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.
Il nucleo del trasformatore è laminato per ridurre uno specifico tipo di spreco energetico. Questo articolo vi spiegherà esattamente il motivo di questa scelta. Imparerete come questa semplice idea renda più efficiente qualsiasi cosa, dal caricabatterie del vostro telefono alla rete elettrica. Non è solo per gli ingegneri, ma per chiunque sia curioso di sapere come funzionano le cose.
Si inserisce l'elettricità da un lato e si ottiene una tensione diversa dall'altro, senza parti in movimento. Il segreto è il principio dell'induzione elettromagnetica. Un trasformatore ha due serie di fili, un avvolgimento primario e uno secondario. Sono avvolti intorno a un nucleo centrale di ferro. Quando una corrente alternata (ac) attraversa la bobina primaria, crea un campo magnetico variabile. Questo campo magnetico viene guidato attraverso il nucleo del trasformatore.
Il compito del nucleo è quello di essere una superstrada per questa energia magnetica, che chiamiamo flusso magnetico. Il flusso viaggia dalla bobina primaria alla bobina secondaria. Quando questo flusso magnetico in movimento passa attraverso l'avvolgimento secondario, crea, o induce, una corrente in quella bobina. Il nucleo di ferro è il ponte che fa sì che tutto questo avvenga in modo efficiente. Per questo ponte è necessario un buon materiale magnetico. Il materiale migliore per i nuclei dei trasformatori è un tipo speciale di acciaio. Il nucleo di ferro viene solitamente chiamato nucleo del trasformatore. Un buon nucleo di trasformatore garantisce che la maggior parte del flusso magnetico dall'avvolgimento primario raggiunga l'avvolgimento secondario.
Ecco il problema. Il nucleo del trasformatore è fatto di metallo. Poiché l'acciaio stesso è un materiale magnetico e un conduttore, il flusso magnetico che cambia non crea solo una corrente nella bobina secondaria. Anche nel nucleo di ferro crea piccoli vortici di corrente. Immaginate un fiume che scorre tranquillo. Se mettete un grosso sasso al centro, dietro di esso si formano dei piccoli vortici, o gorghi. Una corrente parassita è proprio così, ma con l'elettricità all'interno del nucleo di ferro.
Questi piccoli vortici elettrici sono un grosso problema. Non svolgono alcun lavoro utile. Si limitano a girare all'interno del nucleo, generando calore. Questo calore è energia sprecata. Questo spreco si chiama perdita di corrente parassita. Questa perdita è causata da due fattori principali: la forza del flusso magnetico e la facilità con cui il materiale del nucleo conduce l'elettricità. Un forte campo magnetico e un nucleo conduttivo creano una grande corrente parassita. Questo porta a un aumento significativo della temperatura nel trasformatore, che è inefficiente e può persino danneggiare il dispositivo. Questa perdita di potenza è un problema che dobbiamo combattere.
Quindi, come possiamo fermare questi vortici che sprecano energia? Qui entra in gioco la brillante idea della laminazione. Invece di un blocco solido di metallo, costruiamo il nucleo da una pila di fogli di metallo molto sottili. Ogni foglio è rivestito da un sottile strato di isolamento, come una vernice o uno strato di ossido. Pensate a un mazzo di carte invece che a un blocco di legno. Il flusso magnetico può comunque viaggiare facilmente lungo la lunghezza dei fogli, dal primario alla bobina secondaria.
Tuttavia, gli strati isolanti fungono da barriera. Rendono molto difficile la formazione di vortici di correnti parassite. Una corrente parassita vuole fluire in un ampio cerchio, ma gli strati isolanti lo spezzettano in tanti piccoli percorsi inefficaci. Questo ingegnoso trucco riduce drasticamente le correnti parassite. Più sottile è ogni laminazione, più piccolo è il percorso di ogni potenziale corrente parassita e minore è la perdita di corrente parassita. La realizzazione del nucleo di ferro in questo modo è la chiave per un trasformatore efficiente. Ecco come ridurre le correnti parassite.
Potreste chiedervi: "Non sarebbe più economico e più facile usare un solo nucleo di ferro solido?". In apparenza, sì. Ma lo spreco di energia sarebbe enorme. Un nucleo di ferro solido permetterebbe a una corrente parassita molto grande di fluire attraverso la sua intera sezione trasversale. Questo causerebbe un'enorme perdita di corrente parassita, rendendo il trasformatore molto caldo e sprecando molta energia. L'utilizzo di un nucleo solido in questo modo aumenterà notevolmente la perdita di ferro.
L'energia sprecata, o perdita di ferro, è causata da queste correnti. Un nucleo solido sarebbe un disastro per l'efficienza. La maggior parte dell'energia elettrica in ingresso verrebbe convertita in calore invece di essere trasferita all'avvolgimento secondario. Le dimensioni del nucleo di ferro dovrebbero essere molto più grandi per gestire il calore, con un aumento dei costi e del peso. Lo scopo di un trasformatore è quello di trasferire l'energia in modo efficiente. Un nucleo di ferro solido fa esattamente il contrario. Utilizzando la laminazione, riduciamo il flusso di correnti parassite senza danneggiare il percorso magnetico.
Le lamiere sottili che utilizziamo per la laminazione non sono acciaio qualsiasi. Sono realizzate con una lega speciale chiamata acciaio al silicio. A volte è chiamato anche acciaio elettrico. L'acciaio al silicio è un tipo di lega ottenuta aggiungendo una piccola quantità di silicio all'acciaio a basso tenore di carbonio. L'aggiunta di silicio è fondamentale. Perché l'acciaio al silicio è il protagonista? Perché ha due straordinarie proprietà magnetiche che lo rendono perfetto per il nucleo di un trasformatore.
In primo luogo, il materiale utilizzato deve avere un'elevata permeabilità magnetica. In secondo luogo, deve avere un'elevata resistività elettrica. La resistività è una misura della resistenza di un materiale al flusso di corrente elettrica. L'acciaio normale è un discreto conduttore. Ma quando si produce acciaio al silicio, il contenuto di silicio aumenta la resistività del materiale. Una resistività più alta significa che è più difficile far scorrere una corrente parassita, il che riduce ulteriormente la perdita di corrente parassita. Ecco perché l'acciaio viene utilizzato in questa forma. L'acciaio al silicio è il materiale perfetto per il nucleo. È il miglior materiale magnetico per questo lavoro. Amiamo l'acciaio al silicio per le sue incredibili capacità. Un trasformatore in acciaio al silicio è molto più efficiente. L'utilizzo dell'acciaio al silicio è lo standard del settore. Questo speciale acciaio al silicio cambia le carte in tavola.
Abbiamo parlato di come l'acciaio al silicio aiuta a ridurre le correnti indesiderate. Ma il suo compito principale è quello di essere un eccellente percorso per il flusso magnetico. La proprietà magica è chiamata elevata permeabilità magnetica. La permeabilità è una misura della facilità con cui un campo magnetico può essere creato in un materiale. Si tratta di un tappeto magnetico di benvenuto. L'acciaio al silicio ha una permeabilità magnetica molto elevata. Ciò significa che accetta e guida il flusso magnetico dall'avvolgimento primario a quello secondario con pochissime "perdite".
Questa proprietà fa sì che quasi tutta l'energia magnetica creata dalla bobina primaria venga trasmessa alla bobina secondaria. Ciò si traduce in una grande intensità di induzione magnetica. È questo che rende un trasformatore così efficiente nel trasferire energia. L'elevata qualità magnetica dell'acciaio al silicio ci consente di costruire trasformatori più piccoli, più leggeri e più potenti. L'elevato contenuto di silicio nell'acciaio al silicio contribuisce a creare queste fantastiche condizioni magnetiche. L'elevata natura magnetica dell'acciaio al silicio è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno. Questa forte proprietà magnetica è essenziale. Il campo magnetico è gestito perfettamente dall'acciaio al silicio. La permeabilità magnetica è un parametro di prestazione fondamentale. Abbiamo bisogno di prestazioni magnetiche elevate. Le linee del campo magnetico sono concentrate all'interno dell'acciaio al silicio.
Quando un trasformatore lavora sempre con un'alimentazione in corrente alternata, una parte dell'energia viene sempre persa nel suo nucleo. Questa perdita totale viene chiamata "perdita di nucleo" o, a volte, "perdita di ferro". Questa perdita nel nucleo di ferro è una delle principali fonti di inefficienza nei trasformatori di potenza. Vogliamo che la bassa perdita di nucleo sia una priorità. Questa perdita di potenza nel ferro viene sprecata sotto forma di calore.
La perdita del nucleo è causata da due motivi. La prima è la perdita per correnti parassite di cui abbiamo già parlato. La seconda è la perdita per isteresi. Insieme, sono note come perdite di isteresi e di correnti parassite. La riduzione di entrambe è la chiave per migliorare le prestazioni dei trasformatori. Lo sviluppo di materiali migliori per il nucleo, come l'acciaio al silicio avanzato, consiste nel creare un materiale magnetico con la più bassa perdita di nucleo possibile. Ogni watt di energia risparmiato è un watt che può essere utilizzato per alimentare le nostre case e i nostri dispositivi.
Questo sembra complicato, ma l'idea è semplice. Un materiale magnetico come l'acciaio al silicio è costituito da piccole regioni chiamate domini magnetici. Si possono considerare come piccoli magneti. Quando non c'è campo magnetico, sono tutti rivolti in direzioni casuali. Quando la bobina eccitata crea un campo magnetico, questi domini si allineano. Questo processo si chiama magnetizzazione.
Poiché il trasformatore funziona in corrente alternata, la corrente si inverte continuamente, 50 o 60 volte al secondo. Ciò significa che anche il campo magnetico si inverte rapidamente. Ogni volta che si inverte, tutti i minuscoli domini magnetici devono spostarsi per allinearsi alla nuova direzione. Ci vuole un po' di energia per farli girare. Questa energia viene persa sotto forma di calore. Questa perdita è chiamata perdita di isteresi. L'acciaio al silicio è speciale perché ha una bassa coercitività, il che significa che i suoi domini magnetici possono andare avanti e indietro molto facilmente, senza bisogno di molta energia. Questo effetto di isteresi è ridotto al minimo. Una volta magnetizzati, devono essere smagnetizzati e rimagnetizzati nella direzione opposta, e questo ciclo causa una perdita di isteresi.
Il processo di produzione dell'anima è piuttosto avanzato. L'acciaio al silicio inizia come un grande rotolo di metallo. Ne esistono due tipi principali: acciaio al silicio laminato a caldo e acciaio al silicio laminato a freddo. Le lamiere di acciaio al silicio laminate a freddo sono oggi utilizzate principalmente perché hanno proprietà magnetiche ancora migliori. L'acciaio al silicio laminato a caldo viene ulteriormente lavorato. L'acciaio viene quindi trattato per creare la struttura cristallina ideale. Spesso si tratta di un processo chiamato ricottura, in cui il metallo viene riscaldato e raffreddato lentamente. La ricottura rende l'acciaio migliore.
Successivamente, la lastra di acciaio al silicio viene rivestita con un sottilissimo strato isolante. Questo è fondamentale per bloccare le correnti parassite. Infine, la lastra di acciaio al silicio rivestita viene tagliata in pezzi lunghi, di solito nel formato forma di una "E" e di una "I". Questi pezzi vengono poi impilati uno ad uno per formare il nucleo di ferro del trasformatore. La lamiera di acciaio al silicio deve essere maneggiata con cura. Il modo in cui impiliamo la lamiera di acciaio al silicio è importante. Quanto più stretti sono i pezzi giuntati, tanto migliore è l'effetto. La lastra di acciaio al silicio finale potrebbe avere uno spessore di soli 0,35 mm. Per questo motivo utilizziamo una lastra di acciaio al silicio. In genere si utilizza questo tipo specifico di acciaio al silicio. Questo acciaio al silicio è perfetto per essere una lastra di acciaio al silicio. Il materiale siliconico laminato a caldo è oggi meno comune.
Cosa otteniamo da tutto questo lavoro? Otteniamo un trasformatore altamente efficiente. Utilizzando un nucleo laminato in acciaio al silicio, attacchiamo entrambe le principali fonti di perdita di energia. La laminazione blocca le correnti parassite e le speciali proprietà dell'acciaio al silicio riducono la perdita per isteresi. Questo porta a una riduzione della perdita complessiva del nucleo. Questo design ha anche un basso coefficiente di espansione termica, il che significa che non si espande e non si contrae troppo al variare della temperatura.
Tutti i fattori favorevoli sopra menzionati si combinano per rendere i trasformatori moderni incredibilmente efficienti, spesso superiori a 98% o 99%. Ciò significa meno sprechi di elettricità, temperature di esercizio più basse e dispositivi più piccoli e più potenti. Le dimensioni del trasformatore possono essere ridotte. Dai trasformatori giganti delle sottostazioni elettriche a quelli minuscoli dei vostri gadget, l'uso di un nucleo in acciaio al silicio laminato è un principio fondamentale che rende possibile il nostro mondo elettrico. Porta a una diminuzione dell'energia sprecata e a un aumento delle prestazioni. Riduciamo le perdite effettive. Lo sviluppo di nuovi materiali continua, ma i principi fondamentali rimangono gli stessi. L'uso dell'acciaio al silicio è molto diffuso nell'industria elettrica.
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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