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Circuitos magnéticos.

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Carlos:
1. UNIDADES Y MAGNITUDES
2. FÓRMULAS MAGNÉTICAS
3. CONDUCTORES DE COBRE

Carlos:
UNIDADES Y MAGNITUDES

Magnitud   Unidad   Descripción
t      Segundo [s ]   Tiempo
f      Herzio [Hz]   Frecuencia
T      Grado centígrado [ºC]   Temperatura
F      Newton [N]   Fuerza
E      Julio [J]   Energía
P      Vatio [W]   Potencia

Unidades y magnitudes eléctricas

V      Voltio [V]   Potencial eléctrico
I      Amperio [A]   Corriente eléctrica
j      [A/m2]   Densidad de corriente eléctrica
ρ      [Ω·m]   Resistividad eléctrica del material

R      Ohmio [Ω]   Resistencia eléctrica
L      Henrio [H]   Inductancia
C      Faradio [F]   Capacidad o Capacitancia

Unidades y magnitudes magnéticas

B      Tesla [T]   Campo magnético
Φ      Weber [Wb]   Flujo magnético
ℜ      Henrio-1 [H-1]   Reluctancia magnética
H      [A/m]   Campo magnetizante
μ      [T·m/A]   Permeabilidad magnética
λ      Metro [m]   Longitud del camino magnético


CONSTANTES:

Constante   Unidad   Descripción
μ0    1,2566 x 10-6   Permeabilidad magnética del vacío
μr    1000      Permeabilidad magnética relativa del hierro (aproximada)
ρcu   17.24 x 10-9   Resistividad del cobre a 20ºC
π      3.14159265359   Pi, relación entre diámetro y circunferencia

Carlos:
FÓRMULAS MAGNÉTICAS
  λ = Longitud del circuito magnético [m]
  A = Área efectiva del circuito magnético [m2]
  N = Número de espiras del solenoide

  μ = μ0 · μr
 
  ℜ = λ / (μ · A)

  H = N · I / λ

  B = H · μ
  B = N · I · μ / λ
  B = N · I / (A · ℜ)

  Φ = B · A
  Φ = N · I / ℜ

  L = N2 / ℜ
 
  E = 0.5 · Φ2 · ℜ
  E = 0.5 · B2 · A · λ / μ
  E = 0.5 · I2 · L


Semejanza con la ley de Ohm:

  Tensión "magnética" = N · I
  Resistencia "magnética" = ℜ
  Corriente "magnética" = Φ

  V     = R · I     Ley de Ohm para circuitos eléctricos
  N · I = ℜ · Φ   Circuitos magnéticos


Energía almacenada en el entrehierro:

  L · I2 = B2 · A · λ0 / μ0

  L · I = B · A · N


Saturación del material magnético:

  Imax = Bmax · Amin · ℜ / N


Fuerzas mecánicas debidas al magnetismo:

  Fuerza entre caras del entrehierro:
  F = 0.5 · B2 · A / μ0
 
  El cálculo está basado en la energía potencial: F = - dE / dλ
  Suponiendo que las piezas mecánicas no se mueven y por lo tanto
  la energía del circuito magnético se mantiene constante.
 
  Fuerza de un conductor en un campo magnético:
  F = I · B · L
  L = longitud del conductor eléctrico

  Fuerza entre dos conductores eléctricos paralelos por los que circula la misma corriente:
  F = 0.5 · μ0 · I2 / (π · r)
  r = distancia entre espiras

Carlos:
CONDUCTORES DE COBRE

Resistividad del cobre (UNE 20003) [1]:

  ρCu = 1/58 · (1 + 0,00393 x (T - 20)) [Ω/mm²·m]
  T = Temperatura del cobre en ºC
  ρ = Resistividad del cobre en Ω/mm²·m

Temp [ºC] ρCu [Ω/mm²·m]200,01724300,01792400,01860500,01927600,01995700,02063800,02131900,021981000,022661100,023341200,024021300,024691400,02537

Sección efectiva del conductor:

  S = D · pi / 4

D [mm]S [mm²]0,050,001960,100,007850,200,031420,300,070690,400,12570,500,19630,600,28270,800,50271,000,78541,201,1311,401,539
[1] Pysmian. Cálculo de caidas de tensión.

Carlos:
Cálculo del factor de Inductancia AL de un núcleo magnético:

   AL = μ0 · μr · Ae / Le


Cálculo del factor de Inductancia AL de un entrehierro (Air gap):

   AL = μ0 · Ae / g


La fórmula anterior se desvía para entrehierros grandes.
Una fórmula empírica más exacta aplica una corrección que depende de la relación entre la longitud del entrehierro y el perímetro del flujo magnético para compensar la dispersión del flujo magnético en los bordes del material magnético:

   AL = [ 1 + 3 · g / sqrt(Ae) ] · μ0 · Ae / g


Cálculo del factor de Inductancia AL total:

El factor de inductancia total del entrehierro más el núcleo magnético se calcula sumando ambos en paralelo:

   AL_total = 1/( 1/AL_entrehierro   +   1/AL_núcleo_magnético )


Ejemplo: Núcleo E20/10/6 con entrehierro de hoja de papel

Añadimos a un nucleo E20/10/6 material N27 una hoja de papel de separación.

   Ae = 32.1 mm^2
   Le =46.3 mm
   g = 0.2mm · 2 = 0.4 mm

   AL_ferrita =  μ0 · μr · Ae / Le = 1,2566 · 10^-6 · 1490 · 32.1 · 10^-6 / 46.3 · 10^-3
   AL_ferrita =  1298 · 10^-9 (nH/Turn)

   AL_entrehierro =  μ0 ·  Ae / g = 1,2566 · 10^-6 · 32.1 · 10^-6 / 0.4 · 10^-3
   AL_entrehierro =  100 · 10^-9 (nH/Turn)


   AL_total = 1/( 1/AL_entrehierro   +   1/AL_ferrita ) = 93.6 · 10^-9
   AL_total = 93.6 nH/vuelta^2

El valor real será un 22% mayor porque se ha utilizado la fórmula aproximada para calcular el factor de inductancia del entrehierro.


Magnitudes y unidades:
   Ae = Área del núcleo magnético [m^2]
   Le = Longitud del camino del flujo magnético [m]
   AL = Factor de inductancia [H/vuelta^2]
   g = Entrehierro (Air gap) [m]
   μr = Permeabilidad relativa del material magnético
       = 1490 para material N27
       = 1680 para material N87
   μ0 = 1,2566 · 10^-6   Permeabilidad magnética del vacío [H/m]

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