Как силиконовая сталь уменьшает потери в сердечнике трансформатора

Почему для сердечников трансформаторов используются кремниевые стали – снижение потерь от вихревых токов

Почему необходимо снизить другой тип железных потерь – потери от вихревых токов?
Когда трансформатор работает, переменный ток проходит через его обмотки, создавая соответствующий переменный магнитный поток. Этот изменяющийся поток индуцирует токи внутри железного сердечника. Эти индуцированные токи циркулируют в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, образуя замкнутые петли – поэтому они называются вихревыми токами. Потери от вихревых токов также вызывают нагрев сердечника.

Почему сердечники трансформаторов изготавливаются из листов кремниевой стали?

Кремниевая сталь – это сплав стали, содержащий кремний (также известный как "кремний" или "Si") с содержанием кремния от 0,8% до 4,8% – широко используется для сердечников трансформаторов. Причина заключается в высокой магнитной проницаемости кремниевой стали. Будучи высокоэффективным магнитным материалом, она может создавать высокую плотность магнитного потока при подаче энергии, что позволяет делать трансформаторы более компактными.

Как известно, реальные трансформаторы работают в условиях переменного тока (AC). Потери мощности возникают не только из-за сопротивления в обмотках, но и внутри железного сердечника из-за циклической намагничиваемости. Эти потери, связанные с сердечником, называются "железными потерями", которые состоят из двух компонентов:

• Потери от гистерезиса

• Потери от вихревых токов

Потери от гистерезиса возникают из-за феномена магнитной гистерезиса во время процесса намагничивания сердечника. Масштаб этих потерь пропорционален площади, заключенной в петле гистерезиса материала. У кремниевой стали узкая петля гистерезиса, что приводит к меньшим потерям от гистерезиса и значительно снижает нагрев.

Учитывая эти преимущества, почему не используется цельный блок кремниевой стали для сердечника? Почему вместо этого она обрабатывается в тонкие листы?

Ответ заключается в том, чтобы снизить второй компонент железных потерь – потери от вихревых токов.

Как уже упоминалось, переменный магнитный поток индуцирует вихревые токи в сердечнике. Чтобы минимизировать эти токи, сердечники трансформаторов изготавливаются из тонких листов кремниевой стали, которые изолированы друг от друга и складываются вместе. Такая конструкция ограничивает вихревые токи узкими, вытянутыми путями с меньшей площадью поперечного сечения, тем самым увеличивая электрическое сопротивление по их пути. Кроме того, добавление кремния в сплав увеличивает электрическую резистивность самого материала, дополнительно подавляя образование вихревых токов.

Обычно для сердечников трансформаторов используют холоднокатаные листы кремниевой стали толщиной около 0,35 мм. В зависимости от необходимых размеров сердечника, эти листы нарезаются на длинные полосы, а затем складываются в конфигурации "日" (двухоконные) или однооконные.

Теоретически, чем тоньше лист и уже полосы, тем меньше потери от вихревых токов, что приводит к меньшему повышению температуры и меньшему использованию материала. Однако, в реальном производстве, дизайнеры не оптимизируют исключительно на основе минимизации вихревых токов. Использование крайне тонких или узких полос значительно увеличивало бы время производства и трудозатраты, а также уменьшало бы эффективную площадь поперечного сечения сердечника. Поэтому, при изготовлении кремниевых сердечников, инженеры должны тщательно балансировать технические характеристики, эффективность производства и стоимость, чтобы выбрать оптимальные размеры.