Warum ist Siliziumstahl die geheime Zutat in einem Transformatorkern?

Dieser Artikel erzählt Ihnen die Geschichte von Siliziumstahl. Sie werden erfahren, warum diese spezielle Art von Siliziumstahl die erste Wahl für die Herstellung des Herzstücks eines jeden Transformators ist.

Was genau ist ein Transformatorkern?

Beginnen wir mit den Grundlagen. Ein Transformator besteht aus zwei Hauptteilen: einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung. Das sind einfach Spulen aus Draht. Wenn du einen elektrischen Strom durch die erste Spule schickst, erzeugt sie ein Magnetfeld. Die Aufgabe des Transformatorkerns besteht darin, dieses Magnetfeld auf die zweite Spule zu leiten. Dieser Vorgang beruht auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Der Kern wirkt wie eine Straße für die magnetische Energie, die wir als magnetischen Fluss bezeichnen. Wir wollen, dass so viel von diesem Fluss wie möglich von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung gelangt. Wenn die Straße holprig ist oder viele Löcher hat, verlieren wir auf dem Weg Energie. Deshalb ist das Material, das wir für den Eisenkern verwenden, so wichtig. Ein gutes Kernmaterial sorgt dafür, dass die Reise reibungslos und effizient verläuft. Der Eisenkern wird gewöhnlich als Magnetkern bezeichnet, weil seine Hauptaufgabe darin besteht, die magnetische Energie zu transportieren.

Warum können wir nicht einfach normales Eisen für den Kern verwenden?

Sie fragen sich vielleicht: "Warum nicht einfach einen Eisenblock verwenden?" Schließlich ist Stahl selbst ein magnetisches Material und Eisen ist billig. Das Problem ist, dass ein normaler Eisenkern eine Menge Energie vergeudet. Diese verschwendete Energie wird als Eisenverlust oder Kernverlust bezeichnet. Dieser Verlust im Eisenkern verwandelt sich in Wärme, was schlecht für den Transformator ist und Strom verschwendet.

Dieser Eisenverlust wird durch zwei Hauptprobleme verursacht, die im Inneren des Kernmaterials auftreten. Stellen Sie sich den magnetischen Fluss vor, der durch den Kern fließt. Da der Transformator immer mit Wechselstrom (ac) arbeitet, dreht sich das Magnetfeld ständig hin und her. Dieser ständige Wechsel verursacht Energieverluste. Diese Verluste bedeuten, dass man weniger Leistung aus dem Transformator herausbekommt, als man hineinsteckt. Wir brauchen ein spezielles magnetisches Material, um diesen Energieverlust auszugleichen.

Was macht Siliziumstahl so besonders?

Hier kommt Siliziumstahl zur Rettung. Siliziumstahl ist ein erstaunliches magnetisches Material, das hauptsächlich für die Herstellung von Transformatorenkernen verwendet wird. Was sind also seine Geheimnisse? Erstens hat er eine sehr hohe Permeabilität. Die Permeabilität gibt an, wie leicht ein Material magnetisiert werden kann. Siliziumstahl lässt den magnetischen Fluss sehr leicht hindurchfließen, wie Wasser durch ein breites, glattes Rohr.

Diese Eigenschaft der hohen magnetischen Permeabilität ist einer der wichtigsten Gründe für die Verwendung von Siliziumstahl. Sie bedeutet, dass der Kern mit sehr geringem Aufwand einen starken magnetischen Pfad erzeugen kann. Der Hauptbestandteil ist natürlich Silizium. Der Siliziumgehalt des Stahls verändert seine magnetischen Eigenschaften. Wir verwenden eine bestimmte Art von Siliziumstahl mit genau der richtigen Menge, um diese hervorragenden Ergebnisse zu erzielen. Diese hervorragende magnetische Permeabilität ist ein großer Vorteil für einen Transformator aus Siliziumstahl.

Wie wirkt Siliziumstahl dem Hystereseverlust entgegen?

Einer der beiden großen Energieverschwender ist die sogenannte Hysterese. Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Menge winziger Magnete, die sogenannten magnetischen Domänen, im Inneren des Eisenkerns. Wenn das Magnetfeld eingeschaltet ist, stehen sie alle in einer Reihe. Wenn sich das Feld umkehrt, müssen sie sich alle umdrehen. Das kostet Energie. Hysterese ist wie Reibung für diese winzigen Magnete. Ein Material mit hoher Hysterese ist schwer zu magnetisieren und schwer zu entmagnetisieren.

Dieses ständige Umklappen führt zu Hystereseverlusten. Wir brauchen ein Material mit geringer Koerzitivfeldstärke, d. h. seine winzigen Magnete können leicht hin und her kippen. Siliziumstahl ist so konzipiert, dass er eine sehr geringe Hysterese aufweist. Das Verfahren zur Herstellung von Siliziumstahl sorgt dafür, dass sich die magnetischen Domänen frei bewegen können. Dadurch wird die Reibung verringert und weniger Energie in Form von Wärme verschwendet. Diese besondere Eigenschaft ist entscheidend für die Herstellung eines effizienten Transformators. Die besondere Art und Weise, in der Siliziumstahl hergestellt wird, trägt zur Verringerung dieses Verlustes bei und wird durch zwei Faktoren verursacht.

Was sind Wirbelströme und warum sind sie ein Problem?

Der zweite große Energieverschwender ist der sogenannte Wirbelstrom. Wenn der sich ändernde magnetische Fluss durch den Eisenkern fließt, erzeugt er kleine, wirbelnde Pools von elektrischem Strom im Metall selbst. Der Grund dafür ist die Induktion. Diese kleinen Strudel werden Wirbelströme genannt. Sie verrichten keine nützliche Arbeit. Stattdessen erwärmen sie nur den Kern.

Diese Erwärmung wird als Wirbelstromverlust bezeichnet. Für diesen Verlust gibt es zwei Ursachen, aber die Wirbelströme sind eine der wichtigsten. Man muss sich das so vorstellen, dass der Strom eine falsche Abzweigung nimmt und im Kern verloren geht, wobei er Wärme erzeugt, anstatt die Leistung zu übertragen. Der Leistungsverlust im Eisenkern ist ein ernstes Problem, da er Strom verschwendet und zur Überhitzung des Transformators führen kann. Der Eisenkern des Transformators kann sehr heiß werden, wenn wir diese Ströme nicht kontrollieren.

Wie reduziert Siliziumstahl die unangenehmen Wirbelströme?

Wie können wir also diese kleinen Strudel der Strömung stoppen? Dies ist ein weiterer Bereich, in dem Siliziumstahl glänzt. Der Trick besteht darin, das Fließen des Wirbelstroms zu erschweren. Das erreichen wir, indem wir den elektrischen Widerstand des Metalls erhöhen, auch bekannt als sein spezifischer Widerstand.

Der Zusatz von Silizium zum Eisen bewirkt genau das. Die Siliziumatome kommen sich in die Quere und machen es den Wirbelströmen viel schwerer, sich zu bewegen. Ein höherer Widerstand führt zu einem geringeren Wirbelstromfluss, was bedeutet, dass weniger Energie als Wärme verschwendet wird. Dies ist eine einfache, aber sehr clevere Lösung. Die Verwendung von Siliziumstahl ist eine hervorragende Möglichkeit, Wirbelstromprobleme zu verringern und den Transformator wesentlich effizienter zu machen. Dies ist einer der Hauptgründe, warum Stahl verwendet wird.

Warum besteht der Transformatorkern aus dünnen Blechen?

Wenn Sie sich einen Transformatorkern einmal genau ansehen, werden Sie feststellen, dass er nicht aus einem massiven Metallblock besteht. Er besteht aus vielen dünnen Schichten aus Siliziumstahlblech, die aufeinander gestapelt sind. Dies wird als Lamellierung. Dies ist der zweite Teil des Plans zur Bekämpfung des Wirbelstroms.

Indem wir den Eisenkern in dünne Bleche schneiden, unterbrechen wir den Weg für die Wirbelströme. Eine Lamelle wirkt wie eine Barriere. Der Wirbelstrom kann nicht durch die dünne Isolierschicht zwischen den Blechen fließen. Dies führt dazu, dass die Wirbel sehr, sehr klein sind. Kleine Whirlpools bedeuten viel geringere Wirbelstromverluste. Die Verwendung eines massiven Kerns auf diese Weise erhöht die Verluste erheblich. Die Regel lautet: Je schmaler die gespleißten Bleche sind, desto besser ist der Effekt. Deshalb ist ein einzelnes Siliziumstahlblech oft nur 0,35 mm dick. Diese Struktur reduziert den Wirbelstrom sehr effektiv.

Was ist der Unterschied zwischen warmgewalztem und kaltgewalztem Siliziumstahl?

Siliziumstahl ist nicht gleich Siliziumstahl. Es gibt zwei Haupttypen: warmgewalztes Silizium und kaltgewalztes Stahl. Die Namen beschreiben, wie der Stahl hergestellt wird. Warmgewalzter Siliziumstahl wird bei einer sehr hohen Temperatur verarbeitet. Es ist ein gutes Material, aber es gibt ein noch besseres.

Kaltgewalzte Siliziumstahlbleche werden bei Raumtemperatur verarbeitet. Bei diesem Verfahren werden die Körner des Stahls in einer ganz bestimmten Richtung ausgerichtet. Dadurch kann der magnetische Fluss noch besser fließen, was zu einer hohen magnetischen Induktionsstärke führt. Dieses spezielle Elektroband hat noch bessere magnetische Eigenschaften und geringere Energieverluste. Für leistungsstarke Leistungstransformatoren wird fast immer kaltgewalzter Siliziumstahl verwendet. Dieses fortschrittliche Material für Transformatorenkerne ist ein wichtiger Bestandteil moderner elektrischer Systeme.

Wie wird Siliziumstahl so gut?

Die Herstellung von hochwertigem Siliziumstahl ist eine sorgfältige Wissenschaft. Um Siliziumstahl perfekt für einen Transformator zu machen, beginnen die Hersteller mit Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Dann fügen sie die richtige Menge an Silizium hinzu. Ein hoher Siliziumgehalt erhöht den spezifischen Widerstand, der sich hervorragend zur Unterbrechung von Wirbelströmen eignet.

Nachdem der Stahl zu dünnen Blechen gewalzt wurde, muss er geglüht werden. Glühen bedeutet, dass der Stahl erhitzt und dann langsam abgekühlt wird. Durch dieses Verfahren werden Spannungen aus dem Metall entfernt, und es bildet sich die perfekte Kornstruktur für eine erstaunliche magnetische Leistung. Dieser sorgfältige Prozess ist der Grund, warum Siliziumstahl einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Es sorgt auch dafür, dass das Material eine starke magnetische Reaktion zeigt, wenn es in eine erregte Spule eingesetzt wird.

Alles auf einen Blick: Warum ist die Verwendung von Siliziumstahl die beste Wahl?

Fassen wir also alles zusammen. Die Verwendung von Siliziumstahl ist die beste Wahl für einen Transformatorkern, denn er ist ein Meister in der Reduzierung von Energieverlusten. Ein Transformator aus Siliziumstahl hat geringe Kernverluste, weil er die beiden größten Probleme löst: Hysterese- und Wirbelstromverluste. Aufgrund all dieser günstigen Faktoren ist Siliziumstahl der klare Gewinner.

Seine hohe magnetische Permeabilität schafft einen reibungslosen Weg für den magnetischen Fluss. Das Silizium im Inneren erhöht den Widerstand, um unnötige Wirbelströme zu verhindern. Das Laminatdesign bricht die Wirbelströme noch mehr auf. Dies führt zu einer erstaunlichen Transformatorleistung. Es bedeutet, dass wir weniger Strom verschwenden, was Geld spart und besser für unseren Planeten ist. Außerdem wird der Temperaturanstieg reduziert, was zu einer längeren Lebensdauer des Transformators beiträgt. Deshalb ist Siliziumstahl so wichtig für alle Arten von Geräten, die in elektrischen Energiesystemen verwendet werden.