Hur silikongruvstål minskar kärnavfallet i transformatorer

Varför används siliciumstålplåtar i transformatorjärn – Minskning av virvlandslöss

Varför minska den andra typen av järnlöss—virvlandslöss?
När en transformator fungerar flödar växelström genom dess vindningar, vilket producerar motsvarande växlande magnetisk flux. Denna föränderliga flux inducerar strömmar inuti järnkärnan. Dessa inducerade strömmar cirkulerar i plan som är vinkelräta mot riktningen av den magnetiska fluxen, och bildar stängda loopar—därför kallas de virvlande strömmar. Virvlandslöss orsakar också att kärnan uppvärms.

Varför tillverkas transformatorkärnor av siliciumstålplåtar?

Siliciumstål—en stållegierung som innehåller silicium (även kallat "silicium" eller "Si") med en siliciumhalt mellan 0,8% och 4,8%—används ofta för transformatorkärnor. Anledningen ligger i siliciumstålens starka magnetiska permeabilitet. Som ett mycket effektivt magnetiskt material kan det producera en hög magnetisk fluxdensitet när det energiseras, vilket gör att transformatorer kan göras mer kompakta.

Som vi vet fungerar verkliga transformatorer under växelströmsförhållanden (AC). Effektförluster uppstår inte bara på grund av resistans i vindningarna utan också inuti järnkärnan på grund av cyklisk magnetisering. Denna kärnrelaterade effektförlust kallas "järnlöss", vilket består av två komponenter:

• Hysteresislöss

• Virvlandslöss

Hysteresislöss uppstår från det magnetiska hysteresifenomenet under kärnens magnetiseringsprocess. Storleken på denna förlust är proportionell mot arean som omges av materialets hysteresisloop. Siliciumstål har en smal hysteresisloop, vilket ger lägre hysteresislöss och betydligt minskad uppvärmning.

Med dessa fördelar, varför används inte en solid block av siliciumstål för kärnan? Varför bearbetas det istället till tunna plåtar?

Svaret är för att minska den andra komponenten av järnlöss—virvlandslöss.

Som tidigare nämnts inducerar den växlande magnetiska fluxen virvlande strömmar i kärnan. För att minimera dessa strömmar byggs transformatorkärnor av tunna siliciumstålplåtar som är isolerade från varandra och staplade tillsammans. Detta design konfinerar virvlande strömmar till smala, långa vägar med mindre tvärsnittsområden, vilket ökar den elektriska resistansen längs deras flödesvägar. Dessutom ökar tillsatsen av silicium i legningen den elektriska resistiviteten hos materialet självt, vilket ytterligare undertrycker bildandet av virvlande strömmar.

Typiskt använder transformatorkärnor kallvalsade siliciumstålplåtar på cirka 0,35 mm tjocklek. Baserat på de krävda kärndimensionerna skärs dessa plåtar till långa remsor och staplas sedan i "日" (dubbelfönster) eller ensidiga fönsterkonfigurationer.

I teorin, ju tyngre plåten och ju smalare remsorna, desto mindre virvlandslöss—vilket resulterar i lägre temperaturökning och minskat materialanvändande. Men i praktisk tillverkning optimiserar designer inte endast baserat på att minimera virvlande strömmar. Att använda extremt tunna eller smala remsor skulle drastiskt öka tillverknings- och arbetskostnader samtidigt som den effektiva tvärsnittsytan av kärnan minskas. Därför måste ingenjörer noga balansera teknisk prestanda, tillverkningsmässig effektivitet och kostnad för att välja de optimala dimensionerna när de tillverkar siliciumstålkärnor.