Стальные сердечники для трансформаторов

Обновлено: 25.03.2023

Всем доброго времени суток! В прошлых статьях я рассказывал об определении параметров трансформатора, которые позволят рассчитать его с высокой точностью, практически, исключая необходимость повторного расчёта. Теперь необходимо совместить все параметры и выполнить полный расчёт трансформатора.

В настоящее время разработано и выпускается большое количество трансформаторов различного назначения. Однако они не всегда удовлетворяют конкретным условиям работы или их параметры не соответствуют предъявляемым к ним требованиям, например, по мощности, частоте, сочетанию напряжений вторичных обмоток, режиму работы, типу конструкции и т.д. В связи с этим возникает необходимость в проектировании и расчёте необходимого трансформатора.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Инженерный расчёт трансформатора состоит из следующих этапов:

— выбор или расчёт необходимого сердечника с определением его основных размеров;

— электрический расчёт трансформатора;

— конструктивный расчёт обмоток трансформатора.

Данным этапам предшествует выбор типа трансформатора и его принципиальной конструкции.

Как выбрать тип трансформатора

О выборе типа трансформатора и его сердечника я рассказывал в данной статье. Напомню, что основными типами являются броневые (БТ), стержневые (СТ) и тороидальные (ТТ) трансформаторы.

основные типы трансформаторов


Основные типы сердечников трансформаторов.

Кроме этих типов для прессованных сердечников существуют другие разновидности основных типов, например, EER, EFD, EP, EPO, EPX, LP, PM и т.д.

Сердечники типа EER,EP,RM,ELT


Некоторые типы прессовых сердечников.

При выборе типа сердечника следует придерживаться следующими рекомендациями:

— собственное и внешнее рассеивание магнитного поля и восприимчивость к внешним полям минимально у ТТ, далее идёт СТ, а наихудшее у БТ;

— собственная ёмкость обмоток максимальна у ТТ, а при использовании фольговых обмоток возрастает также у БТ и СТ;

— размещение большого количества выводов у БТ затруднительно, так как все обмотки размещаются на одном стержне;

— наименее технологичным является ТТ, из-за необходимости последовательного изготовления сердечника и катушек, что удлиняет цикл производства, а самым технологичным является БТ, из-за наличия одной катушки;

— минимальный вес и габариты при условии высокой технологичности обеспечивает СТ, а при малых мощностях – БТ;

— использование ТТ более рационально на высоких частотах.

По весу и габаритам трансформаторы располагаются в следующей последовательности:

малые – ТТ (при повышенных частотах), БТ, СТ, ТТ (промышленная частота);

средние – ТТ, СТ, БТ;

большие – СТ, БТ, ТТ.

При этом разница между соседними типами составляет до 30 %.

Определить расчётные коэффициенты трансформатора

К данным коэффициентам относятся коэффициенты заполнения сердечника kc и окна kOK,

теплоотдачи α и перепада температур Γ. Их необходимо знать до начала расчёта, но все они зависят от размеров трансформатора, которые не известны до начала расчёта. Поэтому при их выборе можно использовать как теоретические данные, так и накопленные предыдущим опытом проектирования.

Коэффициент заполнения сердечника kc зависит от толщины магнитного материала и технологии изготовления магнитопровода.

Для прессованных сердечников

Для ленточных и штампованных сердечников данный параметр зависит от толщины пластин или ленты

Толщина ленты, мм 0,35 0,15 0,1-0,08 0,05 0,02
Коэффициент заполнения сердечника, kc 0,93 0,9 0,85 0,75-0,8 0,65-0,7

Коэффициент заполнения окна kOK зависит от размеров окна, качества изоляции, вида проводникового материала, его толщины и диаметра и технологии намоточных работ. А у трансформатора с неполным заполнением окна (ТНЗО) – от степени заполнения окна c. В связи с этим значение kOK уменьшается при увеличении напряжения, числа обмоток, перегрева, частоты, уменьшения мощности.

Подробнее о выборе данного коэффициента можно почитать ЗДЕСЬ.

Для расчёта kOK при известных размерах окна сердечника можно определить по следующему выражению

ko — коэффициент заполнения проводниковым материалом чистого сечения катушки в плоскости окна, за вычетом всех технологических зазоров и толщин слоевой и корпусной изоляции.

∆h и ∆c – суммарная толщина корпусной и межобмоточной изоляции по высоте и ширине.

δ – минимальное значение ширины канала в окне магнитопровода,

c — степень заполнения окна катушками, то есть отношение ширины окна, занятой катушками, к полной ширине окна с:

где n — число сечений катушек в окне, для БТ n = 1, для СТ, ТТ n = 2,

ск – толщина одной катушки (на одну сторону), для БТ ск = с, для СТ, ТТ ск = с/2,

с – ширина окна сердечника.

При условии полного заполнения окна сердечника c = 1, при неполном заполнении c < 1.

На рисунке ниже приведены данные параметры

тонкая структура трансформатора


Сечения трансформаторов с учетом тонкой структуры.

Параметр ∆h является зазором в окне сердечника между его поперечными ярмами и торцами катушек (включая толщину изоляции зазора). Величина ∆c соответствует корпусной изоляции катушек в окне (включая зазор внутри гильзы и её толщину). Значение δ указывает на зазор в окне сердечника между его продольными ярмами и боковой поверхности катушек или между боковыми поверхностями двух смежных катушек в окне сердечника.

Для типовых условий можно использовать данные таблицы ниже

Параметр БТ СТ ТТ
∆h, см 0,4 0,4
∆c, см 0,27 0,46 0,32
δ, см 0,07 0,07 δТТ
k0 0,42 0,42 0,38

Для катушек из фольги ko = 0,68.

Для первоначальных и прикидочных расчётов можно принять следующие значения коэффициента заполнения окна: для типовых условий kOK = 0,3, для высоковольтных и высокочастотных трансформаторов kOK = 0,05 … 0,2.

Коэффициент теплоотдачи α показывает плотность теплового потока при перепаде температур на 1 ºС, подробнее рассматривался в данной статье. Он зависит от нескольких факторов и в первую очередь от перегрева τ и высоты катушки hK. Как правило, высота катушки до начала расчётов не известна, поэтому используется понятие базисных или типовых условий для которых τ = 50 ºС, tC = 20 ºС, hK = 5 см. Для которых α = 1*10 -3 Вт/(см 2 *ºС).

Коэффициент перепада температур в катушке Γ показывает отношение максимального перегрева к перегреву поверхности катушки. Рассматривался подробно в данной статье. Аналогично как и для коэффициента теплоотдачи для типовых условий можно считать: для ТТ Γ = 1,25, для других типов Γ = 1,06, для трансформаторов с неполным заполнением ТНЗО Γ = 1,15.

Удельные потери в сердечнике p1, psv, psm, PV показывает, каковы потери мощности в единице объёма или веса магнитного материала. Рассматривался подробно в данной статье.

Напряжённость магнитного поля Н имеет зависимость от типа магнитного материала и магнитной индукции. Зависимость от индукции достаточно не линейна и имеет название основной кривой намагничивания

основная кривая намагничивания


Петля гистерезиса и основная кривая намагничивания (красная).

Значение удельных потерь в сердечнике и зависимость напряженности магнитного поля от индукции приводятся в справочных материалах не конкретный ферромагнетик.

Дополнительные исходные величины

К данным параметрам относятся характеристики материалов и величины связанные с электрическим режимом и геометрией трансформатора.

К характеристикам материалов относятся удельные сопротивления ρ20 и плотность магнитного и проводникового ρК материала.

Для горячекатаной стали ρС = 7,55, холоднокатаной стали ρС = 7,65, сплавов 50Н ρС = 8,2, 80НХС, 79НМ ρС = 8,5 г/см 3 , для меди ρК = 8,9, для алюминия 2,7 г/см 3 .

Температурный коэффициент увеличения сопротивления kτ показывает отношение сопротивления материала при рабочей температуре tp к температуре при которой измерялся коэффициент ρ20 (t = 20 ºС).

где αρ – температурный коэффициент сопротивления ТКС, αρ = 0,004 ºС -1 ,

tc – температура среды,

τМ – максимальный перегрев катушки трансформатора,

Γ – коэффициент перепада температур в катушке.

Кроме ТКС на величину сопротивления обмоток трансформатора оказывают влияние высокочастотные эффекты переменного напряжения, с которыми можно ознакомиться здесь. Однако они проявляют себя при диаметре толщине проводникового материала больше глубины скин-слоя.

Глубину скин-слоя можно определить по следующему выражению

где ρ – удельное сопротивление проводника, для меди ρ = 0,0172 Ом*мм 2 /м,

μα — абсолютная магнитная проницаемость проводника, для меди μα = 4*π*10 -7 Гн/м,

μ0 — относительная магнитная проницаемость проводника, для меди μ0 ≈ 1,

f – частота переменного тока.

Предельная рабочая индукция BS имеет различное значение для разных видов магнитного материала, например, для холоднокатаной стали BS ≈ 1,6 Тл, горячекатаной BS ≈ 1,25 Тл, 80НХС, 79НМ BS = 0,6 Тл, 50Н BS = 1,1…1,2 Тл, 2500НМС BS = 0,2 Тл.

Тип трансформаторов ТВР и ТЕР. ТВР – трансформаторы вынужденного режима работы, когда индукцию в сердечнике В ограничена предельной рабочей индукцией BS (В = BS). ТЕР – трансформатор естественного режима работы, когда индукция в сердечнике В ограничивается потерями в сердечнике (В < BS). Если во время расчёта ТВР соотношение потерь в трансформаторе ν оказалось больше оптимальных νо (ν > νо), то трансформатор необходимо пересчитать, как ТЕР. Иначе при расчёте ТЕР индукция в сердечнике получилась больше предельной (В > BS), то необходимо пересчитать трансформатор как ТВР.

К ТВР, обычно, относятся трансформаторы промышленной частоты (50 Гц), кроме случаев заданного падения напряжения; трансформаторы с высоким перегревом; трансформаторы повторно-кратковременного режима работы, если нет ограничения по падению напряжения.

К ТЕР относят трансформаторы повышенной и высокой частоты (кроме малых на частоте до 500 Гц) и трансформаторы промышленной частоты (50 Гц) с небольшим перегревом.

Соотношение потерь в сердечнике ν = рск рассмотренно в предыдущей статье.

Для ТЕР соотношение потерь составит ν = νо.

где β – соотношение площадей поверхностей охлаждения,

φi – геометрические изображения параметров сердечников, смотреть здесь.

Расчётный параметр Б необходим для определения величины перегрева трансформатора и определяется выражением

Относительный первичный ток i1 рассмотрен в данной статье. При активной нагрузке трансформатора составляет

Реактивная составляющая i0r первичного тока вычисляется по выражению

где Не – эквивалентная напряженность магнитного поля (с учётом зазора),

lC – длина средней магнитной линии сердечника,

ω – количество витков обмотки,

j2 – плотность тока вторичной обмотки,

q2 – сечение провода вторичной обмотки.

Так как параметры сердечника не известны до начала расчёта, то можно принять для типовых условий i1 = 1,1, а параметр (1 + i1) = 2,1.

Соотношение плотностей токов в обмотках ε = j2/j1. При заданном перегреве (τ = const) определяется выражением

При заданном падении напряжения (u = const)

где x, y – параметры геометрии.

Для типовых условий до начала расчёта можно принять ε0 = 0,75, ε0i1 = 0,85, (1 + ε0i1) = 1,85.

Коэффициент допустимого увеличения потерь qp используется при расчёте трансформатора работающего в повторно-кратковременном режиме. Он зависит от отношения длительность работы tH к длительности цикла tЦ.

Определение коэффициента qp


Определение коэффициента qp.

Параметры геометрии x, y, z и геометрические изображения φi были введены в данной статье и определяются размерами сердечника трансформатора a, b, c, h.

Типы сердечников трансформаторов: броневой, стержневой и тороидальный

Ориентировочные практические рекомендации для различных условий проектирования и типов трансформаторов приведены там же.

Расчет мощности трансформатора

Расчёт мощности трансформатора происходит на основе основного уравнения мощности трансформатора, которое связывает электромагнитную мощность Р с размерами трансформатора

где kC, kOK, ε, i1 определены в данной статье,

SOK, SC – площади сечения окна и сердечника трансформатора, см 2 ,

j2 – плотность тока вторичных обмоток, А/см 2 ,

В – магнитная индукция в сердечнике, Тл.

При работе на выпрямитель приведенный первичный ток нагрузки вычисляют по выражению

где kBi – корректирующий коэффициент, зависящий от типа выпрямителя: при отсутствия выпрямителя, для схем удвоения напряжения и мостовых схем kBi = 1, для однофазной схемы со средней точкой kBi = 0,71, для трёхфазной с нулевой точкой kBi = 0,81, для однополупериодной определяется выражением

где ICP – средний ток нагрузки,

IД – действующий ток обмотки.

Появление множителей kBi приводит к необходимости коррекции расчётная мощности первичной обмотки. Поэтому вместо выходной мощности P2 вводится понятие габаритной мощности РГ, которая учитывает наличие выпрямителей.

Вследствие наличия потерь при работе трансформатора выходная мощность Р2 всегда меньше электромагнитной мощности трансформатора Р. Для вычисления электромагнитной мощности Р через выходную мощность трансформатора Р2вводят коэффициент увеличения электромагнитной мощности сР, показывающий соотношение между ними

Для типовых условий определить сР можно по следующему графику

Коэффициент увеличения мощности


Зависимость коэффициента увеличения электромагнитной мощности от мощности трансформатора.

Для других значений параметров τМ, f, BS, ρ20, PV параметр сР можно пересчитать по следующим выражениям.

где с * Р – коэффициент ср согласно графика выше,

рΔ – удельные потери мощности при заданной индукции, массе, объёму или частоте.

Как определить основные размеры сердечника?

Нахождение основных размеров сердечника сводится к нахождению произведения площадей окна SOK и сердечника SC

Тогда основные размеры определяются следующими выражениями

Разбивка SOKSC должна быть произведена так, чтобы получить параметры x, y, z оптимальными в соответствии с требуемым условием.

В тоже время, используя функции геометрии φi можно определить основной размер сразу

При необходимости придать сердечнику иную форму значения параметров x, y, z выбирают в соответствии с поставленной целью.

В следующей статье я приведу примеры выбора сердечника в соответствии с требуемыми условиями.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Причины почему сердечники трансформатора собирают из отдельных пластин

Сердечник трансформатора

Вопрос-ответ

Сердечник трансформатора — главная деталь механизма. От ее качества зависит то, как будет поступать электрический импульс в прибор, эффективность функционирования вторичных и первичных обмоток. Большая часть людей знает примерную схему работы оборудования, назовет основные детали механизма. Но вопрос о том, почему сердечник трансформатора собирают из отдельных пластин не находит ответ.

Дело в том, что на пластику подается электрический импульс, и кажется, что нет разницы одна она установлена или несколько. Поэтому постараемся максимально доступно простом языком объяснить, для чего сердечник трансформатора собирают из тонких листов, почему это важно и как правильно выбираются коэффициенты длины, ширины, проводимости.

Характеристики сердечника: теория

Прежде чем ответить на вопрос, почему сердечник трансформатора набирается из пластин, нужно понять само устройство конструктивной детали. Предназначение механизма — концентрация магнитных потоков, поступающих в прибор. В результате обработки значения получаются постоянными и соответствующими измерениям. Без наличия сердцевины невозможно было бы рассчитывать технические характеристики прибора, в том числе и коэффициент погрешности, коэффициент полезного действия и другое.

Выполняются детали их специальной электротехнической стали ферритов, железа, пермаллоя, электриков ферритного вида — в зависимости от конкретного типа и переназначения техники.

Почему сердечники трансформатора делают из отдельных пластин — улучшение магнитных характеристик этих металлов и элементов.

Устройство изготовляется из цельным пластин, которые различной толщины. Делать в приборе можно различные вариации: от 0,5 до 0,35 миллиметров, но встречается и другой по толщине лист. Холоднокатаные в отличи от горячекатаных вариаций отличаются повышенными характеристиками магнитопровода, но для сборки устройства требуются специфические навыки работы.

Набираться могут из ленты, которая свернута спиралевидным образом, только тороидальные модели. Собирать так — значит разместить вторичную обмотку, при этом значительно понизиться индуктивное сопротивление внешней обмотки (стремится у нулевым значениям), что повысит точность работы.

Для чего магнитопровод трансформатора собирают из отдельных листов, если устройство имеет можно свыше ста вольтов и ампер и частоту функционирования 50 Гц — повышение качества работы и обеспечение бесперебойного поступления электроэнергии для обработки.

Устройства собирать нужно из тонких и отдельных пластин сердечника — это уменьшает вихревые потери. Под действием на трансформатор магнитострикции они становятся деформированными, уменьшается коэффициент полезного действия, невозможно провести качественные расчеты мощности и иных технических характеристик. По факту, удлинения листов должны быть симметричны квадрату индукции, при этом колебания были бы на частоте сети, удвоенной вдвое (так как берется квадрат показателе).

Но путем опытных расчетов выясняем, что механические колебания различные по значениям, так как шум содержит высшие гармоники. Становится ясно, почему сердечник трансформатора собирают из отдельных листов и почему используются только качественные металлы для его производства.

Практика

Узнав, как работает сердечник и поняв его основные технические характеристики, материалы изготовления и конструктивные особенности, можно понять и самостоятельно, почему сердечник современного трансформатора собирают из отдельных листов железа. Для того, чтоб понять это, нужно проследить о обратного. Если бы сердцевина оборудования была выполнена из сплошного цельного куска металла, то это привело бы к возникновению переменного магнитного поля.

Это в свою очередь пододвигает к образованию существенного магнитного поля около сердечника. Возникающие дополнительные токи не нужны для стабильной и качественной работы тс, они лишь затрудняют обработку данных вторичной и первичной обмотками.

Образованные дополнительные токовые потоки непременно приведут к существенным потерям электрической энергии.

Если бы использовался сплошной кусок металла, то:

  • возникали бы дополнительные токи;
  • уменьшалось сопротивление вторично и первичных обмоток;
  • нельзя проследить технические характеристики изделия, мощность, погрешность, КПД;
  • невозможность составить план работы, на который можно опираться при производстве;
  • устройство выходит из строя, так как испытает не только необходимые магнитные потоки, но и дополнительные постоянно;
  • наблюдаются потери энергетической мощности.

Для чего сердечник любого трансформатора собирают из тонких листов стали – становится понятно — для обеспечения стабильной и бесперебойной работы. Но есть и другие причины того, почему сердечник трансформатора собирают из тонких железных листов стали:

  • есть возможность собрать аналитические данные;
  • в устройстве не возникает дополнительных токов;
  • функционирование без существенных энергетических потерь при работе;
  • срок службы;
  • удобство использования;
  • построение плана действий на производстве.

Изготовление из отдельных пластинок занимает больше времени и требует применения специфических знаний. Но без этого никак не обойтись. Для обеспечения стабильного функционирования и уменьшения потерь энергии используется число листов, изготовленных только из качественного и проверенного материала.

Почему сердечник трансформатора выполняют только из электротехнической стали ?

Сердечник трансформатора

Электротехническими сталями зазывают металлы, используемые в производстве элементов электротехнического оборудования. Ответ на вопрос, почему сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали: она обладает характеристиками, которые дают возможность уменьшить сопротивление. Благодаря снижению сопротивления трансформатор тратит меньше энергии при передаче импульсов.

Состав и производство

Электротехническая сталь – это сплав железа и силицида железа (FeSi) в различных пропорциях:

  • горячекатаном сплаве до 3,3% FeSi (Э41, Э42, Э43);
  • в холоднокатаном сплаве до 4,5% FeSi (Э310, Э320, Э3ЗО).

Силицид выводит из железа кислород, снижающий магнитные свойства. Железо восстанавливается из окислов, образуется оксид кремния, который частично превращается в шлак. Одновременно цеменит (Fe3C) заменяется графитом. Иногда в процессе производства добавляется до 0,5% алюминия. Готовая продукция поставляется в виде тонких листов.

  • Э – электротехническая;
  • Первая цифра (содержание алюминия):
  • «1» – слаболегированная;
  • «2» – среднелегированная;
  • «3» – повышеннолегированная;
  • «4» – высоколегированная;
  • «А» – небольшие удельные потери;
  • 0 – холоднокатаная.

Горячекатаные сплавы в конце обработки подвергаются воздействию высокой температуры, позволяющей придать ей нужные параметры по толщине. Высокая температура способствует перестроению связей между молекулами, что влечет за собой снижение некоторых свойств.

У холоднокатаного сплава более высокая магнитная проницаемость, если она совпадает с направлением проката. Поперек показатель гораздо ниже, поэтому сердечник лучше производить так, чтобы линии смыкались, и использовать специальные методы сборки. Кроме того, холодная прокатка повышает механическую прочность и качество поверхности листов за счет образования кристаллографической текстуры. Ее качество зависят от степени обжатия, температуры обработки и толщины листа.

По этим причинам большинство производителей стараются выполняться сердечники из стали Э-3ЗОА, хотя ее себестоимость в 2 раза превышает себестоимость горячекатаного материала.

Эксплуатационные характеристики

При выборе сплава для изготовления сердечников учитывается:

  • показатель удельно сопротивления (способность удерживать и передавать напряжение);
  • коэрцитивная сила (напряжение магнитного поля, способность материала размагничиваться);
  • коэффициент магнитной проницаемости (соотношение между индукцией и напряжением магнитного поля);
  • толщина листа.

Коэрцитивная сила, удельное сопротивление, магнитная проницаемость должны быть максимальные.

Магнитопровод в трансформаторе концентрирует магнитные потоки, вызывающие вихревые электротоки. Сердечник трансформатора выполняется из электротехнической стали для того, чтобы их снизить. Достичь этой цели можно, если выполнять его из пластин толщиной 0,35-0,5 мм.

Технические характеристики холоднокатаной электротехнической стали:

  • высокая магнитная проницаемость;
  • высокое сопротивление, снижающее потери на нагрев;
  • низкие потери на гистерезис (размагничивание) и вихревые токи.

Листы хорошо штампуются, в магнитопроводе изолируются лаком или тонкой бумагой. Это полностью отвечает на вопрос, почему сталь холоднокатаная.

Магнитопроводы трансформаторов выполняются из электротехнической стали для улучшения их эксплуатационных характеристик. При добавлении в сплав кремния и холодной прокатке сталь становится практически идеальным материалом для производства элементов электрических приборов.

Характеристики и свойства трансформаторной стали, марки и состав

Трансформаторная сталь

Особенность трансформаторной стали в улучшенных электромагнитных характеристиках. Чтобы улучшить показатели материала, в него добавили кремний, количество которого отличается в зависимости от марки. С помощью этого материала производят разнообразные виды трансформаторов. Его популярность связана с более высокими характеристиками, чем у других металлов.

Состав трансформаторной стали

Материал выполняют не только из кремния, а создают сплав с железом. Добавление этого элемента приводит к тому, что коэффициент силы увеличивается, а удельное сопротивление электрической мощности повышается, если сравнить с марками без кремния.

Если добавить в состав определенное количество кремния, это приведет к снижению отдельного веса оксидов железа.

По химическому составу этот материал можно отнести к легированным металлам за счет наличия кремния в количестве до 0,5%.

В трансформаторном железе добавление посторонних примесей в пределах 3-4,5%.

Свойства кремния

Кремнием называют основной материал полупроводниковой электроники. С его помощью изготовляют интегральные схемы, диоды, транзисторы, солнечные батареи, фотоприемники и другие приборы.

Это полупроводник, электрические свойства которого зависят от примесей. Он прозрачен для инфракрасных лучей. При низкой температуре проявляет химическую инертность, на воздухе образовывается тонкая пленка оксида. Окисление кремния происходит при нагревании до 400 градусов. Растворим во многих расплавленных металлах.

Отличительные особенности изотропной и анизотропной сталей

Какими свойствами будет обладать соединение зависит от того, сколько в него добавили кремния во время производственного процесса. Горячекатаная и холоднокатаная сталь имеют разные по размеру ячейки. Если материал отличается крупными кристаллами, то его магнитная проницаемость больше, но незначительная коэрцитивная сила, если сравнить с материалами с мелкими кристаллами. Размер зерен зависит от применяемой механической или термической обработки.

Во время отжига внутреннее напряжение в металле понижается, а одновременно с этим кристаллы увеличиваются, формируя структуру. Если сделать горячую прокатку, то не получится сформировать зерна устойчивыми в определенном положении, поэтому они размещаются хаотично. Это изотропная сталь. Она обладает магнитными свойствами, не зависящими от направления.

Чтобы была получить текстурированный материал второй раз прибегают к холодной прокатке стали, сопровождая ее отжигом в особых условиях. Это позволяет получить анизотропную сталь. Ребра в ней расположены так, как проходила прокатка. Расположение материала в правильном положении способствует повышению магнитной проницаемости и снижению коэрцитивной силы, улучшению работы устройств.

Электротехническую сталь производят и продают в рулонах или отдельных листах. Их длина от 720 до 1000 мм.

Расшифровка маркировки

Каждая марка стали обозначается определенными цифрами, несущими в себе информацию:

  1. Вначале маркировки стоит число, показывающее структурное строение и вид прокатки. К первому классу относят горячекатаную изотропную, ко второму – холоднокатаную изотропную, к третьему – холоднокатаную анизотропную.
  2. Вторая – количество кремния в материале от 0,4 до 4,8%.
  3. Третья – принадлежность к нормируемой группе.
  4. Начальные цифры используются для обозначения типа.

Четвертая и пятая цифры показывают основные нормируемые характеристики в количественном значении. Маркировка предоставляет основную информацию о материале.

Основные марки

Существуют две основные марки.

Сернистая

Марка 2212. Для промышленного производства используют тонкие листы, подверженные холодной прокатке.

Нелегированная

Она отличается от углеродистой стали наличием в составе менее 5% легирующих элементов.

Оба вида используют в производстве трансформаторной стали.

Основные свойства и характеристики

Сталь для трансформаторов применяется нержавеющая, магнитная с достаточными показателями проницаемости. Она так популярна в производстве электрооборудования благодаря тому, что обладает высокими электромагнитными характеристиками и теряет минимальное количество энергии в результате нестериса.

Из металла делают различные элементы для трансформаторов и другого электрооборудования. Также он идеально подходит для создания магнитных проводов.

Без этого особого вида стали не обходятся сердечники трансформатора по той причине, что материал способствует более высокому удельному сопротивлению. Это позволяет терять меньше мощности от вихревых токов. Эта проблема обычно касается сердечников электрооборудования. Благодаря его использованию не происходит чрезмерное нагревание сердечника.

Для уменьшения потерь от вихревых потоков, уменьшают толщину пластины. Поэтому толщина стали должна быть 0,5 мм при частоте в 50Гц. Если устройство работает при большей частоте, то необходимо делать сердечник из листов 0,1-0,2 мм.

Металл помогает уменьшить потери на перемагничивание. Это еще одна причина популярности электротехнической стали для производства сердечника трансформатора.

Так как снизить потери и процесс циклического перемагничивания можно с помощью добавления кремния в металл, то сплавы с повышенным содержанием этого элемента получили название трансформаторная сталь. Благодаря применению удалось добиться уменьшения потерь на треть. Также это позволяет уменьшить массу трансформатора на 10%, а расход металла на 20%.

Электромагнитную сталь используют практически во всей электромеханической продукции за счет своих уникальных свойств.

Производители

Этот материал производят по всему миру. Основными потребителями его считаются Япония и Китай. Они потребляют и производят до 50% всей электротехнической стали. Основным производителем является Китай, а Япония в основном экспортирует этот вид стали.

На территории Российской Федерации делают гораздо больше металла, чем необходимо для использования внутри страны. Стоимость этого вида на российском рынке составляет 80-180 рублей за килограмм. В последние годы Российской Федерации удалось выйти на объемы производства, которые составили 10% от мирового импорта стали. В качестве основных производителей выступают:

  1. Северсталь.
  2. ВИЗ-Сталь.
  3. Новолипецкий металлургический комбинат.

Эти учреждения производят продукцию в количестве в несколько раз превосходящем потребности внутреннего рынка. Это дает возможность продавать материал западным странам, таким как Италия, Швейцария, а также отправлять сталь в Индию.

Если обратить внимание на конкретный вид стали в общем объеме производства, то упор делают на динамный сортамент металла. Сталь для создания электрооборудования составляет только 30% от всего объема производства, так как ее не нужно неограниченное количество. Ее стоимость в пределах 120-180 руб./кг.

Применение

Трансформаторную сталь используют для изготовления важных элементов трансформаторов. Ее популярность связана с повышенными свойствами, благодаря добавлению в состав кремния.

Стержневой магнитопровод

Этот элемент представляет собой стержень, на который размещаются обмотки и ярма, для замыкания магнитной цепи. Их всегда делают шихтованными. Этот элемент имеет более простую конструкцию, чем броневой стержень и позволяет получить необходимую изоляцию для обмоток.

Стержневые магнитопроводы необходимы для мощных трансформаторов, так как у них на каждом стержне расположена половина обмотки. Устройства, в которых есть стержневой магнитопровод, имеет малый магнитный поток рассеивания, меньший расход провода и большая поверхность охлаждения обмотки.

Броневой

Броневые магнитопроводы больше всего подходят для небольших показателей мощности. Это касается устройств, производящих от единицы до нескольких десятков вольт-ампер. Они функционируют, когда уровень напряжения не превышает 1000 В, а частота сети питания 50 или 400Гц. От стержневых трансформаторы с броневым магнитостержнем отличаются меньшей удельной мощностью на единицу объема и веса. Но главным их преимуществом считается стоимость.

Броневые магнитопроводы отличаются прямоугольными стержнями, расположенными в горизонтальном положении, на них располагаются обмотки прямоугольной формы.

В броневом магнитопроводе присутствует ряд конструктивных достоинств. При его использовании понадобится только один комплект обмоток, в котором присутствует ярмо для защиты от негативных факторов внешней среды.

Вывод

Трансформаторная сталь производится с добавлением кремния. Этот элемент обеспечивает улучшение электромагнитных характеристик ее используют для создания сердечников трансформаторов, стержневых и броневых магнитопроводов. В маркировке изделий заложена информация о типе стали и основных нормируемых характеристиках. Стоимость материала на российском рынке составляет 120-180 руб. за кг.

Производством этого материала занимаются разные компании, но наибольшее количество выпускается на территории Китара, если рассматривать показатели по всему миру. России удалось выйти на рынок и производить до 10% мирового количества стали.

Броневые штампованные магнитопроводы из листовой Ш-образной трансформаторной стали

Ш-образный броневой наборный сердечник из пластин трансформаторной стали

Таблица № 1. Размеры типовых штампованных Ш-образных трансформаторных сердечников.

Тип сердечника у (мм) у2 (мм) b (мм) h (мм) Sok (см2) L (мм) у1 (мм) H (мм) Sс (см2) lс (см) lb (см)
1 УШ 10x10 10 6,5 6,5 18,0 1,17 36 10 31,0 0,90 5,66 5,85
2 УШ 10x15 10 6,5 6,5 18,0 1,17 36 15 31,0 1,35 5,66 6,85
3 УШ 10х20 10 6,5 6,5 18,0 1,17 36 20 31,0 1,80 5,66 7,85
4 УШ 12x12 12 8,0 8,0 22,0 1,76 44 12 38,0 1,30 6,74 7,00
5 УШ 12x18 12 8,0 8,0 22,0 1,76 44 18 38,0 1,95 6,74 8,20
6 УШ 12x24 12 8,0 8,0 22,0 1,76 44 24 38,0 2,60 6,74 9,40
7 УШ 14х14 14 9,0 9,0 25,0 2,25 50 14 43,0 1,76 7,92 8,24
8 УШ 14x21 14 9,0 9,0 25,0 2,25 50 21 43,0 2,64 7,92 9,64
9 УШ 14x28 14 9,0 9,0 25,0 2,25 50 28 43,0 3,52 7,92 11,00
10 УШ 16x16 16 10,0 10,0 28,0 2,80 56 16 48,0 2,30 9,03 9,28
11 УШ 16x24 16 10,0 10,0 28,0 2,80 56 24 48,0 3,45 9,03 10,90
12 УШ 16x32 16 10,0 10,0 28,0 2,80 56 32 48,0 4,60 9,03 12,50
13 УШ 19x19 19 12,0 12,0 33,5 4,02 67 19 57,5 3,26 10,60 11,00
14 УШ 19x28 19 12,0 12,0 33,5 4,02 67 28 57,5 4,79 10,60 12,80
15 УШ 19x38 19 12,0 12,0 33,5 4,02 67 38 57,5 6,52 10,60 14,80
16 УШ 22x22 22 14,0 14,0 39,0 5,46 78 22 67,0 4,36 12,40 13,00
17 УШ 22x33 22 14,0 14,0 39,0 5,46 78 33 67,0 6,54 12,40 15,20
18 УШ 22x44 22 14,0 14,0 39,0 5,46 78 44 67,0 8,72 12,40 17,40
19 УШ 26x26 26 17,0 17,0 47,0 7,99 94 26 81,0 6,08 14,70 15,40
20 УШ 26x39 26 17,0 17,0 47,0 7,99 94 39 81,0 9,12 14,70 18,00
21 УШ 26x52 26 17,0 17,0 47,0 7,99 94 52 81,0 12,16 14,70 20,60
22 УШ 30х30 30 19,0 19,0 53,0 10,10 106 30 91,0 8,10 16,90 17,60
23 УШ 30х45 30 19,0 19,0 53,0 10,10 106 45 91,0 12,15 16,90 20,60
24 УШ 30x60 30 19,0 19,0 53,0 10,10 106 60 91,0 16,20 16,90 23,60
25 УШ 35x35 35 22,0 22,0 61,5 13,50 123 35 105,5 11,00 19,80 20,40
26 УШ 35x52 35 22,0 22,0 61,5 13,50 123 52 105,5 16,40 19,80 23,80
27 УШ 35x70 35 22,0 22,0 61,5 13,50 123 70 105,5 22,00 19,80 27,40
28 УШ 40x40 40 26,0 26,0 72,0 18,70 144 40 124,0 14,40 26,40 22,40
29 УШ 40x60 40 26,0 26,0 72,0 18,70 144 60 124,0 21,60 26,40 26,20
30 УШ 40x80 40 26,0 26,0 72,0 18,70 144 80 124,0 28,80 26,40 31,50

Примечание:
Sок = bh - площадь окна;
Sc - сечение сердечника;
lc - средняя длина магнитного пути;
lb - средняя длина витка обмоток трансформатора;
Sc = kзyy1;
Значения kз необходимо брать из таблицы в разделе трансформаторы.

Таблица № 2. Расширенный перечень размеров типовых Ш-образных трансформаторных сердечников.

Читайте также: