Da das Kernmaterial eines Transformators laufen ummagnetisiert ist ein Faktor für die Materialwahl von ausschlaggebender Bedeutung: Die Wirbelstromverluste im Kernmaterial. Bei jeder Ummagnetisierung wird eine Spannung in das Kernmaterial induziert, nicht nur in die Sekundärwicklung. Je grösser nun die Fläche des Kernmaterials und je besser die Leitfähigkeit des Materials ist, umso grösser fallen die durch diese induzierte Spannung im Material getriebenen Ströme aus. Diese Ströme erzeugen im Kernmaterial des Transformators Wärme und das wirkt sich direkt auf den Wirkungsgrad des Transformators aus. Damit steht die Forderung im Raum, dass das Kernmaterial möglichst eine schlechte elektrische Leitfähigkeit haben soll. Auf der anderen Seite soll das Kernmaterial eine möglichst hohe Magnetisierbarkeit aufweisen. Wie das so ist in der Physik sind diese beiden Forderungen nicht vollständig unter einen Nenner zu bringen. Als magnetische Kenngrösse steht die magnetisch Flussdichte / Induktion (Vs/m2) im Vordergrund. Jedes Material hat eine maximale Induktion. Wenn diese überschritten wird gehen die magnetischen Eigenschaften des Materials verloren. Eine wichtige Rolle spiel in diesem Zusammenhang die Formel: B = (U x t)/(N x A) {B: Magnetische Induktion; U: Angelegte Spannung; t: Zeit in der die Spannung anliegt; N: Die Windungszahl; A: Die Querschnittsfläche des Transformatorkerns}. Das Ziel ist meistens ein möglichst kleiner Trafo zu realisieren. Die begrenzenden Werte bei einer gegebenen Spannung und Zeit sind B und A. Beide Werte haben direkt auf die Grösse des Kerns und damit auf die Grösse des Trafos einen Einfluss.
Eisenwerkstoffe haben im allgemeinen sehr hohe Induktionswerte. Dies wird aber durch die gute Leitfähigkeit des Materials wieder relativiert. Wenn die Anzahl der Ummagnetisierungen zu hoch ist falle hohe Ummagnetisierungsverluste im Kern an. Aus diesem Grund eignen sich Eisenwerkstoffe nur für Transformatoren mit geringer Frequenz. Für den Einsatz mit der Netzfrequenz von 45Hz bis 63Hz (Länderabhängig) eignen sich diese Eisenwerkstoffe sehr gut. Damit auch die Wirbelströme nicht zu gross werden, werden nicht die Kerne nicht aus Vollmaterial hergestellt, sonder durch Schichtung von Blechen, die gegeneinander isoliert sind. Tiefe Frequenzen bedingen aber auch bei hohen Induktionen noch grosse Windungszahlen. Das alles Führt dazu, dass Transformatoren für die Netzfrequenz relativ gross ausfallen.
Für die Verkleinerung der Trafos muss auf ein Material zurückgegriffen werden, das eine sehr geringe Leitfähigkeit hat und möglichst kleine Ummagnetisierungsverluste aufweist. Da kommt das Ferritmaterial zum Tragen. Ferrite sind weitgehend Nichtleiter und können somit auch keine Wirbelströmme führen. Der Nachteil ist jedoch die wesentlich geringere Induktion von Ferritmaterial. Eisenmaterial kann bis ca. 1,6 … 1,8T magnetisiert werden, im Gegensatz dazu kann Ferrit nur bis ca. 0,3T magnetisiert werden. Der grosse Vorteil liegt aber darin, dass die Ummagnetisierungsfrequenz sehr hoch sein kann. Je nach Material werden in Leistungskernen bis einige MHz verwendet.
Rein auf die magnetische Eigenschaften bezogen könnte man einen Trafo mit derselben Primärspannung um den Faktor 380 oder mehr kleiner machen, wenn man Ferrit (Frequenz: 100kHz) an der Stelle von Eisen (Frequenz: 50Hz) verwendet. Dagegen spricht jedoch dass ja auch der Strom durch die Wicklungen getrieben werden muss und die ohmschen Verluste nicht zu hoch ausfallen sollen. Damit wird der Gewinn an Verkleinerung noch stark reduziert, es resultiert noch ein Wert von ca. 19 mal kleiner als der Eisentrafo.
Je nach Einsatzgebiet haben aber beide Trafoarten nach wie vor Ihre Anwendungen. Im Bereich der Netzspannungsverteilung werden fast ausschliesslich Eisentrafos verwendet. Dies liegt vor allem darin begründet, dass die von den Kraftwerken erzeugte Frequenz sehr tief ist, da sie aus der Umdrehungszahl der Generatoren ableitet. Für die Feinverteilung in Geräten kommen aber immer häufiger Wandler mit Ferritkerntransformatoren zum Einsatz. Hier spielen die Dimension und die Kosten eine wichtige Rolle. Weniger Material, weniger Kupfer und wesentlich geringere Windungszahlen machen die Herstellung von Ferrittrafos günstig.
Trafoformeln
