Introduzione alle classificazioni dei nuclei dei trasformatori

1. Categoria ad alta frequenza: nuclei di ferrite
I nuclei di ferrite vengono utilizzati nei trasformatori ad alta frequenza. Sono materiali ceramici con struttura cristallina a spinello, composti da ossido di ferro e altri composti metallici bivalenti (ad esempio kFe₂O₄, dove 'k' rappresenta un altro metallo). I metalli comunemente usati includono manganese (Mn), zinco (Zn), nichel (Ni), magnesio (Mg) e rame (Cu).

Le combinazioni comuni includono la serie Manganese-Zinco (MnZn), la serie Nichel-Zinco (NiZn) e la serie Magnesio-Zinco (MgZn). Questi materiali possiedono elevate caratteristiche di permeabilità magnetica e impedenza, che li rendono adatti per frequenze operative che vanno da 1 kHz a oltre 200 kHz.

2. Categoria a bassa frequenza: lamierini in acciaio al silicio I
lamierini in acciaio al silicio vengono utilizzati nei trasformatori a bassa frequenza. In base ai processi produttivi si dividono in due tipologie: A: Ricotti (lamiere nere) e N: Non ricotti (lamiere bianche). In base alla loro forma, sono classificati in tipo EI, tipo UI, tipo C e tipo Quadrato (口).

L'acciaio al silicio di tipo quadrato è comunemente utilizzato nei trasformatori ad alta potenza. Offre un eccellente isolamento, una facile dissipazione del calore e un breve percorso magnetico. Viene utilizzato principalmente per trasformatori con potenze nominali superiori a 500–1000 W e in applicazioni ad alta potenza. Un insieme di acciaio al silicio formato combinando due fogli di tipo C è chiamato tipo CD. Per i trasformatori di potenza realizzati con lamierini di tipo CD, in condizioni di sezione trasversale identiche, un'altezza della finestra maggiore consente una maggiore capacità di potenza.

All'aumentare della potenza del trasformatore, le bobine possono essere installate separatamente su entrambi i lati del nucleo. Ciò consente di distribuire il numero totale di spire su due bobine di avvolgimento, riducendo così la lunghezza media delle spire per bobina e diminuendo le perdite di rame. Inoltre, se due bobine simmetriche vengono avvolte su bobine separate, è possibile ottenere una simmetria perfetta. Un set formato da quattro fogli di tipo C è detto di tipo ED. I trasformatori realizzati con lamierini di tipo ED hanno un profilo piatto e largo; a parità di potenza, i trasformatori di tipo ED sono più corti ma più larghi di quelli di tipo CD. Inoltre, poiché le bobine sono montate al centro dei lamierini con un percorso magnetico esterno, il flusso di dispersione è ridotto al minimo, con conseguente minore interferenza elettromagnetica complessiva. Tuttavia, poiché tutte le bobine sono avvolte su un’unica bobina spessa, la lunghezza media della spira è più lunga, con conseguenti maggiori perdite di rame.

I nuclei di tipo C offrono prestazioni superiori, risultando in trasformatori compatti, leggeri e altamente efficienti. Dal punto di vista dell’assemblaggio, le laminazioni di tipo C richiedono meno parti e offrono una forte versatilità, portando ad un’elevata efficienza produttiva. Tuttavia, i laminati di tipo C comportano numerose fasi di lavorazione e procedure di produzione complesse che richiedono attrezzature specializzate, il che rende i loro costi attuali relativamente elevati.

L'acciaio al silicio di tipo E, noto anche come laminazione a guscio o standard giapponese (日型), ha il vantaggio principale di alloggiare sia gli avvolgimenti primari che quelli secondari su un'unica bobina comune, ottenendo un elevato fattore di spazio finestra (Km: il rapporto tra l'area della sezione trasversale netta del filo di rame e l'area della finestra). Le laminazioni formano un guscio protettivo attorno agli avvolgimenti, prevenendo danni meccanici. Nel frattempo, l’ampia superficie facilita una migliore dissipazione del calore e la divergenza del campo magnetico è minima. Tuttavia, soffre di una maggiore induttanza di dispersione dal primario al secondario e di una maggiore suscettibilità alle interferenze magnetiche esterne. Inoltre, a causa del perimetro medio più lungo degli avvolgimenti, i trasformatori con nucleo di tipo EI richiedono più filo di rame per lo stesso numero di spire e area della sezione trasversale del nucleo.

Gli spessori comuni per i laminati di acciaio al silicio sono 0,35 mm e 0,5 mm.

Esistono due metodi principali di assemblaggio per i laminati di acciaio al silicio: interleaving e butt-stacking. L'interleaving comporta l'alternanza delle estremità aperte delle lamine sui lati opposti una per una. Sebbene questo metodo sia ad alta intensità di manodopera, minimizza i traferri tra le laminazioni e riduce la riluttanza magnetica, il che aiuta ad aumentare il flusso magnetico; pertanto, è ampiamente adottato nei trasformatori di potenza. L'impilamento di testa viene generalmente utilizzato in applicazioni che trasportano corrente continua. Per evitare la saturazione causata dalla corrente continua, è necessario mantenere un traferro tra le lamierini. In questo metodo, i pezzi a E e i pezzi a I vengono posizionati su lati opposti e lo spazio tra loro può essere regolato utilizzando spessori di carta.

3. Categoria del nucleo della bobina: tre tipi principali

A. Nucleo toroidale : formato impilando lamierini a forma di O o avvolgendo nastri di acciaio al silicio. Avvolgere le bobine su questo tipo di nucleo è piuttosto impegnativo.
B. Nucleo dell'asta .
C. Nucleo del tamburo.