Wie kann der Streufluss in Transformatoren reduziert werden?
— Anwendungen von Siliziumstahl-Laminierungen, Kupfer-Abschirmringen und magnetischen Spaltfüllern

Transformatoren spielen in der Stromübertragung und in elektronischen Geräten eine entscheidende Rolle. Der während des Transformatorbetriebs entstehende Streufluss verringert jedoch nicht nur die Effizienz, sondern verursacht auch elektromagnetische Störungen (EMI), lokale Überhitzung und Rauschen. Laut Statistiken der Internationalen Energieagentur (IEA) machen die Verluste in Verteiltransformatoren weltweit etwa 2–3 % der gesamten Stromerzeugung aus, wobei der Streufluss einen erheblichen Beitrag leistet. Dieser Artikel untersucht drei international bewährte Techniken zur Unterdrückung von Streufluss: Siliziumstahl-Laminierung, Kupfer-Abschirmringe und magnetische Spaltfüller. Sie helfen Ihnen, das Transformatordesign für mehr Effizienz und Zuverlässigkeit zu optimieren.

Inhalt

1. Gefahren und Ursachen von Streufluss

Transformatoren nutzen magnetische Kopplung zur Energieübertragung. Idealerweise sollte der magnetische Fluss vollständig im Kern eingeschlossen sein. In der Realität tritt jedoch ein Teil des Flusses in den umgebenden Raum aus und bildet ein magnetisches Streufeld. Zu den Gefahren des Streuflusses gehören:

● Erhöhte Verluste:Streufluss induziert Wirbelströme in Strukturkomponenten, was zu erheblichen Effizienzverlusten führt.

● Lokale Überhitzung:Wirbelströme erzeugen Wärme in Metallteilen (z. B. Klemmen, Tanks) und beschleunigen die Alterung der Isolierung.

● Elektromagnetische Interferenz (EMI):Hochfrequenter Streufluss stört elektronische Geräte in der Nähe.

● Mechanische Vibrationen und Lärm: Wechselnde Leckagekräfte verursachen Kern- und Strukturschwingungen.

Die Hauptursache für Streufluss ist der magnetische Widerstand im Magnetkreis. Bei unzureichender Kernpermeabilität oder unterbrochenem Magnetkreis (z. B. Kernverbindungen oder Wicklungsenden) tendiert der Fluss dazu, nach außen zu diffundieren. Internationale Normen wie IEC 60076 stellen strenge Anforderungen an Transformatorverluste und Temperaturanstieg, weshalb die Kontrolle des Streuflusses für die Einhaltung der Vorschriften unerlässlich ist.

2. Kernlösungen: Prinzipien und Anwendungen

● Siliziumstahl-Laminierung: Optimierung des Hauptmagnetkreises
Der Kern ist der primäre Träger des magnetischen Schaltung. Hochwertiger kaltgewalzter kornorientierter Siliziumstahl (CRGO) bietet eine extrem hohe Permeabilität und geringe Einheitsverluste (W/kg). Seine Isolierbeschichtung (z. B. C5-Beschichtung), die während des Hochtemperaturglühens gebildet wird, blockiert wirksam Wirbelstrompfade zwischen den Laminierungen.

●Umsetzung und Auswirkungen:

(1) Hochpermeabler Leitfluss:Hochwertiger CRGO-Stahl (z. B. Güte 30QG120) weist eine Anfangspermeabilität von über 1900 μ auf, die weit höher ist als bei gewöhnlichem Stahl (~200 μ), wodurch die Reluktanz deutlich reduziert und mehr Fluss im Kern eingeschlossen wird.

(2) Verlustarme Beschichtung reduziert Wirbelströme:Die Isolierbeschichtung unterbricht die leitfähigen Pfade zwischen den Blechen, begrenzt Wirbelströme auf einzelne Bleche und reduziert die Verluste drastisch. Die Verlustwerte entsprechen der Norm ASTM A976.

(3) Präzisionsstapeltechniken: Stufenüberlappung oder 45° Quellen. Automatisierte Stapelsysteme sorgen für dichte Nähte.

(4) Globale Anwendungen: In europäischen Stromnetzen wird in großem Umfang hochwertiger (verlustarmer) Siliziumstahl (z. B. 23ZDKH90) in Kombination mit fortschrittlicher Kernglühung (z. B. CAB) verwendet, wodurch die Effizienz großer Leistungstransformatoren gesteigert wird.

● Kupfer-Abschirmringe: Wirkt aktiv gegen Endlecks   

Die Wicklungsenden von Transformatoren sind Zonen mit hohem Streufluss. Kupfer ist hochleitfähig und erzeugt bei wechselndem Streufluss Wirbelströme (Faradaysches Gesetz). Diese Wirbelströme erzeugen ein Gegenmagnetfeld, das den ursprünglichen Streufluss teilweise ausgleicht.

● Umsetzung und Auswirkungen:

(1) Präzise Platzierung:Ringe werden in der Nähe von Hochspannungswicklungen oder Jochbereichen (Zonen mit den stärksten Leckagen) installiert, wobei die Formen den Wicklungsenden entsprechen und der Abstand durch EM-Simulation (z. B. ANSYS Maxwell) optimiert wird.

(2) Wirbelstromabschirmung:Wirbelstromdichte    

 erzeugt Gegenstrom ΔB∝J, wodurch die lokale Leckflussdichte um 30–50 % reduziert wird.

(3) Geringere Strukturverluste:Unterdrückte Leckageschnitte     Wirbelstromverluste in Tanks und Klemmen, gemäß IEC 61378-Standard für Zubehörverluste.

● Magnetische Spaltfüller: Abdichten magnetischer „Lücken“

Winzige Luftspalte an Kernverbindungen haben eine viel höhere Reluktanz als Siliziumstahl (Luftdurchlässigkeit μ0≈1.257×10−6H/m, Siliziumstahlμr>40,000). Magnetische Füllstoffe überbrücken diese Lücken und erzeugen Pfade mit geringer Reluktanz.

Umsetzung und Auswirkungen:

(1)  Füllstoffe mit hoher Permeabilität:

Moderne Füllstoffe kombinieren Epoxid-/Polyurethan-Basen mit >80% ferromagnetischem Pulver (z. B. reduziertes Eisen, Carbonyleisen) und erreichen

μr=50−100.

(2)  Reduzierte Verbindungsreluktanz: Luftspaltreluktanz

(3) Geräuschunterdrückung: Ausgehärtete Füllstoffe erhöhen die Kernsteifigkeit und reduzieren Magnetostriktionsschwingungen um 5-10 dB(A).

Tabelle 1: Vergleich von Techniken zur Unterdrückung von Streufluss

Zusammenfassend

Eine effektive Streuflusskontrolle ist der Schlüssel zur Steigerung der Effizienz, Verlängerung der Lebensdauer und Einhaltung globaler Umweltstandards (z. B. der EU-ErP-Richtlinie). Siliziumstahl-Laminierungen verstärken den magnetischen Hauptkreis, Kupferringe kompensieren aktiv die Endstreuung und magnetische Füllstoffe versiegeln Schwachstellen. Diese Techniken können einzeln oder kombiniert eingesetzt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Durch die Nutzung ihrer physikalischen Eigenschaften und die Einhaltung der IEC/IEEE-Standards können Entwickler die Gefahren durch Streufluss minimieren und effiziente, leise und zuverlässige Transformatoren entwickeln, die die globale Energiewende vorantreiben.

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