Núcleo magnético - Magnetic core
Um núcleo magnético é uma peça de material magnético com alta permeabilidade magnética usada para confinar e guiar campos magnéticos em dispositivos elétricos, eletromecânicos e magnéticos, como eletroímãs , transformadores , motores elétricos , geradores , indutores , cabeças de gravação magnética e conjuntos magnéticos. É feito de metal ferromagnético , como o ferro, ou compostos ferrimagnéticos , como a ferrita . A alta permeabilidade, em relação ao ar circundante, faz com que as linhas do campo magnético se concentrem no material do núcleo. O campo magnético é geralmente criado por uma bobina de fio que carrega corrente ao redor do núcleo.
O uso de um núcleo magnético pode aumentar a força do campo magnético em uma bobina eletromagnética por um fator de várias centenas de vezes o que seria sem o núcleo. No entanto, os núcleos magnéticos têm efeitos colaterais que devem ser levados em consideração. Em dispositivos de corrente alternada (CA), eles causam perdas de energia, chamadas perdas de núcleo , devido à histerese e correntes parasitas em aplicações como transformadores e indutores. Materiais magnéticos "macios" com baixa coercividade e histerese, como aço silício ou ferrita , são geralmente usados em núcleos.
Materiais básicos
Uma corrente elétrica através de um fio enrolado em uma bobina cria um campo magnético no centro da bobina, devido à lei circuital de Ampère . As bobinas são amplamente utilizadas em componentes eletrônicos como eletroímãs , indutores , transformadores , motores elétricos e geradores . Uma bobina sem núcleo magnético é chamada de bobina de "núcleo de ar". Adicionar um pedaço de material ferromagnético ou ferrimagnético no centro da bobina pode aumentar o campo magnético em centenas ou milhares de vezes; isso é chamado de núcleo magnético. O campo do fio penetra no material do núcleo, magnetizando -o, de modo que o forte campo magnético do núcleo aumenta o campo criado pelo fio. A quantidade de aumento do campo magnético pelo núcleo depende da permeabilidade magnética do material do núcleo. Como os efeitos colaterais, como correntes parasitas e histerese, podem causar perdas de energia dependentes da frequência, materiais de núcleo diferentes são usados para bobinas usadas em frequências diferentes .
Em alguns casos, as perdas são indesejáveis e com campos muito fortes a saturação pode ser um problema, e um 'núcleo de ar' é usado. Um primeiro ainda pode ser usado; um pedaço de material, como plástico ou um composto, que pode não ter nenhuma permeabilidade magnética significativa, mas que simplesmente mantém as bobinas de fios no lugar.
Metais sólidos
Ferro macio
O ferro "macio" ( recozido ) é usado em conjuntos magnéticos, eletroímãs de corrente contínua (DC) e em alguns motores elétricos; e pode criar um campo concentrado que é até 50.000 vezes mais intenso do que um núcleo de ar.
O ferro é desejável para fazer núcleos magnéticos, pois pode suportar altos níveis de campo magnético sem saturar (até 2,16 teslas à temperatura ambiente). O ferro recozido é usado porque, ao contrário do ferro "duro", tem baixa coercividade e, portanto, não permanece magnetizado quando o campo é removido, o que geralmente é importante em aplicações onde o campo magnético deve ser alternado repetidamente.
Devido à condutividade elétrica do metal, quando um núcleo de metal sólido de uma peça é usado em aplicações de corrente alternada (CA), como transformadores e indutores, o campo magnético variável induz grandes correntes parasitas circulando dentro dele, circuitos fechados de corrente elétrica em planos perpendiculares ao campo. A corrente que flui pela resistência do metal o aquece pelo aquecimento Joule , causando perdas significativas de energia. Portanto, núcleos de ferro sólido não são usados em transformadores ou indutores, eles são substituídos por núcleos de ferro laminado ou em pó, ou núcleos não condutores como ferrite .
Aço silício laminado
A fim de reduzir as perdas por correntes parasitas mencionadas acima, a maioria dos transformadores e indutores de potência de baixa frequência usa núcleos laminados , feitos de pilhas de folhas finas de aço silício :
Laminação
Os núcleos magnéticos laminados são feitos de pilhas de folhas finas de ferro revestidas com uma camada isolante, posicionando-se o mais paralelamente possível às linhas de fluxo. As camadas de isolamento servem como barreira para as correntes parasitas, de modo que as correntes parasitas só podem fluir em loops estreitos dentro da espessura de cada laminação. Como a corrente em um loop de correntes parasitas é proporcional à área do loop, isso evita que a maior parte da corrente flua, reduzindo as correntes parasitas a um nível muito pequeno. Uma vez que a energia dissipada é proporcional ao quadrado da corrente, dividir um grande núcleo em lâminas estreitas reduz drasticamente as perdas de energia. A partir disso, pode-se perceber que quanto mais finas as laminações, menores são as perdas por correntes parasitas.
Liga de silício
Uma pequena adição de silício ao ferro (cerca de 3%) resulta em um aumento dramático da resistividade do metal, até quatro vezes maior. A resistividade mais alta reduz as correntes parasitas, então o aço silício é usado em núcleos de transformadores. O aumento adicional da concentração de silício prejudica as propriedades mecânicas do aço, causando dificuldades de laminação devido à fragilidade.
Entre os dois tipos de aço silício , grão orientado (GO) e grão não orientado (GNO), o GO é o mais desejável para núcleos magnéticos. É anisotrópico , oferecendo melhores propriedades magnéticas do que GNO em uma direção. Como o campo magnético nos núcleos do indutor e do transformador está sempre na mesma direção, é uma vantagem usar aço com grão orientado na orientação preferida. As máquinas rotativas, onde a direção do campo magnético pode mudar, não ganham nenhum benefício com o aço de grão orientado.
Ligas especiais
Existe uma família de ligas especializadas para aplicações de núcleo magnético. Os exemplos são mu-metal , permalloy e supermalloy . Eles podem ser fabricados como peças estampadas ou como fitas longas para núcleos enrolados em fita. Algumas ligas, por exemplo Sendust , são fabricadas como pó e sinterizadas sob medida .
Muitos materiais requerem tratamento térmico cuidadoso para atingir suas propriedades magnéticas e perdem-se quando submetidos a abuso mecânico ou térmico. Por exemplo, a permeabilidade do metal mu aumenta cerca de 40 vezes após o recozimento na atmosfera de hidrogênio em um campo magnético; curvas mais acentuadas subsequentes interrompem seu alinhamento de grãos, levando à perda localizada de permeabilidade; isso pode ser recuperado repetindo a etapa de recozimento.
Metal vítreo
O metal amorfo é uma variedade de ligas (por exemplo, Metglas ) que não são cristalinas ou vítreas. Eles estão sendo usados para criar transformadores de alta eficiência. Os materiais podem ser altamente responsivos a campos magnéticos para baixas perdas de histerese e também podem ter menor condutividade para reduzir as perdas por correntes parasitas. As concessionárias de energia estão fazendo uso generalizado desses transformadores para novas instalações. Alta resistência mecânica e resistência à corrosão também são propriedades comuns de vidros metálicos que são positivas para esta aplicação.
Metais em pó
Os núcleos de pó consistem em grãos de metal misturados com um ligante orgânico ou inorgânico adequado e prensados até a densidade desejada. Maior densidade é obtida com maior pressão e menor quantidade de aglutinante. Núcleos de densidade mais alta têm maior permeabilidade, mas menor resistência e, portanto, maiores perdas devido a correntes parasitas. Partículas mais finas permitem a operação em frequências mais altas, já que as correntes parasitas são restritas principalmente aos grãos individuais. O revestimento das partículas com uma camada isolante, ou sua separação com uma fina camada de um ligante, diminui as perdas por correntes parasitas. A presença de partículas maiores pode degradar o desempenho de alta frequência. A permeabilidade é influenciada pelo espaçamento entre os grãos, que formam entreferro distribuído; quanto menos lacuna, maior a permeabilidade e a saturação menos suave. Devido à grande diferença de densidades, mesmo uma pequena quantidade de aglutinante, em termos de peso, pode aumentar significativamente o volume e, portanto, o espaçamento entre grãos.
Os materiais de menor permeabilidade são mais adequados para frequências mais altas, devido ao balanceamento das perdas do núcleo e do enrolamento.
A superfície das partículas é frequentemente oxidada e revestida com uma camada de fosfato, para fornecer a elas um isolamento elétrico mútuo.
Ferro
Ferro em pó é o material mais barato. Tem maior perda de núcleo do que as ligas mais avançadas, mas isso pode ser compensado tornando o núcleo maior; é vantajoso onde o custo é mais importante do que a massa e o tamanho. Fluxo de saturação de cerca de 1 a 1,5 tesla. Histerese relativamente alta e perda de corrente parasita, operação limitada a frequências mais baixas (aproximadamente abaixo de 100 kHz). Usado em indutores de armazenamento de energia, bobinas de saída CC, bobinas de modo diferencial, bobinas do regulador triac, bobinas para correção do fator de potência, indutores ressonantes e transformadores de pulso e flyback.
O aglutinante usado geralmente é epóxi ou outra resina orgânica, suscetível ao envelhecimento térmico. Em temperaturas mais altas, normalmente acima de 125 ° C, o aglutinante degrada e as propriedades magnéticas do núcleo podem mudar. Com ligantes mais resistentes ao calor, os núcleos podem ser usados até 200 ° C.
Os núcleos de pó de ferro estão mais comumente disponíveis como toróides. Às vezes, como E, EI e hastes ou blocos, usados principalmente em peças de alta potência e alta corrente.
O ferro carbonílico é significativamente mais caro do que o ferro com redução de hidrogênio.
Ferro carbonilado
Núcleos em pó feitos de ferro carbonil , um ferro altamente puro, têm alta estabilidade de parâmetros em uma ampla gama de temperaturas e níveis de fluxo magnético , com fatores Q excelentes entre 50 kHz e 200 MHz. Os pós de ferro carbonilado são basicamente constituídos por esferas de ferro do tamanho de um micrômetro revestidas por uma fina camada de isolamento elétrico . Isso é equivalente a um circuito magnético laminado microscópico (ver aço silício, acima), reduzindo assim as correntes parasitas , particularmente em frequências muito altas. O ferro carbonil tem perdas menores do que o ferro com redução de hidrogênio, mas também menor permeabilidade.
Uma aplicação popular de núcleos magnéticos baseados em ferro carbonila é em indutores e transformadores de alta frequência e banda larga , especialmente os de maior potência.
Os núcleos de ferro carbonil são freqüentemente chamados de "núcleos RF".
As partículas preparadas, "tipo E" e têm casca semelhante à cebola, com cascas concêntricas separadas por uma lacuna. Eles contêm uma quantidade significativa de carbono. Eles se comportam de forma muito menor do que seu tamanho externo sugere. As partículas do "tipo C" podem ser preparadas aquecendo as do tipo E em atmosfera de hidrogênio a 400 ° C por tempo prolongado, resultando em pós livres de carbono.
Ferro com redução de hidrogênio
Os núcleos em pó feitos de ferro com redução de hidrogênio têm maior permeabilidade, mas menor Q do que o ferro carbonil. Eles são usados principalmente para filtros de interferência eletromagnética e bobinas de baixa frequência, principalmente em fontes de alimentação comutadas .
Os núcleos de ferro com redução de hidrogênio são freqüentemente chamados de "núcleos de energia".
MPP (molypermalloy)
Uma liga de cerca de 2% de molibdênio , 81% de níquel e 17% de ferro. Perda de núcleo muito baixa, baixa histerese e, portanto, baixa distorção de sinal. Muito boa estabilidade de temperatura. Alto custo. Fluxo de saturação máximo de cerca de 0,8 tesla. Usado em filtros de alta qualidade, circuitos ressonantes, bobinas de carga, transformadores, reatores, etc.
O material foi introduzido pela primeira vez em 1940, usado no carregamento de bobinas para compensar a capacitância em linhas telefônicas longas. É utilizável até cerca de 200 kHz a 1 MHz, dependendo do fornecedor. Ainda é usado em linhas telefônicas aéreas, devido à sua estabilidade de temperatura. As linhas subterrâneas, onde a temperatura é mais estável, tendem a usar núcleos de ferrite devido ao seu menor custo.
Alto fluxo (Ni-Fe)
Uma liga de cerca de 50–50% de níquel e ferro. Armazenamento de alta energia, densidade de fluxo de saturação de cerca de 1,5 tesla. Densidade de fluxo residual próxima de zero. Usado em aplicações com alta polarização de corrente DC (filtros de ruído de linha ou indutores em reguladores de comutação) ou onde baixa densidade de fluxo residual é necessária (por exemplo, transformadores de pulso e flyback, a alta saturação é adequada para acionamento unipolar), especialmente onde o espaço é limitado. O material pode ser usado até cerca de 200 kHz.
Sendust, KoolMU
Uma liga de 6% de alumínio, 9% de silício e 85% de ferro. Perdas de núcleo maiores que MPP. Magnetoestricção muito baixa , produz baixo ruído de áudio. Perde a indutância com o aumento da temperatura, ao contrário dos outros materiais; pode ser explorado combinando-se com outros materiais como um núcleo composto, para compensação de temperatura. Fluxo de saturação de cerca de 1 tesla. Boa estabilidade de temperatura. Usado em fontes de alimentação de comutação, transformadores de pulso e flyback, filtros de ruído em linha, bobinas de oscilação e em filtros em controladores acionados por fase (por exemplo, dimmers) onde baixo ruído acústico é importante.
A ausência de níquel resulta em um processamento mais fácil do material e em seu custo mais baixo do que o alto fluxo e o MPP.
O material foi inventado no Japão em 1936. Pode ser usado até cerca de 500 kHz a 1 MHz, dependendo do fornecedor.
Nanocristalino
Um nanocristalina da liga uma liga de ferro-boro-silício padrão, com a adição de pequenas quantidades de cobre e de nióbio . O tamanho do grão do pó chega a 10-100 nanômetros. O material tem um desempenho muito bom em frequências mais baixas. É utilizado em reatores para inversores e em aplicações de alta potência. Ele está disponível com nomes como Nanoperm, Vitroperm, Hitperm e Finemet.
Cerâmica
Ferrite
Cerâmicas de ferrita são usadas para aplicações de alta frequência. Os materiais de ferrite podem ser projetados com uma ampla gama de parâmetros. Como cerâmicas, são essencialmente isolantes, o que evita correntes parasitas, embora ainda possam ocorrer perdas como perdas por histerese.
Ar
Uma bobina que não contém um núcleo magnético é chamada de núcleo de ar . Isso inclui bobinas enroladas em plástico ou cerâmica, além daquelas feitas de arame rígido que são autossustentáveis e têm ar dentro delas. As bobinas de núcleo de ar geralmente têm uma indutância muito menor do que as bobinas de núcleo ferromagnético de tamanho semelhante, mas são usadas em circuitos de radiofrequência para evitar perdas de energia chamadas perdas de núcleo que ocorrem em núcleos magnéticos. A ausência de perdas normais do núcleo permite um fator Q mais alto , então bobinas de núcleo de ar são usadas em circuitos ressonantes de alta frequência , como até alguns megahertz. No entanto, perdas como efeito de proximidade e perdas dielétricas ainda estão presentes. Os núcleos de ar também são usados quando as intensidades de campo acima de cerca de 2 Tesla são necessárias, pois não estão sujeitas à saturação.
Estruturas comumente usadas
Haste cilíndrica reta
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Mais comumente feito de ferrite ou ferro em pó e usado em rádios especialmente para sintonizar um indutor . A bobina é enrolada em torno da haste, ou forma uma bobina com a haste dentro. Mover a haste para dentro ou para fora da bobina muda o fluxo através da bobina e pode ser usado para ajustar a indutância . Freqüentemente, a haste é rosqueada para permitir o ajuste com uma chave de fenda. Em circuitos de rádio, uma gota de cera ou resina é usada uma vez que o indutor foi ajustado para evitar que o núcleo se mova.
A presença do núcleo de alta permeabilidade aumenta a indutância , mas as linhas do campo magnético ainda devem passar pelo ar de uma extremidade da haste à outra. O caminho do ar garante que o indutor permaneça linear . Neste tipo de indutor a radiação ocorre na extremidade da haste e a interferência eletromagnética pode ser um problema em algumas circunstâncias.
Núcleo "I" único
Como uma haste cilíndrica, mas é quadrada, raramente usada sozinha. Esse tipo de núcleo é mais provável de ser encontrado em bobinas de ignição de automóveis.
Núcleo "C" ou "U"
Os núcleos em forma de U e C são usados com I ou outro núcleo C ou U para fazer um núcleo quadrado fechado, a forma de núcleo fechado mais simples. Os enrolamentos podem ser colocados em uma ou ambas as pernas do núcleo.
Núcleo "E"
Os núcleos em forma de E são soluções mais simétricas para formar um sistema magnético fechado. Na maioria das vezes, o circuito elétrico é enrolado em torno da perna central, cuja área de seção é o dobro de cada perna externa individual. Em núcleos de transformadores trifásicos, as pernas são do mesmo tamanho e todas as três pernas são enroladas.
Núcleo "E" e "I"
Folhas de ferro adequadas estampadas em formas como as letras ( sem serifa ) "E" e "I" são empilhadas com o "I" contra a extremidade aberta do "E" para formar uma estrutura de três pernas. As espirais podem ser enroladas em qualquer perna, mas geralmente a perna central é usada. Este tipo de núcleo é freqüentemente usado para transformadores de potência, autotransformadores e indutores.
Par de núcleos "E"
Novamente usado para núcleos de ferro. Semelhante a usar um "E" e um "I" juntos, um par de núcleos "E" acomodará um formador de bobina maior e pode produzir um indutor ou transformador maior . Se um entreferro for necessário, a perna central do "E" é encurtada para que o entreferro fique no meio da bobina para minimizar a formação de franjas e reduzir a interferência eletromagnética .
Núcleo plano
Um núcleo plano consiste em duas peças planas de material magnético, uma acima e outra abaixo da bobina. Normalmente é usado com uma bobina plana que faz parte de uma placa de circuito impresso . Este projeto é excelente para produção em massa e permite que um transformador de alta potência e pequeno volume seja construído com baixo custo. Não é tão ideal quanto um núcleo de maconha ou núcleo toroidal, mas custa menos para ser produzido.
Caroço de maconha
Normalmente ferrite ou similar. Isso é usado para indutores e transformadores . O formato do núcleo do pote é redondo com uma cavidade interna que envolve quase completamente a bobina. Normalmente, o núcleo do pote é feito em duas metades que se encaixam em torno de um formador de bobina ( bobina ). Este projeto de núcleo tem um efeito de blindagem , evitando a radiação e reduzindo a interferência eletromagnética .
Núcleo toroidal
Este projeto é baseado em um toroide (o mesmo formato de um donut ). A bobina é enrolada através do orifício no toro e ao redor do lado externo. Uma bobina ideal é distribuída uniformemente em toda a circunferência do toro. A simetria dessa geometria cria um campo magnético de loops circulares dentro do núcleo, e a falta de curvas acentuadas restringirá virtualmente todo o campo ao material do núcleo. Isso não apenas torna um transformador altamente eficiente , mas também reduz a interferência eletromagnética irradiada pela bobina.
É popular para aplicações em que os recursos desejáveis são: alta potência específica por massa e volume , baixo ruído da rede elétrica e interferência eletromagnética mínima . Uma dessas aplicações é a fonte de alimentação para um amplificador de áudio de alta fidelidade . A principal desvantagem que limita seu uso para aplicações de uso geral é a dificuldade inerente de enrolar o fio através do centro de um toro.
Ao contrário de um núcleo dividido (um núcleo feito de dois elementos, como um par de núcleos E ), é necessária maquinaria especializada para o enrolamento automatizado de um núcleo toroidal. Os toróides têm menos ruído audível, como zumbido da rede elétrica, porque as forças magnéticas não exercem momento de flexão no núcleo. O núcleo está apenas em compressão ou tensão, e a forma circular é mais estável mecanicamente.
Anel ou conta
O anel é essencialmente idêntico em forma e desempenho ao toroide, exceto que os indutores normalmente passam apenas pelo centro do núcleo, sem envolver o núcleo várias vezes.
O núcleo do anel também pode ser composto por dois hemisférios em forma de C separados presos juntos dentro de um invólucro de plástico, permitindo que seja colocado em cabos acabados com conectores grandes já instalados, o que impediria o enroscamento do cabo através do pequeno diâmetro interno de um anel sólido .
Valor A L
O valor A L de uma configuração principal é freqüentemente especificado pelos fabricantes. A relação entre a indutância e o número A L na porção linear da curva de magnetização é definida como:
onde n é o número de voltas, L é a indutância (por exemplo, em nH) e A L é expresso em indutância por volta ao quadrado (por exemplo, em nH / n 2 ).
Perda de núcleo
Quando o núcleo é submetido a um campo magnético variável , como acontece em dispositivos que usam corrente CA, como transformadores , indutores e motores CA e alternadores , parte da energia que idealmente seria transferida através do dispositivo é perdida no núcleo, dissipado como calor e às vezes ruído . A perda do núcleo é comumente denominada perda de ferro em contraste com a perda de cobre , a perda nos enrolamentos. As perdas de ferro são frequentemente descritas como estando em três categorias:
Perdas de histerese
Quando o campo magnético através do núcleo muda, a magnetização do material do núcleo muda por expansão e contração dos minúsculos domínios magnéticos dos quais é composto, devido ao movimento das paredes do domínio . Esse processo causa perdas, porque as paredes do domínio ficam "presas" em defeitos na estrutura do cristal e, em seguida, "estalam" por eles, dissipando energia na forma de calor. Isso é chamado de perda de histerese . Isso pode ser visto no gráfico do campo B versus o campo H do material, que tem a forma de um loop fechado. A energia líquida que flui para o indutor expressa em relação à característica BH do núcleo é mostrada pela equação
Esta equação mostra que a quantidade de energia perdida no material em um ciclo do campo aplicado é proporcional à área dentro do loop de histerese . Como a energia perdida em cada ciclo é constante, as perdas de potência de histerese aumentam proporcionalmente com a frequência . A equação final para a perda de potência de histerese é
Perdas por correntes parasitas
Se o núcleo for eletricamente condutor , o campo magnético variável induz loops circulantes de corrente nele, chamados de correntes parasitas , devido à indução eletromagnética . Os loops fluem perpendicularmente ao eixo do campo magnético. A energia das correntes é dissipada como calor na resistência do material do núcleo. A perda de potência é proporcional à área dos loops e inversamente proporcional à resistividade do material do núcleo. As perdas por correntes parasitas podem ser reduzidas fazendo o núcleo de laminações finas que possuem um revestimento isolante ou, alternativamente, fazendo o núcleo de um material magnético com alta resistência elétrica, como a ferrita . A maioria dos núcleos magnéticos destinados à aplicação de conversor de energia usa núcleos de ferrite por esse motivo.
Perdas anômalas
Por definição, esta categoria inclui quaisquer perdas além das perdas por corrente parasita e histerese. Isso também pode ser descrito como uma ampliação do ciclo de histerese com a frequência. Mecanismos físicos para perda anômala incluem efeitos de correntes parasitas localizados perto de paredes de domínio móveis.
Equação de Legg
Uma equação conhecida como equação de Legg modela a perda do núcleo do material magnético em baixas densidades de fluxo . A equação tem três componentes de perda: histerese, residual e corrente parasita, e é dada por
Onde
- é a resistência efetiva à perda do núcleo (ohms),
- é a permeabilidade do material ,
- é a indutância (henrys),
- é o coeficiente de perda de histerese,
- é a densidade de fluxo máxima (gauss),
- é o coeficiente de perda residual,
- é a frequência (hertz), e
- é o coeficiente de perda de turbilhonamento.
Coeficientes de Steinmetz
As perdas em materiais magnéticos podem ser caracterizadas pelos coeficientes de Steinmetz, os quais, entretanto, não levam em consideração a variabilidade da temperatura. Os fabricantes de materiais fornecem dados sobre as perdas do núcleo em forma tabular e gráfica para as condições práticas de uso.
Veja também
Referências
- Arnold Engineering Company (nd), MPP Cores , Marengo, IL: Arnold Engineering Company