_{c}l_{m})\int {HdB}}$

Esta ecuación muestra que la cantidad de energía perdida en el material en un ciclo del campo aplicado es proporcional al área dentro del bucle de histéresis . Dado que la energía perdida en cada ciclo es constante, las pérdidas de potencia por histéresis aumentan proporcionalmente con la frecuencia . ^{[ 13 ]} La ecuación final para la pérdida de potencia por histéresis es ^{[ 12 ]}

${\displaystyle P_{H}=(f)(A_{c}l_{m})\int {HdB}}$

Si el núcleo es conductor de electricidad , el campo magnético variable induce en él bucles de corriente circulantes, llamados corrientes parásitas , debido a la inducción electromagnética . ^{[ 14 ]} Los bucles fluyen perpendicularmente al eje del campo magnético. La energía de las corrientes se disipa como calor en la resistencia del material del núcleo. La pérdida de potencia es proporcional al área de los bucles e inversamente proporcional a la resistividad del material del núcleo. Las pérdidas por corrientes parásitas se pueden reducir haciendo el núcleo de láminas delgadas con un recubrimiento aislante o, alternativamente, haciéndolo de un material magnético con alta resistencia eléctrica, como la ferrita . ^{[ 15 ]} La mayoría de los núcleos magnéticos destinados a aplicaciones de convertidores de potencia utilizan núcleos de ferrita por esta razón.

Por definición, esta categoría incluye cualquier pérdida adicional a las pérdidas por corrientes parásitas e histéresis. Esto también puede describirse como un ensanchamiento del bucle de histéresis con la frecuencia. Entre los mecanismos físicos que provocan pérdidas anómalas se incluyen los efectos localizados de las corrientes parásitas cerca de las paredes de dominio en movimiento.

Una ecuación conocida como ecuación de Legg modela las pérdidas en el núcleo del material magnético a bajas densidades de flujo . La ecuación tiene tres componentes de pérdida: histéresis, residual y corrientes parásitas, ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} y está dada por

${\displaystyle {\frac {R_{\text{ac}}}{\mu L}}=aB_{\text{max}}f+cf+ef^{2}}$

dónde

• ${\displaystyle R_{ac}}$es la resistencia de pérdida del núcleo efectiva (ohmios),
• ${\displaystyle \mu }$es la permeabilidad del material ,
• ${\displaystyle L}$es la inductancia (henrios),
• ${\displaystyle a}$es el coeficiente de pérdida por histéresis,
• ${\displaystyle B_{\text{máx}}}$es la densidad de flujo máxima (gauss),
• ${\displaystyle c}$es el coeficiente de pérdida residual,
• ${\displaystyle f}$es la frecuencia (hercios), y
• ${\displaystyle {\ce {e}}}$es el coeficiente de pérdida por remolinos.

Las pérdidas en los materiales magnéticos se pueden caracterizar mediante los coeficientes de Steinmetz, que, sin embargo, no tienen en cuenta la variabilidad de la temperatura. Los fabricantes de materiales proporcionan datos sobre las pérdidas en el núcleo en formato tabular y gráfico para condiciones de uso prácticas.