Come l'acciaio silicio riduce le perdite del nucleo del trasformatore?

Perché si utilizzano le lamiere di acciaio silicio nei nuclei dei trasformatori – Riduzione della perdita per correnti indotte

Perché ridurre l'altro tipo di perdita di ferro - la perdita per correnti indotte?
Quando un trasformatore è in funzione, una corrente alternata scorre attraverso i suoi avvolgimenti, producendo un flusso magnetico alternato corrispondente. Questo flusso variabile induce correnti all'interno del nucleo di ferro. Queste correnti indotte circolano in piani perpendicolari alla direzione del flusso magnetico, formando anelli chiusi - da qui il nome di correnti indotte. Le perdite dovute alle correnti indotte causano anche il riscaldamento del nucleo.

Perché i nuclei dei trasformatori sono realizzati con lamiere di acciaio silicio?

L'acciaio silicio, un lega di acciaio contenente silicio (noto anche come "silicio" o "Si") con una percentuale di silicio compresa tra l'0,8% e il 4,8%, viene comunemente utilizzato per i nuclei dei trasformatori. Il motivo risiede nella forte permeabilità magnetica dell'acciaio silicio. Essendo un materiale magnetico altamente efficiente, può produrre una densità di flusso magnetico elevata quando è alimentato, consentendo la realizzazione di trasformatori più compatti.

Come sappiamo, i trasformatori reali operano in condizioni di corrente alternata (CA). Le perdite di potenza si verificano non solo a causa della resistenza negli avvolgimenti, ma anche all'interno del nucleo di ferro a causa della magnetizzazione ciclica. Questa perdita di potenza relativa al nucleo è nota come "perdita di ferro", che si compone di due componenti:

• Perdita per isteresi

• Perdita per correnti indotte

La perdita per isteresi deriva dal fenomeno di isteresi durante il processo di magnetizzazione del nucleo. L'entità di questa perdita è proporzionale all'area racchiusa dal ciclo di isteresi del materiale. L'acciaio silicio ha un ciclo di isteresi stretto, risultando in una perdita per isteresi inferiore e un riscaldamento significativamente ridotto.

Date queste vantaggi, perché non si utilizza un blocco solido di acciaio silicio per il nucleo? Perché invece viene processato in lamine sottili?

La risposta è per ridurre la seconda componente della perdita di ferro - la perdita per correnti indotte.

Come menzionato in precedenza, il flusso magnetico alternato induce correnti indotte nel nucleo. Per minimizzare queste correnti, i nuclei dei trasformatori sono costruiti con lamiere sottili di acciaio silicio isolate tra loro e sovrapposte. Questa configurazione confina le correnti indotte a percorsi stretti e allungati con sezioni trasversali più piccole, aumentando così la resistenza elettrica lungo i loro percorsi. Inoltre, l'aggiunta di silicio nella lega aumenta la resistività elettrica del materiale stesso, ulteriormente sopprimendo la formazione delle correnti indotte.

Tipicamente, i nuclei dei trasformatori utilizzano lamiere di acciaio silicio laminato a freddo spesse circa 0,35 mm. A seconda delle dimensioni richieste del nucleo, queste lamiere vengono tagliate in strisce lunghe e poi sovrapposte in configurazioni a "日" (doppia finestra) o a finestra singola.

In teoria, più sottile è la lamiera e più strette sono le strisce, minore sarà la perdita per correnti indotte, con un aumento di temperatura e un uso di materiale ridotti. Tuttavia, nella fabbricazione reale, i progettisti non ottimizzano esclusivamente per minimizzare le correnti indotte. Utilizzare strisce estremamente sottili o strette aumenterebbe notevolmente il tempo di produzione e la manodopera, riducendo l'area sezione effettiva del nucleo. Pertanto, quando si fabbricano nuclei di acciaio silicio, gli ingegneri devono bilanciare attentamente le prestazioni tecniche, l'efficienza di produzione e i costi per selezionare le dimensioni ottimali.