Transformatorkernmaterialen en ontwerpdetails
De kern is eigenlijk het hart van elke stroomtransformator - het is het magnetische circuit waar al het andere van afhankelijk is. De materialen die u kiest en hoe u deze ontwerpt, hebben een enorme impact op de nullastverliezen, de algehele efficiëntie, het geluid, de afmetingen en uiteraard de kosten.
Gemeenschappelijke kernmaterialen
De meeste transformatorkernen vallen tegenwoordig in twee grote categorieën: traditionele kristallijne materialen en nieuwere energie-besparende amorfe of nanokristallijne materialen. De keuze komt meestal neer op het balanceren van de verzadigingsfluxdichtheid, kernverliezen, hoe gemakkelijk het is om te produceren en de prijs.
Siliciumstaal (korrel-gericht elektrisch staal)Dit is nog steeds de meest gebruikte optie - het vertegenwoordigt ongeveer 90% van de markt. Het is eigenlijk ijzer met een beetje silicium (meestal ongeveer 3 à 4,5%), opgerold tot dunne platen, doorgaans 0,23 tot 0,35 mm dik voor standaard 50/60 Hz-transformatoren.
Wat is er geweldig aan? Het heeft een hoog verzadigingspunt (ongeveer 1,9–2,0 T), het is relatief goedkoop, gemakkelijk te ponsen en te stapelen, en het houdt mechanisch goed stand. Het nadeel is dat het hogere kernverliezen heeft vergeleken met de nieuwere materialen, vooral onder onbelaste omstandigheden, en de verliezen schieten omhoog als je de frequentie hoger zet.
Amorfe legering (metaalglas)Deze zijn gemaakt van legeringen op ijzer-basis die extreem snel afkoelen, waardoor een niet-kristallijne, glas-achtige structuur ontstaat. De linten zijn superdun - slechts 20 tot 35 micrometer.
Het grote voordeel is dramatisch lagere nullastverliezen -, vaak 60-80% minder dan siliciumstaal -, en een veel lagere excitatiestroom. Ze zijn ook milieuvriendelijker en verspillen minder materiaal tijdens de productie. Aan de andere kant is de verzadigingsfluxdichtheid lager (ongeveer 1,5–1,6 T), dus je hebt een iets grotere kern nodig. Ze zijn ook broos, gevoelig voor mechanische belasting en vooraf iets duurder. Toch betalen de energiebesparingen voor distributietransformatoren met lage of variabele belastingen (denk aan landelijke netwerken of installaties voor hernieuwbare energie) de extra kosten meestal in de loop van de tijd terug.
Nanokristallijne legeringDit is de optie met hoge-prestaties. Je begint met amorf materiaal en laat het vervolgens zorgvuldig uitharden om kleine kristallen op nanoschaal te creëren, gemengd met de amorfe fase.
Het geeft je het beste van twee werelden: zeer lage verliezen (vooral bij hogere frequenties), hoge permeabiliteit en behoorlijke verzadiging. De enige echte nadelen zijn de hogere kosten en het veeleisendere productieproces. Je ziet deze vooral in hoog-geschakelde-voedingen, midden-frequentietransformatoren of geavanceerde-solid-state-transformatoren.
Kernontwerpbasisprincipes
Bij het ontwerpen van de kern proberen ingenieurs vooral een zo efficiënt mogelijk magnetisch pad te creëren, terwijl verliezen, luchtspleten en ruis zo laag mogelijk worden gehouden.
Er zijn twee manieren om het te bouwen:
Gelamineerde (gestapelde) kernen– de klassieke aanpak. Dunne platen worden op elkaar gestapeld, vaak in E-I- of getrapte vormen. De isolatie tussen de platen helpt wervelstromen te verminderen, maar de voegen creëren onvermijdelijk kleine luchtspleten.
Gewonden kernen– zeer gebruikelijk bij amorf lint. Het materiaal wordt continu in toroïdale of drie-dimensionale vormen gewikkeld. Dit geeft een vloeiender magnetisch pad met minder gaten, wat lagere verliezen, betere symmetrie en stillere werking betekent.
(klik op de foto voor meer informatie over onze producten)
Een paar belangrijke ontwerpdetails die er echt toe doen:
Stapelfactor: Dit vertelt je hoeveel van het geometrische gebied van de kern feitelijk bruikbaar ijzer is. Goede ontwerpen streven naar 0,93–0,98. Zelfs kleine verbeteringen hier kunnen de verliezen merkbaar verminderen.
Gezamenlijk ontwerp: De manier waarop u de verbindingen overlapt of verstek maakt (stap-overlappende of 45 graden verstekverbindingen zijn populair) maakt een groot verschil bij het verminderen van zwerfstroom en plaatselijke oververhitting. Betere verbindingen zorgen ook voor minder geluid.
Controle van de luchtspleet: Zelfs kleine openingen vergroten de magnetiseringsstroom en -verliezen, dus fabrikanten doen veel moeite om deze te minimaliseren - vooral bij bros amorf materiaal, dat niet van mechanische spanning houdt.
Andere zaken die ertoe doen zijn onder meer het kiezen van de juiste fluxdichtheid (meestal 1,5–1,7 T), goed uitgloeien om interne spanningen te verlichten, en zorgvuldig mechanisch klemmen om alles stabiel en stil te houden.
Op dit moment zorgen regelgeving op het gebied van energie-efficiëntie en doelstellingen voor koolstofreductie ervoor dat steeds meer fabrikanten in de richting gaan van amorfe en ingewikkelde-kernontwerpen. Siliciumstaal wordt ook steeds beter, en er komen steeds dunnere, lagere- verliescijfers naar voren.
