Com es redueix la pèrdua del nucli del transformador amb l'acer de silici?

Per què es fan servir fulls d'acer de silici als nuclis dels transformadors – Reduint la pèrdua per corrents tàmbor

Per què reduir l'altre tipus de pèrdua ferrosa—la pèrdua per corrents tàmbor?
Quan un transformador funciona, una corrent alternada passa pels seus enrotllaments, produint un flux magnètic alternat. Aquest flux que canvia induceix corrents dins el nucli de ferro. Aquestes corrents induïdes circulen en plans perpendiculars a la direcció del flux magnètic, formant circuits tancats—per això se les anomena corrents tàmbor. Les pèrdues per corrents tàmbor també provoquen que el nucli es escalfi.

Per què els nuclis dels transformadors es fan d'acer de silici?

L'acer de silici—un alliat d'acer que conté silici (també conegut com "silici" o "Si") amb un contingut de silici entre l'0,8% i el 4,8%—es fa servir habitualment per als nuclis dels transformadors. La raó resideix en la forta permeabilitat magnètica de l'acer de silici. Com a material magnètic altament eficient, pot produir una densitat de flux magnètic alta quan s'energitzat, permetent que els transformadors siguin més compactes.

Com sabem, els transformadors reals funcionen en condicions de corrent alternada (CA). Les pèrdues de potència no només ocorren degut a la resistència en els enrotllaments, sinó també dins el nucli de ferro degut a la magnetització cíclica. Aquesta pèrdua de potència relacionada amb el nucli es coneix com a "pèrdua ferrosa", que consta de dos components:

• Pèrdua per histeresis

• Pèrdua per corrents tàmbor

La pèrdua per histeresis prové del fenomen d'histeresis durant el procés de magnetització del nucli. La magnitud d'aquesta pèrdua és proporcional a l'àrea encerclada pel bucle d'histeresis del material. L'acer de silici té un bucle d'histeresis estret, resultant en una pèrdua per histeresis menor i una escalfada significativament reduïda.

Donades aquestes avantatges, per què no es fa servir un bloc sòlid d'acer de silici per al nucli? Per què, en canvi, es processa en fulls fins?

La resposta és per reduir el segon component de la pèrdua ferrosa—la pèrdua per corrents tàmbor.

Com s'ha mencionat anteriorment, el flux magnètic alternat induceix corrents tàmbor en el nucli. Per minimitzar aquestes corrents, els nuclis dels transformadors es construeixen amb fulls fins d'acer de silici que estan aïllats entre si i apilats. Aquest disseny confina les corrents tàmbor a camins estrets i allargats amb àrees transversals més petites, augmentant així la resistència elèctrica al llarg dels seus camins de flux. A més, l'afegit de silici a l'alliat augmenta la resistivitat elèctrica del material mateix, suprimint més encara la formació de corrents tàmbor.

Típicament, els nuclis dels transformadors fan servir fulls d'acer de silici laminat fred d'uns 0,35 mm d'espessor. Basant-se en les dimensions requerides del nucli, aquests fulls es tallen en trossos llargs i després s'apilen en configuracions “日” (doble finestra) o de finestra única.

En teoria, més fin i més estret és el full, més petita serà la pèrdua per corrents tàmbor—resultant en una escalfada menor i una utilització reduïda de material. Tanmateix, en la fabricació real, els dissenyadors no optimitzen únicament basant-se en la minimització de les corrents tàmbor. Utilitzar fulls extremadament fins o trossos molt estrets incrementaria enormement el temps de producció i la mà d'obra, mentre que reduiria l'àrea transversal efectiva del nucli. Per tant, en la fabricació dels nuclis d'acer de silici, els enginyers han de balançar amb cura el rendiment tècnic, l'eficiència de fabricació i el cost per seleccionar les dimensions òptimes.