¿De qué está hecho el núcleo de un transformador?

El núcleo del transformador (también conocido como núcleo magnético) es el componente central del circuito magnético de un transformador. La selección de su material afecta directamente la eficiencia, las pérdidas y los escenarios de aplicación del transformador. Según la frecuencia de operación, los requisitos de potencia y los factores de costo, los materiales del núcleo se pueden clasificar en los siguientes tipos:

1. Tradicional Láminas de acero al silicio (Aleación de Fe-Si):​​

Composición:

Chapas de acero laminadas en frío con un contenido de silicio que oscila entre el 0,8% y el 4,8%, normalmente con un espesor de 0,35 mm o inferior.

Características:

Inducción magnética de alta saturación (Bs≈1,6–1,7T), adecuada para escenarios de alta potencia a frecuencias de potencia (50/60 Hz).

Apilamiento laminado: Se aplican recubrimientos aislantes entre las capas para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault. Sin embargo, las pérdidas aumentan significativamente a altas frecuencias.

Aplicaciones:

Se utiliza principalmente en transformadores de potencia y núcleos de motores para equipos eléctricos de alta potencia y baja frecuencia.

2. Núcleo de ferrita

Composición:

Ferrita de manganeso-zinc (MnZn) o de níquel-zinc (NiZn), clasificadas como óxidos metálicos magnéticos sinterizados.

Características:

Alta resistividad: reduce significativamente las pérdidas por corrientes parásitas a altas frecuencias, adecuado para un rango de frecuencia de 1 kHz a 1 MHz.

Baja densidad de flujo de saturación (Bs ≈<0,5 T), capacidad de polarización de CC débil y propenso a la saturación magnética.

Aplicaciones:

Se utiliza ampliamente en dispositivos electrónicos como fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS), transformadores de alta frecuencia e inductores.

3. Núcleos de polvo magnético metálico

Tipos:

Núcleos de polvo de hierro

Núcleos de polvo de hierro-silicio-aluminio (FeSiAl)

Núcleos de polvo de alto flujo (HighFlux)

Núcleos de polvo de permalloy de molibdeno (MPP).

Características:

Fuerte capacidad antisaturación: reduce las corrientes de Foucault a través de partículas magnéticas dispersas revestidas de aislamiento, lo que lo hace adecuado para escenarios de superposición de CC.

Permeabilidad media (μe≈10—125) con un rango de frecuencia de 10 kHz - 100 kHz​ .

Aplicaciones:

Ampliamente utilizado en dispositivos de potencia de frecuencia media a alta como:

Inductores PFC (corrección del factor de potencia)

Inductores de filtro.

4. Nuevos materiales de aleación

Aleaciones amorfas

Composición:

Cintas amorfas a base de hierro (por ejemplo, Fe₈₀B₁₀Si₁₀) o de cobalto, caracterizadas por una disposición atómica desordenada.

Ventajas:

Pérdidas de núcleo ultrabajas (solo 1/5 del acero al silicio), lo que permite un importante ahorro de energía.

Limitación:

Magnetostricción significativa (que produce mayor ruido de funcionamiento).

Aplicaciones:

Transformadores de distribución energéticamente eficientes.

Aleaciones nanocristalinas

Estructura:

Granos cristalinos a escala nanométrica (<50 nm) incrustado en una matriz amorfa.

Ventajas:

Alta permeabilidad y bajas pérdidas (superior a las ferritas a 50 kHz).

Fuerte resistencia armónica y excelente estabilidad térmica (rango de funcionamiento: -40–120 °C).

Aplicaciones:

Transformadores de alta frecuencia e inversores fotovoltaicos.

Sistemas de propulsión eléctrica de vehículos eléctricos (por ejemplo, módulos OBC/CC-CC integrados)

Factores clave en la selección de materiales

Frecuencia de operación

Baja frecuencia (≤1 kHz):

Acero al silicio o aleaciones amorfas (por ejemplo, Fe₈₀B₁₀Si₁₀).

Alta frecuencia (>10 kHz):

Núcleos de ferrita (MnZn/NiZn) o aleaciones nanocristalinas.

Requisitos de pérdida

Pérdida de núcleo más baja:

Aleaciones amorfas/nanocristalinas.

Optimización de pérdida de alta frecuencia:

Ferritas.

Costo y proceso

Rentabilidad y madurez:

​Acero al silicio.

Alto costo inicial con retorno de la inversión a largo plazo:

Aleaciones amorfas/nanocristalinas.