Al desarmar cualquier motor, encontrarás montones de finas láminas de hierro apiladas unas sobre otras. La primera reacción de muchas personas es:

«¿Por qué no usar una pieza entera de hierro? ¿No sería más resistente y más sencillo?»

Esta pregunta está muy bien formulada. A simple vista, un bloque de hierro entero ciertamente tiene muchas ventajas:

· Alta resistencia mecánica: No se aflojará, no se separará en capas.

· Fácil de procesar: No requiere cortar, apilar ni aislar.

· Menos costos: Evitar procedimientos complejos

Sin embargo, los ingenieros insisten en cortar el núcleo de hierro en láminas delgadas de 0,10 a 0,50 mm, que se apilan una a una; este proceso es complejo y tiene un costo más alto.

¿Por qué?

Porque si se utiliza una pieza entera de hierro, el motor tendrá un defecto fatal— Las pérdidas por corrientes de Foucault pueden hacer que la eficiencia del motor disminuya bruscamente entre el 20% y el 40%.

Peor aún, el motor podría quemarse en tan solo unos minutos después de encenderse.

Hoy, vamos a empezar por Principios físicos Hablando, explíquese bien esta cuestión.

01 Pregunta: El defecto mortal de una pieza entera de hierro

Para entender por qué no se puede usar un bloque de hierro entero, primero hay que comprender un fenómeno físico: Vórtice.

1 ¿Qué es una corriente de Foucault?

Imagina un remolino en el río. Cuando la corriente encuentra un obstáculo, se forma un remolino giratorio detrás del obstáculo.

El «flujo de corriente» en electromagnetismo funciona según un principio similar.

Cuando Campo magnético alterno Al atravesar un material conductor (como el hierro), se generan corrientes inducidas en forma de anillo en el interior del material. Estas corrientes circulan en círculos dentro del material, como si fueran remolinos, por eso se les llama... Vórtice 。

Este es un resultado inevitable de la ley de inducción electromagnética de Faraday: cambio en el campo magnético → generación de un campo eléctrico → impulso del movimiento de los electrones → formación de corrientes parásitas.

¿Dónde está el problema con el vórtice de 2?

El vórtice en sí no es el problema. El problema es: El vórtice genera calor.

Al igual que un cable eléctrico se calienta al ser atravesado por corriente, las corrientes de Foucault también generan calor al circular en el hierro debido a la resistencia. Este calor es completamente desperdiciado —proviene de la energía eléctrica, pero no realiza ningún trabajo útil; simplemente se pierde en forma de calor innecesario.

Esto es Pérdida por corrientes de Foucault.

3 Una pieza entera de hierro: el paraíso de las corrientes de Foucault

Ahora volvemos a la cuestión de «una sola pieza de hierro».

En un bloque sólido de hierro, las corrientes de Foucault pueden formarse libremente. Un gran bucle. Imagina que el remolino es como una «pista de aterrizaje» de gran tamaño, por la cual los electrones pueden avanzar sin obstáculos.

Cuanto más largo es el circuito, mayor es la corriente y más calor se genera.

Peor aún, La pérdida por corrientes de Foucault es proporcional al cuadrado del espesor del material. La fórmula es:

P ∝ d² (P = potencia de pérdida, d = espesor)

Esto significa que, si el grosor del núcleo de hierro se duplica, las pérdidas por corrientes parásitas se cuadruplicarán.

4 Fórmula completa para el cálculo de las pérdidas por corrientes parásitas

Si deseas comprender con mayor precisión las pérdidas por corrientes parásitas, puedes consultar la fórmula de cálculo completa:

Pe = K × f² × Bm² × d² × V / ρ

Cada término de la fórmula cuenta una historia:

· Pe: Potencia de pérdida por corrientes parásitas (W) — nuestra meta a reducir

· f: Frecuencia de variación del campo magnético (Hz)—¡la frecuencia al cuadrado! Cuanto mayor sea la frecuencia, más rápidamente aumentará la pérdida.

· Bm: Máxima intensidad de inducción magnética (T) — Cuanto más fuerte sea el campo magnético, más intensos serán los vórtices.

· d: Espesor del material (m) — ¡la cuadratura del espesor! Por eso es necesario cortar finamente.

· V: Volumen del material (m³)—Cuanto mayor sea el volumen, más trayectorias de vórtices habrá.

· ρ: Resistividad del material (Ω·m)—Cuanto mayor sea la resistividad, más se inhiben las corrientes parásitas.

· K: Coeficiente (relacionado con la forma del material y el sistema de unidades)

¿Qué nos dice esta fórmula?

De la fórmula se puede ver directamente la lógica de diseño de las láminas de acero al silicio:

·El espesor d está en la escala molecular y guarda una relación cuadrática; esto significa que: si el espesor se reduce a la mitad, las pérdidas se reducen a la cuarta parte. Así, al cortar un bloque de hierro de 50 mm hasta obtener láminas de 0,5 mm de grosor, las pérdidas se reducirían teóricamente a la diezmilésima parte.

·La resistividad ρ aparece en el denominador, lo que significa: cuanto mayor sea la resistividad, menor será la pérdida. Por eso se añade silicio —para aumentar la resistividad ρ y, en última instancia, suprimir las corrientes parásitas.

·La frecuencia f también tiene una relación cuadrática, lo que significa que: si la frecuencia se duplica, las pérdidas se cuadriplican. Por esta razón, los motores de alta frecuencia deben utilizar láminas de acero al silicio más delgadas.

De la fórmula a la toma de decisiones en ingeniería

Con esta fórmula, los ingenieros podrán realizar un equilibrio preciso:

·Para motores de frecuencia industrial de 50 Hz: como la frecuencia f es baja, se puede utilizar un espesor de 0,50 mm, lo que reduce los costos.

·Para motores de frecuencia variable de 400 Hz: si f aumenta 8 veces, f² se multiplica por 64; por lo tanto, es necesario utilizar láminas más delgadas de 0,35 mm o 0,2 mm.

·Para motores de alta velocidad (>1000 Hz): si f² supera 400 veces, es imprescindible utilizar láminas ultrafinas de 0,10 mm para controlar las pérdidas.

La física detrás de la fórmula

Esta fórmula no surge de la nada; proviene de:

· Ley de inducción electromagnética de Faraday: La variación del campo magnético genera una fuerza electromotriz inducida.

·Ley de Ohm: La fuerza electromotriz impulsa la corriente; cuanto mayor es la resistencia, menor es la corriente.

·Ley de Joule: La corriente eléctrica genera calor al pasar por una resistencia.

Partiendo de la física básica y mediante deducciones, se obtiene esta fórmula exacta para la pérdida.

Los datos reales muestran:

·En los transformadores, las pérdidas por corrientes parásitas pueden representar entre el 10% y el 30% de las pérdidas totales.

·En los motores de alta frecuencia, esta proporción es aún mayor.

Si se utiliza hierro en bloque, la eficiencia del motor disminuirá bruscamente entre el 20% y el 40%, y la mayor parte de la energía eléctrica se desperdicia en forma de calor.

02

Solución: Un doble avance en las láminas de acero al silicio

Puesto que una pieza sólida de hierro no funcionaba, los ingenieros idearon un método ingenioso: las láminas de acero al silicio.

Este plan aborda el problema de las corrientes parásitas desde dos direcciones al mismo tiempo.

1. Primera técnica: Cortar en rodajas finas para bloquear físicamente los remolinos.

Imagina que cortas un gran trozo de hierro en muchas láminas delgadas: ¿podrían aún las corrientes de Foucault fluir sin obstáculos como antes?

Ya no se puede.

Cada lámina delgada de acero al silicio tiene un grosor de solo 0,10 a 0,50 mm (ligeramente más gruesa que una hoja de papel); las corrientes parásitas solo pueden circular en... Lámina individual Se forma un pequeño bucle en el interior, incapaz de atravesar el espacio entre las láminas.

Aún mejor, aplique una capa de barniz aislante entre cada lámina para cortar por completo el «canal transversal» de las corrientes parásitas.

De este modo, los grandes remolinos que antes podían «penetrar directamente» en todo el bloque de hierro se dividen en innumerables remolinos pequeños, cada uno confinado a una capa delgada.

¿Recuerdas esa fórmula? P ∝ d²

Cuando el espesor se reduce de (por ejemplo) 50 mm a 0,5 mm, la pérdida disminuye en (50/0,5)² = ¡10.000 veces!

Por supuesto, en la práctica no es tan sencillo como cortar una pieza entera de 50 mm en láminas finas, pero el principio es el mismo: Cuanto más delgada sea la lámina, más corto será el camino de las corrientes parásitas y menores serán las pérdidas.

2. Segundo truco: Añadir silicio para aumentar la resistividad.

Pero cortar láminas delgadas no basta. Hay otro punto clave: la resistividad del propio material.

La resistividad del hierro puro es muy baja, lo que facilita la formación de corrientes parásitas. ¿Sería posible aumentar la resistividad del hierro para así inhibir las corrientes parásitas?

Sí. La respuesta es agregar silicio.

Cuando se añade silicio al hierro, la resistividad del material aumenta significativamente. Los átomos de silicio se incorporan a la red cristalina del hierro, lo que incrementa la resistencia al movimiento de los electrones, similar a colocar innumerables reductores de velocidad en una «pista de vórtices».

Cuanto mayor sea la resistividad, más difícil será que se formen corrientes parásitas y menores serán las pérdidas.

Efecto del contenido de silicio en el rendimiento:

·Acero bajo en silicio (0,8 % - 2 % Si): resistividad moderada, bajo costo, adecuado para motores comunes.

·Acero silicio medio (2%-3,5% Si): tiene una resistividad más alta y pérdidas más bajas; es el más ampliamente utilizado.

·Acero con alto contenido de silicio (>3,5% Si): tiene una alta resistividad y pérdidas extremadamente bajas, pero es difícil de procesar y su costo es elevado.

En la industria, lo más común es utilizar láminas de acero al silicio con un contenido de silicio de alrededor del 3%, que logran el mejor equilibrio entre rendimiento y costo.

3 Selección de espesor: el arte de la ingeniería

Podrías preguntarte: «Si la pérdida de láminas es menor, ¿por qué no hacerlas extremadamente delgadas?»

Porque la ingeniería nunca busca la excelencia absoluta, sino el equilibrio.

Cuanto más delgada sea la lámina, menores serán las pérdidas por corrientes parásitas, pero:

·Cuanto mayor sea el costo de fabricación (más complejos son el corte, el recubrimiento y la laminación)

· Cuanto menor sea la resistencia mecánica (demasiado delgada, fácil de deformar)

· Cuanto mayor sea el número de láminas (mayor espacio ocupado)

· Cuanto mayor sea la proporción de la capa aislante (menor permeabilidad magnética efectiva)

Espesor comúnmente utilizado en la industria:

·0,50 mm: motor industrial común, bajo costo

·0,35 mm: motor de alta eficiencia con pérdidas un 20% inferiores

·0,20 mm: motores de alta frecuencia (como motores con variador de frecuencia), con menores pérdidas

·0,10 mm: aplicaciones de ultraalta frecuencia, alto costo

Esta es la sabiduría de la ingeniería: no tratar de lograr el grosor más delgado, sino encontrar la solución óptima entre rendimiento, costo y procesos.

03 Comparación de efectos: Los datos hablan por sí mismos

Entonces, ¿qué tan efectivas son realmente las láminas de acero al silicio? Vamos a hablar con datos.

Comparación del impacto del espesor de las láminas de acero al silicio en las pérdidas en vacío

Nota: El valor relativo de la pérdida en vacío se basa en una frecuencia industrial de 50 Hz y una densidad magnética nominal de 1,5 T; los datos son solo orientativos.

Esta tabla lo dice todo: Las láminas de acero al silicio reducen las pérdidas entre un 60% y un 90%, convirtiendo la energía eléctrica desperdiciada en trabajo útil.

2 Casos prácticos: Motor de alta velocidad con levitación magnética

En alta frecuencia 1000 Hz, 1,5 T En condiciones de densidad magnética nominal de operación, un núcleo de hierro con un diámetro de 450 mm y una altura de 300 mm opera continuamente durante los 365 días del año (8760 horas). La pérdida en vacío corresponde únicamente a las pérdidas por histéresis del núcleo de hierro (sin interferencias debidas a pérdidas mecánicas ni pérdidas por cobre).

Nota: Debido a que los datos de materiales varían entre diferentes proveedores en el mercado, estos datos son solo una referencia.

En comparación con un núcleo de hierro puro macizo, el acero al silicio no orientado de 0,2 mm... Se puede ahorrar aproximadamente 600.000 yuanes al año. Esto es solo un motor de levitación magnética; ¡los miles de motores de levitación magnética que hay en todo el mundo ahorran una cantidad de energía y dinero simplemente asombrosa!

3 ¿Por qué motores diferentes utilizan espesores distintos?

Probablemente hayas notado que el grosor de las láminas de acero al silicio varía según la aplicación. La razón es:

La pérdida por corrientes de Foucault es proporcional al cuadrado de la frecuencia: P ∝ f²

·Motor de frecuencia industrial (50 Hz): baja frecuencia, corrientes parásitas pequeñas; se puede utilizar con un espesor de 0,50 mm.

·Motor de frecuencia variable (200-400 Hz): alta frecuencia, gran corriente de Foucault; requiere 0,35 mm o incluso 0,20 mm.

·Motor de alta velocidad (>1000 Hz): frecuencia extremadamente alta; debe utilizarse una lámina ultrafina de 0,10 mm.

Cuanto mayor es la frecuencia, más urgente es la demanda de láminas.

04 Resumen

Volviendo a la pregunta del inicio del artículo: ¿Por qué no usar una pieza entera de hierro?

Ahora la respuesta está clara:

Puesto que una pieza sólida de hierro genera grandes pérdidas por corrientes parásitas, la eficiencia del motor disminuye bruscamente entre un 20% y un 40%, convirtiendo la mayor parte de la energía eléctrica en calor inútil.

Y el diseño de las láminas de acero al silicio representa una aplicación magistral de las leyes físicas por parte de los ingenieros:

·Cortar en rodajas finas → bloquear físicamente la trayectoria de las corrientes inducidas → aprovechar la relación P ∝ d² para reducir las pérdidas miles de veces.

·Incorporar elementos de silicio → Aumentar la resistividad → Inhibir la formación de corrientes parásitas

·Seleccionar el grosor adecuado → Encontrar un equilibrio entre rendimiento, costo y proceso → No el más delgado, sino el óptimo.

Esta aparentemente sencilla «montón de láminas delgadas de hierro» en realidad encierra profundos principios físicos y sabiduría tecnológica.

Desde el núcleo macizo de hierro del siglo XIX, pasando por la invención de las láminas de acero al silicio a principios del siglo XX, hasta el acero ultrafino y altamente silícico de hoy en día, cada avance representa una comprensión y aplicación cada vez más profundas de las leyes naturales por parte de la humanidad.

El núcleo de chapas delgadas de acero al silicio en capas dentro del motor, No es que los ingenieros estén «haciendo algo innecesario», sino que están combatiendo, de la manera más inteligente posible, las inevitables pérdidas por turbulencia en el mundo físico.

El artículo anterior fue tomado de un investigador sobre núcleos de hierro para motores; el autor es Zhang Lixun.