Núcleos metálicos amorfos de tres columnas para transformadores trifásicos.

Núcleo de transformador de metal amorfo (70) de tres columnas que consta de una sección de núcleo exterior(72) que encierra dos secciones de núcleo interiores (80,

90) dentro de su interior, comprendiendo cada una dedichas secciones de núcleo una única junta enlazable (78, 88, 98) y una pluralidad de paquetes (40) de grupos (20),estando compuesto cada grupo de una pluralidad de segmentos de tira cortada (12) de metal amorfo estratificadosen coincidencia unos con otros, y

en donde la única junta enlazable (78) de la sección de núcleo exterior (72) tiene una configuración de juntas desolapamiento y subsolapamiento que comprenden un racor macho contorneado para ajustarse a un racor hembracorrespondiente, y

en donde la única junta enlazable (88; 98) de cada una de las dos secciones de núcleo interiores (80, 90) es unajunta similar a una escalera.

Núcleos metálicos amorfos de tres columnas para transformadores trifásicos.

Campo de la invención La presente invención se refiere a núcleos de transformador y, más particularmente, a núcleos de transformador hechos de una tira o cinta compuesta de material ferromagnético, particularmente aleaciones de metal amorfo.

Antecedentes de la invención Los transformadores utilizados convencionalmente en aplicaciones de distribución, industriales, de potencia y de tipo seco son típicamente de la variedad de núcleo devanado o apilado. Los transformadores de núcleo devanado se utilizan generalmente en aplicaciones de alto volumen, tales como transformadores de distribución, puesto que el diseño de núcleo devanado conduce a técnicas de fabricación automatizadas para producción en masa. Se ha desarrollado un equipo para devanar una tira de núcleo ferromagnético alrededor y a través de la ventana de una bobina de vueltas múltiples preformada a fin de producir un conjunto de núcleo y bobina. Sin embargo, el procedimiento de fabricación más común implica devanar o apilar el núcleo independientemente de las bobinas preformadas con las que se vinculará finalmente el núcleo. La última disposición requiere que el núcleo se forme con una o más juntas para el núcleo devanado y con múltiples juntas para el núcleo apilado. Las chapas del núcleo están separadas en las juntas para abrir el núcleo, permitiendo así su inserción en la ventana o ventanas de las bobinas. El núcleo se cierra a continuación para rehacer la junta. Este procedimiento se denomina comúnmente “enlace” del núcleo con una bobina.

Un proceso típico para fabricar un núcleo devanado compuesto de metal amorfo consiste en los siguientes pasos: devanado de cinta, corte de chapas, apilamiento de chapas o devanado de chapas, recocido y acabado del borde del núcleo. El proceso de fabricación de un núcleo de metal amorfo, incluyendo devanado de cinta, corte de chapas, apilamiento de chapas y envoltura con una tira se describe en las patentes US Nos. 5.285.565; 5.327.806; 5.063.654; 5.528.817; 5.329.270; y 5.155.899.

Un núcleo acabado tiene una forma rectangular con la ventana de junta en una culata extrema. Las patas del núcleo son rígidas y la junta puede abrirse para la inserción de la bobina. Las chapas amorías tienen un espesor de alrededor de 25, 4 µm (0, 001 pulgadas) . Esto hace que sea relativamente complejo el proceso de fabricación de núcleos metálicos amorfos devanados en comparación con la fabricación de núcleos devanados a partir del material de acero de transformador compuesto de grano orientado laminado en frío (SiFe) . En el acero al silicio de grano orientado no sólo los espesores de las capas de grano orientado laminadas en frío son sustancialmente más grandes (en general en exceso de alrededor de 330 µm (alrededor de 0, 013 pulgadas) ) , sino que, además, el acero de silicio de grano orientado es particularmente flexible. Estas combinaciones de características técnicas, es decir, mayores espesores y flexibilidad sustancialmente mayor en aceros al silicio, diferencian inmediatamente el acero al silicio de tiras de metal amorfo, en particular tiras de metal amorfo recocidas, y obvia muchos de los problemas técnicos asociados con la manipulación de tiras de metal amorfo. La consistencia en la calidad del proceso utilizado para transformar el núcleo de su forma anular en una forma rectangular depende ampliamente del factor de apilamiento de las chapas de metal amorfo, puesto que las solapas de las juntas necesitan coincidir apropiadamente desde un extremo de la chapa hasta el otro extremo a modo de “peldaños de escalera”. Si el proceso de conformación del núcleo no se lleva a cabo apropiadamente, el núcleo puede sobreforzarse en las secciones de pata y esquina del núcleo durante los procesos de envolvimiento de la tira y de conformación del núcleo, lo que afectará negativamente a las propiedades de pérdida en el núcleo y de potencia de excitación del núcleo acabado.

Las configuraciones de núcleo-bobina utilizadas convencionalmente en transformadores de metal amorfo monofásicos son: tipo de núcleo, comprendiendo un núcleo, dos columnas de núcleo y dos bobinas; tipo de envuelta, comprendiendo dos núcleos, tres columnas de núcleo y una bobina. El transformador de metal amorfo trifásico utiliza generalmente configuraciones de núcleo-bobina de los siguientes tipos: cuatro núcleos, cinco columnas de núcleo y tres bobinas; tres núcleos, tres columnas de núcleo y tres bobinas. En cada una de estas configuraciones, los núcleos tienen que ensamblarse conjuntamente para alinear las columnas y asegurar que las bobinas puedan insertarse con holguras apropiadas. Dependiendo del tamaño del transformador, una matriz de múltiples núcleos de los mismos tamaños pueden ensamblarse conjuntamente para formar tamaños de más kVA. El proceso de alineación de las columnas de los núcleos para la inserción de las bobinas puede ser relativamente complejo. Además, alineando las múltiples columnas del núcleo, el procedimiento utilizado ejerce un esfuerzo adicional sobre los núcleos cuando cada columna de estos se flexiona y se dobla alcanzando su posición. Este esfuerzo adicional tiende a incrementar la pérdida en el núcleo, dando como resultado el transformador completado.

La chapa del núcleo es frágil debido al proceso de recocido y requiere cuidado extra, tiempo y un equipo especialpara abrir y cerrar las juntas del núcleo en el proceso de ensamble del transformador. Ésta es una propiedad intrínseca del metal amorfo recocido y no puede evitarse. La rotura y el escamado de las chapas no son fácilmente evitables durante este proceso de apertura y cierre de la junta del núcleo, pero idealmente se minimiza. La presencia de escamas puede producir amplios detrimentos en el funcionamiento del transformador. Las escamas dispersadas entre las capas laminares pueden reducir el contacto cara con cara de las chapas en un núcleo devanado y reducir así la eficiencia de funcionamiento total del transformador. Las escamas y el sitio de una junta enlazada reducen también el contacto cara con cara, reduce el solape entre secciones de junta conjugadas y reduce nuevamente la eficiencia de funcionamiento total del transformador. Esto es particularmente importante en el lugar geométrico de la junta enlazada, ya que es en este punto en el que se espera que ocurran las pérdidas más grandes debido al escamado. Se requieren métodos de contención para asegurar que las escamas rotas no entren en las bobinas y creen condiciones de cortocircuito potenciales entre las capas dentro del núcleo. Las tensiones inducidas en las chapas durante la apertura y el cierre de las juntas del núcleo provocan a veces un incremento permanente de la pérdida en el núcleo y de la potencia de excitación en el transformador completado, así como reducciones permanentes en la eficiencia de funcionamiento del transformador.

El documento JP06231986A describe un núcleo de transformador de metal amorfo de tres columnas que tiene dos secciones de núcleo interiores dentro de una sección de núcleo exterior, en donde cada una de las secciones de núcleo tiene una sola junta enlazable.

Así, sería particularmente ventajoso proporcionar un núcleo de metal amorfo que se caracterice inherentemente por una probabilidad reducida de rotura de chapas que pueda ocurrir durante el montaje de un transformador de potencia.

Sería también particularmente ventajoso proporcionar un núcleo de metal amorfo que se caracterice inherentemente por condiciones de esfuerzo reducido dentro del núcleo de metal amorfo devanado y laminado, particularmente dentro de núcleos de metal amorfo de tres columnas adecuados para uso en transformadores trifásicos.

En un primer aspecto, la invención consiste en un núcleo de transformador de metal amorfo de tres columnas de acuerdo con la reivindicación adjunta 1.

En un segundo aspecto, la invención consiste en un procedimiento para la fabricación de un núcleo de transformador de metal amorfo multinúcleo de acuerdo con la reivindicación adjunta 3.

Breve descripción de los dibujos La invención se entenderá más completamente y las ventajas adicionales llegarán a ser evidentes cuando se haga referencia a la siguiente descripción detallada y los dibujos que se acompañan, en los cuales:

La figura 1 es una vista lateral de un carrete devanado en el que se aloja una tira de metal amorfo destinada a cortarse en un grupo de tiras;

La figura 2 es una vista lateral de un grupo cortado que consta de una pluralidad de capas de tira de metal amorfo;

La figura 3 es una vista lateral de un paquete que comprende un número predeterminado de grupos cortados,... [Seguir leyendo]

1. Núcleo de transformador de metal amorfo (70) de tres columnas que consta de una sección de núcleo exterior

(72) que encierra dos secciones de núcleo interiores (80, 90) dentro de su interior, comprendiendo cada una de dichas secciones de núcleo una única junta enlazable (78, 88, 98) y una pluralidad de paquetes (40) de grupos (20) , estando compuesto cada grupo de una pluralidad de segmentos de tira cortada (12) de metal amorfo estratificados en coincidencia unos con otros, y

en donde la única junta enlazable (78) de la sección de núcleo exterior (72) tiene una configuración de juntas de solapamiento y subsolapamiento que comprenden un racor macho contorneado para ajustarse a un racor hembra correspondiente, y

en donde la única junta enlazable (88; 98) de cada una de las dos secciones de núcleo interiores (80, 90) es una junta similar a una escalera.

2. Núcleo de transformador de metal amorfo (70) de tres columnas según la reivindicación 1, en el que cada sección de núcleo (72; 80; 90) se produce a partir de un metal amorfo que es vítreo en al menos un 90% y tiene una composición nominal de acuerdo con la fórmula:

M70Y5-20Z0-20

en done los subíndices son porcentaje en átomos, “M” es al menos uno de Fe, Ni y Co, “Y” es al menos uno de B, C y P, y “Z” es al menos uno de Si, Al y Ge; con la condición de que (i) hasta el 10 por ciento en átomos del componente “M” pueda sustituirse por al menos una de las especies metálicas Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta y W, y (ii) hasta el 10 por ciento en átomos de los componentes (Y+Z) pueda sustituirse por al menos una de las especies no metálicas In, Sn, Sb y Pb.

3. Procedimiento para la fabricación de un núcleo de transformador de metal amorfo multinúcleo (70) , cuyo procedimiento comprende los pasos de:

producir una serie de tiras cortadas (12) a partir de un metal amorfo no recocido (10) ;

ensamblar las tiras cortadas no recocidas en grupos (20) , comprendiendo cada grupo una pluralidad de tiras cortadas no recocidas estratificadas en coincidencia unas con otras;

ensamblar los grupos formando una pluralidad de paquetes (40) ;

conformar los paquetes alrededor de un mandril para formar secciones (72, 80, 90) de núcleo de transformador no recocidas que tienen ventanas de núcleo;

ensamblar las secciones de núcleo de transformador no recocidas, incluyendo una sección de núcleo exterior (72) y dos secciones de núcleo interiores (80, 90) , para obtener una configuración adecuada para uso dentro de un transformador ensamblado;

recocer las secciones de núcleo de transformador no recocidas ensambladas, en donde cada sección de núcleo tiene una única junta enlazable (78; 88; 98) , en donde la única junta enlazable (88; 98) de cada una de las dos secciones de núcleo interiores (80, 90) es una junta similar a una escalera y la única junta enlazable (78) de la sección de núcleo exterior (72) tiene una configuración de juntas de solapamiento y subsolapamiento que comprenden un racor macho contorneado conforme a un racor hembra correspondiente; y

desenlazar a continuación cada una de las secciones de núcleo de transformador y seguidamente reenlazar las secciones de núcleo de transformador.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que el núcleo (70) de transformador de metal amorfo multinúcleo es un núcleo de transformador de metal amorfo de tres columnas que comprende la sección de núcleo exterior encerrando las dos secciones de núcleo interiores dentro de su interior.

5. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que el metal amorfo no recocido del núcleo (70) de transformador de metal amorfo multinúcleo se produce a partir de un metal amorfo que es vítreo en al menos un 90% y tiene una composición nominal según la fórmula:

M70Y5-20Z0-20

en donde los subíndices son porcentajes en átomos, “M” es al menos uno de Fe, Ni y Co, “Y” es al menos uno de B, C y P, y “Z” es al menos uno de Si, Al y Ge; con la condición de que (i) hasta el 10 por ciento en átomos del componente “M” pueda sustituirse por al menos una de las especies metálicas Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta y W, y (ii) hasta el 10 por ciento en átomos de los componentes (Y+Z) pueda sustituirse por al menos una de las especies no metálicas In, Sn, Sb y Pb.

6. Procedimiento según la reivindicación 3, cuyo procedimiento comprende además los pasos de:

insertar una o más bobinas de transformador sobre una o más de dichas secciones (72, 80, 90) de núcleo de transformador después de dicho paso de desenlazar y antes de dicho paso de reenlazar.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que el transformador ensamblado es un transformador de potencia trifásico de tres columnas.

8. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que el metal amorfo no recocido del núcleo (70) de transformador de metal amorfo multinúcleo se produce a partir de un metal amorfo que es vítreo en al menos un 90% y tiene una composición nominal según la fórmula:

M70Y5-20Z0-20

en donde los subíndices son porcentajes en átomos, “M” es al menos uno de Fe, Ni y Co, “Y” es al menos uno de B, C y P, y “Z” es al menos uno de Si, Al y Ge; con la condición de que (i) hasta el 10 por ciento en átomos del componente “M” pueda sustituirse por al menos una de las especies metálicas Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta y W, y (ii) hasta el 10 por ciento en átomos de los componentes (Y+Z) pueda sustituirse por al menos una de las especies no metálicas In, Sn, Sb y Pb.

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