Почему в сердечниках трансформаторов используются кремниевые стальные листы – уменьшение потерь от вихревых токов
Почему необходимо уменьшить 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 вызывает появление токов 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 кремниевых стальных листов?
Кремниевая сталь — это стальной сплав, 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 происходят не только из-за сопротивления в обмотках, но и внутри железного сердечника из-за циклической намагничиваемости. Эта связанная с сердечником потеря мощности называется "железными потерями", которые состоят из двух компонентов:
Потери от гистерезиса
Потери от вихревых токов
Потери от гистерезиса возникают из-за явления магнитного гистерезиса во время процесса намагничивания сердечника. Масштаб этих потерь пропорционален площади, ограниченной петлей гистерезиса материала. У кремниевой стали узкая петля гистерезиса, что приводит к меньшим потерям от гистерезиса и значительному снижению нагрева.
Учитывая эти преимущества, почему не используется цельный блок кремниевой стали для сердечника? Почему вместо этого он обрабатывается в тонкие листы?
Ответ заключается в том, чтобы уменьшить второй компонент железных потерь — потери от вихревых токов.
Как уже упоминалось, переменный магнитный поток вызывает вихревые токи в сердечнике. Чтобы минимизировать эти токи, сердечники трансформаторов изготавливаются из тонких кремниевых стальных листов, изолированных друг от друга и сложенных вместе. Такая конструкция ограничивает вихревые токи узкими, удлиненными путями с меньшей площадью поперечного сечения, увеличивая электрическое сопротивление вдоль их путей. Кроме того, добавление кремния в сплав увеличивает электрическое сопротивление самого материала, дополнительно подавляя образование вихревых токов.
Обычно сердечники трансформаторов используют холоднокатаные кремниевые стальные листы толщиной около 0,35 мм. В зависимости от требуемых 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 уменьшению использования материала. Однако, в реальном производстве, дизайнеры не оптимизируют исключительно для минимизации вихревых токов. Использование чрезвычайно тонких или узких полос значительно увеличивало бы время производства и трудозатраты, а также уменьшило бы эффективную площадь поперечного сечения сердечника. Поэтому, при изготовлении кремниевых стальных сердечников, инженеры должны тщательно балансировать технические характеристики, производственную эффективность и стоимость, чтобы выбрать оптимальные размеры.
