Transformatory działają w oparciu o zasady indukcji elektromagnetycznej, składając się z dwóch lub więcej uzwojeń i rdzenia żelaznego (lub powietrznego). Kiedy prąd przemienny przepływa przez uzwojenie pierwotne, generuje zmienne pole magnetyczne. To pole indukuje siłę elektromotoryczną w uzwojeniu wtórnym zgodnie z prawem Faradaya o indukcji. Transformacja napięcia następuje poprzez regulację współczynnika zwojów.

Prawo Faradaya stwierdza, że indukowana siła elektromotoryczna w obwodzie zamkniętym jest równa ujemnej szybkości zmian strumienia magnetycznego przez obwód:

ε = -N dΦ/dt

Gdzie ε reprezentuje indukowaną siłę elektromotoryczną, N oznacza liczbę zwojów cewki, a Φ oznacza strumień magnetyczny.

• Uzwojenia: Cewki z izolowanego drutu generujące i odbierające siłę elektromotoryczną, obejmujące obwody pierwotne (wejściowe) i wtórne (wyjściowe).
• Rdzeń: Materiał o wysokiej przenikalności prowadzący strumień magnetyczny w celu zwiększenia wydajności sprzężenia i minimalizacji strat energii.
• Izolacja: Materiały dielektryczne zapobiegające zwarciom i prądom upływu.
• Obudowa: Obudowa ochronna zapewniająca wsparcie mechaniczne i rozpraszanie ciepła.

Rdzenie transformatorów służą trzem zasadniczym celom:

1. Prowadzenie strumienia magnetycznego: Materiały o wysokiej przenikalności koncentrują strumień przez uzwojenia, poprawiając wydajność sprzężenia.
2. Wsparcie uzwojeń: Zapewnia integralność strukturalną, aby zapobiec deformacji cewki.
3. Redukcja strat: Optymalna konstrukcja i materiały rdzenia minimalizują straty prądów wirowych i histerezy, zwiększając wydajność.

Istnieją trzy główne rodzaje rdzeni w oparciu o skład materiału:

Przeważnie stosowane w systemach energetycznych, wykorzystują cienkie laminacje ze stali krzemowej.

• Wysoka przenikalność magnetyczna dla skutecznego prowadzenia strumienia
• Niska koercja redukująca straty histerezy
• Podwyższona rezystywność minimalizująca prądy wirowe

Izolowane arkusze stalowe są układane w stosy, aby dodatkowo zmniejszyć straty prądów wirowych poprzez ograniczenie ścieżek cyrkulacji.

• Wysoka wydajność (zazwyczaj 95-99%)
• Duża zdolność przenoszenia mocy (zakres megawatów)
• Ekonomiczna produkcja

• Duże wymiary fizyczne
• Znaczna waga
• Słaba wydajność przy wysokich częstotliwościach

Systemy przesyłu i dystrybucji energii, w tym:

• Elektrownie (podnoszenie napięcia)
• Podstacje (obniżanie napięcia)
• Ciężki sprzęt przemysłowy

Te nie zawierają materiałów ferromagnetycznych, polegając wyłącznie na magnetycznym sprzężeniu uzwojeń.

• Doskonała izolacja elektryczna
• Pomijalne straty w rdzeniu
• Lekka konstrukcja
• Doskonała reakcja na wysokie częstotliwości

• Zmniejszona wydajność z powodu niższego sprzężenia
• Ograniczona moc
• Podatność na zewnętrzne zakłócenia magnetyczne

Specjalistyczne zastosowania wymagające:

• Dopasowywanie impedancji obwodów RF
• Izolacja sygnału w sprzęcie audio
• Urządzenia do wykrywania pola magnetycznego

Wykorzystują one ceramiczne materiały ferrytowe (kompozyty tlenku żelaza z niklem, manganem lub cynkiem).

• Wysoka przenikalność ze stabilnością częstotliwościową
• Wyjątkowo wysoka rezystywność
• Niskie straty przy wysokich częstotliwościach
• Wszechstronne kształty produkcyjne

• Kompaktowy rozmiar
• Zmniejszona masa
• Doskonała praca przy wysokich częstotliwościach
• Dobra wydajność przy wysokich częstotliwościach

• Niższa gęstość strumienia nasycenia
• Wydajność wrażliwa na temperaturę
• Wyższe koszty materiałów

Systemy elektroniczne i komunikacyjne, w tym:

• Zasilacze impulsowe
• Izolacja sygnału w urządzeniach elektronicznych
• Tłumienie zakłóceń RF
• Inwertery wysokiej częstotliwości

Wybór rdzenia obejmuje ocenę:

• Wymagania aplikacji: Systemy energetyczne priorytetowo traktują wydajność i moc, podczas gdy elektronika podkreśla rozmiar i reakcję na częstotliwość.
• Częstotliwość pracy: Rdzenie laminowane pasują do częstotliwości energetycznych (50/60 Hz), ferryty doskonale sprawdzają się w kHz-MHz, a rdzenie powietrzne obsługują najwyższe częstotliwości.
• Cele dotyczące wydajności: Aplikacje krytyczne dla energii wymagają materiałów o niskich stratach.
• Ograniczenia fizyczne: Urządzenia przenośne wymagają kompaktowych, lekkich konstrukcji.
• Aspekty termiczne: Właściwości materiału muszą pozostać stabilne w zakresie temperatur pracy.
• Wymagania EMC: Niektóre aplikacje wymagają zminimalizowania zakłóceń elektromagnetycznych.

Pojawiające się trendy obejmują:

• Zaawansowane materiały: Stopy nanokrystaliczne i amorficzne oferujące doskonałe właściwości magnetyczne.
• Optymalizacja projektu: Modelowanie obliczeniowe w celu zwiększenia sprzężenia magnetycznego i zmniejszenia strat.
• Inteligentna integracja: Wbudowane czujniki do monitorowania wydajności w czasie rzeczywistym.
• Miniaturyzacja: Kompaktowe rdzenie do elektroniki przenośnej.
• Adaptacja do wysokich częstotliwości: Rdzenie obsługujące częstotliwości przełączania elektroniki mocy.

Rdzenie transformatorów zasadniczo determinują wydajność urządzenia w zakresie wydajności, rozmiaru, wagi i kosztu. Transformatory z laminowanego żelaza, rdzenia powietrznego i ferrytowe służą różnym zastosowaniom. Optymalny wybór wymaga starannej analizy wymagań operacyjnych i warunków środowiskowych. Ciągłe innowacje w zakresie materiałów i projektowania obiecują zwiększoną wydajność, aby sprostać ewoluującym wymaganiom systemów energetycznych i elektronicznych.