Железный сердечник трансформатора

 

Сердечник является основной частью магнитной цепи трансформатора. Обычно он состоит из горячекатаных или холоднокатаных листов кремнистой стали с высоким содержанием кремния и поверхности, покрытой изоляционной краской. Железный сердечник и катушки вокруг него составляют полную систему электромагнитной индукции. Количество мощности, передаваемой силовым трансформатором, зависит от материала и площади поперечного сечения железного сердечника.

 

 

2.1 Раневой стержень и многослойный стержень

2.1.1 намотанный железный сердечник

Сердечник с обмоткой обычно используется в трансформаторах малой и средней мощности (ниже 1000 кВА), трансформаторах, магнитных усилителях и трансформаторах тока нулевой последовательности в устройствах защиты от утечки.

 

Материалы, используемые для намотанного сердечника, представляют собой ультратонкий холоднокатаный лист кремнистой стали с высокой проницаемостью и магнитомягкую полосу, такую ​​​​как пермаллоя. Толщина листа кремнистой стали составляет 0.18~0.30; Толщина полосы пермаллоя составляет 0,03~0,10 мм. Если взять в качестве примера трансформаторы малой и средней мощности, то использование намотанного сердечника имеет следующие преимущества:

1) В тех же условиях потери холостого хода намотанного сердечника снижаются на 7–10 % по сравнению с ламинированным сердечником; Ток холостого хода можно уменьшить на 50–75%.

2) Намотанный сердечник может быть изготовлен из очень тонких холоднокатаных листов кремнистой стали с высокой проницаемостью, что позволяет производить трансформаторы с меньшими потерями.

3) Намотанный сердечник обладает хорошей технологичностью, не имеет отходов при резке, а коэффициент использования составляет почти 100%. Он также может использовать механизированную работу, исключающую процесс штабелирования, а эффективность производства в 5-10 раз выше, чем у ламинированного заполнителя.

4) Сам намотанный сердечник является цельным, не требует фиксации с помощью зажимных опорных частей и не имеет соединений, поэтому при тех же условиях, что и ламинированный сердечник, шум трансформатора может быть снижен на 5–10 дБ.

5) Технологический коэффициент однофазного трансформатора с намотанным сердечником составляет около 1,1; Трехфазный ниже 1,15; Для ламинированных железных сердечников технологический коэффициент малой мощности составляет около 1,45, а технологический коэффициент большой мощности — около 1,15. Поэтому намотанный сердечник особенно подходит для трансформаторов малой и средней мощности.

 

 

2.1.2 ламинированные железные сердечники

Определение

Ламинированный железный сердечник является ключевым компонентом, используемым в силовых трансформаторах, катушках индуктивности, трансформаторах и другом силовом оборудовании. Он состоит из нескольких листов с высокой проницаемостью и низкими потерями на гистерезис, что может эффективно повысить эффективность работы и стабильность работы оборудования.

 

Структура многослойного железного сердечника

Ламинированный сердечник состоит из нескольких листов, каждый из которых изготовлен из материала с высокой проницаемостью, например кремниевой стали. Эти листы разделены изоляционным материалом, образуя единую конструкцию. Сердечники из ламинированного железа обычно имеют прямоугольную или круглую форму, чтобы адаптироваться к требованиям различного оборудования. В процессе производства многослойного железного сердечника также необходимо учитывать такие факторы, как толщина листа, выбор изоляционных материалов и процесс обработки, чтобы обеспечить его производительность и надежность. Железный сердечник представляет собой замкнутую магнитную цепь трансформатора, а также является каркасом установочной катушки, которая является очень важной частью электромагнитных характеристик и механической прочности трансформатора. Железный сердечник — это часть магнитной цепи трансформатора, которая состоит из колонны с железным сердечником (обмотки, установленной на колонне) и железного ярма (соединяющего железный сердечник для образования замкнутой магнитной цепи). Чтобы уменьшить вихревые токи и потери на гистерезис, а также улучшить магнитную проводимость магнитной цепи, железный сердечник изготовлен из листа кремнистой стали толщиной {{0}}.35 мм ~ 0,5 мм, покрытого изолирующей краской. Небольшая секция сердечника трансформатора имеет прямоугольную или квадратную форму, а большая секция сердечника трансформатора имеет ступенчатую форму, что позволяет полностью использовать пространство.

 

Особенности ламинированного ядра

Поскольку сердечник и обмотка трансформатора с ламинированным сердечником изготавливаются отдельно, сначала укладывают сердечник, затем удаляют верхнее ярмо, затем устанавливают изоляцию сердечника и катушку, а катушку и опору сердечника поддерживают раскосом. и, наконец, вставляется железное ярмо, чтобы завершить сборку корпуса.

 

Структура трансформатора с ламинированным сердечником имеет следующие характеристики:

1. Направление зажима сердечника соответствует направлению толщины листа сердечника, что позволяет хорошо зажимать сердечник;

2. Для двухслойной цилиндрической катушки внутренний слой катушки не имеет каркаса катушки;

3. Поскольку во время установки верхнее железное ярмо снимается, сердечник и катушку можно легко затянуть с помощью подпорки;

4. Катушка наматывается отдельно, и катушку можно окунуть отдельно после намотки.

 

 

2.1.3 Сравнение трехмерного треугольного сердечника, ламинированного сердечника и плоского сердечника

1) Трехмерный треугольный железный сердечник

Трехмерный намотанный сердечник: Треугольное трехмерное расположение железного сердечника, состоящее из трех однорамных намотанных сердечников одинакового геометрического размера.

Трансформатор с трехмерным сердечником: распределительный трансформатор с трехмерным сердечником в качестве магнитной цепи.

Особенности процесса: Весь железный сердечник состоит из трех одинаковых одиночных рам, а три основные колонны железного сердечника расположены в равностороннем треугольнике. Каждая рама состоит из нескольких последовательно намотанных лент трапециевидной формы. Сечение одиночного каркаса после намотки близко к полукруглому, а сечение после расщепления очень близко к квазимногоугольнику всей окружности. Трапецеидальная лента материала разных размеров на одинарной раме наматывается на специальной машине для резки линии складывания. Данный вид режущей обработки может осуществляться без обработки материала, то есть при резке коэффициент использования материала составляет 100%.

 

2) Ламинированный железный сердечник

Сердечник из ламинированного железа: он состоит из производственной линии продольного сдвига и производственной линии поперечного сдвига, при этом полоса кремнистой стали обрабатывается в лист кремнистой стали определенной формы, а затем лист кремнистой стали укладывается определенным образом.

Ламинированный сердечник имеет три недостатка:

В магнитопроводе имеются воздушные зазоры, образованные множеством соединений, что увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода, тем самым увеличивая потери и ток холостого хода.

Направление магнитной цепи в некоторых местах не соответствует направлению высокой магнитной проницаемости полосы кремнистой стали.

Отсутствие герметичности между ломтиками не только снижает коэффициент ламинирования, но, что более важно, увеличивает шум.

Влияние процесса на потери

Продольный и поперечный сдвиг приводят к увеличению потерь механического напряжения.

Направление магнитопровода в углу не соответствует направлению магнитной проводимости, что значительно увеличивает потери.

Соединения увеличивают потери, особенно увеличение тока холостого хода.

Коэффициент процесса составляет 1,15 ~ 1,3.

 

3) Влияние конструкции на магнитную цепь

В традиционном сердечнике батареи с воздушным зазором магнитная цепь связи между фазой переменного тока, очевидно, на 1/2 длиннее, чем магнитная цепь фазы AB и фазы BC, поэтому магнитная цепь несимметрична, и магнитное сопротивление переменного тока фаза больше. Когда на трансформатор подается трехфазное напряжение, сердечник создает трехфазный сбалансированный магнитный поток φA, φB и φC.

Когда магнитный поток трехфазного баланса проходит через несимметричную магнитную цепь, падение магнитного напряжения фаз А и С велико, что влияет на трехфазный баланс напряжений. Этот дисбаланс магнитной цепи является непреодолимым конструктивным дефектом планарных трансформаторов.

 

4) Железный сердечник с плоской обмоткой

Плоский сердечник: Плоский железный сердечник, состоящий из одной или нескольких одиночных рамок с намотанными сердечниками.

Характеристики процесса: на сердечник с плоской намоткой сначала наматывают два внутренних каркаса меньшего размера, после объединения двух намотанных внутренних рамок, а затем наматывают внешний каркас большего размера в его внешнем составе, располагаются три столбца сердечника сердечника с плоской намоткой. в самолете.

Дефекты структуры сердечника плоской намотки

Так же, как сердечник с плоской обмоткой и ламинированный сердечник, три столбца с сердечником расположены в плоскости, так что длина магнитной цепи трех столбцов с сердечником несовместима: длина магнитной цепи средней колонки короткая, магнитная цепь длина двух боковых столбцов больше, а средняя длина магнитной цепи составляет около 20%, что приводит к большой разнице в потерях холостого хода трех основных столбцов, потери холостого хода средней колонны низкие, и потери холостого хода двух боковых колонн велико, что приводит к трехфазному дисбалансу.

 

 

2.2 Однофазные и трехфазные сердечники

Однофазная жила имеет одинарную двухколонную пластинчатую жилу. Существует пять видов однофазных одноколонных четырехколонных сердечников с боковым ярмом, однофазных ламинированных сердечников двухколонного типа и однофазных ламинированных сердечников радиационного типа. Существует четыре типа трехфазного сердечника: трехфазный ламинированный сердечник колонны, трехфазный пятиколонный сердечник с боковым ярмом, трехфазный ламинированный сердечник с двойной рамой и ламинированный сердечник трехфазного реактора.

Железное ядро ​​состоит из двух частей: железного стержня колонны и железного ярма. Столбец с сердечником покрыт обмоткой, а железное ярмо соединяет столбец с сердечником, образуя замкнутую магнитную цепь. Схема сердечника трансформатора показана на рисунке 1, рисунок 1a — однофазный трансформатор, рисунок 1b — трехфазный трансформатор, структуру сердечника можно разделить на две части, C — часть катушки, называемая основной столбец. Y используется для замыкания части магнитной цепи, называемой ярмом. Однофазный трансформатор имеет две колонки с сердечником, а трехфазный трансформатор — три колонки с сердечником.

 

 

Поскольку магнитный поток в сердечнике трансформатора является переменным магнитным потоком, чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник трансформатора обычно изготавливается из листов кремнистой стали с большим удельным сопротивлением в виде железной стружки определенного размера, листы кремниевой стали состоят из Железный сердечник нарезается до необходимой формы и размера, а затем штампованный лист совмещается внахлест. На рис. 2а показан железный сердечник однофазного трансформатора, каждый слой которого состоит из 4 перфорированных деталей. На рисунке 2b показан железный сердечник трехфазного трансформатора, каждый слой состоит из 6 частей, а комбинация каждых двух слоев чипа использует различное расположение для шахматного соединения каждого слоя магнитной цепи. Этот метод сборки называется сборкой внахлест, и эта сборка позволяет избежать вихревых токов между стальным листом и стальным листом. А поскольку каждый слой перфорации переплетается, можно использовать меньше крепежных элементов, чтобы упростить конструкцию при прессовании железного сердечника. Во время сборки перфорационные пластины сначала укладываются друг на друга, образуя цельный железный сердечник, затем нижнее железное ярмо зажимается, верхняя перфорационная пластина с железным ярмом снимается, чтобы обнажить колонку с сердечником, сборную обмотку помещают на колонку с сердечником и наконец, вставляется извлеченная верхняя перфорационная пластина железной траверсы.

 

 

2.3 Оболочка и ядро ​​ядра

Часть плакированной обмотки в железном сердечнике называется «столбом сердечника», а часть неплакированной обмотки, играющая только роль магнитопровода, называется «железным ярмом». Когда железный сердечник окружает обмотку, это называется оболочковым типом; Место, где обмотка окружает колонку с сердечником, называется типом сердечника. Тип корпуса и тип сердечника имеют свои особенности, но процесс изготовления трансформатора, определяемый железным сердечником, сильно отличается, и после выбора определенной конструкции трудно перейти к конструкции. Большая часть сердечников трансформаторов в нашей стране имеет многослойный сердечник.

По устройству обмотки в железном сердечнике трансформаторы делятся на сердечниковые и кожуховые. Разница в основном заключается в распределении магнитной цепи: ярмо сердечника трансформатора окружает катушку, сердечник трансформатора в основном находится в катушке, только часть железного ярма снаружи катушки, которая используется для формирования магнитного поля. схема.

 

 

 

Когда трансформатор работает в нормальном режиме, железный сердечник будет выделять тепло из-за наличия потерь в железе, и чем больше вес и объем железного сердечника, тем больше тепла будет выделяться. Температура трансформаторного масла выше 95 градусов легко стареет, поэтому температуру поверхности сердечника следует контролировать ниже этой температуры, насколько это возможно, что требует, чтобы структура рассеивания тепла сердечника быстро рассеивала тепло сердечника. Структура рассеивания тепла предназначена в основном для увеличения поверхности рассеивания тепла железного сердечника. Отвод тепла железного сердечника в основном включает в себя отвод тепла масляного канала железного сердечника и отвод тепла воздуховодом железного сердечника.

 

В масляных трансформаторах большой мощности между пластинами железного сердечника часто располагаются масляные прорези для усиления эффекта рассеивания тепла. Масляный бак разделен на два типа: один расположен параллельно листу кремнистой стали, а другой расположен вертикально по отношению к стальному листу, как показано на рисунке 4. Последнее расположение обеспечивает лучший эффект рассеивания тепла, но структура более сложная.

 

В сухом сердечнике трансформатора имеется воздушное охлаждение, чтобы гарантировать, что температура сердечника не превышает допустимого значения, часто установленное в сердечнике и железном ярме воздуховода.

 

 

 

Трансформатор во время работы будет издавать шум. Источником шума корпуса трансформатора является магнитострикция кремниевого стального листа железного сердечника, или шум сердечника трансформатора в основном вызван магнитострикцией. Так называемая магнитострикция относится к увеличению размера листа кремнистой стали вдоль направления линии магнитной индукции при возбуждении железного сердечника; Размер листа кремнистой стали уменьшается в направлении, перпендикулярном линии магнитной индуктивности, и это изменение размера называется магнитострикцией. Кроме того, структура и геометрический размер железного сердечника, процесс обработки и изготовления железного сердечника будут иметь определенную степень влияния на уровень шума.

 

Уровень шума железного сердечника можно снизить с помощью следующих технических мер: (1) Использование листов высококачественной кремнистой стали с небольшим значением коэффициента магнитострикции ε. (2) Уменьшите плотность магнитного потока сердечника. (3) Улучшите структуру железного сердечника. (4) Выберите разумный размер сердцевины. (5) Принять передовую технологию обработки.

 

 

При нормальной работе трансформатора электрическое поле, образующееся между заряженной обмоткой, подводящим проводом и топливным баком, представляет собой неравномерное электрическое поле, а железный сердечник и его металлические части находятся в электрическом поле. Поскольку потенциал электростатической индукции различен, потенциал подвески железного сердечника и его металлических частей не одинаков, и когда разность потенциалов между двумя точками способна разрушить изоляцию между ними, генерируется искровой разряд. Этот разряд может разрушить масло трансформатора и повредить твердую изоляцию. Чтобы этого избежать, как сердечник, так и его металлические детали должны быть надежно заземлены.

 

Сердечник должен быть слегка заземлен. Когда железный сердечник или другие металлические компоненты заземлены в двух или более точках, между точками заземления образуется замкнутый контур, образующий циркуляцию, ток иногда может достигать десятков ампер, что вызывает локальный перегрев, приводящий к разложение масла также может привести к плавлению заземляющей полосы и сжиганию сердечника, это не допускается. Поэтому жилу необходимо заземлить, причем немного заземлить.

 

 

Появление нанокристаллических и аморфных железных сердечников обеспечивает идеальные материалы для трансформаторов средней и высокой частоты. С развитием промышленности рабочая частота источника питания была увеличена до 20 кГц, а выходная мощность превысила 30 кВт. Традиционные материалы сердечника, такие как лист кремнистой стали, имеют большие потери и не могут удовлетворить новые требования к источнику питания.

 

Аморфный нанокристаллический сердечник на основе железа обладает характеристиками высокой магнитной индукции насыщения, высокой проницаемости, низкими потерями, хорошей температурной стабильностью, защитой окружающей среды и т. д. и имеет важное прикладное значение в мощных высокочастотных трансформаторах.

 

 

 

6.1 Нанокристаллическое ядро

Нанокристаллические материалы в основном состоят из железа, хрома, меди, кремния, бора и других элементов, и эти конкретные компоненты сплава переводятся в аморфное состояние с помощью технологии быстрой закалки, а затем подвергаются термической обработке с образованием наноразмерных зерен.

Нанокристаллический сердечник демонстрирует превосходные магнитные свойства и температурную стабильность и особенно подходит для замены феррита в трансформаторах с частотным диапазоном ниже 20–50 кГц.

Нанокристаллический материал имеет удельное сопротивление 90 мкОм·см (после термообработки) и благодаря своей наноструктуре сочетает в себе преимущества кремнистой стали, пермаллоя и феррита.

 

 

 

Толщина обычных нанокристаллических магнитомягких материалов железа составляет около 30 мкм. Из-за его хрупкости и чувствительности к нагрузкам магнитные свойства значительно снижаются под воздействием внешних сил во время обработки и использования. Поэтому ядру нанокристалла обычно придают форму кольца или подковы и помещают в защитную оболочку. Материал защитной оболочки повлияет на эффективность рассеивания тепла нанокристаллического ядра.

В трансформаторах применен новый нанокристаллический сердечник, толщина нанокристаллического материала составляет всего 24 мкм, а сердечник, отвержденный после термообработки, имеет значительные преимущества перед традиционным сердечником трансформатора:

Новый нанокристаллический сердечник покрыт изолирующей пленкой, которая достигает необходимой для намотки прочности и может быть намотана непосредственно в трансформаторы.

Затвердевший нанокристаллический сердечник позволяет отказаться от защитного кожуха, обеспечивая больше места для рассеивания тепла и повышая эксплуатационную безопасность трансформатора.

Такая конструкция снижает влияние материала защитной оболочки на нанокристаллическое ядро, экономит структурное проектирование и время формирования защитной оболочки.

Конструкция нанокристаллического сердечника может быть более гибкой, предлагая различные формы, такие как кольцевой, прямоугольный и C-образный сердечник, что предоставляет больше возможностей для проектирования трансформатора и последующего процесса намотки.

 

6.2 Аморфный магнитопровод

Аморфный материал производится по технологии сверхбыстрой закалки со скоростью охлаждения около миллиона градусов в секунду. Эта технология затвердевает расплавленную сталь за одну закалку в полосу сплава толщиной 30 микрон. Из-за высокой скорости охлаждения металл не успевает кристаллизоваться, в результате чего в сплаве отсутствуют зерна или границы зерен, что приводит к образованию так называемых аморфных сплавов.

Аморфный металл имеет уникальную микроструктуру, отличную от обычного металла, а его состав и неупорядоченная структура придают ему множество уникальных свойств, таких как превосходный магнетизм, коррозионная стойкость, износостойкость, высокая прочность, твердость, ударная вязкость, высокое удельное сопротивление, высокий коэффициент электромеханической связи. , и т. д.

 

 

 

Основными компонентами аморфного ядра на основе железа являются железо, кремний и бор, содержание кремния в которых достигает 5,3%, а уникальная структура аморфного состояния, его удельное сопротивление составляет 130 мкОм·см, что вдвое больше. листа кремнистой стали (47 мкОм·см).

Толщина аморфного материала на основе ферро, используемого в аморфном сердечнике, составляет около 30 нм, что намного тоньше, чем толщина листа кремнистой стали, поэтому потери на вихревые токи невелики при работе на высоких частотах. В диапазоне частот 400–10 кГц потери составляют всего 1/3–1/7 от листа кремнистой стали. В то же время проницаемость сердечника из аморфного железа на основе железа намного выше, чем у традиционного железного сердечника.

Благодаря этим преимуществам аморфный сердечник позволяет снизить вес трансформатора более чем на 50% и повысить температуру на 50%.

После многих лет разработок аморфные и нанокристаллические железные сердечники широко используются в высокочастотных трансформаторах, трансформаторах тока, импульсных источниках питания, оборудовании электромагнитной совместимости и других устройствах.