Der Grund, warum Transformatoren Siliziumstahlbleche für ihre Kerne verwenden.

Um eine andere Art von Eisenverlust zu reduzieren – „Wirbelstromverluste“. Wenn ein Transformator in Betrieb ist, fließt Wechselstrom in den Spulen, und der magnetische Fluss, den er erzeugt, ist natürlich ebenfalls Wechselstrom. Dieser sich ändernde magnetische Fluss induziert einen Strom im Eisenkern. Der induzierte Strom im Eisenkern zirkuliert in einer Ebene senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses, daher der Name Wirbelstrom. Wirbelstromverluste führen außerdem zu einer Erwärmung des Eisenkerns.

Warum werden Siliziumstahlbleche für Transformatorkerne verwendet? Seine Vorteile:

Übliche Transformatorkerne bestehen im Allgemeinen aus Siliziumstahlblechen. Siliziumstahl ist eine mit Silizium legierte Stahlsorte (auch Silizid genannt) mit einem Siliziumgehalt von 0,8–4,8 %. Für Transformatorkerne wird Siliziumstahl verwendet, da es sich um ein hochpermeables magnetisches Material handelt. In einer erregten Spule kann eine größere magnetische Induktionsintensität erzeugt werden, wodurch die Größe des Transformators verringert werden kann.

Wir wissen, dass echte Transformatoren immer unter Wechselstrombedingungen arbeiten. Leistungsverlust entsteht nicht nur im Widerstand der Spulen, sondern auch im Eisenkern bei Magnetisierung durch Wechselstrom. Der Leistungsverlust im Eisenkern wird üblicherweise „Eisenverlust“ genannt und wird durch zwei Faktoren verursacht: „Hystereseverlust“ und „Wirbelstromverlust“.

Der Hystereseverlust ist der Eisenverlust, der durch das Hysteresephänomen während des Magnetisierungsprozesses des Eisenkerns verursacht wird. Die Größe dieses Verlusts ist direkt proportional zur Fläche, die von der Hystereseschleife des Materials umschlossen wird. Siliziumstahl hat eine schmale Hystereseschleife, so dass seine Verwendung für Transformatorkerne zu weniger Hystereseverlusten führt und die Wärmeentwicklung deutlich reduziert.

Da Siliziumstahl die oben genannten Vorteile bietet, warum nicht einen massiven Block Siliziumstahl für den Kern verwenden, anstatt ihn zu Blechen zu verarbeiten?

Dies liegt daran, dass der laminierte Kern eine andere Art von Eisenverlust reduzieren kann – den „Wirbelstromverlust“. Wenn ein Transformator in Betrieb ist, fließt Wechselstrom in den Spulen, und der magnetische Fluss, den er erzeugt, ist natürlich ebenfalls Wechselstrom. Dieser sich ändernde magnetische Fluss induziert einen Strom im Eisenkern. Der induzierte Strom im Eisenkern zirkuliert in einer Ebene senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses, daher der Name Wirbelstrom. Wirbelstromverluste führen außerdem zu einer Erwärmung des Eisenkerns. Um Wirbelstromverluste zu reduzieren, besteht der Transformatorkern aus gestapelten, voneinander isolierten Siliziumstahlblechen. Dies zwingt die Wirbelströme dazu, in schmalen, länglichen Bahnen durch kleinere Querschnitte zu fließen, wodurch der Widerstand im Wirbelstrompfad erhöht wird. Gleichzeitig erhöht das Silizium im Stahl den spezifischen Widerstand des Materials, wodurch Wirbelströme weiter reduziert werden.

Transformatorkerne bestehen typischerweise aus 0,35 mm dicken kaltgewalzten Siliziumstahlblechen. Diese Bleche werden entsprechend den erforderlichen Kernabmessungen in rechteckige Streifen geschnitten und dann in „E“- oder „I“-Form gestapelt. Um Wirbelströme zu minimieren, wären theoretisch dünnere Siliziumstahlbleche und schmalere Bänder wirksamer. Dies würde nicht nur Wirbelstromverluste und Temperaturanstiege reduzieren, sondern auch Siliziumstahlmaterial einsparen. Allerdings kann man bei der Herstellung von Siliziumstahlkernen in der Praxis diese Vorteile nicht ausschließlich berücksichtigen, da dies die Herstellungszeit erheblich verlängern und die effektive Querschnittsfläche des Kerns verringern würde. Daher müssen bei der Herstellung von Transformatorkernen aus Siliziumstahlblechen die spezifischen Umstände berücksichtigt und Vor- und Nachteile abgewogen werden, um die geeigneten Abmessungen auszuwählen.