Powód, dla którego transformatory wykorzystują do swoich rdzeni blachy ze stali krzemowej.

Aby zmniejszyć inny rodzaj strat żelaza — „straty prądów wirowych”. Kiedy transformator pracuje, w cewkach występuje prąd przemienny i generowany przez niego strumień magnetyczny jest oczywiście również zmienny. Ten zmieniający się strumień magnetyczny indukuje prąd w żelaznym rdzeniu. Prąd indukowany w żelaznym rdzeniu krąży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku strumienia magnetycznego, stąd nazwa prądu wirowego. Utrata prądu wirowego powoduje również nagrzewanie się żelaznego rdzenia.

Dlaczego na rdzenie transformatorów stosuje się blachy ze stali krzemowej? Jego zalety:

Typowe rdzenie transformatorów są zwykle wykonane z blach ze stali krzemowej. Stal krzemowa to rodzaj stali stopowej z krzemem (zwanej także krzemkiem), o zawartości krzemu wynoszącej 0,8-4,8%. Stal krzemowa jest stosowana na rdzenie transformatorów, ponieważ jest materiałem magnetycznym o wysokiej przenikalności. W cewce pod napięciem może wytworzyć większe natężenie indukcji magnetycznej, umożliwiając w ten sposób zmniejszenie rozmiaru transformatora.

Wiemy, że rzeczywiste transformatory zawsze działają w warunkach prądu przemiennego. Strata mocy występuje nie tylko w rezystancji cewek, ale także w żelaznym rdzeniu pod wpływem namagnesowania przez prąd przemienny. Strata mocy w żelaznym rdzeniu jest zwykle nazywana „stratą żelaza” i jest spowodowana dwoma czynnikami: „stratą histerezy” i „stratą prądu wirowego”.

Strata histerezy to utrata żelaza spowodowana zjawiskiem histerezy podczas procesu magnesowania żelaznego rdzenia. Wielkość tej straty jest wprost proporcjonalna do obszaru zamkniętego przez pętlę histerezy materiału. Stal krzemowa ma wąską pętlę histerezy, dlatego zastosowanie jej na rdzenie transformatorów powoduje mniejsze straty histerezy, znacznie zmniejszając wytwarzanie ciepła.

Skoro stal krzemowa ma powyższe zalety, dlaczego nie zastosować jako rdzenia litego bloku stali krzemowej, zamiast przetwarzać ją na arkusze?

Dzieje się tak, ponieważ laminowany rdzeń może zmniejszyć inny rodzaj strat żelaza – „straty wiroprądowe”. Kiedy transformator pracuje, w cewkach występuje prąd przemienny, a generowany przez niego strumień magnetyczny jest oczywiście również zmienny. Ten zmieniający się strumień magnetyczny indukuje prąd w żelaznym rdzeniu. Prąd indukowany w żelaznym rdzeniu krąży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku strumienia magnetycznego, stąd nazwa prądu wirowego. Utrata prądu wirowego powoduje również nagrzewanie się żelaznego rdzenia. Aby zmniejszyć straty prądów wirowych, rdzeń transformatora wykonany jest z ułożonych w stos, izolowanych od siebie arkuszy stali krzemowej. Zmusza to do przepływu prądów wirowych wąskimi, wydłużonymi ścieżkami przez mniejsze przekroje, zwiększając opór na ścieżce prądów wirowych. Jednocześnie krzem zawarty w stali zwiększa rezystywność materiału, dodatkowo zmniejszając prądy wirowe.

Rdzenie transformatorów są zwykle wykonane z walcowanych na zimno arkuszy stali krzemowej o grubości 0,35 mm. Arkusze te są cięte na prostokątne paski zgodnie z wymaganymi wymiarami rdzenia, a następnie układane w kształcie „E” lub „I”. Teoretycznie, aby zminimalizować prądy wirowe, skuteczniejsze byłyby cieńsze arkusze stali krzemowej i węższe paski. Pozwoliłoby to nie tylko zmniejszyć straty spowodowane prądami wirowymi i wzrost temperatury, ale także zaoszczędzić na materiale ze stali krzemowej. Jednak w praktyce przy wytwarzaniu rdzeni ze stali krzemowej nie można uwzględniać wyłącznie tych zalet, gdyż znacznie wydłużyłoby to czas produkcji i zmniejszyło efektywne pole przekroju poprzecznego rdzenia. Dlatego też, wykonując rdzenie transformatorów z blach ze stali krzemowej, należy wziąć pod uwagę szczególne okoliczności i rozważyć zalety i wady, aby wybrać odpowiednie wymiary.