A transzformátormagok funkciói és osztályozása

1. A transzformátormagok funkciói

A praktikus transzformátorok mindig váltakozó áramú (AC) körülmények között működnek. Az AC mágnesezés miatt nem csak a tekercsek ellenállásában, hanem a magban is előfordulnak teljesítményveszteségek. A magon belüli teljesítményveszteséget általában 'vasveszteségnek' (vagy magveszteségnek) nevezik, amelyet két fő tényező okoz: 'hiszterézisveszteség' és 'örvényáramveszteség'. A hiszterézisveszteség a mágnesezési folyamat során a hiszterézis jelenség miatt disszipált energia. Ennek a veszteségnek a nagysága arányos az anyag hiszterézishuroka által bezárt területtel. Mivel a szilícium acél szűk hiszterézis hurokkal rendelkezik, a maganyagként való használata jelentősen csökkenti a hiszterézis veszteséget, és lényegesen minimalizálja a hőtermelést.

Mivel a szilíciumacélnak megvannak ezek az előnyei, miért nem készül a mag szilíciumacélból, hanem vékony lemezekké dolgozzák fel? Ennek az az oka, hogy a laminált mag csökkenti a vasveszteség egy másik típusát – az örvényáram-veszteséget. Működés közben a tekercsekben lévő váltakozó áram váltakozó mágneses fluxust hoz létre. Ez a változó mágneses fluxus áramokat indukál a magon belül. Ezek az indukált áramok a mágneses fluxus irányára merőleges síkban keringenek, ezért örvényáramoknak nevezzük. Az örvényáram-veszteség a mag felmelegedését is okozza. Ennek a veszteségnek a minimalizálása érdekében a transzformátormagot egymásra szigetelt szilícium acéllemezekből rakják egymásra. Ez arra kényszeríti az örvényáramokat, hogy szűk, kisebb keresztmetszeti területű hurkon keresztül áramoljanak, ezáltal növelve az örvényáram út elektromos ellenállását. Ezenkívül az acélban lévő szilícium növeli az anyag elektromos ellenállását, ami tovább segíti az örvényáramok csökkentését. A transzformátormagokhoz általában 0,35 mm vastag hidegen hengerelt szilikon acéllemezeket választanak. Ezeket téglalap alakú csíkokra vágják a szükséges magméreteknek megfelelően, majd egymásra rakják 'nyolcas figura' vagy téglalap alakú keret formát. Elméletileg minél vékonyabbak a szilícium acéllemezek és minél keskenyebbek a szalagok, annál jobban csökkenti az örvényáramot. Ez nemcsak csökkenti az örvényáram-veszteséget és csökkenti a hőmérséklet-emelkedést, hanem anyagot is takarít meg. A tényleges gyártásban azonban nem ezek a kedvező tényezők az egyedüli szempontok. A lapok túl vékony és keskeny kialakítása jelentősen megnövelné a munkaidőt és csökkentené a mag effektív keresztmetszeti területét. Ezért a szilíciumacél magok gyártása során mérlegelni kell az előnyöket és hátrányokat a konkrét körülmények alapján az optimális méretek kiválasztásához.

A transzformátorokat az elektromágneses indukció elve alapján gyártják. Két tekercs van feltekerve egy zárt magra: az elsődleges tekercs és a szekunder tekercs. Ha a primer tekercsre váltakozó feszültséget kapcsolunk, váltakozó áram folyik át rajta, ami magnetomotoros erőt (MMF) hoz létre. Ennek az MMF-nek a hatására váltakozó fő mágneses fluxus jön létre a magban. Ez a fő mágneses fluxus áthalad és összeköti mind a primer, mind a szekunder tekercset. Az elektromágneses indukció következtében mindkét tekercsben elektromotoros erők (EMF) keletkeznek. Hogy miért képes a feszültséget növelni vagy csökkenteni, azt Lenz törvénye magyarázza: az indukált áram által keltett mágneses fluxus mindig ellenzi az eredeti mágneses fluxus változását. Amikor az eredeti mágneses fluxus növekszik, az indukált áram által keltett mágneses fluxus ellenkezik vele. Más szavakkal, a szekunder tekercsben indukált mágneses fluxus ellentétes az elsődleges tekercs által termelt fő mágneses fluxussal, ami alacsonyabb szintű váltakozó feszültséget eredményez a szekunder tekercsben. Így a mag a transzformátor mágneses áramköreként szolgál, míg a tekercsek alkotják az elektromos áramkörét.

2. A transzformátormag konfigurációk osztályozása

Shell-típusú és mag-típusú magok

A magnak azt a részét, amely köré a tekercsek fel vannak tekercselve, 'magszárnak', míg azt a részt, amelyik nem rendelkezik tekercseléssel, de kizárólag mágneses útként szolgál, 'igának'. A magot 'héj típusú'-nak nevezzük, ha a mag körülveszi a tekercseket, és 'core-típusú', ha a tekercselést veszi körül. A héj típusú és a mag típusú konfigurációknak megvannak a sajátosságai, de az általuk diktált gyártási folyamatok jelentősen eltérnek egymástól. Egy adott struktúra kiválasztása után nehéz átváltani egy másikra. Kínában a legtöbb transzformátormag halmozott mag-típusú kialakítást használ.

A szilikon acéllemezeket alacsony frekvenciájú transzformátorokhoz használják, és különféle típusúak. A gyártási folyamat alapján a következőkre oszthatók:
A: Lágyított (fekete lapok)
N: Nem lágyított (fehér lapok)

Alakjuk alapján a következőkre oszthatók: EI-típusú, UI-típusú, C-típusú és négyzetes (szájú)-típusú.

A négyzet alakú szilikon acéllemezeket általában nagy teljesítményű transzformátorokban használják. Kiváló szigetelési teljesítményt, könnyű hőelvezetést és rövid mágneses utat kínálnak. Elsősorban 500–1000 W feletti teljesítményű transzformátorokhoz és nagy teljesítményű transzformátorokhoz használják. A két C-típusú lemezből álló szilíciumacél lemezkészletet CD-típusú magnak nevezzük. A CD-típusú lapokkal készült teljesítménytranszformátoroknál azonos keresztmetszet alatt minél magasabb az ablak, annál nagyobb a transzformátor teljesítménye. Mivel a tekercsek a mag mindkét oldalára külön-külön felszerelhetők, a tekercsfordulatok száma elosztható két orsó között, ami rövidebb orsónkénti átlagos fordulathosszt és csökkentett rézveszteséget eredményez. Továbbá, ha két szimmetrikus tekercset külön orsóra tekerünk, tökéletes szimmetria érhető el.

A négy C-típusú lemezből álló szilíciumacél lemezkészletet ED-típusú magnak nevezzük. Az ED típusú magokkal készült transzformátorok lapos, széles profilúak. Az azonos névleges teljesítmény mellett az ED típusú transzformátorok rövidebbek és szélesebbek, mint a CD típusú transzformátorok. Mivel a tekercsek a szilícium acéllemezek közepére vannak felszerelve külső mágneses úttal, alacsony szivárgási fluxust és minimális interferenciát mutatnak a környező alkatrészekkel. Azonban az összes tekercs egyetlen vastag orsóra van feltekerve, ami hosszabb átlagos fordulathosszt és nagyobb rézveszteséget eredményez.

A C-típusú magok kiváló teljesítményt nyújtanak, így a transzformátorok kompaktak, könnyűek és rendkívül hatékonyak. Összeszerelés szempontjából a C-típusú magok nagyon kevés alkatrészt igényelnek, és sokoldalúak, ami magas gyártási hatékonyságot eredményez. A C-típusú szilícium acéllemezek megmunkálási folyamata azonban bonyolult, és speciális berendezéseket igényel, így a jelenlegi költségük viszonylag magas.

Az E-típusú szilícium acéllemezek, más néven héj típusú vagy nyolcas lapok, elsődleges előnye, hogy egyetlen orsót osztanak meg a primer és a szekunder tekercsekhez, ami nagy ablaktértényezőt eredményez (tértényező Km: a rézhuzal nettó keresztmetszeti területének és az ablakfelület aránya). A szilikon acéllemezek védőburkolatot képeznek a tekercsek körül, megakadályozva a mechanikai sérüléseket. Ezenkívül nagy hőelvezetési területet biztosítanak, és minimálisra csökkentik a mágneses tér diszperzióját. Azonban nagyobb szivárgási induktivitást mutatnak a primer és szekunder tekercs között, és nagyobb érzékenységet mutatnak a külső mágneses interferenciára. Ezenkívül a tekercsek hosszabb átlagos kerülete miatt az E-típusú transzformátorok több rézhuzalt igényelnek ugyanannyi menetszámhoz és magkeresztmetszeti területhez.

A szilikon acéllemezek általános vastagsága 0,35 mm és 0,5 mm. A szilícium acéllemezekhez két összeszerelési módszer létezik: az egymásra lapozás és az egymásra rakás. Az interleaving módszer a lapok nyitott végeit váltogatja az ellenkező oldalon. Ez a módszer fárasztóbb, de kisebb légréseket és alacsonyabb mágneses reluktanciát eredményez, ami előnyös a mágneses fluxus növelésében; ezért széles körben használják a teljesítménytranszformátorokban. Az egymásra rakásos módszert általában egyenáramú (DC) alkalmazásokban használják. Az egyenáram okozta telítés elkerülése érdekében légrést kell hagyni a szilikon acéllemezek között. Ennél a módszernél az E-lapok és az I-lapok ellentétes oldalakra kerülnek, és a köztük lévő légrés papír alátétekkel állítható be.

3. Tekercsmag típusok

Ezek három típusra oszthatók:
A. TOROIDÁLIS MAG: O-típusú laminált rétegek egymásra rakásával vagy szilikon acéllemezek feltekercselésével készül. Az ilyen típusú magon a huzal feltekerése nagyon nehéz.
B. RÚDMAG: Rúd alakú vasmag.
C. DOBMAG: Dob alakú vasmag.

4. A transzformátor maganyagainak osztályozása

1. Nagyfrekvenciás kategória: Ferritmagok
A ferritmagokat nagyfrekvenciás transzformátorokban használják. Kerámia mágnesek spinell kristályszerkezettel, vas-oxidból és más kétértékű fémvegyületekből, például kFe₂2O4-ből (ahol k más fémeket jelent). A jelenleg általánosan használt fémek közé tartozik a mangán (Mn), a cink (Zn), a nikkel (Ni), a magnézium (Mg) és a réz (Cu). A gyakori kombinációk közé tartozik a mangán-cink (MnZn) sorozat, a nikkel-cink (NiZn) sorozat és a magnézium-cink (MgZn) sorozat. Ezek az anyagok nagy permeabilitási és impedancia jellemzőkkel rendelkeznek, 1 kHz és 200 kHz feletti működési frekvencia tartományban.
Ferritmag-frekvencia tartomány: 18 kHz-től 1 MHz feletti tartományig.

2. Alacsony frekvenciájú kategória: Szilíciumacél lemezek és amorf ötvözetek
Szilíciumacél mag frekvenciatartomány: 5 Hz és 1 kHz között.
A szilíciumacélt használó transzformátorok általában 50 Hz-en működnek. A hatásfok szempontjából azonban valamivel magasabb frekvencia jobb eredményeket hozhat, a szilíciumacél lemez Gauss-besorolásától függően. Bár a hangfrekvenciák elérhetik a 20 kHz-et, ez nem praktikus. Javasoljuk, hogy 50-60 Hz-en működjenek, bár 50-200 Hz-es frekvencia tartományban működhetnek normálisan.
Amorf magfrekvencia tartomány: 2 kHz és 13 kHz között.