Als „Herzstück“ eines Transformators spielt der Eisenkern eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung elektromagnetischer Energie. Er beeinflusst nicht nur die Energieeffizienz von Transformatoren, sondern steht auch in direktem Zusammenhang mit deren Volumen, Gewicht und Betriebssicherheit. Die Entwicklung der Eisenkernmaterialien, von industriell reinem Eisen bis hin zu den heutigen amorphen Legierungen, hat die bemerkenswerte Entwicklung der Transformatorentechnologie maßgeblich geprägt.
Die Kernfunktion und Leistungsanforderungen von Eisenkern
Die Hauptfunktion des Transformatorkerns besteht darin, einen effizienten Magnetkreis zu bilden, der die Übertragung elektrischer Energie zwischen verschiedenen Stromkreisen mittels elektromagnetischer Induktion ermöglicht. Die Eigenschaften des Eisenkerns beeinflussen direkt die technischen und wirtschaftlichen Kennzahlen des Transformators. Die grundlegenden Anforderungen an die Werkstoffe für den Eisenkern sind: geringe Kernverluste bei einer bestimmten Frequenz und magnetischen Flussdichte sowie eine hohe magnetische Flussdichte bei einer bestimmten Magnetfeldstärke.
Die Kernverluste setzen sich aus zwei Komponenten zusammen: Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten. Hystereseverluste hängen mit der Schwierigkeit der Magnetisierung des Materials zusammen, während Wirbelstromverluste durch den im Eisenkern induzierten Kreisstrom aufgrund des wechselnden magnetischen Flusses entstehen. Um diese Verluste zu reduzieren, sollten ideale Eisenkernmaterialien einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand, eine hohe magnetische Permeabilität und eine niedrige Koerzitivfeldstärke aufweisen.
Der Evolutionsprozess von Eisenkernmaterialien
Die Entwicklung von Transformatorkernmaterialien hat eine lange und spannende Geschichte hinter sich. Die ersten Transformatorkerne verwendeten gewöhnlichen Kohlenstoffstahldraht oder Kohlenstoffstahl als magnetisches Material. 1885 entwickelte das ungarische Werk Gunz den ersten Einphasentransformator mit geschlossenem Magnetkreis, dessen Eisenkern aus diesem Material gefertigt war.
Im Jahr 1900 entdeckten der Engländer R. A. Hadfield und andere, dass die Zugabe von Silizium zu Baustahl den spezifischen Widerstand verbessert, Wirbelstrom- und Hystereseverluste reduziert und die Kernalterung verringert. 1903 begannen die USA und Deutschland mit der Produktion von warmgewalzten Siliziumstahlblechen, was den Beginn der Ära der Siliziumstahlbleche markierte.
Warmgewalzte Siliziumstahlbleche weisen Probleme wie ungleichmäßige Eigenschaften und hohe Verluste auf. In den 1930er Jahren wurden technologische Durchbrüche bei kaltgewalzten Siliziumstahlblechen erzielt. 1933 nutzte Gauss zwei Kaltwalz- und Glühverfahren, um 3 % Si-Stahl mit hohen magnetischen Eigenschaften in Walzrichtung herzustellen. 1935 kooperierte die Armco Steel Company (USA) mit der Westinghouse Company, um die Produktion von kaltgewalztem, kornorientiertem Siliziumstahl aufzunehmen.
Nach den 1960er Jahren stellten die großen Industrieländer die Produktion warmgewalzter Siliziumstahlbleche schrittweise ein und wandten sich kaltgewalzten Siliziumstahlblechen mit besseren Eigenschaften zu. 1964 entwickelte die japanische Nippon Steel Corporation hochpermeable, kornorientierte kaltgewalzte Siliziumstahlbleche (Hi-B-Stahl), wodurch die Leerlaufverluste von Transformatoren weiter reduziert wurden.
In den 1970er Jahren feierten amorphe Legierungswerkstoffe ihr Debüt in der Geschichte der Elektronik. 1974 entwickelte die United Microelectronics Corporation eisenbasierte amorphe Legierungen, und 1978 brachten die USA 10-kVA-Transformatoren mit amorphem Eisenkern auf den Markt. Dieser neue Werkstoff zeichnet sich durch extrem geringe Eisenverluste aus – nur ein Drittel bis ein Fünftel der Verluste herkömmlicher Siliziumstahlbleche – und läutete damit eine neue Ära der Energieeinsparung bei Transformatoren ein.
Haupttypen und Eigenschaften von Eisenkernmaterialien
Siliziumstahlblech
Siliziumstahlblech ist eine weichmagnetische Siliziumeisenlegierung mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt, üblicherweise 0,5–4,5 % Silizium. Durch die Zugabe von Silizium lassen sich der elektrische Widerstand und die maximale magnetische Permeabilität des Eisens erhöhen sowie die Koerzitivfeldstärke, die Kernverluste und die magnetische Alterung reduzieren. Siliziumstahlbleche werden in warmgewalzte und kaltgewalzte Bleche unterteilt, wobei kaltgewalzte Bleche weiter in orientiert und unorientiert unterteilt werden.
Kaltgewalztes, nicht kornorientiertes Siliziumstahlblech besteht aus einer Legierung mit 0,5 % bis 4,0 % (Si+Al), die auf 0,65 mm, 0,5 mm und 0,35 mm kaltgewalzt und anschließend geglüht und beschichtet wird. Es weist eine relativ unregelmäßige Kornstruktur und relativ gleichmäßige magnetische Eigenschaften in alle Richtungen auf.
Orientierter Siliziumstahl weist in der leicht magnetisierbaren <001>-Richtung eine hohe magnetische Permeabilität und geringe Verluste auf und erfüllt damit die Anforderungen an die magnetische Leitfähigkeit von stationären Energieanlagen wie Transformatoren. Der mittlere Kornorientierungsabweichungswinkel von gewöhnlichem orientiertem Siliziumstahl (CGO) beträgt etwa 7°, und der Wert der Sättigungsmagnetisierung B8 liegt über 1,82 Tesla. Bei hochmagnetisch orientiertem Siliziumstahl (Hi-B) beträgt der mittlere Kornorientierungsabweichungswinkel etwa 3°, und der B8-Wert liegt über 1,90 Tesla.
amorphe Legierung
Amorphe Legierungen sind metallische Funktionswerkstoffe, deren Atome zufällig in der Materialmatrix verteilt sind und die eine glasartige Zusammensetzung aufweisen. Eine typische amorphe Legierung besteht zu 80 % aus Eisen, die restlichen Bestandteile sind Bor und Silizium. Dieses Material zeichnet sich durch eine hohe Sättigungsmagnetisierung (1,54 T), eine hohe magnetische Permeabilität, einen niedrigen Erregerstrom und extrem geringe Eisenverluste aus.
Die Eisenverluste von amorphen Legierungen auf Eisenbasis betragen nur ein Drittel bis ein Fünftel der Verluste von orientierten Siliziumstahlblechen. Dadurch reduzieren sich die Leerlaufverluste von Transformatoren aus amorphen Legierungen im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumstahltransformatoren um 70 % bis 80 %. Die Sättigungsmagnetflussdichte von amorphen Legierungen ist relativ gering (ca. 1,5 T), daher wird die Nennmagnetflussdichte üblicherweise auf 1,3–1,4 T festgelegt.
Die Dicke des amorphen Legierungsstreifens ist mit nur 0,03 mm extrem gering, was zu einem Laminierungsgrad von lediglich etwa 80 % für den amorphen Eisenkern führt. Obwohl amorphe Legierungen eine geringere Dichte als Siliziumstahlbleche aufweisen, ist das Gewicht des Eisenkerns dennoch relativ hoch.
Kernstrukturdesign
Die Konstruktion von Transformatorkernen hat sich ebenfalls deutlich weiterentwickelt. Vom frühen laminierten Eisenkern über den C-förmigen Eisenkern bis hin zum ringförmigen (gewickelten) Eisenkern besitzt jede Struktur ihre eigenen Merkmale und Vorteile.
Der ringförmige Eisenkern wird durch das Aufwickeln von Siliziumstahlstreifen, ähnlich einer eng gewickelten Uhrfeder, hergestellt. Dieser Eisenkern besitzt einen geschlossenen Magnetkreis ohne Luftspalte, was zu einem geringen magnetischen Widerstand und einem hohen Wirkungsgrad führt. Im Vergleich zu laminierten Transformatoren gleicher Leistung zeichnen sich Ringkerntransformatoren durch ihre geringe Größe, ihr niedriges Gewicht und ihre geringe magnetische Streuung aus.
Aufgrund der schwierigen Bearbeitung amorpher Legierungen werden Transformatoren üblicherweise mit gewickeltem Eisenkern konstruiert. Der Kern eines Einphasentransformators besteht aus einem Rahmen, während der Kern eines Dreiphasentransformators durch die Kombination von vier Rahmen zu einer Struktur ähnlich einer Dreiphasen-Fünfsäulenstruktur entsteht. Diese Konstruktion ermöglicht es, jede Phasenwicklung auf zwei unabhängigen Rahmen des Magnetkreises zu platzieren und so den Einfluss des magnetischen Flusses dritter Harmonischer effektiv zu eliminieren.
Herstellungsprozess von Eisenkernmaterial
Die Herstellung von Siliziumstahlblechen, insbesondere von orientierten Siliziumstahlblechen, ist ein komplexer Prozess. Die Fertigung ist aufwendig, das Prozessfenster eng und die Produktionsschwierigkeiten hoch. Sie gilt als „Handwerk der Stahlprodukte“.
Die Herstellung von kaltgewalzten, nicht kornorientierten Siliziumstahlblechen umfasst üblicherweise folgende Schritte: Warmwalzen von Stahlblöcken oder Stranggussblöcken zu Spulen mit einer Dicke von ca. 2,3 mm, gefolgt von Säurebehandlung, Kaltwalzen, Glühen und dem Aufbringen einer Isolierfolie. Bei hochsiliziumhaltigen Produkten ist nach dem Warmwalzen zunächst eine Normalglühung bei 800–850 °C erforderlich, gefolgt von Säurebehandlung, Kaltwalzen auf eine bestimmte Dicke, Glühen, anschließendem Kaltwalzen mit geringer Umformgeschwindigkeit und abschließendem Feinglühen.
Das gängigste Verfahren zur Herstellung amorpher Legierungen besteht darin, flüssigen Metalldampf auf einen schnell rotierenden Kupferwickelrahmen zu sprühen. Das flüssige Metall kühlt mit einer Rate von 10⁶ °C/s ab und erstarrt zu dünnen Rippen. Die durch das Abschrecken entstandenen hohen inneren Spannungen müssen durch Glühen zwischen 200 °C und 280 °C abgebaut werden, um gute magnetische Eigenschaften zu erzielen.
Energieeinsparungsvorteile von Eisenkernmaterialien
Transformatoren sind im chinesischen Stromnetz zahlreich und haben eine hohe Kapazität, was zu erheblichen Gesamtverlusten führt. Schätzungen zufolge betragen die Gesamtverluste der Transformatoren in China etwa 10 % der Stromerzeugung. Jede Reduzierung der Verluste um 1 % kann jährlich Milliarden Kilowattstunden Strom einsparen.
Transformatoren mit Kernen aus amorphem Eisenlegierungsmaterial weisen erhebliche Energieeinsparungen auf. Die Leerlaufverluste der Transformatoren der SH12-Serie mit Kernen aus amorphem Eisenlegierungsmaterial sind im Vergleich zu Transformatoren der S9-Serie mit Siliziumstahlkern um etwa 75 % reduziert. Obwohl Transformatoren mit Kernen aus amorphem Eisenlegierungsmaterial in der Anschaffung teurer sind als herkömmliche Transformatoren, sind ihre Betriebskosten extrem niedrig, und die Amortisationszeit beträgt in der Regel 2 bis 5 Jahre.
Wirtschaftlich entwickelte Regionen wie die Provinzen Shanghai, Jiangsu und Zhejiang setzen in großem Umfang auf Transformatoren aus amorphen Legierungen. Die Jiangsu Electric Power Company plant sogar, künftig neue und modernisierte Leitungen zu installieren, wobei der Anteil von Transformatoren aus amorphen Legierungen mindestens 30 % betragen soll.
Der Entwicklungstrend von Eisenkernmaterialien
Eisenkernwerkstoffe werden in Richtung geringer Eisenverluste und hoher magnetischer Induktion weiterentwickelt. Dies betrifft Siliziumstahlbleche, darunter nicht-orientiertes Siliziumstahl für verlustarme, hocheffiziente Motoren, dünnwandiges, verlustarmes, orientiertes Siliziumstahlblech mit hoher magnetischer Induktion sowie hochsiliziumhaltiges Stahlblech für energiesparende Elektrogeräte im mittleren und hohen Frequenzbereich.
Hochsiliziumhaltiger Stahl (SiFe-Legierung mit 4,5 % bis 6,7 % Si) zeichnet sich durch deutlich reduzierte Eisenverluste bei hohen Frequenzen, eine hohe maximale magnetische Permeabilität und eine niedrige Koerzitivfeldstärke aus. Aufgrund des hohen Siliziumgehalts und der extrem geringen Plastizität bei Raumtemperatur ist er jedoch schwer zu walzen und zu formen. Derzeit werden nichtorientierte 6,5 % SiFe-Legierungswerkstoffe hauptsächlich durch Siliziuminfiltration hergestellt.
Nanomodifizierte und biobasierte Werkstoffe zählen ebenfalls zu den zukünftigen Entwicklungsrichtungen. Angesichts der steigenden Anforderungen an den Umweltschutz wird die Entwicklung ungiftiger, biologisch abbaubarer oder recycelbarer Eisenkernwerkstoffe ein wichtiges Forschungsgebiet darstellen.
Abschluss
Die Entwicklung von Transformatorenkernmaterialien hat die perfekte Verbindung von Materialwissenschaft und Elektrotechnik hervorgebracht. Von gewöhnlichem Kohlenstoffstahl über Siliziumstahlbleche bis hin zu amorphen Legierungen – jeder Materialdurchbruch hat die Energieeffizienz von Transformatoren deutlich verbessert.
In einer Welt, in der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung weltweit Konsens sind, ist die Auswahl effizienter Eisenkernmaterialien nicht nur mit wirtschaftlichen Vorteilen, sondern auch mit ökologischer Verantwortung verbunden. Mit der ständigen Entwicklung neuer Materialien und Verfahren werden Transformatorkerne zukünftig kontinuierlich verlustärmer und effizienter, was zum Aufbau eines umweltfreundlichen und kohlenstoffarmen Energiesystems beiträgt.
Veröffentlichungsdatum: 29. August 2025
