Diseño del alambre Litz

I     Características del alambre Litz: principales influencias de los parámetros de construcción

II     Selección del diámetro del alambre sencillo

III    Selección de la construcción de agrupamiento

IV   Ejemplo : alambre Litz para embobinado de capa de alta frecuencia

V    Comparación: preselección de acuerdo a Charles R. Sullivan

Abreviaciones

El desempeño de un alambre litz está determinado por sus características eléctricas, mecánicas, térmicas y químicas, así como por sus atributos de desempeño. Mientras que las demandas químicas y térmicas son cumplidas con la adecuada selección de los materiales de aislamiento, las características eléctricas y mecánicas dependen principalmente en la selección de parámetros de la construcción de los agrupamientos.

La tabla siguiente nos brinda una vista en general de la influencia mutua de los parámetros de construcción en las más importantes características eléctricas y mecánicas del alambre litz.

Aspectos generales que influyen en los parámetros de construcción del alambre Litz en las caracteristicas del alambre Litz

Tabla 1

La correcta selección del diámetro nominal del alambre sencillo es uno de los más importantes aspectos en el diseño de un alambre litz, ya que esto afecta directamente el desempeño RF del alambre litz (ver R_AC/R_DC-Ratio). Al mismo tiempo influye en las características mecánicas.

(ver tabla 2.)

La relación del diámetro del alambre sencillo a la frecuencia de operación dominante y el efecto superficial esperado del equipo es mostrado en la tabla (ver valores aproximados en la tabla).

En general:

A una alta frecuencia de operación, un menor diámetro nominal de alambre sencillo tiene que ser considerado. La interacción entre varios diámetros de agrupamiento ODBundle con efecto superficial δ en una manera simplificada, el diámetro máximo de alambre sencillo debería ser más pequeño o igual de una tercera parte de δ:     

Ø_ED ≤ δ/3 

Ejemplo:  f = 200 kHz, δ ≈ 0,172 mm, Ø_ED ≈ 0,063 mm;

Con respecto a la influencia del desempeño mecánico del alambre litz para una sección transversal de cobre equivalente, podemos asumir lo siguiente:

Entre más pequeño el diámetro nominal de alambre sencillo: 

•      más flexible y suave el alambre litz
•      menor el radio de curvatura mínimo
•      mayor el rendimiento del flexlife
•      mas largo el diámetro exterior total del alambre litz
•      mas pequeño el factor de llenado del alambre litz
•      mas altos los costos del alambre sencillo

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Cuando el número de alambres sencillos es determinado por la aplicación, la construcción especifica de agrupamiento puede ser seleccionada. Alambres litz finos con un número pequeño de alambres sencillos (típicamente < 60) son agrupados en un paso. Alambres litz más delgados y complejos son agrupados en múltiples pasos.

La construcción de agrupamiento es especificada por la definición de la longitud del trenzado SL, dirección del trenzado (agrupado) SR y el número de grupos y pasos de agrupamiento. Una propia selección de parámetros de agrupamiento es requerido para asegurar optimas características eléctricas, mecánicas y de procesabilidad del alambre Litz.

Numero de grupos y pasos de agrupamiento

Parámetros como la sección transversal del cobre, resistencia eléctrica o densidad de corriente definen el número requerido de alambres sencillos, los cuales pueden ser divididos en varios grupos o pasos de agrupamiento. En consideración a estos factores, los grupos de los primeros pasos del agrupamiento pueden ser diseñados para un óptimo desempeño de alta frecuencia. En consideración de estos factores, el número de alambres sencillos en un grupo es típicamente menor a sesenta.

Hay básicamente 4 construcciones de grupos que se usan comúnmente en el paso final de agrupamiento: El 3, 4, 5 y el agrupamiento de construcción concéntrica de 7.

"construcción de agrupamiento"		"construcción de agrupamiento "

Construcción de agrupamiento 3, 4 y 5

Esta construcción de agrupamientos muestran un buen desempeño con una distribución homogénea de los alambres sencillos atraves de la sección transversal del alambre. Estas construcciones se prefieren para un óptimo desempeño en alta frecuencia. Las construcciones de grupos de 5 se prefieren debido a su perfil redondo, ya que la redondes se incrementa con un número mayor de grupos.

Construcción de agrupamiento 7

Estas construcciones concéntricas, también llamadas “grupos 1+6”, muestran alta flexibilidad, buena estabilidad dimensional y redondes. Un grupo siempre corre en el centro, por lo que esta construcción es menos apropiada para aplicaciones donde se requiere un desempeño alto de alta frecuencia. Para compensar las diferencias en la longitud de los grupos debido a los pasos finales del agrupamiento, la dirección del trenzado del grupo central es opuesta a la dirección concéntrica de los grupos exteriores. Sin embargo, la dirección de trenzado del grupo central siempre representa la dirección de trenzado del paso final del agrupamiento.

Las construcciones básicas previas pueden ser combinadas con cada una de ellas, independientemente del número de pasos de agrupamiento y de la complejidad de la demanda eléctrica y mecánica. Las construcciones especiales también son posibles.

Selección de la longitud del giro y la dirección del trenzado: 

La longitud del giro determina la compactes mecánica y el desempeño de la alta frecuencia de los grupos. Una medida para el grado de opresión de un paso de agrupamiento es el llamado factor de agrupamiento VF. Este factor proporciona la longitud del giro SL al diámetro exterior del grupo y se encuentra (sí otra indicación no está especificada) típicamente entre 15-20 mm:

Factor de agrupamiento VF = SL/OD_Bundle 

Ejemplo: VF = 5,0mm / 0,3mm = 16,7 

Dependiendo de la dirección del trenzado SR, el factor de agrupamiento VF para pasos de pre-agrupado, es por lo general, altamente seleccionado en la mayoría de los casos.

Para la selección de la longitud de trenzado SL, y la dirección del trenzado SR, los siguientes enunciados básicos se pueden asumir:

•  a más pequeña longitud de trenzado,

           - más compacto, más rígido y más estabilidad dimensional en la construcción de grupos
           - más largo el diámetro exterior de los grupos

•  Si un optimo desempeño de alta frecuencia es exigido, una optima combinación de dirección de trenzados alineados para todos los pasos de agrupados será seleccionado.
•  direcciones de trenzado de contra giro de pasos de agrupamiento múltiple son preferidas para construcciones de alambre litz complejos, donde un alta flexibilidad mecánica es exigida
•  para bobinas, la longitud de trenzado deberá ser en el rango del diámetro de embobinado menor

Diferentes construcciones de un alambre Litz 270 x 0,071 mm

Tabla 3 

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En muchos casos existen las bobinas de alta frecuencia son embobinadas en capas con un número pequeño de embobinados. Usualmente esos alambres litz son forrados con seda o nylon, dado que los embobinados exactos en capas son solo posibles con alambre litz que mantiene su forma redonda en la bobina y también aplicando tensión de embobinado. En algunos casos también el alambre litz no forrado (alambre litz básico) puede ser usado.  Una especial atención es requerida  para seleccionar construcciones solidas y dimensionalmente estables. A pesar de eso, ya que no se puede evitar una pequeña deformación elíptica, esto tiene que ser compensado con una reducción del diámetro exterior apropiado. Por esta razón, con un diámetro exterior máximo dado, en estos casos, un alambre litz forrado puede mostrar una alta sección transversal de cobre en comparación con una construcción sin forro.

Ejemplo

Un ejemplo muestra la preselección simplificada de una construcción de alambre litz para un embobinado en capas con 30 embobinados y una frecuencia de operación de 200 kHz. Suponiendo una ventana de embobinado con un uso efectivo de tamaño de ancho x alto = 25,8mm x 8,0mm.

Construcción de capa

Dependiendo de la tecnología de embobinado, el embobinado de capas puede ser construido en capas con número igual o alternativo de embobinados.
Para una preselección, es posible el cálculo con el mismo número de alambres sencillos por capa. Esto resulta en 3 capas con 10 embobinados cada una para la ventana de embobinado, y un diámetro exterior máximo calculado para el alambre litz procesado de 25,8mm/10 = 2,58 mm.

Diámetro de alambre sencillo

Entre más alta es la frecuencia de operación aplicada, los alambres sencillos serán más delgados. Al mismo tiempo, el costo de los alambres sencillos aumentara con el decremento del diámetro nominal ØSW, lo mismo para el proceso de agrupamiento con el incremento de la complejidad de la construcción del agrupamiento. Respecto a la interacción entre el espesor de los subgrupos y la frecuencia dependiente de la profundidad de penetración δ la razón ØSW ≤ δ/3 puede ser tomada aproximadamente como un indicador para la selección del diámetro nominal del alambre sencillo. En la práctica, esto representa un compromiso de trabajo entre el desempeño de la frecuencia y el costo. Dependiendo de la aplicación y la demanda técnica, algunas variaciones son permitidas y comunes.
En estos casos un diámetro nominal de ØSW = 0,063 mm es suficiente como primer acercamiento (ver ejemplo en la sección II).

Construcción del agrupamiento

El diámetro exterior total de un alambre litz depende en la estabilidad dimensional de los agrupamientos de alambres individuales durante el proceso de embobinado. Tomando esto en consideración como un valor empírico, el diámetro exterior máximo calculado del alambre litz procesado (Ø2,58 mm, arriba mencionado)  debería ser reducido un 10% (Ø2,32 mm)  por el forrado y un 15-20% (Ø2,19 mm) para la construcción sin forro.

El alambre litz sin forro debería ser agrupado en forma compacta, esto significa por ejemplo, con pequeñas longitudes de giro y la misma dirección de trenzado por paso de agrupamiento. Grupos con construcciones de 5 o 4 son preferibles. 

La siguiente tabla muestra una comparación entre construcciones de alambre litz forrado y sin forro para frecuencias de operación de 50, 125 y 200 kHz.

Diseño de alambre Litz para bobinas de alta frecuencia usando el ejemplo de una ventana de embobinado: b x h = 25,8 mm x 8,0 mm

 Tabla 4

Se puede observar en este caso, que para un embobinado de capas deseado 

• el factor de llenado de cobre de un alambre litz forrado es un poco más pequeño comparado con el alambre litz básico. El número de alambres sencillos, así como el total de la sección transversal del cobre del alambre litz sin forro se incrementa.
• el factor de llenado del cobre de la ventana de embobinado se encuentra típicamente en el rango del 25-30%.
• la construcción de grupos de 5, permite una estructura más simétrica del alambre litz con subgrupos de menos de 60 alambres sencillos.

Si el embobinado de capas no es necesario y un embobinado aleatorio pude ser usado, es posible producir un alambre litz suave y flexible. En este caso el embobinado se adhiera uno con otro, los espacios intermedios son llenados óptimamente y así el factor de llenado del cobre de la ventana de embobinado puede ser incrementado una vez más. También es posible el uso de alambre litz perfiladoen forma alternativa. Sin embargo, la sección transversal de cobre de la construcción del alambre litz seleccionado debería ser en cualquier caso, consistente con la capacidad de corriente requerida de la aplicación.

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Un método adicional de simplificar la preselección del alambre litz para bobinas-RF es propuesto por Charles R. Sullivan desde el Thayer School of Engineering en Dartmouth/USA en su estudio "Simplified Design Method for Litz Wire". 

Los parámetros usados son: el efecto superficial, frecuencia de operación, número de embobinados de la ventana de embobinado, el ancho de la ventana de embobinado y  de aquí la constante k calculada es requerida. Este método entonces propone  un número de construcciones de alambre litz adecuado, consistiendo de un diámetro nominal de alambre sencillo, un número máximo de alambres sencillos para el primer paso de agrupamiento y el número de grupos para cualquier paso de agrupamiento. 

Esto se alcanza con los siguientes pasos:

(1):

Determinación del efecto superficial δ calculado desde una resistencia de conductor específica ρ, una frecuencia de operación f y una permeabilidad µ_o.

δ = √(ρ/(π*f*µ_o))

(2):

Definición del ancho disponible b de la ventana de embobinado y el número de embobinados requerido N_W,tot de una construcción de bobina dada. Se puede considerar como una opción, una construcción con espacios de aire.

(3):

Calculo de los valores aproximados para el número total de alambres sencillos recomendado ne dependiendo de algunos diámetros nominales de alambres sencillos ØSW. La efectividad aplicada al número de alambres sencillos para un diámetro nominal específico se puede desviar del valor calculado hasta ± 25%.

n_e = k*δ²*b/N_W,_tot

(4):

La selección del diámetro nominal del alambre sencillo y el número de alambres sencillos está hecha. Enseguida de esta selección,  una determinación es hecha de la tabulación del diámetro y número de alambres sencillos y número de combinaciones, de acuerdo al número dado de embobinados que quedan en la ventana de embobinado. Se asume un factor de llenado de cobre de 25-30%  en la ventana de embobinado. Las demandas en referencia a la resistencia del alambre litz y la capacidad de corriente tiene que ser determinada. Construcciones alternativas con alambres sencillos mas grandes también son posibles.

(5):

La interacción entre el efecto superficial y el diámetro del grupo es tomado en cuenta: el cálculo del máximo número de alambres sencillos n_1,max del primer paso de agrupamiento es dependiente sobre la frecuencia del efecto superficial δ y el diámetro nominal del alambre sencillos Ø_SW.

n1_,max = 4*δ²/ Ø_SW²

(6):

División del número total de alambres sencillos calculado, ver (3), en varios pasos de agrupamiento de combinaciones de 3, 4, y 5 construcciones de agrupamientos.
Una recomendación  para ciertas construcciones de longitud de grupos o dirección de grupos no es mencionada en este contexto. Se deja a cargo de los fabricantes de alambre litz.

La tabla 5 compara la práctica dada previamente en la selección relacionada de Elektrisola con construcciones típicas, con los métodos de Ch. R. Sullivan. Está relacionado con el embobinado de capas y una ventana de embobinado de 25,8 mm x 8 mm y una frecuencia de operación de 50, 125 y 200 kHz.

Comparación del enfoque a diseño usando el ejemplo de una ventana de embobinado b x h 25,8 mm x 8,0 mm

Tabla 5

La tabla muestra que los alambres litz, seleccionados con el enfoque orientado a la práctica, corresponde muy de cerca a las construcciones seleccionadas con el método Sullivan. Estos cubren, implícitamente, las siguientes características básicas recomendadas:

• el número total de alambres sencillos en los ejemplos del enfoque a la práctica se encuentran en el rango de lo sugerido por Sullivan.
• la aplicación combinada de 3, 4 y 5 construcciones de agrupamientos son una parte integrada de los diseños típicos de alambre litz de Elektrisola (ver tabla 5).
• los alambres sencillos de un grupo básico en un primer paso de agrupamiento son independientes de la construcción respectiva y de la selección típica de Elektrisola dentro de un número de 60 alambres sencillos (ver tabla 5).
• las reducciones de costos, son posibles con diseños de construcciones de alambres sencillos más delgados (Ø_ED ≤ δ/3) (ver tabla 5), la cual muestra principalmente el agrupamiento básico ideal recomendado por Sullivan de ≤ 64 a 36 alambres sencillos.
• además de la reducción de costos, estas construcciones pueden adicionalmente incrementar el factor de llenado del alambre litz y de la ventana de embobinado (ver tabla 5).
• atraves de una cuidadosa selección de la longitud y dirección del agrupamiento, el producto puede ser especificado óptimamente para cada aplicación en particular.

Por lo tanto, los conceptos de diseño aplicados por Elektrisola  para alambres litz de alta frecuencia, típicamente incluyen ambos requerimientos practico y teórico.

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