Som «hjertet» i en transformator spiller jernkjernen en avgjørende rolle i elektromagnetisk energiomforming. Den påvirker ikke bare energieffektiviteten til transformatorer, men er også direkte relatert til volum, vekt og driftssikkerhet til utstyr. Utviklingen av jernkjernematerialer, fra industrielt rent jern til amorfe legeringer i dag, har vært vitne til den strålende utviklingen av transformatorteknologi.
Kjernefunksjonen og ytelseskravene til jernkjernen
Hovedfunksjonen til transformatorkjernen er å gi en effektiv magnetisk krets, som tillater overføring av elektrisk energi mellom forskjellige kretser gjennom prinsippet om elektromagnetisk induksjon. Jernkjernens ytelse påvirker direkte transformatorens tekniske og økonomiske indikatorer. De grunnleggende kravene til jernkjernematerialer er: lavt jernkjernetap ved en viss frekvens og magnetisk fluksstetthet, og høy magnetisk fluksstetthet ved en viss magnetfeltstyrke.
Kjernetapet består av to deler: hysteresetap og virvelstrømstap. Hysteresetap er relatert til vanskeligheten med materialmagnetisering, mens virvelstrømstap er forårsaket av sirkulasjonsstrømmen indusert av alternerende magnetisk fluks i jernkjernen. For å redusere disse tapene bør ideelle jernkjernematerialer ha høy elektrisk resistivitet, høy magnetisk permeabilitet og lav koersivitet.
Utviklingsprosessen til jernkjernematerialer
Utviklingen av kjernematerialer for transformatorer har vært gjennom en lang og spennende reise. De tidligste transformatorkjernene brukte vanlig karbonståltråd eller karbonstål som magnetiske materialer. I 1885 utviklet Gunz-fabrikken i Ungarn den første enfasede transformatoren med en lukket magnetisk krets, og jernkjernen var laget av denne typen materiale.
I 1900 fant engelskmannen R.A. Hadfield og andre ut at tilsetning av silisium i mildt stål kan forbedre resistiviteten, redusere virvelstrøm- og hysteresetap og lindre fenomenet «kjernealdring». I 1903 begynte USA og Tyskland å produsere varmvalsede silisiumstålplater, noe som markerte starten på æraen med silisiumstålplater.
Varmvalsede silisiumstålplater har problemer som ujevn ytelse og høye tap. På 1930-tallet ble det gjort gjennombrudd innen teknologien for kaldvalsede silisiumstålplater. I 1933 brukte Gauss to kaldvalsings- og glødemetoder for å produsere 3 % Si-stål med høye magnetiske egenskaper langs valseretningen. I 1935 samarbeidet Armco Steel Company i USA med Westinghouse Company for å starte produksjonen av kaldvalset orientert silisiumstål.
Etter 1960-tallet sluttet de store industrialiserte landene gradvis å produsere varmvalsede silisiumstålplater og gikk over til kaldvalsede silisiumstålplater med bedre ytelse. I 1964 utviklet Nippon Steel Corporation i Japan høypermeabilitets kornorienterte kaldvalsede silisiumstålplater (Hi-B-stål), noe som ytterligere reduserte tomgangstapene til transformatorer.
På 1970-tallet debuterte amorfe legeringsmaterialer på den historiske scenen. I 1974 utviklet United Microelectronics Corporation jernbaserte amorfe legeringer, og i 1978 utviklet USA 10 kVA amorfe jernkjernetransformatorer. Denne nye materialtypen har den egenskapen at det har ekstremt lavt jerntap, bare 1/3-1/5 av tradisjonelle silisiumstålplater, og åpnet en ny æra for energisparing for transformatorer.
Hovedtyper og egenskaper ved jernkjernematerialer
silisium stålplate
Silisiumstålplater er en myk magnetisk legering av silisiumjern med ekstremt lavt karboninnhold, vanligvis med et silisiuminnhold på 0,5–4,5 %. Tilsetning av silisium kan øke den elektriske resistiviteten og maksimale magnetiske permeabiliteten til jern, redusere koersivitet, kjernetap og magnetisk aldring. Silisiumstålplater kan deles inn i to kategorier: varmvalset og kaldvalset, hvor kaldvalset videre deles inn i orienterte og ikke-orienterte typer.
Kaldvalset, ikke-orientert silisiumstålplate refererer til en legering på 0,5 % til 4,0 % (Si+Al), som er kaldvalset til 0,65 mm, 0,5 mm og 0,35 mm, og deretter glødet og belagt for å lage den. Kornstrukturtypen er relativt spredt, og den har relativt ensartede magnetiske egenskaper i alle retninger.
Orientert silisiumstål har høy magnetisk permeabilitet og lave tapsegenskaper i den lett magnetiserbare retningen, noe som oppfyller kravene til magnetisk ledningsevne for statisk kraftutstyr som transformatorer. Den gjennomsnittlige kornorienteringsavviksvinkelen for vanlig orientert silisiumstål (CGO) er omtrent 7 °, og metningsmagnetisk susceptibilitetsverdi B8 er over 1,82 Tesla; Den gjennomsnittlige kornorienteringsavviksvinkelen for høy magnetisk orientert silisiumstål (Hi-B) er omtrent 3 °, og B8-verdien er over 1,90 Tesla.
amorf legering
En amorf legering er et metallisk funksjonelt materiale med atomer tilfeldig fordelt i materialmatrisen, og har en "glassaktig" sammensetning. En typisk amorf legering inneholder 80 % jern, mens de resterende komponentene er bor og silisium. Dette materialet har egenskapene høy metningsmagnetisk induksjonsstyrke (1,54 T), høy magnetisk permeabilitet, lav eksitasjonsstrøm og ekstremt lavt jerntap.
Jerntapet i jernbaserte amorfe legeringer er bare en tredjedel til en femtedel av tapet i orienterte silisiumstålplater, noe som reduserer tomgangstapet i amorfe legeringstransformatorer med 70 % til 80 % sammenlignet med tradisjonelle silisiumståltransformatorer. Metningsmagnetisk fluksdensitet i amorfe legeringer er relativt lav (ca. 1,5 T), så den nominelle magnetiske fluksdensiteten velges vanligvis som 1,3–1,4 T.
Tykkelsen på den amorfe legeringsstripen er ekstremt tynn, bare 0,03 mm, noe som resulterer i en lamineringskoeffisient på bare omtrent 80 % for den amorfe jernkjernen. Selv om amorfe legeringer har en lavere spesifikk vekt enn silisiumstålplater, er vekten av jernkjernen fortsatt relativt tung.
Kjernestrukturdesign
Utformingen av transformatorkjernestrukturen har også gjennomgått betydelig utvikling. Fra den tidligste laminerte jernkjernen, til den C-formede jernkjernen, og deretter til den ringformede (spiralformede jernkjerne) jernkjernen, har hver struktur sine egne egenskaper og fordeler.
Den sirkulære jernkjernen er laget av vikling av silisiumstålstrimler, som en tett viklet klokkefjær. Denne typen jernkjerne har en kontinuerlig magnetisk krets uten luftgap, noe som resulterer i lav magnetisk motstand og høy effektivitet. Sammenlignet med laminerte transformatorer med samme kapasitet har toroidale transformatorer fordelene med liten størrelse, lett vekt og lav magnetisk lekkasje.
For amorfe legeringstransformatorer, på grunn av vanskeligheten med å skjære materialene, er de vanligvis utformet som spiralformede jernkjernestrukturer. Kjernestrukturen til en enfasetransformator er en ramme, mens kjernestrukturen til en trefasetransformator dannes ved å slå sammen fire rammer til en struktur som ligner på en trefasestruktur med fem kolonner. Denne strukturen gjør det mulig å plassere hver fasevikling på to uavhengige rammer i den magnetiske kretsen, noe som effektivt eliminerer påvirkningen av den tredje harmoniske magnetiske fluksen.
Produksjonsprosess for jernkjernemateriale
Produksjonsprosessen for silisiumstålplater er kompleks, spesielt orienterte silisiumstålplater. Produksjonsprosessen er kompleks, prosessvinduet er smalt og produksjonsvanskelighetsgraden er høy. Det er kjent som «håndverk av stålprodukter».
Produksjonsprosessen for kaldvalsede, ikke-orienterte silisiumstålplater inkluderer vanligvis: varmvalsing av stålemner eller kontinuerlig støping av emner til spoler med en tykkelse på omtrent 2,3 mm, etterfulgt av syrevasking, kaldvalsing, gløding og belegging med isolasjonsfilm. For produkter med høyt silisiuminnhold er det nødvendig å først normalisere dem ved 800–850 ℃ etter varmvalsing, etterfulgt av syrevasking, kaldvalsing til en viss tykkelse, gløding, deretter kaldvalsing med lav reduksjonshastighet og til slutt sluttgløding.
Den vanligste metoden for å produsere amorfe legeringer er å sprøyte smeltet metalldamp på en høyhastighets roterende kobberviklingsramme, og det smeltede metallet avkjøles og størkner til tynne ribber med en hastighet på 106 ℃/s. Den høye indre spenningen som dannes ved bråkjøling må reduseres ved gløding mellom 200 ℃ og 280 ℃ for å oppnå gode magnetiske egenskaper.
Energibesparende fordeler med jernkjernematerialer
Transformatorer er mange og har stor kapasitet i kraftsystemet, noe som resulterer i betydelige totale tap. Det er anslått at det totale tapet av transformatorer i Kina utgjør omtrent 10 % av systemets kraftproduksjon. Hver 1 % reduksjon i tap kan spare milliarder av kilowattimer med strøm årlig.
Transformatorer med kjerne av amorfe legeringer i jern har betydelige energibesparende effekter. Tomgangstapet for transformatorer med kjerne av amorfe legeringer i SH12-serien er redusert med omtrent 75 % sammenlignet med silisiumståltransformatorer i S9-serien. Selv om transformatorer med amorfe legeringer er dyrere enn tradisjonelle transformatorer, er driftskostnadene ekstremt lave, og tilbakebetalingsperioden for investeringen er vanligvis mellom 2–5 år.
Økonomisk utviklede regioner representert ved provinsene Shanghai, Jiangsu og Zhejiang har tatt i bruk amorfe legeringstransformatorer i stor skala. Jiangsu Electric Power Company planlegger til og med å installere nye og renoverte ledninger i fremtiden, og bruken av amorfe legeringstransformatorer skal ikke være mindre enn 30 %.
Utviklingstrenden for jernkjernematerialer
Jernkjernematerialer utvikles mot lavt jerntap og høy magnetisk induksjon. For silisiumstålplater, inkludert uorientert silisiumstål for høyeffektive motorer med lavt jerntap, tynnspesifikasjon med ultralavt jerntap og høy magnetisk induksjon, og høysilisiumstål for energisparende elektriske apparater med mellom- og høyfrekvente energier.
Høysilisiumstål (SiFe-legering med 4,5 %–6,7 % Si) har egenskaper som betydelig redusert jerntap ved høye frekvenser, høy maksimal magnetisk permeabilitet og lav koersivitet. Men Si-innholdet er for høyt, og plastisiteten er ekstremt dårlig ved romtemperatur, noe som gjør det vanskelig å valse og forme. For tiden fremstilles ikke-orienterte 6,5 % SiFe-legeringsmaterialer hovedsakelig gjennom silisiuminfiltrasjonsprosessen.
Nanomodifiserte materialer og biobaserte materialer er også en av de fremtidige utviklingsretningene. Med den økende etterspørselen etter miljøvern vil utviklingen av giftfrie, biologisk nedbrytbare eller resirkulerbare jernkjernematerialer bli en viktig forskningsretning.
Konklusjon
Utviklingen av kjernematerialer for transformatorer har vært vitne til den perfekte kombinasjonen av materialvitenskap og elektroteknikk. Fra vanlig karbonstål til silisiumstålplater, og deretter til amorfe legeringer, har hvert materialgjennombrudd forbedret energieffektivitetsnivået til transformatorer betydelig.
I dagens verden, hvor energisparing og utslippsreduksjon har blitt global enighet, er valg av effektive jernkjernematerialer ikke bare knyttet til økonomiske fordeler, men også et miljøansvar. I fremtiden, med den kontinuerlige fremveksten av nye materialer og prosesser, vil transformatorkjerner fortsette å utvikles mot lavere tap og høyere effektivitet, noe som bidrar til byggingen av et grønt og lavkarbon energisystem.
Publisert: 29. august 2025
