Detaillierte Erklärung zu Transformatoren-Siliziumstahlblech!

Wir wissen, dass der Transformator stets im Wechselstrombetrieb arbeitet und die Leistungsverluste nicht nur im Spulenwiderstand, sondern auch im Eisenkern unter der Magnetisierung des Wechselstroms auftreten. Die Leistungsverluste im Eisenkern werden üblicherweise als „Eisenverluste“ bezeichnet. Sie entstehen durch zwei Ursachen: Hystereseverluste und Wirbelstromverluste.

Die Hystereseverluste sind die Eisenverluste, die durch die Hysterese während des Magnetisierungsprozesses des Eisenkerns entstehen. Die Größe dieser Verluste ist proportional zur Fläche der Hystereseschleife des Materials. Siliziumstahl weist eine schmale Hystereseschleife auf, wodurch die Hystereseverluste des Transformatorkerns gering sind und die Wärmeentwicklung deutlich reduziert werden kann.

Da Siliziumstahl die oben genannten Vorteile bietet, warum nicht ein ganzes Stück Siliziumstahl als Eisenkern verwenden und es zusätzlich zu Flocken verarbeiten? Denn der Chipkern kann eine andere Art von Eisenverlusten reduzieren – die Wirbelstromverluste.

Wenn der Transformator arbeitet, fließt in der Spule ein Wechselstrom, und der von ihr erzeugte magnetische Fluss ist dementsprechend ebenfalls wechselnd. Dieser sich ändernde magnetische Fluss induziert einen Strom im Eisenkern. Der im Eisenkern induzierte Strom zirkuliert in der Ebene senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses und wird daher Wirbelstrom genannt.

Wirbelstromverluste erwärmen auch den Kern. Um diese Wirbelstromverluste zu reduzieren, besteht der Eisenkern des Transformators aus voneinander isolierten Siliziumstahlblechen. Dadurch fließt der Wirbelstrom durch einen kleinen Querschnitt in einer engen, langen Schleife, was den Widerstand auf dem Wirbelstrompfad erhöht. Gleichzeitig erhöht das Silizium im Siliziumstahl den spezifischen Widerstand des Materials, was ebenfalls zur Reduzierung der Wirbelströme beiträgt.

Für den Eisenkern des Transformators wird üblicherweise ein 0,35 mm dickes, kaltgewalztes Siliziumstahlblech verwendet. Je nach benötigter Kerngröße wird es in ein langes Stück geschnitten und anschließend fächerförmig überlappt. Theoretisch lässt sich der Wirbelstromverlust umso besser reduzieren, je dünner das Siliziumstahlblech und je schmaler die Blechüberlappung ist. Dies verringert nicht nur die Wirbelstromverluste und den Temperaturanstieg, sondern spart auch Material.

Bei der Herstellung von Transformatorkernen aus Siliziumstahlblech spielen jedoch nicht nur die oben genannten Vorteile eine Rolle. Die Produktion des Eisenkerns erhöht den Arbeitsaufwand erheblich und verringert den effektiven Querschnitt des Kerns. Daher muss bei der Verwendung von Siliziumstahlblechen für Transformatorkerne die jeweilige Situation berücksichtigt, die Vor- und Nachteile abgewogen und die optimale Größe gewählt werden.

Transformatoren werden nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion hergestellt. Sie besitzen zwei Wicklungen, eine Primär- und eine Sekundärwicklung, die auf den geschlossenen Kern gewickelt sind. Wird die Primärwicklung an die Wechselspannung des Netzes angelegt, fließt ein Wechselstrom im Kern. Dadurch entsteht ein magnetisches Potenzial, das im Eisenkern einen wechselnden Hauptmagnetfluss induziert.

Warum sich die Spannung erhöhen und verringern lässt, lässt sich mit dem Lenzschen Gesetz erklären. Der durch den induzierten Strom erzeugte magnetische Fluss wirkt der Änderung des kreisförmigen magnetischen Flusses stets entgegen. Nimmt der ursprüngliche magnetische Fluss zu, so ist der durch den induzierten Strom erzeugte magnetische Fluss dem ursprünglichen magnetischen Fluss entgegengesetzt. Das heißt, der von der Wicklung erzeugte sekundäre induzierte magnetische Fluss ist dem von der Primärwicklung erzeugten Hauptfluss entgegengesetzt, wodurch in der Sekundärwicklung eine Wechselspannung niedriger Stärke entsteht. Daher ist der Eisenkern der magnetische Kreis des Transformators.

Siliziumstahlblech

Siliziumstahlblech für elektrische Anwendungen ist allgemein als Siliziumstahlblech bekannt. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um einen elektrischen Siliziumstahl mit einem Siliziumgehalt von 0,8 % bis 4,8 %, der durch Warm- und Kaltwalzen hergestellt wird. Die Dicke beträgt in der Regel weniger als 1 mm, weshalb es auch als Dünnblech bezeichnet wird. Im weiteren Sinne gehört Siliziumstahlblech zur Kategorie der Bleche, bildet aber aufgrund seines speziellen Anwendungsbereichs eine eigene Kategorie. Siliziumstahlblech für elektrische Anwendungen besitzt hervorragende elektromagnetische Eigenschaften und ist ein unverzichtbarer und wichtiger magnetischer Werkstoff in der Energie-, Telekommunikations- und Messtechnik.

(1) Klassifizierung von Siliziumstahlblechen

A. Siliziumstahlbleche lassen sich anhand ihres Siliziumgehalts in niedrig- und hochsiliziumhaltige Bleche unterteilen. Niedrigsiliziumhaltige Bleche enthalten weniger als 2,8 % Silizium, weisen eine gewisse mechanische Festigkeit auf und werden hauptsächlich für die Motorenherstellung verwendet (bekannt als Motorensiliziumstahl). Für die Herstellung von Transformatorenkernen werden hingegen Transformatorensiliziumstahlbleche verwendet. In der Praxis gibt es keine strikte Trennlinie zwischen den beiden Blechtypen, und hochsiliziumhaltige Bleche werden häufig für die Fertigung großer Motoren eingesetzt.

B. Gemäß der Produktions- und Verarbeitungstechnologie lassen sich zwei Arten unterscheiden: Warmwalzen und Kaltwalzen. Kaltgewalzte Bleche wiederum können in orientiert und nicht orientiert unterteilt werden. Kaltgewalzte Bleche zeichnen sich durch gleichmäßige Dicke, gute Oberflächenqualität und hohe magnetische Eigenschaften aus. Daher werden warmgewalzte Bleche im Zuge der industriellen Entwicklung zunehmend durch kaltgewalzte Bleche ersetzt (nach dem Motto: „Wärme wird durch Kälte ersetzt“).

(2) Leistungskennwerte für Siliziumstahlblech

A. Geringer Eisenverlust. Der wichtigste Qualitätsindikator; weltweit werden die Güteklassen anhand des Eisenverlusts eingeteilt. Je geringer der Eisenverlust, desto höher die Güteklasse und desto höher die Qualität.

B, hohe magnetische Induktionsstärke. Unter gleichen Magnetfeldbedingungen lässt sich ein Siliziumstahlblech mit höherer magnetischer Induktion herstellen, wodurch das Volumen und das Gewicht des daraus gefertigten Motor- oder Transformatorkerns relativ gering sind und somit Siliziumstahlblech, Kupferdraht und Isoliermaterialien eingespart werden können.

Bei C ist der Stapelkoeffizient hoch. Die Oberfläche des Siliziumstahlblechs ist glatt, eben und gleichmäßig dick, wodurch der Stapelkoeffizient des Eisenkerns verbessert wird.

D. Gute Stanzbarkeit. Dies ist besonders wichtig für die Herstellung kleiner, miniaturisierter Motorkerne.

E. Die Oberfläche weist eine gute Haftung und Schweißbarkeit mit der Isolierfolie auf.

F. Magnetische Alterung G. Das Siliziumstahlblech ist nach dem Glühen und Beizen zu liefern.

(1) Warmgewalztes Siliziumstahlblech für elektrische Anwendungen (GB5212-85) Das warmgewalzte Siliziumstahlblech für elektrische Anwendungen besteht aus einer ferromagnetischen Siliziumlegierung mit geringen Kohlenstoffverlusten und wird zu einem Blech mit einer Dicke von weniger als 1 mm warmgewalzt. Es wird auch als warmgewalztes Siliziumstahlblech bezeichnet. Je nach Siliziumgehalt werden warmgewalzte Siliziumstahlbleche in niedrigsiliziumhaltige (Si ≤ 2,8 %) und hochsiliziumhaltige (Si ≤ 4,8 %) Stahlbleche unterteilt.

(2) Kaltgewalztes Elektroblech (GB2521-88) besteht aus Elektroblech mit einem Siliziumgehalt von 0,8 % bis 4,8 % und wird kaltgewalzt. Kaltgewalzte Elektrobleche werden in zwei Typen unterteilt: kornfreies und kornorientiertes Stahlband. Kaltgewalztes Elektroblech zeichnet sich durch eine glatte Oberfläche, gleichmäßige Dicke, einen hohen Stapelkoeffizienten und gute Stanzeigenschaften aus und weist im Vergleich zu warmgewalztem Elektroblech eine höhere magnetische Induktion und geringere Eisenverluste auf. Durch die Verwendung von kaltgewalztem anstelle von warmgewalztem Elektroblech bei der Herstellung von Motoren oder Transformatoren lassen sich deren Gewicht und Volumen um 0 % bis 25 % reduzieren.

Bei Verwendung von kaltgewalztem, kornorientiertem Bandwerk ist die Leistung besser. Durch den Ersatz von warmgewalztem oder minderwertigem kaltgewalztem Bandwerk kann der Stromverbrauch des Transformators um 45–50 % gesenkt und die Betriebssicherheit erhöht werden. Es findet Anwendung in der Motoren- und Transformatorenfertigung. Kornorientiertes, kaltgewalztes Bandwerk dient üblicherweise als Kernmaterial für Motoren, Schweißtransformatoren usw. Es wird auch als Eisenkern für Leistungstransformatoren, Impulstransformatoren, Magnetverstärker und ähnliche Anwendungen eingesetzt. Spezifikationen und Abmessungen der Stahlplatten: Dicke 0,35, 0,50 oder 0,65 mm, Breite 800–1000 mm, Länge ≤ 2,0 m.

(3) Warmgewalztes Siliziumstahlblech für Haushaltsgeräte (GBH46002-90) Die Güteklasse des warmgewalzten Siliziumstahlblechs für Haushaltsgeräte wird durch J (Haushalt), D (Elektrizität) und R (Warmwalzen), kurz JDR, dargestellt. Die Zahl nach JDR gibt den Eisenverlustwert multipliziert mit 100 an, die Zahl nach dem horizontalen Strich die Blechdicke (mm) multipliziert mit 100. Die Anforderungen an die elektromagnetischen Eigenschaften von warmgewalzten Siliziumstahlblechen für Haushaltsgeräte können etwas niedriger sein; der minimale Eisenverlustwert (P15/50) beträgt 5,40 W/kg. Die Bleche werden üblicherweise ungewaschen geliefert. Sie eignen sich für Differentialmotoren in verschiedenen Haushaltsgeräten wie Ventilatoren, Waschmaschinen, Staubsaugern, Dunstabzugshauben usw.