Jak krzemionkowa stal zmniejsza straty w rdzeniu transformatora

Dlaczego w rdzeniach transformatorów używa się arkuszy stali krzemu – Redukcja strat wirujących prądów

Dlaczego redukować drugi rodzaj strat żelaznych – straty wirujących prądów?
Podczas pracy transformatora, przez jego zwinięcia przepływa prąd zmienny, co powoduje odpowiednio zmieniający się strumień magnetyczny. Ten zmieniający się strumień indukuje prądy wewnątrz żelaznego rdzenia. Te indukowane prądy krążą w płaszczyznach prostopadłych do kierunku strumienia magnetycznego, tworząc zamknięte pętle – stąd nazwa wirujące prądy. Straty wirujących prądów również powodują nagrzewanie się rdzenia.

Dlaczego rdzenie transformatorów wykonuje się z arkuszy stali krzemu?

Stal krzemowa – stop stali zawierający krzem (znany również jako "krzem" lub "Si") z zawartością krzemu między 0,8% a 4,8% – jest często używana do produkcji rdzeni transformatorów. Powód leży w silnej przenikalności magnetycznej stali krzemowej. Jako bardzo wydajny materiał magnetyczny, może ona generować wysoką gęstość strumienia magnetycznego pod wpływem energii, co pozwala na tworzenie bardziej kompaktowych transformatorów.

Jak wiadomo, rzeczywiste transformatory działają w warunkach prądu zmiennego (AC). Straty mocy występują nie tylko z powodu oporu w zwinięciach, ale także wewnątrz żelaznego rdzenia z powodu cyklicznej magnetyzacji. Ta związana z rdzeniem strata mocy nazywana jest "stratami żelaznymi", która składa się z dwóch składników:

• Straty hysteresyjne

• Straty wirujących prądów

Straty hysteresyjne wynikają z zjawiska hysterezy magnetycznej podczas procesu magnetyzacji rdzenia. Wielkość tych strat jest proporcjonalna do pola objętego przez pętlę hysterezową materiału. Stal krzemowa ma wąską pętlę hysterezową, co prowadzi do mniejszych strat hysteresyjnych i znacząco obniżonego nagrzewania.

Zważywszy na te zalety, dlaczego nie używa się jednolitego bloku stali krzemowej do rdzenia? Dlaczego jest ona zamiast tego przetworzona na cienkie arkusze?

Odpowiedź brzmi, aby zredukować drugi składnik strat żelaznych – straty wirujących prądów.

Jak wcześniej wspomniano, zmieniający się strumień magnetyczny indukuje wirujące prądy w rdzeniu. Aby zminimalizować te prądy, rdzenie transformatorów są konstruowane z cienkich arkuszy stali krzemowej, które są od siebie izolowane i ułożone jeden na drugim. Taka konstrukcja ogranicza wirujące prądy do wąskich, wydłużonych ścieżek o mniejszej przekroju, co zwiększa opór elektryczny wzdłuż ich dróg przepływu. Dodatkowo, dodanie krzemu do stopu zwiększa elektryczną rezystywność samego materiału, co dalej hamuje formowanie wirujących prądów.

Typowo, rdzenie transformatorów używają zimnorolowanych arkuszy stali krzemowej o grubości około 0,35 mm. W zależności od wymaganych wymiarów rdzenia, te arkusze są przecinane na długie pasy, a następnie ułożone w konfiguracjach "日" (podwójne okno) lub pojedynczego okna.

Teoretycznie, im cieńszy arkusz i węższe pasy, tym mniejsze straty wirujących prądów – co prowadzi do niższego wzrostu temperatury i zmniejszonego zużycia materiału. Jednak w rzeczywistym procesie produkcji, projektanci nie optymalizują wyłącznie ze względu na minimalizację wirujących prądów. Używanie ekstremalnie cienkich lub węższych pasów znacznie zwiększa czas produkcji i koszty pracy, jednocześnie zmniejszając skuteczny przekrój rdzenia. Dlatego, przy tworzeniu rdzeni ze stali krzemowej, inżynierowie muszą starannie zrównoważyć techniczne parametry, efektywność produkcji i koszty, aby wybrać optymalne wymiary.