مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست مطالب

عنوان

مقدمه

فصل اول: مفاهيم اساسي در طراحي

فصل دوم: هسته ترانسفورماتور

فصل سوم: سيم پيچي ترانسفورماتور

فصل چهارم: طراحي ترانسفورماتور

منابع و مراجع

 

مقدمه

در ميان مباحث مختلف علوم بحث طراحي يكي از مهمترين موضوعاتي است كه در مورد آن بايد تحقيقات وسيعي انجام شود. در مورد دستگاهها و وسايل الكتريكي نيز موضوع طراحي جايگاه ويژه اي دارد.

شايد پركاربردترين وسيله اي كه در اغلب دستگاههاي الكتريكي و الكترونيكي بصورت مستقيم يا غيرمستقيم و در اندازه هاي كوچك و بزرگ استفاده مي شود، ترانسفورماتور مي باشد.

ترانسفورماتورها از نظر كاربرد انواع مختلفي دارند: ترانسفورماتورهاي ولتاژ (VT) ، ترانسفورماتورهاي جريان (CT) ، ترانسفورماتورهاي قدرت (PT) ، ترانسفورماتورهاي امپدانس، ترانسفورماتورهاي ايزولاسيون و اتوترانسفورمرها . هر كدام از اين نوع ترانسفورماتورها كاربرد و تعريف خاص خود را دارند.

در روند طراحي ترانسها مسايل مختلفي مطرح مي شود، و مراحل متعددي بايد طي شود تا يك طراحي بصورت پايدار و مناسب ، قاب ساخت و استفاده بصورت عملي باشد.

در اين پروژه، بعد از بررسي مقدماتي و تعريف بعضي از پارامترهاي مهم در مبحث ترانس، از جمله ميل مدور (CM) ، ضريب شكل موج (Form Factor) و نيز ضريب انباشتگي سطح مقطع (Stacking factor) به معرفي دو فرمول اساسي مورد استفاده در روند طراحي پيشنهادي در اين پروژه مي پردازيم و در فصول بعدي به معرفي ضرايب مورد استفاده در طراحي هسته و سيم پيچي و نيز معرفي و ارايه كاتالوگها و نمودارهاي موردنياز براي طراحي انواع هسته و سيم پيجي، كه از مباحث اساسي در ترانسفورماتورها مي‌باشد، پرداخته ميشود.

در ادامه مبحث اصلي و در واقع نتيجه اي كه از مباحث قبلي گرفته شده است، در جهت ارائه يك نتيجه كلي، روندي براي طراحي ترانسفورماتورهاي قدرت بصورت يك الگوريتم و روش براي طراحي آورده شده است.

در انتها نيز يك برنامه كامپيوتري در جهت بهبود روند طراحي و سرعت بخشيدن به انجام فرايند حجيم محاسباتي مبحث طراحي و بهبود بعضي از پارامترهاي مهم از جمله راندمان، ارائه شده است. در پايان اين بخش نيز نتايج چند طراحي آورده شده است.

 

فصل اول

مفاهيم اساسي در طراحي

در اين قسمت به عنوان توضيح بعضي از تعاريف و مقدمات و چند مبحث بصورت گذرا مطرح مي شود، كه با توجه به اهميت آشنايي با اين مفاهيم در بحث طراحي مي تواند بسيار مفيد باشد.

تعاريف و مفاهيم:

مدل مدور (Circular Mil) :

ميل مدور يكي از واحدهاي متداول بين كننده سطح مقطع هاديها مي‌باشد. وقتي كه قطر هادي برابر با يك ميل (mil) باشد، سطح مقطع هادي طبق روابط زير و با توجه به شكل يك ميل مدور خواهد بود.

(mil) قطر هادي D =

(CM) سطح مقطع هادي A=

1 mil = 0.001 inch

1 inch = 2.54 cm

(1-1)

ضريب شكل موج (From Factor) :

ضريب شكل موج برابر با نسبت مقدار rms موج ولتاژ مورد استفاده به مقدار ميانگين اين شكل موج است، كه بدين ترتيب براي هر شكل موج مشخصه موجود، اين ضريب متفاوت خواهد بود. براي مواردي كه از موج متناوب سينوسي استفاده مي شود، مقدار اين ضريب برابر با 11/1 در نظر گرفته خواهد شد.

(2-1)

در شكل موج سينوسي روابط 3-1 و 4-1 برقرار مي باشند:

(3-1) و (4-1)

و از روابط قبل براي موج سينوسي بدست مي آيد:

(5-1)

ضريب انباشتگي در سطح مقطع (Stacking Factor) :

ضريب انباشتگي در سطح مقطع براي بيان اين واقعيت مطرح مي‌شود كه، سطح مقطع محاسبه شده هسته هميشه از مقدار واقعي سطح مقطع آهن هسته بيشتر است. بنابراين براي استفاده از پارامتر سطح مقطع در فرمولها بايد اين ضريب را كه مقدار آن اغلب عددي نزديك يك بوده و تقريباً 0.9 و يا 0.95 مي باشد، به مقدار سطح مقطع ضرب كرد.

در اغلب موارد و نيز در اين پروژه فاكتور انباشتگي با حرف كوچك s نمايش داده مي شود.

معرفي دو فرمول اساسي در طراحي‌ها:

در طراحي ترانسها دو فرمول اساسي كاربرد زيادي دارند كه در زير آورده شده اند. با استفاده از اين دو فرمول مي توان به نتايج ارزشمندي رسيد و روند طراحي را بصورت مدون و مشخص ارائه نمود. در اين روابط مقدار ضريب انباشتگي سطح مقطع (s) را تقريباً برابر با يك در نظر گرفته ايم.

فرمول ولتاژ:

در اين فرمول مقدار موثر توليد شده در يك سيم پيچي توسط رابطه (6-1) بيان مي شود:

(6-1)

F : ضريب شكل موج

f : فركانس (Hz)

a : سطح مقطع هسته

N : تعداد دور سيم پيچي

B : چگالي شار مغناطيسي

: ولتاژ توليد شده در سيم پيچي (ولت)

با استفاده از اين رابطه مي توان يكي از مهمترين پارامترهاي طراحي يعني تعداد دور به ازاي هر ولت را براحتي محاسبه كرد و با توجه به شكل موج ولتاژ مورد استفاده يك رابطه مشخص بين اين پارامتر و پارامترهاي ديگر بدست آورد:

(7-1)

اگر در رابطه (7-1) مقدار a بجاي برحسب بيان شود و نيز مقدار F هم براي موج سينوسي شكل در فرمول جاگذاري شود، رابطه (8-1) بدست خواهد آمد:

(8-1)

فرمول ظرفيت توان:

اين فرمول مقدار تواني را كه در يك هسته مشخص با چگالي جريان مشخص و در يك فركانس معين مي تواند توليد شود بيان مي‌شود:

(9-1)

J : چگالي جريان سيم

f : فركانس (Hz)

W : مساحت پنجره هسته

a : سطح مقطع هسته

B : چگالي شار مغناطيسي

P : ظرفيت توان توليدي (ولت آمپر)

با استفاده از اين رابطه نيز مي توان يكي ديگر از فاكتورهاي مهم در طراحي را بدست آورد. اين فاكتور كه در واقع حاصلضرب دو پارامتر W و a مي باشد، با نام حاصلضرب Wa ، شناخته مي شود و در حالتي كه مقدار a و W را با واحد ، و مقدار J را بر حسب بيان شده و رابطه (9-1) را مرتب كنيم، رابطه (10-1) بدست خواهد آمد كه از مهمترين و پرمصرف ترين روابط در طراحي مي‌باشد:

(10-1)

در روابط (9-1) و (10-1) ، اگر ميزان چگالي جريان را با پارامتر ديگري كه داراي واحد اندازه گيري معكوس چگالي جريان قبلي است، بيان كنيم و پارامتر جديد را با S نمايش دهيم، بعد از اعمال ساير ضرايب معادل سازي، روابط (11-1) و (12-1) بدست خواهد آمد كه در آن واحد سنجش چگالي جريان جديد (S) برابر با ميل مدور بر آمپر بيان مي گردد:

(11-1)

(12-1)

تلفات و افت ولتاژ در ترانسفورماتورها:

فلز هسته مانند سيمهاي مسي توسط يك شار مغناطيسي متغير لينك مي شود. در نتيجه اين شار يك جريان گردشي در هسته القا مي‌شود. اين جريان كه eddy current ناميده مي شود به همراه اثري ديگر بنام هيسترزيس يك تلفات توان به شكل گرما در آهن هسته ايجاد مي كنند، كه اغلب آن را تلفات آهن مي گويند.

همچنين جريان بي باري در سيم پيچي اوليه با مقاومت سيم مسي روبرو مي شود كه باعث ايجاد تلفات و نيز افت ولتاژ مي شود. اين تلفات مستقل از بار بوده و به همراه تلفات آهن بخش عمده تلفات بي باري را تشكيل مي دهند.

علاوه بر موارد بالا جريان بار كه از مقاومت سيمهاي اوليه و ثانويه عبور مي كنند، تلفات را بوجود مي آورد كه سيمهاي مسي را گرم مي كند و ايجاد افت ولتاژ مي كند. اين تلفات را تلفات بار مي گويند. تلفات توان هسته آهني و جريان هاي بار سيم پيچ اوليه هم فاز مي‌باشد و بنابراين بطور مستقيم جمع پذيرند. اين تلفات قسمت غالب تلفات توان را جواب مي دهند و اغلب تنها فاكتوري مي باشند كه در طراحي ها به حساب آورده مي شوند.

منابع ديگر تلفات از جمله تلفات ناشي از جريان مغناطيس كنندگي نيز وجود دارند. اين جريان به راكتانس سيم پيچي اوليه مربوط مي‌باشد و مستقل از بار است. بخاطر اينكه اين جريان نسبتاً راكتيو است، تلفات ناشي از آن نيز با تلفات توان هسته و جريان هاي بار هم فاز نمي باشد و نمي تواند بطور مستقيم با آنها جمع شود و زمانيكه اين مقادير بايد به حساب آورده شوند (كه البته تقريباً به ندرت و در تعداد كمي از ترانسهاي قدرت) بايد بصورت برداري وارد محاسبات گردند. خازن پراكنده و اندوكتانس نشتي دو فاكتور مهمي هستند كه در تلفات و ساير پديده هاي نامطلوب اثر مي گذارند.

خاصيت خازني پراكنده به طور حتم در بين دور سيمها، بين يك سيم پيچي با سيم پيچي ديگر و نيز بين سيم پيچي ها و هسته وجود دارد. اين خازنها در عملكرد ترانس ايجاد اختلال مي كنند، ولي با توجه به اينكه اين خازنها به غير از فركانس هاي نسبتاً بالا تأثير قابل توجهي روي مقادير ترانس ندارند در شرايط معمولي و كار با فركانس هاي پايين از آنها چشم پوشي مي كنيم.

اندوكتانس نشتي بخاطر اينكه مقداري از خطوط شار سيم پيچي را در درون هسته لينك نمي كنند و مسير فلو را در خارج هسته كامل مي‌كنند، بوجود مي آيد. اين نشت در هر دو سيم پيچ اوليه و ثانويه وجود دارد، ولي اگر هر دو سيم پيچ اوليه و ثانويه در روي يك ستون و بصورت روي هم پيچيده شوند مقدار آن بشدت كاهش خواهد يافت. اثر اين اندوكتانس در فركانسهاي پايين بسيار كم خواهد بود.

در طراحي ترانسهاي قدرت از اكثر فاكتورهاي تلفات پراكنده بجز در موارد خاص كه يك مقدار راكتانس كوچك را در نظر مي گيريم، چشم‌پوشي مي شود. به عنوان مثال فاصله هاي هوايي در هسته هايي كه بصورت نامناسب ساخته شده اند، يا حركت هسته به درون ناحيه اشباع اندوكتانس سيم پيچ اوليه و بنابراين راكتاس را كاهش مي دهد. اين امر باعث مي شود كه جريان مغناطيس كنندگي بالا رفته و به دنبال آن افت ولتاژها و تلفات مس در درون سيم پيچ اوليه زياد شود.

در شكل (2-1) يك مدار معادل دقيق از ترانسفورماتور آورده شده است كه در آن همه پارامترها منظور شده اند. شكل (3-1) براي حالت فركانسهاي پايين تنظيم شده است و فقط پارامترهاي موثر در نظر گرفته شده اند.

با در نظر گرفتن شكل (3-1) بعنوان شكل مورد استفاده در اين پروژه مطالعات زير را انجام مي دهيم.

از روابط جريان ها داريم:

(13-1)

(15-1) و (14-1)

(17-1) و (16-1)

براي ايجاد رابطه بين نسبت ولتاژها و تعداد دورها داريم:

(18-1)

(19-1)

از رابطه (19-1) مي توان نتيجه بسيار مهم ديگري را بدست آورد. كاربرد اين رابطه در بدست آوردن نسبت تعداد دورها در حالت جبران سازي افت ولتاژها براي حالتي كه يكي از تعداد دورها و نيز افت ولتاژ سيم پيچي ها مشخص باشند، است.

اگر تعداد دور اوليه مشخص باشد، براي اينكه بدانيم با چه تعداد دوري در طرف ثانويه علاوه بر ايجاد نسبت ولتاژ مناسب، افت ولتاژها را جبران نماييم، از رابطه (20-1) استفاده مي كنيم:

(20-1)

در حالتي كه تعداد دور سيم پيچي در ثانويه مشخص باشد، تعداد دور اوليه با شرايط بالا بدست خواهد آمد:

(21-1)

تخمين تلفات ترانسفورماتور براي راندمان ماكزيمم:

يكي از آسانترين و مفيدترين اعداد و ارقامي كه به عنوان فرض از آن استفاده فراواني خواهد شد، راندمان مي باشد. راندمان را با نشان مي دهيم. از نظر قاعده ترانسفورماتورها ادوات كم تلفاتي هستند و اغلب راندماني بين 75/0 و 95/0 دارند. بنابراين هر عددي در اين فاصله مي تواند مقدار مناسبي براي يك حدس اوليه باشد.

با استفاده از اين عدد اوليه براحتي مي توان مقدار توان مورد نياز ورودي برحسب وات را محاسبه كرد:

(22-1)

بصورت منطقي از مقدار توان ورودي مي توان جريان اوليه را برحسب آمپر محاسبه كرد:

(23-1)

براي ايجاد حالت بهينه در راندمان و نيز اقتصادي تر كردن طراحي بايد دو موضوع مهم را در نظر بگيريم:

1- تلفات سيم پيچ اوليه و ثانويه با هم برابر باشند.

2- تلفات آهني با تلفات مسي كل برابر باشند.

به بيان ديگر يعني نصف كل تلفات در آهن هسته و نصف ديگر در مس باشند و تلفات مسي بصورت برابر بين سيم پيچي اوليه و ثانويه تقسيم شود.

در اين حالت به تجربه فرمول ديگري را مي توان بدست آورد كه نسبت تعداد دور اوليه و ثانويه را از طريق راندمان به نسبت ولتاژها مربوط مي‌سازد:

(24-1)

براي ايجاد راندمان حداكثر از روش فوق بايد فضاي قابل دسترس براي سيم پيچي ها در هسته بصورت مساوي بين اوليه و ثانويه تقسيم شود، يعني سيم پيچي اوليه نصف فضاي كل در دسترس براي سيم پيچي ها در هسته را اشغال كند و مجموعه سيم پيچي هاي ثانويه نيز همگي با هم نصف ديگر فضاي در دسترس را اشغال نمايند. منظور از فضاي سيم پيچي حجم قسمتي است كه توسط سيم در هر سيم پيچي اشغال شده است. شكل هاي (4-1) و (5-1) اين مطلب را توضيح مي دهند.

در مواردي ممكن است براي طراحي مقدار رگولاسيون ولتاژ داده شده باشد و از طريق آن بايد مقدار راندمان را براي شروع روند طراحي حدس زد. در مورد ارتباط بين رگولاسيون ولتاژ و راندمان مي توان رابطه زير را با تقريب مناسبي بيان كرد:

(25-1) و

از رابطه بالا رابطه (26-1) بدست خواهد آمد:

(26-1) و

 

فصل دوم

هسته در ترانفسورماتورها

در اين فصل در مورد انواع هسته و نيز مواد مورد استفاده در هسته ترانسفورماتورهاي امروزي مطالبي آورده شده است كه با توجه به اهميت انتخاب هسته در روند طراحي مي تواند يكي از قسمتهاي مهم اين پروژه و نيز پروژه‌هاي مشابه باشد.

تا كنون ماده هسته به طور مكرر با عنوان آهن بيان مي شد. در واقع بيشتر مواقع آهني وجود ندارد ولي آهن هم مي تواند مورد استفاده قرار گيرد.

معمولاً ماده هسته آلياژهايي در يك كلاس كاملاً كم آهن مي باشد كه شامل 85% نيكل به علاوه مقدار كمي آهن و ساير مواد مي باشد. ماده ديگري نيز وجود دارد كه اصلاً فلز نمي باشد و در واقع يك نوع سراميك مي باشد.

معمولترين نوع هسته فولاد تركيب شده با آهن با مقدار كمي از ساير مواد مي باشد كه ساير مواد به صورت قابل ملاحظه سيليكون مي باشد.

مشخصه‌هاي مواد هسته:

به طور معمول پنج مشخصه هسته بايد در نظر گرفته شود:

1- Permeability :

پرمابيليته توانايي هدايت فلو است و از نظر رياضي برابر است با نسبت چگالي فلو (B) به نيروي مغناطيس كنندگي ايجاد كننده آن.

(1-2)

وقتي كه B برحسب H رسم گردد منحني بدست آمده مغناطيس شوندگي يا منحني اشباع يا به صورت ساده منحني B-H ناميده مي شود (شكل 1-2).

اين منحني B-H براي يك ماده نمونه است كه قبلاً كاملاً مغناطيس زدايي شده است و سپس به تدريج در معرض افزايش تدريجي نيروي مغناطيسي كنندگي قرار گرفته و در هر لحظه چگالي فلو اندازه گيري شده است. شيب منحني در هر نقطه داده شده پرمابيليته در آن نقطه مي باشد. زماني كه محاسبه شود و برحسب B يا H رسم شود مشهود است كه ثابت نيست. مقدار تغيير مي كند و بنابراين مقدار آن در يك نقطه B يا H داده شده مشخص مي شود (شكل 2-2).

در مقادير كوچك H پرمابيليته اوليه ناميده مي شود. درجات معمولي مواد هسته از قبيل فولاد كم كربن و فولاد سيليكون دار داراي اوليه كمي مي‌باشد آلياژهي زيادي از جمله انواع آهن نيكل دار در چندين دهه اخير تلاش شده است براي اينكه اوليه آنها حتي به صورت نامحدود افزايش يابد.

يك اصطلاح ديگر كه به صورت متناوب در طراحي ترانسفورماتور مواجه مي شويم افزايشي است كه بعضي وقتها ظاهري يا ac گفته مي‌شود اين زماني است كه يك نيروي مغناطيس كنندگي ac روي يك نيروي مغناطيس كنندگي dc گذاشته شود كه يك وضعيت مشابه در بعضي انواع مدارهاي الكترونيكي مي باشد.

اثر اين مقدار dc بردن آهن به نزديك نقطه اشباع است و سپس براي ac اين كاهش مي يابد در چنين وضعيتي پرمابيليته بهبود مي يابد با در نظر گرفتن يك فاصله هوايي با اندازه بهينه در مدار مغناطيسي شكل 3-2 ، اثر تغييرات فاصله هوايي هسته را روي اندوكتانس سيم پيچي با هسته آهني را نمايش مي‌دهد. سه سطح dc جريان براي يك سطح ثابت نشان داده شده است.

2- Saturation :

منحني B-H به وضوح معناي اشباع را مشخص مي كند. ديده مي شود كه بعد از يك مقدار مشخص H (نقطه c در شكل 1-2) افزايش كمي در مقدار B وجود دارد و آهن به شرايط اشباع مي رسد. مواد مختلف در مقدارهاي متفاوتي از چگالي فلو به اشباع مي رسد بايد توجه كنيم كه در حالت اشباع پرمابيليته بايد خيلي كوچك يا صفر باشد، براي اينكه افزايش كمي در مقدار B و يا عدم افزايش آن به خاطر افزايش H وجود دارد. اين به آن معني است كه هنگامي كه آهن اشباع مي شود اندوكتانس خيلي كوچك است.

به صورت معمول دقت مي شود كه آهن بالاي نقطه اشباع نرود هر چند استثناهاي مهمي وجود دارد كه بعداً به آنها پرداخته مي شود.

3- Electrical Resistivity :

خطوط فلو سيم پيچي هاي ترانسفورماتور را قطع مي كند، از داخل هسته نيز عبور مي كند و در آن جريان هاي الكتريكي القا مي كند اين جريان هاي فوكو هسته را گرم مي كنند و بنابراين توان تلف مي كنند. اگر مقاومت الكتريكي هسته بالا باشد جريان ها كم است بنابراين مزاياي مواد كم تلفات در مقاومت الكتريكي بالاي آنها است. اين نوع تلفات همچنين با ساخت هسته از ورقه‌هاي نازك كه از يكديگر ايزوله شده اند، كم مي شود.

4 و 5- Hysteresis (remanence and coercivity) :

وقتي كه يك ماده كه از قبل مغناطيس زدايي شده در معرض يك سيكل كامل مغناطيس كنندگي قرار گيرد و B برحسب H رسم شود شكل شبيه نتايج شكل 4-2 حاصل مي شود. بايد توجه كرد كه شكل مانند شكل 1-2 يك منحني B-H است، ولي تفاوت آن در اين است كه در شكل 1-2 ماده فقط سيكل را تجربه مي كند در صورتيكه در شكل 4-2 در يك سيكل كامل قرار مي گيرد كه از نخستين ربع سيكل شروع مي شود.

منحني نشان مي دهد كه بعد از مغناطيس شدن اوليه (os) چگالي فلو هميشه نسبت به نيروي مغناطيسي عقب مي افتد همچنين نشان مي دهد كه خاصيت مغناطيسي ماده نه تنها به نيروي مغناطيس كنندگي كه اعمال مي شود، بلكه همچنين به خاصيت مغناطيسي قبلي ماده نيز بستگي دارد.

حلقه هيسترزيس تلفات انرژي را در هسته نشان مي دهد كه يك نوع اصطكاك مغناطيسي است و علاوه بر تلفات فوكو مي باشد. توليد كنندگان، كل تلفات هسته را در يكجا جمع مي كنند و تحت عنوان تلفات آهن آن را بيان مي‌كنند.

منحني هاي تلفات برحسب وات بر پوند ماده هسته مشخص مي شود. نكته جالب توجه در تمام اين موارد اين است كه در عمل مغناطيس شدن هسته يك ترانسفورماتور در حال كار هيچ وقت منحني B-H شكل 1-2 را دنبال نمي‌كند، فقط يك بار در تمام طول عمر ترانسفورماتور اين اتفاق مي افتد و موقعي است كه در يك لحظه زودگذر هسته به طور كامل مغناطيس زدايي شده باشد و نيروي مغناطيسي براي اولين بار اعمال شود.

سطح حلقه هيسترزيس معياري براي تلفات است.

انواع آلياژها:

پنج گروه اصلي آلياژهاي مغناطيسي نرم كه به صورت اوليه با ماده اصلي فلز تشكيل دهنده آن طبقه‌بندي مي شوند:

Low-Carbon Steel

Silicon Steel

Nickel-Iron (Permalloy)

Cobalt-Nickel-Iron (Perminvar)

Cobalt-Iron (Permendur)

كه هر گروه انواع مختلفي با مشخصه‌هاي منحصر به فرد خود را دارا مي‌باشند، كه از نظر تركيب حرارتي، الكتريكي و رفتارهاي فيزيكي متفاوتند. هر توليد كننده براي مواد خود اسم تجارتي متمايزي دارد كه در جدول 1-1 تعدادي از آنها آورده شده اند.

مرور كل جدول مشخص مي كند كه طراحان در جستجوي پرمابيليته بالا هستند.

مهمترين مسأله در استفاده از جدول تلفات پايين و هزينه كم است.

Low-Carbon Steel

همچنين با نامهاي Cold-rolled steel يا نام اختصاصي Hypertran كه از ارزانترين و ساده‌ترين آلياژها مي باشد.

در مقايسه با ساير مواد هر چند تلفات نسبتاً بالايي دارد و پرمابيليته پاييني دارد ولي براي اهداف ارزان قيمت انتخاب مناسبي مي باشد.

Silicon Steel :

جزء اولين و معمولترين آلياژهايي است كه در هسته ها استفاده مي گردد، هرچند از زمان معرفي آن تاكنون خيلي بهبود يافته است. اساساً شامل آهن بوده با مقدار كم ولي كافي از سيليكون حدود %1 تا %4 كه باعث افزايش مقاومت الكتريكي و كم شدن تلفات فوكو مي شود همچنين پايداري ماده را از نظر حفظ مشخصات ماده به مرور زمان باعث مي شود.

اين ماده نقطه اشباع بالا، پرمابيليته خوب در چگالي فلوي بالا و تلفات متعادلي دارد. مهمترين عضو اين گروه grain-oriented silicon مي باشد. مواد grain-oriented silicon اين مزيت را دارند كه جهت‌يابي آسان مغناطيسي در طول لبه هاي كريستالهاي مكعبي شكل كه فلز از آنها تشكيل شده است. اين ماده به صورت گسترده در انواع مختلف در ترانس هاي قدرت و همچنين در ترانسفورماتورهاي Audio و موارد ديگر كاربرد دارد.

Nickel-Iron (permalloy) :

يكي از مهمترين آلياژهايي است كه غالب آن را تركيب نيكل و آهن تشكيل مي دهند ولي در مواردي مقداري مس و موليبدنوم به اين تركيب اضافه مي‌كنند. تلفات آن كم است و اشباع در اين نوع در چگالي فلوي نسبتاً پاييني رخ مي دهد. يكي از انواع اين نوع آلياژ با نام Super Square80 شناخته مي‌شود، كه اين نامگذاري به علت شكل تقريباً مربعي حلقه هيسترزيس آن است.

Cobalt-Nickel-Iron (perminvar) :

در اين نوع آلياژ مقداري كبالت به نيكل و آهن اضافه مي شود تا نسبتاً پرمابيليته ثابت تري داشته باشد. اين نوع آلياژ داراي تلفات هيسترزيس خيلي كم در چگاليهاي فلوي پايين است.

Cobalt-Iron (permendur) :

تركيب كبالت و آهن بدون نيكل منجر به يك آلياژ با خواص پرمابيليته بالا در چگالي شار بالا مي شود. همچنين يك پرمابيليته افزايشي بالا دارد. به عبارت ديگر پرمابيليته ac زياد در حضور يك نيروي مغناطيس كنندگي dc زياد. يكي از جديدترين آلياژها در اين گروه از نوع خاص vanadium-cobalt-iron است كه از تمام آلياژها نقطه اشباع بالاتري دارد، ولي با وجود تلفات كم خيلي گران است.

فريت هاي نرم:

در حدود بيست و چند سال پيش يك ماده بصورت غيرمنتظره به رديف جلوي مواد هسته آمده است. اين ماده واقعاً يك فلز يا حتي يك محصول فلزي پودر شده در فركانس هاي بالا نمي باشد. در واقع اين ماده سراميك مي‌باشد، كه تمام مراحل معمول ساخت سراميك را مي گذراند. اما با سراميك هاي معمولي اين تفاوت را دارد كه مغناطيسي است اين نوع از سراميك هاي مغناطيسي فريت نرم ناميده مي شود.

از آنجايي كه فريت ماده اي است كه براحتي شكل مي پذيرد به همين خاطر از نوارها و لايه هاي مغناطيسي به دليل توانايي آن در بخود گرفتن شكلهاي پيچيده پيشي مي گيرد و محدوديت در اندازه را ندارد كه بايد تحت فشار زياد ايجاد گردد. اين مواد در شكلهاي متعددي ظاهر مي گردند. به صورت E و I شكل، ميله اي و ستوني، بصورت حجمهاي توخالي و به شكل چنبره اي. آنها مي توانند همراه با مزاياي ارايه انواع شكلها، حفاظت در برابر ميدانهاي بيگانه، كمترين مقدار ممكن ميدانهاي سرگردان، اندوكتانس نشتي كم و ... مزيت انعطاف پذيري در نصب و سوار كردن را نيز فراهم نمايند.

بيشتر خواننده ها حداقل با يك نوع از سراميك هاي فريت آشنا هستند از آنجايي كه آنتن راديوهاي ترانزيستوري كه با باطري كار مي كنند از آن تهيه شده است و همچنين در تلفن و كامپيوتر نيز خيلي كاربرد دارد. البته اين ماده بهترين ماده براي كار در ناحيه فركانس بالاي طيف الكترومغناطيسي است. موقعي كه از ترانسفورماتورهاي قدرت صحبت مي كنيم به ندرت به فريت ها فكر مي كنيم براي اينكه ترانسفورماتورهاي قدرت به صورت تجاري در فركانسهاي پايين كار مي كنند كه آلياژهاي آهني ورقه ورقه بهترين هستند، اما خارج از آن ناحيه در ناحيه بالاي فركانس هاي صوتي ورقه‌هاي استاندارد نازكتر و نازكتر مي شوند حتي تا 0.001 اينچ و كمتر بجاي اينكه ترانسفورماتورهاي قدرت را به ناحيه فركانسهاي بالا انتقال دهيم (قلمرو فريت‌ها).

البته اين به آن معني نيست كه فريت ها كاملاً به ناحيه فركانس پايين مي‌آيند بلكه به آن معني است كه فريت ها طراحان را علاقمند مي كنند به انواع خاصي از ترانسفورماتورهاي قدرت كه فركانسهاي آنها در محدوده بالاي 20 كيلو هرتز است كه اساساً به حجمهاي كمتر و وزن كمتر مي رسيم و همچنين فريت‌ها داراي كاركردي با هزينه كمتر مي باشند. اينورترها و كانورترهاي قدرت كه ترانسفورماتورهاي ورقه ورقه بكار مي برند و در فركانس هاي 60 تا 400 هرتز كار مي كنند، اما اگر به محدوده بالاي 2 كيلو هرتز و حتي بالاتر يعني 10 كيلو هرتز و يا بالاتر برويم ورقه‌هاي مغناطيسي بايد بهبود داده شوند و در همان حال اين هسته ها خيلي گرانتر و اداره كردن آنها مشكل است. اما دقيقاً در آن فركانس ها جايي كه هسته هاي ورقه ورقه غير عملي مي شوند فريت ها يك نسبت كاركرد كم هزينه را توليد مي كنند مقايسه كاركردها در جدول 2-2 و 3-2 توسط شركت Indiana General نشان داده شده است كه چرا فريت ها به محدوده فركانس هاي پايين نمي رسند و چرا ورقه هاي آلياژي در فركانس هاي بالا مشكل دارند.

چرا فركانس هاي بالا؟

مزيت ويژه فركانس هاي بالا در طراحي ترانسفورماتور چيست و به ويژه اين موضوع چگونه به ترانسفورماتورهاي قدرت مربوط مي شوند. نخست اينكه در فركانس هاي بالا ترانسفورماتور، خيلي كوچك و خيلي سبك مي شوند يك نظر كوتاه به معادله اساسي اينورتر و كانورتر آشكار مي كند كه چرا فركانسهاي بالا؟

(2-2)

حروف همان معاني را دارند به جز اينكه در اينجا F (form factor) مقدار يك را بخود مي گيرد براي اينكه اين مدارها اساساً با شكل موج مربعي كار مي‌كنند. مسلماً مقدار N در فركانس 20KHz خيلي كم خواهد بود تا فركانس 60Hz . همچنين در فركانس بالا سطح مقطع هسته a مي تواند براي يك تعداد دور مشخص خيلي كوچك باشد.

يك دليل ديگر براي بكار بردن فركانس هاي بالاتر استفاده آن در مدارهاي يكسوساز است. در فركانس هاي بالا اجزاي لغزنده مورد نياز كوچكتر و سبكتر مي شوند. اما هيچ چيز دقيق و كامل نيست، فريت هاي عمومي مانند آلياژهاي فلزي قابل دسترس نيستند. حجم فريت ها از منگنز – روي يا نيكل – اكسيد روي تشكيل شده است. با تغييرات تركيب ها و اضافه كردن درصدهاي مختلف ساير مواد يك طيف وسيعي از فريت ها در جنبه هاي مختلف كاربردي به دست مي آيد. اين فريت ها حساس به دما هستند و اين واقعيتي است كه حتماً بايد هنگام بررسي آنها در نظر گرفته شود.

كاركردهاي نسبي هسته ها:

گروه وسيعي و درجات متعددي از مواد هسته كه خواص الكترومغناطيسي متشابهي دارند وجود دارد كه كاركرد آنها نه تنها تحت تأثير تركيب آلياژها قرار مي گيرد و نيز رفتار آن در مراحل ساخت بلكه تحت تأثير ضخامت لايه‌ها و ورقه‌ها كه از آنها ساخته شده است قرار مي گيرد شكل و تركيب هسته كه تحت آن هسته مونتاژ شده است و دقت و مهارتي كه هسته تحت آن مونتاژ مي‌گردد. فركانسي كه تحت آن هسته كار مي كند، چگالي شار و حتي دما در كاركرد ترانس نقش بازي مي كند. همه اينها منجر به محدوده وسيعي در كاركرد ترانسفورماتور در مواد مختلف مي شود براي مثال در يك ترانسفورماتور قدرت، براي اينكه بطور موثر كار كند هسته سيليكون آهن دانه دار جهت يافته ممكن است به همان خوبي هسته واناديوم كبالت آهن كار كند، عليرغم اينكه هسته واناديوم پتانسيل برتري دارد. در مقابل هسته فولاد نيكل ممكن است براي يك دسته شرايط مشخص بالاتري داشته باشد نسبت به هسته نيكل آهن به خاطر اينكه هسته ممكن است با كيفيت پايين تري مونتاژ شده باشد يا همچنين به خاطر چگالي فلوي خيلي بالا.

هرچند بايد به شرايط كار و كيفيت مونتاژ توجه كرد كاركرد نسبي هسته عمدتاً تحت تأثير نوع ماده و شكل و فرمت اصلي آن قرار مي گيرد اين موضوع به روشني در منحني هاي شكل 5-2 روشن شده است كه خواص منحني‌هاي B-H و را با هم تلفيق مي كند. منحني ها براي انواع هسته هاي (toroids) tape-wound كه از انواع ماده هاي ليست شده در جدول 1-2 ساخته شده است رسم شده اند.

هسته هاي tape-wound منجر به يك مسير مغناطيسي كامل مي گردند كه تمام عيب هاي مكانيكي را حذف مي كنند كه در انواع ديگر وجود دارد و فاصله هوايي معادل را به يك مقدار كاملاً مينيمم كاهش مي دهد.

 

تلفات آهن:

توان تلف شده در هسته در اثر جريان هاي فوكو و هيسترزيس به صورت گرما در هسته اتلاف مي گردد. از آنجايي كه اين انرژي از بين مي رود بايد توسط منبع انرژي تأمين گردد اين اتلاف به صورت اتلاف جريان در اوليه خودش را آشكار مي سازد. تلفات آهن بعضي مواقع به نام تلفات بي‌باري نيز معرفي مي گردد بنابراين دامنه آن به بار بستگي ندارد هر چند مقداري تلفات بي‌باري در مس سيم پيچي اوليه در اثر اتلاف جريان وجود دارد ولي اين معمولاً آنقدر كوچك است كه ما آن را قابل صرفنظر كردن در نظر مي گيريم.

پيدا كردن تلفات از روي منحني ها:

منحني هاي مفيدي كه در شكل 6-2 نشان داده شده است اثرات را روي هسته براساس چگالي شار و فركانس در آلياژهاي مختلف و در ورقه هاي با ضخامت 0.002 و 0.004 اينچ نشان مي دهد تلفات برحسب وات بر پوند وزن هسته در مقابل چگالي شار رسم مي شود. بنابراين چگالي شاري كه هسته بايد در آن كار كند و وزن هسته مشخص باشد، تلفات وات براحتي تعيين مي گردد.

توجه كنيد كه تلفات با افزايش چگالي فلو و فركانس افزايش مي يابد بنابراين بديهي است با افزايش يكي يا هر دوي اين كميتها منجر به كاهش در تعداد دورهاي مورد نياز در يك ترانسفورماتور مي شويم (همانطور كه در معادله اساسي ديده مي شود)

همچنين اين تلفات مي تواند براساس جريان تلف شده در اوليه بيان گردد:

(3-2)

: جريان تلف شده بر حسب آمپر

Wt : وزن هسته برحسب پوند

W/lb : تلفات برحسب وات بر پوند

: ولتاژ سيم پيچي اوليه

عليرغم اينكه در طراحي ترانسفورماتورهاي قدرت كار كردن در يك چگالي فلوي بالا تا حد ممكن زير زانوي منحني B-H يك مزيت محسوب مي شود. بالاي اين نقطه تلفات مناسب نقطه همچنين از اعوجاج شكل موج خروجي جلوگيري مي كند كه در بعضي از اجزا مي تواند خيلي مهم باشد.

توجه كنيد كه براي يك چگالي فلوي مشخص، فركانس و ضخامت ورقه‌ها تلفات آهني در هر كلاس آلياژ داده شده وابسته به درجه ماده به صورت گسترده تغيير مي كند. براي مثال در 15000 گاوس و فركانس 60 هرتز، يك آهن – سيليكون با درجه بالا تنها ممكن است تلفاتي به اندازه داشته باشد و از درجات بالا تا درجات پايين در حد 2 يا 3 وات بر پوند تغييرات داشته باشد.

اگر دقت بالا مورد نياز باشد بنابراين لازم است شكل هاي سازنده را بكار بگيريم اگر تلفات مشخص نباشد حدود 1.5 وات بر پوند به اندازه كافي خوب خواهد بود.

براي آهن – سيليكون در 14000 گاوس در يك هسته c شكل در يك ترانسفورماتور قدرت كه محتملاً از آهن – سيليكون جهت‌دار ساخته شده است چيزي در حدود 1 وات بر پوند در 14000 گاوس مي تواند منطقي باشد.

محاسبات تلفات بدون منحني ها:

تلفات آهن تقريباً مناسب است با مجذور چگالي شار. از تلفات بر پوند داده شده براي يك ماده مشخص در يك چگالي شار و فركانس مشخص يك k ثابت بدست مي آيد.

(4-2)

W/lb : تلفات وات بر پوند

B : چگالي شار مغناطيسي (gauss)

با k ثابت بدست آمده، تلفات بر پوند، اكنون مي تواند براي هر مقدار چگالي شار در همان فركانس محاسبه شود. البته بايد چگالي شار در زير زانوي منحني باشد، بنابراين:

(5-2)

همانطور كه قبلاً اشاره شد تلفات با افزايش چگالي شار و فركانس افزايش مي‌يابد در محدوده وسيعي از ترانسفورماتور مانند اجزاي صوتي هر چند تلفات آهن با تغييرات فركانس در محدوده بالاي 2500 هرتز ثابت باقي مي‌مانند علت آن مي تواند با مراجعه مجدد به معادله اساسي ترانسفورماتور ديده شود (رابطه 6-1). هر چقدر فركانس افزايش يابد چگالي فلو كم مي شود بنابراين تمايل به افزايش تلفات در اثر افزايش خنثي مي شود در نتيجه چگالي شار كم مي شود.

همچنين توجه كنيد به اينكه از آنجايي كه چگالي شار با ولتاژ V متناسب است، با استفاده از رابطه 5-2 ، تلفات بايد تقريباً با ضريب c با مجذور ولتاژ اعمال شده با رابطه 6-2 ارتباط داشته باشد:

(6-2)

منحني‌هاي تلفات براي يك درجه معمول سيليكون – استيل مانند آنهايي كه در راديو و ترانسفورماتورهاي TV بكار مي روند در شكل 7-2 و براي هسته c شكل سيليكون – استيل جهت دار (دانه دار) با دو ضخامت ورقه در شكل 8-2 نشان داده شده است.

تلفات ظاهري:

به منظور ايجاد ميدان مغناطيسي در هسته تأمين يك جريان مغناطيس كنندگي در سيم پيچي اوليه ضروري مي باشد دامنه جريان مغناطيس كنندگي تحت تأثير راكتانس سيم پيچي اوليه قرار مي گيرد اين راكتاس البته بستگي به اندوكتانس و فركانس دارد اندوكتانس نيز بستگي به پرمابيليته هسته در چگالي فلوي داده شده و فركانس مشخص دارد.

همين كه چگالي شار به اشباع افزايش داده مي شود افت مي كند و جريان مغناطيس كنندگي بيشتر از حالت متناسب بودن با افزايش چگالي شار افزايش مي يابد از آنجايي كه چگالي شار با ولتاژ متناسب است ترسيم جريان مغناطيس كنندگي در مقابل ولتاژ همان شكل منحني B-H را دارد.

روابط بين جريان مغناطيس كنندگي و چگالي شار مي تواند برحسب ولت آمپر بر پوند ماده هسته مشابه با وات بر پوند كه در تلفات حقيقي هسته بكار برده شده بيان گردد. مثالهايي از اين نمودارها در شكل 9-2 داده شده است همه اين منحني ها براي يك نوع ماده Microsil مي باشد و براي ورقه‌هاي باضخامت ها و فركانس هاي متفاوت مي باشد. تأثير فاصله هوايي در هسته در منحني ها وارد نشده است.

تلفات حقيقي در مقابل تلفات ظاهري:

اگرچه منحني هاي تلفات ظاهري همانند منحني هاي تلفات حقيقي به نظر مي‌رسد ولي مهم است كه اين دو با يكديگر اشتباه نشوند همانطور كه مي دانيم وات و ولت آمپر با هم يكسان نمي باشند.

تصحيح براي فاصله هوايي:

اين منحني ها همانطور كه نشان مي دهند براي هسته هاي toroid مي باشند كه تقريباً بدون فاصله هوايي هستند انواع ديگر به علت نقص در مونتاژ داراي فاصله هوايي هستند. در بعضي موارد فاصله هوايي از روي عمد در هسته وارد مي شود همانطور كه قبلاً بحث شد حتي يك فاصله هوايي كوچك شديداً موثر را كاهش مي دهد و متعاقباً اندوكتانس و جريان تحريك (مغناطيس كنندگي) را افزايش مي دهد.

معادله زير در رابطه با منحني ها بكار برده مي شود كه يك ضريب تصحيح براي فاصله هوايي كه در هسته وجود دارد، استفاده مي شود:

(7-2)

Wt : وزن هسته برحسب پوند

VA/lb : ولت آمپر بر پوند كه از منحني ها بدست مي آيد

: ولتاژ در اوليه بر حسب ولت

Stacking factor : s

N : تعداد دورها در سيم پيچي اوليه

: جريان مغناطيس كنندگي بر حسب آمپر

g : فاصله هوايي برحسب inch

جريان بي باري نهايي:

جريان تلفات و جريان مغناطيس كنندگي با هم جريان بي‌باري نهايي را تشكيل مي دهند جريان تلفات يك جزء قدرت از جريان نهايي مي باشد در صورتيكه جريان مغناطيس كنندگي اين طور نيست به عبارت ديگر دو جزء هم فاز نمي باشند. بنابراين ضروري است كه اين دو جزء به صورت برداري جمع گردد نه به صورت جبري. بنابراين رابطه 8-2 بدست مي آيد:

(8-2)

: جريان بي باري نهايي

: جريان تلفات

: جريان مغناطيس كنندگي

پيكربندي و ايجاد تناسب:

ورقه هاي (stampings) :

البته معمولترين روش مونتاژ هسته از ورقه هاي نازك و شكلهاي صاف هست كه به هم منگنه مي شوند يا توسط كلاف هاي فلزي به هم پرس مي‌شوند دو تا stamp براي تشكيل يك ورقه كامل به كار برده مي شود كه شكل عمومي نشان داده شده در شكل 10-2 را دارند. شكل 11-2 چند تا از تركيب هاي شكلهاي به كار برده شده را نشان مي دهد. براي مثال شكل c شكل رايج انواع EI مي باشد. علت اين تركيب البته اين است كه به كلاف‌ها اجازه داده شود تا به صورت مجزا از هسته سيم پيچي شوند و سپس به داخل آن مونتاژ گردد.

همانطور كه مشاهده مي گردد هر لايه سه تا Break در خود دارد در نقاط A , B,C مهم است كه در رابطه با اين موضوع به دو واقعيت توجه كنيم اول اينكه Break ها در حقيقت در مدار مغناطيسي فاصله هوايي هستند كه هيچ وقت نمي توانند حذف شوند در بسياري از ساختارها لبه هاي فلزها با يكديگر جفت مي شوند. در اين نقاط اما در اثر نقص ها و برآمدگي ها در لبه هاي جفت شده يك فاصله هوايي هميشه باقي مي ماند با يك مونتاژ با دقت زياد براي ورقه هاي استاندارد اين مقدار در حد متعادل، شايد 0.003 اينچ و حتي كمتر نگه داشته مي شود. براي هسته هاي نوع c كه خصوصاً سطح هاي جفت شده تمام شده اي دارند اين اثر كاملاً به نظر نمي رسد. اما به اين ترتيب فاصله هاي هوايي كاملاً اثبات شده است. دومين نكته آن است كه فاصله هوايي معادل نهايي در مدار مغناطيسي دو برابر فاصله Break ها است. اين موضوع در شكل 12-2 نشان داده شده است.

طول مدار مغناطيسي طول 1 مي باشد، كه فقط دور يك پنجره را در نظر مي گيرند. در اين فاصله مسلماً دو تا شكاف سري با هم وجود دارد، يكي در نقطه A و ديگري در نقطه B يا در B و C . فاصله نهايي مجموع دو شكاف مي باشد. همانطور كه مي بينيم يك فاصله هوايي مي تواند به عنوان يك اثر خوب باشد هنگامي كه سيم پيچي ها جريان bc حمل مي كنند ولي در جريان هاي ac ، بايد به عنوان چيزي نفرت انگيز در نظر گرفته شود كه بايد در حد كاملاً مينيمم كاهش پيدا كند. يك روش براي كاهش اثر فاصله هوايي اين است كه ورقه ها در يك ترتيب متناوب همانند شكل 13-2 مونتاژ كنيم در آن صورت هر Break به صورت مغناطيسي توسط ورقه هاي قبلي و بعدي shunt مي شود.

به اين نكته مهم كه هر ورقه از نظر الكتريكي از همسايه هاي خود توسط پوشش با يك نوع ايزوله مي شود توجه كنيد. اغلب اين يك لايه اكسيد است، كه در طي فرايند گرمايي آهن شكل مي گيرد، و هدف آن كاهش تلفات جريان‌هاي فوكو در هسته است. از آنجايي كه اين نوع تلفات با افزايش فركانس افزايش مي يابد در فركانس هاي بالا اين ورقه ها بسيار نازك و تا حد 0.005 اينچ ساخته مي شوند.

همانطور كه تصور مي گردد فلزهاي به اين نازكي نياز به دقت زياد در اداره كردن دارند، در فركانس هاي استاندارد قدرت ورقه ها در محدوده 0.014 اينچ يا ضخيمتر ساخته مي شوند.

اشكال و تناسبات:

شكلي كه تا اينجا توضيح داده شد نوع آشناي زرهي يا shell بود.

شكل نوع «هسته‌اي» كه در شكل 14-2 روشن شده است اين عيب را دارد كه اندوكتانس نشتي آن بالا است. اما براي بعضي از كاربردها مزايايي دارد يك مزيت مهم آن است كه سيم پيچي هاي اوليه و ثانويه به صورت مجزا از هم با قرار دادن هر كدام در يك بازوي مختلف قرار مي گيرند.

از شكل 10-2 دقت كنيد، كه در نوع shell بازوي مركزي عريض تر از بازوهاي بيروني است، در حقيقت معمولاً دو برابر عريض تر است. علت آن است كه تمام فلو توسط بازوي مركزي حمل مي شود اما فقط نصف آن مقدار كلي در هر كدام از بازوهاي كناري جريان مي يابد. به عبارت ديگر بازوي مركزي حمل كننده اصلي فلو مي باشد فلو به دو قسمت چپ و راست در مدار مغناطيسي تقسيم مي شود اگر مي خواهيد اين را اثبات كنيد يك سيم پيچي كوچك حول بازوي كناري بپيچيد و ولتاژ داخل كلاف را اندازه بگيريد ديده مي شود ولتاژ بر دور نصف حالتي خواهد بود كه در بازوي مركزي پيچيده شود. به اين علت كه فقط با نصف فلو درگير مي شود. در شكل هاي core در تمام هسته عرض يكسان است از آنجايي كه در تمام هسته فلو يكسان است (توجه كنيد كه بازوهاي ترانسفورماتورهاي سه فاز نوع shell معمولاً هم عرض هستند.)

تمام ترانسفورماتورهاي با هسته آهني ترانسفورماتورهاي قدرت نيستند و نسبت هايي كه براي ترانسفورماتورهاي قدرت مناسب است الزاماً براي اهداف ديگر بهترين نيستند. در طراحي سلفها مانند smoothing chokes يا در طراحي بعضي انواع ترانسفورماتورهاي audio بسياري از شكلهاي رايج ورقه ها منجر به طراحي هاي پرحجم و پرتلفات مي شود. اما اين موضوع بيشتر مربوط است به طراحان حرفه اي، كه هرچه را كه دوست داشته باشند انجام مي دهند.

از نقطه ديد طراحان بيشتر شكلها براي بيشتر اهداف مي تواند بكار برده شود. ورقه هاي ترانس هاي قدرت قابل تبديل به سلفها و همچنين برعكس مي باشند. حتي اگر طراحي خيلي موثر نباشد اين مورد كاملاً كافي خواهد بود. بي اغراق صدها اندازه و شكل دسترس وجود دارد و انتخاب يكي از آنها توسط فرمول كه براي يك كار داده شده مناسب باشد، ممكن نيست طراحي بر اساس روشهاي آزمون و خطا مي باشد.

همچنين بكار بردن اشكال فرضي و اندازه ها در كاغذهاي طراحي بي‌استفاده خواهد بود، مگر اينكه ورقه ها موجود باشند همچنين بكار بردن يك كاتولوگ استاندارد مدل به عنوان طراحي پايه تا زماني كه مطمئن باشي بدست مي آيد، غيرقابل احساس است طراحي شما بايد براساس هسته اي باشد كه واقعاً در دست شماست يا چيزي كه مطمئن هستيد آنرا بدست مي‌آوريد. مسلماً هميشه ممكن نيست نتايج بهينه را بدست آورد. چه حرفه‌اي باشيد يا آماتور مصالحه هميشه تا اندازه اي نياز است اما معمولاً انتخاب وسيعي از شكلهاي دسترس وجود دارد حتي براي آماتورها كه هدف اصلي آنها انتخاب ماده مي باشد.

بخاطر داشته باشيد كه بعضي از شكلها به نظر مي رسند كه نسبت به بقيه بيشتر دلخواه باشند.

جدول 4-2 تعدادي از نسبت هاي تقريباً مفيد را نشان مي دهد ابعاد برحسب ابعاد ذكر شده در شكل 15-2 داده شده است. در صورتي كه شكل 15-2 به صورت يك مرجع عمومي براي جدول 4-2 مورد توجه قرار مي‌گيرد كه در حقيقت بر اساس خط 1 جدول نسبت بندي شده است اين شكل يك خاصيت ويژه دارد كه نه تنها مفيد است بلكه بعضي وقتها ارزانتر نيز است به علت تلفات كمتر آن كه در كارخانه ساخته شود نسبت به بقيه اشكال.

بنابراين اين شكل طراحي بدون اتلاف خوانده مي شود و علت اين نام‌گذاري در شكل 16-2 نشان داده شده است. همانطور كه در اينجا ديده مي شود، تكه هايي كه از فضاهاي پنجره ها خارج مي گردند دقيقاً به همان اندازه اي هستند كه تكه هاي I را بسازند، از آنجايي كه دو تا I خارج مي‌شود براي هر دو تا E اتلاف كاهش پيدا مي كند.

پنجره تقريباً باريك است بنابراين اين هسته براي اندازه هاي بزرگتر بهتر مورد استفاده قرار مي گيرد. در آنجا ضخامت بو بين كلاف بيشتر فضاي سيم پيچي را نمي گيرد، اين طراحي معمولاً براي ترانسفورماتورهاي قدرت و اجزاي صوتي بزرگ، يك انتخاب مناسب است.

تناسبات ضرايب در سطر 4 از جدول 4-2 معمولاً در اندازه هاي كوچك براي تطبيق امپدانس همانند ترانسفورماتورهاي كوپلينگ و تمامي اين شكلها عموماً براي سلفها بكار برده مي شوند.

Cut Core ها:

نوع cut (بعضي موقعها نوع c ناميده مي شود) در شكل 17-2 نشان داده شده است اين از هسته نوار فلزي پيوسته پيچيده شده و سپس تبديل به يك ماده جامد يكنواخت و بعداً بريده شده به دو قسمت است. سطح‌هاي بريده شده خصوصاً صاف مي گردند، تا به يك اتصال كاملاً دقيق با كمترين فاصله هوايي در سطح هاي بريده شده هنگامي كه به هم محكم مي‌شوند.

ابعاد فاصله هوايي ادعا مي شود كه در حد 0.001 اينچ باشد، براي سطح مقطع بزرگتر از 2.25 اينچ مربع و يا هنگامي كه ابعاد E ، در شكل 17-2 كمتر از 1 اينچ باشد و همچنين 0.002 اينچ برآورد مي شود، براي سطح مقطع هاي بزرگتر از 2.25 اينچ مربع و يا E بزرگتر از 1 اينچ.

همانند ورقه هاي قراردادي كلاف ها جداگانه سيم پيچي مي شوند و سپس روي هسته مونتاژ مي گردند دو تكه هسته سپس به هم محكم مي‌گردند ابتدا يك تركيب c شكل و سپس دو تا از آنها همانند 18-2 يك تركيب زرهي تشكيل مي دهند. اشكال toroid نيز همانند شكل 19-2 توليد مي گردند.

در اين نوع هسته ها، اساساً براي بكار گرفتن مزاياي برتر سيليكون – استيل دانه دار جهت يافته انديشه شده است، اما آلياژهاي ديگر نيز اكنون به همين روش توليد مي گردند. از نقطه نظر طراح روشها و معادلات براي انواع هسته ها يكسان مي باشد.

Uncut Core ها:

كلمه toroid شكلي همانند شكل نشان داده شده در شكل 19-2 را توصيف مي كند هرچند toroid هاي زيادي وجود دارد. toroid هاي با نيروي مغناطيسي در اينجا بحث مي شود اين نيرو از ماده اي كه تنها براي ساخت toroid بكار مي رود ناشي نمي شود.

toroid ها ممكن است دقيقاً از همان ماده اي كه براي ساخت ورقه هاي هسته هاي نوع c بكار مي رود، ساخته شود.

همانند Cut Core ها، toroid ها از نوارهاي فلزي پيچيده شده درست مي شوند و اين آسانترين جهت مغناطيس شوندگي را موجب مي شود كه به toroid همان مزيت ورقه هاي Cut Cores را مي دهد. ميدان مغناطيسي toroid تقريباً به صورت كامل در داخل toroid باقي مي ماند.

اندوكتانس نشتي و ظرفيت خازني سرگردان بسيار كوچك هستند. توجه كنيد كه هنگامي كه toroid در داخل يك ميدان مغناطيسي متداخلي قرار مي‌گيرد نيروهاي تداخلي منجر مي شوند به اينكه به طور مساوري اطراف toroid عمل كنند، كه باعث از بين رفتن ولتاژهاي تداخلي مي گردند. اين نكات در شكل 20-2 نشان داده شده است.

Cut Core هاي به شكل toroid نيز بيشتر اين مزايا را دارند اما نكته بسيار مثبت براي toroid ها (از اين به بعد را براي توصيف يك تركيب بكار مي بريم) اين است كه آن بريده شده نيست.

هيچ فاصله هوايي در مدار مغناطيسي وجود ندارد و بنابراين مقدار اندكي استهلاك خاصيت مغناطيسي در ماده آلياژي مورد استفاده وجود دارد. اين موضوع قبلاً توضيح داده شد.

اين هسته ها از فلز ايزوله شده نواري پيچيده شده اي ساخته شده است، تحت فشار كاملاً كنترل شده و سپس آهسته سرد شده اند، تا خاصيت مغناطيسي مورد نياز را كاملاً گسترش بدهند بر خلاف ساير انواع هسته ها خاصيت toroid ها هرگز بستگي به طريقه مونتاژ هسته ها ندارد.

آن ها براي نتايج بهينه در كارخانه مونتاژ مي گردند هسته نهايي سپس داخل پلاستيك يا آلومينيوم براي محافظت آن از تنش سيم پيچي ها و ساير نيروهاي خارجي به صورت دايمي قرار مي گيرد. يك ماده ميرا كننده بين هسته و case براي محافظت بيشتر مقابل ضربه و لغزش پر مي شود (شكل 21-2 را ببينيد.)

البته در تمامي اين موارد يك مانع وجود دارد از آنجايي كه هسته يك حلقه بريده نشده است، چگونه سيم پيچي ها روي آن قرار مي گيرند اينكه همانند ساير انواع هسته ها جداگانه سيم پيچي شوند و سپس روي هسته مونتاژ گردند امكان ندارد، سيم پيچي بايد مستقيماً به روي هسته مونتاژ گردد. به خاطر اهداف تجاري اينكار به ماشينهاي طراحي شده ويژه اي نياز دارد. اما اين باعث نمي شود كه طراح آنها را در نظر نگيرد در بسياري از كاربردها تعداد دورهاي مورد نياز خيلي كم است كه سيم پيچي با دست مشكل خاصي ايجاد نمي كند.

هسته هاي tape wound در تمامي كاربردها بكار مي روند. مشترك با ساير انواع هسته ها ترانسفورماتورهاي قدرت، ترانسفورماتورهاي جريان، ترانسفورماتورهاي خروجي، ترانسفورماتورهاي هسته اشباع. اما بخاطر هزينه زياد آنها معمولاً به شرايط كاركرد بالاي تقاضا محدود مي شوند به همين خاطر آلياژهايي كه در آنها مورد استفاده قرار مي گيرد از انواع كاركردهاي خوب هستند. اساساً معيار طراحي در بكار بردن هسته هاي tape wound تفاوتي با بقيه انواع ندارد.

فريت ها (هسته هاي سراميكي شكل يافته):

فريت ها در شكل هاي گوناگون در رابطه با ورق هاي آهني تجاري و نوارها، علاوه بر آنها تعداد زيادي نيز مي باشند. اگر شما بايد شكلي را داشته باشيد كه استاندارد توليد كننده ها نيست و شما به اندازه كافي پول داشته باشيد شما مي توانيد داشته باشيد. اين يكي از مزاياي بكار بردن فريت ها است.

علاقه ما بيشتر به كاربردهاي قدرت در فركانسهاي پايين و همچنين كاربردهاي فلوهاي بسيار بالا مي باشد. شكل هاي رايج فريت ها از نظر تجاري U و E و I و همچنين toroid ها هستند.

به علاوه دو شكل منحصر به فرد شكل هاي pot و cross cores . يك نمونه ازديتا شيت هاي توليد كننده براي دو شكل pot در شكل 22-2 داده شده است. اين صفحه شكلهاي هسته و طرح كامل ديتا كه توسط شركت Indiana General تهيه شده است را روشن مي كند. توجه كنيد شكلي كه در نيمه راست صفحه نمايش داده شده است دقيقاً نصف هسته است.

دو تا از اين قطعه ها همچنانكه در شكل سمت چپ صفحه نشان داده شده است، كنار هم قرار مي گيرند تا هسته كامل را تشكيل دهند. همانند هسته هاي آهني toroid هاي فريتي از آنجايي كه هيچ شكافي در مدار مغناطيسي ندارند ماكزيمم كاركرد را ارايه مي دهند و همانند ساير هسته‌هاي همگن (مثل هسته هاي آهن tape wound به عنوان يك وجه تمايز با ورقه ها كه توسط استفاده كننده ها مونتاژ مي گردد) توليد كننده مي تواند خواص مغناطيسي هسته را گارانتي كند.

نمو گراف ها براي هر طرح و اندازه‌اي تهيه شده اند كه اجازه مي دهند يك طرح نهايي بدست آيد.

به غياب كلماتي مانند چگالي شار، اورستد، گاوس و ... توجه كنيد. اين به آن دليل نيست كه فريت ها از قانونهاي مغناطيسي منحصر به فردي تبعيت مي كنند. در اينجا واحدهاي ديگري بجاي موارد قبلي استفاده شده است.

حاصلضرب Wa :

نوع هسته هرچه كه در نظر گرفته شود يك گام بسيار مهم در طراحي يافتن شكلي براي سطح مقطع مي باشد. اين مقدار همراه با فركانس f و چگالي شار B و ولتاژ V در معادله اساسي ترانسفورماتور وارد مي شود كه محاسبه N براي هر سيم پيچ را ممكن سازد.

با N ثابت و مقدار مناسب اندازه سيم، كه بر اساس جرياني كه بايد حمل كند انتخاب مي شود، حالا ضروري است كه يك مقدار مناسب براي سطح پنجره هسته كه نياز است براي تطبيق كردن سيم پيچي ها در نظر گرفته شود. اينها در نهايت براي طراحي مناسب منجر مي شود به انتخاب هسته كه هر دو مساحت سطح مقطع a و پنجره هسته W را داشته باشد مي گردد. راحت مي شود ديد كه، معادله 6-1 به ازاي هر مقداري براي a ارضا مي‌شود بنابراين بايد براي N بايد تنظيم شود به عبارت ديگر افزايش در سطح مقطع هسته منجر به كاهش در تعداد دورهاي مورد نياز مي شود و برعكس.

بنابراين اگر تمام فاكتورها ثابت نگه داشته شوند همچنين اندازه سيمها، اندازه پنجره هسته بايد به صورت معكوس با تغييرات سطح مقطع هسته تغيير كند. كاهش در سطح مقطع هسته يعني افزايش در اندازه پنجره موردنياز و برعكس.

همانطور كه از قبل ديده مي شد كه در معادله ظرفيت توان Wa product به صورت مستقيم متناسب است با ظرفيت توان ترانسفورماتور، براي راحتي دوباره در پايين تكرار مي گردد:

(9-2)

اگرچهW a براي مقادير داده شده f ، s ، P و B ثابت است، تعداد بي‌نهايت مقادير مي توان به صورت منحصر به فرد به W و a نسبت داد به طوري كه رابطه مناسب بين آنها نگه داشته شود.

ديده مي شود كه بنابراين Wa Product فقط هنگامي مفيد خواهد بود كه راههايي براي تأسيس يكي از مقدارهاي a يا W وجود داشته باشد بنابراين با مشخص بودن Wa و يكي از مقدارها، ديگري مي تواند تعيين گردد. اما چگونه اين معما حل مي گردد؟ اگر طراح انتظار داشته باشد كه يكي از هسته‌هاي ساخته شده كارخانه را tape-wound يا Cut Cores بكار برد، Wa براي هر هسته اي معمولاً در كاتالوگ داده مي شود و يا اگر يك هسته در دسترس در نظر گرفته شود Wa مي تواند مستقيماً اندازه گيري شود و تصميمات به صورت مناسب بلافاصله گرفته شود.

در مورد ورقه ها كه طراح بايد آنها را همراه با هم stack كند، شرايط كمي راحت است مسأله در اينجا انتخاب يك اندازه است كه تا هنگامي روي هم انباشته شود تا زماني كه ضخامت مورد نياز است، براي Wa به صورت نسبت مناسب بين قسمتها تأمين شود. همچنين بايد در نظر گرفته شود كه فاكتورهايي مانند چگالي شار، چگالي جريان حقيقتاً ثابت نيستند و مي‌توانند در مرحله طراحي تنظيم شوند تا طراحي را براي هسته مناسب بكنند. براي مثال يك هسته خيلي كوچك مي تواند قابل قبول باشد اگر سيم پيچي ها خيلي كوچك انتخاب گردد يا چگالي شار افزايش داده شود براي كاهش تعداد دورهاي موردنياز.