Il nucleo di ferro, vero e proprio "cuore" di un trasformatore, svolge un ruolo cruciale nella conversione dell'energia elettromagnetica. Non solo influisce sull'efficienza energetica dei trasformatori, ma è anche direttamente correlato al volume, al peso e all'affidabilità operativa delle apparecchiature. L'evoluzione dei materiali utilizzati per i nuclei di ferro, dal ferro puro industriale alle leghe amorfe odierne, ha testimoniato il notevole sviluppo della tecnologia dei trasformatori.
La funzione principale e i requisiti prestazionali del nucleo di ferro
La funzione principale del nucleo del trasformatore è quella di fornire un circuito magnetico efficiente, che consenta la trasmissione di energia elettrica tra circuiti diversi attraverso il principio dell'induzione elettromagnetica. Le prestazioni del nucleo di ferro influenzano direttamente gli indicatori tecnici ed economici del trasformatore. I requisiti fondamentali per i materiali del nucleo di ferro sono: basse perdite nel nucleo di ferro a una determinata frequenza e densità di flusso magnetico, e alta densità di flusso magnetico a una determinata intensità di campo magnetico.
Le perdite nel nucleo sono costituite da due componenti: perdite per isteresi e perdite per correnti parassite. Le perdite per isteresi sono legate alla difficoltà di magnetizzazione del materiale, mentre le perdite per correnti parassite sono causate dalla corrente circolante indotta dal flusso magnetico alternato nel nucleo di ferro. Per ridurre queste perdite, i materiali ideali per un nucleo di ferro dovrebbero possedere un'elevata resistività elettrica, un'elevata permeabilità magnetica e una bassa coercitività.
Il processo evolutivo dei materiali del nucleo di ferro
Lo sviluppo dei materiali per i nuclei dei trasformatori ha attraversato un lungo e affascinante percorso. I primi nuclei dei trasformatori utilizzavano come materiali magnetici il comune filo di acciaio al carbonio o l'acciaio al carbonio stesso. Nel 1885, la fabbrica Gunz in Ungheria sviluppò il primo trasformatore monofase con circuito magnetico chiuso, il cui nucleo di ferro era realizzato con questo tipo di materiale.
Nel 1900, R.A. Hadfield, un inglese, e altri scoprirono che l'aggiunta di silicio all'acciaio dolce poteva migliorarne la resistività, ridurre le perdite per correnti parassite e isteresi e attenuare il fenomeno dell'"invecchiamento del nucleo". Nel 1903, gli Stati Uniti e la Germania iniziarono a produrre lamiere di acciaio al silicio laminate a caldo, segnando l'inizio dell'era delle lamiere di acciaio al silicio.
Le lamiere di acciaio al silicio laminate a caldo presentano problemi quali prestazioni non uniformi ed elevate perdite. Negli anni '30, si registrarono importanti progressi nella tecnologia delle lamiere di acciaio al silicio laminate a freddo. Nel 1933, Gauss utilizzò due metodi di laminazione a freddo e ricottura per produrre acciaio al 3% di silicio con elevate proprietà magnetiche lungo la direzione di laminazione. Nel 1935, la Armco Steel Company degli Stati Uniti collaborò con la Westinghouse Company per avviare la produzione di acciaio al silicio orientato laminato a freddo.
Dopo gli anni '60, i principali paesi industrializzati hanno gradualmente smesso di produrre lamiere di acciaio al silicio laminate a caldo, passando a lamiere di acciaio al silicio laminate a freddo con prestazioni migliori. Nel 1964, la Nippon Steel Corporation del Giappone ha sviluppato lamiere di acciaio al silicio laminate a freddo ad alta permeabilità e a grani orientati (acciaio Hi-B), riducendo ulteriormente le perdite a vuoto dei trasformatori.
Negli anni '70, i materiali in lega amorfa fecero il loro debutto sulla scena storica. Nel 1974, la United Microelectronics Corporation sviluppò leghe amorfe a base di ferro e, nel 1978, gli Stati Uniti realizzarono trasformatori con nucleo in ferro amorfo da 10 kVA. Questo nuovo tipo di materiale è caratterizzato da perdite di ferro estremamente basse, pari a solo 1/3-1/5 di quelle delle tradizionali lamiere di acciaio al silicio, inaugurando una nuova era di risparmio energetico per i trasformatori.
Principali tipologie e caratteristiche dei materiali per nuclei di ferro
lamiera d'acciaio
La lamiera di acciaio al silicio è una lega magnetica dolce di ferro al silicio con un contenuto di carbonio estremamente basso, generalmente con un contenuto di silicio compreso tra lo 0,5% e il 4,5%. L'aggiunta di silicio può aumentare la resistività elettrica e la permeabilità magnetica massima del ferro, riducendo la coercitività, le perdite nel nucleo e l'invecchiamento magnetico. Le lamiere di acciaio al silicio possono essere suddivise in due categorie: laminate a caldo e laminate a freddo, con queste ultime ulteriormente suddivise in tipi orientati e non orientati.
La lamiera di acciaio al silicio non orientato laminata a freddo si riferisce a una lega di 0,5%~4,0% (Si+Al), che viene laminata a freddo a 0,65 mm, 0,5 mm e 0,35 mm, quindi ricotta e rivestita. La sua struttura granulare è relativamente dispersa e presenta proprietà magnetiche relativamente uniformi in tutte le direzioni.
L'acciaio al silicio orientato presenta un'elevata permeabilità magnetica e basse perdite nella direzione facilmente magnetizzabile <001>, che soddisfa i requisiti di conduttività magnetica delle apparecchiature di potenza statiche come i trasformatori. L'angolo di deviazione medio dell'orientamento dei grani dell'acciaio al silicio orientato ordinario (CGO) è di circa 7°, e il valore di suscettibilità magnetica di saturazione B8 è superiore a 1,82 Tesla; l'angolo di deviazione medio dell'orientamento dei grani dell'acciaio al silicio orientato ad alto orientamento magnetico (Hi-B) è di circa 3°, e il valore B8 è superiore a 1,90 Tesla.
lega amorfa
Le leghe amorfe sono materiali metallici funzionali con atomi distribuiti in modo casuale nella matrice, caratterizzati da una struttura "vetrosa". Una tipica lega amorfa contiene l'80% di ferro, mentre i componenti rimanenti sono boro e silicio. Questo materiale presenta le caratteristiche di elevata forza di induzione magnetica di saturazione (1,54 T), elevata permeabilità magnetica, bassa corrente di eccitazione e perdite di ferro estremamente ridotte.
Le perdite nel ferro delle leghe amorfe a base di ferro sono solo da un terzo a un quinto di quelle delle lamiere di acciaio al silicio orientato, il che riduce le perdite a vuoto dei trasformatori in lega amorfa del 70-80% rispetto ai tradizionali trasformatori in acciaio al silicio. La densità di flusso magnetico di saturazione delle leghe amorfe è relativamente bassa (circa 1,5 T), quindi la densità di flusso magnetico nominale viene generalmente scelta tra 1,3 e 1,4 T.
Lo spessore della striscia di lega amorfa è estremamente ridotto, solo 0,03 mm, il che si traduce in un coefficiente di laminazione di circa l'80% per il nucleo di ferro amorfo. Sebbene le leghe amorfe abbiano una densità inferiore rispetto alle lamiere di acciaio al silicio, il peso del nucleo di ferro rimane comunque relativamente elevato.
Progettazione della struttura centrale
Anche la progettazione della struttura del nucleo del trasformatore ha subito una significativa evoluzione. Dal primo nucleo in ferro laminato, al nucleo in ferro a forma di C, fino al nucleo in ferro ad anello (a spirale), ogni struttura presenta caratteristiche e vantaggi specifici.
Il nucleo circolare in ferro è realizzato avvolgendo strisce di acciaio al silicio, come una molla di orologio strettamente avvolta. Questo tipo di nucleo in ferro presenta un circuito magnetico continuo senza intercapedini d'aria, con conseguente bassa resistenza magnetica ed elevata efficienza. Rispetto ai trasformatori a lamelle della stessa potenza, i trasformatori toroidali offrono i vantaggi di dimensioni ridotte, peso contenuto e bassa dispersione magnetica.
Per i trasformatori in lega amorfa, a causa della difficoltà di taglio dei materiali, la struttura del nucleo è solitamente costituita da un nucleo di ferro avvolto. La struttura del nucleo di un trasformatore monofase è un telaio, mentre quella di un trasformatore trifase è formata dall'unione di quattro telai in una struttura simile a una struttura trifase a cinque colonne. Questa struttura permette di posizionare ciascun avvolgimento di fase su due telai indipendenti del circuito magnetico, eliminando efficacemente l'influenza del flusso magnetico di terza armonica.
Processo di produzione del materiale del nucleo di ferro
Il processo di produzione delle lamiere di acciaio al silicio è complesso, soprattutto quello delle lamiere di acciaio al silicio orientato. Il processo produttivo è articolato, la finestra di processo è ristretta e la difficoltà di produzione è elevata. È noto come "artigianato dei prodotti siderurgici".
Il processo di produzione delle lamiere di acciaio al silicio non orientato laminate a freddo comprende generalmente: laminazione a caldo di billette di acciaio o colata continua di billette in bobine con uno spessore di circa 2,3 mm, seguita da lavaggio acido, laminazione a freddo, ricottura e rivestimento con film isolante. Per i prodotti ad alto contenuto di silicio, è necessario prima normalizzarli a 800-850 °C dopo la laminazione a caldo, seguiti da lavaggio acido, laminazione a freddo fino a un certo spessore, ricottura, quindi laminazione a freddo a bassa velocità di riduzione e infine ricottura finale.
Il metodo più comune per la produzione di leghe amorfe consiste nello spruzzare vapore metallico fuso su un telaio di avvolgimento in rame rotante ad alta velocità; il metallo fuso viene quindi raffreddato e solidificato in sottili nervature a una velocità di 10⁶ °C/s. L'elevata tensione interna generata dalla tempra deve essere ridotta mediante ricottura a temperature comprese tra 200 °C e 280 °C per ottenere buone proprietà magnetiche.
Vantaggi in termini di risparmio energetico dei materiali con nucleo in ferro
I trasformatori sono numerosi e hanno una grande capacità nel sistema elettrico, il che comporta notevoli perdite totali. Si stima che le perdite totali dei trasformatori in Cina rappresentino circa il 10% della produzione di energia del sistema. Ogni riduzione dell'1% delle perdite può far risparmiare miliardi di kilowattora di elettricità all'anno.
I trasformatori con nucleo in lega di ferro amorfo offrono un notevole risparmio energetico. Le perdite a vuoto dei trasformatori con nucleo in lega di ferro amorfo della serie SH12 sono ridotte di circa il 75% rispetto ai trasformatori con nucleo in acciaio al silicio della serie S9. Sebbene i trasformatori in lega di ferro amorfo siano più costosi dei trasformatori tradizionali, i loro costi operativi sono estremamente bassi e il periodo di ammortamento dell'investimento è generalmente compreso tra 2 e 5 anni.
Le regioni economicamente sviluppate, rappresentate da Shanghai, dalle province di Jiangsu e di Zhejiang, hanno adottato su larga scala i trasformatori in lega amorfa. La Jiangsu Electric Power Company prevede addirittura di installare nuove linee e di ammodernare quelle esistenti, e l'utilizzo di trasformatori in lega amorfa non dovrà essere inferiore al 30%.
La tendenza di sviluppo dei materiali con nucleo in ferro
I materiali per nuclei in ferro si stanno evolvendo verso basse perdite nel ferro e alta induzione magnetica. Per quanto riguarda le lamiere di acciaio al silicio, si tratta di acciaio al silicio non orientato per motori ad alta efficienza con basse perdite nel ferro, acciaio al silicio orientato sottile con bassissime perdite nel ferro e alta induzione magnetica, e acciaio ad alto contenuto di silicio per apparecchi elettrici a risparmio energetico a media e alta frequenza.
L'acciaio ad alto contenuto di silicio (lega Si-Fe con 4,5%~6,7% di Si) presenta le caratteristiche di una significativa riduzione delle perdite di ferro alle alte frequenze, un'elevata permeabilità magnetica massima e una bassa coercitività. Tuttavia, il suo contenuto di Si è troppo elevato e la sua plasticità è estremamente scarsa a temperatura ambiente, il che ne rende difficile la laminazione e la formatura. Attualmente, i materiali in lega Si-Fe non orientata al 6,5% vengono preparati principalmente mediante un processo di infiltrazione di silicio.
I materiali nanomodificati e i materiali di origine biologica rappresentano un'altra direzione di sviluppo futura. Con la crescente esigenza di tutela ambientale, lo sviluppo di materiali con nucleo in ferro non tossici, biodegradabili o riciclabili diventerà un'importante area di ricerca.
Conclusione
L'evoluzione dei materiali per i nuclei dei trasformatori ha visto la perfetta combinazione tra scienza dei materiali e ingegneria elettrica. Dal comune acciaio al carbonio alle lamiere di acciaio al silicio, fino alle leghe amorfe, ogni innovazione nel campo dei materiali ha migliorato significativamente il livello di efficienza energetica dei trasformatori.
Nel mondo odierno, dove il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni sono diventati un consenso globale, la scelta di materiali efficienti per i nuclei dei trasformatori non è legata solo a vantaggi economici, ma anche a una responsabilità ambientale. In futuro, con la continua evoluzione di nuovi materiali e processi, i nuclei dei trasformatori continueranno a svilupparsi verso minori perdite e maggiore efficienza, contribuendo alla costruzione di un sistema energetico verde e a basse emissioni di carbonio.
Data di pubblicazione: 29 agosto 2025
