Чому сердечник трансформатора ламінований?

Проблема: вихрові струми в твердому ядрі

Коли змінний магнітний потік проходить через тверде залізне ядро, він індукує циркулюючі струми всередині металу. Ці вихрові струми протікають у замкнутих контурах, перпендикулярних потоку, нагрівають сердечник шляхом розсіювання I2R і витрачають частину переданої енергії. Оскільки індукована напруга пропорційна площі, що оточує шлях струму, втрати твердого сердечника на вихрові струми зростають із квадратом товщини сердечника та квадратом робочої частоти. Тому масивний цільний сердечник буде гарячим і неефективним, а підвищення температури швидко погіршить ізоляцію обмоток навколо нього.

Як ламінування пригнічує вихрові струми

Ламінування вирішує проблему шляхом нарізання серцевини на тонкі листи. Кожен ламінований шар покритий тонким електроізоляційним шаром, як правило, лаком або неорганічним покриттям, а листи укладаються та затискаються в одну серцевину. Ізоляція між шарами блокує петлі вихрових струмів, тому струм обмежується тонким поперечним-перерізом кожного окремого листа. Це обмеження збільшує ефективний опір шляху струму та обмежує вихровий струм до дуже малого значення. Чим тонше ламінування, тим менші втрати на вихрові струми, тому сердечники для більш високих частот використовують поступово тонші листи.

Товщина ламінування та коефіцієнт укладання

Практична товщина трансформаторного ламінування – це компроміс-між втратою та вартістю виробництва. Сердечники-частотної промисловості зазвичай використовують листи від 0,23 мм до 0,50 мм, причому 0,30 мм і 0,35 мм є найпоширенішими для-орієнтованої кремнієвої сталі. Коли включено покриття, корисний магнітний матеріал трохи менше геометричного об’єму; відношення ефективного магнітного поперечного-перерізу до геометричного поперечного-перерізу називається коефіцієнтом укладання, як правило, від 0,95 до 0,97 для сучасних покритих шарів. Коефіцієнт укладання необхідно враховувати, коли розробник розраховує щільність потоку та кількість витків.

Чому кремнієва сталь є стандартним матеріалом сердечника

Кремнієва сталь використовується тому, що додавання кремнію до заліза підвищує питомий електричний опір матеріалу, що безпосередньо зменшує компонент вихрових струмів у втратах сердечника. Зерно{1}}орієнтована кремнієва сталь (GO) обробляється для вирівнювання магнітних доменів у напрямку прокатки, що забезпечує дуже низькі втрати в сердечнику та високу проникність уздовж шляху потоку, і це стандартний матеріал для сердечників силових трансформаторів. Відповідні стандарти випробувань і специфікацій включають GB/T 2522 для випробування магнітних властивостей, IEC 60404 для магнітних матеріалів і ASTM A876 для-орієнтованої електротехнічної сталі.

Ключові переваги ламінованого сердечника

Зменшення втрат на вихровий струм: ізольовані тонкі листи розривають шлях струму та зменшують втрати в сердечнику та, як наслідок, виділення тепла

Зменшена вага та матеріал: тонкі ізоляційні шари дозволяють отримати більш компактний сердечник, ніж твердий еквівалент

Вища ефективність: менше енергії витрачається на тепло, тому більше переданої потужності досягає навантаження

Контрольований шлях потоку: ламінований пакет концентрує магнітний потік від первинної до вторинної обмотки з меншою дисперсією

Приклад ламінування EI

Сердечник EI – це звичайна багатошарова конструкція, у якій E-- та I--подібні штампи перемежовуються, щоб утворити магнітне коло. З’єднання між елементами E та I розташовані в шаховому порядку від шару до шару, що забезпечує розподілення повітряних проміжків і низьке опір. Сердечники EI широко використовуються в трансформаторах, дроселях і електромагнітних пристроях від невеликих керуючих трансформаторів до середніх розподільних пристроїв, оскільки процес штампування є економічним, а геометрію легко намотувати.

Часті запитання

Що станеться, якби сердечник трансформатора був суцільним, а не ламінованим?

Вихрові струми будуть дуже великими, оскільки петлі струму можуть охопити весь поперечний-розріз сердечника. Сердечник швидко перегріється, ККД впаде, а ізоляція обмоток буде зруйнована підвищенням температури.

Чому втрати на вихрові струми зростають із збільшенням частоти?

Індукована напруга в сердечнику пропорційна швидкості зміни потоку, тому подвоєння частоти подвоює індуковану напругу та приблизно вчетверо збільшує втрати на вихровий струм за тієї самої щільності потоку. Ось чому високочастотні магнітні компоненти вимагають дуже тонких шарів або порошкових сердечників.

Яка типова товщина трансформаторних ламінацій?

Для силових трансформаторів 50/60 Гц найпоширенішими є листи з зернистістю 0,30 мм і 0,35 мм; 0,23 мм і 0,27 мм використовуються в -конструкціях з вищою ефективністю, тоді як дуже тонкі смужки менше 0,1 мм з’являються лише у високочастотних аморфних і нанокристалічних сердечниках.

Що таке коефіцієнт укладання ламінованого сердечника?

Це співвідношення між ефективним магнітним-перерізом і геометричним поперечним-перерізом стека, зазвичай від 0,95 до 0,97, оскільки ізоляційне покриття та шорсткість поверхні займають невелику частину об’єму.

Чи зменшує ламінування втрати на гістерезис?

Ні. Втрати на гістерезис залежать від самого магнітного матеріалу та пікової щільності потоку, а не від товщини. Ламінація зменшує втрати на вихрові струми; Втрати на гістерезис мінімізуються вибором матеріалу та підтримкою щільності потоку в проектному діапазоні.

Як ламінації ізольовані один від одного?

З-орієнтована кремнієва сталь постачається з тонким напів-органічним або неорганічним ізоляційним покриттям, яке наносить металургійний завод. Після штампування листи складають і затискають так, щоб покриття зберігало електричне розділення шарів.