Funktionen und Klassifizierung von Transformatorkernen

1. Funktionen von Transformatorkernen

Praktische Transformatoren arbeiten immer unter Wechselstrombedingungen (AC). Leistungsverluste entstehen nicht nur im Widerstand der Wicklungen, sondern auch im Eisenkern, der durch den Wechselstrom magnetisiert wird. Diese Leistungsverluste im Eisenkern werden im Allgemeinen als „Kernverluste“ bezeichnet und werden durch zwei Faktoren verursacht: Hystereseverlust und Wirbelstromverlust. Während des Magnetisierungsprozesses tritt aufgrund der magnetischen Hysterese ein Hystereseverlust auf, und seine Größe ist proportional zur Fläche, die von der Hystereseschleife des Materials umschlossen wird. Siliziumstahl hat eine enge Hystereseschleife; Daher führt die Verwendung für Transformatorkerne zu geringeren Hystereseverlusten, was die Wärmeentwicklung deutlich reduziert.

Warum wird Siliziumstahl angesichts dieser Vorteile zu Lamellen verarbeitet und nicht als massiver Block verwendet? Dies liegt daran, dass laminierte Kerne dazu beitragen, eine andere Art von Kernverlust zu minimieren: Wirbelstromverluste. Im Betrieb erzeugt der Wechselstrom in den Wicklungen einen magnetischen Wechselfluss, der Ströme im Eisenkern induziert. Diese induzierten Ströme zirkulieren in Ebenen senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses und werden daher Wirbelströme genannt. Wirbelstromverluste führen außerdem zu einer Erwärmung des Kerns. Um diese Verluste zu reduzieren, ist der Transformatorkern aus gegeneinander isolierten Siliziumstahlblechen zusammengesetzt. Dadurch werden die Wirbelströme gezwungen, durch schmale, längliche Schleifen mit kleineren Querschnittsflächen zu fließen, wodurch sich der elektrische Widerstand entlang ihres Weges erhöht. Darüber hinaus erhöht der Siliziumgehalt im Stahl den elektrischen Widerstand des Materials, wodurch Wirbelströme weiter reduziert werden.

Für Transformatorkerne werden typischerweise 0,35 mm dicke kaltgewalzte Siliziumstahlbleche ausgewählt. Basierend auf den erforderlichen Kernabmessungen werden sie in rechteckige Streifen geschnitten und in „EI“- oder quadratischen („□“) Formen gestapelt. Um Wirbelströme zu minimieren, erzielen theoretisch dünnere Bleche und schmalere Streifen bessere Ergebnisse. Dies reduziert nicht nur Wirbelstromverluste und den Temperaturanstieg, sondern spart auch Siliziumstahlmaterialien. In der praktischen Fertigung müssen jedoch noch andere Faktoren berücksichtigt werden. Die Verwendung zu dünner oder schmaler Bleche würde den Arbeitsaufwand drastisch erhöhen und den effektiven Kernquerschnitt verringern. Daher müssen Ingenieure bei der Herstellung von Transformatorkernen aus Siliziumstahl die Vor- und Nachteile auf der Grundlage spezifischer Bedingungen abwägen, um die optimalen Abmessungen auszuwählen.

Transformatoren basieren auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Zwei Wicklungen – eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung – sind um geschlossene Eisenkernschenkel gewickelt. Wenn eine Wechselspannung an die Primärwicklung angelegt wird, fließt ein Wechselstrom, der eine magnetomotorische Kraft (MMF) erzeugt. Unter dem Einfluss dieser MMF wird im Kern ein wechselnder Hauptmagnetfluss erzeugt. Dieser Hauptfluss fließt gleichzeitig durch die Primär- und Sekundärwicklung. Aufgrund der elektromagnetischen Induktion werden in beiden Wicklungen elektromotorische Kräfte (EMF) erzeugt. Der Mechanismus des Erhöhens oder Verringerns der Spannung kann durch das Lenzsche Gesetz erklärt werden: Der durch den induzierten Strom erzeugte magnetische Fluss ist immer der Änderung des ursprünglichen magnetischen Flusses entgegengerichtet. Wenn der ursprüngliche Fluss zunimmt, wirkt der induzierte Fluss in die entgegengesetzte Richtung. Dies bedeutet, dass der induzierte magnetische Fluss in der Sekundärwicklung dem von der Primärwicklung erzeugten Hauptfluss entgegenwirkt, was zu einer transformierten Wechselspannung an der Sekundärwicklung führt. Somit dient der Eisenkern als Magnetkreis des Transformators, während die Wicklungen seinen Stromkreis bilden.

2. Klassifizierung von Transformatorkernstrukturen

Eisenkerne vom Schalen- und Kerntyp
Der Teil des Eisenkerns, der die Wicklungen beherbergt, wird „Kernschenkel“ genannt, während der Teil, der keine Wicklungen beherbergt und ausschließlich als magnetischer Pfad dient, „Joch“ genannt wird. Wenn der Eisenkern die Wicklungen umschließt, wird er als Schalenkern bezeichnet; Wenn die Wicklungen die Kernschenkel umschließen, spricht man von einem Kernkern. Obwohl beide unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, unterscheiden sich die durch ihre strukturellen Designs bedingten Herstellungsprozesse erheblich, was es schwierig macht, zwischen ihnen zu wechseln, wenn sie einmal ausgewählt sind. In China nutzen die meisten Transformatorkerne die Struktur mit gestapelten Kernen.

Für Niederfrequenztransformatoren wird üblicherweise Siliziumstahl verwendet. Basierend auf den Herstellungsprozessen werden sie unterteilt in:
A. Geglüht (schwarze Bleche)
N. Nicht geglüht (weiße Bleche)

Basierend auf der Form werden sie in die Typen EI-Typ, UI-Typ, C-Typ und Quadrat (□) kategorisiert.

• Quadratischer (□) Typ: Sie werden häufig in Hochleistungstransformatoren verwendet und bieten eine hervorragende Isolierung, einfache Wärmeableitung und einen kurzen magnetischen Weg. Sie werden hauptsächlich für Transformatoren mit einer Leistung über 500–1000 W verwendet.

• CD-Typ: Besteht aus zwei C-Typ-Siliziumstahlblechen. Bei CD-Transformatoren mit identischen Querschnittsflächen bedeutet eine größere Fensterhöhe eine größere Leistungskapazität. Da auf beiden Seiten des Kerns Spulen angebracht werden können, kann die Gesamtzahl der Windungen auf zwei Spulenkörper verteilt werden. Dadurch verringert sich die durchschnittliche Windungslänge pro Spule, was zu geringeren Kupferverlusten führt. Darüber hinaus wird durch die Platzierung symmetrischer Spulen auf separaten Spulen eine perfekte Symmetrie erreicht.

• ED-Typ: ED-Transformatoren bestehen aus vier C-Typ-Siliziumstahlblechen und haben ein flaches, breites Profil. Bei gleicher Nennleistung sind sie kürzer, aber breiter als CD-Typen. Da die Spulen in der Mitte des Siliziumstahls mit einem externen Magnetpfad installiert sind, sind Streufluss und Gesamtstörungen minimal. Da jedoch alle Spulen auf einem einzigen dicken Spulenkörper gewickelt sind, ist die durchschnittliche Windungslänge länger, was zu höheren Kupferverlusten führt.

• C-Typ: Transformatoren aus C-Typ-Kernen sind kompakt, leicht und hocheffizient. Aus Montagesicht sind C-Typ-Komponenten rar und äußerst vielseitig, was zu einer hohen Produktionseffizienz führt. Die Verarbeitung von Siliziumstahl vom Typ C umfasst jedoch zahlreiche komplexe Schritte und erfordert spezielle Ausrüstung, was sie derzeit teurer macht.

• E-Typ (Shell-Typ / EI-Typ): Sein Hauptvorteil besteht darin, dass die Primär- und Sekundärspulen einen gemeinsamen Spulenkörper haben, was zu einem hohen Fensterraumfaktor (dem Verhältnis der Nettoquerschnittsfläche des Kupferdrahts zur Fensterfläche) führt. Der Siliziumstahl bildet eine schützende Hülle um die Wicklungen und verhindert so mechanische Beschädigungen. Es bietet außerdem eine große Wärmeableitungsfläche und geringe magnetische Streufelder. Allerdings weist es eine höhere Streuinduktivität und eine größere Anfälligkeit gegenüber externen magnetischen Störungen auf. Darüber hinaus benötigen EI-Transformatoren aufgrund des längeren durchschnittlichen Wicklungsumfangs mehr Kupferdraht für die gleiche Windungszahl und den gleichen Kernquerschnitt.

Dicke und Stapelmethoden:
Übliche Dicken von Siliziumstahl sind 0,35 mm und 0,5 mm. Zu den Montagemethoden gehören überlappendes Stapeln und Stoßstapeln. Bei der Stapelung ineinander liegen die offenen Enden der Blätter abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten. Obwohl es mühsam ist, minimiert es Luftspalte und magnetische Reluktanz und maximiert den magnetischen Fluss, was es ideal für Leistungstransformatoren macht. Beim Stoßstapeln werden E-Sheets und I-Sheets auf gegenüberliegenden Seiten platziert, wobei ein Luftspalt verbleibt (der durch Papiereinlagen eingestellt wird), um eine Sättigung durch Gleichstrom (DC) zu verhindern.

3. Spulentypen
Spulen/Kerne werden in drei Kategorien unterteilt:
A. Ringkern: Zusammengesetzt aus O-förmigen Blechen oder gewickelt aus Siliziumstahlbändern. Das Wickeln ist für diesen Typ eine ziemliche Herausforderung.
B. Stabkern.
C. Trommelkern.

3. Klassifizierung von Transformatorkernmaterialien

1. Hochfrequenzkategorie: Eisenpulverkerne und Ferritkerne
Ferritkerne werden in Hochfrequenztransformatoren verwendet. Es handelt sich um Keramikmaterialien mit einer Spinell-Kristallstruktur, die aus Eisenoxid und anderen zweiwertigen Metallverbindungen bestehen (z. B. kFe₂O₄, wobei „k“ für Metalle wie Mangan (Mn), Zink (Zn), Nickel (Ni), Magnesium (Mg) oder Kupfer (Cu) steht.
Zu den gängigen Kombinationen gehören die Serien MnZn, NiZn und MgZn. Diese Materialien verfügen über eine hohe Permeabilität und Impedanz und arbeiten effektiv von 1 kHz bis über 200 kHz.

• Frequenzbereich des Ferritkerns: 18 kHz ~ 1 MHz und höher.

2. Niederfrequenzkategorie: Siliziumstahl und amorphe Legierungen

• Frequenzbereich des Siliziumstahlkerns: 5 Hz ~ 1 kHz. Standardtransformatoren aus Siliziumstahl arbeiten typischerweise mit 50 Hz. Während höhere Frequenzen je nach Gauss-Wert des Siliziumstahls die Effizienz verbessern können, sind Audioanwendungen über 20 kHz unpraktisch. Der empfohlene Bereich liegt bei 50–60 Hz, obwohl sie normalerweise zwischen 50–200 Hz betrieben werden können.

• Frequenzbereich des amorphen Kerns: 2 kHz ~ 13 kHz.