トランスコアの透磁率：簡単なガイド

なぜ変圧器はうまく機能するのか、自問したことはあるだろうか？重要なアイデアは内部にある。それはトランスのコアと呼ばれる部分にある。このコアで最も重要なのは、透磁率と呼ばれる特殊な性質です。この記事では、透磁率とは何かについて説明します。また、なぜ透磁率がそれほど重要なのかを学びます。コア材の透磁率を知れば、トランスがどのように機能するかがわかります。あるものが他のものより優れている理由を知ることができます。そして、電気回路に適したものを選ぶ方法を知ることができます。

トランスコアの透磁率とは？

ペーパータオルについて考えてみよう。あるペーパータオルはたくさんの水を吸い取ることができる。あるペーパータオルは水をたくさん吸い込むが、あるペーパータオルは水をあまり吸い込まない。透磁率はそれとよく似ていますが、水ではなく磁場に対するものです。材料の透磁率は、その材料が磁場を保持するのにどれだけ優れているかを示す。透磁率の高い材料は、多くの磁気エネルギーを「吸収」することができる。トランスのコアは透磁率の高い材料を使用しています。これは磁場の行き先を示すのに役立つ。

変圧器では、電流がワイヤーのコイルを流れる。このワイヤーを巻線と呼ぶ。この電流が磁場を作る。コアはこのコイルの中に入っている。コア材の高い透磁率は、この磁場を集めるのに役立ちます。これにより磁場は非常に強くなります。そしてその強い磁場が2つ目の巻線に電流を流す。もしコアが良くなければ、磁場は弱く、広がってしまいます。良いコアは、トランスがより良い仕事をするのに役立ちます。コアの透磁率は、その構造において非常に重要な部分です。

なぜ高透磁率の芯材が重要なのか？

高透磁率のコア材は非常に重要である。わずかな電流で強力な磁束を発生させることができる。これは主に2つの理由で役立つ。第一に、エネルギーの節約に役立つ。トランスを動作させるために大きな電流は必要ありません。電流が小さいということは、回路内で無駄に消費される電力が少ないことを意味する。第二に、より小さく、より軽いトランスを作ることができる。材料がその役割を果たすのに非常に優れているため、コアを小さくすることができる。

トランス・コアの主な仕事は、磁束がたどる単純な経路を作ることである。透磁率の高い材料は、磁束に対する「抵抗」が低い。つまり、一次電流によって作られた磁束は容易に移動できる。磁束はコアを通って2次巻線へと移動する。この強力な接続が、トランスを無駄なく機能させるのだ。透磁率の高いコアは、同じ巻数のコイルでもインダクタンスが高くなります。この高いインダクタンスは、着磁電流を低く抑えるのに役立ちます。着磁電流とは、コアに磁束を作るためだけに必要な電流のことです。

コアの材質は磁束と電流にどう影響するか？

コア材はトランスの心臓部のようなものです。どのような材質を選ぶかは、磁束と必要な電流に直接影響します。一次巻線に電圧を送ると、小さな電流が流れ始めます。これを着磁電流と呼びます。この電流がコアの磁束を作ります。コア材の透磁率が高ければ、ごく小さな電流で非常に大きな磁束を作ることができます。

この電流と磁束の関係は非常に重要である。完璧なコアであれば、電流がほとんどゼロでも巨大な磁束を作ることができる。実際のコア材は完璧ではないが、非常に優れたものもある。優れたコア材は、1つ目のコイルからの磁束のほぼすべてが2つ目のコイルに届くようにする。これにより、ある回路から次の回路への電力伝達が非常にうまくいく。悪いコア材は磁束を逃がしてしまう。そうなると、より多くの電流が必要となり、エネルギーを浪費することになる。透磁率が高いとインダクタンスが高くなり、誘導インピーダンスが高くなるため、1次巻線のインピーダンスも変化する。

トランスのコア材にはどのような種類がありますか？

すべての芯材が同じように作られているわけではありません。ある仕事に最適な素材は、そのコスト、周波数、パワーレベルなどによって異なります。一般的な素材の中には、特定の仕事に対して他の素材よりもはるかに優れているものもあります。コア素材を選ぶことは、設計において非常に重要なステップです。

ここでは、一般的なトランス・コアの材質と、それらがどのような用途に使われることが多いかを表にしている：

コア材	代表的な相対透過率	最適	なぜ良いのか
エア・コア	1	超高周波	素材からのコアロスはない。
鉄心	200 – 6,000	低周波電力	飽和限界が高く、高価ではない。鉄心は非常に一般的。
ケイ素鋼	2,000 – 10,000	メイン周波数 (50/60 Hz)	普通の鉄よりも抵抗率が高く、渦電流を抑える効果がある。
フェライト（セラミック）	20 – 20,000+	高周波電力、EMI	電気抵抗が非常に高い。そのため、高周波での渦電流が少ない。
アモルファス金属	20,000 – 100,000	高効率トランス	ヒステリシスロスが非常に小さい。混合原子構造を持つ。

各素材にはそれぞれ透磁率があります。多くの低周波の仕事には鉄芯が適している。高周波回路には、フェライトのような材料が必要です。高周波で間違ったコア材を使用すると、発熱が大きくなり、コア損失が大きくなります。

コアの透磁率を測定するには？

"コアの透磁率はどうやって測るの？"と聞かれるかもしれない。見ただけではわからない。しかし、この重要な性質を見つける特別な方法がある。インダクターを作り、電気的な測定値を取ることでその値を求めることができる。まず、テストしたいコアを取り出します。そして、その周りにワイヤーのコイルを巻きます。ワイヤーが何回回るかを知る必要がある。これで簡単なインダクタができる。

次に、巻線に交流電圧を送り、そこを流れる交流電流を測定する。電圧と電流を用いれば、インダクタのインピーダンスを求めることができる。インダクタのインピーダンスは、ある周波数におけるインダクタンスから求められることがほとんどである。このため、インダクタンスを求めることができる。インダクタンス、巻数、コアのサイズ、透磁率を結ぶ簡単な公式がある。この式を変えれば、コア材の透磁率を求めることができます。この磁気特性の測定方法は非常に便利です。正しい方法で測定するには、電流を低く保つ必要がある。コアを飽和状態に追い込まないためだ。

B-H曲線とは何か、そして透過性について何を示してくれるのか？

B-H曲線は特別なチャートです。B-H曲線は特殊なチャートで、磁性体コア材についてすべてを教えてくれます。非常に便利なツールです。一番下の線の「H」は磁場の強さです。これは投入した仕事と考えることができる。コイルに流れる電流によって作られます。B "は磁束密度です。これはあなたの仕事から得られる結果です。どれだけの磁束がコアに押し込められたかを示しています。

優れた芯材は、ほんの少しの作業（H）で大きな結果（B）をもたらす。これは、B-H曲線が非常に急峻に始まることを意味する。この曲線上の線がどれだけ急であるかが透磁率である。線が速く上がるほど透過性が高いことを意味する。B-H曲線は飽和限界も示している。あるポイントを超えると、チャート上の線は平坦になる。これは、より多くの電流を送っても、コアにそれ以上の磁束を得ることができないことを意味する。コアが満杯になることを飽和という。この曲線を見ることで、コアの限界を知ることができます。このbh曲線は、材料の種類によって異なって見えます。

周波数はコア材の働きにどう影響するか？

交流電流の周波数は、トランスのコアに非常に大きな違いをもたらします。低い周波数では非常によく働くコア材料でも、高い周波数では非常に悪くなることがある。これはコア損失のために起こります。高い周波数では、コア内部のある種のエネルギー損失が非常に大きくなります。失われたエネルギーは熱に変わります。熱はトランス回路に悪影響を及ぼします。

高周波における2大問題は、ヒステリシスと渦電流である。ヒステリシス損失は、コアの磁界を前後に反転させるのにエネルギーが必要なために起こります。これは交流電流のサイクルごとに何度も繰り返される。もうひとつの問題は渦電流である。これはコア材自体の内部でぐるぐる回る小さな電流です。これは磁束の変化によって生じる。これらの電流は何の役にも立たない。熱を作り、電力を浪費するだけである。フェライトのような材料は、電気抵抗（抵抗率）が非常に高い。この性質は渦電流を止めるのに役立ちます。そのため、高周波での使用に適しています。鉄のコアは高周波で非常に熱くなります。

コアロスとは何か、そしてコアロスと透磁率との関係は？

コアロスは、トランスが使用するエネルギーに対する税金のようなものです。コアで失われるエネルギーです。この失われたエネルギーのほとんどは熱になります。コア損失の高いトランスは、その仕事においてあまり優れているとは言えません。使用する周波数に対してコアロスの少ないコア材を選びたいものです。これには透磁率が関係してきますが、透磁率が高いからといって損失が低いとは限りません。

コアロスには大きく分けて2種類ある：

ヒステリシス・ロス： この損失は、各交流サイクル中にコア材を磁化し、その後消磁するのに必要なエネルギーによるものです。B-H曲線上のB-Hループ内のスペースは、ヒステリシス損失がどの程度あるかを示しています。B-Hループが細い材料はヒステリシス損失が小さい。
渦電流損失： この損失は、小さな円状の電流によるものである。変化する磁束がコア内部でこれらの電流を作る。電流が流れるのは、コアの素材が電気を流すことができるからだ。渦電流は何の役にも立たず、熱を作るだけである。渦電流を小さくするために、多くのコアは薄いシートから分離して作られている。この構造は積層.電流の通り道を断ち切る。

これらのロスを低減する品質を持つコア材を選ぶことは非常に重要である。適切なコア材料は、それが機能する周波数で高い透磁率と低いコア損失を与える。

相対透過性と絶対透過性：その違いとは？

透磁率には相対透磁率と絶対透磁率という2つの呼び方がある。相対的な透過性と絶対的な透過性。その違いを理解するのは簡単だ。 絶対透過率 は何もない空間、つまり真空の透磁率である。科学の基本的な数値であり、変化することはない。記号はμ₀。μ₀は非常に小さな設定値である。すべての磁場を測定するための出発点である。

相対透過性 は、芯材について議論するときに人々が通常口にするものである。その記号はμᵣです。何もない空間と比較した場合、その材料が磁束を運ぶのに何倍優れているかを示しています。例えば、ある材料の比透磁率が2,000であれば、何もない空間よりも磁場を2,000倍集めることができるということです。物質の絶対透磁率は簡単な式で求めることができます。相対透磁率に真空の絶対透磁率を掛けるだけです。ほとんどの仕事では、本当に必要なのは相対透磁率です。これにより、ある芯材と別の芯材を比較することができます。

トランスに最適な磁気コアを選ぶには？

適切な磁気コアを選ぶのは難しく思えるかもしれない。しかし、適切な質問を知っていれば簡単です。コアの材質と形状を、回路が行うべき作業に合わせる必要があります。良いコアは、必要なインダクタンスを与えてくれます。また、飽和に達することなく適切な量の電流を扱うことができます。そして、コアの損失を低く抑えることができます。コアの形状（トロイダル型やポット型など）も構造の一部です。

コアを選ぶ際に最も重要なことは以下の通りだ：

動作周波数： 電源のような低周波の仕事ですか？それともラジオ回路のような高周波用なのか？これは最も重要な質問です。それによって、より少ない材料のリストから選ぶことができます。
透水性が必要： 小さな面積で高いインダクタンスを得るには、非常に高い透磁率が必要ですか？それとも低い透磁率で十分なのでしょうか？
飽和限界： 巻線にどれだけの電流が流れますか？この電流のために飽和状態にならないコアを選ぶ必要があります。この限界を見つけるには、コア材料のB-Hカーブをチェックすることができます。
コアの損失： 回路が無駄なく機能することが重要ですか？発熱を抑えて電力を節約したいのであれば、使用周波数でのヒステリシス損失や渦電流損失が少ない材料を探してください。
サイズと形： コアは設計に適したサイズである必要があります。一般的な形状としては、トロイダル、Eコア、ポットコアなどがあります。形状は、外部磁界から巻線を保護するのにも役立ちます。

これらのことを考えることで、電気回路に最適なコアを選ぶことができます。適切なコアは、インダクターやトランスを思い通りに動作させます。