Funktioner och klassificering av transformatorkärnor

1. Funktioner hos transformatorkärnor

Praktiska transformatorer fungerar alltid under växelströmsförhållanden (AC). Effektförluster uppstår inte bara i lindningarnas motstånd utan även i kärnan på grund av AC-magnetisering. Effektförlusten inuti kärnan kallas vanligtvis för 'järnförlust' (eller kärnförlust), vilket orsakas av två huvudfaktorer: 'hysteresförlust' och 'virvelströmsförlust.' Hysteresförlust är den energi som försvinner under magnetiseringsprocessen på grund av hysteresfenomenet. Storleken på denna förlust är proportionell mot området som omges av materialets hysteresloop. Eftersom kiselstål har en smal hysteresloop, minskar användningen av det som kärnmaterial hysteresförlusten avsevärt och minimerar värmeutvecklingen avsevärt.

Eftersom kiselstål har dessa fördelar, varför är inte kärnan gjord av ett massivt block av kiselstål, utan bearbetas istället till tunna plåtar? Detta beror på att en laminerad kärna minskar en annan typ av järnförlust – virvelströmsförlust. Under drift genererar växelströmmen i lindningarna ett växelmagnetiskt flöde. Detta förändrade magnetiska flöde inducerar strömmar i kärnan. Dessa inducerade strömmar cirkulerar i plan som är vinkelräta mot det magnetiska flödets riktning och kallas därför virvelströmmar. Virvelströmsförlust gör också att kärnan värms upp. För att minimera denna förlust är transformatorkärnan konstruerad genom att stapla silikonstålplåtar som är isolerade från varandra. Detta tvingar virvelströmmarna att flyta genom smala slingor med en mindre tvärsnittsarea, vilket ökar det elektriska motståndet hos virvelströmsbanan. Dessutom ökar kislet i stålet materialets elektriska resistivitet, vilket ytterligare hjälper till att minska virvelströmmar. För transformatorkärnor väljs i allmänhet 0,35 mm tjocka kallvalsade silikonstålplåtar. De skärs till rektangulära remsor enligt de nödvändiga kärndimensionerna och staplas sedan för att bilda en 'åttan' eller rektangulär ramform. I teorin, ju tunnare kiselstålplåtar och ju smalare remsorna är, desto bättre effekt för att minska virvelströmmar. Detta minskar inte bara virvelströmsförlusten och sänker temperaturökningen utan sparar också material. Men i den faktiska tillverkningen är dessa gynnsamma faktorer inte de enda övervägandena. Att göra arken för tunna och smala skulle avsevärt öka arbetstimmar och minska kärnans effektiva tvärsnittsarea. När man tillverkar kärnor av kiselstål måste man därför väga för- och nackdelar utifrån specifika omständigheter för att välja de optimala dimensionerna.

Transformatorer tillverkas baserat på principen om elektromagnetisk induktion. Två lindningar är lindade runt en sluten kärna: den primära lindningen och den sekundära lindningen. När en växelspänning appliceras på primärlindningen flyter en växelström genom den, vilket skapar en magnetomotorisk kraft (MMF). Under påverkan av denna MMF genereras ett alternerande magnetiskt huvudflöde i kärnan. Detta magnetiska huvudflöde passerar genom och förbinder både primär- och sekundärlindningarna. På grund av elektromagnetisk induktion genereras elektromotoriska krafter (EMF) i båda lindningarna. Anledningen till att den kan öka eller sänka spänningen förklaras av Lenz's lag: det magnetiska flödet som genereras av den inducerade strömmen motverkar alltid förändringen i det ursprungliga magnetiska flödet. När det ursprungliga magnetiska flödet ökar motverkar det magnetiska flödet som produceras av den inducerade strömmen det. Med andra ord är det inducerade magnetiska flödet i sekundärlindningen motsatt det magnetiska huvudflödet som produceras av primärlindningen, vilket resulterar i en växelspänning på lägre nivå över sekundärlindningen. Således fungerar kärnan som transformatorns magnetiska krets, medan lindningarna utgör dess elektriska krets.

2. Klassificering av transformatorkärnkonfigurationer

Skal-typ och Core-Type kärnor

Den del av kärnan som lindningarna är lindade runt kallas 'kärnbenet' medan den del som inte har lindningar utan enbart fungerar som en magnetisk bana kallas 'oket'. En kärna kallas 'skal-typ' när kärnan omger lindningarna, och 'kärntyp' när lindningarna omger kärnbenet. Konfigurationer av skaltyp och kärntyp har var och en sina distinkta egenskaper, men de tillverkningsprocesser som de dikterar är väsentligt olika. När en specifik struktur väl har valts är det svårt att byta till en annan. I Kina använder de flesta transformatorkärnor en design av staplad kärna.

Silikonstålplåt används för lågfrekventa transformatorer och finns i olika typer. Baserat på tillverkningsprocessen kan de delas in i:
A: Glödgade (svarta plåtar)
N: Icke glödgade (vita plåtar)

Baserat på deras form kan de klassificeras i: EI-typ, UI-typ, C-typ och Square (Mouth)-typ.

Kiselstålskivor av kvadratisk typ används ofta i transformatorer med hög effekt. De erbjuder utmärkt isoleringsprestanda, enkel värmeavledning och en kort magnetisk väg. De används främst för transformatorer med märkeffekter över 500–1000 W och högeffektstransformatorer. En uppsättning kiselstålplåtar som består av två plåtar av C-typ kallas en kärna av CD-typ. För krafttransformatorer tillverkade av skivor av CD-typ, under samma tvärsnittsarea, desto högre fönster desto större är transformatorns effektkapacitet. Eftersom spolar kan installeras separat på båda sidor om kärnan, kan antalet spolvarv fördelas över två spolar, vilket resulterar i en kortare genomsnittlig varvlängd per bobin och minskad kopparförlust. Dessutom, om två symmetriska spolar lindas på separata bobiner, kan perfekt symmetri uppnås.

En uppsättning kiselstålplåtar som består av fyra skivor av C-typ kallas en kärna av ED-typ. Transformatorer gjorda med kärnor av ED-typ har en platt bred profil. Under samma effektmärke är transformatorer av ED-typ kortare och bredare än transformatorer av CD-typ. Eftersom spolarna är installerade i mitten av kiselstålplåtarna med en extern magnetisk bana, uppvisar de lågt läckflöde och minimal störning av omgivande komponenter. Alla spolar är dock lindade på en enda tjock spole, vilket resulterar i en längre genomsnittlig varvlängd och högre kopparförlust.

Kärnor av C-typ erbjuder överlägsen prestanda, vilket resulterar i transformatorer som är kompakta, lätta och mycket effektiva. Ur ett monteringsperspektiv kräver kärnor av C-typ väldigt få delar och har hög mångsidighet, vilket leder till hög produktionseffektivitet. Men bearbetningsprocessen för kiselstålplåtar av C-typ är komplex och kräver specialiserad utrustning, vilket gör deras nuvarande kostnad relativt hög.

E-typ kiselstålplåtar, även känd som skal-typ eller figur-åtta plåtar, har den främsta fördelen att dela en enda spole för både primära och sekundära lindningar, vilket ger en hög fönsterutrymmesfaktor (Space Factor Km: förhållandet mellan nettotvärsnittsarean för koppartråden och fönsterarean). Silikonstålplåtarna bildar ett skyddande skal runt lindningarna, vilket förhindrar mekanisk skada. De ger också en stor värmeavledningsyta och minimerar magnetfältspridning. De uppvisar emellertid högre läckinduktans mellan primär- och sekundärlindningarna och större känslighet för extern magnetisk interferens. Dessutom, på grund av den längre genomsnittliga omkretsen av lindningarna, kräver transformatorer av E-typ mer koppartråd för samma antal varv och kärnans tvärsnittsarea.

Vanliga tjocklekar för silikonstålplåtar är 0,35 mm och 0,5 mm. Det finns två monteringsmetoder för kiselstålplåtar: interfoliering och stumstapling. Interfolieringsmetoden alternerar de öppna ändarna av arken på motsatta sidor. Denna metod är mer tråkig men resulterar i mindre luftgap och lägre magnetisk reluktans, vilket är fördelaktigt för att öka det magnetiska flödet; därför används den flitigt i krafttransformatorer. Butt-stacking-metoden används ofta i applikationer med likström (DC). För att förhindra mättnad orsakad av likström, måste en luftspalt lämnas mellan kiselstålplåtarna. I denna metod placeras E-sheets och I-sheets på motsatta sidor, och luftgapet mellan dem kan justeras med pappersshims.

3. Typer av spolkärnor

Dessa är indelade i tre typer:
A. TOROIDAL KÄRNA: Tillverkad genom att stapla O-typ lamineringar eller genom att linda silikonstålplåtar. Det är mycket svårt att linda tråd på denna typ av kärna.
B. STANGKÄRNA: En stavformad järnkärna.
C. TRUMKÄRNA: En trumformad järnkärna.

4. Klassificering av transformatorkärnmaterial

1. Högfrekvenskategori: Ferritkärnor
Ferritkärnor används i högfrekvenstransformatorer. De är keramiska magneter med en spinellkristallin struktur, sammansatta av järnoxid och andra tvåvärda metallföreningar, såsom kFe2O4 (där k representerar andra metaller). För närvarande vanliga metaller inkluderar mangan (Mn), zink (Zn), nickel (Ni), magnesium (Mg) och koppar (Cu). Vanliga kombinationer inkluderar mangan-zink (MnZn)-serien, nickel-zink (NiZn)-serien och magnesium-zink (MgZn)-serien. Dessa material har hög permeabilitet och impedansegenskaper, med ett arbetsfrekvensområde från 1 kHz till över 200 kHz.
Ferritkärnans frekvensområde: 18 kHz till över 1 MHz.

2. Lågfrekvenskategori: Silikonstålplåt och amorfa legeringar
Kiselstålkärnfrekvensområde: 5 Hz till 1 kHz.
Transformatorer som använder kiselstål arbetar vanligtvis vid 50 Hz. När det gäller effektivitet kan dock en något högre frekvens ge bättre resultat, beroende på kiselstålplåtens Gauss-värde. Även om ljudfrekvenser kan nå över 20 kHz, är detta inte praktiskt. Det rekommenderas att arbeta vid 50–60 Hz, även om de kan fungera normalt inom ett frekvensområde på 50–200 Hz.
Amorft kärnfrekvensområde: 2 kHz till 13 kHz.