Transformator-Kernfensterfläche vs. Kernfläche: Auswahl der richtigen Proportionen

1. Schnelle Anpassung: Was wir mit Aw, Ac, Kw, Ku meinen

Hier gibt es keine lange Theorie, sondern nur Etiketten, damit wir über dieselben Dinge sprechen.

• Ac - effektiver magnetischer Querschnitt des Blechpakets, nach Stapelfaktor (netto ≈ brutto × Stapelfaktor; ~0,95 für typische Si-Stahlbleche, ~0,8 etwa dort für amorphes Metall).
• Aw - nutzbare Fensterfläche für Kupfer + Isolierung in einem Fenster.
• Ap - Bereich Produkt, Ap = Aw - Ac, die von den meisten Kernherstellern zur Bewertung der Leistungsfähigkeit verwendet wird.
• Kw - Fensterflächenfaktor, Kupferfläche / Gesamtfensterfläche.
• Ku - Fensternutzungsfaktor (wie viel des Fensters tatsächlich aus Kupfer besteht, wenn man das Isoliersystem und die Wicklungsart berücksichtigt).

Formeln auf der Leistungsebene können immer auf etwas in der Form zurückgeführt werden

Aw - Ac ∝ P / (Kw - Bmax - J - f)

für eine gewählte Flussdichte, Stromdichte, Frequenz und Auslastung.

So bekommt Ap Sie wie groß der Kern sein muss. Dieser Artikel ist über wie man das Ap zwischen Aw und Ac aufteilt wenn Sie den Laminierungsstapel bestellen oder entwerfen.

2. Warum das Verhältnis Aw/Ac wichtig ist, auch wenn Ap “richtig” ist”

Nimm zwei Lamellenstapel mit demselben Ap:

• Kern A: großer Ac, kleines Fenster
• Kern B: kleinere Ac, großzügiges Fenster

Beide erfüllen die Energiegleichung auf dem Papier. Sie werden sich nicht gleich verhalten, wenn sie gewickelt, isoliert und verschickt werden.

Ein paar Beispiele kennen Sie wahrscheinlich:

1. Magnetisierungsstrom vs. Kupferverluste
   • Erhöhen Sie Ac (bei gleichem Fluss): Der Magnetisierungsstrom sinkt, der Kernverlust pro kg verbessert sich.
   • Aber Ihr Fenster schrumpft, so dass Kupfer heißer wird oder Sie eine Drahtstärke verlieren.
2. Hochspannungsisolierung
   • Derselbe Ap, aber wenn das meiste davon Ac ist, bleibt kein Platz mehr für Barrieren, Kanalabstandshalter, axiale Abstände.
   • Kw und Ku stürzen ab, lange bevor das thermische Design zufrieden ist.
3. Mechanischer Stapel und Kosten
   • Ein größerer Ac bei gleichem Ap bedeutet oft einen dickeren Stapel oder eine breitere Zunge. Beide wollen mehr Stahl, mehr Stanztonnage, mehr Glühlast.
   • Ein größeres Aw bei gleichem Ap erfordert höhere Joche, längere Streifen und mehr Ausschuss.

Wenn Käufer uns also Zeichnungen schicken, auf denen nur “Ap ≥ X cm⁴” steht, ist das nur die halbe Wahrheit. Die Verhältnis legt fest, wie stressig das Leben für Kupfer, Isolierung und Laminierwerkzeuge sein wird.

3. Eine praktische Art, über Aw vs. Ac nachzudenken

Ein grobes gedankliches Modell, das bei Diskussionen über Laminierung und Stapelung recht gut funktioniert:

• Ac steht für den magnetischen Grenzwert (Bmax, Kernverlust, Magnetisierungsstrom).
• Aw ist für die Wärme- und Dämmgrenze (J, Wicklungstemperatur, Luftstrecken, Kriechstrecke).

Sobald Ap durch den Energiebedarf festgelegt ist, gleitet man entlang einer Reihe von Lösungen:

• Rutsche in Richtung größer Ac, kleiner Aw → Magnetik wird einfacher, Wicklung und Isolierung werden schwieriger.
• Rutsche in Richtung größer Aw, kleiner Ac → Wicklung und Isolierung entspannen sich, Magnetismus und Leerlaufverlust werden härter.

Das ist alles. Der Rest ist Ihre Entscheidung welche Seite des Problems, das Sie lieber bekämpfen würden.

4. Typische Design-“Zonen” für laminierte Stapel

Anstelle von absoluten Zahlen (die je nach Material und Häufigkeit schwanken) ist es in der Regel sinnvoller, über folgende Punkte zu sprechen Vorspannung - Designs, die eindeutig Ac oder Aw bevorzugen.

Nachstehend finden Sie eine qualitative Tabelle, die Sie in Ihre Spezifizierungsgespräche einbeziehen können.

Tabelle: Wie sich verschiedene Aw / Ac Vorspannungen in realen Transformatoren zeigen

Sie können die Tabellenzeile lesen, die Ihrer Welt entspricht, und wissen bereits, wo Sie das Verhältnis wahrscheinlich anpassen sollten.

5. Wie dies in der Praxis mit Laminierungsstapeln zusammenhängt

Bei der Laminierung lassen sich Aw und Ac in der Regel mit einigen wenigen Hebeln optimieren.

5.1 Wechseln von Ac ohne Einschlagen des Fensters

Für laminierte EI / UI Stapel:

• Stapelhöhe erhöhen Einfach, aber nur bis zu dem, was Ihre Bügelschelle und Tankhöhe zulassen.
• Änderung der Laminierungsform (z.B. von 2-stufig zu 3-stufig kreuzförmig) Dies verbessert den Kernflächenfaktor (Netto-Ac gegenüber dem umschreibenden Kreis) und nutzt die Zungenbreite besser aus.
• Besseres Material oder höhere Bmax verwenden Manchmal nimmt man ein bisschen mehr Kernverlust in Kauf, anstatt Ac zu erhöhen.

Alle drei bieten magnetischen Spielraum bei nahezu gleichem Aw.

5.2 Aw ändern, ohne Ac zu sehr zu verärgern

• Höheres Fenster Erhöhen Sie die Höhe des Fensters und passen Sie gleichzeitig die Abmessungen des Stapels oder des Jochs so an, dass Ac innerhalb des Ziels bleibt.
• Breiteres Fenster / größerer Abstand zwischen den Beinen (Kerntyp) Die Beine bewegen sich auseinander, die Fensterbreite wächst; möglicherweise müssen Sie die Zungenbreite anpassen, um Ac wiederherzustellen.
• Unterschiedliche Kernfamilien (Schale vs. Kern) Schalenförmige Kerne bieten mehr Fenster pro Ac-Einheit, allerdings auf Kosten einer komplexeren Wicklung.

Auf einer Laminierungszeichnung wird dies oft als neue Werte für angezeigt:

• Fensterhöhe / -breite
• Gliedmaßenabstände
• Zungenbreite
• Stapeldicke

Wenn Sie also mit Ihrem Laminierungslieferanten über eine Änderung verhandeln, ist es sinnvoll, ausdrücklich zu sagen, welche davon Sie zu verschieben bereit sind, und nicht nur “Ich brauche 10% mehr Aw”.

6. Schnelles Regelwerk für die Auswahl der Aw/Ac-Proportionen

Dies ist der kurze, etwas grobe Leitfaden, der sich bei B2B-Projekten bewährt hat.

Schritt 1 - Beginnen Sie mit den Verlusten, nicht mit dem Katalog Ap

1. Wählen Sie Ihr Ziel:
   • zulässiger Leerlaufverlust
   • zulässiger Lastverlust
   • Top-Öl / Wicklungstemperatur
2. Daraus wählen Sie Bmax und J mit dem Ihre Organisation einverstanden ist.

Berechnen Sie dann die Minimum Ap aus Ihrem gewohnten Rezepturset oder aus dem von Ihnen verwendeten Hochfrequenz- oder Leistungsfrequenzführer.

Erst dann die Laminierungstische öffnen.

Schritt 2 - Wählen Sie einen “Bias” auf der Grundlage des Projekts

• Kurzzeitbetrieb, Niederspannung, Hochstrom (Schweißgeräte, Elektrowerkzeuge, Ladegeräte) → es ist in Ordnung, Aw enger zu lassen und Ac nach oben zu drücken, da Kupfer klobig ist und zwischen den Zyklen abkühlt.
• Kontinuierlich arbeitender Vertrieb → näher an einem ausgewogenen Aw / Ac bleiben. Weder Kupfer noch Stahl haben einen Freifahrtschein.
• Hochspannung, viele Wicklungen, isolationslastig → akzeptiert fensterlastige Layouts. Sie zahlen in Kernkilos, aber Sie vermeiden das Umspulen in der Produktion.

Schreiben Sie diese Vorspannung in die Spezifikation. Eine Zeile ist ausreichend:

“Bevorzugen Sie eine kernlastige / ausgewogene / fensterlastige Lösung für den gegebenen Ap.”

Das erspart eine Menge Hin- und Hergeschiebe.

Schritt 3 - Prüfen Sie den Platzbedarf für das Fenster, so wie sich Ihr Geschäft tatsächlich aufwickelt

Sobald ein vorläufiges Aw bekannt ist:

1. Berechnen Sie Kw von Ihren Kupferflächen und Fensterflächen.
2. Aussteigen Ku unter Verwendung Ihres typischen Isolationssystems und der Art der Wicklung (Schicht oder zufällig).

Dann prüfen Sie die Vernunft:

• Wenn Kw unter, sagen wir, 0,25 für Niederspannungsgeräte liegt, verschwenden Sie wahrscheinlich Fenster.
• Wenn Kw über ~0,45-0,5 in einem Hochspannungsdesign liegt, werden Sie mit realen Abständen zu kämpfen haben, selbst wenn es im CAD passt.

Passen Sie Aw oder die Anzahl der Fenster an, bevor Sie etwas in Ac ändern.

Schritt 4 - Erneute Prüfung von Ac mit echtem Stapelfaktor und Toleranzen

Konstruktionsberechnungen gehen oft von einem sauberen Stapelfaktor aus. Bei realen Laminatstapeln ist das nicht der Fall.

Für jedes Kandidaten-Laminierungsset:

1. Anwenden der realistischer Stapelfaktor aus den Prüfdaten Ihres Lieferanten (variiert je nach Dicke und Beschichtung).
2. Ziehen Sie erwartete Grat-, Entgrat-, Lack- und Spannabweichungen ab.
3. Bewerten Sie Bmax bei Nennfluss neu.

Wenn Ihre “fensterlastige” Wahl die Bmax zu sehr in die Nähe des Knies drückt, dann auch nicht:

• eine Kerngröße höher gehen, oder
• Neigung zu mehr Ac, oder
• die zulässige Flussdichte zu überprüfen.

Dies zu tun vor in der Bestellung ist viel billiger, als nach der Herstellung des Werkzeugs mehr Stapelhöhe zu verlangen.

7. Sonderfälle: Hochfrequenz- und Matrixtransformatoren

Für Hochfrequenz-Laminat- oder Ferritdesigns gilt immer noch die gleiche Aw-Ac-Logik, aber die Kompromisse verschieben sich.

Papiere über Halbleitertransformatoren und Matrix-Transformatoren zeigen, dass bei festem Bmax und fester Stromdichte das Transformatorvolumen in etwa mit Ap / f skaliert, mit Volumenminima, wenn Aw und Ac in einem bestimmten Verhältnis wachsen, das Kupfer- und Kernvolumen ausgleicht.

In der Praxis:

• Der Wechsel zu sehr hohen Frequenzen führt oft zu Fenster die vorherrschende Randbedingung. Der Skin-Effekt, die Nähe und die Abstände benötigen alle zusätzlichen Raum.
• Die Laminierstapel selbst zu bandgewickelten oder geschnittenen Kernen übergehen, was die Aw- und Ac-Geometrie enger miteinander verbindet als EI-Stapel.

Auch wenn die Formeln komplizierter werden, bleibt die alte Frage bestehen:

“Willst du angesichts der Ap ein größeres Fenster und einen kleineren Kern oder umgekehrt?”

Es ist von großem Vorteil, wenn Sie diese Entscheidung frühzeitig treffen.

8. Was man eigentlich auf eine Laminierungszeichnung schreibt

Wenn Sie möchten, dass Ihr Laminierungslieferant (oder Ihre interne Stanzerei) den von Ihnen angestrebten Aw/Ac-Kompromiss erreicht, reicht es nicht aus, nur Ap und Stapelhöhe anzugeben.

Mindestens einschließen:

• Ziel Ap und Kerntyp (EI, UI, Schale, Step-Lap, gewickelt).
• Ziel Aw und Fenster-Seitenverhältnis Bereich (z. B. 2,5-3,5).
• Ziel Ac mit zulässigen ±% auf der Grundlage von Stapelfaktorprüfungen.
• Erlaubte Bandbreite für Kw bei Nennspannung (abgeleitet von Ihrem Isolationssystem).
• Welche Seite Sie im Falle eines Konflikts wechseln können:
  • “Stapel vergrößern, aber Fenster behalten”
  • oder “Fenster mehr öffnen, höhere Bmax akzeptieren”

Selbst diese wenigen zusätzlichen Linien verhindern, dass Ihr Laminatstapel auf den allgemeinen symmetrischen Punkt zurückdriftet, der möglicherweise nicht zu Ihrer tatsächlichen Wicklung und Isolierung passt.

9. FAQ