Welche Vor- und Nachteile hat die Verwendung ferromagnetischer Materialien in Transformatoren

Vorteile

• Hohe magnetische Permeabilität: Ferromagnetische Materialien haben eine hohe magnetische Permeabilität, was bedeutet, dass sie unter einem relativ geringen Magnetfeld eine große magnetische Induktion erzeugen können. In einem Transformator ermöglicht die Verwendung ferromagnetischer Materialien für den Kern, dass der größte Teil des vom Wickel erzeugten Magnetfelds innerhalb des Kerns konzentriert wird, was die magnetische Feldkoppelung verbessert. Dies führt wiederum zu einer Verbesserung der elektromagnetischen Umwandlungseffizienz des Transformators und ermöglicht eine effektivere Übertragung und Transformation von elektrischer Energie.

• Geringe Hystereseverluste: Hysterese bezeichnet das Phänomen, bei dem die Änderung der magnetischen Induktion hinter der Änderung der magnetischen Feldstärke in einem magnetischen Material unter einem Wechselmagnetfeld zurückbleibt, was zu Energieverlusten führt. Ferromagnetische Materialien wie Siliziumstahlbleche haben einen relativ kleinen Hystereseschleifenbereich. Dies bedeutet, dass die durch das Hysterese-Phänomen verursachten Energieverluste in einem Wechselmagnetfeld relativ gering sind, was dazu beiträgt, die Effizienz des Transformators zu verbessern und Energieverschwendung zu reduzieren.

• Geringe Wirbelstromverluste: Wenn ein Transformator in Betrieb ist, induziert das Wechselmagnetfeld einen elektrischen Strom, bekannt als Wirbelstrom, im Kern. Wirbelströme führen zur Erwärmung des Kerns und zu Energieverlusten. Durch die Verwendung ferromagnetischer Materialien mit hoher spezifischem Widerstand und die Herstellung des Kerns aus dünnen Blättern (wie Siliziumstahlblechen), die voneinander isoliert sind, kann der Pfad für den Wirbelstrom wirksam reduziert werden, wodurch die Wirbelstromverluste gesenkt und die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Transformators verbessert werden.

• Gute Sättigungseigenschaften: Ferromagnetische Materialien können innerhalb eines bestimmten Bereichs der magnetischen Feldstärke gute lineare magnetische Eigenschaften aufrechterhalten und treten erst in den Sättigungsmodus, wenn die magnetische Feldstärke einen bestimmten Wert erreicht. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Transformator, während des normalen Betriebs elektrische Energie stabil zu übertragen. Darüber hinaus kann in ungewöhnlichen Situationen wie Überlastung die Sättigungseigenschaft des Kerns das weitere Ansteigen des Transformatorstroms begrenzen und eine gewisse Schutzfunktion bieten.

Nachteile

• Hystereseverluste und Wirbelstromverluste: Obwohl die Hystereseverluste und Wirbelstromverluste ferromagnetischer Materialien relativ gering sind, entstehen während des langfristigen Betriebs des Transformators immer noch Wärme, was zu einer Temperaturerhöhung des Transformators führt. Um den normalen Betrieb des Transformators sicherzustellen, müssen effektive Kühlmaßnahmen getroffen werden, was die Konstruktions- und Fertigungskosten des Transformators erhöht.

• Hohe Gewicht: Ferromagnetische Materialien haben eine relativ hohe Dichte. Die Verwendung ferromagnetischer Materialien zur Herstellung des Transformatorkerns erhöht das Gesamtgewicht des Transformators. Dies stellt nicht nur Herausforderungen bei der Beförderung und Installation des Transformators dar, sondern kann auch eine robustere Tragekonstruktion erfordern, was die Kosten weiter erhöht.

• Signifikanter Temperatur-Einfluss: Die magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer Materialien werden von der Temperatur beeinflusst. Wenn die Betriebstemperatur des Transformators ansteigt, sinkt die magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Materials, und die Hystereseverluste und Wirbelstromverluste nehmen zu, was die Leistungsfähigkeit und Effizienz des Transformators beeinträchtigt. Daher muss bei der Auslegung eines Transformators der Einfluss der Temperatur auf die Eigenschaften ferromagnetischer Materialien berücksichtigt und entsprechende Temperaturkompensationmaßnahmen getroffen werden.

• Mögliche Geräuschentwicklung: Während des Betriebs des Transformators entsteht aufgrund des Magnetostriction-Effekts des Kerns mechanische Vibration des ferromagnetischen Materials, was Geräusche verursacht. Diese Geräusche beeinträchtigen nicht nur die umgebende Umgebung, sondern können auch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Transformators beeinflussen. Um Geräusche zu reduzieren, müssen spezielle Auslegungs- und Fertigungsprozesse, wie die Verwendung von geringlautem Kernmaterial und die Optimierung der Kernstruktur, angewendet werden.