Cosa rende un buon trasformatore toroidale?

Selezione del materiale del nucleo

In generale, il prezzo di un trasformatore è determinato dal nucleo e dal rame, mentre tutti gli altri materiali contribuiscono al prezzo solo per 10~15%. Il prezzo del rame è generalmente determinato dal London Metal Exchange (LME), ma il costo del nucleo può variare notevolmente in base alla scelta del materiale.

Alcuni produttori a basso costo (molti dei quali con sede in Cina) sono in grado di ridurre i prezzi utilizzando acciaio riciclato (grado B) per i nuclei dei trasformatori. Tuttavia, questo materiale più economico ha come prezzo una minore affidabilità e prestazioni.

I nuclei ad alte prestazioni sono prodotti da una striscia continua di acciaio vergine di prima qualità, senza spazi d'aria, fogli di acciaio sciolti o laminazioni che causano vibrazioni. L'uso di materiale vergine consente inoltre agli ingegneri di progettare i trasformatori a un punto di induzione magnetica specificato dagli stabilimenti, riducendo così le perdite associate ai trasformatori.

La bassa rumorosità e l'alta efficienza sono due motivi molto diffusi per scegliere i trasformatori toroidali. Talema ha sviluppato tecniche di produzione specializzate per fornire i nuclei più silenziosi possibili senza gli svantaggi più comuni, come le perdite più elevate e le dimensioni maggiori.

Selezione del filo del magnete

Il filo per avvolgimento utilizzato nelle apparecchiature elettriche è generalmente chiamato filo magnetico. L'alluminio e il rame sono entrambi utilizzati per questo scopo, ma il rame è generalmente preferito nei trasformatori toroidali per la sua capacità di trasporto di corrente, il costo, le dimensioni e le proprietà elettriche e termiche.

Gli avvolgimenti di un trasformatore toroidale sono esposti sull'intera superficie del trasformatore, consentendo un trasferimento ottimale del calore residuo dagli avvolgimenti in rame. Questo spesso consente al progettista di utilizzare fili di calibro leggermente inferiore a quello che sarebbe altrimenti prudente, senza superare il limite di aumento della temperatura specificato, se la regolazione del carico e le considerazioni sull'efficienza lo consentono.

Il filo smaltato con doppio rivestimento è importante anche per ridurre il rischio di cortocircuito dopo che il filo è stato avvolto intorno al nucleo.

Tecniche di avvolgimento

Anche il processo di avvolgimento del trasformatore toroidale è particolarmente importante. La costruzione dell'avvolgimento può influenzare notevolmente l'induttanza di dispersione, pertanto è necessario prestare particolare attenzione alle applicazioni specifiche per la corrente di dispersione.

L'avvolgimento del filo smaltato deve essere disposto e livellato in modo uniforme e la forza di avvolgimento della macchina deve essere regolata correttamente per evitare la perforazione del filo smaltato durante il processo di avvolgimento. In questo modo il filo smaltato può circondare uniformemente il nucleo toroidale senza il rischio di un cortocircuito.

Tecnica di avvolgimento della banca

Un avvolgimento a banco è quello in cui la bobina è avvolta in modo tale che le porzioni di un avvolgimento totale sono avvolte in un numero di posizioni a forma di torta. segmenti intorno al toroide. Dopo che il numero dispari di segmenti desiderato è stato avvolto in una direzione (in senso orario), il successivo numero pari di segmenti viene avvolto nell'altra direzione (in senso antiorario). Questa operazione viene ripetuta fino al completamento dell'avvolgimento. L'avvolgimento a banco riduce notevolmente il gradiente massimo di tensione da giro a giro o la sollecitazione sull'isolamento del conduttore. In questo modo si ottiene una protezione contro i picchi di tensione, molto comuni in qualsiasi applicazione.

Tecnica di isolamento dell'avvolgimento

La tecnica di isolamento tra gli avvolgimenti prevede uno strato di isolamento in mylar a metà di un singolo avvolgimento primario o tra i singoli avvolgimenti in una configurazione a doppio primario.

Scelta dei materiali isolanti appropriati

Il materiale isolante del trasformatore toroidale ne determina la sicurezza e la durata. Migliore è il materiale isolante, maggiore è la resistenza agli urti. Un isolamento adeguato riduce notevolmente la possibilità di cortocircuiti e perdite, consentendo una vita operativa molto lunga del trasformatore.

In generale, tutti i trasformatori devono soddisfare gli standard di sicurezza internazionali, come quelli emessi da Underwriters Laboratories (UL) e dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC). Questi codici di sicurezza specificano i dati di isolamento per l'isolamento a secco a base di plastica utilizzato tra gli avvolgimenti primari e secondari nei trasformatori di potenza toroidali, come lo spessore minimo totale dell'isolamento (DTI), il numero minimo di strati di pellicola plastica e la distanza minima di dispersione lungo la superficie del materiale isolante.

I trasformatori toroidali richiedono un isolamento in diversi punti o fasi della costruzione. Gli standard di sicurezza internazionali specificano i requisiti minimi per lo spessore totale dell'isolamento, nonché il numero di strati di isolamento e lo scorrimento richiesto. L'isolamento è previsto tra il nucleo toroidale e il primo avvolgimento (isolamento a terra), tra gli avvolgimenti successivi (isolamento tra gli avvolgimenti) e all'esterno dell'ultimo avvolgimento (involucro esterno).

L'isolamento del nucleo è solitamente realizzato in uno dei seguenti modi:

1. Polimerizzazione di uno strato isolante di materiale plastico o ceramico sulla superficie esterna del nucleo.
2. Montaggio di tappi di plastica sulla parte superiore e inferiore del nucleo.
3. Avvolgimento di una stretta striscia di materiale plastico in modo sovrapposto attraverso il foro centrale del toroide.

I primi due metodi di isolamento del nucleo non sono adatti per l'isolamento disposto su un avvolgimento, perché quest'ultimo non è in grado di sopportare l'elevata temperatura di polimerizzazione e le dimensioni e le forme degli avvolgimenti sono così variabili che non è possibile utilizzare cappucci standardizzati. L'isolamento sugli avvolgimenti viene quindi realizzato quasi esclusivamente avvolgendo una stretta striscia di materiale plastico attraverso il centro del toroide in modo sovrapposto.

Impregnazione

I trasformatori di bassa potenza e con fili di piccole dimensioni possono essere impregnati per avere una durata maggiore ed evitare cortocircuiti. In applicazioni speciali come l'audio, il nucleo toroidale viene spesso impregnato per arrestare il ronzio udibile.

Fili e manicotti di piombo

Come per l'isolamento, anche i conduttori e le guaine devono soddisfare gli standard di sicurezza internazionali. Talema utilizza generalmente conduttori di categoria UL AVLV2 con un minimo di 300 V e guaine di categoria UL YDPU2/UZFT2 con un minimo di 300V. Entrambi sono selezionati in base agli standard EN61558, UL5085, UL60601-1 e UL62368. I conduttori e i materiali delle guaine di categorie di tensione/temperatura più elevate sono utilizzati sui trasformatori di classi di isolamento più elevate (classe B e F).

Schermo elettrostatico

Gli schermi elettrostatici vengono talvolta aggiunti ai trasformatori toroidali per filtrare le interferenze elettrostatiche provenienti dalla rete elettrica e per derivare a terra in caso di guasto dell'isolamento principale. Gli schermi sono costruiti utilizzando una bobina di avvolgimento in rame, isolata con poliestere, che di solito si avvolge tra gli avvolgimenti primari e secondari. Sono disponibili due tecniche di costruzione: esterno chiuso ed esterno aperto.

Scudo magnetico

I trasformatori toroidali hanno già per natura un basso campo di dispersione magnetica. Se è necessaria un'ulteriore riduzione, i trasformatori possono essere forniti con una schermatura magnetica aggiuntiva. Questa schermatura utilizza una sottile lastra di acciaio al silicio a grani orientati con più strati strettamente avvolti intorno alla circonferenza del trasformatore toroidale e fissati con un involucro esterno.

Invasatura o incapsulamento

Il materiale termoplastico viene utilizzato per l'invasatura o l'incapsulamento e fornisce un'eccellente protezione contro gli urti e le vibrazioni. Se lo si desidera, il materiale può essere anche termoconduttivo.

Conclusione

La qualità complessiva di un trasformatore toroidale è determinato da molte scelte progettuali. Come per ogni componente ingegnerizzato, il costo è funzione della qualità dei materiali e delle tecniche di costruzione. Gli ingegneri progettisti di Talema vantano decenni di esperienza nella progettazione di magneti personalizzati e saranno lieti di aiutarvi a specificare i componenti per il vostro prossimo progetto. Contattateci oggi!