Transformatoren arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und bestehen aus zwei oder mehr Wicklungen und einem Eisen- (oder Luft-)Kern. Wenn Wechselstrom durch die Primärwicklung fließt, erzeugt er ein veränderliches Magnetfeld. Dieses Feld induziert eine elektromotorische Kraft in der Sekundärwicklung gemäß dem Faraday'schen Induktionsgesetz. Die Spannungstransformation erfolgt durch Anpassungen des Windungsverhältnisses.

Das Faraday'sche Gesetz besagt, dass die induzierte elektromotorische Kraft in einem geschlossenen Stromkreis gleich der negativen Änderungsrate des magnetischen Flusses durch den Stromkreis ist:

ε = -N dΦ/dt

Wobei ε die induzierte elektromotorische Kraft darstellt, N die Windungszahl bezeichnet und Φ den magnetischen Fluss angibt.

• Wicklungen: Isolierte Drahtspulen, die elektromotorische Kraft erzeugen und empfangen, bestehend aus Primär- (Eingangs-) und Sekundär- (Ausgangs-) Stromkreisen.
• Kern: Material mit hoher Permeabilität, das den magnetischen Fluss leitet, um die Kopplungseffizienz zu erhöhen und Energieverluste zu minimieren.
• Isolierung: Dielektrische Materialien, die Kurzschlüsse und Leckströme verhindern.
• Gehäuse: Schutzgehäuse, das mechanische Unterstützung und Wärmeableitung bietet.

Transformatorkerne dienen drei wesentlichen Zwecken:

1. Magnetflussführung: Materialien mit hoher Permeabilität konzentrieren den Fluss durch die Wicklungen und verbessern so die Kopplungseffizienz.
2. Wicklungsunterstützung: Bietet strukturelle Integrität, um eine Verformung der Spule zu verhindern.
3. Verlustreduzierung: Optimales Kerndesign und Materialien minimieren Wirbelstrom- und Hystereseverluste und erhöhen so die Effizienz.

Es gibt drei Hauptkerntypen, die auf der Materialzusammensetzung basieren:

Diese werden vorwiegend in Stromversorgungssystemen eingesetzt und verwenden dünne Siliziumstahlbleche.

• Hohe magnetische Permeabilität für effektive Flussführung
• Geringe Koerzitivfeldstärke zur Reduzierung von Hystereseverlusten
• Erhöhter spezifischer Widerstand zur Minimierung von Wirbelströmen

Isolierte Stahlbleche werden gestapelt, um Wirbelstromverluste weiter zu reduzieren, indem Zirkulationspfade eingeschränkt werden.

• Hoher Wirkungsgrad (typischerweise 95-99%)
• Hohe Leistungskapazität (Megawatt-Bereich)
• Kostengünstige Herstellung

• Sperrige Abmessungen
• Erhebliches Gewicht
• Schlechte Hochfrequenzleistung

Stromübertragungs- und -verteilungssysteme, einschließlich:

• Stromerzeugungsanlagen (Spannungserhöhung)
• Umspannwerke (Spannungsreduzierung)
• Schwere Industrieanlagen

Diese enthalten keine ferromagnetischen Materialien und verlassen sich ausschließlich auf die magnetische Kopplung der Wicklungen.

• Hervorragende elektrische Isolierung
• Vernachlässigbare Kernverluste
• Leichte Konstruktion
• Ausgezeichnetes Hochfrequenzverhalten

• Reduzierter Wirkungsgrad durch geringere Kopplung
• Begrenzte Leistungskapazität
• Anfälligkeit für externe magnetische Störungen

Spezielle Anwendungen, die Folgendes erfordern:

• Impedanzanpassung von HF-Schaltungen
• Signalisolation von Audiogeräten
• Magnetfeldsensoren

Diese verwenden keramische Ferritmaterialien (Eisenoxid-Verbundstoffe mit Nickel, Mangan oder Zink).

• Hohe Permeabilität mit Frequenzstabilität
• Extrem hoher spezifischer Widerstand
• Geringe Hochfrequenzverluste
• Vielseitige Fertigungsformen

• Kompakte Größe
• Reduzierte Masse
• Überlegener Hochfrequenzbetrieb
• Gute Hochfrequenzeffizienz

• Geringere Sättigungsflussdichte
• Temperaturempfindliche Leistung
• Höhere Materialkosten

Elektronik- und Kommunikationssysteme, einschließlich:

• Schaltnetzteile
• Signalisolation von elektronischen Geräten
• HF-Störunterdrückung
• Hochfrequenz-Wechselrichter

Die Kernauswahl beinhaltet die Bewertung von:

• Anwendungsanforderungen: Stromversorgungssysteme priorisieren Effizienz und Kapazität, während Elektronik Größe und Frequenzgang betonen.
• Betriebsfrequenz: Geschichtete Kerne eignen sich für Netzfrequenzen (50/60 Hz), Ferrite zeichnen sich bei kHz-MHz aus und Luftkerne bewältigen höchste Frequenzen.
• Effizienzziele: Energieintensive Anwendungen erfordern verlustarme Materialien.
• Physikalische Einschränkungen: Tragbare Geräte erfordern kompakte, leichte Designs.
• Thermische Überlegungen: Materialeigenschaften müssen über die Betriebstemperaturen stabil bleiben.
• EMV-Anforderungen: Einige Anwendungen erfordern minimierte elektromagnetische Störungen.

Zukünftige Trends umfassen:

• Fortschrittliche Materialien: Nanokristalline und amorphe Legierungen mit überlegenen magnetischen Eigenschaften.
• Designoptimierung: Computermodellierung für verbesserte magnetische Kopplung und reduzierte Verluste.
• Smarte Integration: Eingebettete Sensoren zur Echtzeit-Leistungsüberwachung.
• Miniaturisierung: Kompakte Kerne für tragbare Elektronik.
• Hochfrequenzanpassung: Kerne, die Schaltfrequenzen der Leistungselektronik unterstützen.

Transformatorkerne bestimmen grundlegend die Geräteleistung in Bezug auf Effizienz, Größe, Gewicht und Kosten. Geschichtete Eisen-, Luft- und Ferritkerntransformatoren dienen jeweils unterschiedlichen Anwendungen. Die optimale Auswahl erfordert eine sorgfältige Analyse der Betriebsanforderungen und Umgebungsbedingungen. Kontinuierliche Material- und Designinnovationen versprechen eine verbesserte Leistung, um den sich entwickelnden Anforderungen von Stromversorgungs- und Elektroniksystemen gerecht zu werden.