Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
Questo articolo vi racconterà la storia di Acciaio al silicio. Scoprirete perché questo specifico tipo di acciaio al silicio è la scelta numero uno per la realizzazione del cuore di ogni trasformatore.
Cominciamo con le nozioni di base. Un trasformatore ha due parti principali: un avvolgimento primario e un avvolgimento secondario. Si tratta di bobine di filo. Quando si invia una corrente elettrica attraverso la prima bobina, si crea un campo magnetico. Il compito del nucleo del trasformatore è quello di guidare il campo magnetico verso la seconda bobina. Questo processo si basa sul principio dell'induzione elettromagnetica.
Il nucleo agisce come una strada per l'energia magnetica, che chiamiamo flusso magnetico. Vogliamo che questo flusso viaggi il più possibile dall'avvolgimento primario a quello secondario. Se la strada è accidentata o presenta molte buche, perdiamo energia lungo il percorso. Ecco perché il materiale utilizzato per il nucleo di ferro è così importante. Un buon materiale per il nucleo assicura che il viaggio sia regolare ed efficiente. Il nucleo di ferro viene solitamente chiamato nucleo magnetico perché il suo compito principale è quello di trasportare l'energia magnetica.
Potreste chiedervi: "Perché non usare un semplice blocco di ferro?". Dopo tutto, l'acciaio stesso è un materiale magnetico e il ferro è economico. Il problema è che un normale nucleo di ferro spreca molta energia. Questa energia sprecata è chiamata perdita di ferro o perdita di nucleo. Questa perdita nel nucleo di ferro si trasforma in calore, che è dannoso per il trasformatore e spreca elettricità.
Questa perdita di ferro è causata da due problemi principali che si verificano all'interno del materiale del nucleo. Immaginate il flusso magnetico che scorre attraverso il nucleo. Poiché il trasformatore funziona sempre con una corrente alternata (ac), il campo magnetico si muove continuamente avanti e indietro. Questo cambiamento costante causa perdite di energia. Queste perdite significano che il trasformatore produce meno energia di quella immessa. Per contrastare questa perdita di potenza è necessario un materiale magnetico speciale.
È qui che l'acciaio al silicio viene in soccorso. L'acciaio al silicio è un materiale magnetico straordinario, utilizzato principalmente per la produzione di nuclei di trasformatori. Quali sono i suoi segreti? Innanzitutto, ha una permeabilità molto elevata. La permeabilità è la facilità con cui un materiale può essere magnetizzato. L'acciaio al silicio lascia che il flusso magnetico lo attraversi molto facilmente, come l'acqua attraverso un tubo largo e liscio.
Questa proprietà di elevata permeabilità magnetica è una delle ragioni principali per cui viene utilizzato l'acciaio al silicio. Significa che il nucleo può creare un forte percorso magnetico con uno sforzo minimo. L'ingrediente chiave, ovviamente, è il silicio. Il contenuto di silicio nell'acciaio ne modifica le proprietà magnetiche. Utilizziamo un tipo specifico di acciaio al silicio con la giusta quantità per ottenere questi ottimi risultati. Questa eccellente permeabilità magnetica è un enorme vantaggio per un trasformatore in acciaio al silicio.
Uno dei due grandi sprechi di energia si chiama isteresi. Immaginate di avere tanti piccoli magneti, chiamati domini magnetici, all'interno del nucleo di ferro. Quando il campo magnetico è attivo, sono tutti allineati. Quando il campo si inverte, tutti devono girarsi. Questo richiede energia. L'isteresi è come un attrito per questi piccoli magneti. Un materiale con un'elevata isteresi è difficile da magnetizzare e da smagnetizzare.
Questo continuo capovolgimento crea una perdita di isteresi. Abbiamo bisogno di un materiale con una bassa coercitività, il che significa che i suoi piccoli magneti possono andare avanti e indietro facilmente. L'acciaio al silicio è progettato per avere un'isteresi molto bassa. Il processo di produzione dell'acciaio al silicio aiuta i domini magnetici a muoversi liberamente. Ciò riduce l'attrito e la quantità di energia sprecata sotto forma di calore. Questa speciale proprietà è fondamentale per realizzare un trasformatore efficiente. Il modo speciale in cui l'acciaio al silicio contribuisce a ridurre questa perdita è dovuto a due fattori.
Il secondo grande spreco di energia si chiama corrente parassita. Quando il flusso magnetico variabile passa attraverso il nucleo di ferro, crea piccole pozze vorticose di corrente elettrica all'interno del metallo stesso. Ciò è dovuto all'induzione. Questi piccoli vortici sono chiamati correnti parassite. Non svolgono alcun lavoro utile. Al contrario, si limitano a riscaldare il nucleo.
Questo riscaldamento è chiamato perdita per correnti parassite. Questa perdita è causata da due ragioni, ma le correnti parassite sono una delle principali. Si pensi che la corrente prende una piega sbagliata e si perde all'interno del nucleo, creando calore invece di contribuire al trasferimento di energia. La perdita di potenza nel nucleo di ferro è un problema serio perché spreca elettricità e può causare il surriscaldamento del trasformatore. Il nucleo di ferro del trasformatore può diventare molto caldo se non si controllano le correnti.
Come fermare questi piccoli vortici di corrente? Anche in questo caso l'acciaio al silicio brilla. Il trucco consiste nel rendere più difficile il passaggio delle correnti parassite. A tal fine, è necessario aumentare la resistenza elettrica del metallo, nota anche come resistività.
L'aggiunta di silicio al ferro fa esattamente questo. Gli atomi di silicio si intralciano e rendono molto più difficile il movimento delle correnti vorticose. Una maggiore resistenza porta a una riduzione del flusso di correnti parassite, il che significa una minore dispersione di energia sotto forma di calore. Si tratta di una soluzione semplice ma molto intelligente. L'uso dell'acciaio al silicio è un ottimo modo per ridurre i problemi di correnti parassite e rendere il trasformatore molto più efficiente. È uno dei motivi principali per cui viene utilizzato l'acciaio.
Se si osserva da vicino il nucleo di un trasformatore, ci si accorge che non è un blocco solido di metallo. È costituito da molti strati sottili di lamiera di acciaio al silicio impilati insieme. Questo è chiamato laminazione. Questa è la seconda parte del piano per sconfiggere le correnti parassite.
Tagliando il nucleo di ferro in fogli sottili, interrompiamo il percorso delle correnti parassite. La laminazione agisce come una barriera. Le correnti parassite non possono attraversare il sottile strato isolante tra i fogli. Questo costringe i vortici a essere molto, molto piccoli. Piccoli vortici significano una perdita di corrente parassita molto più bassa. L'utilizzo di un nucleo solido in questo modo aumenta notevolmente le perdite. La regola è che quanto più strette sono le lamiere giuntate, tanto migliore è l'effetto. Ecco perché una singola lastra di acciaio al silicio ha spesso uno spessore di soli 0,35 mm. Questa struttura riduce in modo molto efficace le correnti parassite.
Non tutti gli acciai al silicio sono uguali. Esistono due tipi principali: l'acciaio al silicio laminato a caldo e quello laminato a freddo. I nomi descrivono il modo in cui l'acciaio viene prodotto. L'acciaio al silicio laminato a caldo viene lavorato a temperature molto elevate. È un buon materiale, ma ce n'è uno ancora migliore.
Le lamiere di acciaio al silicio laminate a freddo vengono lavorate a temperatura ambiente. Questo processo allinea i grani dell'acciaio in una direzione molto specifica. In questo modo, il flusso magnetico scorre più facilmente e l'intensità dell'induzione magnetica è elevata. Questo speciale acciaio elettrico ha proprietà magnetiche ancora migliori e una minore perdita di energia. Per i trasformatori di potenza ad alte prestazioni, il materiale utilizzato è quasi sempre l'acciaio al silicio laminato a freddo. Questo materiale avanzato per i nuclei dei trasformatori è una parte importante dei moderni sistemi elettrici.
La creazione di acciaio al silicio di alta qualità è una scienza accurata. Per rendere l'acciaio al silicio perfetto per un trasformatore, i produttori iniziano con un acciaio a basso tenore di carbonio. Poi aggiungono la giusta quantità di silicio. Un elevato contenuto di silicio aumenta la resistività, che è ottima per bloccare le correnti parassite.
Dopo aver laminato l'acciaio in fogli sottili, devono ricuocerlo. Ricottura significa riscaldare l'acciaio e poi raffreddarlo lentamente. Questo processo rimuove le tensioni dal metallo e aiuta a formare la struttura perfetta dei grani per ottenere prestazioni magnetiche sorprendenti. Questo processo accurato è il motivo per cui l'acciaio al silicio ha un basso coefficiente di espansione termica. Inoltre, garantisce al materiale una forte risposta magnetica quando viene inserito in una bobina alimentata.
Quindi, mettiamo tutto insieme. L'acciaio al silicio è la scelta migliore per il nucleo di un trasformatore perché è un campione nel ridurre le perdite di energia. Un trasformatore in acciaio al silicio ha una bassa perdita di nucleo perché risolve i due problemi principali: l'isteresi e le perdite per correnti parassite. Grazie a tutti i fattori favorevoli sopra citati, è il chiaro vincitore.
L'elevata permeabilità magnetica crea una strada agevole per il flusso magnetico. Il silicio all'interno aumenta la resistenza per bloccare le correnti parassite. Il design della laminazione interrompe ulteriormente le correnti parassite. Tutto ciò porta a prestazioni sorprendenti del trasformatore. Ciò significa che sprechiamo meno elettricità, risparmiando denaro e migliorando la salute del pianeta. Inoltre, riduce l'aumento della temperatura, contribuendo a far durare il trasformatore più a lungo. Ecco perché l'acciaio al silicio è così importante per tutti i tipi di dispositivi utilizzati nei sistemi elettrici.
Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
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