Waarom siliciumstaalplaten worden gebruikt in transformatorkernen – Verminderen van stroomverlies door wentelstromen
Waarom het andere type ijzerverlies – verlies door wentelstromen – verminderen?
Wanneer een transformator werkt, stroomt wisselstroom door de windingen, wat een overeenkomstig wisselend magnetisch veld produceert. Dit veranderende veld veroorzaakt stromen binnen de ijzerkern. Deze geïnduceerde stromen circuleren in vlakken loodrecht op de richting van het magnetische veld, vormen gesloten lussen – vandaar dat ze wentelstromen worden genoemd. Verliezen door wentelstromen zorgen er ook voor dat de kern opwarmt.
Waarom worden transformatorkernen gemaakt van siliciumstaalplaten?
Siliciumstaal – een staallegging die silicium (ook bekend als "silicium" of "Si") bevat met een siliciumgehalte tussen 0,8% en 4,8% – wordt vaak gebruikt voor transformatorkernen. De reden hiervoor ligt in de sterke magnetische doorlaatbaarheid van siliciumstaal. Als een hoogwaardig magnetisch materiaal kan het een hoge magnetische fluxdichtheid produceren wanneer het geënergiseerd is, waardoor transformatoren compacter kunnen worden gemaakt.
Zoals we weten, werken echte transformatoren onder wisselstroom (AC) omstandigheden. Energieverliezen ontstaan niet alleen door weerstand in de windingen, maar ook binnen de ijzerkern door cyclische magnetisatie. Dit kerngerelateerde energieverlies staat bekend als "ijzerverlies", dat bestaat uit twee componenten:
Hystereseverlies
Verlies door wentelstromen
Hystereseverlies ontstaat door het magnetische hystereseverschijnsel tijdens het magnetiseringsproces van de kern. Het volume van dit verlies is evenredig aan de oppervlakte die wordt omsloten door de hystereselus van het materiaal. Siliciumstaal heeft een smalle hystereselus, wat resulteert in minder hystereseverlies en significant verminderde opwarming.
Gezien deze voordelen, waarom wordt dan geen massief blok siliciumstaal gebruikt voor de kern? Waarom wordt het in plaats daarvan verwerkt tot dunne platen?
Het antwoord is om de tweede component van ijzerverlies – verlies door wentelstromen – te verminderen.
Zoals eerder genoemd, veroorzaken de wisselende magnetische flux wentelstromen in de kern. Om deze stromen te minimaliseren, worden transformatorkernen samengesteld uit dunne siliciumstaalplaten die van elkaar zijn geïsoleerd en gestapeld. Dit ontwerp beperkt wentelstromen tot smalle, langgerekte paden met kleinere doorsnedeoppervlakken, waardoor de elektrische weerstand langs hun stroompaden toeneemt. Daarnaast verhoogt de toevoeging van silicium in de legging de elektrische specifieke weerstand van het materiaal zelf, waardoor de vorming van wentelstromen verder wordt onderdrukt.
Meestal gebruiken transformatorkernen koudgewalste siliciumstaalplaten van ongeveer 0,35 mm dik. Afhankelijk van de vereiste kernafmetingen worden deze platen gesneden in lange stroken en vervolgens gestapeld in “日” (dubbelvenster) of enkelvensterconfiguraties.
Theoretisch gezien, hoe dunner de plaat en hoe smaller de stroken, hoe kleiner het verlies door wentelstromen – wat resulteert in een lagere temperatuurstijging en minder materiaalgebruik. Echter, in de praktijk optimaliseren ontwerpers niet uitsluitend op basis van het minimaliseren van wentelstromen. Het gebruik van extreem dunne of smalle stroken zou de productietijd en arbeid sterk verhogen en de effectieve doorsnede van de kern verkleinen. Daarom moeten ingenieurs bij het fabriceren van siliciumstaalkernen zorgvuldig balanceren tussen technische prestaties, productie-efficiëntie en kosten om de optimale afmetingen te selecteren.
