Warum der Kern des Transformators zur Verringerung der Verluste laminiert ist

Der Kern des Transformator ist laminiert um eine bestimmte Art von Energieverschwendung zu reduzieren. In diesem Artikel erfahren Sie genau, warum das so ist. Sie erfahren, wie diese einfache Idee alles effizienter macht, vom Ladegerät Ihres Telefons bis hin zum Stromnetz. Dieser Artikel ist nicht nur für Ingenieure gedacht, sondern für jeden, der sich dafür interessiert, wie Dinge funktionieren.

Warum ist der Transformatorkern so wichtig?

Man gibt auf der einen Seite Strom ein und erhält auf der anderen Seite eine andere Spannung, ohne bewegliche Teile. Das Geheimnis ist das Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Ein Transformator hat zwei Sätze von Drähten, eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung. Sie sind um einen zentralen Eisenkern gewickelt. Wenn ein Wechselstrom (ac) durch die Primärspule fließt, erzeugt er ein wechselndes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld wird durch den Transformatorkern geleitet.

Die Aufgabe des Kerns ist es, eine Autobahn für diese magnetische Energie zu sein, die wir magnetischen Fluss nennen. Der Fluss wandert von der Primärspule zur Sekundärspule. Wenn dieser sich bewegende magnetische Fluss durch die Sekundärspule fließt, erzeugt er einen Strom in dieser Spule oder induziert ihn. Der Eisenkern ist die Brücke, die dafür sorgt, dass dies alles effizient geschieht. Für diese Brücke benötigen wir ein gutes magnetisches Material. Und das beste Material für Transformatorkerne ist eine besondere Art von Stahl. Der Eisenkern wird gewöhnlich als Transformatorkern bezeichnet. Ein guter Transformatorkern sorgt dafür, dass der größte Teil des magnetischen Flusses aus der Primärwicklung die Sekundärwicklung erreicht.

Was genau ist ein Wirbelstrom?

Nun, hier ist das Problem. Der Transformatorkern besteht aus Metall. Da Stahl selbst ein magnetisches Material und ein Leiter ist, erzeugt der wechselnde magnetische Fluss nicht nur einen Strom in der Sekundärspule. Er erzeugt auch im Eisenkern kleine Stromwirbel. Stellen Sie sich einen ruhig fließenden Fluss vor. Wenn man einen großen Stein in die Mitte legt, entstehen dahinter kleine Strudel oder Wirbel. Ein Wirbelstrom ist genau so, aber mit Elektrizität im Eisenkern.

Diese kleinen elektrischen Whirlpools sind ein großes Problem. Sie verrichten keine nützliche Arbeit. Sie drehen sich nur im Inneren des Kerns und erzeugen dabei Wärme. Diese Wärme ist verschwendete Energie. Wir nennen diese Verschwendung Wirbelstromverlust. Dieser Verlust wird vor allem durch zwei Faktoren verursacht: die Stärke des magnetischen Flusses und die Leitfähigkeit des Kernmaterials. Ein starkes Magnetfeld und ein leitfähiger Kern erzeugen einen großen Wirbelstrom. Dies führt zu einem erheblichen Temperaturanstieg im Transformator, was ineffizient ist und das Gerät sogar beschädigen kann. Diesen Leistungsverlust müssen wir bekämpfen.

Wie stoppt die Laminierung diese lästigen Wirbelströme?

Wie können wir also diese energieverschwenderischen Strudel stoppen? Hier kommt die geniale Idee des Laminierens ins Spiel. Anstelle eines massiven Metallblocks bauen wir den Kern aus einem Stapel sehr dünner Metallbleche auf. Jedes Blech ist mit einer dünnen Isolierschicht, wie einem Lack oder einer Oxidschicht, überzogen. Stellen Sie sich das vor wie ein Kartenspiel anstelle eines Holzblocks. Der magnetische Fluss kann sich dennoch problemlos über die Länge der Bleche von der Primär- zur Sekundärspule bewegen.

Die isolierenden Schichten wirken jedoch wie Barrieren. Sie machen es den Wirbelströmen sehr schwer, sich zu bilden. Ein Wirbelstrom möchte in einem großen Kreis fließen, aber die Isolierschichten zerschneiden diesen Kreis in viele winzige, unwirksame Pfade. Dieser clevere Trick reduziert den Wirbelstrom drastisch. Je dünner wir die einzelnen Schichten machen, desto kleiner ist der Pfad für einen potenziellen Wirbelstrom und desto geringer ist der Wirbelstromverlust. Die Herstellung des Eisenkerns auf diese Weise ist der Schlüssel zu einem effizienten Transformator. Auf diese Weise reduzieren wir die Wirbelströme.

Warum also nicht einfach einen massiven Eisenkern verwenden?

Sie fragen sich vielleicht: "Wäre es nicht billiger und einfacher, nur einen massiven Eisenkern zu verwenden?" Oberflächlich betrachtet, ja. Aber die Energieverschwendung wäre enorm. Ein massiver Eisenkern würde einen sehr großen Wirbelstrom durch seinen gesamten Querschnitt fließen lassen. Dies würde zu einem enormen Wirbelstromverlust führen, so dass der Transformator sehr heiß wird und viel Energie verschwendet. Die Verwendung eines massiven Kerns auf diese Weise würde den Eisenverlust stark erhöhen.

Diese Energieverschwendung oder der Eisenverlust wird durch diese Ströme verursacht. Ein massiver Kern wäre eine Katastrophe für den Wirkungsgrad. Der größte Teil der zugeführten elektrischen Energie würde in Wärme umgewandelt, anstatt an die Sekundärwicklung weitergeleitet zu werden. Die Größe des Eisenkerns müsste viel größer sein, um die Wärme zu bewältigen, was Kosten und Gewicht erhöht. Der Sinn eines Transformators besteht darin, Energie effizient zu übertragen. Ein massiver Eisenkern bewirkt genau das Gegenteil. Durch die Verwendung von Lamellen reduzieren wir den Wirbelstromfluss, ohne den magnetischen Pfad zu beeinträchtigen.

Was ist dieser spezielle Siliziumstahl, den wir für den Kern verwenden?

Die dünnen Bleche, die wir zum Laminieren verwenden, sind nicht einfach nur Stahl. Sie werden aus einer speziellen Legierung hergestellt, die Siliziumstahl. Manchmal wird er auch als Elektrostahl bezeichnet. Siliziumstahl ist eine Legierung, die durch Hinzufügen einer geringen Menge Silizium zu kohlenstoffarmem Stahl hergestellt wird. Der Zusatz von Silizium ist entscheidend. Warum ist Siliziumstahl hier der Hauptdarsteller? Weil es zwei erstaunliche magnetische Eigenschaften hat, die es perfekt für einen Transformatorkern machen.

Erstens muss das verwendete Material eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen. Zweitens braucht es einen hohen elektrischen Widerstand. Der spezifische Widerstand ist ein Maß dafür, wie sehr ein Material dem Fluss von elektrischem Strom widersteht. Normaler Stahl ist ein guter Leiter. Wenn man jedoch Siliziumstahl herstellt, erhöht der Siliziumgehalt den spezifischen Widerstand des Materials. Ein höherer Widerstand bedeutet, dass es für einen Wirbelstrom schwieriger ist, zu fließen, was den Wirbelstromverlust weiter verringert. Aus diesem Grund wird Stahl in dieser Form verwendet. Der Siliziumstahl ist das perfekte Kernmaterial. Es ist das beste magnetische Material für diese Aufgabe. Wir lieben Siliziumstahl für seine erstaunlichen Fähigkeiten. Ein Transformator aus Siliziumstahl ist viel effizienter. Die Verwendung von Siliziumstahl ist der Industriestandard. Dieser spezielle Siliziumstahl ist eine echte Neuerung.

Wie hilft Siliziumstahl dem Magnetfeld?

Wir haben darüber gesprochen, wie Siliziumstahl hilft, unerwünschte Ströme zu reduzieren. Aber seine Hauptaufgabe ist es, ein hervorragender Weg für den magnetischen Fluss zu sein. Die magische Eigenschaft, die hier zum Tragen kommt, heißt hohe magnetische Permeabilität. Die Permeabilität ist ein Maß dafür, wie leicht ein Magnetfeld in einem Material aufgebaut werden kann. Man kann sich das wie eine magnetische Willkommensmatte vorstellen. Siliziumstahl hat eine sehr hohe magnetische Permeabilität. Das bedeutet, dass er den magnetischen Fluss von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung mit sehr wenigen "Lecks" aufnimmt und leitet.

Diese Eigenschaft sorgt dafür, dass fast die gesamte von der Primärspule erzeugte magnetische Energie an die Sekundärspule abgegeben wird. Dies führt zu einer großen magnetischen Induktionsstärke. Dies macht einen Transformator so effizient bei der Übertragung von Energie. Die hohe magnetische Qualität von Siliziumstahl bedeutet, dass wir einen kleineren, leichteren und leistungsfähigeren Transformator bauen können. Der hohe Siliziumgehalt im Siliziumstahl trägt dazu bei, diese fantastischen magnetischen Bedingungen zu schaffen. Die hohe magnetische Eigenschaft von Siliziumstahl ist genau das, was wir brauchen. Diese starke magnetische Eigenschaft ist unerlässlich. Das Magnetfeld wird von Siliziumstahl perfekt gesteuert. Diese magnetische Permeabilität ist eine wichtige Leistungskennzahl. Wir brauchen eine hohe magnetische Leistung. Die magnetischen Feldlinien sind im Inneren des Siliziumstahls konzentriert.

Was ist Kernverlust und warum müssen wir ihn senken?

Wenn ein Transformator immer mit einer Wechselstromversorgung arbeitet, geht in seinem Kern immer etwas Energie verloren. Wir bezeichnen diesen Gesamtverlust als Kernverlust oder manchmal auch als Eisenverlust. Dieser Verlust im Eisenkern ist eine der Hauptursachen für die Ineffizienz von Leistungstransformatoren. Wir wollen den geringen Kernverlust zu einer Priorität machen. Dieser Leistungsverlust im Eisen wird als Wärme verschwendet.

Für den Kernverlust gibt es zwei Gründe. Der erste ist der Wirbelstromverlust, über den wir bereits gesprochen haben. Der zweite ist der Hystereseverlust. Zusammen sind sie als Hysterese- und Wirbelstromverluste bekannt. Beide zu reduzieren ist der Schlüssel zur Verbesserung der Transformatorleistung. Bei der Entwicklung besserer Kernmaterialien, wie z. B. moderner Siliziumstahl, geht es darum, ein magnetisches Material mit möglichst geringen Kernverlusten zu schaffen. Jedes Watt Energie, das hier eingespart wird, ist ein Watt, das für die Stromversorgung unserer Häuser und Geräte verwendet werden kann.

Können Sie den Hystereseverlust auf einfache Weise erklären?

Das klingt kompliziert, aber die Idee ist einfach. Ein magnetisches Material wie Siliziumstahl besteht aus winzig kleinen Bereichen, den so genannten magnetischen Domänen. Man kann sie sich als winzige Magnete vorstellen. Wenn kein Magnetfeld vorhanden ist, zeigen sie alle in beliebige Richtungen. Wenn die erregte Spule ein Magnetfeld erzeugt, richten sich diese Bereiche auf. Dieser Vorgang wird Magnetisierung genannt.

Da der Transformator mit Wechselstrom betrieben wird, schaltet der Strom ständig hin und her, 50 oder 60 Mal pro Sekunde. Das bedeutet, dass sich auch das Magnetfeld schnell umkehrt. Jedes Mal, wenn es sich umkehrt, müssen all diese winzigen magnetischen Domänen umkehren, um sich in die neue Richtung auszurichten. Das erfordert ein wenig Energie, damit sie sich umdrehen. Diese Energie geht als Wärme verloren. Dieser Verlust wird als Hystereseverlust. Siliziumstahl ist etwas Besonderes, denn er hat eine niedrige Koerzitivfeldstärke, was bedeutet, dass seine magnetischen Bereiche sehr leicht und ohne viel Energie hin- und herwechseln können. Dieser Hystereseeffekt wird minimiert. Einmal magnetisiert, müssen sie entmagnetisiert und in der entgegengesetzten Richtung wieder magnetisiert werden, und dieser Zyklus verursacht Hystereseverluste.

Wie werden diese Siliziumstahlbleche hergestellt und zusammengesetzt?

Das Verfahren zur Herstellung des Kerns ist recht fortschrittlich. Der Siliziumstahl ist zunächst eine große Metallrolle. Es gibt zwei Haupttypen: warmgewalzten Siliziumstahl und kaltgewalzten Siliziumstahl. Kaltgewalzte Siliziumstahlbleche werden heute hauptsächlich verwendet, weil sie noch bessere magnetische Eigenschaften haben. Dieser warmgewalzte Siliziumstahl wird weiterverarbeitet. Der Stahl wird dann behandelt, um die ideale Kristallstruktur zu erzeugen. Dies geschieht häufig durch ein so genanntes Glühen, bei dem das Metall erhitzt und langsam abgekühlt wird. Durch das Glühen wird der Stahl besser.

Anschließend wird das Siliziumstahlblech mit einer sehr dünnen Isolierschicht überzogen. Dies ist entscheidend für die Unterbindung von Wirbelströmen. Schließlich wird das beschichtete Siliziumstahlblech in lange Stücke geschnitten, in der Regel in der Form eines "E" und eines "I". Diese Teile werden dann einzeln aufeinander gestapelt, um den Eisenkern des Transformators zu bilden. Das Siliziumstahlblech muss sorgfältig behandelt werden. Es kommt darauf an, wie wir das Siliziumstahlblech stapeln. Je schmaler die gespleißten Stücke sind, desto besser ist der Effekt. Das fertige Siliziumstahlblech darf nur 0,35 mm dick sein. Aus diesem Grund verwenden wir ein Siliziumstahlblech. Diese spezielle Art von Siliziumstahl wird im Allgemeinen verwendet. Dieser Siliziumstahl eignet sich perfekt als Siliziumstahlblech. Das warmgewalzte Siliziummaterial ist heute weniger verbreitet.

Was ist der große Vorteil der Verwendung eines laminierten Siliziumstahlkerns?

Was haben wir also von all dieser Arbeit? Wir erhalten einen hocheffizienten Transformator. Durch die Verwendung eines laminierten Kerns aus Siliziumstahl bekämpfen wir beide Hauptquellen von Energieverlusten. Die Laminierung stoppt den Wirbelstrom, und die besonderen Eigenschaften von Siliziumstahl verringern den Hystereseverlust. Dies führt zu einem geringeren Gesamtverlust des Kerns. Diese Konstruktion hat außerdem einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, d. h. sie dehnt sich bei Temperaturschwankungen nicht zu stark aus und zieht sich nicht zusammen.

Alle oben genannten günstigen Faktoren zusammen machen moderne Transformatoren unglaublich effizient, oft über 98% oder 99%. Das bedeutet weniger Stromverschwendung, niedrigere Betriebstemperaturen und kleinere, leistungsfähigere Geräte. Die Größe des Transformators kann reduziert werden. Von den riesigen Transformatoren in Umspannwerken bis hin zu den winzigen in Ihren Geräten ist die Verwendung eines laminierten Siliziumstahlkerns ein grundlegendes Prinzip, das unsere elektrische Welt möglich macht. Es führt zu einer Verringerung der Energieverschwendung und zu einer Steigerung der Leistung. Wir reduzieren die effektiven Verluste. Die Entwicklung neuer Materialien geht weiter, aber die Grundprinzipien bleiben dieselben. Die Verwendung von Siliziumstahl ist in der Elektroindustrie weit verbreitet.