Introduzione alla classificazione dei nuclei dei trasformatori

1. Tipo ad alta frequenza: nuclei di ferrite

I nuclei di ferrite sono utilizzati nei trasformatori ad alta frequenza. Sono magneti ceramici con struttura cristallina a spinello, composti da ossido di ferro e altri composti metallici bivalenti, come kFe₂O₄ (dove 'k' rappresenta altri metalli). I metalli attualmente di uso comune includono manganese (Mn), zinco (Zn), nichel (Ni), magnesio (Mg) e rame (Cu).

Le combinazioni comuni includono la serie manganese-zinco (MnZn), la serie nichel-zinco (NiZn) e la serie magnesio-zinco (MgZn). Questi materiali possiedono elevate proprietà di permeabilità magnetica e impedenza, con un intervallo di frequenza operativa da 1 kHz a oltre 200 kHz.

2. Tipo a bassa frequenza: laminazioni in acciaio al silicio

Le lamiere di acciaio al silicio vengono utilizzate nei trasformatori a bassa frequenza. Ne esistono di varie tipologie e possono essere classificati in due modi principali:

• Per processo produttivo: A: Ricotto (lamiere nere) e N: Non ricotto (lamiere bianche).

• Per forma: nuclei di tipo EI, tipo UI, tipo C e quadrati (tipo bocca).

Le lamiere di acciaio al silicio di tipo quadrato sono comunemente utilizzate nei trasformatori ad alta potenza (tipicamente superiori a 500–1000 W). Offrono un eccellente isolamento, una facile dissipazione del calore e un breve percorso magnetico. Un set composto da due lamiere di acciaio al silicio di tipo C viene definito nucleo di tipo CD. Per i trasformatori di potenza realizzati con nuclei di tipo CD della stessa sezione trasversale, una finestra più alta consente una potenza nominale maggiore. Poiché le bobine possono essere installate separatamente su entrambi i lati del nucleo, le spire totali possono essere distribuite su due bobine. Ciò riduce la lunghezza media del giro per bobina e diminuisce le perdite di rame. Inoltre, avvolgendo due bobine simmetriche su bobine separate si ottiene una simmetria perfetta.

Un set composto da quattro lamiere di acciaio al silicio di tipo C è noto come nucleo di tipo ED. I trasformatori realizzati con nuclei di tipo ED hanno un profilo più corto e più ampio rispetto ai trasformatori di tipo CD della stessa potenza. Poiché le bobine sono montate al centro del nucleo con un percorso magnetico esterno, i trasformatori di tipo ED presentano una bassa dispersione del flusso magnetico e un'interferenza minima. Tuttavia, poiché tutte le bobine sono avvolte su un'unica bobina più spessa, la lunghezza media della spira è più lunga, con conseguenti maggiori perdite di rame.

I nuclei di tipo C offrono prestazioni eccellenti, rendendo i trasformatori risultanti compatti, leggeri e altamente efficienti. Dal punto di vista dell'assemblaggio, i nuclei di tipo C richiedono pochissimi componenti e offrono una forte versatilità, garantendo un'elevata efficienza produttiva. Tuttavia, il processo di produzione delle lastre di acciaio al silicio di tipo C è complesso e richiede attrezzature specializzate, il che rende i costi di produzione attuali relativamente elevati.

Le lamiere di acciaio al silicio di tipo E, note anche come nuclei di tipo shell, hanno il vantaggio principale di posizionare sia le bobine primarie che quelle secondarie sulla stessa bobina, ottenendo un elevato fattore di spazio della finestra (fattore di spazio Km: il rapporto tra l'area della sezione trasversale netta del filo di rame e l'area della finestra). Le lamiere di acciaio al silicio formano un guscio protettivo attorno agli avvolgimenti, prevenendo danni meccanici. Forniscono inoltre un'area di dissipazione del calore più ampia e riducono la radiazione del campo magnetico. Tuttavia, questo design comporta una maggiore induttanza di dispersione dal primario al secondario e una maggiore suscettibilità alle interferenze del campo magnetico esterno. Inoltre, a causa della circonferenza media dell'avvolgimento più lunga, i trasformatori di tipo EI richiedono più filo di rame per lo stesso numero di spire e area della sezione trasversale del nucleo.

Gli spessori più comuni per le lamiere di acciaio al silicio sono 0,35 mm e 0,5 mm.

Esistono due metodi di assemblaggio per le lamiere di acciaio al silicio: interfogliatura e intestatura. Il metodo dell'interfoliazione alterna le aperture dei fogli su entrambi i lati. Sebbene questo metodo sia complicato, riduce al minimo gli spazi vuoti e la riluttanza magnetica tra i fogli, il che aiuta ad aumentare il flusso magnetico; pertanto, è ampiamente utilizzato nei trasformatori di potenza. Il metodo di intestatura è comunemente utilizzato nelle applicazioni con corrente continua (CC). Per evitare la saturazione causata dalla corrente continua, è necessario lasciare uno spazio tra i fogli. In questo metodo, i pezzi ad E e i pezzi a I sono posizionati su lati opposti e lo spazio tra loro può essere regolato utilizzando spessori di carta.

3. Tipi di bobina

I nuclei del tipo a bobina sono divisi in tre categorie principali:
A. Nucleo toroidale: realizzato impilando lamierini a forma di O o avvolgendo nastri di acciaio al silicio. Avvolgere questi nuclei è piuttosto impegnativo.
B. Nucleo asta: nuclei magnetici a forma di asta.
C. Nucleo del tamburo: nuclei magnetici a forma di tamburo.