Wie Siliziumstahl die Verluste im Transformatorkern reduziert

Warum Siliziumstahlbleche in Transformerkernen verwendet werden – Reduzierung der Wirbelstromverluste

Warum die andere Art von Eisenverlust – den Wirbelstromverlust – reduzieren?
Wenn ein Transformer arbeitet, fließt Wechselstrom durch seine Wicklungen und erzeugt einen entsprechend wechselnden magnetischen Fluss. Dieser sich ändernde Fluss induziert Ströme im Eisenkern. Diese induzierten Ströme zirkulieren in Ebenen, die senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses verlaufen und bilden geschlossene Schleifen – daher werden sie als Wirbelströme bezeichnet. Wirbelstromverluste führen auch dazu, dass der Kern erwärmt wird.

Warum werden Transformerkerne aus Siliziumstahlblechen hergestellt?

Siliziumstahl – ein Stahlegierung, die Silizium (auch bekannt als "Silizium" oder "Si") mit einem Siliziumgehalt zwischen 0,8% und 4,8% enthält – wird häufig für Transformerkerne verwendet. Der Grund liegt in der starken magnetischen Permeabilität des Siliziumstahls. Als hoch effizientes magnetisches Material kann es bei Stromversorgung eine hohe magnetische Flussdichte erzeugen, was es ermöglicht, Transformatoren kompakter zu gestalten.

Wie wir wissen, arbeiten reale Transformatoren unter Wechselstrombedingungen. Leistungsverluste treten nicht nur aufgrund des Widerstands in den Wicklungen auf, sondern auch innerhalb des Eisenkerns aufgrund der zyklischen Magnetisierung. Dieser kernbezogene Leistungsverlust wird als "Eisenverlust" bezeichnet und besteht aus zwei Komponenten:

• Hystereseverlust

• Wirbelstromverlust

Hystereseverlust entsteht aus dem magnetischen Hysteresephenomen während des Magnetisierungsprozesses des Kerns. Die Größe dieses Verlustes ist proportional zum von der Hystereseschleife eingeschlossenen Bereich. Siliziumstahl hat eine schmale Hystereseschleife, was zu geringeren Hystereseverlusten und signifikant reduzierter Erwärmung führt.

Angesichts dieser Vorteile, warum wird kein massiver Block aus Siliziumstahl für den Kern verwendet? Warum wird es stattdessen in dünne Bleche verarbeitet?

Die Antwort darauf lautet, um die zweite Komponente des Eisenverlusts – den Wirbelstromverlust – zu reduzieren.

Wie bereits erwähnt, induziert der wechselnde magnetische Fluss Wirbelströme im Kern. Um diese Ströme zu minimieren, werden Transformerkerne aus dünnen Siliziumstahlblechen hergestellt, die voneinander isoliert und gestapelt sind. Diese Konstruktion beschränkt die Wirbelströme auf schmale, langgezogene Pfade mit kleinerem Querschnitt, was den elektrischen Widerstand entlang ihrer Flusswege erhöht. Darüber hinaus erhöht die Zugabe von Silizium in der Legierung die elektrische Spezifische Widerstandszahl des Materials selbst, was die Bildung von Wirbelströmen weiter unterdrückt.

Typischerweise verwenden Transformerkerne kaltgewalzte Siliziumstahlbleche mit einer Dicke von etwa 0,35 mm. Basierend auf den erforderlichen Kerndimensionen werden diese Bleche in lange Streifen geschnitten und dann in "日" (Doppelfenster) oder Einzelfensterkonfigurationen gestapelt.

Theoretisch betrachtet, je dünner das Blech und je schmaler die Streifen, desto geringer der Wirbelstromverlust – was zu einer geringeren Temperaturerhöhung und reduziertem Materialverbrauch führt. Allerdings optimieren Designer in der tatsächlichen Fertigung nicht ausschließlich auf Basis der Minimierung der Wirbelströme. Das Verwenden extrem dünner oder enger Streifen würde die Produktionszeit und -arbeit erheblich erhöhen, während der effektive Querschnitt des Kerns reduziert wird. Daher müssen Ingenieure bei der Herstellung von Siliziumstahlkernen sorgfältig technische Leistung, Fertigungs-Effizienz und Kosten abwägen, um die optimalen Abmessungen auszuwählen.