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Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Gordillo Cristian. Materiales nuevos para la construcción de nucleos de maquinas eléctricas.

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Materiales nuevos para la construcción de núcleos de máquinas eléctricas Gordillo Cristian. [email protected] Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE 

Resumen— En el siguiente artículo se presentara un breve descripción de lo que es una maquina eléctrica y se va a llevar a cabo un análisis de los nuevos materiales con los que se construyen los núcleos de un transformador ya que es una maquina eléctrica, se realiza este análisis ya que con el avance tecnológico existen nuevos materiales innovadores para la fabricación de los núcleos de los transformadores; por lo tanto se describirá los núcleos elaborados con materiales: núcleo amorfo, amorfo nano cristalino y arrollamientos construidos de material superconductor.

Índice de Términos— maquinas eléctricas, materiales nuevos, núcleo, transformador. I.INTRODUCCIÓN A inicios de 1960, los metales con cristales en estado amorfo amorfos fueron producidos por primera vez .los metales amorfos son un tipo de material relativamente nuevo que no tiene una estructura cristalina como los metales comunes , y puesto que su estructura es más bien parecida a la del vidrio son llamados “vidrios metálicos”. los metales amorfos se forman mediante una solidificación rápida donde el metal derretido es súper-enfriado en segundos, lo que provoca que los átomos se acomoden de manera arbitraria [1]. este material a pesar de ser muy delgado, tiene una gran dureza y resistencia física, tiene propiedades magnéticas que lo hacen fácilmente magnetizable y desmagnetizarle. Los primeros transformadores que se hicieron experimentalmente con núcleos de metal amorfo presentaron una gran reducción de pérdidas en el núcleo. De acuerdo a unos estudios que se realizaron en los sistemas de distribución en los EEUU muestran que 

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aproximadamente el 60 % de las perdidas en las redes de distribución son atribuibles a los transformadores. Bueno por otro lado lo que se sabe es que el 80 % de las pérdidas totales de un transformador son debidas a las perdidas en el núcleo [2]. Se estima mas o menos que si por lo menos todos los transformadores de EEUU fueran reemplazados con nucleos de metal amorfo, podrían ahorrase de 6 a 14 GWh/año. Lo que se puede ver es que un trasformador de distribución con capacidad de 25KVA, monofásico hecho con un núcleo moderno de acero al silicio, sus pérdidas al vacío representan una demanda de alrededor de 60 watts, mientras que la misma unidad con un núcleo de metal amorfo demanda solamente 20 watts [3], lo que esto significaría que se tendría un ahorro de más o menos del 60 y un 70 %. Aunque este metal amorfo ofrece muy altas eficiencias en los núcleos de los transformadores también implica retos en la producción. El material amorfo es de 4 a 5 veces más duro que el acero de silicio, lo que requiere que las herramientas de corte sean mucho más rápidas [4]. Sin embargo, debido a lo delgado de las placas del metal amorfo se requiere de láminas más anchas lo que a su vez significa que algunas veces que el núcleo sea más grande a lo ancho y a lo alto. Bueno indistintamente los transformadores de distribución con núcleos de metal amorfo son comercialmente muy atractivos. Las bajas perdidas en los núcleos representan un ahorro en el costo de operación de los transformadores y se presentan como una nueva estrategia para la conservación de la energía [4].

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II.

DESARROLLO DE CONTENIDOS

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máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estator y un rotor.

Maquinas eléctricas Es un dispositivo que es capaz de transformar cualquier forma de energía en energía eléctrica o viceversa. Se clasifican en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores. A.

Una máquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Corriente

Máquinas rotatorias

Máquinas estáticas

Corriente alterna monofásic a y trifásica

Corriente continua AC DC

Síncronas

Generador Motor Compensador Asíncronas Motor Generador Compensador Conmutadas Motor monofásico en serie Convertidor de frecuencia Conmutadas Generador Motor Compensador Motor universal Conmutadas Convertidor

Transformador Regulador de inducción Variador de fase Cicloconvertidor

Fig.3 motor [7] 3. Transformador: Es un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir el voltaje en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia.

Troceador Rectificador Inversor

Fig.1 tipos de máquinas eléctricas [5] 1. Generador: Es un dispositivo capaz de transformar la energía mecánica en eléctrica.

Fig.4 transformador [8]

Fig.2 generador [6] 2. Motor: Es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Son Maquinas eléctricas Abril-Agosto2015

B. Materiales ferromagnéticos Los materiales ferromagnéticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan para el diseño y constitución de núcleos de los transformadores y maquinas eléctricas.

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En un transformador se usan para maximizar el acoplamiento entre los devanados. En las maquinas eléctricas se usan los materiales ferromagnéticos para dar forma a los campos, de modo que se logren hacer máximas las características de producción de par. C. Características de los materiales ferromagnéticos  Pueden imanarse mucho más fácilmente que los demás materiales.  Se imanan con una facilidad muy diferente según sea el valor del campo magnético.  Conservan la imanación cuando se suprime el campo.  Tienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez imanados. D. Propiedades de los materiales ferromagnéticos  Se utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los campos magnéticos en trayectorias bien definidas.  Aparece una gran inducción magnética al aplicarle un campo magnético.  Permite que las maquinas eléctricas tengan volúmenes razonables y costos menos excesivos. E. Materiales ferromagnéticos para transformadores La aleación que más se usa es la de hierro-silicio, esta aleación es la producida en mayor cantidad y está compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material. Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos.  Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 4 y el 5.

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 El silicio eleva la dureza del material, por lo que su porcentaje se determina según el empleo al que se designa la chapa.  Para maquinas rotatorias el limite superior es aproximadamente del 4%, teniendo en cuenta el peligro de la fragilidad. III.

MATERIALES NUEVOS PARA NÚCLEOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Núcleo amorfo Los transformadores de núcleo amorfo cuentan con menores pérdidas a alta frecuencia (aproximadamente, una décima parte de las producidas con el núcleo de acero), lo que permite que el transformador pueda trabajar en un ambiente con armónicos de Voltaje y reducir las pérdidas del fierro que conlleva el efecto de estos fenómenos [9]. Reduce los costos de la inversión y mejora la estabilidad del sistema.  Ahorran energía tanto en su proceso de fabricación como en su operación, mejorando la huella de carbono.  Son más eficientes.  ayudan a reducir las emanaciones de las plantas de generación.  Si se quema, su aleación amorfa es reciclable y puede ser molido para evitar la polución ambiental.  Siendo adoptados en países como Alemania, Japón y China, entre otros países. A.

1.

Características de un transformador de núcleo amorfo[9]

1.-Energía consumida en la producción del material base: Se trata de un solo proceso de calentamiento, a diferencia de los núcleos de acero silicoso que son calentados seis veces. 2.-Pérdidas "sin carga": Estos transformadores presentan un ¼ de las pérdidas de los equipos con núcleo de acero silicoso. 3.-Temperatura de operación: Trabajan a menor temperatura (fierro: 15ºC, bobina: 35ºC) y tienen más capacidad de sobrecarga.

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4.-Degradación de la aislación: En los transformadores de núcleo amorfo, la aislación se degrada en menor grado.

Algunas aplicaciones típicas de las ferritas blandas son:

5.-Vida del trasformador: GE estimó que la vida útil de estos equipamientos alcanza los 30 años. 6.-Beneficios de protección ambiental: El material base se hace con bajo consumo de energía, y el recocido del núcleo amorfo es a 380ºC. En este sentido, es reconocido que la fabricación de hojas de acero silicoso consume mucha energía (el recocido del núcleo silicoso es a 800ºC). B. Hileras de tamaño nanométrico El nuevo material se ha fabricado con un microscopio de haces de iones para depositar el material superconductor a partir de un precursor con walframio [10]. La superficie del nuevo material superconductor presenta un relieve con una concatenación de hileras de tamaño nanométrico. Se ha fabricado utilizando un microscopio de haces focalizados de iones, que permiten depositar el material superconductor a partir de un precursor gaseoso organometálico que contiene wolframio. Se ha logrado controlar el grado de orden de la red de vórtices, mediante este relieve tallado a escala de un nanómetro. Este tipo de desorden limita la funcionalidad de algunos dispositivos y su control es esencial para avanzar en el campo de los ordenadores cuánticos. C.

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Material básico para inductores y transformadores en electrónica

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Antenas de ferrita en radio, televisión y tecnología de telecomunicaciones

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Cabezales magnéticos para audio o amplificadores magnéticos

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Núcleos de ferrita para memores de núcleo magnético para equipamiento electrónico de proceso de datos

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Elementos de conexión en ingeniería de hiperfrecuencias

D.

Ferritas duras

Desde su introducción en los tempranos años 50, los imanes cerámicos de ferritas permanentes han ido ganando en importancia. Son los materiales magnéticos más extendidos y económicos. Algunas de las ferritas duras más importantes son ferrita de bario, ferrita de estroncio y ferritas combinadas de bario-estroncio. Algunas aplicaciones típicas para las ferritas duras se encuentran en:

Ferritas blandas

Hoy en día conocemos gran cantidad de materiales magnéticos blandos con la composición MIIO•Fe2O3 donde M = Fe puede ser Ni, Co, Mn, Mg, Cu, Ti, Cd o Zn. Ahora bien, dos ferritas mezcladas han demostrado ser de gran utilidad: las ferritas de manganeso-zinc y las de níquel-zinc. La adición de ferritas de zinc, permite la manipulación sistemática de las propiedades magnéticas de un material. Maquinas eléctricas Abril-Agosto2015

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Electrónica industrial

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Tecnología de sensores

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Tecnología de televisión y radio

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Imanes para altavoces

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Pinzas magnéticas, imanes adhesivos o imanes de jugete

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Imanes de anillo o de segmentos en motores y generadores para embragues magnéticos

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Industria e ingeniería del automóvil

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Industria relojera

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Aplicaciones para el hogar, juntas para neveras

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Rotors para motores de corriente directa IV. CONCLUSIONES Se puede concluir que al incorporar el metal amorfo a los núcleos de los transformadores se obtiene un ahorro comparado con los transformadores cuyo núcleo están fabricados con aceros convencionales. Se pudo observar que aunque estas nuevas tecnologías presentan extraordinarias ventajas y ya sean más o menos realidad en algunas aplicaciones, para ser incorporadas a nuevos proyectos de transformadores todavía tienen que superar las barreras técnicas/comerciales para una producción en escala industrial, indispensables para su aplicación real. A pesar de las excelentes propiedades magnéticas que tienen los metales amorfas e nanocristalinas no es viable económicamente en la construcción de grandes transformadores ya que tan solo pueden ser producidas en espesuras muy finas. APÉNDICE

I. II.

INTRODUCCIÓN............................................................1 Desarrollo de contenidos.............................................2 A. Maquinas eléctricas.....................................................2 B. Materiales ferromagnéticos.........................................2 C. Características de los materiales ferromagnéticos......3 D. Propiedades de los materiales ferromagnéticos..........3 E. Materiales ferromagnéticos para transformadores......3 III. materiales nuevos para núcleos de máquinas eléctricas 3 A. Núcleo amorfo.............................................................3 B. Hileras de tamaño nanométrico...................................4 C. Ferritas blandas...........................................................4 Maquinas eléctricas Abril-Agosto2015

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D. Ferritas duras...............................................................4 IV. Conclusiones...............................................................5 Apéndice...................................................................................5 Reconocimiento........................................................................5 referencias.................................................................................5

RECONOCIMIENTO “SI NO PUEDES VOLAR ENTONCES CORRE, SI NO PUEDES CORRER ENTONCES CAMINA, SI NO PUEDES CAMINAR ENTONCES ARRÁSTRATE, PERO LO QUE SEA QUE HAGAS, SIGUE MOVIÉNDOTE HACIA ADELANTE.” REFERENCIAS

[1] J.C. Olivares, I López García ,E. Campero Littlewood,R Escalera Pérez y J.L. Hernández Ávila, (2007)”Transformadores con núcleo de metal amorfo”.Vigesima reunion de Verano de Potencia ,Aplicaciones Industriales y Exposicion Industrial (IEEE sección México ),RVP –AI 2007, 8 al 14 de julio del 2014 [2] W.J. Ross y T.M.Taylor,(1993),”Amorphous metal transformer cores sabe enrgy and capacityinvestment”.IEEE Electricity Distribution Conf pp 5.24/1-5.24/4 [3] Prolec GE, (2008), “Mejoras tecnológicas para reducir el costo de la propiedad de los transformadores de distribución”.3 Simposium Latinomamericano de la energía, mexico. Pp.32 [4] Anonimo:”Amorphous core transformers deserve another look”, transmission and distribution ,No .43.pp.8, December 1991 [5] Maquinas eléctricas de: https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_el %C3%A9ctrica [6] Generador eléctrico : https://jugandoaserdioses.wikispaces.com/investigaci %C3%B3n+2+por+roles+grupo+3b+2014S. P. Bingulac, “On the compatibility of adaptive controllers (Published Conference Proceedings style),” in Proc. 4th Annu. [7] Motor eléctrico : https://sites.google.com/site/279motoreselectricos/partesfundamentales-de-un-motor-electrico [8] Transformador electrico: http://electricidad-ibf.blogspot.com/p/eltransformador.html [9] Nucleo amorfo: http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc? xid=1686 [10] Hileras de tamaño nanometrico:

Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Gordillo Cristian. Materiales nuevos para la construcción de nucleos de maquinas eléctricas. http://www.agenciasinc.es/Noticias/Nuevo-materialsuperconductor-con-propiedades-excepcionales.

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