Ligas amorfas são materiais não cristalinos caracterizados por não possuírem uma estrutura atômica ordenada a longa distância, tais ligas são compostas, em geral, pelos elementos:
• Metal ou metal de transição tais como: Fe, Ni, Co, V e Cr. • Metalóides tais como: B, Al, Si, Sn, Ge e Be.
Os materiais amorfos possuem propriedades únicas. Feitos a partir da solidificação rápida de ligas especialmente projetadas para tal, apresentam fácil magnetização devido ao fato de seus átomos se encontrarem arranjados de maneira aleatória, facilitando a orientação dos domínios magnéticos.
Lâminas de ligas amorfas a base de Fe tem atraentes propriedades magnéticas e elétricas e quando utilizadas em núcleos de transformadores de
distribuição de energia elétrica operando nas frequências de 50 Hz ou 60 Hz, permitem reduções das perdas em aproximadamente 70% quando comparadas às perdas nos núcleos de Fe-Si cristalino de grãos orientados [1]. Tal redução das perdas pode ser explicada:
• Pela maior resistividade elétrica (ρ) da liga amorfa que diminui a intensidade de circulação das correntes parasitas no núcleo.
• Pelos menores valores de coercividade (Hc) e de indução de saturação magnética (Bm) as quais resultam numa menor área do laço de histerese na curva BH que é diretamente proporcional às perdas por histerese no núcleo, conforme mostrado na Figura 2.1.
Figura 2.1 Comparativo de áreas dos laços de histerese. Adaptado de [2].
Esta redução de perdas no núcleo é evidenciada pela menor temperatura do núcleo feito de liga amorfa em comparação à temperatura do núcleo feito de FeSi cristalino, conforme observado na figura 2.2, nas fotos termográficas de dois transformadores, de mesmo tamanho, energizados, mas sem carga, para que as perdas no cobre não contribuam com elevação da temperatura dos núcleos.
Figura 2.2 Imagens termográficas de transformadores com enrolamentos energizados e sem carga [3]. (a) Com núcleo de Fe-Si cristalino a 58,7ºC. (b) Com núcleo de liga amorfa a 31,2°C.
Após a montagem do núcleo de liga amorfa, há necessidade de submetê-lo a um tratamento termomagnético, no qual:
• A ação da temperatura contribui para o relaxamento das tensões pontuais mecânicas, introduzidas durante o processo de montagem do núcleo.
• A presença de um campo magnético longitudinal estático, do início do tratamento térmico até o momento do resfriamento do núcleo à temperatura ambiente, proporciona o aumento da anisotropia magnética
melhorando as propriedades magnéticas da liga amorfa em relação ao seu estado original de fundição.
Conforme pode ser observado na Figura 2.3, quatro laços de histerese obtidos em corrente contínua, sendo que cada laço representa o mesmo material Metglas 2605SC (Fe81B13,5Si3,5C2) em situações diferentes:
• Sem tratamento.
• Tratado termicamente com campo magnético transversal. • Tratado termicamente sem campo magnético.
• Tratado termicamente com campo magnético longitudinal.
Figura 2.3 Laços de histerese em corrente contínua para quatro amostras de liga amorfa Metglas 2605SC (Fe81B13,5Si3,5C2) das quais três foram tratadas
termicamente e magneticamente de modos diferentes. Adaptado de [4].
Na Tabela 2.1 pode-se observar algumas propriedades típicas de ambos os materiais.
Tabela 2.1 Comparativo de propriedades típicas de ambos os materiais [5]. Propriedades FeBSi amorfo Fe-Si cristalino Indução de saturação (Bm) 1,56 T 2,03 T
Coercividade (Hc) <4 A/m <30 A/m Fator de empacotamento (ks) 0,84 0,95
Resistividade elétrica (ρ) 130 µΩ.cm 45 µΩ.cm Espessura da lâmina (e) 30 µm 300 µm
Densidade (d) 7,18 g/cm³ 7,65 g/cm³ Permeabilidade (B/H) >25.104 4.104
Temperatura de Curie 415°C 746°C
Dureza Vickers 900 181
As propriedades eletromagnéticas das ligas amorfas à base de Fe são devidas em grande parte ao processo de fabricação das lâminas. Este exige um resfriamento extremamente rápido da liga a partir do estado líquido, da ordem de 102 a 106 °C/s dependendo da capacidade de formação de vidro, o
qual dificulta o rearranjo na ordenação cristalina de longo alcance dos átomos durante a solidificação, conforme mostrado na Figura 2.4. Isto diminui a anisotropia magnética do material e contribui para baixar a coercividade (Hc) e perdas por histerese [6].
Figura 2.4 Esquema simplificado de arranjos atômicos. Adaptado de [2].
Para reduzir tais altas taxas de resfriamento há necessidade da presença de metaloides na composição da liga amorfa, usada em núcleos de transformadores, em aproximadamente 20%a de uma mistura de B e Si e
aproximadamente 80%a de Fe. Estas ligas eutéticas são caracterizadas por suas relativamente baixas temperaturas de fusão, na ordem de 1200°C, que possuem boa capacidade de formação de vidro e que possibilitam a redução das taxas de resfriamento evitando a cristalização [4]. Para alcançar altas taxas de resfriamento ou garantir a amorfização, pelo menos uma dimensão, do material resfriado, deve ser pequena de modo que o calor possa ser eficientemente extraído. Tipicamente esta dimensão do material solidificado rapidamente está na faixa de 25 µm e 50 µm. A pequena espessura da lâmina em conjunto com a desordem atômica e a alta quantidade de soluto na liga amorfa diminuem o livre caminho médio dos elétrons, resultando em resistividade elétrica de duas a três vezes maiores que as ligas cristalinas [3]. A Figura 2.5 ilustra simplificadamente o processo de fabricação de uma lâmina de liga amorfa.
Figura 2.5 Esquema simplificado do processo fabricação da liga amorfa. Adaptado de [3, 7, 8].
O menor valor na indução de saturação magnética (Bm) das ligas amorfas resulta também em transformadores de maior tamanho devido à maior massa do núcleo de liga amorfa em relação ao núcleo de Fe-Si cristalino.
Embora, o desenvolvimento recente de novas ligas amorfas à base de Fe tenham aumentado o valor de Bm e proporcionado reduções de tamanho dos transformadores ao redor de 10% em relação às ligas amorfas anteriores, as mesmas ainda não se igualam aos valores de Bm do Fe-Si cristalino. Entretanto, no caso de transformadores de distribuição de energia elétrica, tal redução de massa de liga amorfa no núcleo permitiu também redução na massa de cobre das bobinas resultando num transformador com custo competitivo em comparação aos dos transformadores convencionais [9].
Pode-se observar a influência do valor de Bm utilizando-se a Lei da Indução de Faraday modificada para representar a intensidade máxima de tensão induzida (Ԑm) por meio dos parâmetros de operação e construtivos do transformador tais como: frequência de operação (f), quantidade de espiras (N), área bruta do núcleo (an), fator de empacotamento (ks) das lâminas usadas no núcleo e valor da indução de saturação magnética (Bm) do material usado no núcleo, conforme mostrado na equação 2.1 a seguir:
Ԑm = - N f an ks Bm (2.1)
Para manter-se um mesmo valor de Ԑm com valores menores de ks e Bm, obrigatoriamente deve-se aumentar a área bruta do núcleo (an) e como efeito decorrente há também aumento de comprimento do fio de cobre de todas as espiras que são enroladas em torno do núcleo. Apesar da menor densidade da liga amorfa (d), esta não é suficientemente baixa para compensar este aumento de massa total do transformador de liga amorfa em relação ao Fe-Si cristalino.
Para algumas aplicações, tais como: transformadores de distribuição de energia elétrica, tal aumento de massa só impacta no custo de venda do transformador, mas que por sua vez é compensado pela redução dos custos em relação às perdas elétricas, sendo a diferença de preço amortizada no decorrer de sua utilização. Entretanto, para aplicações em aeronaves onde o aumento de massa é terminantemente indesejável, há a necessidade de mais considerações a respeito.