Neste artigo serão explicadas algumas características sobre o Aço-Elétrico, que possui propriedades excelentes para aplicações envolvendo bobinas!
Imagem 1 - Na imagem acima, várias chapas de Aço-Elétrico
Aços são materiais encontrados nas mais diversas formas, microestruturas, composições e aplicações, tendo uma importância fundamental na sociedade Humana.
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Neste artigo será visto um tipo específico de aço, com propriedades excelentes para aplicações envolvendo componentes eletrônicos: é o Aço-Elétrico, com características magnéticas "aprimoradas" para serem a matéria-prima de transformadores, geradores e motores elétricos.
Ao ser magnetizado e desmagnetizado, o Aço-Elétrico provoca perdas de energia, pois é um material mais propício ao superaquecimento. Mesmo assim, devido à alta permeabilidade magnética, se as perdas forem minimizadas, continua tendo excelente aplicabilidade.
Abaixo, veja alguns detalhes sobre a composição química deste material.
Composição Química
O Aço-Elétrico deve possuir teores de Carbono mínimos, para que durante a vida do componente ou da máquina elétrica não haja envelhecimento magnético. Outro fator é que os carbonetos atrapalham a movimentação dos Domínios magnéticos, que é justamente o que permite a magnetização e desmagnetização do material.
O Aço-Elétrico também pode ser chamado de Aço-Silício, pois são misturadas quantidades de Silício e até mesmo Alumínio para aumentar a resistividade elétrica do material, fazendo com que se diminua a circulação de correntes parasitas, diminuindo também as perdas magnéticas.
Complemento 1 - Fragmento de uma dissertação de mestrado retirada da internet
Silício e Alumínio não são ferromagnéticos, portanto, a mistura destes dois materiais diminuem a permeabilidade magnética do Aço. Desta forma, a presença de outros elementos na composição do Aço-Elétrico depende de qual propriedade é mais importante para a aplicação do produto, isto é, se é mais importante a permeabilidade magnética ou a redução de correntes parasitas.
Microestrutura
Como foi dito, o Aço-Elétrico é composto por grãos, como se fossem "pecinhas" que compõem a estrutura do material, e claro que estas "pecinhas" são constituídas de átomos. Quanto maior forem estes grãos, menor a densidade de contorno de cada grão, atrapalhando a movimentação dos Domínios magnéticos do material e, consequentemente, atrapalhando a magnetização e também ocasionando perdas magnéticas, que ocorre devido à um fator conhecido como "perda anômala", um fenômeno ainda em estudos. Grãos de 100 à 150 µ já estão de bom tamanho.
Existem dois grandes grupos dentro da classe dos Aços-Elétricos. São eles:
-> Grãos Orientados (GO): O percentual de Silício é de aproximadamente 3,25%. O percentual de Carbono é de cerca de 0,01%.
Possui acentuada anisotropia das propriedades magnéticas devido a estrutura química do material ser orientada em uma direção especifica, tornando o Aço-Elétrico GO excelente para transformadores.
Tabela 1 - Ligas de Aço-Silício GO produzidas pela APERAM
As chapas são laminadas ainda à quente e após passam por um processo de decapagem para retirar a película de Óxido formada. Com a chapa já fria, é feito então uma nova laminação para chegar na espessura final desejada. Para concluir o processo, um recozimento em baixa temperatura. As características magnéticas são as melhores possíveis na direção em que foi feita a laminação da chapa.
Outro tipo menos comum é o Aço-Elétrico de Grãos Super-Orientados. Este tipo possui características ainda melhores se comparado com o Aço-Elétrico de Grão Orientado.
-> Grãos Não Orientados (GNO): O percentual de Silício varia de 1,05% à 3,25%. O percentual de Carbono é de cerca 0,03%.
Complemento 2
Este tipo de Aço-Elétrico não apresenta uma anistropia tão elevada, ou seja, suas propriedades magnéticas são distribuídas de forma homogênea em todas as direções, tornando o Aço-Elétrico GNO excelente para motores elétricos.
Apesar de suas características inferiores ao tipo GO, o GNO tem evoluído ao longo dos anos dada sua maior demanda, já que é um produto mais em conta para a indústria elétrica e eletrônica.
Através de um documento técnico da APERAM, conseguimos obter uma pequena lista de tipos de Aços-Elétricos GNO:
Tabela 2 - A coluna destacada em vermelho traz vários códigos padrão para a identificação de ligas Aço-Silício GNO
Há fabricantes que disponibilizam ligas GNO para altas frequências, como é o caso apresentado abaixo:
Tabela 3 - Aço-Silício GNO para altas frequências
Este é mais aplicado em motores e geradores, por isso se destaca características mecânicas dos produtos nas tabelas. Para saber mais sobre limite de escoamento, limite de resistência, módulo de cisalhamento e propriedades mecânicas dos materiais em geral, CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: Veja abaixo a comparação da estrutura do Aço-Elétrico GO e do GNO:
Imagem 2 - Aço GNO na imagem esquerda e Aço GO na imagem da direita
Dimensões e Geometria
No Aço-Elétrico devem ser empregadas espessuras bastante finas, na ordem dos 0,23 à 1,0 milímetro, pois quanto maior o volume do Aço, maior será a circulação de correntes de Foucault (correntes parasitas), gerando dissipação de energia em forma de calor, isto é, perdas magnéticas.
CURIOSIDADE: As perdas em forma de calor são dadas em W/kG (Watts por kiloGramas!
Complemento 3
É por este motivo que o núcleo de um transformador, por exemplo, é feito de Aço-Elétrico laminado: várias chapas são colocadas juntas para dar a espessura necessária do núcleo. Estas chapas podem ser vistas na imagem 1, no início deste artigo.
Tabela 4 - As colunas destacadas em verde trazem especificações de espessura para ligas do tipo GNO
Para chapas GO fornecidas pela APERAM:
Tabela 5 - A coluna destacada em verde traz especificações de espessura para ligas do tipo GO
Perceba que chapas GO costumam ser mais finas que as GNO. Isso se deve ao fato das melhores características eletromagnéticas quando o grão é orientado, permitindo assim que no mesmo espaço caibam mais lâminas.
A geometria da lâmina que compõe o núcleo do transformador também deve ser levada em conta. Em geral, existem os cortes em 90° e os cortes em 45°, além de formatos "C" e "O"...
Diagrama 1 - Perceba que a lâminas da Imagem 1 são 90°
Agora o observe a imagem:
Imagem 3 - Perceba o corte das chapas em 45°. Créditos: Canal do YT "Eletricity - O canal da elétrica"
CURIOSIDADE: Note o estranho desencontro das chapas. Isso ocorre pois há uma chapa curta intercalada com uma chapa mais comprida.
Vídeo 1 - Além do corte há a diferença de comprimento entre chapas que compõem o núcleo
Esta técnica de construção denominada "step-lap" tem a ver com a geração de ruídos audíveis causada pela magnetostrição. Você pode entender melhor este assunto CLICANDO AQUI!
Observe o próximo diagrama:
Diagrama 2 - Os cortes 45° tendem a gerar menos correntes parasitas
Perceba no diagrama acima que a junção em 45°, bem como a convergência do sentido de laminação permite a criação de um fluxo magnético uniforme, colaborando para reduzir perdas em forma de calor.
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Também é um caminho uniforme para o pouco de corrente parasita que é criada, permitindo assim uma melhor drenagem através de um cabo terra em algum ponto do núcleo...
Imagem 4 - Um transformador trifásico fora de seu invólucro. Créditos: Canal do YT "Eletricity - O canal da elétrica"
Perceba uma espécie de cordoalha de Cobre ligando as bordas das lâminas ao 'chassi' metálico do transformador.
Os formatos de núcleo "O" e "C" (semelhantes aos toroidais) são tão eficientes quanto as chapas com corte em 45°...
Os PDFs acima são apenas partes do catálogo da Tessin e servem para exemplificar tudo o que foi descrito neste texto.
Isolamento
Um detalhe bastante importante é que todas as chapas empregadas em um núcleo possuem suas faces revestidas com uma fina camada de material isolante, afinal, chapas lâminadas empilhadas produziriam a mesma corrente de fuga de um núcleo maciço se não fossem eletricamente isoladas.
Tabela 6 - As colunas destacadas em azul trazem especificações de revestimento padrão para ligas do tipo GNO
A ASTM A976 também vale para os Aços-Elétricos do tipo GO e suas variantes:
Tabela 7 - A coluna destacada em azul denota o uso da ASTM A976 C5 como revestimento padrão para ligas do tipo GO e variantes, neste caso fabricadas pela da APERAM
O objetivo, mais especificamente, é obter um isolamento elétrico 'leve', isto é, superficial, tal qual a função do esmalte polimérico num fio de Cobre, por exemplo. Este processo é amplamente feito em chapas de Aço-Silício para prover isolamento elétrico entre todas as lâminas que compõem o núcleo de um transformador, por exemplo, fragmentando a estrutura condutora fornecendo barreiras resistivas e reduzindo as correntes parasitas provenientes da concentração do fluxo magnético.
Em nenhum documento acessado até o momento ficou claro se o revestimento é aplicado através de alguma técnica PVD ou APS. Caso o leitor tenha conhecimento sobre, o convoco para esclarecer melhor o tema!
Mas o que especifica a ASTM A976?
Tabela 8 - Resumo da ASTM A976
Apenas o revestimento "C-6" é um composto orgânico, isto é, de base polimérica, com cargas de enchimento (fillers) inorgânicas (definido no documento da APERAM como "pigmentos inorgânicos") cuja função é aumentar o isolamento, bem como tornar superior a resistência térmica do revestimento.
Tanto o padrão "C-4", que consiste em um tratamento superficial da chapa com fosfato (Óxido de Fósforo), quanto os demais revestimentos ("C-0", "C-1" e "C-3") possuem características cerâmicas ou vítreas ("C-2"). Até mesmo o "C-5" possui superfície 'fosfatada' (tal como "C-4"), porém, com outras cargas de enchimento cerâmicas.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre a composição dos vídros e cerâmicas, bem como vários exemplos de aplicação, recomendo que comece CLICANDO AQUI!
O "C5-A" nada mais é que uma superfície isolante igual ao padrão "C-5" (revestimento inorgânico à base de fosfato aplicado sobre uma camada de Silicato de Magnésio), porém, com característica anti-aderente. A APERAM não faz distinção e define ambos como híbridos (isto é, possuem elementos orgânicos e inorgânicos) provavelmente por conter um composto de Fósforo misturado com cargas cerâmicas, bem como uma pequena porcentagem de algum elemento polimérico. Como exemplo podemos citar o PTFE (PoliTetraFluorEtileno), que como bem sabemos é um plástico com ótimo coeficiente de atrito e capaz de suportar temperaturas próximas de 300 °C.
Perceba que estes revestimentos devem ter uma certa elasticidade, bem como um bom coeficiente de atrito para suportar a magnetostrição e minimizar o 'esfregamento microscópico' entre chapas, respectivamente.
Transformadores
Entre os usos mais comuns do aço elétrico estão os transformadores, e isso inclui as famosas bobinas de ignição dos motores a combustão interna. A função destes transformadores de ignição é transformar a tensão de alimentação (que nos automóveis é geralmente 12 Volts) em uma descarga elétrica que fica entre 15 kV e 50 kV, valor este que depende do projeto do motor.
A câmara de combustão de um motor é preenchida com a mistura Ar / Combustível e precisa de uma centelha para que haja a combustão e consequentemente a geração de calor e movimento. Mas, para que ocorra a ionização da mistura A/C comprimida é necessário uma descarga elétrica com uma tensão demasiadamente alta, pois apesar dos eletrodos da vela estarem muito próximos um do outro, a resistência elétrica provocada pela mistura comprimida é extremamente grande. É aí que entram as bobinas de ignição. Como a tensão fornecida pela bateria para todo o circuito elétrico do veículo não é suficiente, estes enrolamentos são necessários para "amplificar" esta força e então gerar a descarga necessária para a vela de ignição proporcionar a centelha que vai ionizar a mistura A/C e, consequentemente, a combustão no cilindro.
Veículos mais antigos utilizam uma bobina de ignição para todas as velas, que são acionadas uma-a-uma através de um distribuidor. Veículos mais novos, que portam um módulo de injeção eletrônica utilizam uma bobina de ignição para cada duas velas. Na maioria dos casos existe uma bobina para cada vela, porém, conectadas em série duas-a-duas e também controladas por computador. Com um computador comandando as bobinas, não se faz necessário um distribuidor mecânico e o controle de ignição se torna mais fácil.
Veja abaixo a imagem de uma bobina de ignição dupla da marca Champion utilizada nos motores Renault F3R e F3P e note as chapas laminadas de Aço-Silício por debaixo da carcaça central de metal:
Imagem 5 - Bobina dupla de ignição com núcleo de chapa laminada de Aço-Silício
CURIOSIDADE: Na Imagem 5 você pode ver uma das pontas do componente com uma interface de três pinos. Para saber mais sobre a pinagem desta e de outras bobinas, bem como o funcionamento das bobinas de ignição como um todo, CLIQUE AQUI!
Por enquanto não vou me estender aos outros tipos de transformadores, no entanto, ao longo do tempo novas informações serão adicionadas nesta seção.
Geradores / Motores elétricos
Outra aplicação do Aço-Elétrico são os geradores. Motores e geradores se utilizam de um metal ferromagnético tanto para o o rotor quanto para o estator. Não sabe o que é rotor e estator?
CLIQUE AQUI e leia o artigo sobre o funcionamento dos geradores.
CLIQUE AQUI e leia o artigo sobre o funcionamento dos geradores utilizados em automóveis que portam motor de combustão interna.
Por enquanto não vou me estender aos vários tipos de motores elétricos, porém, futuramente mais conteúdo vai ser adicionado nesta seção.
Foram deixados alguns "pontos" em aberto neste artigo e que em breve serão complementados em um artigo especial sobre magnetismo. Será explicado sobre grãos, sobre Domínios magnéticos e alguns outros termos que serão detalhados em breve, para fechar o assunto "bobinas". Aguarde!
Para tirar dúvidas, apontar equívocos e sugerir conteúdo, mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com.
FONTES e CRÉDITOS:
Texto e imagens: Leonardo Ritter.
Tabelas: Aperam.
Fontes: Aperam South América; suapesquisa.com; Tessin; Acesita.
Última atualização: 23 de Fevereiro de 2024.