Transformatoren werken volgens elektromagnetische inductieprincipes en bestaan uit twee of meer wikkelingen en een ijzeren (of lucht) kern. Wanneer wisselstroom door de primaire wikkeling stroomt, genereert deze een variërend magnetisch veld. Dit veld induceert elektromotorische kracht in de secundaire wikkeling volgens de wet van Faraday. Spanningstransformatie vindt plaats door aanpassingen van de wikkelverhouding.

De wet van Faraday stelt dat de geïnduceerde elektromotorische kracht in een gesloten circuit gelijk is aan de negatieve snelheid van de verandering van de magnetische flux door het circuit:

ε = -N dΦ/dt

Waarbij ε de geïnduceerde elektromotorische kracht voorstelt, N het aantal windingen van de spoel aangeeft en Φ de magnetische flux aanduidt.

• Wikkelingen: Geïsoleerde draadspoelen die elektromotorische kracht genereren en ontvangen, bestaande uit primaire (ingangs) en secundaire (uitgangs) circuits.
• Kern: Materiaal met hoge permeabiliteit dat de magnetische flux geleidt om de koppelingsrendement te verbeteren en energieverlies te minimaliseren.
• Isolatie: Diëlektrische materialen die kortsluiting en lekstromen voorkomen.
• Behuizing: Beschermende behuizing die mechanische ondersteuning en warmteafvoer biedt.

Transformatorkernen dienen drie essentiële doelen:

1. Geleiding van magnetische flux: Materialen met hoge permeabiliteit concentreren de flux door wikkelingen, waardoor de koppelingsrendement wordt verbeterd.
2. Ondersteuning van wikkelingen: Biedt structurele integriteit om vervorming van de spoel te voorkomen.
3. Verliesreductie: Optimaal kernontwerp en materialen minimaliseren wervelstroom- en hysterese-verliezen, waardoor de efficiëntie wordt verbeterd.

Er bestaan drie primaire kerntypes op basis van materiaalsamenstelling:

Deze worden voornamelijk gebruikt in energiesystemen en maken gebruik van dunne siliciumstaallamineringen.

• Hoge magnetische permeabiliteit voor effectieve fluxgeleiding
• Lage coerciviteit die hysterese-verliezen vermindert
• Verhoogde weerstand die wervelstromen minimaliseert

Geïsoleerde stalen platen worden gestapeld om wervelstroomverliezen verder te verminderen door circulatiepaden te beperken.

• Hoge efficiëntie (meestal 95-99%)
• Grote vermogensverwerkingscapaciteit (megawattbereik)
• Kosteneffectieve productie

• Omvangrijke fysieke afmetingen
• Aanzienlijk gewicht
• Slechte prestaties bij hoge frequenties

Energietransmissie- en distributiesystemen, waaronder:

• Energiecentrales (spanningsverhoging)
• Substations (spanningsverlaging)
• Zware industriële apparatuur

Deze missen ferromagnetische materialen en vertrouwen uitsluitend op magnetische koppeling van de wikkeling.

• Superieure elektrische isolatie
• Verwaarloosbare kernverliezen
• Lichtgewicht constructie
• Uitstekende respons bij hoge frequenties

• Verminderde efficiëntie door lagere koppeling
• Beperkte vermogenscapaciteit
• Gevoeligheid voor externe magnetische interferentie

Gespecialiseerde toepassingen die vereisen:

• RF-circuitimpedantie-aanpassing
• Signaalisolatie van audioapparatuur
• Magnetische veldsensoren

Deze gebruiken keramische ferritematerialen (ijzeroxidecomposieten met nikkel, mangaan of zink).

• Hoge permeabiliteit met frequentie stabiliteit
• Extreem hoge weerstand
• Lage verliezen bij hoge frequenties
• Veelzijdige fabricagevormen

• Compact formaat
• Verminderde massa
• Superieure werking bij hoge frequenties
• Goede efficiëntie bij hoge frequenties

• Lagere verzadigingsfluxdichtheid
• Temperatuurgevoelige prestaties
• Hogere materiaalkosten

Elektronische en communicatiesystemen, waaronder:

• Schakelende voedingen
• Signaalisolatie van elektronische apparaten
• RF-interferentieonderdrukking
• Hoogfrequente omvormers

Kernselectie omvat het evalueren van:

• Toepassingsvereisten: Energiesystemen geven prioriteit aan efficiëntie en capaciteit, terwijl elektronica de nadruk legt op grootte en frequentierespons.
• Operationele frequentie: Gelaagde kernen zijn geschikt voor energiefrequenties (50/60Hz), ferrites blinken uit bij kHz-MHz en luchtkeren verwerken de hoogste frequenties.
• Efficiëntiedoelen: Energie-kritische toepassingen vereisen materialen met weinig verlies.
• Fysieke beperkingen: Draagbare apparaten vereisen compacte, lichtgewicht ontwerpen.
• Thermische overwegingen: Materiaaleigenschappen moeten stabiel blijven bij bedrijfstemperaturen.
• EMC-vereisten: Sommige toepassingen hebben geminimaliseerde elektromagnetische interferentie nodig.

Opkomende trends zijn onder meer:

• Geavanceerde materialen: Nanokristallijne en amorfe legeringen die superieure magnetische eigenschappen bieden.
• Ontwerpoptimalisatie: Computationele modellering voor verbeterde magnetische koppeling en verminderde verliezen.
• Slimme integratie: Ingebouwde sensoren voor realtime prestatiebewaking.
• Miniaturisatie: Compacte kernen voor draagbare elektronica.
• Aanpassing aan hoge frequenties: Kernen die schakelfrequenties van vermogenselektronica ondersteunen.

Transformatorkernen bepalen fundamenteel de prestaties van het apparaat over efficiëntie, grootte, gewicht en kostenparameters. Gelaagd ijzer, luchtkern en ferritetransformatoren dienen elk afzonderlijke toepassingen. Optimale selectie vereist een zorgvuldige analyse van operationele vereisten en omgevingsomstandigheden. Voortdurende materiaal- en ontwerpinnovaties beloven verbeterde prestaties om te voldoen aan de evoluerende eisen van energie- en elektronische systemen.