Tipi di laminazione del nucleo del trasformatore: EI, UI, step-lap e nuclei avvolti a confronto

Questo articolo riguarda la parte che tutti saltano: come la pila di laminazione scelta decide in modo silenzioso le perdite, il rumore e i problemi di produzione.

Rimarremo pratici e un po' schietti: EI, UI, step-lap e anime avvolte così come appaiono sugli ordini di acquisto reali.

1. Prima di tutto, allinearsi sui termini

Riassunto molto breve, solo per sincronizzare il vocabolario:

• Laminazioni EI - I timbri E e I sono impilati per formare nuclei di tipo a conchiglia. Il cavallo di battaglia generico da EI-26 fino a EI-240+ nella maggior parte dei cataloghi.
• Laminazioni UI - Stampi a U e a I per costruzioni di tipo core, spesso utilizzati quando l'inserimento della bobina deve essere facile e l'accesso alla finestra è importante.
• Nuclei step-lap - non una nuova forma, ma una strategia congiuntaI giunti a giogo sono tagliati e sovrapposti in diversi piccoli “passi”, invece di un unico grande testa a testa o di un semplice giro.
• Nuclei avvolti - una striscia di acciaio elettrico tagliata e avvolta in un anello chiuso, poi talvolta tagliata/aperta per l'assemblaggio. Include costruzioni trifase avvolte in 3D e varianti con acciaio amorfo o nanocristallino.

Tutto il resto di questo articolo presuppone che abbiate familiarità con la densità di flusso, la magnetostrizione e la separazione delle perdite. Passiamo quindi direttamente ai compromessi.

2. Pile di laminazione EI: il default che continua a vincere le gare d'appalto

La maggior parte dei progettisti parte dall'IE non perché sia la “migliore”, ma perché la l'ecosistema intorno all'IE è maturo:

• In tutto il mondo sono disponibili serie di dimensioni standard da circa EI-26 fino a EI-240 o più, con spessori di 0,23-0,35 mm (CRGO) e 0,35-0,50 mm (CRNGO).
• Gli utensili sono economici, le linee di stampaggio sono ovunque, i fornitori di bobine conoscono le finestre a memoria.
• Le officine di riparazione sanno come smontarli e rimontarli senza pensare.

Cosa offrono di solito gli stack EI

• Leva dei costi - semplice stampaggio, semplice impilamento. Diversi produttori sottolineano esplicitamente che i nuclei EI sono più vantaggiosi in termini di costi rispetto a costruzioni più complesse.
• Flessibilità - Un formato di laminazione può servire a più classificazioni regolando l'altezza della pila e il riempimento della finestra.
• Prestazioni ragionevoli - Con CRGO, controllo delle bave e un fattore di impilamento decente, i nuclei EI soddisfano senza problemi la maggior parte delle specifiche dei trasformatori di distribuzione e controllo.

Dove l'EI inizia a sembrare stanco

• La regione articolare è spesso giro di culo o giro semplice, Quindi, affollamento locale del flusso, perdite a vuoto più elevate e ronzio più udibile rispetto a un buon nucleo avvolto o multi-step-lap.
• Per i valori più elevati, la sezione trasversale rettangolare e gli spazi tra i giunti possono rendere più difficile spremere fino all'ultimo watt di perdita.

Cosa osservare durante l'acquisto Pile di laminazione EI

Se vi rifornite da più stabilimenti di laminazione:

• Specificare altezza della fresa e misurarlo; bave elevate distruggono il fattore di impilamento e possono aumentare la perdita locale.
• Blocco tipo di rivestimento e resistenza; La miscelazione di sistemi di isolamento T2/T4 o diversi in un'anima può modificare il comportamento interlaminare.
• Non affidatevi solo alle etichette “M3/M4/M5”, ma chiedete anche W/kg garantiti alla propria B e frequenza di prova, non solo i numeri di catalogo.

L'EI è ancora la scelta predefinita quando il vostro foglio di calcolo dei KPI è guidato da prezzo di acquisto, un'efficienza ragionevole e un facile approvvigionamento locale.

3. Pile di laminazione UI - quando la meccanica, la densità di potenza o l'assemblaggio guidano il progetto

Core dell'interfaccia utente di solito si presentano in progetti in cui il negozio di avvolgimento dice:

“Vogliamo avvolgere le bobine separatamente e poi semplicemente inserirle”.”

Questa è la storia dell'UI in una frase.

Perché le persone passano dall'IE all'IU

• Inserimento più semplice della bobina - layout di tipo core, grande finestra centrale. Ideale per alimentatori compatti, UPS, saldatori e alcuni trasformatori speciali.
• Ingombro ridotto - a parità di potenza, un gruppo UI può offrire una migliore densità di potenza e un supporto meccanico più semplice.
• Bloccaggio meno complesso - il giogo e gli arti sono più semplici da bloccare e legare.

Ma si paga in altre valute

• Per i progetti a guscio con un controllo stretto delle perdite, l'EI si comporta spesso in modo più prevedibile.
• Le posizioni dei giunti e i percorsi del flusso differiscono; se si scambia l'EI con l'UI senza ri-ottimizzare le sezioni della finestra e dell'arto, si possono avere punti caldi a sorpresa.

Dal punto di vista della laminazione, l'interfaccia utente è semplicemente un altro set di timbri, ma l'intero layout meccanico cambia. L'approvvigionamento deve pensare ad abbinare le serie UI (UI-30...UI-100 ecc.) agli utensili di avvolgimento previsti.

Se la maggior parte della produzione è ancora EI, il passaggio da una famiglia di prodotti all'UI può aumentare la complessità: utensili in più, unità di stoccaggio in più, maschere di controllo qualità separate. A volte ne vale la pena, altre volte no.

4. Nuclei step-lap - quando un metodo di giunzione inizia a contare più della forma

Lo step-lap non è una forma, è un metodo di impilamento dei giunti.

Invece di una brusca transizione dove gli arti incontrano i gioghi, si hanno diverse brevi sovrapposizioni disposte a mo' di scale. Ogni laminazione è leggermente spostata; il flusso vede un percorso più fluido.

Gli studi e i dati dei fornitori sono coerenti su alcuni punti:

• I giunti a gradini riducono perdita a vuoto rispetto ai giunti semplici a mitria o a testa in giù dello stesso acciaio, perché il flusso di picco locale nel giunto è più basso.
• Hanno anche tagliato Vibrazioni e ronzio udibile provocati dalla magnetostrizione, che aiuta a rispettare i limiti di rumore nelle installazioni urbane.
• I modelli a più passi (3-5 passi) di solito tracciano meglio delle versioni a due passi “non step-lap” utilizzate da alcuni vecchi modelli.

C'è però una novità: a parità di flusso centrale, la corrente a vuoto e il suo spettro armonico possono comportarsi in modo diverso. Un test comparativo ha mostrato una corrente a vuoto RMS inferiore per il butt-lap rispetto allo step-lap in un caso particolare, mentre il profilo armonico era effettivamente peggiore per lo step-lap.

Quindi lo step-lap non è una magia. Cambia dove e come si paga.

Impatto sui costi e sui processi

• Il taglio è più complesso: tolleranze di lunghezza ridotte e sono necessarie accurate posizioni di intaglio.
• Gli addetti all'impilamento hanno bisogno di formazione o di maschere; una sequenza errata distrugge la levigatura del flusso prevista.
• L'ottimizzazione dei rottami è più difficile per i coils di acciaio.

Da un preventivo di un fornitore di laminazione, di solito si vede gioghi a passo di marcia come voce chiara con un prezzo al kg più alto rispetto ai gioghi tagliati dritti.

Dove ha senso:

• Trasformatori di distribuzione di medie e grandi dimensioni, soprattutto quando le regole dell'efficienza energetica attribuiscono un valore monetario a ogni watt di perdita del nucleo risparmiato.
• Progetti con specifiche acustiche rigorose.

Al di sotto di una decina di kVA e con brevi ore di funzionamento annuali, il premio step-lap spesso non si ripaga; per le apparecchiature di utilità 24/7 di solito si ripaga, e rapidamente.

5. Nuclei avvolti - percorso continuo, economia diversa

Un nucleo avvolto viene costruito avvolgendo a spirale un nastro di acciaio elettrico (CRGO, amorfo o nanocristallino) in un anello chiuso, quindi tagliato, ricotto e talvolta ricongiunto. La geometria può essere rettangolare, ovale o triangolare 3D per le unità trifase.

Perché i produttori investono in attrezzature per anime avvolte:

• Percorso magnetico continuo - senza giunzioni di testa, senza spazi vuoti sovrapposti. Ciò significa picchi di flusso locali più bassi e spesso perdite del nucleo inferiori rispetto a nuclei impilati equivalenti.
• Per una determinata valutazione, è possibile raggiungere volume ridotto e peso inferiore, soprattutto con CRGO di alta qualità o acciaio amorfo.
• Buon comportamento acustico; l'assenza di giunti convenzionali riduce le fonti di vibrazione.

La tecnologia è stata ulteriormente sviluppata con Nuclei avvolti in 3D per i trasformatori trifase, con circuiti magnetici più equilibrati e perdite a vuoto e correnti di spunto ancora più basse.

Cosa frena alcune fabbriche:

• È necessario linee di avvolgimento e ricottura specializzate, il che significa investimenti e know-how dedicato.
• La riparazione e il riavvolgimento non sono così semplici come lo smontaggio delle pile EI.
• Le forme delle finestre sono meno permissive; i progetti devono rispettare ciò che le macchine avvolgitrici possono fisicamente fare.

In pratica, i nuclei avvolti dominano in:

• Molti trasformatori di distribuzione a bagno d'olio sono acquistati dalle società di servizi in base al costo totale di proprietà.
• Alcuni trasformatori di corrente e trasformatori di misura che richiedono una bassa corrente di magnetizzazione e un'elevata precisione.

Se gestite già un'attività di stampaggio con laminazione, passare alle anime avvolte è quasi un gioco industriale diverso.

6. EI vs UI vs step-lap vs ferita: confronto rapido

Ecco una visione compatta per il processo decisionale B2B. Considerate gli intervalli come tipici, non assoluti.

7. Scelta delle pile di laminazione per un progetto reale

La maggior parte delle offerte o delle specifiche interne si riducono a una manciata di fattori di progettazione:

• Potenza nominale e ciclo di lavoro
• Penalità per le perdite (spesso monetizzate)
• Limiti di rumore
• Attrezzature di produzione disponibili
• Filosofia di riparazione

Vediamo alcuni modelli comuni.

7.1 Potenza medio-bassa, sensibile ai costi, mix elevato

Piccoli trasformatori di controllo, forniture per macchine utensili, piccoli trasformatori di isolamento.

• Scelta del nucleo - L'EI si impila quasi sempre.
• Motivo: gli stampatori offrono la serie EI standard (EI-26...EI-240+), con basso costo unitario e facile approvvigionamento, e i progettisti possono mettere a punto il riempimento delle finestre in modo rapido.
• Uno sforzo supplementare va fatto per: scegliere lo spessore e il tipo di laminazione che soddisfa l'obiettivo di perdita interna senza eccedere nelle specifiche.

7.2 SKU ad alto volume, potenza moderata, produzione semistandard just-in-time

Pensate: gli stessi 3 o 4 ascolti, prodotti tutto l'anno.

Qui si comincia a vedere:

• Core dell'interfaccia utente se la velocità di inserimento della bobina e l'ergonomia dell'assemblaggio dominano.
• Nuclei EI con acciaio migliore e una buona pratica di giunzione se si vuole riutilizzare l'utensileria esistente.

L'importante è standardizzare le pile di laminazione e bloccarli nei disegni, in modo che l'approvvigionamento non inizi a mescolare pile simili di fornitori diversi con piccole differenze dimensionali o di rivestimento.

7.3 Trasformatori di utilità e distribuzione con penalità di perdita

Una volta che un'azienda elettrica o un regolatore attribuisce un costo a ogni watt di perdita a vuoto, La costruzione del nucleo si avvicina al top delle specifiche..

In questa zona si trovano normalmente uno dei seguenti elementi:

• Geometria in stile EI o UI con giunti a più fasi.
• Nuclei avvolti costruiti in CRGO o acciaio amorfo di alta qualità.

La risposta giusta dipende dalla vostra fabbrica:

• Se possedete già delle presse per timbrare, ma non una linea a nucleo avvolto, giunti a gradini sono spesso il percorso meno doloroso per ottenere numeri migliori in termini di perdita e rumore.
• Se i volumi giustificano il capex e la concorrenza si basa sull'efficienza, l'investimento in nuclei avvolti può ripagare sia in termini di perdite che di ottimizzazione dei materiali.

7.4 Progetti con requisiti acustici aggressivi

Ospedali, sottostazioni urbane ad alta densità, alcuni edifici commerciali.

• La prima mossa è di solito impilamento step-lap, un serraggio accurato e una messa a terra coerente del nucleo (messa a terra in un unico punto, senza sorprese).
• Anche le anime avvolte con acciai di qualità adeguata sono utili, ma possono essere eccessive se i limiti di rumorosità non sono estremamente severi.

8. Acquisto di pile di laminazione: piccoli dettagli che contano silenziosamente

Gli ingegneri di solito specificano il Bmax e il tipo di acciaio; gli specialisti della laminazione si occupano dei dettagli più piccoli, che fanno o fanno perdere il risultato.

Alcuni punti che vale la pena inserire nelle specifiche o nei piani di ispezione:

1. Spessore della laminazione in funzione della frequenza A 50-60 Hz, il CRGO da 0,23-0,35 mm è lo standard per i progetti ad alta efficienza; il CRNGO più spesso può essere utilizzato quando il costo è dominante. La coerenza tra le linee di prodotti aiuta a garantire prestazioni prevedibili e di magazzino.
2. Obiettivi del fattore di impilamento Specificare il sezione trasversale netta del ferro prevista rispetto al lordo. Le bave, lo spessore del rivestimento e la disciplina di impilamento influiscono su questo aspetto. Se si ignora questo aspetto, tutti i calcoli della perdita di nucleo vanno alla deriva.
3. La strategia congiunta è stata delineata Non dire semplicemente “anima CRGO EI”. Dite “anima CRGO EI con giunzioni a 5 fasi sul giogo superiore, a 3 fasi su quello inferiore” (a titolo di esempio) e allegate uno schizzo. In questo modo si risparmiano discussioni in seguito.
4. Ricottura e riduzione dello stress La lavorazione a freddo durante lo stampaggio o l'avvolgimento introduce sollecitazioni che degradano le proprietà magnetiche. Assicuratevi che il vostro fornitore di laminazione definisca cicli di ricottura, in particolare per le anime avvolte e i CRGO di alta qualità.
5. Lotti di miscelazione e fornitori Per le unità critiche, evitare di mescolare pile provenienti da lotti o fornitori diversi nello stesso nucleo; sottili differenze nell'acciaio, nel rivestimento o nelle bave possono manifestarsi sotto forma di strani punti caldi o di rumore.
6. Misurazioni, non solo certificati Se le perdite sono importanti, si consideri la possibilità di far misurare le anime rappresentative di ogni lotto per perdita a vuoto e corrente di magnetizzazione alla densità di flusso nominale, non solo fidandosi delle garanzie dell'acciaieria. Gli studi dimostrano che i metodi di giunzione e l'impilamento possono modificare il comportamento anche quando il certificato del materiale è identico.

9. FAQ: pile di laminazione dei trasformatori nelle decisioni quotidiane