Waarom de kern van de transformator gelamineerd is om verlies te verminderen

De kern van de transformator is gelamineerd om een specifieke vorm van energieverspilling te verminderen. In dit artikel lees je precies waarom dat gebeurt. Je leert hoe dit eenvoudige idee alles efficiënter maakt, van de oplader van je telefoon tot het elektriciteitsnet. Dit is niet alleen voor ingenieurs, maar voor iedereen die nieuwsgierig is naar hoe dingen werken.

Waarom is de transformatorkern zo belangrijk?

Je stopt elektriciteit in de ene kant en krijgt een andere spanning uit de andere kant, zonder bewegende delen. Het geheim is het principe van elektromagnetische inductie. Een transformator heeft twee sets draden, een primaire wikkeling en een secundaire wikkeling. Ze zijn gewikkeld rond een centrale ijzeren kern. Wanneer een wisselstroom (AC) door de primaire spoel stroomt, creëert deze een wisselend magnetisch veld. Dit magnetische veld wordt door de transformatorkern geleid.

De kern heeft als taak een snelweg te zijn voor deze magnetische energie, die we magnetische flux noemen. De flux verplaatst zich van de primaire spoel naar de secundaire spoel. Wanneer deze bewegende magnetische flux door de secundaire wikkeling gaat, creëert of induceert het een stroom in die wikkeling. De ijzeren kern is de brug die ervoor zorgt dat dit allemaal efficiënt gebeurt. We hebben een goed magnetisch materiaal nodig voor deze brug. En het beste materiaal voor transformatorkernen is een speciaal soort staal. De ijzeren kern wordt meestal een transformatorkern genoemd. Een goede transformatorkern zorgt ervoor dat het grootste deel van de magnetische flux van de primaire wikkeling de secundaire wikkeling bereikt.

Wat is wervelstroom precies?

Dit is het probleem. De transformatorkern is gemaakt van metaal. Omdat staal zelf een magnetisch materiaal en een geleider is, creëert de veranderende magnetische flux niet alleen een stroom in de secundaire spoel. Het creëert ook in de ijzeren kern kleine wervelingen van stroom. Stel je een soepel stromende rivier voor. Als je een grote rots in het midden plaatst, krijg je kleine draaikolken, of wervelingen, erachter. Een wervelstroom is net zoiets, maar dan met elektriciteit in de ijzeren kern.

Deze kleine elektrische draaikolken zijn een groot probleem. Ze doen geen enkel nuttig werk. Ze draaien gewoon rond in de kern en produceren warmte. Deze warmte is verspilde energie. We noemen dit verlies wervelstroom. Dit verlies wordt veroorzaakt door twee belangrijke dingen: de sterkte van de magnetische flux en hoe gemakkelijk het kernmateriaal elektriciteit geleidt. Een sterk magnetisch veld en een geleidende kern creëren een grote wervelstroom. Dit leidt tot een aanzienlijke temperatuurstijging in de transformator, wat inefficiënt is en het apparaat zelfs kan beschadigen. Dit vermogensverlies moeten we bestrijden.

Hoe houdt lamineren die vervelende wervelstromen tegen?

Dus hoe stoppen we deze energieverspillende draaikolken? Hier komt het briljante idee van laminering om de hoek kijken. In plaats van een massief blok metaal bouwen we de kern op uit een stapel zeer dunne metalen platen. Elke plaat is bedekt met een dunne laag isolatie, zoals een vernis of een oxidelaag. Zie het als een spel kaarten in plaats van een blok hout. De magnetische flux kan zich nog steeds gemakkelijk over de lengte van de platen verplaatsen, van de primaire naar de secundaire spoel.

De isolerende lagen werken echter als barrières. Ze maken het heel moeilijk voor wervelstromen om draaikolken te vormen. Een wervelstroom wil in een grote cirkel stromen, maar de isolerende lagen hakken die cirkel in vele kleine, ineffectieve paden. Deze slimme truc vermindert de wervelstroom dramatisch. Hoe dunner we elke laminering maken, hoe kleiner het pad voor elke potentiële wervelstroom en hoe lager het wervelstroomverlies. De ijzeren kern op die manier maken is de sleutel tot een efficiënte transformator. Zo verminderen we de wervelstromen.

Waarom dan niet gewoon een massieve ijzeren kern gebruiken?

Je vraagt je misschien af: "Zou het niet goedkoper en eenvoudiger zijn om gewoon één massieve ijzeren kern te gebruiken?" Op het eerste gezicht, ja. Maar de energieverspilling zou enorm zijn. Een massieve ijzeren kern zou een zeer grote wervelstroom door de hele doorsnede laten lopen. Dit zou een enorm wervelstroomverlies veroorzaken, waardoor de transformator erg heet zou worden en veel energie zou verspillen. Als je een vaste kern op die manier gebruikt, zal het ijzerverlies enorm toenemen.

Deze energieverspilling of ijzerverlies wordt veroorzaakt door deze stromen. Een massieve kern zou rampzalig zijn voor de efficiëntie. Het grootste deel van de elektrische energie die erin gaat, zou worden omgezet in warmte in plaats van te worden overgedragen aan de secundaire wikkeling. De ijzeren kern zou veel groter moeten zijn om de warmte aan te kunnen, waardoor de kosten en het gewicht zouden toenemen. Het doel van een transformator is juist om energie efficiënt over te brengen. Een massieve ijzeren kern doet precies het tegenovergestelde. Door laminering te gebruiken, verminderen we de wervelstroom zonder het magnetische pad te beschadigen.

Wat is dit speciale siliciumstaal dat we gebruiken voor de kern?

De dunne platen die we gebruiken voor lamineren zijn niet zomaar van staal. Ze zijn gemaakt van een speciale legering genaamd siliciumstaal. Soms wordt het ook elektrisch staal genoemd. Siliciumstaal is een soort legering die wordt gemaakt door een kleine hoeveelheid silicium toe te voegen aan staal met een laag koolstofgehalte. De toevoeging van silicium is cruciaal. Waarom is siliciumstaal hier de sterspeler? Omdat het twee verbazingwekkende magnetische eigenschappen heeft die het perfect maken voor een transformatorkern.

Ten eerste moet het gebruikte materiaal een hoge magnetische permeabiliteit hebben. Ten tweede moet het een hoge elektrische weerstand hebben. Weerstand is een maat voor hoeveel weerstand een materiaal biedt tegen de stroom van elektrische stroom. Gewoon staal is een goede geleider. Maar als je siliciumstaal maakt, verhoogt het siliciumgehalte de weerstand van het materiaal. Een hogere weerstand betekent dat het moeilijker is voor een wervelstroom om te stromen, waardoor het wervelstroomverlies verder afneemt. Daarom wordt staal in deze vorm gebruikt. Siliciumstaal is het perfecte kernmateriaal. Het is het beste magnetische materiaal voor deze taak. We houden van siliciumstaal vanwege zijn verbazingwekkende eigenschappen. Een transformator van siliciumstaal is veel efficiënter. Het gebruik van siliciumstaal is de industriestandaard. Dit speciale siliciumstaal is een game-changer.

Hoe helpt siliciumstaal het magnetische veld?

We hebben het gehad over hoe siliciumstaal helpt ongewenste stromen te verminderen. Maar het belangrijkste is dat het een uitstekend pad is voor de magnetische flux. De magische eigenschap hier wordt een hoge magnetische permeabiliteit genoemd. Permeabiliteit is een maat voor hoe gemakkelijk een magnetisch veld kan worden opgezet in een materiaal. Zie het als een magnetische welkomstmat. Siliciumstaal heeft een zeer hoge magnetische permeabiliteit. Dit betekent dat het de magnetische flux van de primaire wikkeling naar de secundaire wikkeling gretig accepteert en geleidt met heel weinig "lekken".

Deze eigenschap zorgt ervoor dat bijna alle magnetische energie die door de primaire spoel wordt opgewekt, aan de secundaire spoel wordt afgegeven. Dit resulteert in een grote magnetische inductie-intensiteit. Dit maakt een transformator zo efficiënt in het overbrengen van vermogen. De hoge magnetische kwaliteit van siliciumstaal betekent dat we een kleinere, lichtere en krachtigere transformator kunnen bouwen. Het hoge siliciumgehalte in siliciumstaal helpt deze fantastische magnetische omstandigheden te creëren. De hoge magnetische aard van siliciumstaal is precies wat we nodig hebben. Deze sterke magnetische eigenschap is essentieel. Het magnetische veld wordt perfect beheerd door siliciumstaal. Deze magnetische permeabiliteit is een belangrijke prestatiemeter. We hebben hoge magnetische prestaties nodig. De magnetische veldlijnen zijn geconcentreerd binnenin het siliciumstaal.

Wat is kernverlies en waarom moeten we het verlagen?

Wanneer een transformator altijd werkt met een wisselstroomvoeding, gaat er altijd wat energie verloren in de kern. Dit totale verlies noemen we het kernverlies, of soms het ijzerverlies. Dit verlies in de ijzeren kern is een belangrijke bron van inefficiëntie in vermogenstransformatoren. We willen van een laag kernverlies een prioriteit maken. Dit vermogensverlies in het ijzer wordt verspild als warmte.

Het kernverlies heeft twee oorzaken. De eerste is het wervelstroomverlies waar we het al over hebben gehad. De tweede heet hysteresisverlies. Samen staan ze bekend als hysterese- en wervelstroomverliezen. Het verminderen van beide is de sleutel tot het verbeteren van de prestaties van transformatoren. De ontwikkeling van beter kernmateriaal, zoals geavanceerd siliciumstaal, draait allemaal om het creëren van een magnetisch materiaal met het laagst mogelijke kernverlies. Elke watt energie die hier wordt bespaard, is een watt die kan worden gebruikt om onze huizen en apparaten van stroom te voorzien.

Kun je hysteresisverlies op een eenvoudige manier uitleggen?

Dit klinkt ingewikkeld, maar het idee is eenvoudig. Een magnetisch materiaal zoals siliciumstaal bestaat uit kleine gebiedjes die magnetische domeinen worden genoemd. Je kunt ze zien als kleine magneetjes. Als er geen magnetisch veld is, wijzen ze allemaal in willekeurige richtingen. Wanneer de bekrachtigde spoel een magnetisch veld creëert, komen deze domeinen op één lijn te liggen. Dit proces heet magnetiseren.

Omdat de transformator op wisselstroom werkt, wordt de stroom constant heen en weer geschakeld, 50 of 60 keer per seconde. Dit betekent dat het magnetische veld ook snel omkeert. Elke keer dat het veld omkeert, moeten al die kleine magnetische domeinen omkeren om in lijn te komen met de nieuwe richting. Het kost een beetje energie om ze te laten draaien. Deze energie gaat verloren als warmte. Dit verlies wordt hysteresisverlies. Siliciumstaal is speciaal omdat het een lage coërciviteit heeft, wat betekent dat de magnetische domeinen heel gemakkelijk heen en weer kunnen bewegen, zonder veel energie. Dit hysterese-effect wordt geminimaliseerd. Eenmaal gemagnetiseerd moeten ze worden gedemagnetiseerd en opnieuw gemagnetiseerd in de tegenovergestelde richting en deze cyclus veroorzaakt hysteresisverlies.

Hoe worden deze siliciumplaten gemaakt en geassembleerd?

Het proces om de kern te maken is behoorlijk geavanceerd. Het siliciumstaal begint als een grote rol metaal. Er zijn twee hoofdtypen: warmgewalst siliciumstaal en koudgewalst siliciumstaal. Koudgewalst siliciumstaal wordt tegenwoordig vooral gebruikt omdat het nog betere magnetische eigenschappen heeft. Dit warmgewalste siliciumstaal wordt verder verwerkt. Het staal wordt dan behandeld om de ideale kristalstructuur te creëren. Dit gaat vaak via een proces dat gloeien wordt genoemd, waarbij het metaal wordt verhit en langzaam wordt afgekoeld. Door het staal te gloeien wordt het beter.

Daarna wordt de siliciumstaalplaat bedekt met een zeer dunne isolerende laag. Dit is cruciaal om wervelstromen tegen te houden. Tot slot wordt de gecoate staalplaat in lange stukken gesneden, meestal in de vorm van een "E" en een "I". Deze stukken worden dan één voor één op elkaar gestapeld om de ijzeren kern van de transformator te vormen. De siliciumstaalplaat moet voorzichtig worden behandeld. De manier waarop we deze staalplaat stapelen is belangrijk. Hoe smaller de samengevoegde stukken, hoe beter het effect. De uiteindelijke staalplaat kan slechts 0,35 mm dik zijn. Daarom gebruiken we een plaat siliciumstaal. Over het algemeen wordt dit specifieke soort siliciumstaal gebruikt. Dit siliciumstaal is perfect om een plaat van siliciumstaal te zijn. Het warmgewalste silicium materiaal komt nu minder vaak voor.

Wat is de grote winst van het gebruik van een gelamineerde kern van siliciumstaal?

Wat levert al dit werk op? We krijgen een zeer efficiënte transformator. Door een gelamineerde kern van siliciumstaal te gebruiken, vallen we beide belangrijke bronnen van energieverlies aan. De laminering stopt de wervelstroom en de speciale eigenschappen van siliciumstaal verminderen het hysteresisverlies. Dit leidt tot een lager totaal kernverlies. Dit ontwerp heeft ook een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, wat betekent dat het niet te veel uitzet en krimpt als de temperatuur verandert.

Alle bovengenoemde gunstige factoren zorgen er samen voor dat moderne transformatoren ongelooflijk efficiënt zijn, vaak meer dan 98% of 99%. Dit betekent minder verspilde elektriciteit, lagere bedrijfstemperaturen en kleinere, krachtigere apparaten. De grootte van de transformator kan worden verkleind. Van de gigantische transformatoren in elektriciteitsonderstations tot de piepkleine in je gadgets, het gebruik van een gelamineerde kern van siliciumstaal is een fundamenteel principe dat onze elektrische wereld mogelijk maakt. Het leidt tot minder energieverspilling en betere prestaties. We verminderen de effectieve verliezen. De ontwikkeling van nieuwe materialen gaat door, maar de basisprincipes blijven hetzelfde. Het gebruik van siliciumstaal is wijdverspreid in de elektrische industrie.