Waarom is siliciumstaal het geheime ingrediënt in een transformatorkern?

Dit artikel vertelt je het verhaal van Siliciumstaal. Je leert waarom dit specifieke soort siliciumstaal de eerste keuze is om het hart van elke transformator te maken.

Wat is een transformatorkern precies?

Laten we beginnen met de basis. Een transformator heeft twee hoofdonderdelen: een primaire wikkeling en een secundaire wikkeling. Dit zijn gewoon spoelen van draad. Wanneer je een elektrische stroom door de eerste spoel stuurt, creëert dit een magnetisch veld. Het is de taak van de transformatorkern om dat magnetische veld naar de tweede spoel te leiden. Dit proces is gebaseerd op het principe van elektromagnetische inductie.

De kern fungeert als een weg voor de magnetische energie, die we magnetische flux noemen. We willen dat zoveel mogelijk van deze flux van de primaire wikkeling naar de secundaire wikkeling gaat. Als de weg hobbelig is of veel gaten vertoont, verliezen we onderweg energie. Daarom is het materiaal dat we voor de ijzeren kern gebruiken zo belangrijk. Een goed kernmateriaal zorgt ervoor dat de reis soepel en efficiënt verloopt. De ijzeren kern wordt meestal de magnetische kern genoemd omdat zijn belangrijkste taak het vervoeren van deze magnetische energie is.

Waarom kunnen we niet gewoon ijzer gebruiken voor de kern?

Je vraagt je misschien af: "Waarom gebruik je niet gewoon een blok ijzer?" Per slot van rekening is staal zelf een magnetisch materiaal en ijzer is goedkoop. Het probleem is dat een gewone ijzeren kern veel energie verspilt. Deze verspilde energie wordt ijzerverlies of kernverlies genoemd. Dit verlies in de ijzeren kern verandert in warmte, wat slecht is voor de transformator en elektriciteit verspilt.

Dit ijzerverlies wordt veroorzaakt door twee belangrijke problemen die zich binnenin het kernmateriaal voordoen. Stel je de magnetische flux voor die door de kern stroomt. Omdat de transformator altijd met wisselstroom (AC) werkt, wordt het magnetische veld constant heen en weer geschakeld. Deze constante verandering veroorzaakt energieverliezen. Door deze verliezen krijg je minder vermogen uit de transformator dan je erin stopt. We hebben een speciaal magnetisch materiaal nodig om dit energieverlies tegen te gaan.

Wat maakt siliciumstaal zo speciaal?

Dit is waar siliciumstaal te hulp schiet. Siliciumstaal is een verbazingwekkend magnetisch materiaal dat voornamelijk wordt gebruikt voor het maken van transformatorkernen. Wat zijn de geheimen ervan? Ten eerste heeft het een zeer hoge permeabiliteit. Permeabiliteit betekent hoe gemakkelijk een materiaal gemagnetiseerd kan worden. Siliciumstaal laat de magnetische flux er heel gemakkelijk doorheen stromen, zoals water door een brede, gladde buis.

Deze eigenschap van hoge magnetische permeabiliteit is een van de belangrijkste redenen waarom siliciumstaal wordt gebruikt. Het betekent dat de kern met heel weinig moeite een sterk magnetisch pad kan creëren. Het hoofdingrediënt is natuurlijk silicium. Het siliciumgehalte in het staal verandert de magnetische eigenschappen. We gebruiken een specifiek soort siliciumstaal met precies de juiste hoeveelheid om deze geweldige resultaten te krijgen. Deze uitstekende magnetische permeabiliteit is een enorm voordeel voor een transformator van siliciumstaal.

Hoe bestrijdt siliciumstaal hysteresisverlies?

Een van de twee grote energieverspillers heet hysteresis. Stel je voor dat je een heleboel kleine magneetjes, magnetische domeinen genaamd, in de ijzeren kern hebt. Als het magnetische veld aan is, staan ze allemaal op één lijn. Als het veld omdraait, moeten ze allemaal omdraaien. Dit kost energie. Hysterese is als wrijving voor deze kleine magneten. Een materiaal met een hoge hysterese is moeilijk te magnetiseren en vervolgens moeilijk te demagnetiseren.

Dit constante omspringen veroorzaakt hysteresisverlies. We hebben een materiaal nodig met een lage coërciviteit, wat betekent dat de kleine magneetjes gemakkelijk heen en weer kunnen bewegen. Siliciumstaal is ontworpen om een zeer lage hysteresis te hebben. Het proces om siliciumstaal te maken helpt de magnetische domeinen vrij te bewegen. Dit vermindert de wrijving en verlaagt de hoeveelheid energie die als warmte verloren gaat. Deze speciale eigenschap is cruciaal voor het maken van een efficiënte transformator. De speciale manier waarop siliciumstaal wordt gemaakt, helpt dit verlies te verminderen en wordt veroorzaakt door twee factoren.

Wat zijn wervelstromen en waarom zijn ze een probleem?

De tweede grote energieverspiller is de wervelstroom. Wanneer de veranderende magnetische flux door de ijzeren kern gaat, creëert het kleine, wervelende pools van elektrische stroom in het metaal zelf. Dit komt door inductie. Deze kleine draaikolken worden wervelstromen genoemd. Ze doen geen nuttig werk. In plaats daarvan warmen ze alleen de kern op.

Deze verwarming wordt wervelstroomverlies genoemd. Dit verlies wordt om twee redenen veroorzaakt, maar wervelstromen zijn de belangrijkste. Zie het als de stroom die een verkeerde afslag neemt en verloren gaat in de kern, waardoor warmte ontstaat in plaats van te helpen bij het overbrengen van vermogen. Het vermogensverlies in de ijzeren kern is een ernstig probleem omdat het elektriciteit verspilt en kan leiden tot oververhitting van de transformator. De ijzeren kern van de transformator kan erg heet worden als we deze stromen niet onder controle houden.

Hoe vermindert siliciumstaal vervelende wervelstromen?

Dus hoe stoppen we deze kleine draaikolken van stroom? Ook hier blinkt siliciumstaal uit. De truc is om het moeilijker te maken voor de wervelstroom om te stromen. Dit doen we door de elektrische weerstand van het metaal te verhogen, ook wel bekend als de weerstand.

De toevoeging van silicium aan het ijzer doet precies dat. De siliciumatomen zitten in de weg en maken het veel moeilijker voor de wervelende stromen om zich te verplaatsen. Een hogere weerstand leidt tot een lagere wervelstroom, waardoor minder energie verloren gaat in de vorm van warmte. Dit is een eenvoudige maar zeer slimme oplossing. Het gebruik van siliciumstaal is een geweldige manier om wervelstroomproblemen te verminderen en de transformator veel efficiënter te maken. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom staal wordt gebruikt.

Waarom is de transformatorkern gemaakt van dunne platen?

Als je ooit goed naar een transformatorkern kijkt, zie je dat het geen massief blok metaal is. Hij bestaat uit vele dunne lagen op elkaar gestapeld siliciumstaal. Dit wordt laminering. Dit is het tweede deel van het plan om de wervelstroom te verslaan.

Door de ijzeren kern in dunne platen te snijden, verbreken we het pad voor de wervelstromen. Een laminaat werkt als een barrière. De wervelstroom kan niet door de dunne isolerende laag tussen de platen stromen. Hierdoor worden de wervelingen heel erg klein. Kleine wervelingen betekenen veel minder wervelstroomverlies. Als je op die manier een massieve kern gebruikt, nemen de verliezen enorm toe. De regel is dat hoe smaller de gesplitste platen zijn, hoe beter het effect. Daarom is een enkele plaat siliciumstaal vaak maar 0,35 mm dik. Deze structuur vermindert de wervelstroom zeer effectief.

Wat is het verschil tussen warmgewalst en koudgewalst siliciumstaal?

Niet alle siliciumstaal is hetzelfde. Er zijn twee hoofdtypen: warmgewalst silicium en koudgewalst staal. De namen beschrijven hoe het staal wordt gemaakt. Warmgewalst siliciumstaal wordt bij een zeer hoge temperatuur verwerkt. Het is een goed materiaal, maar er is een nog betere.

Koudgewalste siliciumstaalplaten worden bij kamertemperatuur verwerkt. Tijdens dit proces worden de staalkorrels in een zeer specifieke richting uitgelijnd. Hierdoor kan de magnetische flux nog gemakkelijker stromen, waardoor het een grote magnetische inductie-intensiteit krijgt. Dit speciale elektrische staal heeft nog betere magnetische eigenschappen en een lager energieverlies. Voor hoogwaardige energietransformatoren wordt bijna altijd koudgewalst siliciumstaal gebruikt. Dit geavanceerde materiaal voor transformatorkernen is een belangrijk onderdeel van moderne elektrische systemen.

Hoe wordt siliciumstaal zo goed?

Het maken van hoogwaardig siliciumstaal is een zorgvuldige wetenschap. Om siliciumstaal perfect te maken voor een transformator, beginnen fabrikanten met staal met een laag koolstofgehalte. Daarna voegen ze de juiste hoeveelheid silicium toe. Een hoog siliciumgehalte verhoogt de weerstand, wat geweldig is om wervelstromen tegen te houden.

Nadat ze het staal in dunne platen hebben gewalst, moeten ze het gloeien. Gloeien betekent dat het staal wordt verhit en dan langzaam afkoelt. Dit proces haalt de spanning uit het metaal en helpt bij het vormen van de perfecte korrelstructuur voor verbazingwekkende magnetische prestaties. Door dit zorgvuldige proces heeft siliciumstaal een lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Het zorgt er ook voor dat het materiaal een sterke magnetische respons heeft wanneer het in een bekrachtigde spoel wordt geplaatst.

Alles op een rijtje: Waarom is siliciumstaal de beste keuze?

Laten we alles eens op een rijtje zetten. Het gebruik van siliciumstaal is de beste keuze voor een transformatorkern omdat het een kampioen is in het verminderen van energieverlies. Een transformator gemaakt van siliciumstaal heeft een laag kernverlies omdat het de twee grootste problemen oplost: hysteresis en wervelstroomverliezen. Vanwege alle bovengenoemde gunstige factoren is het de duidelijke winnaar.

De hoge magnetische permeabiliteit creëert een gladde weg voor de magnetische flux. Het silicium binnenin verhoogt de weerstand om verspillende wervelstromen tegen te gaan. Het laminaatontwerp breekt de wervelstromen nog meer. Dit leidt tot verbazingwekkende transformatorprestaties. Het betekent dat we minder elektriciteit verspillen, wat geld bespaart en beter is voor onze planeet. Het vermindert ook de temperatuurstijging, waardoor de transformator langer meegaat. Daarom is siliciumstaal zo belangrijk voor allerlei apparaten die worden gebruikt in elektriciteitssystemen.