Einführung in die Klassifizierung von Transformatorkernen

1. Hochfrequenzkategorie: Ferritkerne
Ferritkerne werden in Hochfrequenztransformatoren verwendet. Es handelt sich um keramische Materialien mit einer Spinell-Kristallstruktur, die aus Eisenoxid und anderen zweiwertigen Metallverbindungen (z. B. kFe₂O₄, wobei „k“ für ein anderes Metall steht) bestehen. Zu den häufig verwendeten Metallen gehören Mangan (Mn), Zink (Zn), Nickel (Ni), Magnesium (Mg) und Kupfer (Cu).

Zu den gängigen Kombinationen gehören die Mangan-Zink-Reihe (MnZn), die Nickel-Zink-Reihe (NiZn) und die Magnesium-Zink-Reihe (MgZn). Diese Materialien verfügen über hohe magnetische Permeabilitäts- und Impedanzeigenschaften, wodurch sie für Betriebsfrequenzen von 1 kHz bis über 200 kHz geeignet sind.

2. Niederfrequenzkategorie: Siliziumstahllamellen
Siliziumstahllamellen werden in Niederfrequenztransformatoren verwendet. Basierend auf den Herstellungsverfahren werden sie in zwei Typen unterteilt: A: geglüht (schwarze Bleche) und N: nicht geglüht (weiße Bleche). Basierend auf ihrer Form werden sie in EI-Typ, UI-Typ, C-Typ und quadratischer (口)-Typ kategorisiert.

In Hochleistungstransformatoren wird üblicherweise quadratischer Siliziumstahl verwendet. Es bietet eine hervorragende Isolierung, einfache Wärmeableitung und einen kurzen Magnetweg. Es wird hauptsächlich für Transformatoren mit Nennleistungen von mehr als 500–1000 W und in Hochleistungsanwendungen verwendet. Ein Satz Siliziumstahl, der durch die Kombination zweier C-Typ-Bleche gebildet wird, wird als CD-Typ bezeichnet. Bei Leistungstransformatoren mit CD-Lamellen ermöglicht eine größere Fensterhöhe bei identischen Querschnittsflächenbedingungen eine höhere Leistungskapazität.

Bei steigender Transformatorleistung können Spulen separat auf beiden Seiten des Kerns eingebaut werden. Dadurch kann die Gesamtzahl der Windungen auf zwei Wicklungsspulen verteilt werden, wodurch die durchschnittliche Windungslänge pro Spule reduziert und die Kupferverluste verringert werden. Wenn außerdem zwei symmetrische Spulen auf separate Spulen gewickelt werden, kann eine perfekte Symmetrie erreicht werden. Ein aus vier C-Typ-Blättern bestehender Satz wird als ED-Typ bezeichnet. Transformatoren aus ED-Lamellen haben ein flaches, breites Profil; Bei gleicher Nennleistung sind ED-Transformatoren kürzer, aber breiter als CD-Transformatoren. Da die Spulen darüber hinaus in der Mitte der Lamellen mit einem externen Magnetpfad montiert sind, wird der Streufluss minimiert, was insgesamt zu einer geringeren elektromagnetischen Interferenz führt. Da jedoch alle Spulen auf einem einzigen dicken Spulenkörper gewickelt sind, ist die durchschnittliche Windungslänge länger, was zu höheren Kupferverlusten führt.

C-Typ-Kerne bieten eine überragende Leistung, was zu kompakten, leichten und hocheffizienten Transformatoren führt. Aus Montagesicht erfordern C-Typ-Laminierungen weniger Teile und bieten große Vielseitigkeit, was zu einer hohen Produktionseffizienz führt. Allerdings erfordern Laminierungen vom Typ C zahlreiche Verarbeitungsschritte und komplexe Herstellungsverfahren, die spezielle Geräte erfordern, wodurch ihre aktuellen Kosten relativ hoch sind.

E-Typ-Siliziumstahl, auch bekannt als Shell-Type- oder japanische Standardlaminierung (日型), hat den Hauptvorteil, dass sowohl Primär- als auch Sekundärwicklungen auf einem einzigen gemeinsamen Spulenkörper untergebracht sind, wodurch ein hoher Fensterraumfaktor (Km: das Verhältnis der Nettoquerschnittsfläche des Kupferdrahts zur Fensterfläche) erreicht wird. Die Lamellen bilden eine schützende Hülle um die Wicklungen und verhindern so mechanische Beschädigungen. Gleichzeitig ermöglicht die große Oberfläche eine bessere Wärmeableitung und die Abweichung des Magnetfelds ist minimal. Allerdings weist es eine höhere Primär-zu-Sekundär-Streuinduktivität und eine größere Anfälligkeit für externe magnetische Störungen auf. Darüber hinaus benötigen EI-Kerntransformatoren aufgrund des längeren durchschnittlichen Wicklungsumfangs mehr Kupferdraht für die gleiche Windungszahl und Kernquerschnittsfläche.

Übliche Dicken für Siliziumstahlbleche sind 0,35 mm und 0,5 mm.

Es gibt zwei Hauptmontagemethoden für Siliziumstahllaminierungen: Verschachtelung und Stoßstapelung. Bei der Verschachtelung werden die offenen Enden der Lamellen nacheinander auf gegenüberliegenden Seiten abgewechselt. Obwohl diese Methode arbeitsintensiv ist, minimiert sie die Luftspalte zwischen den Lamellen und verringert den magnetischen Widerstand, was zur Erhöhung des Magnetflusses beiträgt. Daher wird es häufig in Leistungstransformatoren eingesetzt. Butt-Stacking wird typischerweise in Anwendungen verwendet, in denen Gleichstrom fließt. Um eine durch den Gleichstrom verursachte Sättigung zu verhindern, muss zwischen den Lamellen ein Luftspalt eingehalten werden. Bei dieser Methode werden E-Stücke und I-Stücke auf gegenüberliegenden Seiten platziert und der Abstand zwischen ihnen kann mithilfe von Unterlegscheiben aus Papier angepasst werden.

3. Spulenkernkategorie: Drei Haupttypen

A. Ringkern : Gebildet durch Stapeln von O-förmigen Lamellen oder durch Aufwickeln von Siliziumstahlstreifen. Das Wickeln von Spulen auf einen solchen Kern ist eine große Herausforderung.
B. Stabkern .
C. Trommelkern.