Toroidal transformatorkjerner: konstruksjon, fordeler og utvalg

Konstruksjon av den toroidale kjernen

En toroidal transformatorkjerne er viklet fra en kontinuerlig stripe av mykt magnetisk materiale til en ring, slik at den magnetiske kretsen ikke har noen skjøter og ingen luftspalte. Strimmelen kan være korn-orientert silisiumstål, ikke-orientert silisiumstål eller amorf legering, og den er viklet under strekk på en dor for å oppnå en høy lamineringsfaktor.

Etter viklingen glødes kjernen for å gjenopprette de magnetiske egenskapene og belegges med et isolerende lag. Den ferdige ringen har en utvendig diameter, en innvendig diameter og en høyde, og viklingsvinduet er definert av ringens innvendige diameter.

Hvorfor toroidale kjerner overgår EI-kjerner

Den kontinuerlige lukkede magnetiske banen til toroidkjernen gir flere praktiske fordeler i forhold til den klassiske EI-laminerte kjernen. Den magnetiske lekkasjen er mye lavere fordi fluksen er fullstendig innesluttet og viklingen omgir hele kjernen, noe som reduserer strøfeltet og den elektromagnetiske interferensen som utstråles av transformatoren.

Fordi det ikke er noe luftgap og intet leddtap, er magnetiseringsstrømmen og ingen-lasttapet lavere, effektiviteten er høyere og den hørbare støyen reduseres. Den runde formen gir også det mest kompakte volumet for en gitt effekt og den laveste vekten per kVA blant konvensjonelle kjernegeometrier.

Arbeidsprinsipp

Transformatoren fungerer ved elektromagnetisk induksjon: en vekselstrøm i primærviklingen skaper en vekselstrøm i kjernen, som induserer en spenning i sekundærviklingen. Forholdet mellom spenningene er lik forholdet mellom svingene, og flukstettheten i kjernen settes av den påførte spenningen og kjernetverrsnittet.

Den toroidale kjernen lar fluksen sirkulere i en lukket ring, så magnetiseringsstrømmen som trengs for å bygge fluksen er liten og kjernen fungerer nær den ideelle transformatoroppførselen med lave eksitasjonstap.

Materialer og utvalg

For nett-frekvenstransformatorer opp til noen få kVA er kornorientert-silisiumstål standard kjernemateriale på grunn av dets høye permeabilitet og lave tap ved 50 eller 60 Hz. For høy-applikasjoner med høy frekvens eller presisjon brukes amorft eller nanokrystallinsk bånd, noe som gir lavere tap på bekostning av høyere materialpris.

Kjernestørrelsen velges fra nødvendig effekt, arbeidsflukstettheten og tillatt temperaturøkning. Standard toroidale kjerner er tilgjengelige i en rekke utvendige diametre og høyder, og antall omdreininger beregnes ut fra voltene per omdreining av den valgte kjernen.

Typiske applikasjoner

Toroidale transformatorer brukes i lydforsterkere, medisinsk utstyr, instrumentering, avbruddsfri strømforsyning, belysningssystemer og husholdningsapparater. Deres lave støyfelt gjør dem ideelle der følsomme kretser er montert nær transformatoren, og deres lave støy er verdsatt i studio- og medisinske miljøer.

Den samme kjernegeometrien brukes også for strømtransformatorer, der den lukkede ringen gir den lave eksitasjonsstrømmen som trengs for nøyaktig måling, og for vanlige-modus-drosler i EMC-filtre.

Ofte stilte spørsmål

Spørsmål: Hva er forskjellen mellom en ringkjerne og en ringkjerne?
A: De har samme geometri: en ring av viklet stripe med et rundt vindu. Toroidal er den generelle betegnelsen for formen, mens ringkjerne ofte brukes om små presisjonskjerner i elektroniske komponenter. Begge er viklet fra sammenhengende bånd uten mellomrom.

Spørsmål: Hvorfor er startstrømmen til en ringformet transformator høy?
A: Fordi kjernen ikke har luftgap og høy permeabilitet, metter den lett når transformatoren slås på på et ugunstig punkt i spenningsbølgen. Startstrømmen kan være flere ganger den nominelle strømmen i en kort periode, og mykstartenheter brukes noen ganger i store ringkjerteltransformatorer.

Spørsmål: Hvordan påføres viklingene på en lukket ring?
A: Tråden vikles ved å tre den gjennom det sentrale vinduet med en skyttel eller en toroidformet viklingsmaskin. Maskinen roterer kjernen mens den mater ledningen gjennom vinduet, og bygger opp viklingen lag for lag rundt ringen.

Spørsmål: Hvilket materiale skal jeg velge for en 50 Hz ringformet transformator?
A: For 50 eller 60 Hz netttransformatorer gir korn-orientert silisiumstål den beste balansen mellom tap, pris og størrelse. Amorf legering kan redusere tapet uten-belastning ytterligere, men koster mer, og den er vanligvis reservert for spesielle lav-tap eller høy-utforminger.

Spørsmål: Hvordan bestemmes effekten til en toroidal kjerne?
A: Effekten avhenger av-tverrsnittet av kjernen, arbeidsflukstettheten, viklingsrommet og tillatt temperaturøkning. Leverandører leverer strøm-versus-diametertabeller for standardkjerner, og for tilpassede design beregnes vurderingen fra kjernegeometrien og viklingsarrangementet.

Spørsmål: Hvorfor er en toroidal kjerne mer stillegående enn en EI-kjerne?
A: Kjernen har ingen skjøter hvor lamineringer kan vibrere mot hverandre, og viklingen komprimerer hele ringen jevnt. Magnetostriksjonen til stålet er også mindre fordi fluksen ledes langs rulleretningen til båndet. Begge effektene reduserer den hørbare støyen fra transformatoren.