В общей структуре трансформатора железный сердечник играет роль сердечника магнитной цепи, который обеспечивает замкнутый путь с низким магнитным сопротивлением для максимизации связи магнитного потока между первичной обмоткой и вторичной обмоткой, тем самым достигая эффективного преобразования энергии. Качество железного сердечника напрямую определяет потери холостого хода, ток возбуждения, уровень шума и даже срок службы всего трансформатора. Поэтому глубокое понимание характеристик материала, структурной формы и процесса изготовления железного сердечника имеет большое практическое значение для специалистов, занимающихся производством и торговлей трансформаторами.
Железные сердечники обычно изготавливаются из магнитомягких материалов с высокой магнитной проницаемостью, среди которых наиболее широко используются холоднокатаные листы из ориентированной кремнистой стали. Этот материал демонстрирует чрезвычайно низкие гистерезисные потери и высокую плотность магнитного потока насыщения в направлении намагничивания за счет избирательного расположения зерен вдоль направления прокатки с помощью специального процесса прокатки. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи внутри железного сердечника, поверхность листа из кремнистой стали должна быть покрыта изоляционным слоем, а тонкие листы должны быть уложены определенным образом, чтобы ограничить вихревые токи в пределах одного листа, тем самым значительно уменьшая потери на вихревые токи, индуцированные между листами из-за переменного магнитного поля. Помимо листов кремнистой стали, в последние годы в высоко-эффективных и энергосберегающих-трансформаторах все чаще используются материалы из аморфных сплавов. Железный сердечник из аморфного сплава изготавливается путем быстрого охлаждения расплавленного металла со скоростью миллионы градусов в секунду. Его атомное расположение представляет собой стеклоподобную структуру с дальним-беспорядком и ближним-порядком, с узкой петлей гистерезиса и чрезвычайно низкой коэрцитивной силой. Таким образом, потери без нагрузки-могут быть уменьшены на 60–80 % по сравнению с традиционными листами из кремнистой стали. Однако аморфные сплавы имеют меньшую плотность магнитного потока насыщения и чувствительны к механическим воздействиям, что предъявляет более высокие требования к конструкции и процессу изготовления их железных сердечников.
С точки зрения конструктивной формы сердечники трансформаторов в основном делятся на две категории: ламинированные сердечники и спиральные сердечники. Наборный железный сердечник изготавливается путем разрезания листов кремнистой стали на определенные формы и укладки их один за другим. Обычно используется конструкция, в которой сердечник отделен от железного ярма, что удобно для сборки намотки и обработки изоляции. Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и ток возбуждения в соединении, современная технология ламинирования обычно использует ступенчатое перекрытие или наклонную конструкцию соединения, что позволяет магнитному потоку плавно переходить в области соединения. Процесс производства ламинированных железных сердечников отработан и подходит для трансформаторов различной мощности, особенно для силовых трансформаторов большой мощности. С другой стороны, спиральный железный сердечник формируется путем намотки непрерывной полосы кремнистой стали в замкнутое круглое или прямоугольное поперечное-сечение без необходимости угловых соединений. Магнитная цепь является непрерывной и целостной, а потери в железе и шум ниже, чем у ламинированной конструкции. Спиральный железный сердечник в основном используется в распределительных трансформаторах малых и средних-размеров, особенно в трехмерной треугольной конструкции со спиральным железным сердечником. Три колонны с железным сердечником расположены в виде равностороннего треугольника с симметричными магнитными цепями, трехфазным балансом, более высокой механической прочностью и меньшим током холостого хода. Однако инвестиции в оборудование для намотки железных сердечников относительно высоки, и обмотку необходимо наматывать непосредственно на закрытый железный сердечник, что имеет определенные ограничения на гибкость производственного процесса.
Процесс производства железного сердечника охватывает множество ключевых звеньев: от резки материала до окончательной сборки. Во-первых, выполняются процессы продольной и поперечной резки листов кремнистой стали. Прокатанная полоса кремнистой стали разрезается на куски определенной формы в соответствии с расчетными размерами на линиях резки высокой-прецизионной точности. Для ориентированной кремнистой стали необходимо строго следить за тем, чтобы направление сдвига соответствовало направлению прокатки, иначе это приведет к значительному снижению магнитной проводимости материала и увеличению потерь. Нарезанный листовой материал проходит обработку для удаления заусенцев, а затем поступает в процесс укладки. На современных линиях по производству железных сердечников при штабелировании часто используется пневматический стол для штабелирования с переворачивающейся стойкой в сочетании с точными приспособлениями для позиционирования, чтобы гарантировать, что допуск на несоосность между деталями контролируется в очень небольшом диапазоне. После завершения укладки железный сердечник необходимо связать и сжать, чтобы предотвратить шум и дополнительные потери, вызванные вибрацией между деталями во время работы. Для железного сердечника трансформаторов большой мощности на конце следует прикладывать равномерную силу зажима и устанавливать фиксированные конструкции, такие как изоляционные прижимные пластины и сквозные винты. После того, как железный сердечник уложен и сжат, перед переходом к следующему процессу обычно необходимо провести визуальный осмотр и измерение размеров, чтобы убедиться, что соединения герметичны, нет короблений или коротких замыканий.
Среди параметров производительности железного сердечника наиболее важными показателями являются потери-нагрузки и ток холостого-нагрузки. Потери на холостом ходу в основном состоят из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи. Первый пропорционален площади петли гистерезиса и переменной частоте материала, а второй пропорционален квадрату толщины листа, квадрату плотности магнитного потока и квадрату частоты. Поэтому использование более тонких листов кремнистой стали (например, 0,23 мм или 0,27 мм вместо традиционных 0,35 мм) и увеличение удельного электрического сопротивления листов кремнистой стали являются эффективными способами уменьшения потерь на вихревые токи. Ток холостого хода зависит от характеристик намагничивания железного сердечника, а ток возбуждения высококачественных железных сердечников при номинальном напряжении обычно составляет всего от 0,5 % до 2 % от номинального тока. Форма соединения и качество сборки железного сердечника оказывают существенное влияние на ток холостого хода. В месте соединения возникают локальные области высокого магнитного сопротивления из-за перпендикулярного прохождения магнитного потока между листами, что увеличивает потребность в возбуждении. Кроме того, способ заземления железного сердечника также является деталью, которую нельзя игнорировать. Из-за плавающего потенциала, создаваемого индукцией электрического поля во время работы железного сердечника, может возникнуть прерывистый разряд, если он не заземлен. Однако если несколько точек заземлены, между частями образуется петля короткого замыкания, что приводит к локальному перегреву. Поэтому стандартной практикой является надежное заземление определенной точки железного сердечника и установка заземляющей полосы, выводящей ее наружу из топливного бака.
Поскольку глобальная энергетическая отрасль переходит к эффективности, экологичности и интеллекту, технология изготовления сердечников трансформаторов также постоянно развивается. С одной стороны, новые магнитомягкие материалы, представленные аморфными сплавами, постепенно заменяют традиционные листы кремнистой стали, особенно в области распределительных трансформаторов, требующих чрезвычайно низких потерь холостого хода. Перспективы применения железных сердечников из аморфных сплавов широки. С другой стороны, трехмерная-структура со спиральным железным сердечником становится основной технологией для малых и средних-высокоэффективных-трансформаторов благодаря своей превосходной симметрии магнитной цепи и-эффекту энергосбережения. В то же время уровень цифровизации и автоматизации производственных процессов продолжает повышаться, а применение современного оборудования, такого как лазерная резка, онлайн-определение толщины и роботы для автоматической укладки, значительно улучшило точность и стабильность изготовления железных сердечников. Для предприятий по производству трансформаторов освоение базовой технологии изготовления железных сердечников и постоянная оптимизация их конструкции и процессов не только помогает снизить эксплуатационные потери продукции и повысить конкурентоспособность на рынке, но также отвечает глобальным требованиям к энергосбережению и сокращению выбросов, а также соответствует все более строгим стандартам энергоэффективности. В экспортной торговле понимание нормативных требований различных стран или регионов к материалам сердечника трансформатора и предельным потерям (например, стандарты энергоэффективности Министерства энергетики США и директивы ЕС по экологическому проектированию) и преобразование их в технические исходные данные для проектирования продукции также является важной способностью, на которую должны обращать внимание специалисты по внешней торговле.
