Materiales de las maquinas eléctricas 1. Generalidades. Los materiales empleados en la construcción delas maquinas eléctricas pueden agruparse en tres grandes categorías: a. b. c.
Los materiales eléctricos conductores. Los materiales eléctricos aislantes. Materiales magnéticos
Los conductores se emplean para los arrollamientos de las maquinas, mientras que los materiales magnéticos sirven para formar los circuitos magnéticos necesarios. Los aislantes son imprescindibles para separar los circuitos eléctricos de las otras partes de las máquinas y de ellos depende en gran medida su buen funcionamiento. A continuación veremos las características generales en forma breve y también lo materiales empleados en cada caso. 1.1. Materiales eléctricos conductores En la ingeniería eléctrica siempre se utiliza como conductores a los metales, dentro de estos tienen especial importancia el cobre, el aluminio y algunas de sus aleaciones. Para la construcción de las maquinas eléctricas se emplean prácticamente solo el cobre, porque permite reducir las dimensiones de la máquina, mientras que el aluminio ha encontrado mayor aplicación en la construcción de líneas de transmisión. 1.1.1.Pérdidas en los conductores eléctricos En los conductores eléctricos se producen perdidas por efectos joule y por efecto Skin (pelicular). Las primeras son muy importantes y se calculan con la formula
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( R I ) mientras que en las segundas son generalmente muy
reducidas. El efecto Skin es solo apreciable en grandes frecuencias en cuyo caso se observa que la corriente eléctrica tiende a fluir con mayor facilidad en la parte superficial del conductor aumentando la densidad de corriente desde el centro hasta la superficie del conductor. 1.1.2.La sobre elevación de temperatura de las maquinas eléctricas y la variación de la resistencia con la temperatura. Las perdidas producen calor, el cual a su vez produce una sobreelevación de temperatura de la máquina. Este aumento de temperatura se mantiene dentro
de ciertos límites y generalmente la temperatura de trabajo de la maquina no debe superar los 100°C para no dala los aislamientos, es muy importante por lo tanto, poder calcular la sobreelevación de temperatura de los arrollamientos de la máquina y para ello se puede utilizar la fórmula de la variación de la resistencia con la temperatura que en el caso del cobre es la siguiente:
R T1 t 1 +234.5 = R T2 t 2 +234.5
1.2. Materiales aislantes Los materiales aislantes o dieléctricos son de primordial importancia en las maquinas eléctricas y de ellos dependen la duración y el buen funcionamiento de las mismas. La duración y funcionamiento de las mismas. En estos últimos años se han hecho muchos progresos en materia de aislamiento, lo cual ha permitido construir máquinas de dimensiones más reducidas y utilizar cada vez tensiones más elevadas. Los buenos aislantes empleados en las maquinas eléctrica- deben reunir cualidades muy variadas, pues además de estar sometidas a tensiones muy elevadas, tienen que soportar esfuerzos mecánicos considerables. Por otro lado, las perdidas producen una gran cantidad de calor que generalmente se elimina a través del aislante el cal está sometido a temperaturas que puede llegar a ciertos casos a los 100°C A continuación estudiaremos las propiedades características de los aislantes que podemos dividir en: 1.2.1.Descripción de los principales dieléctricos utilizados en las maquinas eléctricas En las maquinas eléctricas se usan aislantes sólidos y líquidos. Entre los sólidos está el algodón, seda, papel impregnado en aceite, micafolium (para conductores y bobinas), presspan, micanitas, asbesto y telas laqueadas (para aislamiento de ranuras), madera y ceramicos (para masas), esmaltes e hilo de vidrio (para alambres) y barnices para impregnar en máquinas. En liquidos tienen importancia el aceite mineral para transformadores y los aceites sinteticos como el PIRANOL.
a) EL ALGODÓN
Es un aislante textil celulósico para aislar conductores eléctricos, se le impregna barnices para evitar su humedad que disminuye su resistencia de aislamiento.
b) LA SEDA Al ocupar menos espacio sirve para aislar conductores y devanados, para elevar su rigidez se somete a un proceso de impregnación, ej. Rayón.
c) EL PAPEL Su costo es reducido y su rigidez es 30kv/mm. Tiene varios derivados como el presspan (carton prensado), el transformer board y press board
d) LAS MICANITAS La mica es un aislante mineral y natural, se impregnan en papel y llevan el nombre de micanitas. Uno de los mas usados es el micafolium que es una micanita cubierta de gomalaca. Sirve para aislar bobinas.
e) LAS TELAS LAQUEADAS Tejidos fabricadas con fibras de lino, cáñamo y yute. Se emplean en devanados de motores y transformadores.
f) EL ASBESTO Es un mineral natural a base de silicatos de magnesio, tiene alta rigidez dieléctrica y soporta elevadas temperaturas.
2. Materiales magnéticos Es sabido que por sus propiedades magnéticas los materiales se pueden dividir en tres grades grupos los diamagnéticos, los paramagnéticos y los ferromagnéticos.
2.1. Materiales Diamagnéticos Los materiales diamagnéticos presentan la particularidad de que los electrónes al realizar su movimiento orbital producen un momento magnético neto que tiene el valor cero en ausencia de campo magnético externo alguno. Un
proceso de imanación inducida, que según la ley de Faraday-Lenz crea un momento magnético inducido que esta en oposición al campo que se le esta aplicando, con lo cual se reduce el valor de la inducción del campo magnético suministrado. En definitiva y desde un punto de vista macroscópico corresponde a una imanación negativa que se puede definir a través de una susceptibilidad magnética negativa χm que como se indico anteriormente tiene un valor de –10-5. Los materiales que tienen comportamiento diamagnético son el bismuto, cobre, plomo, plata y oro. El fenómeno del diamagnetismo se debe principalmente al movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo, y como es de suponer se presenta en todos los materiales, ahora bien este efecto es muy pequeño en la mayoría de los materiales y queda eclipsado por otros efectos más fuertes que se producen en los materiales, estos efectos serán los paramagnéticos y ferromagnéticos. Estos materiales con predominio del efecto diamagnético no tienen magnetismo remanente lo que nos dice que el momento magnético inducido desaparece al anular el campo magnético exterior que actúa sobre el material. El valor la susceptibilidad magnética para los materiales diamagnéticos es independiente de la temperatura.
2.2. Materiales Paramagnéticos En estos materiales los momentos magnéticos que se producen con el movimiento de los electrones, no se anulan del todo como ocurría con los ferromagnéticos, así los átomos y moléculas tienen un movimiento neto. Si exponemos estos materiales a un campo magnético externo que actúe sobre ellos, se observará que además de darse un efecto diamagnético débil, el campo externo actuante alinea los momentos moleculares que se producen en el mismo sentido del mismo, provocando un aumento de la inducción magnética. Así pues desde el punto de vista macroscópico lo que se aprecia es un aumento de imanación positiva, o lo que es lo mismo una susceptibilidad magnética positiva. Este proceso de aumento de imanación conseguido se contrarresta con las vibraciones térmicas aleatorias que se producen en el material. La imanación que se produce es pequeña ya que hay poca interacción entre átomos con lo cual el aumento de la inducción es muy pequeño, presentando un valor del orden de 10-3. Algunos materiales paramagnéticos son el aluminio, magnesio, titanio y wolframio. El fenómeno del paramagnétismo si es dependiente de la temperatura, este efecto es más fuerte cuando la temperatura es más baja, o sea cuando la agitación térmica es pequeña.
2.3. Materiales Ferromagnéticos La propiedad denominada ferromagnetismo depende de la temperatura y para cada material hay un valor denominado temperatura de Curie, por
encima de la cual el material se hace paramagnético. Esto ocurre cuando el movimiento térmico es lo suficientemente grande para vencer las fuerzas de alineación. Este tipo de materiales ferromagnéticos presentan las propiedades más útiles desde el punto de vista del magnetismo. Tienen unas imanaciónes bastante elevadas aunque se le apliquen campos magnéticos muy débiles. Hay muy pocos materiales que a temperatura ambiente presenten comportamiento ferromagnético, estos materiales son hierro, cobalto y níquel, además de los elementos pertenecientes a las tierras raras. Normalmente los materiales que se utilizan en la construcción de máquinas no son puros, sino que lo que se utiliza son aleaciones de estos tres elementos o de manganeso que pertenecen al mismo grupo de la tabla periódica. Hay algunos aceros que no son ferromagnéticos. La alta capacidad ferromagnética de estos materiales se encuentra en las fuerza mecánico-cuanticas que alinean entre si a los electrones de átomos próximos entre si, aunque no exista un campo magnético externo actuante sobre ellos. Esta alineación no se produce en todo el material, solo se procede por zonas que se denominan dominios magnéticos. Si un material ferromagnético se expone a un campo magnético, los dominios magnéticos que lo forman se alinean en la dirección del campo magnético sumándose a este y resultando un campo magnético total de más intensidad. Esta propiedad anteriormente comentada se puede observar a través del denominado ciclo de histéresis que relaciona a la inducción magnética B con la intensidad del campo magnético H. Los elementos ferromagnéticos que se encuentran en la naturaleza son solamente tres: el hierro, el niquel y el cobalto. Entre éstos naturalmente el de mayor uso es el hierro y sus aleaciones con los ótros dos y con ótros metales (Al, Cu, etc.).
2.4. Características de los materiales magnéticos 2.4.1.Curva de magnetización.La característica principal de los materiales magnéticos, es la curva de magnetización o curva B-H se obtiene aplicando al material un campo magnético exterior de intensidad H y aumentándolo gradualmente.
2.4.2.Ciclo de histéresis.Se tendrá un ciclo de histéresis diferente para cada material
2.4.3.Pérdidas de los materiales magnéticos -
Las pérdidas por histéresis Las pérdidas por corrientes parasitas de Faucault Las pérdidas totales en el hierro
2.5. Laminación de grano orientado y no orientado 2.5.1.Laminación de grano orientado y grano orientado hi-b Un decisivo progreso en el mejoramiento de las cualidades de los materiales magnéticos se llevó a cabo con el procedimiento de laminación en frío, según una invención americana que se remonta al año 1934. Estas nuevas laminaciones se obtienen de un prelaminado en caliente de pocos milímetros de espesor, con un contenido de silicio de aproximadamente 3%, sometido a laminaciones en frío y recocidos intermedios en atmósfera neutra. TRATAMIENTO TERMICO Las propiedades magnéticas de los aceros para uso eléctrico son especialmente sensibles a las tensiones internas. Toda deformación origina una distorsión de la red o malla cristalina, que afecta a la relación entre fuerza magnetizante e inducción y afecta, por lo tanto, a todas las características del material. Las tensiones se generan en el material especialmente por un almacenamiento defectuoso, golpes, etc. y por el proceso de fabricación (punzonado, cizallado) de las laminaciones de las máquinas eléctricas.
Con el objeto de relevar estas tensiones y recuperar las propiedades magnéticas originales es necesario llevar a cabo un tratamiento térmico. El tratamiento térmico también reduce alguna ondulación que puede presentarse y mejora la lisura de la laminación. Las siguientes precauciones se deben observar cuando una laminación de acero eléctrico es sometida a un tratamiento térmico. Evitar una excesiva oxidación La oxidación perjudica seriamente las propiedades magnéticas particularmente para altas inducciones. En hornos de recocido tipo batea, una excesiva oxidación puede evitarse utilizando la cubierta del horno sellada por medio de arena seca. El aire del interior del horno debe ser retirado y reemplazado por una atmósfera no oxidante. Se recomienda utilizar una atmósfera no explosiva compuesta por menos de un 10% de hidrógeno y más de un 90% de nitrógeno o bien 100% de nitrógeno puro. El punto de rocío de la atmósfera debe mantenerse a menos de 0 grados centígrados. Temperatura del tratamiento Para el grano orientado y grano orientado HI-B se recomienda realizar el tratamiento a una temperatura de 800 grados centígrados con una máxima variación de ± 20 grados. Para laminaciones de grano no orientado la práctica usual es calentar la carga a una temperatura de 720 a 750 grados, y mantener esta temperatura para permitir una uniforme penetración del calor. Algunas veces mejores propiedades magnéticas pueden lograrse a temperatura de 760 a 785 grados, pero en este caso la temperatura y la atmósfera del horno deben controlarse con sumo cuidado. Tiempo de enfriamiento Para evitar distorsión de las laminaciones y núcleos, se requiere que las caras se enfríen lentamente hasta una temperatura de alrededor de 350 grados centígrados a razón de 25 grados por hora como máximo, particularmente para cargas del horno de algunas pocas toneladas.
2.6. Metales amorfos para núcleos de transformadores Los metales amorfos son aleaciones metálicas donde la estructura atómica no es cristalina. Una aleación metálica cristalina como el carbono tiene varios ejes de simetría en su estructura atómica. En los metales amorfos no hay ejes de simetría y los átomos que lo constituyen se reparten al azar en el interior del material. Existen diferentes técnicas para la producción de metales amorfos.
Todas ellas se basan en una transición rápida del metal del estado líquido al sólido. La ventaja esencial de un material amorfo, es el valor excepcionalmente bajo de pérdidas comparada con otros materiales magnéticos. A 50 Hz las pérdidas en el hierro resultan 1/3 a 1/5 de las que se tienen con los aceros al silicio de grano orientado actuales. A igualdad de niveles de inducción, la potencia de excitación a 50 Hz necesaria para los metales amorfos es 1/4 a 1/5 de la requerida por un acero de grano orientado. El único defecto del metal amorfo es el valor relativamente bajo de su inducción de saturación que es del orden de 1,6 T. Para un transformador realizado con metal amorfo el límite de inducción nominal está alrededor de 1,4 T teniendo en cuenta posible sobreexcitación en servicio. Debido al método de fabricación por solidificación rápida, el metal amorfo se presenta en forma de angostas cintas delgadas con factores de apilado menores que los aceros de grano orientado, en la tabla siguiente se pueden observar algunas de las características mencionadas. Tabla A2.5 - Valores comparativos Año 1982
Ancho (mm) Espesor (mm) Factor apilado
175 0.025 85%
a
Futuro
0.050
sin límite 0.25 90% o más
Otro aspecto (ligado al ruido) es la magnetoestricción, que para los metales amorfos, tiene un valor bastante elevado. Este problema puede reducirse recociendo el material cerca del punto de Curie, en un campo magnético de saturación. En la práctica, este proceso no es perfecto, y no se puede lograr una magnetoestricción nula. Sin embargo hay numerosos ejemplos donde los niveles sonoros de transformadores correctamente estudiados y realizados con material amorfo no son más elevados, y en algunos casos considerablemente menores, que en transformadores realizados con acero al silicio. En lo que concierne al precio de los metales amorfos, han experimentado una drástica reducción en los años recientes, y la reducción del valor de pérdidas en vacío capitalizadas de un transformador realizado con metal amorfo puede ser superior de la incidencia del costo del material.
Se espera que el metal amorfo sea utilizado en la práctica en el futuro próximo con la colaboración de los fabricantes de material amorfo, y de los fabricantes y usuarios de transformadores.
3. Bibliografía -
MAQUINAS ELECTRICAS I http://www.uib.es/depart/dfs/GTE/education/industrial/con_maq_electriqu es/teoria/Libro%20Maquinas%20UNI_FIEE_MAQ.pdf http://maquinasmayab.blogspot.com/2008/10/maquinas-elctricas-sinduda-varios-de.html http://www.inducor.com.ar/academicos/calculo-de-maquinaselectricas/maquinas-electricas-apendice2.html http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/constitucion%20maq%20elec %20caminos.pdf