Transformatorens jernkerne

 

Kernen er hoveddelen af ​​det magnetiske kredsløb i transformeren. Det er normalt sammensat af varmvalsede eller koldvalsede siliciumstålplader med et højt siliciumindhold og en overflade belagt med isolerende maling. Jernkernen og spolerne omkring den udgør et komplet elektromagnetisk induktionssystem. Mængden af ​​strøm, der overføres af krafttransformatoren, afhænger af jernkernens materiale og tværsnitsareal.

 

 

2.1 Opviklet kerne og lamineret kerne

2.1.1 viklet jernkerne

Wound core er almindeligt anvendt i små og mellemstore transformere (under 1000kVA), transformere, magnetiske forstærkere og nulsekvens strømtransformatorer af lækbeskyttere.

 

Materialerne, der anvendes til viklet kerne, er ultratynde koldvalsede siliciumstålplader med høj permeabilitet og blød magnetisk strimmel såsom permalloy. Tykkelsen af ​​siliciumstålpladen er 0.18~0.30; Tykkelsen af ​​Permalloy-strimlen er 0,03~0,10 mm. Tager man små og mellemstore transformere som eksempel, har brugen af ​​viklet kerne følgende fordele:

1) Under de samme forhold reduceres belastningstabet af den viklede kerne med 7% til 10% sammenlignet med den laminerede kerne; Tomgangsstrøm kan reduceres med 50% ~ 75%.

2) Den viklede kerne kan være lavet af meget tynde højpermeabilitet koldvalsede siliciumstålplader, som kan producere transformatorer med lavere tab.

3) Den sårede kerne har god bearbejdelighed, intet klippeaffald, og udnyttelsesgraden er næsten 100%. Det kan også vedtage mekaniseret drift, hvilket eliminerer stablingsprocessen, og produktionseffektiviteten er 5 til 10 gange højere end den for den laminerede kerne.

4) Selve den viklede kerne er en helhed, skal ikke fastgøres ved at fastspænde støttedele og har ikke en samling, så under samme forhold som den laminerede kerne kan transformatorstøjen reduceres med 5~10dB.

5) Proceskoefficienten for den viklede kerne enfaset transformer er omkring 1,1; Trefaset under 1,15; For laminerede jernkerner er proceskoefficienten for lille kapacitet omkring 1,45, og proceskoefficienten for stor kapacitet er omkring 1,15. Derfor er den viklede kerne særligt velegnet til små og mellemstore transformatorer.

 

 

2.1.2 laminerede jernkerner

Definition

Lamineret jernkerne er en nøglekomponent, der bruges i krafttransformatorer, induktorer, transformere og andet kraftudstyr. Det er sammensat af flere ark med høj permeabilitet og lavt hysteresetab, som effektivt kan forbedre udstyrets arbejdseffektivitet og ydeevnestabilitet.

 

Struktur af lamineret jernkerne

En lamineret kerne består af flere plader, der hver er lavet af et meget permeabelt materiale, såsom siliciumstål. Disse plader er adskilt af isolerende materiale for at danne en enkelt struktur. Laminerede jernkerner er normalt rektangulære eller cirkulære i form for at tilpasse sig kravene til forskelligt udstyr. I fremstillingsprocessen af ​​lamineret jernkerne er det også nødvendigt at overveje faktorer som tykkelsen af ​​pladen, udvælgelsen af ​​isoleringsmaterialer og forarbejdningsprocessen for at sikre dens ydeevne og pålidelighed. Jernkernen udgør et lukket magnetisk kredsløb i transformeren, og det er også skelettet af installationsspolen, som er en meget vigtig del for transformatorens elektromagnetiske ydeevne og mekaniske styrke. Jernkernen er den magnetiske kredsløbsdel af transformatoren, som er sammensat af en jernkernesøjle (viklingssæt på søjlen) og et jernåg (der forbinder jernkernen for at danne et lukket magnetisk kredsløb). For at reducere hvirvelstrøms- og hysteresetab og forbedre magnetkredsløbets magnetiske ledningsevne er jernkernen lavet af {{0}}.35 mm ~ 0.5 mm tyk siliciumstålplade belagt med isolerende maling. Den lille transformerkernesektion er rektangulær eller kvadratisk, og den store transformatorkernesektion er trinformet, hvilket skal udnytte pladsen fuldt ud.

 

Laminerede kerneegenskaber

Da kernen og viklingen af ​​den laminerede kernetransformator fremstilles separat, stables kernen først, og derefter fjernes det øverste åg, og derefter monteres kerneisoleringen og spolen, og spolen og kernestolpen understøttes med en bøjle, og til sidst indsættes jernåget for at fuldføre samlingen af ​​kroppen.

 

Strukturen af ​​den laminerede kernetransformator har følgende egenskaber:

1. Kernens klemretning er tykkelsesretningen af ​​kernepladen, som kan klemme kernen godt;

2. For den dobbeltlagede cylindriske spole har det indvendige lag af spolen intet spoleskelet;

3. Fordi det øverste jernåg fjernes under installationen, kan kernesøjlen og spolen let strammes med et stag;

4. Spolen vikles separat, og spolen kan dyppes separat efter opvikling.

 

 

2.1.3 Sammenligning af tredimensionel trekantet sårkerne, lamineret kerne og flad sårkerne

1) Tredimensionel trekantet viklet jernkerne

Tredimensionel viklet kerne: Et trekantet tredimensionelt arrangement af en jernkerne sammensat af tre enkeltramme viklede kerner af samme geometriske størrelse.

Tredimensionel viklet kernetransformator: fordelingstransformator med tredimensionel viklet kerne som det magnetiske kredsløb.

Procesegenskaber: Hele jernkernen er lavet af tre identiske enkeltrammer, og jernkernens tre kernesøjler er arrangeret i en ligesidet trekant. Hver enkelt ramme er lavet af et antal trapezformede materialebælter, der er viklet efter hinanden. Tværsnittet af den enkelte ramme efter vikling er tæt på halvcirkulært, og tværsnittet efter opsplitning er meget tæt på hele cirklen kvasi-polygon. Det trapezformede materialebælte i forskellige størrelser af enkeltrammen er viklet af den specielle foldelinjeskæremaskine. Denne type skærebearbejdning kan udføres uden materialebearbejdning, det vil sige ved skæring er materialeudnyttelsesgraden 100%.

 

2) Lamineret jernkerne

Lamineret jernkerne: Den er sammensat af langsgående forskydningsproduktionslinje og tværgående forskydningsproduktionslinje, og siliciumstålstrimlen forarbejdes til en bestemt form af siliciumstålplade, og derefter stables siliciumstålpladen på en bestemt måde.

Lamineret kerne har tre ulemper:

Der er luftspalter dannet af mange led i det magnetiske kredsløb, hvilket øger magnetkredsløbets magnetiske modstand og derved øger tabet og tomgangsstrømmen.

Retningen af ​​det magnetiske kredsløb er nogle steder ikke i overensstemmelse med retningen af ​​den høje magnetiske permeabilitet af siliciumstålstrimlen.

Manglen på tæthed mellem skiverne reducerer ikke kun lamineringskoefficienten, men endnu vigtigere øger støjen.

Effekt af proces på tab

Langsgående forskydning og tværgående forskydning giver øget mekanisk spændingstab

Retningen af ​​det magnetiske kredsløb i hjørnet er ikke i overensstemmelse med retningen af ​​den magnetiske ledningsevne, hvilket i høj grad øger tabet

Samlinger øger tabet, især stigningen i tomgangsstrøm

Proceskoefficienten er 1,15 ~ 1,3

 

3) Strukturens indflydelse på det magnetiske kredsløb

I den traditionelle stakkerne med luftgab er det magnetiske koblingskredsløb mellem AC-fasen åbenbart 1/2 længere end det magnetiske kredsløb i AB-fasen og BC-fasen, så det magnetiske kredsløb er ubalanceret, og AC-ens magnetiske modstand fase er større. Når en trefaset spænding påføres transformeren, producerer kernen en trefaset afbalanceret magnetisk flux φA, φB og φC.

Når den magnetiske flux af trefasebalancen passerer gennem det ubalancerede magnetiske kredsløb, er det magnetiske spændingsfald i A- og C-faserne stort, hvilket påvirker den trefasede spændingsbalance. Denne ubalance i det magnetiske kredsløb er en uoverstigelig strukturel defekt for plane transformatorer.

 

4) Flad viklet jernkerne

Flad viklet kerne: En flad anbragt jernkerne bestående af en eller flere enkeltrammer med viklede kerner.

Proceskarakteristika: Den flade viklede kerne vikles først to mindre indvendige rammer, efter kombinationen af ​​to indre rammer, der er blevet viklet, og derefter viklet en større ydre ramme i dens ydre sammensætning, er de tre kernesøjler i den flade viklede kerne arrangeret i et fly.

Flade sårkernestrukturdefekter

Det samme som den flade viklede kerne og den laminerede kerne er de tre kernesøjler arrangeret i et plan, således at den magnetiske kredsløbslængde af de tre kernesøjler er inkonsekvent: den magnetiske kredsløbslængde af den midterste søjle er kort, det magnetiske kredsløb længden af ​​de to sidesøjler er længere, og den gennemsnitlige magnetiske kredsløbslængde er omkring 20%, hvilket resulterer i en stor forskel i tomgangstabet for de tre kernesøjler, tomgangstabet af den midterste søjle er lav, og tomgangstabet på de to sidesøjler er stort, hvilket resulterer i en trefaset ubalance.

 

 

2.2 Enkeltfasede og trefasede kerner

Enfaset kerne har en enkelt to-søjlet lamineret kerne. Der er fem slags enfaset enkelt-søjle-side-åg-type fire-søjlet kerne, enkelt-faset dobbelt-søjle type lamineret kerne og enkelt-faset strålende type lamineret kerne. Der er fire slags trefasede kerne: trefaset søjlelamineret kerne, trefaset sideåg femsøjlet kerne, trefaset dobbeltrammelamineret kerne og trefaset reaktorlamineret kerne.

Jernkernen består af to dele: en jernkernesøjle og et jernåg. Kernesøjlen er dækket af vikling, og jernåget forbinder kernesøjlen for at danne et lukket magnetisk kredsløb. Transformatorens kerneplan er vist i figur 1, figur 1a er en enfaset transformer, figur 1b er en trefaset transformer, kernestrukturen kan opdeles i to dele, C er den del af spolen, kaldet kerne kolonne. Y bruges til at lukke den del af det magnetiske kredsløb, kaldet åget. Den enfasede transformator har to kernesøjler, og den trefasede transformator har tre kernesøjler.

 

 

Fordi den magnetiske flux i transformatorkernen er en vekslende magnetisk flux, for at reducere hvirvelstrømstabet, er transformatorkernen generelt lavet af siliciumstålplader med stor resistivitet til en vis størrelse jernspåner, siliciumstålpladerne består af jernkernen skæres i den ønskede form og størrelse, og derefter kombineres stansepladen på den overlappende måde. Figur 2a viser jernkernen i en enfaset transformer, hvor hvert lag består af 4 stansestykker. Figur 2b viser jernkernen i den trefasede transformator, hvert lag er sammensat af 6 stykker, og kombinationen af ​​hvert to lag af chippen anvender et andet arrangement for at forskyde samlingerne af hvert lag af det magnetiske kredsløb. Denne samlingsmetode kaldes overlappende samling, og denne samling kan undgå hvirvelstrøm mellem stålpladen og stålpladen. Og fordi hvert lag af stansning er sammenvævet, kan færre fastgørelseselementer bruges til at gøre strukturen enkel, når man presser jernkernen. Under monteringen stables stansepladerne først for at danne en hel jernkerne, og derefter fastspændes det nederste jernåg, den øverste jernåg-stanseplade fjernes for at blotlægge kernesøjlen, den præfabrikerede vikling placeres på kernesøjlen, og til sidst indsættes den udtrukne øvre stanseplade af jernåg.

 

 

2.3 Skal- og kernekerner

Den del af den beklædte vikling i jernkernen kaldes "kernesøjlen", og den del af den ikke-beklædte vikling, der kun spiller rollen som det magnetiske kredsløb, kaldes "jernåget". Hvor jernkernen omgiver viklingen, kaldes det skaltype; Hvor viklingen omgiver kernesøjlen kaldes kernetypen. Skaltype og kernetype har deres egne karakteristika, men transformatorfremstillingsprocessen bestemt af jernkernen er meget forskellig, og det er svært at vende sig til en struktur, når først en bestemt struktur er valgt. Det meste af transformatorkernen i vores land vedtager stablet kernetype.

Ifølge arrangementet af viklingen i jernkernen er transformatoren opdelt i kernetype og skaltype. Forskellen er hovedsageligt i fordelingen af ​​det magnetiske kredsløb, skaltransformatorkernens åg omgiver spolen, kernen transformatorkernen er for det meste i spolen, kun en del af jernåget uden for spolen, som bruges til at danne den magnetiske kredsløb.

 

 

 

Når transformatoren er i normal drift, vil jernkernen generere varme på grund af eksistensen af ​​jerntab, og jo større vægt og volumen af ​​jernkernen, jo mere varme vil der blive genereret. Transformatorolietemperatur over 95 grader er let at ælde, så temperaturen på kerneoverfladen bør så vidt muligt kontrolleres under denne temperatur, hvilket kræver, at kernens varmeafledningsstruktur hurtigt kan sprede varmen fra kernen. Varmeafledningsstrukturen er hovedsageligt at øge varmeafledningsoverfladen af ​​jernkernen. Varmeafledningen af ​​jernkernen omfatter hovedsageligt varmeafledningen af ​​jernkernens oliekanal og varmeafledningen af ​​jernkernens luftvej.

 

I olienedsænkede transformere med stor kapacitet er oliespalter ofte arrangeret mellem jernkernens laminater for at øge varmeafledningseffekten. Olietanken er opdelt i to slags, den ene er parallel med siliciumstålpladen, og den anden er lodret i forhold til stålpladen, som vist i figur 4. Sidstnævnte arrangement har bedre varmeafledningseffekt, men strukturen er mere kompleks.

 

I den tørre transformatorkerne er luftkøling, for at sikre, at kernetemperaturen ikke overstiger den tilladte værdi, ofte installeret i kernesøjlen og jernåg luftkanal.

 

 

 

Transformatoren vil producere støj under drift. Kilden til transformatorlegemets støj er magnetostriktionen af ​​siliciumstålpladen i jernkernen, eller støjen fra transformatorkernen er dybest set forårsaget af magnetostriktion. Den såkaldte magnetostriktion refererer til forøgelsen af ​​størrelsen af ​​siliciumstålpladen langs retningen af ​​den magnetiske induktionslinje, når jernkernen exciteres; Størrelsen af ​​siliciumstålpladen falder i retningen vinkelret på den magnetiske induktanslinje, og denne størrelsesændring kaldes magnetostriktion. Derudover vil strukturen og den geometriske størrelse af jernkernen, processen med jernkerneforarbejdning og fremstilling have en vis grad af indvirkning på dets støjniveau.

 

Jernkernens støjniveau kan reduceres ved følgende tekniske foranstaltninger:(1) Anvendelse af højkvalitets siliciumstålplader med lille magnetostriktiv ε-værdi. (2) Reducer kernens magnetiske fluxtæthed. (3) Forbedre strukturen af ​​jernkernen. (4) Vælg en rimelig kernestørrelse. (5) Vedtag avanceret behandlingsteknologi.

 

 

Ved normal drift af transformeren er det elektriske felt, der dannes mellem den ladede vikling og blytråden og brændstoftanken, et ujævnt elektrisk felt, og jernkernen og dens metaldele er i det elektriske felt. Fordi potentialet for elektrostatisk induktion er forskelligt, er suspensionspotentialet for jernkernen og dens metaldele ikke det samme, og når potentialforskellen mellem de to punkter er i stand til at nedbryde isoleringen mellem dem, genereres gnistuft. Denne udledning kan nedbryde transformatorens olie og beskadige den faste isolering. For at undgå dette skal både kernen og dens metalkomponenter være pålideligt jordet.

 

Kernen skal være let jordet. Når jernkernen eller andre metalkomponenter er jordet i to eller flere punkter, vil der dannes en lukket sløjfe mellem jordpunkterne, der danner en cirkulation, strømmen kan nogle gange være så høj som titusvis af ampere, vil forårsage lokal overophedning, hvilket fører til olienedbrydning, kan også få jordbåndet til at smelte, brænde kernen, disse er ikke tilladt. Derfor skal kernen jordes, og den skal være lidt jordet.

 

 

Fremkomsten af ​​nanokrystallinske og amorfe jernkerner giver ideelle materialer til mellem- og højfrekvente transformere. Med udviklingen af ​​industrien er strømforsyningens driftsfrekvens blevet øget til 20kHz, og udgangseffekten har oversteget 30kW. Traditionelle kernematerialer såsom siliciumstålplade har et stort tab og kan ikke opfylde de nye krav til strømforsyning.

 

Den amorfe og jernbaserede nanokrystallinske kerne har karakteristika af magnetisk induktion med høj mætning, høj permeabilitet, lavt tab, god temperaturstabilitet, miljøbeskyttelse osv., og har vigtig anvendelsesværdi i højfrekvente højfrekvente transformere.

 

 

 

6.1 Nanokrystallinsk kerne

Nanokrystallinske materialer er hovedsageligt sammensat af jern, krom, kobber, silicium, bor og andre elementer, og disse specifikke legeringskomponenter laves til amorfe tilstande ved hurtig quenching-teknologi og varmebehandles derefter for at danne nanoskala korn.

Den nanokrystallinske kerne udviser fremragende magnetiske egenskaber og temperaturstabilitet og er særligt velegnet til at erstatte ferrit i transformere under frekvensområdet 20kHz til 50kHz.

Det nanokrystallinske materiale har en resistivitet på 90 μ Ω.cm (efter varmebehandling) og kombinerer takket være sin nanostruktur fordelene ved siliciumstål, permalloy og ferrit.

 

 

 

Tykkelsen af ​​almindelige jern nanokrystallinske bløde magnetiske materialer er omkring 30μm. På grund af dens skørhed og følsomhed over for stress, vil de magnetiske egenskaber blive væsentligt reduceret, når de udsættes for eksterne kræfter under forarbejdning og brug. Derfor laves nanokrystalkernen normalt til en ring- eller hesteskoform og placeres i en beskyttende skal. Det beskyttende skalmateriale vil påvirke den nanokrystallinske kernes varmeafledningsevne.

Den nye nanokrystallinske kerne er blevet påført transformere, tykkelsen af ​​nanokrystallinsk materiale er kun 24μm, og kernen hærdet efter varmebehandling har betydelige fordele i forhold til den traditionelle transformerkerne:

Den nye nanokrystallinske kerne er belagt med en isolerende film, som opnår den nødvendige styrke til vikling og kan vikles direkte ind i transformere.

Den hærdede nanokrystallinske kerne eliminerer det beskyttende hus, giver mere plads til varmeafledning og forbedrer transformerens driftssikkerhed.

Dette design reducerer indflydelsen af ​​det beskyttende skalmateriale på den nanokrystallinske kerne og sparer det strukturelle design og dannelsestid af den beskyttende skal.

Nanokrystallinsk kernedesign kan være mere fleksibelt og tilbyde en række forskellige former såsom ring, rektangulær og C-formet kerne, hvilket giver flere muligheder for transformerdesign og efterfølgende viklingsproces.

 

6.2 Amorf magnetisk kerne

Det amorfe materiale er fremstillet ved hjælp af ultrahurtig quenching-teknologi med en afkølingshastighed på omkring en million grader i sekundet. Denne teknologi størkner smeltet stål i en enkelt bratkøling til en legeringsstrimmel med en tykkelse på 30 mikron. På grund af den hurtige afkølingshastighed har metallet ikke tid til at krystallisere, hvilket resulterer i ingen korn eller korngrænser i legeringen, hvilket resulterer i dannelsen af ​​såkaldte amorfe legeringer.

Amorft metal har en unik mikrostruktur, der er forskellig fra konventionelt metal, og dets sammensætning og uordnede struktur giver det mange unikke egenskaber, såsom fremragende magnetisme, korrosionsbestandighed, slidstyrke, høj styrke, hårdhed, sejhed, høj resistivitet, høj elektromekanisk koblingskoefficient osv.

 

 

 

Hovedkomponenterne i den jernbaserede amorfe kerne er jern, silicium og bor, hvoraf siliciumindholdet er så højt som 5,3%, og den unikke struktur af den amorfe tilstand, dens resistivitet er 130 μΩ.cm, hvilket er det dobbelte af det. af siliciumstålpladen (47 μΩ.cm).

Tykkelsen af ​​det ferrobaserede amorfe materiale, der anvendes i den amorfe kerne, er omkring 30 nm, hvilket er meget tyndere end tykkelsen af ​​siliciumstålpladen, så hvirvelstrømstabet er lille ved højfrekvensdrift. I frekvensområdet 400Hz~10kHz er tabet kun 1/3~1/7 af siliciumstålpladen. Samtidig er permeabiliteten af ​​jernbaseret amorf jernkerne meget højere end for traditionel jernkerne.

På grund af disse fordele kan den amorfe kerne reducere vægten af ​​transformeren med mere end 50% og temperaturstigningen med 50%.

Efter flere års udvikling er amorfe og nanokrystallinske jernkerner blevet brugt i vid udstrækning i højfrekvente transformere, strømtransformatorer, skiftende strømforsyninger, elektromagnetisk kompatibilitetsudstyr og andre applikationer.