In der Gesamtstruktur des Transformators spielt der Eisenkern die Rolle des Magnetkreiskerns, der einen geschlossenen Pfad mit geringem magnetischen Widerstand bietet, um die Magnetflusskopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung zu maximieren und so eine effiziente Energieumwandlung zu erreichen. Die Qualität des Eisenkerns bestimmt direkt den Leerlaufverlust, den Erregerstrom, den Geräuschpegel und sogar die Lebensdauer des gesamten Transformators. Daher ist ein tiefes Verständnis der Materialeigenschaften, der Strukturform und des Herstellungsprozesses des Eisenkerns von großer praktischer Bedeutung für Fachleute, die in der Herstellung und im Handel mit Transformatoren tätig sind.
Eisenkerne bestehen normalerweise aus weichmagnetischen Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität, wobei kalt-gewalzte orientierte Siliziumstahlbleche am häufigsten verwendet werden. Dieses Material weist einen extrem geringen Hystereseverlust und eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte in Magnetisierungsrichtung auf, indem die Körner durch einen speziellen Walzprozess selektiv entlang der Walzrichtung angeordnet werden. Um den Wirbelstromverlust innerhalb des Eisenkerns zu reduzieren, muss die Oberfläche des Siliziumstahlblechs mit einer Isolationsschicht beschichtet werden, und die dünnen Bleche sollten auf eine bestimmte Weise gestapelt werden, um den Wirbelstrom innerhalb des Einzelblechbereichs zu begrenzen und dadurch den Wirbelstromverlust, der zwischen den Blechen aufgrund des magnetischen Wechselfelds induziert wird, deutlich zu reduzieren. Neben Siliziumstahlblechen werden in den letzten Jahren zunehmend auch amorphe Legierungsmaterialien in hocheffizienten und energiesparenden Transformatoren eingesetzt. Ein amorpher Eisenlegierungskern wird durch schnelles Abkühlen von geschmolzenem Metall mit einer Geschwindigkeit von Millionen Grad pro Sekunde hergestellt. Seine atomare Anordnung ist eine glasartige Struktur mit Fernordnung und Nahordnung, mit einer engen Hystereseschleife und extrem niedriger Koerzitivfeldstärke. Daher kann der Leerlaufverlust im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumstahlblechen um 60 % bis 80 % reduziert werden. Allerdings weisen amorphe Legierungen eine geringere magnetische Sättigungsflussdichte auf und reagieren empfindlich auf mechanische Beanspruchung, was höhere Anforderungen an die strukturelle Gestaltung und den Herstellungsprozess ihrer Eisenkerne stellt.
Aus Sicht der Strukturform werden Transformatorkerne hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: laminierte Kerne und gewickelte Kerne. Gestapelte Eisenkerne werden hergestellt, indem Siliziumstahlbleche in bestimmte Formen geschnitten und einzeln gestapelt werden. Normalerweise wird eine Struktur verwendet, bei der die Kernsäule vom Eisenjoch getrennt ist, was für die Wicklungsmontage und Isolationsbehandlung praktisch ist. Um den magnetischen Widerstand und den Erregerstrom an der Verbindungsstelle zu reduzieren, verwendet die moderne Laminiertechnologie im Allgemeinen eine Stufenüberlappung oder eine schräge Verbindungskonstruktion, die einen reibungslosen Übergang des Magnetflusses im Verbindungsbereich ermöglicht. Der Herstellungsprozess laminierter Eisenkerne ist ausgereift und für Transformatoren verschiedener Leistungsstufen, insbesondere Leistungstransformatoren mit großer Kapazität, geeignet. Andererseits wird ein gewickelter Eisenkern gebildet, indem ein durchgehender Streifen aus Siliziumstahl zu einem geschlossenen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt gewickelt wird, ohne dass Eckverbindungen erforderlich sind. Der Magnetkreis ist kontinuierlich und vollständig, und der Eisenverlust und die Geräuschentwicklung sind geringer als bei einer laminierten Struktur. Der gewickelte Eisenkern wird hauptsächlich in kleinen und mittelgroßen Verteilungstransformatoren verwendet, insbesondere in der dreidimensionalen dreieckigen gewickelten Eisenkernstruktur. Die drei Eisenkernsäulen sind in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet, mit symmetrischen Magnetkreisen, drei-Phasengleichgewicht und höherer mechanischer Festigkeit und niedrigerem Leerlaufstrom. Allerdings ist der apparative Aufwand für das Wickeln von Eisenkernen relativ hoch und die Wicklung muss direkt auf den geschlossenen Eisenkern gewickelt werden, was gewisse Einschränkungen bei der Flexibilität des Produktionsprozesses mit sich bringt.
Der Herstellungsprozess des Eisenkerns umfasst mehrere wichtige Schritte vom Materialschneiden bis zur Endmontage. Zunächst werden die Längs- und Querschneidprozesse von Siliziumstahlblechen durchgeführt. Das gewalzte Siliziumstahlband wird entsprechend den Designabmessungen durch hochpräzise Schneidlinien in spezifisch geformte Stücke geschnitten. Bei orientiertem Siliziumstahl muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die Scherrichtung mit der Walzrichtung übereinstimmt, da sonst die magnetische Leitfähigkeit des Materials erheblich verringert und die Verluste erhöht werden. Das geschnittene Blechmaterial wird einer Entgratungsbehandlung unterzogen und gelangt dann in den Stapelprozess. In modernen Produktionslinien für Eisenkerne wird beim Stapelvorgang häufig ein pneumatisch schwenkbarer Stapeltisch in Kombination mit präzisen Positionierungsvorrichtungen verwendet, um sicherzustellen, dass die Fehlausrichtungstoleranz zwischen den Teilen innerhalb eines sehr kleinen Bereichs gehalten wird. Nach Abschluss der Stapelung muss der Eisenkern festgebunden und komprimiert werden, um Geräusche und zusätzliche Verluste durch Vibrationen zwischen den Teilen während des Betriebs zu vermeiden. Für den Eisenkern von Transformatoren mit großer Kapazität sollte am Ende eine gleichmäßige Klemmkraft aufgebracht und feste Strukturen wie Isolationsdruckplatten und Durchgangsschrauben eingerichtet werden. Nachdem der Eisenkern gestapelt und komprimiert wurde, ist es in der Regel notwendig, eine Sichtprüfung und Maßmessung durchzuführen, um zu bestätigen, dass die Verbindungen fest sind und keine Verformungen oder Kurzschlüsse vorliegen, bevor mit dem nächsten Prozess begonnen wird.
Unter den Leistungsparametern des Eisenkerns sind Leerlaufverlust und Leerlaufstrom die am meisten besorgniserregenden Indikatoren. Der Leerlaufverlust setzt sich hauptsächlich aus Hystereseverlust und Wirbelstromverlust zusammen. Ersteres ist proportional zur Hystereseschleifenfläche und der Wechselfrequenz des Materials, während letzteres proportional zum Quadrat der Blechdicke, dem Quadrat der magnetischen Flussdichte und dem Quadrat der Frequenz ist. Daher sind die Verwendung dünnerer Siliziumstahlbleche (z. B. 0,23 mm oder 0,27 mm anstelle der herkömmlichen 0,35 mm) und die Erhöhung des elektrischen Widerstands von Siliziumstahlblechen wirksame Möglichkeiten, Wirbelstromverluste zu reduzieren. Der Leerlaufstrom hängt von den Magnetisierungseigenschaften des Eisenkerns ab und der Erregerstrom hochwertiger Eisenkerne beträgt bei Nennspannung normalerweise nur 0,5 % bis 2 % des Nennstroms. Die Verbindungsform und die Montagequalität des Eisenkerns haben einen erheblichen Einfluss auf den Leerlaufstrom. Durch den senkrechten Durchgang des magnetischen Flusses zwischen den Blechen werden an der Verbindungsstelle lokal Bereiche mit hohem magnetischem Widerstand erzeugt, was den Erregungsbedarf erhöht. Darüber hinaus ist auch die Erdungsmethode des Eisenkerns ein nicht zu vernachlässigendes Detail. Aufgrund des schwebenden Potentials, das durch die Induktion des elektrischen Feldes während des Betriebs des Eisenkerns erzeugt wird, kann es zu intermittierender Entladung kommen, wenn dieser nicht geerdet ist. Wenn jedoch mehrere Punkte geerdet sind, entsteht eine Kurzschlussschleife zwischen den Teilen, was zu einer lokalen Überhitzung führt. Daher besteht die gängige Praxis darin, einen bestimmten Punkt des Eisenkerns zuverlässig zu erden und einen Erdungsstreifen einzurichten, um ihn nach außen aus dem Kraftstofftank herauszuführen.
Während sich die globale Energiewirtschaft in Richtung Effizienz, Umweltfreundlichkeit und Intelligenz wandelt, entwickelt sich auch die Technologie der Transformatorkerne ständig weiter. Einerseits ersetzen neue weichmagnetische Materialien in Form amorpher Legierungen nach und nach traditionelle Siliziumstahlbleche, insbesondere im Bereich von Verteiltransformatoren, die extrem niedrige Leerlaufverluste erfordern. Die Anwendungsaussichten amorpher Eisenlegierungskerne sind vielfältig. Andererseits wird die dreidimensionale gewickelte Eisenkernstruktur aufgrund ihrer hervorragenden magnetischen Kreissymmetrie und ihres energiesparenden Effekts zur Mainstream-Technologie für kleine und mittelgroße Transformatoren mit hohem Wirkungsgrad. Gleichzeitig verbessert sich der Digitalisierungs- und Automatisierungsgrad der Herstellungsprozesse weiter, und der Einsatz fortschrittlicher Geräte wie Laserschneiden, Online-Dickenerkennung und automatische Stapelroboter hat die Herstellungsgenauigkeit und -konsistenz von Eisenkernen erheblich verbessert. Für Unternehmen, die Transformatoren herstellen, trägt die Beherrschung der Kerntechnologie des Eisenkerns und die kontinuierliche Optimierung seines Designs und Prozesses nicht nur dazu bei, Produktbetriebsverluste zu reduzieren und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt zu verbessern, sondern reagiert auch auf die weltweite Forderung nach Energieeinsparung und Emissionsreduzierung und erfüllt immer strengere Energieeffizienzstandards. Im Exporthandel ist es ebenfalls eine wichtige Fähigkeit, auf die Außenhandelsmitarbeiter achten müssen, die regulatorischen Anforderungen verschiedener Länder oder Regionen für Transformatorkernmaterialien und Verlustgrenzen zu verstehen (wie die Energieeffizienzstandards des US-Energieministeriums und die ökologischen Designrichtlinien der EU) und sie in technische Inputs für das Produktdesign umzuwandeln.
