ES2264277T3 - Nucleo magnetico adecuado para su uso en un transformador de intesidad, procedimiento para fabricar un nucleo magnetico y transformador de intensidad con un nucleo magnetico. - Google Patents

Abstract

Núcleo magnético para un transformador de intensidad - que está constituido por un fleje arrollado (B) de una aleación ferromagnética en la que al menos un 50% del volumen de la aleación es ocupado por finas partículas cristalinas con un tamaño medio de partícula de 100 nm o menos (aleación nanocristalina), - que presenta una permeabilidad que es mayor que 12000 y menor que 300000, - que presenta una magnetoestricción de saturación cuya magnitud es inferior a 1 ppm, - que está sustancialmente libre de tensión mecánica, - que presenta un eje de anisotropía (A) a lo largo del cual se orienta con especial facilidad la magnetización del núcleo magnético (M) y el cual es perpendicular a un plano en el que discurre la línea media del fleje (B), presentando la aleación una composición que consiste sustancialmente en la fórmula FeaCobCucSidBeMf en donde M es al menos uno de los elementos V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr y Hf, y a, b, c, d, e, f están indicados en % en átomos, y en donde a, b, c, d, e y f satisfacen las condiciones siguientes: 0, 5 c 2; 6, 5 d 18; 5 e 14; 1 f 6, con d + e > 18 y 0 b 15, en donde a + b + c + d + e + f = 100, y caracterizado porque el fleje (B) presenta una profundidad de aspereza Ra(ef.) inferior a 7%.

Description

Núcleo magnético adecuado para su uso en un transformador de intensidad, procedimiento para fabricar un núcleo magnético y transformador de intensidad con un núcleo magnético.

La invención concierne a un núcleo magnético que es adecuado para su uso en un transformador de intensidad, a un procedimiento para fabricar un núcleo magnético de esta clase y a un transformador de intensidad con un núcleo magnético de esta naturaleza.

Para captar el consumo de energía de aparatos de aparatos e instalaciones eléctricos en la industria y en el hogar se utilizan contadores de energía. El principio usual más antiguo en este campo es el contador de Ferrari. El contador de Ferrari se basa en el cómputo de energía por medio de la rotación de un disco unido con un sistema contador mecánico que es accionado por los campos - proporcionales a la intensidad de corriente o a la tensión - de bobinas de campo correspondientes. Para la ampliación de las posibilidades funcionales de contadores de energía, como, por ejemplo, para el funcionamiento con varias tarifas o para lectura a distancia, se utilizan contadores de energía electrónicos en los que la captación de la intensidad de corriente y de la tensión se efectúa a través de transformadores de intensidad y de tensión inductivos.

Una aplicación especial en la que se requiere una precisión especialmente elevada es la captación de las corrientes de energía en el ámbito de las empresas de suministro de electricidad. Por un lado, se tienen que determinar aquí las cantidades de energía generadas por las centrales eléctricas correspondientes y alimentadas a las redes de alta tensión y, por otro lado, son de gran importancia para la facturación las proporciones cambiantes de consumo o suministro en el tráfico entre las empresas de suministro de energía. Los contadores de energía creados para ello son aparatos incorporados de múltiples funciones cuya señales de entrada para intensidad de corriente y tensión se toman de las respectivas instalaciones de alta y media tensión a través de cascadas de transformadores de intensidad y de tensión y cuyas señales de salida sirven para fines de registro o indicación digital y gráfico, así como para fines de control en las salas de mando. Los primeros transformadores por el lado de la red sirven en este caso para la transformación - separada por potenciales - de los altos valores de intensidad y de tensión, por ejemplo 1 a 100 kA y 10 a 500 kW, en valores manejables en armarios de distribución, y los segundos transformadores transforman estos valores, en el contador de energía propiamente dicho, en los niveles de señal que necesita la electrónica de medida, en el intervalo de menos de 10 a 100 mV.

La figura 1 muestra un esquema equivalente de un transformador de intensidad de esta clase y los intervalos de los datos técnicos, tal como estos pueden presentarse en diferentes aplicaciones. Se muestra aquí un transformador de intensidad 1. Sobre un núcleo magnético 4, que está constituido por un fleje nanocristalino magnéticamente dulce, se encuentran el devanado primario 2 que conduce la intensidad I_{prim} a medir, y un devanado secundario 3 que conduce la intensidad de medida I_{sec}. La intensidad secundaria I_{sec} se ajusta automáticamente de modo que, en el caso real, los amperios-vueltas en el primario y en el secundario sean iguales y estén dirigidos en sentidos contrarios. La evolución de los campos magnéticos en un transformador de intensidad de esta clase ha sido representada en la figura 2, en donde no se han tenido en cuenta las pérdidas en el núcleo magnético. La intensidad en el devanado secundario 3 se ajusta entonces según la ley de inducción de modo que intente impedir la causa de su producción, concretamente la variación temporal del flujo magnético en el núcleo magnético 4.

Por tanto, en el transformador de intensidad ideal la intensidad secundaria multiplicada por la relación de los números de espiras, es negativamente igual a la intensidad primaria, lo que se ilustra por medio de la ecuación (1):

(1)I^{ideal}_{sec} = -I_{prim} \text{*} (N_{prim}/N_{sec})

Este caso ideal no se alcanza nunca a causa de las pérdidas en la resistencia de carga 5, en la resistencia 6 del cobre del devanado secundario y en el núcleo magnético 4.

Por tanto, en el transformador de intensidad real la intensidad secundaria presenta un error de amplitud y un error de fase con respecto a la idealización anterior, lo que se describe por medio de la ecuación (2):

(2)Error de amplitud: F(I) =\frac{I^{real}_{sec}-I^{ideal}_{sec}}{I^{ideal}_{sec}}; \hskip0.5cm Error \ de \ fase: \varphi(I) = \phi(I^{real}_{sec}) - \phi(-I_{prim})

Las señales de salida de este transformador de intensidad son digitalizadas, multiplicadas, integradas y almacenadas. El resultado es una magnitud eléctrica que está disponible para los fines citados.

Los contadores de energía electrónicos utilizados para el cómputo de energía en estas aplicaciones trabajan "indirectamente", de modo que tan sólo tienen que medirse en el propio contador corrientes alternas puramente bipolares y simétricas con respecto a cero. Sirven para esto unos transformadores de intensidad que están construidos con núcleos magnéticos de materiales altamente permeables y que, para conseguir pequeños errores de medida en función de un pequeño error de fase \varphi, tienen que estar equipados con muchísimas espiras secundarias, es decir, típicamente 2500 y más.

Para la reproducción de intensidades de corriente puramente bipolares se conocen transformadores de intensidad cuyos núcleos magnéticos consisten en aleaciones cristalinas altamente permeables, especialmente aleaciones de níquel-hierro que contienen aproximadamente 80% en peso de níquel y que se conocen bajo el nombre de "Permalloy". Estos presentan un error de fase \varphi que en principio es muy bajo. Sin embargo, adolecen del inconveniente de que este error de fase \varphi varía fuertemente con la intensidad I_{prim} a medir, lo que es equivalente a la excitación del núcleo del transformador. Por tanto, para lograr una medición precisa de la intensidad de corriente con estos transformadores bajo cargas cambiantes es necesaria una complicada y costosa linealización en el contador de energía.

Además, se conocen transformadores de intensidad que trabajan sobre la base de bobinas de núcleo de aire sin hierro. Este principio es conocido como el llamado principio de Rogowski. En este caso, se suprime la influencia de la excitación sobre el error de fase. Sin embargo, dado que los requisitos impuestos para la seguridad contra perturbaciones de estos transformadores de intensidad tienen que ser muy altos para hacer posible un cómputo de energía contrastable, estas construcciones están equipadas con complejos apantallamientos contra campos exteriores, lo que significa un alta complejidad en material y en montaje y, por tanto, es muy costoso.

Asimismo, se conocen soluciones en las que se utilizan como núcleo magnético un núcleo de escamas de ferrita provisto de un entrehierro (cizallado). Estos transformadores de intensidad disponen de una linealidad muy buena, pero, debido a la permeabilidad relativamente baja de las ferritas, es necesario un número muy grande de espiras en combinación con un núcleo magnético de volumen muy grande para lograr un pequeño ángulo de fase en el transformador de intensidad. Además, estos transformadores de intensidad basados en núcleos escamas de ferrita presentan también una alta sensibilidad frente a campos extraños externos, de modo que tienen que tomarse también allí medidas de apantallamiento. Asimismo, en las ferritas los valores magnéticos dependen en general fuertemente de la temperatura.

El documento EP-A-0 271 657 revela a este respecto núcleos de arrollamiento a base de aleaciones magnéticas amorfas que caen el dominio de composición Fe_{a}Co_{b}Cu_{c}Si_{d}B_{e}M_{f}, en donde M es al menos uno de los elementos V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr y Hf, y a, b, c, d, e, f están indicados en % en átomos, y en donde a, b, c, d, e, y f cumplen las condiciones 0,5 \leq c \leq 2; 6,5 \leq d \leq 18; 5 \leq e \leq 14; 1 \leq f \leq 6, con d + e > 18 y 0 \leq b \leq 15, en donde a + b + c + d + e + f = 100.

La invención se basa en el problema de indicar un núcleo magnético que, al ser utilizado en un transformador de intensidad, permita, en comparación con el estado de la técnica, una mayor precisión de medida de una intensidad de corriente a medir, junto con, al mismo tiempo, una realización económica y un tamaño de construcción compacto. Asimismo, se indicarán un procedimiento para fabricar un núcleo magnético de esta clase y un transformador de intensidad con un núcleo magnético de esta naturaleza.

Además, la dependencia de las propiedades respecto de la temperatura deberá ser lo más pequeña posible.

El problema se resuelve por medio de un núcleo magnético que es adecuado para su uso en un transformador de intensidad, caracterizado porque está constituido por un fleje arrollado a base de una aleación ferromagnética en la que al menos un 50% de la aleación es ocupado por finas partículas cristalinas con un tamaño medio de las mismas de 100 nm o menos (aleación nanocristalina), presenta una permeabilidad de saturación que es mayor que 12000, mejor 20000 y menor que 300000, mejor 350000, presenta una magnetostricción de saturación cuya cuantía es menor que 1 ppm, está sustancialmente exento de tensión mecánica y presenta un eje de anisotropía magnética a lo largo de cual se alinea con especial facilidad la magnetización del núcleo magnético y el cual es perpendicular a un plano en el que discurre una línea central del fleje. La aleación presenta una composición que consiste sustancialmente en la fórmula

Fe_{a}Co_{b}Cu_{c}Si_{d}B_{e}M_{f}

en donde M es al menos uno de los elementos V, Nb, Ta, Ti, No, W, Zr y Hf, y a, b, c, d, e, f están indicados en % en átomos, y en donde a, b, c, d, e y f satisfacen las condiciones siguientes:

0,5 \leq c \leq 2; 6,5 \leq d \leq 18; 5 \leq e \leq 14; 1 \leq f \leq 6, con d + e > 18 y 0 \leq b \leq 15, en donde a + b + c + d + e + f = 100.

Según la invención el fleje se fabrica en este caso de modo que presente una pequeña profundidad efectiva de las asperezas. Se pueden lograr así una relación de remanencia especialmente buena y, por tanto, una linealidad especialmente buena del transformador de intensidad. Se ha visto que un 7% es especialmente bueno como valor límite superior para la profundidad efectiva de las asperezas, pero al aumentar la profundidad efectiva de las asperezas se hacen más pequeñas la dispersión y también la cuantía de la remanencia y, por tanto, aumenta significativamente la estabilidad de la linealidad.

La profundidad de las asperezas de las superficies del fleje y también el espesor de éste son magnitudes importantes de influencia sobre las propiedades magnéticas. Decisiva es la profundidad efectiva de las asperezas. Por profundidad efectiva de las asperezas se entiende la suma de las profundidades medias Ra de las asperezas de las dos superficies opuestas del fleje dividida por el espesor del mismo. La figura 4 muestra muy gráficamente que la relación de remanencia y, por tanto, la linealidad de los transformadores de intensidad pueden ajustarse mediante un ajuste de la profundidad de las asperezas.

La permeabilidad se refiere a un intensidad de campo aplicada en el plano de la línea central del fleje y a la inducción provocada por ella.

Se ha visto que en un núcleo magnético de esta clase la dependencia de la permeabilidad respecto de la magnetización es muy pequeña. Por tanto, el bucle de histéresis del núcleo magnético es muy estrecho y lineal. Esto presupone una relación lo más pequeña posible entre la inducción de remanencia y la inducción de saturación de, en lo posible, menos de 5% y unas pequeñas intensidades de campo coercitivo de, en lo posible, menos de 10 mA/cm, mejor 5 mA/cm.

Dado que la permeabilidad de más de 12000 es muy grande y, además, es sustancialmente independiente de la magnetización, el error de fase absoluto y el error de amplitud absoluto de un transformador de intensidad con un núcleo magnético de esta clase son muy pequeños. El error de amplitud absoluto puede ser inferior a 1 por 1000. El error de fase absoluto puede ser inferior a 0,1º.

Aparte del núcleo magnético, el transformador de intensidad presenta al menos un devanado primario y un devanado secundario al que está conectada en paralelo una resistencia de carga y el cual cierra con bajo ohmiaje el circuito de corriente secundaria.

Se ha visto también que el bucle de histéresis del núcleo magnético presenta una alta linealidad. Así, una relación de permeabilidad es de \mu_{15}/\mu_{4} < 1,1 y una relación de permeabilidad es de \mu_{10}/\mu_{15} < 1,1, en donde \mu_{0,5}, \mu_{4}, \mu_{10} y \mu_{15} son las permeabilidades para una amplitud de campo H de 0,5, 4, 10 y 15 mA/cm.

Debido a la buena linealidad, el error de fase y el error de amplitud no presentan sustancialmente dependencia alguna respecto de la intensidad de corriente a medir. Debido a la alta inducción de saturación de, por ejemplo, 1,2 teslas, esto se aplica, en contraposición a otros materiales altamente permeables y magnéticamente dulces, para otro intervalo de intensidad de campo o de inducción.

Dado que el error de fase absoluto, el error de amplitud absoluto y la dependencia de los errores respecto de la intensidad de corriente a medir son muy pequeños, se puede realizar una captación muy exacta de la intensidad de corriente por medio del transformador de intensidad.

Debido a la estructura nanocristalina, el núcleo magnético presenta una estabilidad sorpredentemente alta frente al envejecimiento, la cual permite una temperatura límite superior de aplicación para el núcleo magnético de más de 120ºC y en casos individuales incluso alrededor de 150ºC. Precisamente por esto es adecuado el transformador de intensidad con el núcleo magnético para su utilización ampliamente por encima de la temperatura ambiente.

Las propiedades del núcleo magnético dependen sólo débilmente de la temperatura, discurriendo nuevamente esta dependencia de forma ampliamente lineal.

La invención se basa en el conocimiento de que con la aleación de la composición descrita se puede producir por medio de un tratamiento térmico adecuado un núcleo magnético con las propiedades descritas. En este caso, están ajustados entre sí muchísimos parámetros para que el núcleo magnético presente las propiedades descritas.

Debido a la estructura trifásica nanocristalina generada durante el tratamiento térmico se satisfacen, junto con, al mismo tiempo, una alta inducción de saturación y una alta estabilidad térmica, las dos premisas básicas para buenas propiedades magnéticamente dulces:

1) Eliminación, es decir, promediado de la anisotropía cristalina K_{1} mediante la acción alisadora de la interacción de intercambio ferromagnético sobrepuesta al grano.

2) Ajuste muy amplio del paso por cero de la magnetostricción de saturación \lambda_{s} (\lambda_{s} < 1 ppm) por superposición de las dos contribuciones de magnetostricción del grano nanocristalino y de la fase residual intergranular amorfa.

Dado que con esto se eliminan las anisotropías perturbadoras remanentes en el fleje o en el núcleo magnético hasta aproximadamente 2 J/m^{3} o aún menos, se pueden generar ya a anisotropías transversales uniaxiales muy pequeñas inducidas por el campo magnético unos bucles de histéresis altamente lineales (bucles F) con permeabilidades máximas.

En lo que sigue, se describe un tratamiento térmico que es un procedimiento de fabricación de un núcleo magnético y que resuelve también el problema:

Después de la fabricación y arrollamiento del fleje para formar el núcleo magnético, se calienta este núcleo magnético hasta una temperatura objetivo entre 450ºC y 600ºC. Preferiblemente, la temperatura objetivo está por encima de 520ºC. Partiendo de un estado amorfo del fleje, se forma entonces la estructura bifásica nanocristalina.

Una vez que se ha formado la estructura bifásica nanocristalina, se conecta un campo magnético de al menos 10 A/cm- que es transversal a la dirección del fleje arrollado (campo transversal)- para formar el eje de anisotropía a una temperatura por debajo de la temperatura de Curie de la aleación. Este campo transversal tiene que ser tan grande que el núcleo, en el estado de su inducción de saturación, se encuentre en la dirección del eje de anisotropía que se ha de formar. La temperatura de Curie es la temperatura a la que se inicia una magnetización espontánea de la aleación.

La temperatura objetivo se ha elegido de modo que esté por encima de la temperatura de cristalización de la aleación. Esta se adapta a la composición de la aleación de modo que, debido a la distribución de tamaños que se establece y al relleno del volumen del grano, se origine un promediado lo mejor posible de la anisotropía K_{1} de los cristales. Al mismo tiempo, las contribuciones a la magnetostricción del núcleo nanocristalino y de la fase restante amorfa deberá compensarse de tal manera que la magnetostricción de saturación resultante sea muy pequeña o a ser posible desaparezca completamente.

Al mismo tiempo, el calentamiento produce una degradación de tensiones mecánicas en el fleje y en el núcleo magnético arrollado, con lo que la formación del grano nanocristalino tiene lugar en el estado exento de tensiones y no se pueden originar anisotropías inducidas por tensiones.

Se puede lograr una linealidad especialmente alta del bucle de histéresis cuando la relación entre el tenor elástico metálico de la tensión del núcleo magnético, multiplicado por la magnetostricción de saturación, y la anisotropía uniaxial es menor que 0,5.

La intensidad del campo magnético (campo transversal) aplicado perpendicularmente al fleje arrollado se ha elegido de tal manera que sea netamente mayor que la intensidad de campo necesaria para alcanzar la inducción de saturación en esta dirección del núcleo. Esta es en general mayor que 100 A/cm.

Esta dentro del ámbito de la invención el realizar dos tratamientos térmicos consecutivos. El primer tratamiento térmico sirve para formar la estructura bifásica nanocristalina, El segundo tratamiento térmico puede efectuarse a una temperatura más baja que la del primer tratamiento térmico y sirve para formar el eje de anisotropía. Como alternativa, en el mismo tratamiento térmico se forma primero la estructura bifásica nanocristalina y se induce seguidamente el eje de anisotropía.

Si se requieren, por ejemplo, permeabilidades en la zona inferior de la ventana indicada de 12000 a 300000, la generación de la estructura nanocristalina y la formación del eje de anisotropía pueden tener lugar también al mismo tiempo. A este fin, se calienta el núcleo magnético hasta la temperatura objetivo, se le mantiene allí hasta la formación de la estructura nanocristalina y después se le enfría nuevamente hasta la temperatura ambiente. Según la permeabilidad necesaria, se aplica el campo transversal durante todo el tratamiento térmico o bien se conecta éste solamente después de alcanzarse la temperatura objetivo o incluso aún más tarde.

El calentamiento a la temperatura objetivo se efectúa con la mayor rapidez posible. Por ejemplo, el calentamiento a la temperatura objetivo se realiza con una tasa comprendida entre 1 y 15 K/min. Para lograr una compensación de la temperatura interior del núcleo se puede aplicar entonces, en el intervalo de temperatura de la cristalización que se está iniciando, una tasa de calentamiento retardada de menos de 1 K/min o incluso una meseta de temperatura de varios minutos.

El núcleo magnético se mantiene a la temperatura objetivo en torno a 550ºC durante, por ejemplo, 4 minutos a 8 horas para conseguir un grano lo más pequeño posible con una distribución homogénea de tamaños de grano y pequeñas distancias intergranulares. La temperatura se elige aquí tanto más alta cuanto más bajo sea el contenido de Si de la aleación. Por ejemplo, la iniciación de fases amagnéticas de boruro o el crecimiento de cristalitos superficiales sobre el fleje representa aquí un límite superior para la temperatura objetivo.

Para ajustar el eje de anisotropía y, por tanto, el bucle de histéresis lineal (bucle F) se procede de modo que, en caso de que esté conectado un campo magnético transversal, se mantiene el núcleo magnético por debajo de la temperatura de Curie, por ejemplo entre 260ºC y 590ºC, durante 0,1 a 8 horas. La anisotropía uniaxial entonces inducida es tanto mayor cuanto más alta se elija la temperatura en el campo transversal. El nivel de permeabilidad se comporta recíprocamente con respecto a la misma, de modo que a las más bajas temperaturas se obtienen los valores más altos. A continuación, se enfría el núcleo a valores próximos a la temperatura ambiente de, por ejemplo, 25ºC o, por ejemplo, 50ºC, por ejemplo a razón de 0,1 a 5 K/min en el campo transversal aplicado. Por un lado, esto es ventajoso por motivos económicos y, por otro lado, por motivos de linealidad, no puede efectuarse un enfriamiento exento de campo por debajo de la temperatura de Curie.

El campo magnético puede estar conectado durante todo el tratamiento térmico.

La composición de la aleación se elige de tal manera que, por un lado, se efectúe un promediado lo mejor posible de la anisotropía de los cristales del núcleo nanocristalino, pero, por otro lado, se elija lo mejor posible el paso por cero de la magnetostricción de saturación. Sin embargo, al mismo tiempo, el contenido de metaloide no deberá establecerse demasiado alto, ya que con ello se fragiliza el fleje y se pierden capacidad de colada, capacidad de arrollamiento y capacidad de corte del fleje. Sin embargo, por otro lado, la temperatura de cristalización deberá ser lo más alta posible para que, por ejemplo durante el proceso de colada del fleje, no se originen núcleos germinales para cristalitos superficiales, que son extremadamente nocivos para la linealidad del bucle. Esto último se puede conseguir dentro de ciertos límites, por ejemplo con contenidos incrementados de B y/o Nb.

Debido a la alta permeabilidad, el transformador de intensidad puede presentar un volumen especialmente pequeño junto con al mismo tiempo, una exacta captación de la intensidad de corriente.

Se puede lograr una mejora adicional respecto de la linealidad del bucle de histéresis del núcleo magnético y, por tanto, del comportamiento de transmisión del transformador de intensidad cuando el núcleo magnético presenta un valor de magnetostricción | \lambda_{s} | < 0,2 ppm y el núcleo magnético contiene una aleación ferromagnética nanocristalina que presenta una composición que consiste sustancialmente en la fórmula

Fe_{a}Co_{b}Cu_{c}Si_{d}B_{e}M_{f}

en donde M es al menos uno de los elementos V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr y Hf, a, b, c, d, e, f están indicados en % en átomos y a, b, c, d, e y f satisfacen las condiciones siguientes:

c = 1; 14 \leq d \leq 17; 5 \leq e \leq 14; 2 \leq f \leq 4, con 22 \leq d + e \leq 24 y 0 \leq b \leq 0,5, en donde a + b + c + d + e + f = 100.

Los sistemas de aleación anteriormente citados se caracterizan por bucles de histéresis muy lineales y acusadamente estrechos y, según la anisotropía uniaxial K_{u} entonces ajustada, presentan, para una amplitud de campo de \hat{H} = 4 mA/cm, una permeabilidad de 12000 < \mu_{4} < 300000. En la figura 3 se muestran bucles de histéresis de núcleos magnéticos derivados de algunos de los sistemas de aleación antes citados. Estos sistemas de aleación está casi exentos de magnetostricción. La magnetostricción se ajusta preferiblemente por medio de un tratamiento térmico, de modo que se pueden establecer bucles de histéresis lineales con un intervalo de inducción utilizable dentro de un amplio espacio debido a la alta inducción de saturación de B_{s} = 1,1 a 1,4 T y con una respuesta de frecuencia muy buena respecto de la permeabilidad y bajas pérdidas de remagnetización.

En el sistema de aleación nanocristalino preferido anteriormente mencionado se aprovecha por medio de una función de temperatura-tiempo de retención exactamente calibrada el hecho de que, en las composiciones de aleación utilizadas según la invención, se compensan precisamente las aportaciones de magnetostricción del grano finamente cristalino y de la fase residual amorfa y se origina la ausencia de magnetostricción necesaria.

Preferiblemente, el núcleo magnético no presenta ningún entrehierro. Un transformador de intensidad con un núcleo magnético sin entrehierro presenta una inmunidad especialmente alta frente a campos magnéticos extraños externos sin medidas de apantallamiento adicionales. El núcleo magnético es, por ejemplo, un núcleo anular, ovalado o rectangular cerrado sin entrehierro. Cuando el núcleo presenta un eje de simetría de rotación, el eje de anisotropía es entonces paralelo al eje de simetría de rotación. En cualquier caso, el eje de anisotropía es lo más exactamente perpendicular posible a la dirección del fleje arrollado.

Para producir el núcleo magnético se puede arrollar en redondo el fleje y, en caso necesario, éste puede ser llevado durante el tratamiento térmico a la forma correspondiente por medio de útiles de conformación adecuados.

Se logran intensidades de campo coercitivo especialmente pequeñas y, por tanto, una linealidad especialmente buena del bucle de histéresis cuando el fleje está provisto de una capa eléctricamente aislante al menos en una superficie. Por un lado, esto da lugar a una mejor relajación del núcleo magnético y, por otro lado, se pueden conseguir también pérdidas especialmente bajas por corrientes parásitas.

El fleje es provisto de la capa eléctricamente aislante en al menos una de sus dos superficies, por ejemplo antes del arrollamiento. Según la exigencia de calidad de la capa aislante, se utiliza para ello un procedimiento de inmersión, de paso, de rociado o de electrólisis en el fleje.

Como alternativa, el núcleo magnético arrollado es sometido a un aislamiento por inmersión antes del calentamiento a la temperatura objetivo, con lo que el fleje es provisto de la capa eléctricamente aislante. Se ha comprobado que es especialmente ventajoso un procedimiento de inmersión bajo depresión.

En la selección del medio aislante hay que cuidar de que éste, por un lado, se adhiera bien a la superficie del fleje y, por otro lado, no ocasione ninguna reacción con la superficie que pueda conducir a que se deterioren las propiedades magnéticas. En las aleaciones aquí comentadas se ha comprobado que los óxidos, acrilatos, fosfatos silicatos y cromatos de los elementos calcio, magnesio, aluminio, titanio, zirconio, hafnio y silicio son aisladores eficaces y compatibles. Es especialmente eficaz a este respecto el magnesio, el cual se aplica sobre la superficie del fleje como un anteproducto líquido conteniendo magnesio y, durante un tratamiento térmico especial que no influye sobre la aleación, se transforma en una densa capa conteniendo magnesio, cuyo espesor D, según el modo de elaboración, puede estar aproximadamente entre 25 nm y 3 \mum. A las temperaturas del tratamiento térmico del campo magnético anteriormente descrito se origina entonces la capa aislante propiamente dicha a base de óxido de magnesio.

El devanado secundario del transformador de intensidad puede presentar un número de espiras que sea inferior o igual a 2200. El devanado primario del transformador de intensidad puede presentar un número de espiras que sea igual a tres. El transformador de intensidad puede estar diseñado para una intensidad de corriente primaria que sea inferior o igual a 20 A.

El fleje se fabrica primero en estado amorfo por medio de una tecnología de solidificación rápida, tal como la que se ha descrito, por ejemplo, en el documento EP 0 271 657 B1, y luego es arrollado en máquinas especiales y con ausencia de tensiones para obtener el núcleo magnético en sus dimensiones finales. Debido a los altos requisitos de linealidad impuestos al bucle de histéresis del núcleo magnético se pone de preferencia un cuidado especial en lo que respecta a la ausencia de tensiones.

Se consiguen bucles de histéresis especialmente uniformes y lineales cuando varios núcleos magnéticos están apilados exactamente por el lado frontal durante el tratamiento térmico en el campo magnético de modo que la altura de apilamiento ascienda a un múltiplo del diámetro exterior de los núcleos magnéticos. El bucle de histéresis se desarrolla entonces con tanta mayor pendiente cuanto más baja se ajusta la temperatura en el campo transversal magnético.

Según la aleación, el tratamiento térmico puede realizarse en vacío o en un gas protector inerte o reductor. En todos los casos, han de tenerse en cuenta condiciones de pureza específicas del material que a veces pueden ser provocadas por medios auxiliares correspondientes, como materiales absorbedores o getter específicos de los elementos.

Por último, después del tratamiento térmico se consolida el núcleo magnético, por ejemplo por impregnación, revestimiento, envolvimiento con materiales plásticos adecuados y/o encapsulamiento y se le provee de al menos el respectivo bobinado secundario del transformador de intensidad.

En lo que sigue, se explica un ejemplo de realización de la invención con más detalle ayudándose de los dibujos, en los que:

La figura 5 muestra, como comparación, la dependencia de las permeabilidades del núcleo magnético según la invención y de núcleos de Permalloy respecto de una amplitud de inducción generada por un campo magnético de excitación,

La figura 6 muestra la dependencia del error de amplitud y del error de fase respecto de la intensidad de corriente a medir,

La figura 7 muestra esquemáticamente el núcleo magnético, el cual está constituido por un fleje con una capa aislante, y su eje de anisotropía, y

La figura 8 muestra la dependencia de la permeabilidad del núcleo magnético respecto de la temperatura a un nivel de permeabilidad de aproximadamente 80000, en comparación con la de algunas ferritas típicas.

La figura 7 no está representada a escala fiel.

En un ejemplo de realización se produjo un núcleo magnético anular M de 3 g de peso que consiste en un fleje B de una aleación nanocristalina térmicamente tratada, revestido con una capa aislante S de óxido de magnesio de aproximadamente 300 nm de espesor, con la composición Fe_{73,42}Cu_{1,04}Nb_{2,96}Si_{15,68}B_{6,95}, con las dimensiones 19 x 15 x 5,2 mm y con una sección transversal del hierro de A_{fe} = 0,077 cm^{2}.

Para evitar tensiones de arrollamiento se cuidó, durante el arrollamiento del fleje B para formar el núcleo magnético M, de que la fuerza de tracción del fleje B disminuyera continuamente al aumentar el número de capas de fleje. Se consigue así que el par de giro que ataca tangencialmente en el núcleo magnético M se mantenga constante en todo el radio de dicho núcleo magnético M y no se haga mayor al crecer el radio.

Para lograr las propiedades magnéticas requeridas se trató previamente el núcleo magnético M a 572ºC, con lo que, a consecuencia de la formación de la estructura bifásica nanocristalina, la magnitud de la magnetoestricción de saturación se redujo de \lambda_{s} \approx 24 ppm a 0,16 ppm. La tasa de calentamiento se redujo entre 450ºC y 520ºC de, por ejemplo, 10 K/min a 1 K/min. Puesto que el núcleo fue mantenido, por ejemplo, durante 1 hora a 572ºC, éste fue enfriado de nuevo.

Para ajustar la anisotropía transversal uniaxial K_{u} necesaria para bucles de histéresis lineales planos (bucles F) se maleabilizó el núcleo magnético M en un tratamiento térmico adicional durante 3,5 horas a una temperatura de 382ºC. Para orientar la dirección preferente magnética, es decir, para generar un eje de anisotropía A, se aplicó transversalmente a la dirección de magnetización posterior un campo magnético exterior (H > 1000 A/cm) que es transversal a la dirección del fleje arrollado B (véase la figura 7). Por tanto, el campo magnético era paralelo al eje de
anisotropía A.

Las propiedades magnéticas del núcleo magnético M tratado térmicamente en dos partes se desprenden de la figura 5, en donde, en contraste con núcleos cristalinos convencionales de Permalloy, la permeabailidad era casi constante en el alto valor \mu \approx 82000 a todo lo largo de un amplio rango de excitación. Esto resulta posible debido a que, por un lado, la aleación utilizada posee una alta inducción de saturación de aproximadamente 1,2 teslas y, por otro lado, la relación estática de inducción de remanencia a inducción de saturación era suficientemente pequeña con un valor de B_{r}/B_{m} = 2,6% a consecuencia de la magnetoestricción de saturación reducida en grado suficientemente fuerte por el pretratamiento y a consecuencia de una pequeña profundidad de aspereza efectiva (R_{a(ef)} \approx 2,9%).

El núcleo magnético M fue elaborado adicionalmente para convertirlo en un transformador de intensidad. El transformador de intensidad presentaba un número de espiras primarias N_{1} de 3 y un número de espiras secundarias N_{2} de 2000 y estaba cerrado con bajo ohmiaje en el circuito de corriente secundaria a través de una resistencia de carga de 100 ohm. Las magnitudes relevantes para la aplicación, o sea, el error de amplitud F y el error de fase \varphi, se desprenden de la figura 6. Debido a la acusada linealidad y a la alta permeabilidad del bucle de histéresis, ambas magnitudes son de cuantía reducida y su dependencia de la excitación es relativamente pequeña. El ángulo de fase medio \varphi es de 0,40º. Una linealidad del ángulo de fase \Delta\varphi a lo largo de un intervalo de intensidad de corriente de 0,1 a 2 A es de menos de 0,04º.

El núcleo magnético M presentaba una excelente resistencia al envejecimiento hasta 150ºC. Además, la figura 8 muestra la notablemente pequeña dependencia del núcleo magnético M fabricado de dicha aleación no cristalina respecto de la temperatura, en donde precisamente el nivel de permeabilidad ajustado se caracteriza especialmente por un valor en torno a 80000.

En conjunto, este resultado de recocido era prácticamente independiente de que el tratamiento térmico descrito se realizara como dos pasos parciales independientes o bien en un único desarrollo.

Para lograr una reducción aún más completa de la magnetoestricción se realizó el pretratamiento térmico a modo de ensayo a T_{x} = 600ºC. No obstante, el resultado de recocido fue netamente peor, puesto que, en contraste con las excelentes propiedades de linealidad anteriormente descritas, el bucle poseía ahora repentinamente una alta relación de remanencia de B_{r}/B_{m} = 23,5%, estando la permeabilidad inicial solamente todavía en \mu_{4} \approx 48000.

Después de un pretratamiento a T_{x} = 520ºC, las propiedades magnéticas del núcleo magnético reaccionaron de forma muy sensible a influencias de afianzamiento mecánico de cualquier clase a consecuencia de una magnetoestricción de saturación demasiado alta. La relación de remanencia creció entonces ya bajo débiles manipulaciones mecánicas desde 6% hasta 20% o más. Como consecuencia, no eran ya posibles un encapsulado o un revestimiento de plástico ni, por tanto, la elaboración tecnológica ulterior del núcleo magnético para convertirlo en un componente del transformador de intensidad.

Por el contrario, si se conservaba la temperatura de tratamiento de T_{x} = 572ºC, pero se aumentaba la temperatura del tratamiento térmico de campo hasta 440ºC, el bucle de histéresis conservaba ciertamente su excelente linealidad con una relación de remanencia de ahora B_{r}/B_{m} = 2,4%, pero su permeabilidad inicial era solamente todavía de \mu_{4} \approx 56000 debido a una energía de anisotropía uniaxial K_{u} demasiado alta.

Claims (17)

1. Núcleo magnético para un transformador de intensidad

- que está constituido por un fleje arrollado (B) de una aleación ferromagnética en la que al menos un 50% del volumen de la aleación es ocupado por finas partículas cristalinas con un tamaño medio de partícula de 100 nm o menos (aleación nanocristalina),

- que presenta una permeabilidad que es mayor que 12000 y menor que 300000,

- que presenta una magnetoestricción de saturación cuya magnitud es inferior a 1 ppm,

- que está sustancialmente libre de tensión mecánica,

- que presenta un eje de anisotropía (A) a lo largo del cual se orienta con especial facilidad la magnetización del núcleo magnético (M) y el cual es perpendicular a un plano en el que discurre la línea media del fleje (B), presentando la aleación una composición que consiste sustancialmente en la fórmula

Fe_{a}Co_{b}Cu_{c}Si_{d}B_{e}M_{f}

en donde M es al menos uno de los elementos V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr y Hf, y a, b, c, d, e, f están indicados en % en átomos, y en donde a, b, c, d, e y f satisfacen las condiciones siguientes:

0,5 \leq c \leq 2; 6,5 \leq d \leq 18; 5 \leq e \leq 14; 1 \leq f \leq 6, con d + e > 18 y 0 \leq b \leq 15, en donde a + b + c + d + e + f = 100, y

caracterizado porque el fleje (B) presenta una profundidad de aspereza R_{a(ef.)} inferior a 7%.

2. Núcleo magnético según la reivindicación 1, caracterizado porque a, b, c, d, e y f satisfacen las condiciones siguientes:

c = 1; 14 \leq d \leq 17; 5 \leq e \leq 14; 2 \leq f \leq 4; 0 \leq b \leq 0,5, con 22 \leq d + e \leq 24.

3. Núcleo magnético según la reivindicación 2, caracterizado porque la magnitud de la magnetoestricción de saturación es inferior a 0,2 ppm.

4. Núcleo magnético según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el núcleo magnético (M) presenta una magnetización de saturación B_{s} de 1,1 a 1,4 T.

5. Núcleo magnético según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el fleje (B) está provisto, al menos en una superficie, de una capa eléctricamente aislante (S).

6. Núcleo magnético según la reivindicación 5, caracterizado porque como capa eléctricamente aislante (S) está prevista una capa de óxido de magnesio.

7. Núcleo magnético según la reivindicación 6, caracterizado porque la capa eléctricamente aislante (S) presenta un espesor (D) de 25 nm \leq D \leq 3 \mum.

8. Núcleo magnético según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque está configurado como un núcleo anular, ovalado o rectangular cerrado y exento de entrehierro.

9. Núcleo magnético según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la relación entre su tenor de tensión elástica mecánica, multiplicado por la magnetoestricción de saturación, y su anisotropía uniaxial es inferior a 0,5.

10. Transformador de intensidad para corriente alterna con un núcleo magnético según una de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el transformador de intensidad, aparte de comprender el núcleo magnético (M) en calidad de núcleo del transformador, está constituido por al menos un devanado primario y al menos un devanado secundario, con el cual está conectada en paralelo una resistencia de carga y el cual cierra con bajo ohmiaje el circuito de corriente
secundaria.

11. Transformador de intensidad según la reivindicación 10, caracterizado porque el devanado secundario presenta un número de espiras N_{sec} \leq 2200, el núcleo primario presenta un número de espiras N_{prim} = 3 y el transformador de intensidad está diseñado para una intensidad de corriente primaria I_{prim} \leq 20 A.

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12. Procedimiento para fabricar un núcleo magnético según una de las reivindicaciones 1 a 11,

- en el que, después de la fabricación y arrollamiento del fleje (B) para formar el núcleo magnético (M), se calienta este núcleo magnético (M) a una temperatura objetivo comprendida entre 450ºC y 600ºC,

- en el que, a una temperatura por debajo de la temperatura de Curie de la aleación, se expone el núcleo magnético (M), durante 0,1 a 8 horas y a temperaturas comprendidas entre 260ºC y 590ºC, a un campo magnético de más de 100 A/cm, el cual es paralelo al eje de anisotropía (A) que se ha de formar en el núcleo magnético (M).

13. Procedimiento según la reivindicación 12,

- en el que el calentamiento a la temperatura objetivo se efectúa con una tasa comprendida entre 0,5 y 15 K/min,

- en el que se mantiene el núcleo magnético (M) a la temperatura objetivo durante un tiempo comprendido entre 4 minutos y 8 horas.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 y 13,

- en el que el fleje (B) es provisto antes del arrollamiento, al menos en una de sus dos superficies, de una capa eléctricamente aislante (S).

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 14,

- en el que se somete el núcleo magnético (M) a un aislamiento por inmersión antes de calentarlo a la temperatura objetivo, con lo que el fleje (B) es provisto de una capa eléctricamente aislante (S).

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 15,

- en el que al menos durante el tratamiento en el campo magnético están apilados uno sobre otro por el lado frontal varios núcleos magnéticos idénticos (M) de tal manera que una altura de apilamiento ascienda a un múltiplo del diámetro exterior del núcleo magnético (M).

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 16,

- en el que se enfría el núcleo magnético (M) a temperatura ambiente con tasas de 0,1 a 5 K/min.