انواع هسته ترانسفورماتور

ترانسفورماتورها انرژی الکتریکی را از طریق میدان مغناطیسی از یک سیم پیچ به سیم پیچ دیگر منتقل می‌کنند. برای اینکه این انتقال انرژی به صورت متمرکزتر و در ابعاد کوچکتری صورت بگیرد، در میان سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور یک هسته مغناطیسی قرار می‌گیرد. وظیفه این هسته متمرکز کردن شارهای مغناطیسی و هدایت آن‌ها به عبور از هر دو سیم‌پیچ است. نبود هسته باعث می‌شود که شارهای تولیدی توسط سیم‌پیچ اولیه در هوا پراکنده شوند و فقط قسمتی از آن‌ها از سیم‌پیچ ثانویه عبور کنند. در نتیجه توان به خوبی منتقل نمی‌گردد و برای انتقال یک توان مشخص به ابعاد بزرگتری از سیم‌پیچ نیاز است.

هسته مغناطیسی یک تکه از ماده مغناطیسی با ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا است که در ادوات مغناطیسی مانند سلف، ترانسفورماتور، ماشین‌های الکتریکی و … جهت هدایت و متمرکز کردن شارهای مغناطیسی در یک مسیر خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند. هسته‌ها از مواد فرومغناطیس نرم مانند آهن و فریت ساخته می‌شوند.

با توجه به مقدار توان انتقالی، فرکانس و ولتاژ مورد استفاده، هسته‌ها در انواع مختلفی از نظر جنس، شکل و ابعاد ساخته می‌شوند. در ادامه انواع هسته ترانس از جهات مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.

انواع هسته ترانس از نظر جنس:

هسته ترانسفورماتورها بسته به کاربرد ترانسفورماتور از جنس‌های مختلف ساخته می‌شود. یک دسته‌بندی از جنس هسته ترانسفورماتور در ادامه آمده است:

۱- فلزات جامد:

آهن: از هسته آهنی در آهنرباهای الکتریکی جریان مستقیم و برخی موتورهای الکتریکی استفاده می‌شود. در عمل برای کاهش مقاومت آهن در برابر مغناطیسی شدن، آن را گرمادیده می‌کنند که به آن آهن نرم می‌گوییم. آهن می‌تواند تا ۲ تسلا میدان مغناطیسی را بدون اشباع شدن تحمل کند. از آنجایی که آهن یک رسانای الکتریکی است، در کاربردهای AC مانند ترانسفورماتورها، سلف‌ها و موتورهای AC اگر از آهن “یک تکه” استفاده شود، تلفات زیادی به واسطه جریان‌های گردابی در آن ایجاد می‌شود. برای جلوگیری از این تلفات، در این کاربردها از آهن ورقه ورقه شده یا پودر آهن و یا مواد نارسانا مانند فریت‌ها استفاده می‌شود.

آهن ورقه ورقه شده: همان‌طور که گفته شد برای کاهش تلفات ناشی از جریان‌های گردابی در کاربردهای AC به‌جای آهن یک تکه از آهن ورقه ورقه شده استفاده می‌گردد. با اضافه کردن کمی سیلیکون به آهن، مقاومت آن در برابر جریان‌های گردابی بیشتر نیز می‌شود. بر روی ورقه‌ها نیز یک لایه نازک عایق الکتریکی وجود دارد. این ورقه ورقه کردن باعث می‌شود که جریان گردابی مجبور به عبور از سطح مقطع نازک یک ورقه باشد که مقاومت بالایی دارد و چون تلفات جریان گردابی با مجذور جریان آن رابطه مستقیم دارد، مقدار این تلفات بسیار کاهش می‌یابد.

آلیاژهای آهن: از آلیاژهای دیگر آهن مانند mu-metal، permalloy و suppermalloy که ترکیبات مختلفی از آهن و نیکل هستند نیز برای ساخت هسته‌های مغناطیسی استفاده می‌شود. هرکدام از این آلیاژها ویژگی‌های خاصی دارد که در کاربردی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. فلزات شیشه ای (glassy metal) که به آن‌ها non-crystalline هم گفته می‌شود، ظاهری شبیه شیشه دارند و ترکیبی از فلزاتی مانند آهن، نیکل و کبالت هستند که به‌خاطر تلفات جریان گردابی کم و هسته هیسترزیس کوچک در ساخت ترانسفورماتورهای فرکانس بالا با بازده زیاد مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در شکل زیر نمونه‌ای از این آلیاژ را مشاهده می‌ کنید.

۲- پودر فلزات:

این نوع هسته‌ها از خرده‌های فلزات تشکیل می‌شوند که با چسب به هم متصل و فشرده شده‌اند. هرچه این خرده‌ها فشرده‌تر باشند، ضریب نفوذپذیری و جریان گردابی هسته بیشتر است. برای کاهش جریان گردابی، سطح خرده‌های فلزات را با یک عایق الکتریکی می‌پوشانند تا جریان گردابی به یک ذره فلز محدود شود. چسب بین ذرات در دمای بالا تخریب شده و باعث تغییر در مشخصات هسته می‌شود. دمایی که چسب تحمل می‌کند به جنس آن بستگی دارد، به عنوان مثال چسب از نوع اپوکسی تحمل دمای ۱۲۵ درجه سانتیگراد را دارد. جنس خرده‌های فلز، مشخصات مغناطیسی هسته را مشخص می‌کند. در ادامه برخی از مواد تشکیل دهنده خرده‌ها و مشخصات آن‌ها را بررسی می‌کنیم. این هسته‌ها معمولاً به شکل ترویید در بازار موجود هستند. رنگ این هسته‌ها معرف نوع ماده به‌کار رفته در آن‌ها است.

آهن: ارزان‌ترین نوع هسته پودر فلز، هسته‌های پودر آهن هستند که نسبت به هسته‌های دیگر ابعاد بزرگتری دارند. این هسته‌ها در چگالی شاری بین ۱ تا ۱٫۵ تسلا به اشباع می‌روند. به‌خاطر تلفات بالای هیسترزیس و جریان گردابی، از هسته‌های پودر آهن در فرکانس‌های پایین‌تر استفاده می‌شوند (زیر ۱۰۰kHz). سلف فیلتر خروجی، چک‌های مد دیفرانسلی و اصلاح ضریب توان و ترانسفورماتورهای پالس و ضریب توان از نمونه کاربرهای این هسته‌ها هستند.

آلیاژهای آهن: از آلیاژهای مختلف آهن نیز برای ساخت هسته‌های پودر آهن استفاده می‌شود. آهن کربونیل که از آهن خالص ساخته شده است، تحمل دمایی بیشتر و سطح اشباع بالاتری دارد و در فرکانس بالاتری قابل استفاده است. از این نوع هسته‌ها در سلف‌ها و ترانسفورماتورهای فرکانس بالا استفاده می‌شود. نام دیگر آن‌ها هسته‌های RF است. MPP آلیاژی از آهن و نیکل است که در مدارات فرکانس بالا تا ۱MHz مورد استفاده قرار می‌گیرد. High-flux نیز آلیاژی از آهن و نیکل است که چگالی شار اشباعی تا ۱٫۵ تسلا و شار پسماند ناچیزی است و تا فرکانس ۲۰۰kHz قابل استفاده است. از این نوع هسته در کاربرهایی که چگالی شار اشباع بالا یا پسماند کم نیاز است استفاده می‌شود. Sendust آلیاژی از آهن، آلومینیم و سیلیکون است که دارای چگالی شار اشباع ۱ تسلا است و قابلیت تحمل حرارتی بالا دارد. همچنین نویز بسیار پایینی تولید می‌‎کند. از این هسته تا فرکانس ۱MHz و در ترانسفورماتورهای پالس و سوئیچینگ و موارد دیگری که پایین بودن سطح نویز اهمیت دارد استفاده می‌شود. هسته‌های نانو کریستال (nanocrystalline) ترکیبی از آهن، بور و سیلیکون است که در فرکانس‌های پایین عملکرد بسیار مطلوبی دارند. از این هسته‌ها در کاربرهای توان بالا و چوک در اینورترها استفاده می‌شود.

۳- فریت:

فریت‌ها ترکیباتی از اکسید آهن، روی، منگنز (یا نیکل) هستند. این مواد ضریب نفوذپذیری بالایی دارند. از آنجایی‌که از نظر الکتریکی تقریباً نارسانا هستند، تلفات جریان گردابی آن‌ها ناچیز است و در نتیجه در کاربردهای فرکانس بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. چگالی شار اشباع این هسته‌ها حدود ۰٫۳ تسلا است. در سلف‌ها و ترانسورماتورهای RF و منابع تغذیه سوئیچینگ از این نوع هسته‌ها استفاده می‌شود. هسته‌های فریت در اشکال مختلف در بازار موجود است. در مقاله انواع هسته‌های فریت نمونه‌هایی از اشکال مختلف فریت آورده شده است.

۴- هوا:

در برخی کاربردها ترجیح می‌دهند که از هسته مغناطیسی در وسط سیم‌پیچ استفاده نشود. به این گونه سیم‌پیچ‌ها سیم‌پیچ با هسته هوا گفته می‌شود. ویژگی اصلی این هسته‌ها نبود تلفات هسته و پدیده اشباع است. بنابراین در کاربردهایی که نیاز به بالا رفتن چگالی شار است یا فرکانس بسیار بالا می‌باشد از هسته هوا استفاده می‌شود. مقدار اندکتانس ساخته شده توسط سیم‌پیچ با هسته هوا بسیار کمتر از سیم‌پیچ با هسته مغناطیسی است.

انواع هسته ترانس از نظر شکل:

هسته‌های از جنس ورقه آهن معمولاً به شکل UI، EI و EE موجود هستند. هسته‌های پودر فلزات به شکل ترویید(حلقوی) یافت می‌شوند. هسته‌های فریت اشکال متنوع‌تری دارند که شامل EE، UU، RM، ETD، EFD، پلانار و … می‌شوند. در مقاله انواع هسته‌های فریت نمونه‌هایی از اشکال مختلف فریت آورده شده است. هرکدام از این هسته‌ها برای کاربرد خاصی طراحی شده‌اند.

انواع هسته ترانس از نظر ابعاد:

هرچه توان انتقالی هسته بزرگتر باشد، ابعاد آن نیز باید بزرگتر باشد. بنابراین هسته‌ها را علاوه بر اشکال مختلف، در ابعاد مختلف نیز می‌سازند. به عنوان مثال هسته فریت UU در سایزهای U120، U93، U80 و … موجود است. عددی که جلوی نام هسته وجود دارد معمولا به اندازه یکی از ابعاد آن هسته اشاره می‌کند. مثلاً هسته U120 دارای پهنایی به اندازه ۱۲۰ میلیمتر است.