Uso de Materiales Magnéticos Blandos Nanocristalizados en Estator de Generador modular con Imanes Permanentes de flujo
Transversal para Turbina Eólica.)
di Prátula, Horacio R. , Guillermo, Eduardo, Rossi, Andrea, Bocero, Rodolfo, Frechero,Marisa Alejandra(1), di Prátula, Pablo E(2).
Departamento de Ingeniería Eléctrica – Grupo GESE – Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Bahía Blanca – [email protected]
(1) (2) Departamento de Química UNS - INQUISUR- UNS -
RESUMEN.
El objetivo principal es explorar las energías renovables con nuevos sistemas de generación y mínimos efectos medioambientales. En este contexto, el diseño de un generador eléctrico de flujo transversal con imanes permanentes posee una geometría modular ideal para analizar la aplicación de materiales nanocristalizados que permitirían menor pérdida (menor calentamiento) con baja magneto estricción y alta permeabilidad.
La geometría particular consiste en un núcleo compuesto por numerosos circuitos magnéticos en “U” asociados a una pieza rígida de material no conductor magnético.
Las características del material vítreo nanocristalizado como material magnético blando aplicado a transformadores de intensidad, para monitoreo remoto especialmente, presenta propiedades de saturación magnética muy superior al Ferrite manteniéndola aún a temperaturas elevadas. Pueden ser fabricados por el método del enfriamiento rápido del fundido y posterior crecimiento de las nanoestructuras por templado. Este procedimiento es simple, de bajo costo y alcanza una buena taza de reproducibilidad de sus propiedades. Estos materiales presentan alta permeabilidad con poco efecto de la temperatura y lazo de histéresis de mínima superficie; poseen también, bajo magneto estricción con menor nivel del ruido (contaminante) característico de los materiales magnéticos, siendo sus propiedades superiores a otros materiales magnéticos en espesores menores.
Como mencionamos antes, la configuración geométrica del generador es de “diseño propio” y nos estimula a investigar el uso de materiales vítreos nanocristalizados en su construcción, ya que su la aplicación en máquinas eléctricas rotativas es inédita.
El proyecto de investigación (ENUTIBB0002257TC) ha comenzado este año y es desarrollado en forma conjunta por el Grupo de Estudios Sobre Energía (GESE) de la Facultad Regional Bahía Blanca de la Universidad Tecnológica Nacional (UTN FRBB) y por el grupo de Fisicoquímica de Conductores Iónicos del Departamento de Química de la UNS (INQUISUR).
Palabras clave: vidrios nanocristalizados –materiales magnéticos blandos– generador – flujo transversal –energía eólica.
1. INTRODUCCIÓN
En el campo de las Ciencias de los Materiales (área interdisciplinaria conformada por la física, la química y otras ciencias complementarias) se persigue comprender las propiedades de un dado material de modo tal de ampliar sus aplicaciones tecnológicas con el mayor beneficio, no sólo para
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el hombre desde un punto práctico y económico (alta rentabilidad) sino también, en el contexto de los requerimiento medioambientales.
Hasta no hace mucho tiempo la Ciencia de los Materiales estudiaba generalmente sólo las propiedades medias o masivas de un dado material. Sin embargo, esto no siempre es suficiente para explicar todas sus propiedades y usualmente es una escasa información al momento de comprender su comportamiento en contacto con otros materiales y menos aún si se pretende comprender el comportamiento del material a escala nanométrica, i.e. cuando sólo unos pocos átomos están involucrados. Muchos fenómenos observados en un material son consecuencia de sucesos acaecidos en las superficies o producto de espesores de unos pocos diámetros atómicos.
Es fácil comprender que en la actualidad el campo de interés de la ciencia de los materiales es tan amplio y diverso como podamos imaginarlo ya que su objetivo fundamental es atender a las necesidades del hombre. Uno de estos intereses es sin lugar a dudas satisfacer la creciente demanda de generación y almacenamiento de energía teniendo como ejes fundamentales la eficiencia y el cuidado del medioambiente. Así, en las últimas décadas, han surgido un importante número de métodos y dispositivos alternativos que incansablemente persiguen estos objetivos. El desarrollo de nuevos materiales, sistemas de producción y ahorro energético buscan garantizar una transición adecuada a un futuro sostenible y fiable, basado en el uso de nuevas formas de energías, accesibles localmente y seguras. Muchos de los dispositivos emergentes desarrollados para la producción de energía renovable se basan en nanoestructuras y combinaciones híbridas de materiales orgánicos e inorgánicos. Estas áreas estratégicas de ciencia y tecnología requieren de un gran esfuerzo de investigación y también de la existencia de entornos multidisciplinarios adecuados para inspirar y formar futuros científicos.
El carácter intermitente de la energía solar y eólica requiere de sistemas masivos de almacenamiento. En consecuencia hacen falta medios accesibles de almacenar la energía para que esta se convierta en una fuente primaria de suministro. En una rápida revisión de los electrolitos típicamente utilizados en la actualidad para los diferentes dispositivos electroquímicos se pueden mencionar: los álcalis (AFC), las membranas poliméricas (PEMFC), el ácido fosfórico (PAFC), el carbonato fundido (MCFCs) y los óxidos sólidos (SOFCs).
Ahora bien, uno de los elementos medulares en el almacenamiento de energía son los electrolitos y su interacción con los correspondientes electrodos. Los electrolitos de estado sólido presentan una gran ventaja frente a los electrolitos denominados de estado líquido, en lo referente a la eficiencia, el deterioro y su consecuente vida útil. Dentro de la categoría de electrolitos sólidos podemos mencionar a los sólidos cristalinos, los vitrocerámicos, los poliméricos y los vidrios, básicamente. En el caso especial de los electrolitos vítreos podemos enumerar una serie de ventajas inherentes a este particular “estado” de la materia como son: su carácter isotrópico (en determinadas dimensiones), métodos de síntesis relativamente simples y en lo que hace a la conducción de energía: la ausencia del bloqueo por bordes de grano y la facilidad que presentan de poder controlar a voluntad su composición química y con esto la característica de su respuesta eléctrica.
Si el aspecto mencionado anteriormente relacionado a los electrolitos es importante, no lo es menos la aplicación que se quiere desarrollar con este tipo de material para usarlo en la construcción del estator de un generador eólico de baja potencia para sistemas distribuidos.
Motiva la inquietud el hecho de que los imanes permanentes de neodimio presentan como inconveniente mayor la fragilidad de sus propiedades cuando la temperatura es superior a 140 ºC (ver Fig. 1).
En 1988, investigadores de la Hitachi Metals descubrieron un nuevo tipo de material con propiedades magnéticas blandas superiores a las de los vidrios metálicos. Se trata de sistemas con estructuras nanocristalinas obtenidos a partir de la cristalización controlada de aleaciones amorfas y que poseen granos de dimensiones entre 10 y 20 nm inmersos en una matriz amorfa. Estos nuevos materiales nanocristalinos mejoran las propiedades de su precursor amorfo mostrando una alta imantación de saturación, magnetostriccion casi nula y extremadamente baja fuerza coercitiva.
El material desarrollado por la Hitachi tiene el nombre comercial de FINEMET y consiste en un vidrio metálico que se somete a un tratamiento térmico a 550°C, que propicia una estructura interna bifásica: la fase cristalina (o nano cristalina), que representa un 60% de total del volumen del material, es formada por nanogranos de fase α-Fe(Si) de ~20 nm de diámetro con un
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contenido de Si cercano al 20% (i.e. α-Fe80 Si20), y la matriz amorfa de composición rica en Fe, B y Nb. Gracias al valor negativo de λ de la fase cristalina y positivo de la fase amorfa se logran valores de magneto estricción prácticamente despreciables que junto con una mayor magnetización de saturación (1,2-1,5Tesla) una fuerza coercitiva de 0,5Am y una permeabilidad magnética que excede 10000 para una frecuencia de 1kHz, hace de estos materiales los más blandos conocidos por lo menos a nivel productivo.
Figura 1 Efecto de la temperatura en el imán de neodimio [1]
Si bien el uso más difundido de los metales amorfos magnéticos es para núcleos de transformadores (actualmente limitado a 10 MVA) ya que son claves para la optimización de la energía y cuidado del medio ambiente. Existen varios proyectos en Europa para impulsar el uso de los transformadores AMDT (Leonardo Energy) mientras que en la Argentina está en elaboración un plan para el desarrollo de AMDT partiendo desde el material mismo.
No obstante esta masiva aplicación, aún quedan mucho por investigar. Un sondeo por una base de datos de publicaciones científicas muestra que un 50% de las publicaciones sobre materiales magnéticos blandos hacen referencia a estos tipos de materiales, en donde se apunta a aumentar la imanación de saturación, a disminuir λ, a hacer aleaciones más estables con la temperatura, más tenaces mecánicamente, más económicas, nuevas aplicaciones y nuevos desarrollos tecnológicos.
Actualmente varias empresas comercializan pequeñas bobinas, transformadores y filtros magnéticos confeccionados con material nanocristalino. En la Fig.2, se comparan los materiales magnéticos blandos tradicionales con los nuevos amorfos y amorfos nanocristalinos, se observa que cuanto mayor es la permeabilidad y la imantación de saturación a la vez, estos serán mejores materiales magnéticos blandos.
Como ejemplo se incluye un material definido de la siguiente forma: The Fe–Zr–B–Cu nanocrystalline soft magnetic materials (Nanoperm alloys) [3] cuyas condiciones pueden observarse en la Fig. 2 [2].
En referencia [4] se mencionan las aplicaciones de este tipo de material, como ser: transformadores de potencia, componentes de interface en comunicación de datos, componentes de prevención por interferencia electromagnética, sensores con cabeza magnética y reactores.
En referencia [5] se menciona un material denominado FINEMET-type (Fe-Cu-Nb-Si-B) cuyas aplicaciones se comparan con las del Nanoperm. Este tipo de material presenta propiedades interesantes [6]. FINEMET ha sido registrada por Hitachi Metals, Ltd., Metglas® Inc. es una marca registrada.
En la Fig. 3 se observan algunas de sus características.
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Figura 2a Comparación entre materiales magnéticos Blandos [2]
Figura 2b Diferentes propiedades del material NANOPERM [2]
Figura 3 Diferentes propiedades del material FINEMET [6]
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Figura 4 Proceso de cristalización del material FINEMET [6]
2. APLICACIÓN DEL NANOCRISTAL EN EL DISEÑO DEL AEROGENERADOR
Si analizamos el generador cuyo flujo es transversal, notaremos que el material de la armadura no presenta las características de las máquinas eléctricas de flujo radial ó axial.
La Fig. 4 muestra la armadura de este diseño.
Flujo magnético
Sentido de giro del rotor Polo norte del imánPolo sur del imán
ConductorConductor entranteConductor saliente
Posiciones contiguas
Cabeza del conductor
Material no magnético
Figura 5 Armadura del generador de flujo transversal [7]
Como se observa en la Fig.5 la armadura está constituida por perfiles de dos tipos (ver Fig. 6)
Vista Lateral
Vista lateral Vista Frontal
Figura 6 Vista y ubicación de ambos perfiles
Estos perfiles requieren que el material magnético sea de buena permeabilidad y de pocas pérdidas. El uso de nanocristales evitaría la laminación. La generación consta de pequeñas tensiones inducidas de acuerdo a la velocidad de rotación del rotor y el flujo magnético que abraza al conductor en la armadura correspondiente, el par de polos siguientes no abraza el conductor para no inducir una tensión de sentido inverso. La tensión inducida en el bobinado finalmente será la resultante de la suma de las pequeñas tensiones inducidas, por lo que estará en serie eléctrica.
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La Fig 7 muestra claramente la diferencia entre un material magnético blando y uno duro. Si bien el transformador y la máquina de inducción serían las de mayor aplicación del material magnético blando por su condición de funcionamiento dónde B=f(V) y aplicación, en este caso la tensión final depende del flujo en cada uno de los lazos magnéticos y la velocidad relativa entre los imanes y los mismos. Cada pulso (ec. 1) se integra (ec.2) y se obtiene la tensión resultante de acuerdo a la ecuación 3. La Fig. 8, a continuación, muestra gráficamente el proceso.
Figura 7 Curva de Histéresis del Material magnético blando (Soft) y Material magnético duro (Hard)
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V = P*E*Nº conductores concatenados (3)
Dónde P = número de polos – E = tensión generada por cada concatenamiento del número de conductores concatenados en cada perfil conductor de campo magnético.
Figura 8 Pulsos generados al paso de los imanes bajo el lazo magnético [6]
El análisis conceptual es importante para decidirse por materiales magnéticos blandos o duros. Considerando que el área debajo de las curvas de histéresis corresponde a la energía de pérdida por histéresis y por lo tanto produce calentamiento, el material magnético blando (nanocristales) tendría menos pérdida por este fenómeno y por lo tanto menos calor que disipar.
Considerando las especificaciones que el fabricante da para los vidrios metálicos como ser: alta dureza, fuertes, con alguna flexibilidad y resistentes a la corrosión. Baja pérdida por frecuencias parásitas, baja magnetoestricción (λ) podemos inferir que este material es potencialmente aplicable a la carcasa propuesta para el generador de flujo transversal.
En la Fig 9 pueden observarse aplicaciones del material denominado “Metglas” con las curvas características del mismo. Dado que el material se utiliza en transformadores y la característica del generador diseñado es que su carcasa es de características similares (ver Fig. 6 y comparar con Fig. 9) no se ve ningún inconveniente en investigar el material mencionado y lograr optimizarlo y producirlo localmente.
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Figura 9 Aplicación y ciclo de histéresis del material denominado Metglas
Figura 10 Potencia aparente (VA/kg) vs Inducción e Inducción vs Pérdidas del núcleo (W/kg) del material denominado Metglas
Figura 11 Variación de la Inducción con la temperatura del material denominado Metglas
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Este material con una composición del 93% Fe 4% B y 3% Si denominado vidrio metálico ó metal amorfo, presenta características que en una comparación con acero al silicio grano orientado permitiría conocer los siguientes aspectos
Figura 12a Curva de histéresis B-H para aleación amorfa y acero al silicio cristalino grado M2. Medidas tomadas en núcleos de transformadores de distribución de 70 kg de peso aproximadamente.[9]
Las pérdidas en el núcleo como se informara párrafos anteriores será menor (ver Fig. 12a ) pero además la siguiente tabla especifica valores de saturación, permeabilidad y B admisible.
Al mismo tiempo en la Fig. 12b se observa la diferencia en el laminado de los materiales de silicio grano orientado comparado con el del material amorfo:
Figura 12b Pérdidas en el material
La densidad magnética admisible y la saturación son menores que las del acero al silicio grano orientado, esto es un aspecto negativo del material amorfo.
Tabla 1 Comparación de características magnéticas entre metal amorfo y acero silicio orientado.[]
Como característica esencial del silicio de grano orientado podemos observar que la permeabilidad es polidireccional (ver Fig. 13). Esto establece un patrón de cortes en el laminado
Características Metal Amorfo Silicio grano orientadoB (saturación)[T] 1,56 2B (admisible) [T] 1,35 1,8
Permeabilidad magnética 3,5 e^5 para H<10 A/m 6,0 e^4 para H<10 A/m
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mientras que en el caso del material amorfo la fabricación muestra una estructura sólida como resultado de una estructura líquida convertida en láminas de 0.018 a 0.023 mm de espesor .
Figura 13 Permeabilidad polidireccional en acero con silicio grano orientado [10]
De ese modo (ver Fig. 14) la fabricación del núcleo se obtiene del siguiente modo:
Figura 14 Proceso de fabricación del núcleo de un transformador con material amorfo [10]
La eficiencia comparativa entre un núcleo de silicio grano orientado y un metal amorfo puede observarse en la Fig. 15
Acero Silicio grano orientado
Figura 14 Eficiencia de un transformador de 2 MVA con material amorfo y acero silicio orientado [10]
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Tabla 2 Comparación de características magnéticas entre acero silicio orientado y metal amorfo.[10]
Como se observa la ventaja mayor es la menor pérdida, una temperatura del núcleo muchísimo menor (esto es una gran ventaja en nuestro caso), también la fabricación resulta ventajosa. Una desventaja importante es que el metal amorfo es aproximadamente 4 a 5 veces más duro que el acero, como consecuencia, las herramientas convencionales de corte, incluso si poseen puntas de carburo, se desgastan un millar de veces más rápido cortando acero amorfo comparado con el acero de grano orientado.
El espesor de una lámina amorfa es de 0,025 mm, casi un décimo del grosor de una lámina de acero al silicio. Esta delgadez se combina con una superficie irregular por lo que el núcleo es de mayor tamaño.
Se considera que dado el bajo tamaño del núcleo que se requiere para el generador los aspectos negativos mencionados no serán tan importantes como la ventaja en las pérdidas y la necesidad de la superficie de disipación para mantener la temperatura menor a los 150ºC.
3. CONCLUSIONES.
Considerando las diferencias señaladas anteriormente y la concepción estructural del generador es importante lograr un material magnético blando nanocristalizado con el objetivo de utilizarlo en este sistema por ser menor su temperatura especialmente ante el hecho de que las pérdidas en la bobinado producirán calor que se debe disipar a través de la superficie exterior y si esto fuera acompañado por una pérdida elevada en el núcleo aumentaría el requerimiento de superficie de disipación. La menor pérdida en el núcleo favorecerá la utilización de imanes de neodimio sin aumentar el volumen del núcleo en demasía.
4. REFERENCIAS.
[1] Dr. Ing. Prof. Mario Guillermo Macri, 2012, “Máquinas de Imanes Permanentes”, Universidad Nacional de Mar del Plata Facultad de Ingeniería Departamento de Ingenieria Eléctrica
[2] MAGNETEC GmbH – Industriestrasse 7 – 63505 Langenselbold – Fon: 06184 9202 0 – Fax: 06184 9202 20 – Internet: www.magnetec.de
[3] W. Qin, Y.F. Zhang, Y.W. Du, F.Xu, Y.J. Wu, M. Zhao Research Institute for Micro/Nanometer Science and Technology, Key Laboratory for Thin Film and Microfabrication of Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, People’s Republic of China - National Laboratory of Solid State Microstructures and Department of Physics, Nanjing University, Nanjing 210093,People’s Republic of China 29 May 2003 – ELSEVIER - Journal of Magnetism and Magnetic Materials 270 (2004) 174–181
[4] A. Makino, (Central Research Laboratory, Alps Electric Co., Ltd., Nagaoka 940-8572, Japan) A Inoue (Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan) and T. Masumoto (The Research Institute of Electric and Magnetic Materials, Sendai 982-0807, Japan) Nanocrystalline Soft Magnetic Fe-M-B (M = Zr, Hf, Nb), Fe-M-0 (M q Zr, Hf, Rare Earth) Alloys and Their Applications”. NanoStructured Materials, Vol. 12, pp. 825-828, 1999 Elsevier Science Ltd.
[5] Tobias Trupp (Magnetec GmbH, Industriestrasse 7, 63505 Langenselbold, Germany), Zoltán Palánki (Magnetec-Ungarn Kft., Pipis-hegy, 3200 Gyöngyös, Hungary) “Effect of ribbon thickness on power losses and high frequency behavior of nanocrystalline FINEMET-type cores” Digital Object Identifier inserted by IEEE Agosto 2013-
[6] FINEMET® Nanocrystalline Fe-based Soft Magnetic Material with High Saturation Flux Density and Low Core Loss - this name derives from the combination of “FINE” and “METAL”, which indicates the material’s features of being formed with fine crystal grains and having excellent magnetic properties.
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[7] Jacek F. Gieras, Mitchell Wing, ISBN: 0-8247-0739-1 - 2002 by Marcel Dekker “Permanent Magnet Motor Technology: Design and Applications”.
[8] Javier A. Moya, Soledad Gamarra Caramella (Grupo Interdisciplinario en Materiales-IESIING, Fac. de Ingeniería, Universidad Católica de Salta, INTECIN UBA-CONICET, Campo Castañares s/n, Salta (A4402FYP), Argentina), Carlos Berejnoi (Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Salta, Av. Bolivia 5150, Salta (4400) Argentina) – “Diseño de Aleaciones Nanoestructuradas Magnéticas Blandas” - I congreso argentino de Ingeniería, CADI 2012 - Mar del Plata Argentina)
[9] Basilio Andres Najle Ormazabal Univ de Chile, Fctad de Ciencias Físicas y Matemáticas Dpto de Ing. Eléctrica – “Transformadores de distribución con núcleo de metal amorfo investigación y diseño teórico” – junio/2013
[10] Joan Frau II Jornadas Internacionales de Innovación Energética “Eficiencia en transformadores” 6/7/2006
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