CRGOラミネーションにおける結晶方位がトランス効率に与える影響

グレイン・オリエンテーションは、トランスの効率が静かに天井を打つ場所である。うまく整列させれば、近代的な CRGO フラックスが20度か30度ずれると、そのマージンの大部分を熱として返してしまう。

1.グレイン・オリエンテーションは、単なる材料仕様ではなく、本当の効率予算である。

ほとんどのデータシートは、結晶粒方位を2つの友好的な線にパッケージしている：B₈は1.9-2.0 T付近で、コアロスの数値は0.7-0.9 W/kg付近（薄型Hi-Bグレードの場合、1.5 T、50 Hz）。その後、設計書には「圧延方向に沿って磁束を維持する」と書かれている。役に立つが、非常に圧縮されている。

実際には、この「方向」が無負荷損失予算における隠れた最大の変数となります。圧延方向に沿った磁束は低い保磁力と高い透磁率を示し、回転して離れた磁束は上昇するペナルティを支払います。最近の電気鋼のレビューでは、粒方 向鋼と無方向性鋼の間には明確なギャップがあ るが、磁化角度が圧延方向からずれるにつれて 性能は徐々に悪化している。

変圧器メーカーは、滅多に明言しないにせよ、このことを知っている。鋼材の曲線からコアロスを見積もる場合、接合部、コーナー部、軸外磁束をカバーするために、すでに「設計」または「加重」係数を適用しています。この係数は基本的に、組み立てられたコア内部の結晶粒配向をどの程度尊重するか（あるいはどの程度尊重しないか）に対するペナルティである。

2.磁化角度のドリフトで実際に起こること

紙の上では、CRGOは非常にシャープなゴスのテクスチャーを持つ多結晶で、{110}〈001〉はほとんど圧延方向に固定されている。現実には、どの粒も少しずれている。数度の偏角が一般的で、粒によって異なる。圧延方向に沿って一様な磁場をかけると、"最もよく整列した "結晶粒のドメインは自由に動く。

圧延方向に対して斜めに磁化すると、より硬い結晶粒が負荷される。極薄鋼板の磁気測定によると、飽和磁束密度と透磁率は、磁化角度とともに着実に低下し、約20～30度を超えると急激に悪化する。損失と透磁率の曲線は圧延方向を中心にほぼ対称的であり、1.5Tでの比コア損失は0°から60-90°の間でほぼ2倍になる。

これが、現代の異方性研究で「約30度」が常に出てくる理由である。その範囲内であれば、GO は磁束密度と損失で無配向鋼に勝る。それを超えると、その利点は急速に縮小し、より高い磁束や周波数では事実上消滅してしまいます。

これを設計しやすいように置き換えると、鋼材のデータシートでは、角度を脚注ではなく乗数として扱うことができます。

典型的なGO鋼における磁化角の影響の概算（1.5 T、50 Hz）

下の表は、いくつかの角度依存性研究から得られた傾向を単純な相対的見解に圧縮したものである。これは、あなた自身のEpstein測定の代用品ではなく、公表されている異方性曲線がすでに示唆していることを大まかに示したものである。

繰り返すが、これらの数値は指標である。グレード、厚さ、応力状態、誘導レベルによって数値は変動するが、トレンドの形は不変である。

3.コアが実際に向きを失う場所

図面上では、3相コアは完全に整列しているように見えます。スタックではそうではありません。

フラックスに平行な方向で切断されたまっすぐな手足は、その材料が持つ限り最高のものである。継ぎ目やコーナーに達すると、フラックスはカーブしなければなりません。マイター・ジョイントやステップ・ラップ・ジョイントでも、局所的なフラックス方向が30～60度でラミネーションを切断する小さな領域があります。そこに前表のペナルティが隠されている。

一定の角度だけずらした層を持つ粒配向コアの最近の異方性研究では、スタック内の積層が互いにどのように角度的にずれているかを変えるだけで、コアの全損失が測定可能なほど変化することを示している。Fe-Si GOシートの同様の研究により、全損失は等方性渦電流損失と強い方向性ヒステリシスと過剰損失の混合であり、すべてが磁化角度によって変化することが確認された。

設計ソフトはしばしば、楕円的に補間された圧延と横方向の曲線だけで作られた単純な透磁率テンソルでGOをモデル化する。これでは、横方向が最も悪い方向として扱われ、横方向と横方向の間のすべての方向が滑らかに挙動すると仮定することになる。複数の角度におけるより詳細な測定によれば、この短絡的な方法は、特に異方性がより非線形になる高いフラックスレベルにおいて、顕著な誤差を与える可能性がある。これは、新しい設計における無負荷損失の予測値と実測値のギャップとして感じられます。

そのため、フラックスラインが複雑な2次元軌道を描くコアの領域（ステップラップの重なり、T字型ジョイントの領域、巻きコアのコーナーゾーンなど）は、幾何学的な詳細だけでなく、精神的に「軸外損失乗算器」としてタグ付けされるべきである。

4.向きも応力、コーティング、加工

方位はCADモデル上の角度だけでなく、鋼材の応力状態や領域パターンによって変化します。

オリエントコアのようなHi-Bグレードの生産者は、主に表面コーティングによって引き起こされる圧延方向に沿った引張応力が、ヒステリシスと渦損失を低減し、同時に磁歪を縮小させ、効率とノイズの両方に役立つことを示している。最適な領域があります。応力が小さすぎるとドメインが安定せず、大きすぎると損失が再び増加します。

レーザースクライビングや他のドメイン細分化技術は、コーティングを破壊することなく圧延方向に沿ってドメインを細分化することで機能する。3%のSi-Feの測定では、磁化が圧延方向に近ければ、このような処理によってコアロスが有意に減少することが示されている。磁束が回転し始めると、注意深く形成された狭いドメインは効率的に使用されなくなる。

切断はその逆である。機械的な打ち抜き加工は、残留応力と局所的なミスオリエンテーションを伴う塑性変形エッジゾーンを導入する。これは、特に薄い超低損失グレードでは、各ラミネーションの軸外シェルを効果的に厚くします。ギャップ圧の制御が不十分なコアの巻線や組み立て、あるいは不均一なクランプは、意図された磁束の方向と一致しない応力状態をさらに増加させます。このようなことは、製鋼所のグレード・ラベルには表示されませんが、完成したトランスに見られる有効異方性はすべて変化します。

磁歪は静かに方位とも関連している。結晶粒配向鋼のデータから、磁歪の振幅は材 種と磁化と圧延方向との間の角度の両方に依存 することがわかる。ずれた接合部はエネルギーを浪費するだけでなく、局所的なノイズ源にもなります。

5.磁化角を設計変数として扱う

ほとんどのコア設計フローは、いまだに結晶粒配向をCRGOを使うか、積層を揃えるか、という二者択一で扱っている。現在の期待効率とエネルギー価格では、それは非常に粗いアプローチである。

もっと有効な考え方は、角度を限られた資源として扱うことだ。

高磁束領域（中央リム、メインヨーク、誘導が1.7～1.8Tに近いタンクサイドゾーン）は、レイアウトが許す限り0°に近い磁化角度が望ましい。局所的な磁束密度がジオメトリーによって低減されれば、ジョイント領域はより多くの偏差を許容することができますが、一旦これらの領域を高磁束で30°前後で生かすと、損失倍率が1.5以上に近づくテーブルの列に座ることになります。

0～90°にわたって結晶粒配向鋼と無配向鋼を比較した材料研究は、設計者がすでに疑っていたことを裏付けている：GO鋼はおよそ20-30°の範囲内で強力な優位性を維持し、その後、その優位性は急速に衰える。つまり、大きな領域で45～60°の磁束が日常的に発生するようなものを設計する場合、高級GO鋼種がコスト的に正しい選択なのか、それとも代わりに形状を変更すべきなのかを検討する価値がある。

製造公差も同じメンタルモデルに当てはまる。個々のストリップの効果的な圧延方向に数度の不確かさを残すスリット工程は、低フラックスヨークでは許容できるかもしれないが、それらのストリップがリムに移行すると高価になる。優れたコアビルダーはすでに、測定された損失と方向性によってコイルとラミネーションセットを分別しています。設計エンジニアは、損失マージンのサイズを決める際に、理想的な材料ではなく、その挙動を想定すべきです。

6.果たしてどれほどの効率性が問題になっているのだろうか？

数値は、これを抽象的でなくする。最新のHi-Bコアを使用した1MVAの配電変圧器 を考えてみよう。0.23-0.27mm前後の現代のGOグレードを使用すると、典型的なグレード表によると、公称誘導で800-1000W付近の無負荷損失を目標とすることができます。

ここで、コアの設計と製造上の選択により、コアの一部の平均磁化角が「ほぼ完全」から20-30°の帯域に効果的に押し上げられたと仮定します。先程の表は、同じ磁束密度でそれらの領域での比損失が30-50%増加することを示唆しています。正味の効果として、無負荷時の総損失が保守的に20%上昇するとします。

変圧器の寿命が25年で、ほとんどの時間通電している場合、余分な200Wは静かに約44MWhを消費する。控えめなエネルギー価格であっても、これは異方性を間違った方向に供給する以外に何も達成しなかった数千ドルの運転コストである。これを何千台ものユニットに拡大すると、資本損失の計算表の列が違って見えるようになる。

重要なのは、このコストは「素材グレード」のコストではなく、オリエンテーション・コストだということだ。あなたはすでに良い鋼鉄の代金を支払っている。

7.オリエンテーション効果の測定と取り締まり

ラボ側は、設計者が必要としているものに追いつきつつある。0°と90°の従来のエプスタイン・フレーム試験は、今でも等級認定の基幹を成していますが、現在では、多角度特性評価と異方性のモデリングに関する研究が進んでいます。ソルバーに2つの曲線を与えて補間する代わりに、3つ以上の切断角度での測定に基づいてモデルを構築し、より忠実に任意の角度の特性を予測することができます。

磁気バルクハウゼンノイズのような非破壊的手法も、完全な磁気試験を行わずに結晶粒方位鋼を分類し、組織品質と応力を推測するために使用されている。興味深いことに、その角度依存性は、特性が劣化する前にある角度窓までかなり平坦な状態を保つという考えと一致している。これは、工場に到着したばかりのコイルが、設計したとおりのシャープな質感と低応力状態を持っているかどうかを監査するためのツールを提供する。

運転中の変圧器では、コアをEpsteinフレームに戻すことはできません。しかし、磁化電流の高調波含有量、接合部の温度パターン、コーナー付近のノイズシグネチャーをモニターすることで、方向性が無駄になっている場所の間接的な証拠とすることはできます。

8.穀物配向の研究はどこへ向かっているのか？

最近の粒状配向鋼に関する研究の多くは、変圧器ではなくモーターによって駆動されている。技術者たちは、セグメント化されたステーターを実験している。各セグメントは、磁束を有利な±20～30°の範囲内に保ち、無配向コアと比較してトルクや効率を数パーセント向上させている。ピーエムシーこれは、トランスの継ぎ目に見られるような異方性の別の表現に過ぎない。

極薄GO、高シリコン合金、高度なコーティングは、理想的なアライメントの下でコアロスを押し下げ続けている。しかし、本質的な材料損失が減少するにつれて、配向ミス、切断損傷、組立ストレスに起因する損失の割合が大きくなる。絶対的なワット数が低下しても、設計と製造の規律の相対的な重要性は高まる。

つまり、たとえ実行が面倒であったとしても、実用的な収穫はシンプルなものなのだ。グレイン・オリエンテーションはスローガンではなく、希少な資産なのです。CRGOを選択するときにそれを選択し、優れたジオメトリー、タイトなカッティング、入念な応力制御、現実的なモデリングでそれを保護するか、コーナーやジョイントでその断片を交換するかのどちらかです。変圧器は、余分なワットが安いグレードのものであろうと、ずさんな角度のものであろうと気にしません。