Cum'è u "core" di un trasformatore, u core di ferru ghjoca un rolu cruciale in a cunversione di l'energia elettromagnetica. Ùn solu affetta e prestazioni di efficienza energetica di i trasformatori, ma hè ancu direttamente ligatu à u vulume, u pesu è l'affidabilità operativa di l'attrezzatura. L'evoluzione di i materiali di u core di ferru, da u ferru puru industriale à e leghe amorfe d'oghje, hà vistu u gloriosu sviluppu di a tecnulugia di i trasformatori.
A funzione principale è i requisiti di prestazione di u core di ferru
A funzione principale di u core di u trasformatore hè di furnisce un circuitu magneticu efficiente, chì permette a trasmissione di l'energia elettrica trà diversi circuiti per via di u principiu di l'induzione elettromagnetica. U rendimentu di u core di ferru affetta direttamente l'indicatori tecnichi è ecunomichi di u trasformatore. I requisiti basi per i materiali di u core di ferru sò: bassa perdita di core di ferru à una certa frequenza è densità di flussu magneticu, è alta densità di flussu magneticu à una certa forza di campu magneticu.
A perdita di u core include duie parte: a perdita di isteresi è a perdita di currenti parassite. A perdita di isteresi hè ligata à a difficultà di magnetizazione di u materiale, mentre chì a perdita di currenti parassite hè causata da a currente circulante indotta da u flussu magneticu alternatu in u core di ferru. Per riduce queste perdite, i materiali ideali di u core di ferru devenu avè una alta resistività elettrica, una alta permeabilità magnetica è una bassa coercitività.
U prucessu di evoluzione di i materiali di u core di ferru
U sviluppu di i materiali di u core di i trasformatori hè statu longu è eccitante percorsu. I primi nuclei di trasformatori utilizavanu filu d'acciaio à u carbone ordinariu o acciaio à u carbone cum'è materiali magnetichi. In u 1885, a fabbrica Gunz in Ungheria hà sviluppatu u primu trasformatore monofase cù un circuitu magneticu chjusu, è u so core di ferru era fattu di stu tipu di materiale.
In u 1900, RA Hadfield, un inglese, è altri anu scupertu chì l'aghjunta di siliciu à l'acciaiu dolce pò migliurà a resistività, riduce e perdite per currenti parassite è isteresi, è alleviare u fenomenu di "l'invecchiamentu di u core". In u 1903, i Stati Uniti è a Germania anu cuminciatu à pruduce lamiere d'acciaiu à u siliciu laminate à caldu, marcandu l'iniziu di l'era di e lamiere d'acciaiu à u siliciu.
E lamiere d'acciaio al siliciu laminate à caldu anu prublemi cum'è prestazioni irregulari è perdite elevate. In l'anni 1930, sò state fatte scoperte in a tecnulugia di e lamiere d'acciaio al siliciu laminate à fretu. In u 1933, Gauss hà utilizatu dui metudi di laminazione à fretu è di ricottura per pruduce acciaio à 3% Si cù alte proprietà magnetiche longu a direzzione di laminazione. In u 1935, Armco Steel Company di i Stati Uniti hà collaboratu cù Westinghouse Company per inizià a pruduzzione d'acciaio al siliciu orientatu laminatu à fretu.
Dopu à l'anni 1960, i principali paesi industrializati anu gradualmente cessatu di pruduce lamiere d'acciaio al silicone laminate à caldu è si sò rivolti à lamiere d'acciaio al silicone laminate à fretu cù prestazioni megliu. In u 1964, a Nippon Steel Corporation di u Giappone hà sviluppatu lamiere d'acciaio al silicone laminate à fretu à grani orientati à alta permeabilità (acciaio Hi-B), riducendu ulteriormente e perdite à vuoto di i trasformatori.
In l'anni 1970, i materiali di lega amorfa anu fattu u so debuttu nantu à a scena storica. In u 1974, United Microelectronics Corporation hà sviluppatu leghe amorfe à basa di ferru, è in u 1978, i Stati Uniti anu sviluppatu trasformatori cù nucleu di ferru amorfu di 10KVA. Stu novu tipu di materiale hà a caratteristica di una perdita di ferru estremamente bassa, solu 1/3-1/5 di e lamiere d'acciaiu à u siliciu tradiziunali, aprendu una nova era di risparmiu energeticu per i trasformatori.
Tipi principali è caratteristiche di i materiali di u core di ferru
foglia d'acciaio al silicone
A lamiera d'acciaio al siliciu hè una lega magnetica dolce di ferru al siliciu cù un cuntenutu di carbone estremamente bassu, generalmente cù un cuntenutu di siliciu di 0,5-4,5%. L'aghjunta di siliciu pò aumentà a resistività elettrica è a permeabilità magnetica massima di u ferru, riduce a coercitività, a perdita di core è l'invecchiamentu magneticu. E lamiere d'acciaio al siliciu ponu esse divise in duie categurie: laminate à caldu è laminate à fretu, cù e laminate à fretu chì sò ulteriormente divise in tipi orientati è micca orientati.
A lamiera d'acciaio al siliciu non orientata laminata à fretu si riferisce à una lega di 0,5% ~ 4,0% (Si + Al), chì hè laminata à fretu à 0,65 mm, 0,5 mm è 0,35 mm è poi ricotta è rivestita per fà la. U so tipu di struttura di granu hè relativamente sparsa, è hà proprietà magnetiche relativamente uniformi in tutte e direzzione.
L'acciaiu di siliciu orientatu hà una alta permeabilità magnetica è caratteristiche di bassa perdita in a direzzione facilmente magnetizabile, chì risponde à i requisiti di conducibilità magnetica di l'apparecchiature di putenza statica cum'è i trasformatori. L'angulu mediu di deviazione di l'orientazione di i grani di l'acciaiu di siliciu orientatu ordinariu (CGO) hè di circa 7 °, è u valore di suscettibilità magnetica di saturazione B8 hè superiore à 1,82 Tesla; L'angulu mediu di deviazione di l'orientazione di i grani di l'acciaiu di siliciu orientatu à alta orientazione magnetica (Hi-B) hè di circa 3 °, è u valore B8 hè superiore à 1,90 Tesla.
lega amorfa
Una lega amorfa hè un materiale funzionale metallicu cù atomi distribuiti à casu in a matrice di u materiale, chì pussede una cumpusizione "vetrusa". Una lega amorfa tipica cuntene 80% di ferru, cù i cumpunenti rimanenti chì sò boru è siliciu. Stu materiale hà e caratteristiche di alta forza d'induzione magnetica di saturazione (1,54 T), alta permeabilità magnetica, bassa corrente d'eccitazione è perdita di ferru estremamente bassa.
A perdita di ferru di e leghe amorfe à basa di ferru hè solu da un terzu à un quintu di quella di e lamiere d'acciaio al siliciu orientate, ciò chì riduce a perdita senza carica di i trasformatori di leghe amorfe da 70% à 80% paragunatu à i trasformatori tradiziunali d'acciaio al siliciu. A densità di flussu magneticu di saturazione di e leghe amorfe hè relativamente bassa (circa 1,5 T), dunque a densità di flussu magneticu nominale hè generalmente scelta cum'è 1,3-1,4 T.
U spessore di a striscia di lega amorfa hè estremamente sottile, solu 0,03 mm, risultendu in un coefficientu di laminazione di solu circa 80% per u core di ferru amorfu. Ancu s'è e leghe amorfe anu una gravità specifica più bassa cà e lamiere d'acciaiu à u siliciu, u pesu di u core di ferru hè sempre relativamente pesante.
Cuncepimentu di a struttura di u core
A cuncepzione di a struttura di u core di u trasformatore hà ancu subitu una evoluzione significativa. Da u core di ferru laminatu di u primu tipu, à u core di ferru in forma di C, è dopu à u core di ferru in forma d'anellu (core di ferru a spirale), ogni struttura hà e so caratteristiche è vantaghji.
U core circulare di ferru hè fattu avvolgendu strisce d'acciaiu à u siliciu, cum'è una molla d'orologio strettamente avvolta. Stu tipu di core di ferru hà un circuitu magneticu cuntinuu senza spazii d'aria, chì risulta in una bassa resistenza magnetica è una alta efficienza. In paragone cù i trasformatori laminati di a stessa capacità, i trasformatori toroidali anu i vantaghji di dimensioni ridotte, pesu ligeru è bassa perdita magnetica.
Per i trasformatori in lega amorfa, per via di a difficultà di taglià i so materiali, sò generalmente cuncipiti cum'è strutture à core di ferru avvoltu. A struttura di u core di un trasformatore monofase hè un quadru, mentre chì a struttura di u core di un trasformatore trifase hè furmata fusionendu quattru quadri in una struttura simile à una struttura trifase à cinque colonne. Questa struttura permette di mette ogni avvolgimentu di fase nantu à dui quadri indipendenti di u circuitu magneticu, eliminendu efficacemente l'influenza di u flussu magneticu di terza armonica.
Prucessu di fabricazione di materiale di core di ferru
U prucessu di fabricazione di lamiere d'acciaiu à u silicone hè cumplessu, in particulare e lamiere d'acciaiu à u silicone orientate. U so prucessu di pruduzzione hè cumplessu, a finestra di prucessu hè stretta è a difficultà di pruduzzione hè alta. Hè cunnisciutu cum'è "l'artigianatu di i prudutti d'acciaiu".
U prucessu di fabricazione di lamiere d'acciaio al siliciu non orientate laminate à fretu include di solitu: billette d'acciaio à laminazione à caldu o billette di colata cuntinua in bobine cù un spessore di circa 2,3 mm, seguitate da lavaggio à l'acidu, laminazione à fretu, ricottura è prucessi di rivestimentu di film isolante. Per i prudutti à altu cuntenutu di siliciu, hè necessariu prima nurmalizà li à 800-850 ℃ dopu a laminazione à caldu, seguitatu da lavaggio à l'acidu, laminazione à fretu à un certu spessore, ricottura, poi laminazione à fretu à una bassa velocità di riduzione, è infine ricottura finale.
U metudu u più cumunu per a pruduzzione di leghe amorfe hè di spruzzà vapore di metallu fusu nantu à un quadru di avvolgimentu di rame rotante à alta velocità, è u metallu fusu hè raffreddato è solidificatu in coste sottili à una velocità di 106 ℃ / s. L'alta tensione interna furmata da a tempra deve esse ridutta per ricottura trà 200 ℃ è 280 ℃ per ottene buone proprietà magnetiche.
Benefici di risparmiu energeticu di i materiali à core di ferru
I trasformatori sò numerosi è anu una grande capacità in u sistema energeticu, ciò chì provoca perdite totali cunsiderevuli. Si stima chì a perdita totale di trasformatori in Cina rapprisenta circa u 10% di a generazione di energia di u sistema. Ogni riduzione di 1% di e perdite pò risparmià miliardi di kilowattora di elettricità ogni annu.
I trasformatori cù nucleu di ferru in lega amorfa anu effetti significativi di risparmiu energeticu. A perdita à vuoto di i trasformatori cù nucleu di lega amorfa di a serie SH12 hè ridutta di circa u 75% paragunata à i trasformatori d'acciaio al siliciu di a serie S9. Ancu s'è i trasformatori in lega amorfa sò più cari cà i trasformatori tradiziunali, i so costi operativi sò estremamente bassi, è u periodu di rimborsu di l'investimentu hè generalmente trà 2-5 anni.
E regioni ecunomicamente sviluppate rapprisentate da e pruvince di Shanghai, Jiangsu è Zhejiang anu aduttatu trasformatori in lega amorfa à grande scala. A Jiangsu Electric Power Company prevede ancu di installà linee nove è rinnuvate in u futuru, è l'usu di trasformatori in lega amorfa ùn deve esse micca inferiore à u 30%.
A tendenza di sviluppu di i materiali di u core di ferru
I materiali di u core di ferru si stanu sviluppendu versu una bassa perdita di ferru è una alta induzione magnetica. Per e lamiere d'acciaiu di siliciu, cumprese l'acciaiu di siliciu micca orientatu per i motori à bassa perdita di ferru è alta efficienza, l'acciaiu di siliciu orientatu à alta induzione magnetica à specificazione sottile à bassissima perdita di ferru è à bassissima perdita di ferru, è l'acciaiu à altu siliciu per apparecchi elettrici à risparmiu energeticu di media è alta frequenza.
L'acciaiu à altu cuntenutu di siliciu (lega Si Fe cù 4,5% ~ 6,7% Si) hà e caratteristiche di perdita di ferru significativamente ridutta à alte frequenze, alta permeabilità magnetica massima è bassa coercitività. Ma u so cuntenutu di Si hè troppu altu, è a so plasticità hè estremamente scarsa à temperatura ambiente, rendendu difficiule a laminazione è a furmazione. Attualmente, i materiali in lega di 6,5% Si Fe micca orientati sò principalmente preparati per mezu di u prucessu di infiltrazione di siliciu.
I materiali nanumodificati è i materiali biobasati sò ancu una di e direzzione di sviluppu futuru. Cù a crescente dumanda di prutezzione ambientale, u sviluppu di materiali cù nucleu di ferru non tossichi, biodegradabili o riciclabili diventerà una direzzione di ricerca impurtante.
Cunclusione
L'evoluzione di i materiali di u core di i trasformatori hà vistu a cumbinazione perfetta di a scienza di i materiali è di l'ingegneria elettrica. Da l'acciaiu à u carbone ordinariu à e lamiere d'acciaiu à u silicone, è dopu à e leghe amorfe, ogni scuperta materiale hà migliuratu significativamente u livellu di efficienza energetica di i trasformatori.
In u mondu d'oghje, induve a cunservazione di l'energia è a riduzione di l'emissioni sò diventate un consensu mundiale, a selezzione di materiali efficienti cù nucleu di ferru ùn hè micca solu ligata à i benefici ecunomichi, ma ancu à una rispunsabilità ambientale. In u futuru, cù l'emergenza cuntinua di novi materiali è prucessi, i nuclei di i trasformatori continueranu à sviluppassi versu perdite più basse è una maggiore efficienza, cuntribuendu à a custruzzione di un sistema energeticu verde è à basse emissioni di carbone.
Data di publicazione: 29 d'aostu 2025
