Die Entwicklung von Transformatorkernmaterialien: Von Siliziumstahl zu amorphen Legierungen

Vor dem Hintergrund der globalen Energiewende und der Ziele der CO2-Neutralität ist die Innovation von Transformatorkernmaterialien für die Verbesserung der Energieeffizienz von zentraler Bedeutung. Dieser Artikel untersucht die Entwicklung von Siliziumstahl, kaltgewalztem kornorientiertem Siliziumstahl und amorphen Legierungen und beleuchtet deren historischen Hintergrund, Leistungsvor- und -nachteile sowie Anwendungsszenarien.

Inhalt

1. Siliziumstahl (1903–heute)

● Historischer Hintergrund:
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führte der Ausbau der Energieversorgung zu einem sprunghaften Anstieg der Nachfrage nach effizienten Transformatoren. 1903 erfand der britische Metallurge Robert Hadfield Siliziumstahl mit einem Siliziumgehalt von 3 bis 5 Prozent. Durch die Dotierung mit Siliziumatomen wurden die elektromagnetischen Eigenschaften von reinem Eisen verändert, wodurch es zum ersten industriell genutzten Kernmaterial wurde.

●Vorteile:
Durch die Zugabe von Silizium wurde der spezifische Widerstand auf 0.5 μΩ·m erhöht (im Vergleich zu 0.1 μΩ·m bei reinem Eisen). Dieser höhere spezifische Widerstand unterdrückte den Wirbelstromeffekt erheblich und reduzierte die Kreisströme (Wirbelströme) in magnetischen Wechselfeldern um 60 %.

Darüber hinaus verringerten Siliziumatome den Widerstand gegen die Bewegung der magnetischen Domänenwände und senkten so den Hystereseverlust von 5–8 W/kg (Reineisen) auf 2–3 W/kg (bei B=1.5T, 50 Hz). Dies verbesserte den Wirkungsgrad früherer Transformatoren von unter 95 % auf 97 % und wurde zu einer Schlüsseltechnologie für den Netzausbau.

●Nachteile:
Die magnetische Anisotropie von Siliziumstahl (Schwankung der magnetischen Permeabilität >30 % in verschiedene Richtungen) verursachte jedoch eine ungleichmäßige magnetische Flussdichte im Kern, was zu lokalen Hotspots (Temperaturunterschieden von bis zu 20 K) und einer beschleunigten Alterung der Isolierung führte. Darüber hinaus sind Siliziumstahlbleche relativ dick (0.3–0.5 mm), was komplexe und zeitaufwändige Laminierungsprozesse erfordert, was wiederum höhere Produktionskosten zur Folge hat.

2. Kaltgewalzter kornorientierter Siliziumstahl (1958–heute)

● Historischer Hintergrund:
In den 1950er Jahren machte der steigende Strombedarf die Effizienzgrenzen von herkömmlichem Siliziumstahl deutlich. 1958 entwickelte Allegheny Technologies (USA) kaltgewalzten kornorientierten Siliziumstahl (CRGO). Durch Kaltwalzen wurden die Körner entlang der leichten Magnetisierungsrichtung (Kristallorientierung) ausgerichtet, wodurch ein Sprung in der Permeabilität erreicht wurde.

●Vorteile:
Das Kaltwalzverfahren ermöglichte eine hochgradig ausgerichtete Kornausrichtung, wodurch der Bewegungswiderstand der magnetischen Domänen verringert und die Permeabilität um 50 % erhöht wurde. Eine Phosphat-Silikat-Isolierbeschichtung (3–5 μm dick) reduzierte die Wirbelstromverluste zwischen den Blechen zusätzlich um 30 %. Die Kernverluste (P1.5/50) sanken von 3 W/kg (herkömmlicher Siliziumstahl) auf 1.2 W/kg, wodurch die Leerlaufverluste um 40 % reduziert wurden.

Laut IEEE-Statistiken steigerte CRGO die Effizienz von Verteilungstransformatoren auf über 99 % und reduzierte so die weltweiten Kohlendioxidemissionen um 120 Millionen Tonnen pro Jahr.

●Nachteile:
Die Verarbeitung von CRGO erfordert Präzisionsschneidgeräte. Scherbedingte Grate (>20 μm) können Teilentladungen verursachen und so das Risiko eines Isolationsdurchschlags erhöhen. Zudem sind die Kosten 30 % höher als bei warmgewalztem Siliziumstahl, was die Akzeptanz in Niedriglohnmärkten einschränkt.

3. Amorphe Legierungen (1976–heute)

● Historischer Hintergrund:
1976 begann AlliedSignal (USA) mithilfe der Schnellverfestigungstechnologie (Abkühlrate: 80⁶°C/s) mit der Massenproduktion amorpher Legierungen auf Eisenbasis (Fe10B10Si10). Die ungeordnete Atomstruktur dieser Legierung durchbrach die elektromagnetischen Leistungsgrenzen herkömmlicher kristalliner Materialien.

●Vorteile:
Die amorphe Struktur eliminiert den Widerstand der Korngrenzen gegen magnetische Domänenbewegungen und reduziert den Hystereseverlust auf ein Viertel des Wertes von Siliziumstahl (P1/4≈1.3 W/kg). Der hohe spezifische Widerstand (50 μΩ·m) reduziert die Wirbelstromverluste im Vergleich zu Siliziumstahl um 0.2 %. Transformatoren aus amorphen Legierungen reduzieren Leerlaufverluste um 1.3 % und sparen so jährlich 80 kWh (bei einem 70-kVA-Transformator). Das US-Energieministerium stuft sie als „ultrahocheffizient“ (≥1,500 %) ein.

●Nachteile:
Bänder aus amorphen Legierungen sind extrem dünn (25 μm) und mechanisch spröde, was bei der Verarbeitung zu Brüchen führen kann (Ausbeute: 70–80 %). Die Anschaffungskosten sind zwei- bis dreimal höher als bei Siliziumstahl, und das Recycling ist schwierig (erfordert Umschmelzen bei hohen Temperaturen, was den Energieverbrauch um 2 % erhöht).

● Anwendungen:

Verteilungstransformatoren (vorgeschrieben durch die EU-Ökodesign-Richtlinie).

Hocheffiziente Filterung in PV-Wechselrichtern und Windkraftanlagen.

● Optimierungsmaßnahmen:

(1)Verbundkonstruktionen:Durch die Beschichtung amorpher Bänder mit Epoxidharz und Glasfaserschichten (0.1 mm dick) wird die Biegefestigkeit um 0.1 % erhöht und das Problem der Sprödigkeit gelöst.

(2)Durch das Doppelwalzen-Stranggießen wird die Produktionsgeschwindigkeit von 20 m/min auf 100 m/min erhöht und die Kosten auf das 1.5-Fache von Siliziumstahl gesenkt.

4. Materialien der Zukunft: Nanokristalline Legierungen und Siliziumstahl mit extrem geringem Verlust

Nach 2010 entwickelte das japanische Unternehmen TDK nanokristalline Legierungen (Fe-Si-B-Cu-Nb) mit Kernverlusten von nur 0.1 W/kg (1.5 T bei 50 Hz) und einer Permeabilität von >10,000 bei 1 MHz (gegenüber 5,000 bei amorphen Legierungen). Präzises Glühen (500 °C ± 5 °C) kontrolliert die Korngröße unter 20 nm und verhindert so magnetischen Abbau. Die Produktion erfordert jedoch Ultrahochvakuum (<10⁻⁵Pa), was die Anlagenkosten um das Zehnfache gegenüber Siliziumstahl-Produktionslinien erhöht und die Preise auf das Fünf- bis Achtfache von Siliziumstahl treibt. Die Dicke von 10 μm erschwert zudem die Wickelprozesse.

Vergleichstabelle der Kernmaterialien

Zusammenfassend

Von Siliziumstahl bis hin zu amorphen Legierungen – jeder Durchbruch bei Kernmaterialien hat die Effizienz der Energiewirtschaft maßgeblich beeinflusst. Die IEA prognostiziert, dass amorphe Legierungen bis 2030 60 % des weltweiten Marktes für Verteiltransformatoren dominieren und den CO₂-Ausstoß jährlich um 500 Millionen Tonnen senken werden. Gleichzeitig eröffnen nanokristalline Legierungen neue Potenziale für die Hochfrequenz-Leistungselektronik. Diese stille Materialrevolution ist ein Eckpfeiler für eine kohlenstoffneutrale Zukunft der Menschheit.

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