Wprowadzenie do klasyfikacji rdzeni transformatorów

1. Typ wysokiej częstotliwości: rdzenie ferrytowe

Rdzenie ferrytowe stosowane są w transformatorach wysokiej częstotliwości. Są to magnesy ceramiczne o strukturze kryształu spinelu, składające się z tlenku żelaza i innych związków metali dwuwartościowych, takich jak kFe₂O₄ (gdzie „k” oznacza inne metale). Do powszechnie stosowanych metali należą mangan (Mn), cynk (Zn), nikiel (Ni), magnez (Mg) i miedź (Cu).

Typowe kombinacje obejmują serię manganu i cynku (MnZn), serię niklu i cynku (NiZn) oraz serię magnezu i cynku (MgZn). Materiały te charakteryzują się wysoką przenikalnością magnetyczną i właściwościami impedancyjnymi, przy zakresie częstotliwości roboczej od 1 kHz do ponad 200 kHz.

2. Typ niskiej częstotliwości: laminaty ze stali krzemowej

Blachy ze stali krzemowej stosowane są w transformatorach niskiej częstotliwości. Występują w różnych typach i można je sklasyfikować na dwa główne sposoby:

• Według procesu produkcyjnego: A: Wyżarzone (czarne arkusze) i N: Niewyżarzone (białe arkusze).

• Według kształtu: rdzenie typu EI, typu UI, typu C i kwadratowe (typu ustnego).

Kwadratowe blachy ze stali krzemowej są powszechnie stosowane w transformatorach dużej mocy (zwykle powyżej 500–1000 W). Oferują doskonałą izolację, łatwe odprowadzanie ciepła i krótką ścieżkę magnetyczną. Zestaw złożony z dwóch arkuszy stali krzemowej typu C nazywany jest rdzeniem typu CD. W przypadku transformatorów mocy wykonanych z rdzeniami typu CD o tej samej powierzchni przekroju poprzecznego wyższe okno pozwala na większą moc znamionową. Ponieważ cewki można instalować oddzielnie po obu stronach rdzenia, całkowite zwoje można rozłożyć na dwie szpule. Zmniejsza to średnią długość zwoju na szpulkę i zmniejsza straty miedzi. Dodatkowo nawinięcie dwóch symetrycznych cewek na osobne szpulki pozwala uzyskać idealną symetrię.

Zestaw składający się z czterech arkuszy stali krzemowej typu C nazywany jest rdzeniem typu ED. Transformatory wykonane z rdzeniami typu ED mają krótszy i szerszy profil w porównaniu do transformatorów typu CD o tej samej mocy. Ponieważ cewki są zamontowane pośrodku rdzenia z zewnętrzną ścieżką magnetyczną, transformatory typu ED charakteryzują się niskim wyciekiem strumienia magnetycznego i minimalnymi zakłóceniami. Jednakże, ponieważ wszystkie cewki są nawinięte na jedną, grubszą szpulę, średnia długość zwoju jest dłuższa, co skutkuje większymi stratami miedzi.

Rdzenie typu C zapewniają doskonałą wydajność, dzięki czemu powstałe transformatory są kompaktowe, lekkie i bardzo wydajne. Z punktu widzenia montażu rdzenie typu C wymagają bardzo niewielu komponentów i oferują dużą wszechstronność, co prowadzi do wysokiej wydajności produkcji. Jednakże proces wytwarzania blach ze stali krzemowej typu C jest złożony i wymaga specjalistycznego sprzętu, co powoduje, że obecne koszty ich produkcji są stosunkowo wysokie.

Arkusze ze stali krzemowej typu E, znane również jako rdzenie płaszczowe, mają główną zaletę polegającą na umieszczeniu zarówno cewek pierwotnych, jak i wtórnych na tej samej szpuli, co pozwala uzyskać wysoki współczynnik przestrzenny okna (współczynnik przestrzenny Km: stosunek pola przekroju poprzecznego netto drutu miedzianego do pola powierzchni okna). Blachy ze stali krzemowej tworzą powłokę ochronną wokół uzwojeń, zapobiegając uszkodzeniom mechanicznym. Zapewniają również większą powierzchnię odprowadzania ciepła i redukują promieniowanie pola magnetycznego. Jednakże taka konstrukcja skutkuje wyższą indukcyjnością rozproszenia od strony pierwotnej do wtórnej i większą podatnością na zakłócenia zewnętrznego pola magnetycznego. Ponadto, ze względu na większy średni obwód uzwojenia, transformatory typu EI wymagają większej ilości drutu miedzianego przy tej samej liczbie zwojów i polu przekroju poprzecznego rdzenia.

Najpopularniejsze grubości blach ze stali krzemowej wynoszą 0,35 mm i 0,5 mm.

Istnieją dwie metody montażu blach ze stali krzemowej: przeplatanie i stykanie. Metoda przeplatania polega na naprzemiennym otwieraniu arkuszy po obu stronach. Chociaż ta metoda jest uciążliwa, minimalizuje szczeliny i niechęć magnetyczną pomiędzy arkuszami, co pomaga zwiększyć strumień magnetyczny; dlatego jest szeroko stosowany w transformatorach mocy. Metoda cieniowania jest powszechnie stosowana w zastosowaniach z prądem stałym (DC). Aby zapobiec nasyceniu spowodowanemu prądem stałym, należy pozostawić szczelinę pomiędzy arkuszami. W tej metodzie elementy E i I umieszcza się po przeciwnych stronach, a odstęp między nimi można regulować za pomocą podkładek papierowych.

3. Typy cewek

Rdzenie cewkowe dzielą się na trzy główne kategorie:
A. Rdzeń toroidalny: Wykonany przez ułożenie warstw w kształcie litery O lub nawinięcie pasków stali krzemowej. Nawijanie tych rdzeni jest dość trudne.
B. Rdzeń pręta: Rdzenie magnetyczne w kształcie pręta.
C. Rdzeń bębna: Rdzenie magnetyczne w kształcie bębna.