Εισαγωγή στην ταξινόμηση πυρήνων μετασχηματιστών

1. Τύπος υψηλής συχνότητας: Πυρήνες φερρίτη

Οι πυρήνες φερρίτη χρησιμοποιούνται σε μετασχηματιστές υψηλής συχνότητας. Είναι κεραμικοί μαγνήτες με κρυσταλλική δομή σπινελίου, που αποτελούνται από οξείδιο του σιδήρου και άλλες ενώσεις δισθενών μετάλλων, όπως kFe2O4 (όπου το 'k' αντιπροσωπεύει άλλα μέταλλα). Τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται σήμερα περιλαμβάνουν μαγγάνιο (Mn), ψευδάργυρο (Zn), νικέλιο (Ni), μαγνήσιο (Mg) και χαλκό (Cu).

Οι κοινοί συνδυασμοί περιλαμβάνουν τη σειρά μαγγανίου-ψευδάργυρου (MnZn), σειρές νικελίου-ψευδάργυρου (NiZn) και μαγνησίου-ψευδάργυρου (MgZn). Αυτά τα υλικά διαθέτουν ιδιότητες υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας και σύνθετης αντίστασης, με εύρος συχνοτήτων λειτουργίας από 1 kHz έως πάνω από 200 kHz.

2. Τύπος χαμηλής συχνότητας: Ελασματοποιήσεις από χάλυβα πυριτίου

Τα φύλλα πυριτίου χρησιμοποιούνται σε μετασχηματιστές χαμηλής συχνότητας. Διατίθενται σε διάφορους τύπους και μπορούν να ταξινομηθούν με δύο κύριους τρόπους:

• Με διαδικασία κατασκευής: Α: Ανοπτημένα (μαύρα φύλλα) και Ν: Μη ανόπτημένα (άσπρα φύλλα).

• Ανά σχήμα: πυρήνες τύπου EI, τύπου UI, τύπου C και τετράγωνου (τύπου στόματος).

Τα φύλλα πυριτίου τετράγωνου τύπου χρησιμοποιούνται συνήθως σε μετασχηματιστές υψηλής ισχύος (συνήθως άνω των 500–1000 W). Προσφέρουν εξαιρετική μόνωση, εύκολη απαγωγή θερμότητας και σύντομη μαγνητική διαδρομή. Ένα σετ που αποτελείται από δύο φύλλα πυριτίου τύπου C αναφέρεται ως πυρήνας τύπου CD. Για μετασχηματιστές ισχύος κατασκευασμένους με πυρήνες τύπου CD της ίδιας περιοχής διατομής, ένα ψηλότερο παράθυρο επιτρέπει μεγαλύτερη ονομαστική ισχύ. Δεδομένου ότι τα πηνία μπορούν να τοποθετηθούν χωριστά και στις δύο πλευρές του πυρήνα, οι συνολικές στροφές μπορούν να κατανεμηθούν σε δύο μπομπίνες. Αυτό μειώνει το μέσο μήκος στροφής ανά μπομπίνα και μειώνει τις απώλειες χαλκού. Επιπλέον, η περιέλιξη δύο συμμετρικών πηνίων σε ξεχωριστές μπομπίνες επιτυγχάνει τέλεια συμμετρία.

Ένα σετ που αποτελείται από τέσσερα φύλλα πυριτίου τύπου C είναι γνωστό ως πυρήνας τύπου ED. Οι μετασχηματιστές που κατασκευάζονται με πυρήνες τύπου ED έχουν μικρότερο, ευρύτερο προφίλ σε σύγκριση με μετασχηματιστές τύπου CD της ίδιας ονομαστικής ισχύος. Επειδή τα πηνία είναι τοποθετημένα στο κέντρο του πυρήνα με μια εξωτερική μαγνητική διαδρομή, οι μετασχηματιστές τύπου ED παρουσιάζουν χαμηλή διαρροή μαγνητικής ροής και ελάχιστες παρεμβολές. Ωστόσο, δεδομένου ότι όλα τα πηνία τυλίγονται σε μια ενιαία, παχύτερη μπομπίνα, το μέσο μήκος στροφής είναι μεγαλύτερο, με αποτέλεσμα μεγαλύτερες απώλειες χαλκού.

Οι πυρήνες τύπου C προσφέρουν εξαιρετική απόδοση, καθιστώντας τους μετασχηματιστές που προκύπτουν συμπαγείς, ελαφρούς και εξαιρετικά αποδοτικούς. Από την άποψη της συναρμολόγησης, οι πυρήνες τύπου C απαιτούν πολύ λίγα εξαρτήματα και προσφέρουν ισχυρή ευελιξία, οδηγώντας σε υψηλή απόδοση παραγωγής. Ωστόσο, η διαδικασία κατασκευής φύλλων πυριτίου τύπου C είναι πολύπλοκη και απαιτεί εξειδικευμένο εξοπλισμό, καθιστώντας το τρέχον κόστος παραγωγής τους σχετικά υψηλό.

Τα φύλλα πυριτίου τύπου E, γνωστά και ως πυρήνες τύπου κελύφους, έχουν το κύριο πλεονέκτημα ότι τοποθετούν πρωτεύοντα και δευτερεύοντα πηνία στην ίδια μπομπίνα, αποδίδοντας υψηλό συντελεστή χώρου παραθύρου (Space Factor Km: ο λόγος της καθαρής περιοχής διατομής του χάλκινου σύρματος προς την περιοχή του παραθύρου). Τα φύλλα πυριτίου σχηματίζουν ένα προστατευτικό περίβλημα γύρω από τις περιελίξεις, αποτρέποντας μηχανικές βλάβες. Παρέχουν επίσης μεγαλύτερη περιοχή απαγωγής θερμότητας και μειώνουν την ακτινοβολία του μαγνητικού πεδίου. Ωστόσο, αυτός ο σχεδιασμός έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη πρωτογενή σε δευτερεύουσα επαγωγή διαρροής και μεγαλύτερη ευαισθησία σε παρεμβολές εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Επιπλέον, λόγω της μεγαλύτερης μέσης περιφέρειας περιέλιξης, οι μετασχηματιστές τύπου EI απαιτούν περισσότερο χάλκινο σύρμα για τον ίδιο αριθμό στροφών και την ίδια επιφάνεια διατομής πυρήνα.

Τα πιο συνηθισμένα πάχη για φύλλα πυριτίου είναι 0,35 mm και 0,5 mm.

Υπάρχουν δύο μέθοδοι συναρμολόγησης για φύλλα πυριτίου χάλυβα: παρεμβολή και κόλληση. Η μέθοδος παρεμβολής εναλλάσσει τα ανοίγματα των φύλλων και στις δύο πλευρές. Αν και αυτή η μέθοδος είναι επίπονη, ελαχιστοποιεί τα κενά και τη μαγνητική απροθυμία μεταξύ των φύλλων, γεγονός που βοηθά στην αύξηση της μαγνητικής ροής. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ευρέως σε μετασχηματιστές ισχύος. Η μέθοδος ακρωτηριασμού χρησιμοποιείται συνήθως σε εφαρμογές με συνεχές ρεύμα (DC). Για να αποφευχθεί ο κορεσμός που προκαλείται από DC, πρέπει να μείνει ένα κενό μεταξύ των φύλλων. Σε αυτή τη μέθοδο, τα τεμάχια E και τα τεμάχια I τοποθετούνται σε αντίθετες πλευρές και το κενό μεταξύ τους μπορεί να ρυθμιστεί χρησιμοποιώντας ροδέλες χαρτιού.

3. Τύποι πηνίων

Οι πυρήνες τύπου πηνίου χωρίζονται σε τρεις κύριες κατηγορίες:
Α. Τοροειδής πυρήνας: Κατασκευάζονται με στοίβαξη ελασμάτων σε σχήμα Ο ή περιέλιξης λωρίδων από χάλυβα πυριτίου. Η περιέλιξη αυτών των πυρήνων είναι αρκετά δύσκολη.
Β. Πυρήνας ράβδου: Μαγνητικοί πυρήνες σε σχήμα ράβδου.
Γ. Πυρήνας Τυμπάνου: Μαγνητικοί πυρήνες σε σχήμα τυμπάνου.