Aleaciones amorfas y su aplicación en transformadores de ...

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

1_5-!

Páe.

I

4

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4

6

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10

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13

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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

i//-4

2_4_1

t_4_É

!-t-33-5

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

?,t

I

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 aÍ¡ortas.

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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