Com a "cor" d'un transformador, el nucli de ferro juga un paper crucial en la conversió d'energia electromagnètica. No només afecta el rendiment energètic dels transformadors, sinó que també està directament relacionat amb el volum, el pes i la fiabilitat operativa dels equips. L'evolució dels materials del nucli de ferro, des del ferro pur industrial fins als aliatges amorfs actuals, ha estat testimoni del gloriós desenvolupament de la tecnologia dels transformadors.
La funció principal i els requisits de rendiment del nucli de ferro
La funció principal del nucli del transformador és proporcionar un circuit magnètic eficient, permetent que l'energia elèctrica es transmeti entre diferents circuits mitjançant el principi d'inducció electromagnètica. El rendiment del nucli de ferro afecta directament els indicadors tècnics i econòmics del transformador. Els requisits bàsics per als materials del nucli de ferro són: baixa pèrdua del nucli de ferro a una determinada freqüència i densitat de flux magnètic, i alta densitat de flux magnètic a una determinada intensitat de camp magnètic.
La pèrdua del nucli inclou dues parts: la pèrdua per histèresi i la pèrdua per corrents de Foucault. La pèrdua per histèresi està relacionada amb la dificultat de magnetització del material, mentre que la pèrdua per corrents de Foucault és causada pel corrent circulant induït pel flux magnètic altern al nucli de ferro. Per reduir aquestes pèrdues, els materials ideals del nucli de ferro haurien de tenir una alta resistivitat elèctrica, una alta permeabilitat magnètica i una baixa coercivitat.
El procés d'evolució dels materials del nucli de ferro
El desenvolupament de materials per a nuclis de transformadors ha passat per un llarg i emocionant viatge. Els primers nuclis de transformadors utilitzaven filferro d'acer al carboni ordinari o acer al carboni com a materials magnètics. El 1885, la fàbrica Gunz d'Hongria va desenvolupar el primer transformador monofàsic amb un circuit magnètic tancat, i el seu nucli de ferro estava fet d'aquest tipus de material.
El 1900, l'anglès RA Hadfield i altres van descobrir que afegir silici a l'acer suau podia millorar la resistivitat, reduir les pèrdues per corrents de Foucault i histèresi, i alleujar el fenomen de "l'envelliment del nucli". El 1903, els Estats Units i Alemanya van començar a produir làmines d'acer al silici laminades en calent, cosa que va marcar l'inici de l'era de les làmines d'acer al silici.
Les làmines d'acer al silici laminades en calent presenten problemes com ara un rendiment desigual i pèrdues elevades. A la dècada de 1930, es van fer avenços en la tecnologia de les làmines d'acer al silici laminades en fred. El 1933, Gauss va utilitzar dos mètodes de laminació en fred i recuit per produir acer al 3% de Si amb altes propietats magnètiques al llarg de la direcció de laminació. El 1935, Armco Steel Company dels Estats Units va col·laborar amb Westinghouse Company per iniciar la producció d'acer al silici orientat laminat en fred.
Després de la dècada del 1960, els principals països industrialitzats van deixar gradualment de produir làmines d'acer al silici laminades en calent i van passar a làmines d'acer al silici laminades en fred amb un millor rendiment. El 1964, la Nippon Steel Corporation del Japó va desenvolupar làmines d'acer al silici laminades en fred de gra orientat d'alta permeabilitat (acer Hi-B), reduint encara més les pèrdues sense càrrega dels transformadors.
A la dècada de 1970, els materials d'aliatge amorf van debutar a l'escenari històric. El 1974, United Microelectronics Corporation va desenvolupar aliatges amorfs a base de ferro, i el 1978, els Estats Units van desenvolupar transformadors amb nucli de ferro amorf de 10 KVA. Aquest nou tipus de material té la característica d'una pèrdua de ferro extremadament baixa, només 1/3-1/5 de les làmines d'acer al silici tradicionals, obrint una nova era d'estalvi d'energia per als transformadors.
Principals tipus i característiques dels materials amb nucli de ferro
làmina d'acer al silici
La làmina d'acer al silici és un aliatge magnètic tou de ferro-silici amb un contingut de carboni extremadament baix, generalment amb un contingut de silici del 0,5-4,5%. L'addició de silici pot augmentar la resistivitat elèctrica i la permeabilitat magnètica màxima del ferro, reduir la coercivitat, la pèrdua del nucli i l'envelliment magnètic. Les làmines d'acer al silici es poden dividir en dues categories: laminades en calent i laminades en fred, i les laminades en fred es divideixen encara més en tipus orientats i no orientats.
La xapa d'acer al silici no orientada laminada en fred es refereix a un aliatge del 0,5% ~ 4,0% (Si + Al), que es lamina en fred a 0,65 mm, 0,5 mm i 0,35 mm i després es recobreix per fabricar-la. El seu tipus de textura de gra és relativament dispersa i té propietats magnètiques relativament uniformes en totes direccions.
L'acer al silici orientat té una alta permeabilitat magnètica i unes característiques de baixa pèrdua en la direcció fàcilment magnetitzable, cosa que compleix els requisits de conductivitat magnètica dels equips de potència estàtics com ara els transformadors. L'angle mitjà de desviació de l'orientació del gra de l'acer al silici orientat ordinari (CGO) és d'uns 7 °, i el valor de susceptibilitat magnètica de saturació B8 és superior a 1,82 Tesla; l'angle mitjà de desviació de l'orientació del gra de l'acer al silici orientat d'alta orientació magnètica (Hi-B) és d'uns 3 °, i el valor B8 és superior a 1,90 Tesla.
aliatge amorf
Un aliatge amorf és un material funcional metàl·lic amb àtoms distribuïts aleatòriament a la matriu del material, que posseeix una composició "vítria". Un aliatge amorf típic conté un 80% de ferro, i els components restants són bor i silici. Aquest material té les característiques d'una alta força d'inducció magnètica de saturació (1,54 T), alta permeabilitat magnètica, baix corrent d'excitació i pèrdua de ferro extremadament baixa.
La pèrdua de ferro dels aliatges amorfs a base de ferro és només d'un terç a una cinquena part de la de les làmines d'acer al silici orientat, cosa que redueix la pèrdua sense càrrega dels transformadors d'aliatge amorf en un 70% a un 80% en comparació amb els transformadors tradicionals d'acer al silici. La densitat de flux magnètic de saturació dels aliatges amorfs és relativament baixa (aproximadament 1,5 T), de manera que la densitat de flux magnètic nominal generalment es selecciona com a 1,3-1,4 T.
El gruix de la tira d'aliatge amorf és extremadament prim, només 0,03 mm, cosa que resulta en un coeficient de laminació de només aproximadament el 80% per al nucli de ferro amorf. Tot i que els aliatges amorfs tenen una gravetat específica inferior a les làmines d'acer al silici, el pes del nucli de ferro continua sent relativament pesat.
Disseny de l'estructura central
El disseny de l'estructura del nucli del transformador també ha experimentat una evolució significativa. Des del nucli de ferro laminat més antic, passant pel nucli de ferro en forma de C, i després pel nucli de ferro en forma d'anell (nucli de ferro enrotllat), cada estructura té les seves pròpies característiques i avantatges.
El nucli circular de ferro es fabrica enrotllant tires d'acer al silici, com una molla de rellotge ben enrotllada. Aquest tipus de nucli de ferro té un circuit magnètic continu sense espais d'aire, cosa que resulta en una baixa resistència magnètica i una alta eficiència. En comparació amb els transformadors laminats de la mateixa capacitat, els transformadors toroïdals tenen els avantatges de la mida petita, el pes lleuger i la baixa fuita magnètica.
Per als transformadors d'aliatge amorf, a causa de la dificultat de tallar els seus materials, se solen dissenyar com a estructures de nucli de ferro enrotllat. L'estructura del nucli d'un transformador monofàsic és un marc, mentre que l'estructura del nucli d'un transformador trifàsic es forma fusionant quatre marcs en una estructura similar a una estructura trifàsica de cinc columnes. Aquesta estructura permet que cada debanat de fase es col·loqui en dos marcs independents del circuit magnètic, eliminant eficaçment la influència del flux magnètic del tercer harmònic.
Procés de fabricació de material de nucli de ferro
El procés de fabricació de làmines d'acer al silici és complex, especialment les làmines d'acer al silici orientades. El seu procés de producció és complex, la finestra del procés és estreta i la dificultat de producció és elevada. Es coneix com l'"artesania dels productes siderúrgics".
El procés de fabricació de làmines d'acer al silici no orientades laminades en fred normalment inclou: laminació en calent de lingots d'acer o lingots de colada contínua en bobines amb un gruix d'uns 2,3 mm, seguit de rentat amb àcid, laminació en fred, recuit i processos de recobriment de pel·lícules aïllants. Per als productes amb alt contingut de silici, cal normalitzar-los primer a 800-850 ℃ després del laminació en calent, seguit de rentat amb àcid, laminació en fred fins a un cert gruix, recuit, després laminació en fred a una baixa taxa de reducció i finalment recuit final.
El mètode més comú per produir aliatges amorfs és ruixar vapor de metall fos sobre un marc de bobinatge de coure giratori d'alta velocitat, i el metall fos es refreda i se solidifica en nervadures primes a una velocitat de 106 ℃/s. L'alta tensió interna formada pel refredament s'ha de reduir mitjançant un recuit entre 200 ℃ i 280 ℃ per obtenir bones propietats magnètiques.
Beneficis d'estalvi energètic dels materials amb nucli de ferro
Els transformadors són nombrosos i tenen una gran capacitat en el sistema elèctric, cosa que provoca pèrdues totals considerables. S'estima que la pèrdua total de transformadors a la Xina representa aproximadament el 10% de la generació d'energia del sistema. Cada reducció de l'1% en les pèrdues pot estalviar milers de milions de quilowatts hora d'electricitat anualment.
Els transformadors amb nucli de ferro d'aliatge amorf tenen efectes significatius d'estalvi d'energia. La pèrdua sense càrrega dels transformadors amb nucli d'aliatge amorf de la sèrie SH12 es redueix aproximadament en un 75% en comparació amb els transformadors d'acer al silici de la sèrie S9. Tot i que els transformadors d'aliatge amorf són més cars que els transformadors tradicionals, els seus costos operatius són extremadament baixos i el període d'amortització de la inversió és generalment d'entre 2 i 5 anys.
Les regions econòmicament desenvolupades, representades per les províncies de Xangai, Jiangsu i Zhejiang, han adoptat transformadors d'aliatge amorf a gran escala. La companyia elèctrica Jiangsu fins i tot té previst instal·lar línies noves i renovades en el futur, i l'ús de transformadors d'aliatge amorf no serà inferior al 30%.
La tendència de desenvolupament dels materials de nucli de ferro
Els materials amb nucli de ferro s'estan desenvolupant cap a una baixa pèrdua de ferro i una alta inducció magnètica. Per a làmines d'acer al silici, inclòs l'acer al silici no orientat per a motors d'alta eficiència amb baixa pèrdua de ferro, l'acer al silici orientat d'alta inducció magnètica amb especificacions primes i pèrdua de ferro ultrabaixa, i l'acer amb alt contingut de silici per a electrodomèstics elèctrics d'estalvi d'energia de mitjana i alta freqüència.
L'acer amb alt contingut de silici (aliatge de SiFe amb un 4,5%~6,7% de Si) té les característiques d'una pèrdua de ferro significativament reduïda a altes freqüències, una alta permeabilitat magnètica màxima i una baixa coercivitat. Però el seu contingut de Si és massa alt i la seva plasticitat és extremadament deficient a temperatura ambient, cosa que dificulta el seu laminat i conformat. Actualment, els materials d'aliatge de SiFe al 6,5% no orientats es preparen principalment mitjançant el procés d'infiltració de silici.
Els materials nanomodificats i els materials d'origen biològic també són una de les futures direccions de desenvolupament. Amb la creixent demanda de protecció del medi ambient, el desenvolupament de materials amb nucli de ferro no tòxics, biodegradables o reciclables esdevindrà una important línia de recerca.
Conclusió
L'evolució dels materials del nucli dels transformadors ha estat testimoni de la combinació perfecta de la ciència dels materials i l'enginyeria elèctrica. Des de l'acer al carboni ordinari fins a les làmines d'acer al silici i després als aliatges amorfs, cada avenç en el material ha millorat significativament el nivell d'eficiència energètica dels transformadors.
En el món actual, on la conservació d'energia i la reducció d'emissions s'han convertit en un consens global, la selecció de materials eficients amb nucli de ferro no només està relacionada amb els beneficis econòmics, sinó també amb una responsabilitat ambiental. En el futur, amb l'aparició contínua de nous materials i processos, els nuclis dels transformadors continuaran desenvolupant-se cap a pèrdues més baixes i una major eficiència, contribuint a la construcció d'un sistema energètic verd i baix en carboni.
Data de publicació: 29 d'agost de 2025
