I nuclei e gli avvolgimenti dei trasformatori sono componenti fondamentali dei trasformatori di distribuzione aerei monofase: i nuclei costituiscono il circuito magnetico e lo scheletro meccanico, mentre gli avvolgimenti fungono da circuito elettrico. I materiali e la progettazione strutturale determinano direttamente l'efficienza, le perdite e l'affidabilità del trasformatore. Di seguito è riportata una ripartizione sistematica delle loro caratteristiche principali.
1. Nucleo: circuito magnetico e scheletro meccanico
1.1 Requisiti funzionali e materiali principali
- Ruolo principale: Funzione due in uno: forma un circuito magnetico chiuso per la trasmissione del flusso magnetico e funge da supporto meccanico per gli avvolgimenti.
- Requisiti materiali: Elevata permeabilità magnetica, minima perdita per isteresi e perdita per correnti parassite.
1.2 Materiali di base (evoluzione e stato attuale)
| Tipo di materiale | Periodo di applicazione | Caratteristiche chiave | Utilizzo attuale |
|---|---|---|---|
| Lamiere di acciaio al silicio laminate a caldo | 1960-1970 | Elevata perdita di ferro, scarsa permeabilità magnetica, basso coefficiente di impilamento (rivestimento di vernice isolante) | Obsoleto |
| Lamiere di acciaio al silicio non orientate laminate a freddo | - | Prestazioni moderate, permeabilità magnetica bilanciata in tutte le direzioni | Utilizzo occasionale in piccoli trasformatori |
| Lamiere di acciaio al silicio a grani orientati laminate a freddo | Corrente dominante | Bassa perdita di ferro, elevata permeabilità magnetica, elevato coefficiente di impilamento (isolamento con pellicola di ossido, nessuna necessità di vernice aggiuntiva) | Ampiamente utilizzato nei trasformatori domestici a bassa perdita e risparmio energetico |
- Spessore standard: 0.35 mm (soddisfa i requisiti di progettazione a bassa perdita).
1.3 Classificazione della struttura del nucleo
- Trasformatore di tipo core (corretto da "cardioide")
- Struttura: gli avvolgimenti sono posizionati su colonne centrali, formando una disposizione "avvolgimenti che circondano il nucleo".
- Vantaggio: struttura semplice, facile installazione dell'avvolgimento e isolamento.
- Applicazione: Domina i trasformatori di potenza domestici (struttura più comune).
- Trasformatore di tipo Shell
- Struttura: gli avvolgimenti sono inseriti nella colonna centrale del nucleo, formando una disposizione "nucleo circonda avvolgimenti".
- Applicazione: scenari speciali che richiedono una struttura compatta (ad esempio, piccoli alimentatori).
1.4 Classificazione del processo di produzione principale
- Nucleo laminato
- Fasi di produzione: punzonatura e taglio di fogli di acciaio al silicio → sfalsamento e inserimento negli avvolgimenti preisolati → fissaggio con dispositivi di fissaggio.
- Requisito fondamentale: ridurre al minimo gli spazi d'aria sulle giunzioni per ridurre la resistenza magnetica e la perdita di ferro.
- Nucleo arrotolato (nucleo avvolto)
- Caratteristica strutturale: avvolgimento integrale di strisce di acciaio al silicio, senza giunzioni evidenti.
- Vantaggio: minore perdita a vuoto, maggiore permeabilità magnetica (rispetto ai nuclei laminati).
2. Avvolgimento (bobina): nucleo del circuito elettrico
2.1 Funzione di avvolgimento e materiali
- Ruolo principale: Trasmette energia elettrica tramite induzione elettromagnetica: gli avvolgimenti ad alta tensione si collegano alla rete, mentre quelli a bassa tensione alimentano i carichi.
- Materiali Necessari:
- Trasformatori di piccola capacità: filo di rame tondo smaltato isolato.
- Trasformatori di capacità medio-grande: filo di rame piatto o filo di alluminio piatto (migliore capacità di trasporto di corrente e dissipazione del calore).
2.2 Classificazione degli avvolgimenti (per posizione e forma)
2.2.1 Avvolgimento concentrico (Mainstream)
- Structure: Gli avvolgimenti ad alta e bassa tensione sono inseriti concentricamente sulle colonne del nucleo.
- Regole di impaginazione:
- Predefinito: avvolgimento a bassa tensione all'interno (facilita l'isolamento con il nucleo), avvolgimento ad alta tensione all'esterno.
- Eccezione: trasformatori di grande capacità a bassa tensione e alta corrente: avvolgimento a bassa tensione esterno (i cavi spessi sono più facili da instradare).
- Design chiave: Lo spazio tra gli avvolgimenti funge da canale per l'olio (per i trasformatori immersi in olio) o da strato isolante, migliorando la dissipazione del calore e l'isolamento.
- Sottotipi per metodo di avvolgimento: Cilindrico, a spirale, continuo (struttura semplice, facile fabbricazione).
- Applicazione: Trasformatori a nucleo: adottati da quasi tutti i trasformatori di potenza domestici.
2.2.2 Avvolgimento sovrapposto (avvolgimento a torta)
- Structure: Gli avvolgimenti ad alta e bassa tensione sono suddivisi in più torte di fili, disposte alternativamente lungo l'altezza della colonna del nucleo.
- Regola di layout: Torti di fili a bassa tensione posizionati sugli strati superiore e inferiore (semplificano l'isolamento).
- Vantaggi principali: Piccola reattanza di dispersione, elevata resistenza meccanica, comodo instradamento dei cavi.
- Applicazione: Trasformatori a bassa tensione e alta corrente (ad esempio, trasformatori per forni di grande capacità, trasformatori per saldatrici a resistenza).
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