Як силиконова сталь зменшує втрати в ядрі трансформатора

Чому для сердечників трансформаторів використовуються кремнезалізні листи – зменшення втрат через вихрові струми

Чому потрібно зменшити інший тип залізних втрат — втрати через вихрові струми?
При роботі трансформатора черговий струм проходить через його обмотки, що викликає відповідний черговий магнітний потік. Цей змінний потік викликає струми всередині залізного сердечника. Ці викликані струми циркулюють у площинах, перпендикулярних до напрямку магнітного потоку, утворюючи замкнуті контури — тому їх називають вихровими струмами. Втрати через вихрові струми також спричиняють нагрівання сердечника.

Чому сердечники трансформаторів виготовляються з кремнезалізних листів?

Кремнезалізо — сталевий сплав, що містить кремній (також відомий як "кремній" або "Si") з вмістом кремнію від 0,8% до 4,8% — часто використовується для сердечників трансформаторів. Причина полягає у сильній магнітній проникності кремнезаліза. Як дуже ефективний магнітний матеріал, він може створювати високу густину магнітного потоку при наявності енергії, що дозволяє робити трансформатори компактнішими.

Як відомо, реальні трансформатори працюють у умовах чергового струму (AC). Втрати енергії відбуваються не лише через опір обмоток, але й всередині залізного сердечника через циклічну намагніченість. Ці втрати, пов'язані з сердечником, відомі як "залізні втрати", які складаються з двох компонентів:

• Втрати через гістерезис

• Втрати через вихрові струми

Втрати через гістерезис виникають через феномен магнітного гістерезису під час процесу намагнічення сердечника. Розмір цих втрат пропорційний площі, обмеженої петлею гістерезису матеріалу. Кремнезалізо має вузьку петлю гістерезису, що призводить до нижчих втрат через гістерезис і значно знижує нагрівання.

З урахуванням цих переваг, чому не використовується цільовий блок кремнезаліза для сердечника? Чому його замість цього обробляють у вигляді тонких листів?

Відповідь полягає в зменшенні другого компонента залізних втрат — втрат через вихрові струми.

Як вже зазначалось, черговий магнітний потік викликає вихрові струми в сердечнику. Для мінімізації цих струмів сердечники трансформаторів виготовляються з тонких кремнезалізних листів, які ізольовані один від одного і наслаються. Такий дизайн обмежує вихрові струми до вузьких, довгих шляхів з меншими поперечними перерізами, що збільшує електричний опір вздовж їхніх шляхів. Додатково, додавання кремнію до сплаву збільшує електричну резистивність матеріалу, що ще більше пригнічує формування вихрових струмів.

Зазвичай, для сердечників трансформаторів використовуються холодновальцований кремнезалізний лист товщиною близько 0,35 мм. Відповідно до необхідних розмірів сердечника, ці листи нарізаються на довгі смуги і наслаються в конфігурації "日" (подвійне вікно) або одновіконній.

Теоретично, чим тонші листи і чим вужчі смуги, тим менші втрати через вихрові струми — що призводить до нижчого підвищення температури і зменшення використання матеріалу. Однак, в реальному виробництві, проектувальники не оптимізують лише на основі мінімізації вихрових струмів. Використання надто тонких або вужких смуг значно збільшить час виробництва та трудові затрати, а також зменшить ефективний поперечний переріз сердечника. Тому, коли виготовляються кремнезалізні сердечники, інженери повинні обережно балансувати технічну продуктивність, ефективність виробництва та вартість, щоб вибрати оптимальні розміри.