¿Por qué el primario de voltaje más alto del transformador suele estar más cerca del núcleo y tiene los bucles más cortos?

Para los transformadores bobinados "concéntricos", encuentro que se pueden usar ambas formas, y los factores que lo influyen son más probables (es posible que no todos se apliquen a su caso):

• Costo del material involucrado. La corriente más alta necesita cables más gruesos, pero la misma cantidad de vueltas (e incluso más grueso si está en el exterior porque allí es más largo). Simplemente calcule lo que se necesita para la cantidad de vueltas requeridas en la capa interna o externa, y luego haga una comparación. Me parece que cuanto mayor sea la relación de reducción, más beneficioso es mantener los de alta corriente en el interior.
• Tocando. Muchos transformadores tienen tomas múltiples. El posicionamiento preciso y el espacio para ellos es mucho más fácil en el exterior que en el interior.
• Modos de falla y capacidad de servicio. Los transformadores más grandes son en realidad tan caros que podría ser factible repararlos. Dependiendo de los modos de falla esperados, es más útil colocar uno u otro devanado en el exterior.
• Los núcleos rectangulares pueden necesitar diferentes resistencias y propiedades del material, ya que las fuerzas internas son mayores que en los núcleos circulares. El aluminio podría ser más adecuado aquí que el cobre más suave. Esto se aplica, por supuesto, solo a corrientes bastante altas (que se distribuyen de manera desigual en el conductor). Sin embargo, las consideraciones de fatiga del metal podrían alejarlo del aluminio aquí.

Tenga en cuenta que no los llamo secundarios/primarios sino lados de bajo/alto voltaje, creo que esos factores son más influyentes que la dirección en la que se usan.

Probablemente hay varias razones.

En primer lugar, el fabricante puede tener bobinas de devanado primario enrolladas para toda una familia de transformadores que utilizan el mismo número de vueltas y el mismo tamaño de cable. Los secundarios se agregan según sea necesario de acuerdo con las especificaciones de salida.

En segundo lugar, probablemente siempre sea un cálculo simple de la resistencia total del cable frente a la longitud total. Los primarios del tipo de transformadores reductores que menciona tienen muchas más vueltas de cable de menor calibre. Ponerlo cerca del núcleo tiene una mayor ventaja para una menor longitud total y, por lo tanto, una menor resistencia total del devanado. Entonces todo se reduce a un simple cálculo de compensación entre secundario y primario.

Podría imaginar que hay un cálculo que implica la pérdida de tamaño del cable frente a la longitud total del devanado que se resuelve en el tamaño físico más bajo. La razón por la que vemos la mayoría de los transformadores reductores con el primario en el interior es porque el cálculo suele ganar de esa manera.

Miro hacia atrás a mis primeros años de adolescencia cuando estaba muy contento de que los viejos transformadores de potencia de los televisores tuvieran devanados secundarios que podía quitar y reemplazar fácilmente con los míos para lograr las clasificaciones de voltaje y corriente que quería sin tener que tocar los devanados primarios.

Por dos razones: Seguridad y eficiencia.

Seguridad: si el aislamiento del devanado primario se rompe, está mejor protegido del entorno externo (¡sus manos!) y más cerca de los componentes que probablemente estén conectados a tierra, a saber, la pantalla entre devanados (donde se emplea una pantalla). Por lo tanto, una falla primaria debe conectar vivo a tierra, disparando interruptores o fusibles.

Eficiencia. (1) El devanado más cercano al núcleo está más estrechamente acoplado a él, produciendo el campo magnetizante con menores pérdidas. (2) A medida que se disipa más potencia en el primario, tiene sentido enrollarlo con las vueltas más cortas para minimizar su resistencia y las pérdidas I^2*R.

Ambas son ventajas relativamente menores en el esquema general.

Busqué en Google "construcción de transformadores de potencia" y copié varias imágenes: -

Creo que la mayoría de los transformadores de potencia pequeños y medianos tienen primarios y secundarios apilados uno al lado del otro: -

Aquí hay uno donde el primario (lado HV) está en el exterior: -

Y otro: -

Teniendo en cuenta las pérdidas de bobinado y la relación de vueltas, tiene sentido enrollar la bobina de bajo voltaje en el interior. En términos generales, la longitud promedio de 1 vuelta "adentro" podría ser la mitad de eso cuando se enrolla "afuera". Esto significa que el devanado exterior es probablemente el doble de la resistencia del devanado interior para el mismo número de vueltas.

La resistencia del devanado de bajo voltaje se "ve" en el devanado de alto voltaje por la relación de vueltas al cuadrado y, dado que la corriente extraída del secundario se reduce por la relación de vueltas (no al cuadrado) en el primario, tiene sentido mantener el devanado de baja tensión lo más corto posible.