Трансформаторы работают по принципам электромагнитной индукции, состоя из двух или более обмоток и железного (или воздушного) сердечника. Когда переменный ток протекает через первичную обмотку, он создает переменное магнитное поле. Это поле индуцирует электродвижущую силу во вторичной обмотке в соответствии с законом индукции Фарадея. Преобразование напряжения происходит за счет регулировки коэффициента трансформации обмоток.

Закон Фарадея гласит, что индуцированная электродвижущая сила в замкнутой цепи равна отрицательной скорости изменения магнитного потока через цепь:

ε = -N dΦ/dt

Где ε представляет собой индуцированную электродвижущую силу, N обозначает число витков катушки, а Φ обозначает магнитный поток.

• Обмотки: Изолированные катушки проводов, генерирующие и принимающие электродвижущую силу, состоящие из первичной (входной) и вторичной (выходной) цепей.
• Сердечник: Материал с высокой проницаемостью, направляющий магнитный поток для повышения эффективности связи и минимизации потерь энергии.
• Изоляция: Диэлектрические материалы, предотвращающие короткие замыкания и токи утечки.
• Корпус: Защитный корпус, обеспечивающий механическую поддержку и рассеивание тепла.

Сердечники трансформаторов выполняют три основные функции:

1. Направление магнитного потока: Материалы с высокой проницаемостью концентрируют поток через обмотки, повышая эффективность связи.
2. Поддержка обмоток: Обеспечивает структурную целостность для предотвращения деформации катушек.
3. Снижение потерь: Оптимальная конструкция сердечника и материалы минимизируют потери на вихревые токи и гистерезис, повышая эффективность.

Существуют три основных типа сердечников в зависимости от состава материала:

Преимущественно используются в энергосистемах, в них применяются тонкие пластины из кремнистой стали.

• Высокая магнитная проницаемость для эффективного направления потока
• Низкая коэрцитивная сила, снижающая потери на гистерезис
• Повышенное удельное сопротивление, минимизирующее вихревые токи

Изолированные стальные листы укладываются слоями для дальнейшего уменьшения потерь на вихревые токи, ограничивая пути циркуляции.

• Высокая эффективность (обычно 95-99%)
• Большая мощность (диапазон мегаватт)
• Экономичное производство

• Большие физические размеры
• Значительный вес
• Плохие характеристики на высоких частотах

Системы передачи и распределения электроэнергии, включая:

• Электростанции (повышение напряжения)
• Подстанции (понижение напряжения)
• Тяжелое промышленное оборудование

В них отсутствуют ферромагнитные материалы, они полагаются исключительно на магнитную связь обмоток.

• Превосходная электрическая изоляция
• Незначительные потери в сердечнике
• Легкая конструкция
• Отличная высокочастотная характеристика

• Сниженная эффективность из-за более низкой связи
• Ограниченная мощность
• Восприимчивость к внешним магнитным помехам

Специализированные приложения, требующие:

• Согласование импеданса ВЧ-цепей
• Изоляция сигналов аудиооборудования
• Устройства для измерения магнитного поля

В них используются керамические ферритовые материалы (композиты оксида железа с никелем, марганцем или цинком).

• Высокая проницаемость со стабильностью частоты
• Чрезвычайно высокое удельное сопротивление
• Низкие потери на высоких частотах
• Универсальные формы производства

• Компактный размер
• Уменьшенная масса
• Превосходная работа на высоких частотах
• Хорошая эффективность на высоких частотах

• Более низкая плотность потока насыщения
• Чувствительность характеристик к температуре
• Более высокие затраты на материалы

Электронные и коммуникационные системы, включая:

• Импульсные источники питания
• Изоляция сигналов электронных устройств
• Подавление ВЧ-помех
• Высокочастотные инверторы

Выбор сердечника включает в себя оценку:

• Требования к применению: Энергосистемы отдают предпочтение эффективности и мощности, в то время как электроника делает акцент на размере и частотной характеристике.
• Рабочая частота: Ламинированные сердечники подходят для частот сети (50/60 Гц), ферриты превосходны на кГц-МГц, а воздушные сердечники работают на самых высоких частотах.
• Цели эффективности: Приложения, критичные к энергии, требуют материалов с низкими потерями.
• Физические ограничения: Портативные устройства требуют компактных, легких конструкций.
• Тепловые соображения: Свойства материала должны оставаться стабильными в рабочих температурах.
• Требования ЭМС: Для некоторых приложений необходимо минимизировать электромагнитные помехи.

Новые тенденции включают в себя:

• Передовые материалы: Нанокристаллические и аморфные сплавы, обладающие превосходными магнитными свойствами.
• Оптимизация конструкции: Компьютерное моделирование для улучшения магнитной связи и снижения потерь.
• Интеллектуальная интеграция: Встроенные датчики для мониторинга производительности в реальном времени.
• Миниатюризация: Компактные сердечники для портативной электроники.
• Адаптация к высоким частотам: Сердечники, поддерживающие частоты переключения силовой электроники.

Сердечники трансформаторов принципиально определяют производительность устройства по параметрам эффективности, размера, веса и стоимости. Ламинированное железо, воздушный сердечник и ферритовые трансформаторы каждый обслуживают различные области применения. Оптимальный выбор требует тщательного анализа эксплуатационных требований и условий окружающей среды. Непрерывные инновации в области материалов и дизайна обещают повышение производительности для удовлетворения растущих потребностей энергосистем и электронных систем.