Como o "coração" de um transformador, o núcleo de ferro desempenha um papel crucial na conversão de energia eletromagnética. Ele não só afeta o desempenho de eficiência energética dos transformadores, como também está diretamente relacionado ao volume, peso e confiabilidade operacional do equipamento. A evolução dos materiais do núcleo de ferro, do ferro puro industrial às ligas amorfas atuais, testemunhou o desenvolvimento notável da tecnologia de transformadores.
A função principal e os requisitos de desempenho do núcleo de ferro
A principal função do núcleo do transformador é fornecer um circuito magnético eficiente, permitindo a transmissão de energia elétrica entre diferentes circuitos através do princípio da indução eletromagnética. O desempenho do núcleo de ferro afeta diretamente os indicadores técnicos e econômicos do transformador. Os requisitos básicos para os materiais do núcleo de ferro são: baixa perda no núcleo em uma determinada frequência e densidade de fluxo magnético, e alta densidade de fluxo magnético em uma determinada intensidade de campo magnético.
As perdas no núcleo incluem duas partes: perdas por histerese e perdas por correntes parasitas. As perdas por histerese estão relacionadas à dificuldade de magnetização do material, enquanto as perdas por correntes parasitas são causadas pela corrente circulante induzida pelo fluxo magnético alternado no núcleo de ferro. Para reduzir essas perdas, os materiais ideais para o núcleo de ferro devem apresentar alta resistividade elétrica, alta permeabilidade magnética e baixa coercividade.
O processo de evolução dos materiais do núcleo de ferro
O desenvolvimento de materiais para núcleos de transformadores percorreu uma longa e fascinante jornada. Os primeiros núcleos de transformadores utilizavam fio de aço carbono comum ou aço carbono como materiais magnéticos. Em 1885, a fábrica de Gunz, na Hungria, desenvolveu o primeiro transformador monofásico com circuito magnético fechado, cujo núcleo de ferro era feito desse tipo de material.
Em 1900, o inglês R.A. Hadfield e outros descobriram que a adição de silício ao aço de baixo carbono podia melhorar a resistividade, reduzir as perdas por correntes parasitas e histerese, e atenuar o fenômeno do "envelhecimento do núcleo". Em 1903, os Estados Unidos e a Alemanha começaram a produzir chapas de aço silício laminadas a quente, marcando o início da era das chapas de aço silício.
As chapas de aço silício laminadas a quente apresentam problemas como desempenho irregular e elevadas perdas. Na década de 1930, foram feitos avanços na tecnologia de chapas de aço silício laminadas a frio. Em 1933, a Gauss utilizou dois métodos de laminação a frio e recozimento para produzir aço com 3% de silício e elevadas propriedades magnéticas na direção de laminação. Em 1935, a Armco Steel Company, dos Estados Unidos, em colaboração com a Westinghouse Company, iniciou a produção de aço silício orientado laminado a frio.
Após a década de 1960, os principais países industrializados gradualmente deixaram de produzir chapas de aço silício laminadas a quente e passaram a utilizar chapas de aço silício laminadas a frio com melhor desempenho. Em 1964, a Nippon Steel Corporation do Japão desenvolveu chapas de aço silício laminadas a frio com grãos orientados e alta permeabilidade (aço Hi-B), reduzindo ainda mais as perdas em vazio dos transformadores.
Na década de 1970, os materiais de liga amorfa fizeram sua estreia no cenário histórico. Em 1974, a United Microelectronics Corporation desenvolveu ligas amorfas à base de ferro e, em 1978, os Estados Unidos desenvolveram transformadores de 10 kVA com núcleo de ferro amorfo. Esse novo tipo de material tem a característica de perdas extremamente baixas no ferro, apenas 1/3 a 1/5 das tradicionais chapas de aço silício, inaugurando uma nova era de economia de energia para transformadores.
Principais tipos e características dos materiais do núcleo de ferro
chapa de aço silício
A chapa de aço silício é uma liga magnética macia de ferro-silício com teor de carbono extremamente baixo, geralmente entre 0,5% e 4,5%. A adição de silício pode aumentar a resistividade elétrica e a permeabilidade magnética máxima do ferro, reduzir a coercividade, as perdas no núcleo e o envelhecimento magnético. As chapas de aço silício podem ser divididas em duas categorias: laminadas a quente e laminadas a frio, sendo as laminadas a frio subdivididas em orientadas e não orientadas.
A chapa de aço silício não orientado laminada a frio refere-se a uma liga de 0,5% a 4,0% (Si + Al), que é laminada a frio com espessuras de 0,65 mm, 0,5 mm e 0,35 mm, sendo posteriormente recozida e revestida. Sua textura de grãos é relativamente dispersa e apresenta propriedades magnéticas relativamente uniformes em todas as direções.
O aço silício orientado possui alta permeabilidade magnética e baixas perdas na direção facilmente magnetizável <001>, atendendo aos requisitos de condutividade magnética de equipamentos de potência estática, como transformadores. O ângulo médio de desvio da orientação dos grãos do aço silício orientado comum (CGO) é de aproximadamente 7°, e o valor da susceptibilidade magnética de saturação B8 é superior a 1,82 Tesla; já o ângulo médio de desvio da orientação dos grãos do aço silício orientado de alta orientação magnética (Hi-B) é de cerca de 3°, e o valor de B8 é superior a 1,90 Tesla.
liga amorfa
A liga amorfa é um material metálico funcional com átomos distribuídos aleatoriamente na matriz, possuindo uma composição "vítrea". Uma liga amorfa típica contém 80% de ferro, sendo os componentes restantes boro e silício. Este material apresenta características como alta força de indução magnética de saturação (1,54 T), alta permeabilidade magnética, baixa corrente de excitação e perdas de ferro extremamente baixas.
As perdas no ferro das ligas amorfas à base de ferro representam apenas um terço a um quinto das perdas em chapas de aço silício orientado, o que reduz as perdas em vazio dos transformadores de liga amorfa em 70% a 80% em comparação com os transformadores tradicionais de aço silício. A densidade de fluxo magnético de saturação das ligas amorfas é relativamente baixa (cerca de 1,5 T), portanto, a densidade de fluxo magnético nominal geralmente selecionada é de 1,3 a 1,4 T.
A espessura da tira de liga amorfa é extremamente fina, apenas 0,03 mm, resultando em um coeficiente de laminação de apenas cerca de 80% para o núcleo de ferro amorfo. Embora as ligas amorfas tenham uma densidade menor do que as chapas de aço silício, o peso do núcleo de ferro ainda é relativamente elevado.
Projeto da estrutura central
O projeto da estrutura do núcleo do transformador também passou por uma evolução significativa. Desde o núcleo de ferro laminado mais antigo, passando pelo núcleo de ferro em forma de C, até o núcleo de ferro em forma de anel (núcleo de ferro em espiral), cada estrutura possui suas próprias características e vantagens.
O núcleo circular de ferro é feito enrolando-se tiras de aço silício, como uma mola de relógio bem apertada. Esse tipo de núcleo de ferro possui um circuito magnético contínuo, sem entreferros, resultando em baixa resistência magnética e alta eficiência. Comparados aos transformadores laminados de mesma capacidade, os transformadores toroidais apresentam as vantagens de tamanho reduzido, peso leve e baixa fuga magnética.
Para transformadores de liga amorfa, devido à dificuldade de corte do material, eles geralmente são projetados com núcleos de ferro em espiral. A estrutura do núcleo de um transformador monofásico é uma estrutura cilíndrica, enquanto a de um transformador trifásico é formada pela junção de quatro estruturas cilíndricas, em uma estrutura semelhante a uma estrutura trifásica de cinco colunas. Essa estrutura permite que cada enrolamento de fase seja posicionado em duas estruturas independentes do circuito magnético, eliminando efetivamente a influência do fluxo magnético da terceira harmônica.
Processo de fabricação do material do núcleo de ferro
O processo de fabricação de chapas de aço silício é complexo, especialmente no caso das chapas de aço silício orientado. Seu processo de produção é complexo, a janela de processo é estreita e a dificuldade de produção é alta. É conhecido como o "artesanato dos produtos de aço".
O processo de fabricação de chapas de aço silício não orientado laminadas a frio geralmente inclui: laminação a quente de tarugos de aço ou lingotamento contínuo em bobinas com espessura de cerca de 2,3 mm, seguida de lavagem ácida, laminação a frio, recozimento e revestimento com filme isolante. Para produtos com alto teor de silício, é necessário primeiro normalizá-los a 800-850 °C após a laminação a quente, seguida de lavagem ácida, laminação a frio até uma determinada espessura, recozimento, laminação a frio com baixa taxa de redução e, finalmente, recozimento final.
O método mais comum para produzir ligas amorfas consiste em pulverizar vapor de metal fundido sobre uma estrutura de cobre giratória de alta velocidade, onde o metal fundido é resfriado e solidificado em finas nervuras a uma taxa de 106 °C/s. A elevada tensão interna formada pelo resfriamento rápido deve ser reduzida por recozimento entre 200 °C e 280 °C para se obterem boas propriedades magnéticas.
Benefícios da economia de energia proporcionados pelos materiais com núcleo de ferro
Os transformadores são numerosos e possuem grande capacidade no sistema elétrico, resultando em perdas totais consideráveis. Estima-se que as perdas totais em transformadores na China representem cerca de 10% da geração de energia do sistema. Cada redução de 1% nas perdas pode economizar bilhões de quilowatts-hora de eletricidade anualmente.
Transformadores com núcleo de ferro-liga amorfa apresentam significativa economia de energia. As perdas em vazio dos transformadores da série SH12, com núcleo de liga amorfa, são reduzidas em cerca de 75% em comparação com os transformadores da série S9, com núcleo de aço-silício. Embora os transformadores de liga amorfa sejam mais caros que os transformadores tradicionais, seus custos operacionais são extremamente baixos e o período de retorno do investimento geralmente varia entre 2 e 5 anos.
Regiões economicamente desenvolvidas, representadas pelas províncias de Xangai, Jiangsu e Zhejiang, adotaram transformadores de liga amorfa em larga escala. A Companhia de Energia Elétrica de Jiangsu planeja inclusive instalar novas linhas de transmissão e modernizá-las no futuro, e o uso de transformadores de liga amorfa não deverá ser inferior a 30%.
Tendência de desenvolvimento de materiais de núcleo de ferro
Os materiais para núcleos de ferro estão sendo desenvolvidos visando baixa perda de ferro e alta indução magnética. Para chapas de aço silício, incluindo aço silício não orientado para motores de alta eficiência com baixa perda de ferro, aço silício orientado de especificação fina com baixíssima perda de ferro e alta indução magnética, e aço com alto teor de silício para eletrodomésticos de média e alta frequência com economia de energia.
O aço com alto teor de silício (liga Si-Fe com 4,5% a 6,7% de Si) apresenta características como perdas de ferro significativamente reduzidas em altas frequências, alta permeabilidade magnética máxima e baixa coercividade. No entanto, seu teor de Si é muito elevado e sua plasticidade é extremamente baixa à temperatura ambiente, dificultando sua laminação e conformação. Atualmente, materiais de liga Si-Fe com 6,5% de Si não orientados são preparados principalmente por meio do processo de infiltração de silício.
Materiais nanomoldificados e materiais de base biológica também representam uma das futuras direções de desenvolvimento. Com a crescente demanda por proteção ambiental, o desenvolvimento de materiais com núcleo de ferro não tóxicos, biodegradáveis ou recicláveis se tornará uma importante linha de pesquisa.
Conclusão
A evolução dos materiais do núcleo do transformador testemunhou a combinação perfeita entre ciência dos materiais e engenharia elétrica. Do aço carbono comum às chapas de aço silício e, posteriormente, às ligas amorfas, cada avanço em materiais melhorou significativamente o nível de eficiência energética dos transformadores.
No mundo atual, onde a conservação de energia e a redução de emissões se tornaram um consenso global, a seleção de materiais eficientes para núcleos de ferro não está relacionada apenas a benefícios econômicos, mas também a uma responsabilidade ambiental. No futuro, com o surgimento contínuo de novos materiais e processos, os núcleos de transformadores continuarão a evoluir em direção a menores perdas e maior eficiência, contribuindo para a construção de um sistema energético verde e de baixo carbono.
Data da publicação: 29/08/2025
