Fiind „inima” unui transformator, miezul de fier joacă un rol crucial în conversia energiei electromagnetice. Acesta nu numai că afectează performanța energetică a transformatoarelor, dar este direct legat de volumul, greutatea și fiabilitatea funcțională a echipamentelor. Evoluția materialelor pentru miezul de fier, de la fierul pur industrial la aliajele amorfe de astăzi, a fost martora dezvoltării glorioase a tehnologiei transformatoarelor.
Funcția de bază și cerințele de performanță ale miezului de fier
Funcția principală a miezului transformatorului este de a asigura un circuit magnetic eficient, permițând transmiterea energiei electrice între diferite circuite prin principiul inducției electromagnetice. Performanța miezului de fier afectează direct indicatorii tehnici și economici ai transformatorului. Cerințele de bază pentru materialele miezului de fier sunt: pierderi reduse ale miezului de fier la o anumită frecvență și densitate a fluxului magnetic și densitate mare a fluxului magnetic la o anumită intensitate a câmpului magnetic.
Pierderea prin miez include două părți: pierderea prin histerezis și pierderea prin curenți turbionari. Pierderea prin histerezis este legată de dificultatea magnetizării materialului, în timp ce pierderea prin curenți turbionari este cauzată de curentul circulant indus de fluxul magnetic alternativ în miezul de fier. Pentru a reduce aceste pierderi, materialele ideale pentru miezul de fier ar trebui să aibă o rezistivitate electrică ridicată, o permeabilitate magnetică ridicată și o coercivitate scăzută.
Procesul de evoluție al materialelor cu miez de fier
Dezvoltarea materialelor pentru miezul transformatoarelor a parcurs o călătorie lungă și interesantă. Primele miezuri de transformatoare au folosit sârmă obișnuită de oțel carbon sau oțel carbon ca materiale magnetice. În 1885, fabrica Gunz din Ungaria a dezvoltat primul transformator monofazat cu circuit magnetic închis, iar miezul său de fier a fost fabricat din acest tip de material.
În 1900, englezul RA Hadfield și alții au descoperit că adăugarea de siliciu la oțelul moale poate îmbunătăți rezistivitatea, reduce pierderile prin curenți turbionari și histerezis și atenua fenomenul de „îmbătrânire a miezului”. În 1903, Statele Unite și Germania au început să producă table de oțel siliconic laminate la cald, marcând începutul erei tablelor de oțel siliconic.
Tablele de oțel siliconic laminate la cald prezintă probleme precum performanțe inegale și pierderi mari. În anii 1930, s-au făcut progrese în tehnologia tablelor de oțel siliconic laminate la rece. În 1933, Gauss a folosit două metode de laminare la rece și recoacere pentru a produce oțel cu 3% Si cu proprietăți magnetice ridicate de-a lungul direcției de laminare. În 1935, Armco Steel Company din Statele Unite a colaborat cu Westinghouse Company pentru a începe producția de oțel siliconic orientat laminat la rece.
După anii 1960, principalele țări industrializate au încetat treptat producția de tablă de oțel siliconic laminată la cald și s-au orientat către tablă de oțel siliconic laminată la rece, cu performanțe mai bune. În 1964, Nippon Steel Corporation din Japonia a dezvoltat tablă de oțel siliconic laminată la rece, cu granule orientate, de înaltă permeabilitate (oțel Hi-B), reducând și mai mult pierderile în gol ale transformatoarelor.
În anii 1970, materialele din aliaje amorfe și-au făcut debutul pe scena istorică. În 1974, United Microelectronics Corporation a dezvoltat aliaje amorfe pe bază de fier, iar în 1978, Statele Unite au dezvoltat transformatoare cu miez de fier amorf de 10 KVA. Acest nou tip de material are caracteristica unei pierderi de fier extrem de mici, doar 1/3-1/5 din tablă tradițională de oțel siliconic, deschizând o nouă eră de economisire a energiei pentru transformatoare.
Principalele tipuri și caracteristici ale materialelor cu miez de fier
tablă de oțel siliciu
Tabla de oțel siliconic este un aliaj magnetic moale de fier siliconic cu un conținut extrem de scăzut de carbon, în general cu un conținut de siliciu de 0,5-4,5%. Adăugarea de siliciu poate crește rezistivitatea electrică și permeabilitatea magnetică maximă a fierului, reduce coercitivitatea, pierderea miezului și îmbătrânirea magnetică. Tabla de oțel siliconic poate fi împărțită în două categorii: laminată la cald și laminată la rece, laminatele la rece fiind împărțite în continuare în tipuri orientate și neorientate.
Tabla de oțel siliconic neorientată, laminată la rece, se referă la un aliaj de 0,5%~4,0% (Si+Al), laminat la rece la grosimi de 0,65 mm, 0,5 mm și 0,35 mm, apoi recoaptă și acoperită. Textura granulară este relativ dispersată și are proprietăți magnetice relativ uniforme în toate direcțiile.
Oțelul siliciu orientat are o permeabilitate magnetică ridicată și caracteristici de pierderi reduse în direcția ușor magnetizabilă, ceea ce îndeplinește cerințele de conductivitate magnetică ale echipamentelor statice de putere, cum ar fi transformatoarele. Unghiul mediu de deviație a orientării granulelor oțelului siliciu orientat obișnuit (CGO) este de aproximativ 7°, iar valoarea susceptibilității magnetice la saturație B8 este peste 1,82 Tesla; Unghiul mediu de deviație a orientării granulelor oțelului siliciu orientat cu orientare magnetică ridicată (Hi-B) este de aproximativ 3°, iar valoarea B8 este peste 1,90 Tesla.
aliaj amorf
Aliajul amorf este un material funcțional metalic cu atomi distribuiți aleatoriu în matricea materialului, având o compoziție „sticloasă”. Un aliaj amorf tipic conține 80% fier, restul componentelor fiind bor și siliciu. Acest material are caracteristici precum o rezistență mare la inducția magnetică la saturație (1,54 T), permeabilitate magnetică ridicată, curent de excitație scăzut și pierderi extrem de mici de fier.
Pierderea de fier a aliajelor amorfe pe bază de fier este doar o treime până la o cincime din cea a tablelor de oțel siliconic orientate, ceea ce reduce pierderea în gol a transformatoarelor din aliaje amorfe cu 70% până la 80% în comparație cu transformatoarele tradiționale din oțel siliconic. Densitatea fluxului magnetic de saturație a aliajelor amorfe este relativ scăzută (aproximativ 1,5 T), astfel încât densitatea fluxului magnetic nominală este în general selectată ca fiind 1,3-1,4 T.
Grosimea benzii de aliaj amorf este extrem de subțire, de doar 0,03 mm, rezultând un coeficient de laminare de doar aproximativ 80% pentru miezul de fier amorf. Deși aliajele amorfe au o greutate specifică mai mică decât foile de oțel siliconic, greutatea miezului de fier este totuși relativ mare.
Proiectarea structurii centrale
Proiectarea structurii miezului transformatorului a suferit, de asemenea, o evoluție semnificativă. De la miezul de fier laminat cel mai vechi, la miezul de fier în formă de C și apoi la miezul de fier în formă de inel (miez de fier spiralat), fiecare structură are propriile caracteristici și avantaje.
Miezul circular de fier este realizat prin înfășurarea unor benzi de oțel siliconic, ca un arc de ceas strâns înfășurat. Acest tip de miez de fier are un circuit magnetic continuu fără goluri de aer, rezultând o rezistență magnetică scăzută și o eficiență ridicată. Comparativ cu transformatoarele laminate de aceeași capacitate, transformatoarele toroidale au avantajele dimensiunilor mici, greutății reduse și scurgerilor magnetice reduse.
Transformatoarele din aliaje amorfe, din cauza dificultății de tăiere a materialelor, acestea sunt de obicei proiectate ca structuri cu miez de fier înfășurat. Structura miezului unui transformator monofazat este un cadru, în timp ce structura miezului unui transformator trifazat este formată prin îmbinarea a patru cadre într-o structură similară unei structuri trifazate cu cinci coloane. Această structură permite ca fiecare înfășurare de fază să fie plasată pe două cadre independente ale circuitului magnetic, eliminând eficient influența fluxului magnetic armonic de-a treia.
Procesul de fabricație a materialului cu miez de fier
Procesul de fabricație a tablelor de oțel siliconic este complex, în special a tablelor de oțel siliconic orientate. Procesul său de producție este complex, fereastra de proces este îngustă, iar dificultatea producției este mare. Este cunoscut sub numele de „meșteșugul produselor din oțel”.
Procesul de fabricație a tablelor de oțel siliconic neorientate laminate la rece include de obicei: laminarea la cald a țaglelor de oțel sau turnarea continuă a țaglelor în rulouri cu o grosime de aproximativ 2,3 mm, urmată de spălare acidă, laminare la rece, recoacere și procese de acoperire cu peliculă izolatoare. Pentru produsele cu conținut ridicat de siliciu, este necesară mai întâi normalizarea acestora la 800-850 ℃ după laminarea la cald, urmată de spălare acidă, laminare la rece până la o anumită grosime, recoacere, apoi laminare la rece cu o rată de reducere scăzută și, în final, recoacere finală.
Cea mai comună metodă de producere a aliajelor amorfe este pulverizarea vaporilor de metal topit pe un cadru de înfășurare din cupru rotativ de mare viteză, iar metalul topit este răcit și solidificat în nervuri subțiri cu o viteză de 106 ℃/s. Tensiunea internă ridicată formată prin călire trebuie redusă prin recoacere între 200 ℃ și 280 ℃ pentru a obține proprietăți magnetice bune.
Beneficiile de economisire a energiei oferite de materialele cu miez de fier
Transformatoarele sunt numeroase și au o capacitate mare în sistemul energetic, rezultând pierderi totale considerabile. Se estimează că pierderile totale ale transformatoarelor din China reprezintă aproximativ 10% din producția de energie a sistemului. Fiecare reducere de 1% a pierderilor poate economisi miliarde de kilowați-oră de electricitate anual.
Transformatoarele cu miez de fier din aliaj amorf au efecte semnificative de economisire a energiei. Pierderile în gol ale transformatoarelor cu miez de aliaj amorf din seria SH12 sunt reduse cu aproximativ 75% în comparație cu transformatoarele din oțel siliciu din seria S9. Deși transformatoarele din aliaj amorf sunt mai scumpe decât transformatoarele tradiționale, costurile lor de funcționare sunt extrem de mici, iar perioada de amortizare a investiției este în general între 2-5 ani.
Regiunile dezvoltate economic, reprezentate de provinciile Shanghai, Jiangsu și Zhejiang, au adoptat transformatoare din aliaje amorfe pe scară largă. Compania de Energie Electrică Jiangsu intenționează chiar să instaleze linii noi și renovate în viitor, iar utilizarea transformatoarelor din aliaje amorfe nu va fi mai mică de 30%.
Tendința de dezvoltare a materialelor cu miez de fier
Materialele cu miez de fier se dezvoltă în direcția pierderilor reduse de fier și a inducției magnetice ridicate. Pentru tablele de oțel siliconic, se utilizează oțel siliconic neorientat pentru motoare de înaltă eficiență cu pierderi reduse de fier, oțel siliconic orientat cu specificații subțiri, cu pierderi ultra-scăzute de fier și inducție magnetică ridicată și oțel cu conținut ridicat de siliciu pentru aparate electrice de economisire a energiei de medie și înaltă frecvență.
Oțelul cu conținut ridicat de siliciu (aliaj SiFe cu 4,5%~6,7% Si) are caracteristici precum pierderi de fier semnificativ reduse la frecvențe înalte, permeabilitate magnetică maximă ridicată și coercivitate scăzută. Însă conținutul său de Si este prea mare, iar plasticitatea sa este extrem de slabă la temperatura camerei, ceea ce face dificilă laminarea și formarea. În prezent, materialele din aliaj neorientate cu 6,5% SiFe sunt preparate în principal prin procesul de infiltrare a siliciului.
Materialele nanomodificate și materialele biologice sunt, de asemenea, una dintre direcțiile viitoare de dezvoltare. Odată cu creșterea cererii de protecție a mediului, dezvoltarea de materiale cu miez de fier netoxice, biodegradabile sau reciclabile va deveni o direcție importantă de cercetare.
Concluzie
Evoluția materialelor pentru miezul transformatoarelor a fost martora unei combinări perfecte între știința materialelor și ingineria electrică. De la oțelul carbon obișnuit la tablă de oțel siliconic și apoi la aliajele amorfe, fiecare descoperire în materie de materiale a îmbunătățit semnificativ nivelul de eficiență energetică al transformatoarelor.
În lumea de astăzi, unde conservarea energiei și reducerea emisiilor au devenit un consens global, selecția materialelor eficiente cu miez de fier nu este legată doar de beneficiile economice, ci și de o responsabilitate pentru mediu. În viitor, odată cu apariția continuă a unor noi materiale și procese, miezurile transformatoarelor vor continua să se dezvolte către pierderi mai mici și o eficiență mai mare, contribuind la construirea unui sistem energetic verde și cu emisii reduse de carbon.
Data publicării: 29 august 2025
