Als het "hart" van een transformator speelt de ijzeren kern een cruciale rol in de omzetting van elektromagnetische energie. Het beïnvloedt niet alleen de energie-efficiëntie van transformatoren, maar is ook direct van invloed op het volume, het gewicht en de bedrijfszekerheid van de apparatuur. De evolutie van materialen voor de ijzeren kern, van industrieel zuiver ijzer tot de huidige amorfe legeringen, heeft de glorieuze ontwikkeling van de transformatortechnologie mogelijk gemaakt.
De kernfunctie en prestatie-eisen van ijzerkern
De belangrijkste functie van de transformatorkern is het creëren van een efficiënt magnetisch circuit, waardoor elektrische energie tussen verschillende circuits kan worden overgedragen via het principe van elektromagnetische inductie. De prestaties van de ijzerkern hebben een directe invloed op de technische en economische eigenschappen van de transformator. De basisvereisten voor materialen voor de ijzerkern zijn: lage verliezen in de ijzerkern bij een bepaalde frequentie en magnetische fluxdichtheid, en een hoge magnetische fluxdichtheid bij een bepaalde magnetische veldsterkte.
Het kernverlies bestaat uit twee delen: hysteresisverlies en wervelstroomverlies. Hysteresisverlies is gerelateerd aan de moeilijkheid van magnetisatie van het materiaal, terwijl wervelstroomverlies wordt veroorzaakt door de circulerende stroom die wordt opgewekt door de wisselende magnetische flux in de ijzeren kern. Om deze verliezen te verminderen, moeten ideale materialen voor de ijzeren kern een hoge elektrische weerstand, een hoge magnetische permeabiliteit en een lage coërciviteit hebben.
Het evolutieproces van ijzerkernmaterialen
De ontwikkeling van transformatorkernmaterialen heeft een lange en boeiende geschiedenis. De eerste transformatorkernen gebruikten gewoon koolstofstaaldraad of koolstofstaal als magnetisch materiaal. In 1885 ontwikkelde de Gunz-fabriek in Hongarije de eerste eenfasige transformator met een gesloten magnetisch circuit, waarvan de ijzeren kern van dit type materiaal was gemaakt.
In 1900 ontdekten de Engelsman R.A. Hadfield en anderen dat het toevoegen van silicium aan zacht staal de soortelijke weerstand kon verbeteren, wervelstroom- en hysteresisverliezen kon verminderen en het verschijnsel van "kernveroudering" kon tegengaan. In 1903 begonnen de Verenigde Staten en Duitsland met de productie van warmgewalste siliciumstaalplaten, waarmee het tijdperk van siliciumstaalplaten aanbrak.
Warmgewalste siliciumstaalplaten hebben problemen zoals ongelijkmatige prestaties en hoge verliezen. In de jaren dertig werden doorbraken bereikt in de technologie van koudgewalste siliciumstaalplaten. In 1933 gebruikte Gauss twee koudwals- en gloeimethoden om 3% Si-staal te produceren met hoge magnetische eigenschappen in de walsrichting. In 1935 werkte Armco Steel Company uit de Verenigde Staten samen met Westinghouse om te beginnen met de productie van koudgewalst georiënteerd siliciumstaal.
Na de jaren zestig stopten de belangrijkste geïndustrialiseerde landen geleidelijk met de productie van warmgewalste siliciumstaalplaten en schakelden over op koudgewalste siliciumstaalplaten met betere prestaties. In 1964 ontwikkelde Nippon Steel Corporation uit Japan koudgewalste siliciumstaalplaten met een hoge permeabiliteit en korreloriëntatie (Hi-B-staal), waardoor de nullastverliezen van transformatoren verder werden verlaagd.
In de jaren zeventig maakten amorfe legeringsmaterialen hun intrede op het historische toneel. In 1974 ontwikkelde United Microelectronics Corporation amorfe legeringen op ijzerbasis, en in 1978 ontwikkelden de Verenigde Staten 10 kVA transformatoren met een amorfe ijzerkern. Dit nieuwe materiaal kenmerkt zich door een extreem laag ijzerverlies, slechts 1/3 tot 1/5 van dat van traditionele siliciumstaalplaten, waarmee een nieuw tijdperk van energiebesparing voor transformatoren aanbrak.
Belangrijkste typen en kenmerken van ijzerkernmaterialen
siliciumstaalplaat
Siliciumstaalplaat is een zachtmagnetische legering van siliciumijzer met een extreem laag koolstofgehalte, doorgaans met een siliciumgehalte van 0,5-4,5%. Door silicium toe te voegen, kunnen de elektrische weerstand en de maximale magnetische permeabiliteit van ijzer worden verhoogd, en de coërciviteit, kernverliezen en magnetische veroudering worden verminderd. Siliciumstaalplaten kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: warmgewalst en koudgewalst, waarbij koudgewalst verder wordt onderverdeeld in georiënteerde en niet-georiënteerde typen.
Koudgewalste, niet-georiënteerde siliciumstaalplaat verwijst naar een legering van 0,5% tot 4,0% (Si+Al), die koudgewalst wordt tot diktes van 0,65 mm, 0,5 mm en 0,35 mm, waarna deze gegloeid en gecoat wordt. De korrelstructuur is relatief verspreid en de magnetische eigenschappen zijn in alle richtingen relatief uniform.
Georiënteerd siliciumstaal heeft een hoge magnetische permeabiliteit en lage verliezen in de gemakkelijk magnetiseerbare <001>-richting, wat voldoet aan de eisen voor magnetische geleidbaarheid van statische energieapparatuur zoals transformatoren. De gemiddelde korreloriëntatieafwijkingshoek van gewoon georiënteerd siliciumstaal (CGO) is ongeveer 7°, en de verzadigingsmagnetische susceptibiliteitswaarde B8 is hoger dan 1,82 Tesla; de gemiddelde korreloriëntatieafwijkingshoek van sterk magnetisch georiënteerd siliciumstaal (Hi-B) is ongeveer 3°, en de B8-waarde is hoger dan 1,90 Tesla.
amorfe legering
Een amorfe legering is een metallisch functioneel materiaal met willekeurig verdeelde atomen in de materiaalmatrix, met een "glasachtige" samenstelling. Een typische amorfe legering bevat 80% ijzer, de overige componenten zijn boor en silicium. Dit materiaal kenmerkt zich door een hoge verzadigingsmagnetische inductiesterkte (1,54 T), een hoge magnetische permeabiliteit, een lage excitatiestroom en een extreem laag ijzerverlies.
Het ijzerverlies van amorfe legeringen op ijzerbasis is slechts een derde tot een vijfde van dat van georiënteerde siliciumstaalplaten. Dit reduceert het nullastverlies van transformatoren met amorfe legeringen met 70% tot 80% in vergelijking met traditionele transformatoren van siliciumstaal. De verzadigingsmagnetische fluxdichtheid van amorfe legeringen is relatief laag (ongeveer 1,5 T), waardoor de nominale magnetische fluxdichtheid doorgaans wordt gekozen tussen 1,3 en 1,4 T.
De dikte van de amorfe legeringsstrip is extreem dun, slechts 0,03 mm, wat resulteert in een laminatiecoëfficiënt van slechts ongeveer 80% voor de amorfe ijzeren kern. Hoewel amorfe legeringen een lagere soortelijke massa hebben dan siliciumstaalplaten, is het gewicht van de ijzeren kern nog steeds relatief hoog.
Kernstructuurontwerp
Ook het ontwerp van de transformatorkernstructuur heeft een aanzienlijke evolutie doorgemaakt. Van de vroegste gelamineerde ijzeren kern, via de C-vormige ijzeren kern, tot de ringvormige (spiraalvormige ijzeren kern), heeft elke structuur zijn eigen kenmerken en voordelen.
De ronde ijzeren kern wordt gemaakt door siliciumstalen strips op te winden, net als een strak opgewonden uurwerkveer. Dit type ijzeren kern heeft een continu magnetisch circuit zonder luchtspleten, wat resulteert in een lage magnetische weerstand en een hoog rendement. Vergeleken met gelamineerde transformatoren met dezelfde capaciteit hebben toroïdale transformatoren de voordelen van een klein formaat, een laag gewicht en een lage magnetische lekstroom.
Bij transformatoren van amorfe legeringen worden deze, vanwege de moeilijkheid om het materiaal te snijden, meestal ontworpen met een spiraalvormige ijzeren kern. De kernstructuur van een eenfasige transformator bestaat uit een frame, terwijl de kernstructuur van een driefasige transformator wordt gevormd door vier frames samen te voegen tot een structuur die lijkt op een driefasige vijfkolomsstructuur. Deze structuur maakt het mogelijk om elke fasewikkeling op twee onafhankelijke frames van het magnetische circuit te plaatsen, waardoor de invloed van de derde harmonische magnetische flux effectief wordt geëlimineerd.
Productieproces van ijzeren kernmateriaal
Het productieproces van siliciumstaalplaten is complex, met name dat van georiënteerd siliciumstaal. Het productieproces is ingewikkeld, de procesmarge is smal en de productie is moeilijk. Het staat bekend als "handwerk onder de staalproducten".
Het productieproces van koudgewalste, niet-georiënteerde siliciumstaalplaten omvat doorgaans: het warmwalsen van stalen knuppels of het continu gieten van knuppels tot rollen met een dikte van ongeveer 2,3 mm, gevolgd door zuurwassen, koudwalsen, gloeien en het aanbrengen van een isolerende film. Voor producten met een hoog siliciumgehalte is het noodzakelijk om ze na het warmwalsen eerst te normaliseren bij 800-850 ℃, gevolgd door zuurwassen, koudwalsen tot een bepaalde dikte, gloeien, vervolgens koudwalsen met een lage reductiesnelheid en ten slotte een laatste gloeibehandeling.
De meest gebruikelijke methode voor het produceren van amorfe legeringen is het spuiten van gesmolten metaaldamp op een snel roterend koperen wikkelframe. Het gesmolten metaal koelt af en stolt tot dunne ribben met een snelheid van 106 ℃/s. De hoge interne spanning die door het afkoelen ontstaat, moet worden verminderd door gloeien bij temperaturen tussen 200 ℃ en 280 ℃ om goede magnetische eigenschappen te verkrijgen.
Energiebesparende voordelen van materialen met een ijzeren kern.
Transformatoren zijn er in overvloed en hebben een grote capaciteit in het elektriciteitsnet, wat resulteert in aanzienlijke totale verliezen. Naar schatting bedragen de totale verliezen van transformatoren in China ongeveer 10% van de elektriciteitsproductie. Elke reductie van 1% in verliezen kan jaarlijks miljarden kilowattuur aan elektriciteit besparen.
Transformatoren met een kern van amorf gelegeerd ijzer hebben een aanzienlijk energiebesparend effect. Het nullastverlies van SH12-serie transformatoren met een kern van amorf gelegeerd ijzer is ongeveer 75% lager dan dat van S9-serie transformatoren met een kern van siliciumstaal. Hoewel transformatoren met een kern van amorf gelegeerd ijzer duurder zijn dan traditionele transformatoren, zijn de bedrijfskosten extreem laag en bedraagt de terugverdientijd van de investering doorgaans 2 tot 5 jaar.
Economisch ontwikkelde regio's zoals Shanghai, Jiangsu en Zhejiang hebben op grote schaal transformatoren van amorfe legeringen in gebruik genomen. Jiangsu Electric Power Company is zelfs van plan om in de toekomst nieuwe en gerenoveerde lijnen aan te leggen, waarbij het gebruik van transformatoren van amorfe legeringen niet minder dan 30% zal bedragen.
De ontwikkelingstrend van ijzerkernmaterialen
IJzerkernmaterialen ontwikkelen zich richting lage ijzerverliezen en hoge magnetische inductie. Voor siliciumstaalplaten geldt dat er onder andere niet-georiënteerd siliciumstaal beschikbaar is voor hoogrendementsmotoren met lage ijzerverliezen, dunne, ultralage ijzerverliezen en hoge magnetische inductie georiënteerd siliciumstaal, en hoogwaardig siliciumstaal voor energiezuinige elektrische apparaten met middelhoge en hoge frequenties.
Hoog siliciumstaal (SiFe-legering met 4,5% tot 6,7% Si) kenmerkt zich door een aanzienlijk verminderd ijzerverlies bij hoge frequenties, een hoge maximale magnetische permeabiliteit en een lage coërciviteit. Het siliciumgehalte is echter te hoog en de plasticiteit is extreem slecht bij kamertemperatuur, waardoor het moeilijk te walsen en te vormen is. Momenteel worden niet-georiënteerde 6,5% SiFe-legeringen voornamelijk geproduceerd via een siliciuminfiltratieproces.
Nanogemodificeerde materialen en biobased materialen behoren ook tot de toekomstige ontwikkelingsrichtingen. Met de toenemende vraag naar milieubescherming zal de ontwikkeling van niet-giftige, biologisch afbreekbare of recyclebare materialen met een ijzeren kern een belangrijke onderzoeksrichting worden.
Conclusie
De evolutie van transformatorkernmaterialen laat de perfecte combinatie zien van materiaalkunde en elektrotechniek. Van gewoon koolstofstaal tot siliciumstaalplaten en vervolgens tot amorfe legeringen: elke materiaaldoorbraak heeft de energie-efficiëntie van transformatoren aanzienlijk verbeterd.
In de huidige wereld, waar energiebesparing en emissiereductie een wereldwijd consensus zijn geworden, is de keuze voor efficiënte ijzerkernmaterialen niet alleen gerelateerd aan economische voordelen, maar ook aan een ecologische verantwoordelijkheid. In de toekomst zullen, met de voortdurende ontwikkeling van nieuwe materialen en processen, transformatorkernen zich blijven ontwikkelen richting lagere verliezen en een hoger rendement, wat bijdraagt aan de opbouw van een groen en koolstofarm energiesysteem.
Geplaatst op: 29 augustus 2025
