De ce miezul transformatorului este laminat?

Problema: curenții turbionari într-un miez solid

Când un flux magnetic alternativ trece printr-un miez solid de fier, acesta induce curenți circulatori în interiorul metalului. Acești curenți turbionari curg în bucle închise perpendiculare pe flux, încălzesc miezul prin disiparea I2R și irosesc o parte din energia transmisă. Deoarece tensiunea indusă este proporțională cu aria înconjurată de calea curentului, pierderea curenților turbionari a unui miez solid crește cu pătratul grosimii miezului și cu pătratul frecvenței de operare. Prin urmare, un miez masiv dintr-o bucată-ar fi fierbinte și ineficient, iar creșterea temperaturii ar degrada rapid izolația înfășurărilor din jurul său.

Cum laminarea suprimă curenții turbionari

Laminarea rezolvă problema prin tăierea miezului în foi subțiri. Fiecare laminare este acoperită cu un strat subțire de izolație electrică, de obicei lac sau o acoperire anorganică, iar foile sunt stivuite și prinse într-un singur miez. Izolația dintre straturi blochează buclele de curenți turbionari, astfel încât curentul este limitat la -secțiunea transversală subțire a fiecărei foi individuale. Această restricție crește rezistența efectivă a căii curentului și limitează curentul turbionar la o valoare foarte mică. Cu cât laminarea este mai subțire, cu atât pierderile de curent turbionar sunt mai mici, motiv pentru care miezurile pentru frecvențe mai mari folosesc foi progresiv mai subțiri.

Grosimea laminării și factorul de stivuire

Grosimea practică a laminărilor transformatoarelor este un compromis-între pierdere și costul de producție. Miezurile cu frecvență de putere-utiliză în mod obișnuit foi de 0,23 mm până la 0,50 mm, 0,30 mm și 0,35 mm fiind cele mai frecvente pentru oțelul siliciu orientat-granulelor. Când acoperirea este inclusă, materialul magnetic utilizabil este puțin mai mic decât volumul geometric; raportul dintre secțiunea transversală magnetică efectivă și secțiune transversală geometrică se numește factor de stivuire, de obicei 0,95 până la 0,97 pentru laminatele moderne acoperite. Factorul de stivuire trebuie luat în considerare atunci când proiectantul calculează densitatea fluxului și numărul de spire.

De ce oțelul siliconic este materialul de bază standard

Oțelul siliconic este utilizat deoarece adăugarea de siliciu la fier crește rezistivitatea electrică a materialului, ceea ce reduce direct componenta de curent turbionar a pierderii miezului. Oțelul siliciu orientat-granulelor (GO) este procesat pentru a alinia domeniile magnetice în direcția de rulare, oferind o pierdere foarte scăzută a miezului și o permeabilitate ridicată de-a lungul căii fluxului și este materialul standard pentru miezurile transformatoarelor de putere. Standardele relevante de testare și specificații includ GB/T 2522 pentru testarea proprietăților magnetice, IEC 60404 pentru materiale magnetice și ASTM A876 pentru oțel electric orientat-granulelor.

Beneficiile cheie ale unui miez laminat

Pierderi mai mici de curent turbionar: foile subțiri izolate întrerup calea curentului și reduc pierderea miezului și generarea de căldură rezultată

Greutate și material reduse: straturile subțiri de izolație permit un miez mai compact decât un echivalent solid

Eficiență mai mare: se irosește mai puțină energie sub formă de căldură, astfel încât mai multă putere transmisă ajunge la sarcină

Calea controlată a fluxului: stiva laminată concentrează fluxul magnetic de la înfășurarea primară la cea secundară cu mai puțină dispersie

Exemplul de laminare EI

Miezul EI este o construcție laminată obișnuită în care perforații în formă de E-și în formă de I- sunt intercalate pentru a forma circuitul magnetic. Îmbinările dintre piesele E și I sunt eșalonate de la strat la strat, ceea ce menține golurile de aer distribuite și reticența scăzută. Miezurile EI sunt utilizate pe scară largă în transformatoare, bobine și dispozitive electromagnetice de la transformatoare de control mici până la unități de distribuție medii, deoarece procesul de perforare este economic, iar geometria este ușor de bobinat.

Întrebări frecvente

Ce s-ar întâmpla dacă un miez de transformator ar fi solid în loc de laminat?

Curenții turbionari ar fi foarte mari, deoarece buclele de curent ar putea înconjura întreaga secțiune transversală-miezului. Miezul s-ar supraîncălzi rapid, eficiența s-ar prăbuși, iar izolația înfășurărilor ar fi distrusă de creșterea temperaturii.

De ce pierderea curenților turbionari crește cu frecvența?

Tensiunea indusă în miez este proporțională cu rata de schimbare a fluxului, astfel încât dublarea frecvenței dublează tensiunea indusă și aproximativ de patru ori pierderea curentului turbionar pentru aceeași densitate de flux. Acesta este motivul pentru care componentele magnetice de-înaltă frecvență necesită laminari foarte subțiri sau miezuri sub formă de pulbere.

Care este grosimea tipică a laminărilor transformatoarelor?

Pentru transformatoarele de putere 50/60 Hz, foile orientate cu granulație de 0,30 mm și 0,35 mm sunt cele mai comune; 0,23 mm și 0,27 mm sunt utilizate în proiecte cu-eficiență mai mare, în timp ce benzile foarte subțiri sub 0,1 mm apar numai în nucleele amorfe și nanocristaline de-înaltă frecvență.

Care este factorul de stivuire al unui miez laminat?

Este raportul dintre secțiunea transversală magnetică efectivă-și secțiunea transversală- geometrică a stivei, de obicei 0,95 până la 0,97, deoarece stratul de izolație și rugozitatea suprafeței ocupă o mică parte din volum.

Laminarea reduce pierderea prin histerezis?

Nu. Pierderea de histerezis depinde de materialul magnetic în sine și de densitatea de vârf a fluxului, nu de grosime. Laminarea reduce pierderea curenților turbionari; Pierderea prin histerezis este redusă la minimum prin selecția materialului și prin menținerea densității fluxului în intervalul de proiectare.

Cum sunt izolate laminatele unele de altele?

Oțelul siliciu orientat-granulelor este furnizat cu un strat subțire de izolare semi-organică sau anorganică aplicat de oțelărie. După ștanțare, foile sunt stivuite și prinse astfel încât acoperirea să mențină straturile separate electric.