หน้าที่และการจำแนกประเภทของแกนหม้อแปลง

1. ฟังก์ชั่นของแกนหม้อแปลง

หม้อแปลงที่ใช้งานจริงจะทำงานภายใต้สภาวะไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เสมอ การสูญเสียกำลังเกิดขึ้นไม่เพียงแต่ในความต้านทานของขดลวดเท่านั้น แต่ยังเกิดในแกนกลางเนื่องจากการดึงดูดด้วยแม่เหล็กกระแสสลับด้วย การสูญเสียพลังงานภายในแกนกลางมักเรียกกันว่า 'การสูญเสียธาตุเหล็ก' (หรือการสูญเสียแกนกลาง) ซึ่งมีสาเหตุจากสองปัจจัยหลัก: 'การสูญเสียฮิสเทรีซิส' และ 'การสูญเสียกระแสไหลวน' การสูญเสียฮิสเทรีซิสคือพลังงานที่กระจายไปในระหว่างกระบวนการแม่เหล็กเนื่องจากปรากฏการณ์ฮิสเทรีซิส ขนาดของการสูญเสียนี้เป็นสัดส่วนกับพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยวงฮิสเทรีซีสของวัสดุ เนื่องจากเหล็กซิลิคอนมีวงฮิสเทรีซิสแคบ การใช้มันเป็นวัสดุแกนจึงช่วยลดการสูญเสียฮิสเทรีซิสได้อย่างมาก และลดการสร้างความร้อนได้อย่างมาก

เนื่องจากเหล็กซิลิกอนมีข้อดีเหล่านี้ ทำไมแกนจึงไม่ทำจากเหล็กซิลิกอนแข็ง แต่แปรรูปเป็นแผ่นบางแทน เนื่องจากแกนเคลือบจะช่วยลดการสูญเสียธาตุเหล็กอีกประเภทหนึ่ง นั่นคือการสูญเสียกระแสไหลวน ในระหว่างการทำงาน กระแสสลับในขดลวดจะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กสลับ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไปนี้จะทำให้เกิดกระแสภายในแกนกลาง กระแสน้ำเหนี่ยวนำเหล่านี้ไหลเวียนในระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางของฟลักซ์แม่เหล็ก ดังนั้นจึงเรียกว่ากระแสไหลวน การสูญเสียกระแสเอ็ดดี้ยังทำให้แกนกลางร้อนขึ้น เพื่อลดการสูญเสียนี้ แกนหม้อแปลงจะถูกสร้างขึ้นโดยการวางแผ่นเหล็กซิลิกอนที่หุ้มฉนวนจากกัน สิ่งนี้จะบังคับให้กระแสไหลวนไหลผ่านวงรอบแคบ ๆ โดยมีพื้นที่หน้าตัดที่เล็กกว่า ดังนั้นจึงเป็นการเพิ่มความต้านทานไฟฟ้าของเส้นทางกระแสไหลวน นอกจากนี้ ซิลิคอนในเหล็กยังช่วยเพิ่มความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุ ซึ่งช่วยลดกระแสหมุนวนอีกด้วย สำหรับแกนหม้อแปลง โดยทั่วไปจะเลือกใช้เหล็กแผ่นซิลิกอนรีดเย็นหนา 0.35 มม. พวกเขาถูกตัดเป็นแถบสี่เหลี่ยมตามขนาดแกนที่ต้องการแล้วซ้อนกันเพื่อสร้างรูปทรง 'เลขแปด' หรือรูปทรงสี่เหลี่ยม ตามทฤษฎี ยิ่งแผ่นเหล็กซิลิกอนบางลงและแถบแคบลง ผลกระทบในการลดกระแสน้ำวนก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดการสูญเสียกระแสไหลวนและลดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น แต่ยังช่วยประหยัดวัสดุอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ในการผลิตจริง ปัจจัยที่เป็นประโยชน์เหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงการพิจารณาเท่านั้น การทำให้แผ่นบางและแคบเกินไปจะทำให้ชั่วโมงการทำงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก และลดพื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิภาพของแกนกลาง ดังนั้น เมื่อผลิตแกนเหล็กซิลิคอน เราจะต้องชั่งน้ำหนักข้อดีและข้อเสียตามสถานการณ์เฉพาะเพื่อเลือกขนาดที่เหมาะสมที่สุด

หม้อแปลงไฟฟ้าผลิตขึ้นโดยใช้หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ขดลวดสองเส้นพันรอบแขนขาแกนปิด: ขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ เมื่อแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับถูกจ่ายให้กับขดลวดปฐมภูมิ กระแสสลับจะไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ ทำให้เกิดแรงแม่เหล็ก (MMF) ภายใต้อิทธิพลของ MMF นี้ ฟลักซ์แม่เหล็กหลักสลับจะถูกสร้างขึ้นในแกนกลาง ฟลักซ์แม่เหล็กหลักนี้ไหลผ่านและเชื่อมโยงทั้งขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ เนื่องจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) จึงถูกสร้างขึ้นในขดลวดทั้งสอง เหตุผลที่แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหรือลดระดับได้อธิบายโดยกฎของ Lenz: ฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากกระแสเหนี่ยวนำจะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กดั้งเดิมเสมอ เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กดั้งเดิมเพิ่มขึ้น ฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะตรงข้ามกับฟลักซ์แม่เหล็กนั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ฟลักซ์แม่เหล็กเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิอยู่ตรงข้ามกับฟลักซ์แม่เหล็กหลักที่เกิดจากขดลวดปฐมภูมิ ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าสลับระดับต่ำกว่าทั่วขดลวดทุติยภูมิ ดังนั้นแกนกลางจึงทำหน้าที่เป็นวงจรแม่เหล็กของหม้อแปลงไฟฟ้า ในขณะที่ขดลวดประกอบขึ้นเป็นวงจรไฟฟ้า

2. การจำแนกประเภทของการกำหนดค่าแกนหม้อแปลง

แกนเชลล์และคอร์ประเภท

ส่วนของแกนกลางที่พันขดลวดเรียกว่า 'แขนขาแกนกลาง' ในขณะที่ส่วนที่ไม่มีขดลวดแต่ทำหน้าที่เป็นเส้นทางแม่เหล็กเพียงอย่างเดียวเรียกว่า 'แอก' แกนกลางเรียกว่า 'แบบเปลือก' เมื่อแกนกลางล้อมรอบขดลวด และ 'แบบแกนกลาง' เมื่อขดลวดล้อมรอบแขนขาแกนกลาง การกำหนดค่าแบบเชลล์และแบบคอร์แต่ละแบบมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกัน แต่กระบวนการผลิตที่กำหนดนั้นแตกต่างกันอย่างมาก เมื่อเลือกโครงสร้างเฉพาะแล้ว เป็นการยากที่จะเปลี่ยนไปใช้โครงสร้างอื่น ในประเทศจีน แกนหม้อแปลงส่วนใหญ่ใช้การออกแบบประเภทแกนแบบเรียงซ้อน

แผ่นเหล็กซิลิคอนใช้สำหรับหม้อแปลงความถี่ต่ำและมีหลายประเภท ตามกระบวนการผลิตสามารถแบ่งออกเป็น:
A: อบอ่อน (แผ่นสีดำ)
N: ไม่อบอ่อน (แผ่นสีขาว)

ขึ้นอยู่กับรูปร่าง สามารถจำแนกได้เป็น: ประเภท EI, ประเภท UI, ประเภท C และประเภทสี่เหลี่ยม (ปาก)

แผ่นเหล็กซิลิกอนชนิดสี่เหลี่ยมมักใช้ในหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังสูง มีประสิทธิภาพการเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยม กระจายความร้อนได้ง่าย และมีเส้นทางแม่เหล็กสั้น ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีพิกัดกำลังสูงกว่า 500–1,000 W และหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังสูง ชุดแผ่นเหล็กซิลิกอนที่ประกอบด้วยแผ่นชนิด C สองแผ่นเรียกว่าแกนซีดี สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังที่ทำด้วยแผ่นซีดี ภายใต้พื้นที่หน้าตัดเดียวกัน ยิ่งหน้าต่างสูงเท่าใด ความจุไฟฟ้าของหม้อแปลงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เนื่องจากสามารถติดตั้งคอยล์แยกกันบนทั้งสองด้านของแกนได้ จำนวนการหมุนของคอยล์จึงสามารถกระจายไปยังกระสวยสองอัน ส่งผลให้ความยาวการหมุนเฉลี่ยต่อกระสวยสั้นลง และลดการสูญเสียทองแดง นอกจากนี้ หากมีการพันขดลวดแบบสมมาตรสองม้วนบนกระสวยที่แยกจากกัน ก็จะสามารถสร้างความสมมาตรที่สมบูรณ์แบบได้

ชุดแผ่นเหล็กซิลิคอนที่ประกอบด้วยแผ่นชนิด C สี่แผ่นเรียกว่าแกน ED หม้อแปลงไฟฟ้าที่ทำด้วยแกนประเภท ED จะมีรูปทรงแบนและกว้าง ภายใต้พิกัดกำลังเดียวกัน หม้อแปลงชนิด ED จะสั้นและกว้างกว่าหม้อแปลงชนิด CD เนื่องจากมีการติดตั้งคอยล์ไว้ที่กึ่งกลางของแผ่นเหล็กซิลิกอนโดยมีเส้นทางแม่เหล็กภายนอก จึงมีฟลักซ์การรั่วไหลต่ำและรบกวนส่วนประกอบโดยรอบน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม คอยล์ทั้งหมดถูกพันไว้บนกระสวยหนาเพียงอันเดียว ส่งผลให้มีความยาวเลี้ยวเฉลี่ยนานขึ้น และสูญเสียทองแดงมากขึ้น

แกนชนิด C ให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่า ส่งผลให้หม้อแปลงมีขนาดกะทัดรัด น้ำหนักเบา และมีประสิทธิภาพสูง จากมุมมองของการประกอบ แกนประเภท C ต้องการชิ้นส่วนน้อยมากและมีความหลากหลายสูง ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตสูง อย่างไรก็ตาม กระบวนการตัดเฉือนสำหรับแผ่นเหล็กซิลิกอนชนิด C มีความซับซ้อนและต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ ทำให้ต้นทุนในปัจจุบันค่อนข้างสูง

แผ่นเหล็กซิลิกอนชนิด E หรือที่เรียกว่าแผ่นเปลือกหรือแผ่นรูปแปด มีข้อได้เปรียบหลักในการใช้กระสวยเดี่ยวสำหรับขดลวดหลักและขดลวดทุติยภูมิ ส่งผลให้ปัจจัยพื้นที่หน้าต่างสูง (ปัจจัยอวกาศ Km: อัตราส่วนของพื้นที่หน้าตัดสุทธิของลวดทองแดงต่อพื้นที่หน้าต่าง) แผ่นเหล็กซิลิกอนจะสร้างเกราะป้องกันรอบๆ ขดลวด เพื่อป้องกันความเสียหายทางกล อีกทั้งยังมีพื้นที่กระจายความร้อนขนาดใหญ่และลดการกระจายตัวของสนามแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม พวกมันแสดงการเหนี่ยวนำการรั่วไหลที่สูงกว่าระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ และไวต่อการรบกวนจากแม่เหล็กภายนอกมากขึ้น นอกจากนี้ เนื่องจากเส้นรอบวงเฉลี่ยที่ยาวกว่าของขดลวด หม้อแปลงชนิด E จึงต้องการลวดทองแดงมากขึ้นสำหรับจำนวนรอบและพื้นที่หน้าตัดแกนที่เท่ากัน

ความหนาทั่วไปของเหล็กแผ่นซิลิกอนคือ 0.35 มม. และ 0.5 มม. มีวิธีการประกอบแผ่นเหล็กซิลิกอนสองวิธี: การซ้อนและการซ้อนชน วิธีการสลับสลับปลายเปิดของแผ่นที่อยู่ด้านตรงข้าม วิธีนี้เป็นวิธีที่น่าเบื่อกว่า แต่ส่งผลให้ช่องว่างอากาศเล็กลงและฝืนแม่เหล็กลดลง ซึ่งเป็นประโยชน์ในการเพิ่มฟลักซ์แม่เหล็ก ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง วิธีซ้อนก้นมักใช้ในการใช้งานกับไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เพื่อป้องกันการอิ่มตัวที่เกิดจากกระแส DC จะต้องเว้นช่องว่างอากาศไว้ระหว่างแผ่นเหล็กซิลิกอน ในวิธีนี้ จะวาง E-sheet และ I-sheet ไว้ที่ด้านตรงข้าม และสามารถปรับช่องว่างอากาศระหว่างทั้งสองได้โดยใช้แผ่นรองกระดาษ

3. ประเภทคอยล์คอร์

ซึ่งแบ่งออกเป็นสามประเภท:
A. แกน TOROIDAL: ผลิตโดยการซ้อนชั้นเคลือบชนิด O หรือโดยการม้วนแผ่นเหล็กซิลิกอน การพันลวดบนแกนประเภทนี้ทำได้ยากมาก
B. ROD CORE: แกนเหล็กรูปแท่ง
C. DRUM CORE: แกนเหล็กรูปกลอง

4. การจำแนกประเภทของวัสดุแกนหม้อแปลง

1. หมวดหมู่ความถี่สูง: แกนเฟอร์ไรต์
แกนเฟอร์ไรต์ใช้ในหม้อแปลงความถี่สูง เป็นแม่เหล็กเซรามิกที่มีโครงสร้างผลึกสปิเนล ประกอบด้วยเหล็กออกไซด์และสารประกอบโลหะไดวาเลนต์อื่นๆ เช่น kFe₂O₄ (โดยที่ k แทนโลหะอื่นๆ) โลหะที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน ได้แก่ แมงกานีส (Mn) สังกะสี (Zn) นิกเกิล (Ni) แมกนีเซียม (Mg) และทองแดง (Cu) การรวมกันทั่วไป ได้แก่ ซีรีส์แมงกานีส-สังกะสี (MnZn) ซีรีส์นิกเกิล-สังกะสี (NiZn) และซีรีส์แมกนีเซียม-สังกะสี (MgZn) วัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติการซึมผ่านและความต้านทานสูง โดยมีช่วงความถี่ในการทำงานตั้งแต่ 1 kHz ถึงมากกว่า 200 kHz
ช่วงความถี่แกนเฟอร์ไรต์: 18 kHz ถึงมากกว่า 1 MHz

2. หมวดหมู่ความถี่ต่ำ: แผ่นเหล็กซิลิคอนและโลหะผสมอสัณฐาน
ช่วงความถี่แกนเหล็กซิลิคอน: 5 Hz ถึง 1 kHz
หม้อแปลงที่ใช้เหล็กซิลิกอนมักทำงานที่ 50 Hz อย่างไรก็ตาม ในแง่ของประสิทธิภาพ ความถี่ที่สูงขึ้นเล็กน้อยอาจให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า ขึ้นอยู่กับค่า Gauss ของแผ่นเหล็กซิลิกอน แม้ว่าความถี่เสียงจะสูงถึง 20 kHz แต่ก็ไม่สามารถทำได้ ขอแนะนำให้ทำงานที่ความถี่ 50–60 Hz แม้ว่าจะสามารถทำงานได้ตามปกติภายในช่วงความถี่ 50–200 Hz ก็ตาม
ช่วงความถี่แกนอสัณฐาน: 2 kHz ถึง 13 kHz