În conformitate cu progresul continuu al materialelor cu miez de fier, diferite fabrici de producție s-au angajat, de asemenea, să îmbunătățească structura miezurilor de fier ale transformatoarelor pentru a utiliza mai bine performanța materialelor îmbunătățite ale miezului de fier și, acolo unde este posibil, pentru a elimina în continuare pierderile de miez de fier cauzate de motive structurale. La suprafață, un miez de transformator produs în urmă cu 30 de ani poate să nu aibă o diferență semnificativă față de un miez de transformator fabricat astăzi, dar, în realitate, pot exista multe diferențe subtile, dar foarte importante între cele două.
Pentru a utiliza pe deplin spațiul interior al înfășurării circulare, benzile de oțel electric sunt stivuite într-o coloană de miez cu o secțiune transversală- cât mai apropiată de forma circulară. Gradul în care secțiunea transversală-miezului de fier în trepte se apropie de o secțiune transversală- circulară depinde numai de numărul de benzi de oțel electric de diferite lățimi disponibile la fabrica. Miezurile mai mici ale transformatoarelor de distribuție pot include doar 7 tipuri de lățimi de foi; Numărul de lățimi a miezului de fier pentru transformatoarele generatoare de capacitate mai mare poate ajunge la 11 sau mai mult. În teorie, rata de umplere a cercului miezului de fier poate ajunge la peste 93% până la 95% pentru cele două tipuri de cantități de lățime a foii menționate mai sus. De fapt, din cauza urmăririi de către producători a unui design standardizat pentru lățimea laminată necesară a tuturor specificațiilor pentru miezurile de fier pentru transformatoare sau pentru că lățimea benzilor de oțel electric pe care le pot achiziționa este fixă, acest lucru limitează fiecare producător să utilizeze lățimea laminată standard pe care o pot furniza furnizorii de benzi de oțel electric (de obicei, această serie de lățime laminată este în trepte de 10 mm). Prin urmare, coeficientul de utilizare real al cercului miezului de fier este puțin mai mic decât coeficientul de utilizare teoretic, iar lățimea standard a benzii de oțel electric nu poate atinge secțiunea transversală ideală-miezului de fier pentru orice diametru al miezului de fier.
În circumstanțe normale, fiecare producător de transformator are o serie standard de secțiuni transversale-miezului de fier. Aceste secțiuni transversale-miezului de fier sunt denumite în mod obișnuit dimensiunile miezului de fier de bază, iar fiecare secțiune transversală-miezului de fier este identificată prin lățimea maximă a foii exprimată în milimetri. Lățimea maximă a fiecărei secțiuni de miez de fier poate începe de la 200 mm pentru miezurile de fier ale transformatoarelor de distribuție mai mici (la fiecare 25 mm) și se termină la aproximativ 1 m pentru miezurile de fier ale transformatorului generatorului de capacitate maximă. Toate lățimile benzilor de oțel electric pot fi furnizate sub formă de rolă. Coloana circulară a miezului de fier este o caracteristică structurală comună a tuturor miezurilor de fier ale transformatorului, dar structura generală a miezului de fier variază foarte mult în funcție de forma transformatorului.
Până acum, cea mai frecvent utilizată formă structurală dintre acestea este miezul de fier cu trei faze și trei coloane. Deoarece în orice moment, suma cantităților de fază ale fluxului magnetic trifazat generat de sistemul de tensiune trifazat echilibrat este egală cu zero, nu este nevoie de o coloană laterală pentru a furniza fluxul magnetic retur în miezul de fier trifazat, iar secțiunea transversală-a coloanei de miez și jugul de fier poate fi egală. Această structură este aplicabilă numai miezului de fier al transformatoarelor cu trei-faze. Pentru transformatoarele monofazate, miezul de fier trebuie să includă o coloană de miez pentru returnarea fluxului magnetic. Miezul de fier care constituie circuitul de flux magnetic are diverse forme. Toate aceste forme structurale cu miez de fier au propriile avantaje și dezavantaje. Deși în unele țări, transformatoarele mari de interconectare sau autotransformatoarele adoptă ocazional structuri monofazate, în general, în sistemele trifazate sunt utilizate numai transformatoare generatoare monofazate-. Motivul principal pentru utilizarea transformatoarelor monofazate în sistemele trifazate este limitat de condițiile de transport, deoarece transformatoarele cu generatoare mari pot fi prea grele pentru a fi transportate în totalitate ca transformatoare trifazate.
Structura miezului de fier cu cinci coloane reduce înălțimea jugului de fier prin adăugarea de coloane laterale în afara coloanelor centrale ale înfășurării setate pentru a forma un circuit de flux magnetic. În cazuri extreme, înălțimea jugului de fier al structurii miezului de fier cu trei-faze și cinci coloane poate fi doar jumătate din înălțimea jugului de fier al structurii miezului de fier cu trei-faze și trei coloane. Prin urmare, efectul reducerii înălțimii jugului de fier este încă foarte semnificativ. „Costul” creșterii coloanelor laterale este o creștere semnificativă a dimensiunii și pierderea miezului de fier. Desigur, dacă înălțimea de transport permite, nu este necesar să se reducă înălțimea miezului de fier cu cinci coloane la jumătate din lățimea plăcii de miez. Dacă -aria secțiunii transversale a jugului de fier este mai mare de jumătate din -aria secțiunii transversale a coloanei de miez, densitatea fluxului magnetic în jugul de fier va scădea, reducând astfel pierderea unitară a miezului în jugul de fier. Mai mult decât atât, în comparație cu jugurile de fier cu o zonă de-secțiune transversală de 1/2 din coloana de miez, scăderea pierderii unității de miez cauzată de scăderea pierderii miezului în secțiunile transversale-mai mari ale jugului de fier va fi mai mare decât creșterea pierderii miezului cauzată de creșterea greutății jugului de fier, ducând la o scădere a pierderii totale a miezului. Dacă economiile de costuri din reducerea pierderii totale a miezului de fier sunt mai mari decât creșterea costurilor cauzată de creșterea materialelor, atunci adoptarea acestei forme structurale este încă utilă. Un alt scenariu posibil pentru utilizarea unei structuri cu miez de fier cu trei faze și cinci coloane este acela de a solicita ca valoarea impedanței secvenței fazei zero a transformatorului să fie echivalentă cu valoarea impedanței secvenței fazei pozitive.
Primul pas în fabricarea miezului de fier este producerea de laminate individuale de miez de fier. În prezent, majoritatea producătorilor de transformatoare achiziționează materiale de miez de fier care sunt tăiate în benzi de oțel electric cu lățime standard de către fabricile de producție de oțel. Prin urmare, munca pe care trebuie să o facă producătorii de transformatoare este doar să taie benzile electrice de oțel în laminate cu miez de fier de lungimea necesară. Îmbunătățirea procesului de producție a laminațiilor cu miez de fier este unul dintre domeniile în care fabricile de fabricare a miezului de fier au suferit schimbări semnificative în ultimii ani.
Dimensiunea pierderii unitare a benzii de oțel cu miez de fier depinde în mare măsură de proprietățile materialului benzii de oțel și de nivelul său de stres mecanic intern. Prin urmare, este necesar să se minimizeze prelucrarea și manipularea benzilor de oțel în procesul de fabricație a miezului de fier. Desigur, tăierea benzilor electrice de oțel este inevitabilă, iar bavurile sunt generate inevitabil pe marginile acestora în timpul procesului de tăiere. Bavurile de pe marginea benzii de oțel pot provoca contact electric între foile de oțel și pot forma o cale de curent. Până la sfârșitul anilor 1980, standardul britanic BS601 „Plăci și benzi de oțel pentru circuite magnetice pentru echipamente electrice” specifica valorile admisibile pentru bavurile pe marginile benzilor de oțel electric, ceea ce însemna de obicei că bavurile de margine ale benzii de oțel trebuiau îndepărtate prin proces de șlefuire. Procesul de șlefuire a bavurilor poate deteriora izolația laminatului, iar această deteriorare a izolației necesită utilizarea unei izolații suplimentare pentru reparații. Toate aceste operatii necesita manipularea laminarilor miez de fier, in special procesul de lustruire a bavurilor de margine, care creste nivelul de solicitare mecanica din interiorul laminarilor miez de fier, necesitand astfel un proces de recoacere.
Echipamentele moderne de tăiere pot face ca bavurile de margine generate în timpul procesului de tăiere a benzilor electrice de oțel să fie foarte mici, ceea ce beneficiază, de asemenea, într-o oarecare măsură de îmbunătățirea caracteristicilor materialului de bandă de oțel electric în sine. În anii 1970, BS601 a stipulat că valoarea înălțimii permise tipice pentru bavurile de margine generate de tăierea benzilor de oțel electric orientate cu cereale laminate la rece-utilizând echipamente de prelucrare „tradiționale” a oțelului pentru scule de înaltă calitate a fost de 0,05 mm. Prin tehnologia de șlefuire, înălțimea acestor bavuri poate fi redusă la 0,025 mm. Când utilizați scule de tăiere din oțel carbon pentru tăierea benzilor de oțel electric HiB, înălțimea bavurilor de margine generate poate fi mai mică de 0,02 mm. Prin urmare, cele două procese de izolare suplimentară și tratament de recoacere pentru table de oțel pot fi acum omise.
Este necesar să discutăm în continuare problema izolației laminărilor cu miez de fier aici. BS601 specifică calitatea izolației laminațiilor cu miez de fier, adică măsurătorile rezistenței izolației sunt efectuate pe mostre de laminare cu miez de fier de un număr specificat de ori. Dintre acestea, 80% din rezultatele măsurătorilor ar trebui să fie mai mari de 2 Ω, iar 5% din rezultatele măsurătorii ar trebui să fie mai mari de 5 Ω. Funcția izolației laminate este de a preveni circulația curenților turbionari în interiorul miezului de fier. Cu toate acestea, împiedicarea circulației curentului nu împiedică generarea tensiunii induse. Mărimea tensiunii induse este direct proporțională cu lățimea stivei. Și oamenii obișnuiau să creadă că pentru laminările cu miez de fier sub 640 mm, dacă izolația laminațiilor îndeplinește cerințele BS601, tensiunea indusă generată în acestea este acceptabilă. Pentru miezurile de fier cu o lățime laminată mai mare de 640 mm, secțiunea transversală-a coloanei de miez poate fi împărțită în mai multe părți, astfel încât lățimea maximă laminată a fiecărei piese să fie de 640 mm, sau se poate aplica un tratament de izolație suplimentar laminarilor. De obicei, este necesar să se împartă secțiuni mari de miez de fier în mai multe părți pentru a asigura pasaje de ulei de răcire. Deci, în ceea ce privește îndeplinirea cerințelor de izolație laminată, împărțirea-secțiunii transversale a miezului de fier în mai multe părți, de obicei, nu aduce pierderi economice suplimentare.
Trebuie remarcat faptul că unii producători au crezut de mult timp că cerința BS601 pentru o valoare a rezistenței de izolație de 2 Ω nu este strictă. Atunci când intenționează să folosească straturi de izolație suplimentare pe laminat, nu este nevoie să se conformeze din nou cu standardele BS. Este necesar să se respecte standardele BS numai atunci când stratul de izolație suplimentar de pe laminat cade. O altă problemă este modul de stabilire a reglementărilor pentru restul de 20% din măsurătorile rezistenței de izolație. În teorie, aceste măsurători de rezistență de izolație de 20% pot fi zero, iar acest rezultat al măsurării depinde de procesul de control al stratului de izolație, care poate fi, de asemenea, situat doar într-o anumită zonă a benzii de oțel electric. Pe baza acestei situații, mulți producători-cunoscuți de transformatoare și-au lansat propriile specificații. Conform acestor specificații, punctele de rezistență scăzută la izolație cu 20% ar trebui să fie distribuite aleatoriu în proba laminată. Aceasta înseamnă că, dacă toate punctele de rezistență scăzută de izolație de 20% sunt distribuite în aceeași zonă a probei, banda de oțel electric este inacceptabilă. Multe benzi de oțel electric produse astăzi au acoperiri izolatoare de{15}}înaltă calitate, care fac parte din măsurile de reducere a pierderii unitare a miezurilor de fier. Folosind acest tip de bandă de oțel electric, de obicei nu este nevoie să se ia în considerare dimensiunea miezului de fier și să se utilizeze acoperiri izolatoare suplimentare, iar rezultatele măsurătorii rezistenței de izolație sunt aproape invariabil mult mai bune decât standardul minim specificat în vechiul BS601.
Unul dintre dezavantajele benzii de oțel electric orientate cu cereale este că orice factor care necesită ca fluxul magnetic să se devieze de la direcția de laminare la rece a benzii de oțel va duce la o creștere a pierderii miezului de fier, ceea ce este deosebit de important pentru benzile de oțel electric HiB. Acești factori includ perforarea găurilor în banda de oțel cu miez de fier și schimbarea necesară a direcției fluxului magnetic în pozițiile de sus și de jos ale coloanei de miez de fier. Trebuie remarcat faptul că rezultatul semnificativ al acestui din urmă factor este că pierderile în structura miezului de fier subțire și înalt sunt mai mici decât cele din structura miezului de fier scurt și gros cu aceeași greutate și densitate de flux magnetic, deoarece primul tip de structură cu miez de fier necesită mai puțin flux magnetic care se abate de la direcția de laminare la rece. Relația dintre pierderea miezului de fier după asamblare și produsul greutății miezului de fier și pierderea sa unitară se numește coeficient de proces al miezului de fier. Pentru miezurile de fier fabricate din benzi de oțel electric orientate cu granule bine-proiectate, coeficientul de proces al miezului de fier este de aproximativ 1,15. Termenul „coeficient de proces cu miez de fier” este folosit pentru a descrie cele două tipuri de mai sus de structuri cu miez de fier, și anume, structurile cu miez de fier înalte și subțiri au coeficienți de procesare cu miez de fier mai buni (adică mai mici) decât structurile cu miez de fier scurt și gros.
Pentru a reduce gradul de abatere a fluxului magnetic de la direcția de rulare a benzii de oțel la joncțiunea coloanei de miez și jugul de fier, colțurile laminațiilor miezului de fier sunt în general tăiate la un unghi de 45 de grade. Laminarile miezului de fier de la aceste îmbinări diagonale trebuie să fie suprapuse astfel încât fluxul magnetic să poată trece prin suprafața adiacentă a benzii de oțel în loc să treacă prin întrefierul situat pe calea fluxului magnetic. Desigur, pentru benzile de oțel electric laminate la cald-(neorientate cu cereale), nu este nevoie să folosiți îmbinări diagonale la colțurile laminate. Forma structurală folosită în mod obișnuit pentru miezurile de fier-laminate la cald în bandă de oțel este de a folosi șuruburi din oțel care trec prin coloana de miez și jugul de fier pentru strângere, pentru a forma o structură completă a miezului de fier. Odată cu utilizarea benzilor de oțel electric orientate cu cereale, oamenii au realizat problema tulburării fluxului magnetic cauzată de perforarea șuruburilor pe coloana miezului de fier, iar reducerea secțiunii transversale efective duce, de asemenea, la creșterea inutilă a diametrului coloanei miez de fier. Prin urmare, designerii tind să elimine șurubul traversant și, în schimb, folosesc benzi de oțel (cu goluri de izolație electrică) sau benzi din fibră de sticlă pentru a lega coloanele miezului de fier. În structura miezului de fier de legare a benzilor de oțel, golul de izolație electrică ar trebui să fie amplasat pe banda de oțel de legare pentru a preveni curgerea curentului în interiorul benzii de oțel de legare. În plus, banda de oțel de legare ar trebui să fie izolată de laminările cu miez de fier pentru a preveni scurtcircuitarea benzii de oțel de legare la fiecare laminare la marginea laminatelor. Pentru aceeași considerație, șurubul de strângere a miezului de fier trebuie, de asemenea, să fie izolat eficient în punctul în care trece prin miez și jugul de fier. Cu toate acestea, jugurile de fier superioare și inferioare ale miezului de fier trebuie încă strânse cu șuruburi, deoarece rezistența structurală principală a transformatorului este asigurată de jugul de fier și clemele sale de oțel.
La sfârșitul anilor 1970, din cauza presiunii economice în creștere, a fost forțată să reducă pierderile, în special pierderile în miez de fier care ar exista de îndată ce transformatorul era pornit, ceea ce i-a determinat pe proiectanții și producătorii de transformatoare să aibă tendința de a adopta o structură de miez de fier legat complet fără șuruburi. Un alt dezavantaj al laminarii cu miez de fier prin perforare este acela ca intră în conflict cu cerința de a minimiza cantitatea de procesare a laminarii cu miez de fier (pentru a evita creșterea pierderii de material), așa cum s-a menționat mai sus. Cei doi factori de mai sus, combinați cu reducerea greutății reziduale a materialului la marginile și colțurile miezului de fier, cauzată de anularea găurilor pentru șuruburi, i-au determinat pe proiectanți să prefere utilizarea structurilor cu miez de fier fără strângerea găurilor pentru șuruburi.
Benzile de oțel electric moderne au o orientare mare a granulelor, ceea ce face ca creșterea pierderilor cauzate de deviația fluxului magnetic de la direcția de laminare la rece a benzii de oțel să fie mai semnificativă. Deci, producătorul transformatorului este dispus să depună toate eforturile pentru a elimina complet găurile pentru șuruburi de strângere din coloana de miez și jugul de fier. În miezul de fier al transformatoarelor mari, pentru a se asigura că nu se sacrifică prea multă rezistență structurală, îndepărtarea găurilor pentru șuruburi de strângere crește foarte mult complexitatea structurii miezului de fier.
