Funktionen und Klassifizierung von Transformatorkernen

1. Funktionen von Transformatorkernen

Praktische Transformatoren arbeiten immer unter Wechselstrombedingungen (AC). Leistungsverluste entstehen nicht nur im Widerstand der Wicklungen, sondern auch im Kern aufgrund der Wechselstrommagnetisierung. Der Leistungsverlust innerhalb des Kerns wird allgemein als „Eisenverlust“ (oder Kernverlust) bezeichnet und wird durch zwei Hauptfaktoren verursacht: „Hystereseverlust“ und „Wirbelstromverlust“. Der Hystereseverlust ist die Energie, die während des Magnetisierungsprozesses aufgrund des Hysteresephänomens verloren geht. Die Größe dieses Verlusts ist proportional zur Fläche, die von der Hystereseschleife des Materials umschlossen wird. Da Siliziumstahl eine schmale Hystereseschleife aufweist, reduziert die Verwendung von Siliziumstahl als Kernmaterial den Hystereseverlust erheblich und minimiert die Wärmeerzeugung erheblich.

Warum besteht der Kern nicht aus einem massiven Block Siliziumstahl, sondern wird zu dünnen Blechen verarbeitet, da Siliziumstahl diese Vorteile bietet? Dies liegt daran, dass ein laminierter Kern eine andere Art von Eisenverlust reduziert – den Wirbelstromverlust. Im Betrieb erzeugt der Wechselstrom in den Wicklungen einen magnetischen Wechselfluss. Dieser sich ändernde magnetische Fluss induziert Ströme im Kern. Diese induzierten Ströme zirkulieren in Ebenen senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses und werden daher Wirbelströme genannt. Wirbelstromverluste führen außerdem zu einer Erwärmung des Kerns. Um diesen Verlust zu minimieren, wird der Transformatorkern durch das Stapeln voneinander isolierter Siliziumstahlbleche aufgebaut. Dadurch werden die Wirbelströme gezwungen, durch schmale Schleifen mit kleinerer Querschnittsfläche zu fließen, wodurch der elektrische Widerstand des Wirbelstrompfads erhöht wird. Darüber hinaus erhöht das Silizium im Stahl den elektrischen Widerstand des Materials, was zur weiteren Reduzierung von Wirbelströmen beiträgt. Für Transformatorkerne werden im Allgemeinen kaltgewalzte Siliziumstahlbleche mit einer Dicke von 0,35 mm ausgewählt. Sie werden entsprechend der erforderlichen Kernabmessungen in rechteckige Streifen geschnitten und dann zu einer „Achter“ oder rechteckigen Rahmenform gestapelt. Theoretisch gilt: Je dünner die Siliziumstahlbleche und je schmaler die Streifen, desto besser ist die Wirkung bei der Reduzierung von Wirbelströmen. Dies reduziert nicht nur Wirbelstromverluste und verringert den Temperaturanstieg, sondern spart auch Material. In der tatsächlichen Fertigung sind diese günstigen Faktoren jedoch nicht die einzigen Überlegungen. Wenn die Bleche zu dünn und schmal wären, würde dies die Arbeitsstunden erheblich verlängern und die effektive Querschnittsfläche des Kerns verringern. Daher müssen bei der Herstellung von Siliziumstahlkernen die Vor- und Nachteile auf der Grundlage spezifischer Umstände abgewogen werden, um die optimalen Abmessungen auszuwählen.

Transformatoren werden nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion hergestellt. Um einen geschlossenen Kernschenkel sind zwei Wicklungen gewickelt: die Primärwicklung und die Sekundärwicklung. Wenn eine Wechselspannung an die Primärwicklung angelegt wird, fließt ein Wechselstrom durch sie und erzeugt eine magnetomotorische Kraft (MMF). Unter dem Einfluss dieses MMF wird im Kern ein wechselnder Hauptmagnetfluss erzeugt. Dieser Hauptmagnetfluss verläuft durch die Primär- und Sekundärwicklung und verbindet diese. Aufgrund der elektromagnetischen Induktion werden in beiden Wicklungen elektromotorische Kräfte (EMF) erzeugt. Der Grund dafür, dass die Spannung erhöht oder gesenkt werden kann, wird durch das Lenzsche Gesetz erklärt: Der durch den induzierten Strom erzeugte magnetische Fluss ist immer der Änderung des ursprünglichen magnetischen Flusses entgegengerichtet. Wenn der ursprüngliche magnetische Fluss zunimmt, wirkt ihm der durch den induzierten Strom erzeugte magnetische Fluss entgegen. Mit anderen Worten: Der induzierte Magnetfluss in der Sekundärwicklung ist dem von der Primärwicklung erzeugten Hauptmagnetfluss entgegengesetzt, was zu einer niedrigeren Wechselspannung an der Sekundärwicklung führt. Somit dient der Kern als Magnetkreis des Transformators, während die Wicklungen seinen Stromkreis bilden.

2. Klassifizierung von Transformatorkernkonfigurationen

Shell-Type- und Core-Type-Kerne

Der Teil des Kerns, um den die Wicklungen gewickelt sind, wird „Kernschenkel“ genannt, während der Teil, der keine Wicklungen hat, sondern nur als magnetischer Pfad dient, „Joch“ genannt wird. Ein Kern wird als „Manteltyp“ bezeichnet, wenn der Kern die Wicklungen umgibt, und als „Kerntyp“, wenn die Wicklungen den Kernschenkel umgeben. Schalenartige und kernartige Konfigurationen haben jeweils ihre unterschiedlichen Eigenschaften, aber die Herstellungsprozesse, die sie vorgeben, unterscheiden sich erheblich. Sobald eine bestimmte Struktur ausgewählt ist, ist es schwierig, zu einer anderen zu wechseln. In China verwenden die meisten Transformatorkerne ein gestapeltes Kerndesign.

Siliziumstahlbleche werden für Niederfrequenztransformatoren verwendet und sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Basierend auf dem Herstellungsprozess können sie unterteilt werden in:
A: Geglüht (schwarze Bleche)
N: Nicht geglüht (weiße Bleche)

Basierend auf ihrer Form können sie in folgende Kategorien eingeteilt werden: EI-Typ, UI-Typ, C-Typ und quadratischer (Mund)-Typ.

In Hochleistungstransformatoren werden üblicherweise quadratische Siliziumstahlbleche verwendet. Sie bieten eine hervorragende Isolationsleistung, einfache Wärmeableitung und einen kurzen magnetischen Weg. Sie werden hauptsächlich für Transformatoren mit Leistungen über 500–1000 W und Hochleistungstransformatoren eingesetzt. Ein Satz Siliziumstahlbleche, der aus zwei C-Typ-Blechen besteht, wird als CD-Typ-Kern bezeichnet. Bei Leistungstransformatoren aus CD-Blechen gilt bei gleicher Querschnittsfläche: Je höher das Fenster, desto größer die Leistungskapazität des Transformators. Da Spulen separat auf beiden Seiten des Kerns installiert werden können, kann die Anzahl der Spulenwindungen auf zwei Spulen verteilt werden, was zu einer kürzeren durchschnittlichen Windungslänge pro Spule und einem geringeren Kupferverlust führt. Wenn außerdem zwei symmetrische Spulen auf separate Spulenkörper gewickelt werden, kann eine perfekte Symmetrie erreicht werden.

Ein Satz Siliziumstahlbleche, bestehend aus vier C-Typ-Blechen, wird als ED-Typ-Kern bezeichnet. Transformatoren mit ED-Kernen haben ein flaches, breites Profil. Bei gleicher Nennleistung sind ED-Transformatoren kürzer und breiter als CD-Transformatoren. Da die Spulen in der Mitte der Siliziumstahlbleche mit einem externen Magnetpfad installiert sind, weisen sie einen geringen Streufluss und minimale Störungen der umliegenden Komponenten auf. Allerdings sind alle Spulen auf einen einzigen dicken Spulenkörper gewickelt, was zu einer längeren durchschnittlichen Windungslänge und einem höheren Kupferverlust führt.

C-Typ-Kerne bieten eine überragende Leistung, was zu kompakten, leichten und hocheffizienten Transformatoren führt. Aus Montagesicht erfordern C-Typ-Kerne nur sehr wenige Teile und sind sehr vielseitig, was zu einer hohen Produktionseffizienz führt. Der Bearbeitungsprozess für C-Typ-Siliziumstahlbleche ist jedoch komplex und erfordert spezielle Ausrüstung, wodurch die aktuellen Kosten relativ hoch sind.

Siliziumstahlbleche vom E-Typ, auch als Schalenbleche oder Achterbleche bekannt, haben den Hauptvorteil, dass sie sich einen einzigen Spulenkörper für Primär- und Sekundärwicklungen teilen, was zu einem hohen Fensterraumfaktor führt (Raumfaktor Km: das Verhältnis der Nettoquerschnittsfläche des Kupferdrahts zur Fensterfläche). Die Siliziumstahlbleche bilden eine schützende Hülle um die Wicklungen und verhindern so mechanische Beschädigungen. Sie bieten außerdem eine große Wärmeableitungsfläche und minimieren die Magnetfeldstreuung. Allerdings weisen sie eine höhere Streuinduktivität zwischen Primär- und Sekundärwicklung und eine größere Anfälligkeit gegenüber externen magnetischen Störungen auf. Darüber hinaus benötigen E-Transformatoren aufgrund des längeren durchschnittlichen Wicklungsumfangs mehr Kupferdraht für die gleiche Windungszahl und Kernquerschnittsfläche.

Übliche Dicken für Siliziumstahlbleche sind 0,35 mm und 0,5 mm. Es gibt zwei Montagemethoden für Siliziumstahlbleche: Verschachtelung und Stoßstapelung. Bei der Interleaving-Methode wechseln sich die offenen Enden der Blätter auf gegenüberliegenden Seiten ab. Diese Methode ist aufwändiger, führt jedoch zu kleineren Luftspalten und einem geringeren magnetischen Widerstand, was sich positiv auf die Erhöhung des magnetischen Flusses auswirkt. Daher wird es häufig in Leistungstransformatoren verwendet. Die Stoßstapelmethode wird üblicherweise in Anwendungen mit Gleichstrom (DC) verwendet. Um eine durch Gleichstrom verursachte Sättigung zu verhindern, muss zwischen den Siliziumstahlblechen ein Luftspalt gelassen werden. Bei dieser Methode werden E-Sheets und I-Sheets auf gegenüberliegenden Seiten platziert und der Luftspalt zwischen ihnen kann mithilfe von Papierbeilagen eingestellt werden.

3. Spulenkerntypen

Diese werden in drei Typen unterteilt:
A. TOROIDALKERN: Hergestellt durch Stapeln von O-Typ-Lamellen oder durch Wickeln von Siliziumstahlblechen. Das Wickeln von Draht auf diesen Kerntyp ist sehr schwierig.
B. STABKERN: Ein stabförmiger Eisenkern.
C. TROMMELKERN: Ein trommelförmiger Eisenkern.

4. Klassifizierung von Transformatorkernmaterialien

1. Hochfrequenzkategorie: Ferritkerne
Ferritkerne werden in Hochfrequenztransformatoren verwendet. Es handelt sich um Keramikmagnete mit einer Spinell-Kristallstruktur, die aus Eisenoxid und anderen zweiwertigen Metallverbindungen wie kFe₂O₄ (wobei k für andere Metalle steht) bestehen. Zu den derzeit am häufigsten verwendeten Metallen gehören Mangan (Mn), Zink (Zn), Nickel (Ni), Magnesium (Mg) und Kupfer (Cu). Zu den gängigen Kombinationen gehören die Mangan-Zink-Reihe (MnZn), die Nickel-Zink-Reihe (NiZn) und die Magnesium-Zink-Reihe (MgZn). Diese Materialien verfügen über hohe Permeabilitäts- und Impedanzeigenschaften mit einem Betriebsfrequenzbereich von 1 kHz bis über 200 kHz.
Frequenzbereich des Ferritkerns: 18 kHz bis über 1 MHz.

2. Niederfrequenzkategorie: Siliziumstahlbleche und amorphe Legierungen.
Frequenzbereich des Siliziumstahlkerns: 5 Hz bis 1 kHz.
Transformatoren aus Siliziumstahl arbeiten typischerweise mit 50 Hz. Im Hinblick auf die Effizienz kann jedoch eine etwas höhere Frequenz je nach Gauss-Bewertung des Siliziumstahlblechs zu besseren Ergebnissen führen. Obwohl Audiofrequenzen über 20 kHz liegen können, ist dies nicht praktikabel. Es wird empfohlen, bei 50–60 Hz zu arbeiten, obwohl sie innerhalb eines Frequenzbereichs von 50–200 Hz normal funktionieren können.
Frequenzbereich des amorphen Kerns: 2 kHz bis 13 kHz.