トランス設計が簡単に：電源トランスのステップ・バイ・ステップ・ガイド

変圧器は見た目はただの金属製の箱。しかしその内部では、スマートな組み方によって機能している。このプロセスをトランス設計と呼びます。電源トランスは、電圧を高くしたり低くしたりします。この記事では、トランスの設計方法をご紹介します。難しい部分をわかりやすく説明します。コア、巻線、そして電力を無駄にすることなくトランスをうまく機能させる方法について学びます。これを読めば、何が良いトランスを作るのかがわかります。また、エンジニアが一からどのようにトランスを作るのかもわかります。

電源トランスとは何か？

電源トランスは電気機器の一部である。ある回路から別の回路に電力を送ります。変圧器は、可動部品なしでこれを行うことができます。トランスの主な仕事は、電圧と電流の量を変えることです。トランスには昇圧トランスと降圧トランスがあります。昇圧トランスは電圧を高くします。降圧トランスは電圧を低くします。これは多くの電気システムで大きな助けとなります。

変圧器は磁界を利用して仕事をする。トランスには主に2つの部分がある。ひとつは磁気コア、もうひとつは巻線である。巻線は少なくとも2つあり、1次巻線と2次巻線である。一次巻線は入力電力を取り込みます。二次巻線は出力電力を出します。一次巻線に入力電圧がかかると、コア内部で磁界が変化します。この磁界は磁束と呼ばれ、二次巻線に電圧を発生させます。トランスの特別なところは、これらすべての部品がチームとしてどのように仕事をしているかを見ることです。シンプルなトランスが、多くの仕事をこなすことができるのです。

優れた変圧器設計はなぜエンジニアにとって重要なのか？

変圧器は、安全でその役割を十分に果たすものを作るために、良い計画を立てることが非常に重要です。うまく設計されていない変圧器は、大きな問題を引き起こす可能性がある。熱くなりすぎたり、電力を浪費したり、いっぺんに動かなくなったりすることもある。エンジニアは、変圧器の設計過程で多くのことを考えなければなりません。主な目標は、想定される電力量を処理できる変圧器を作ることです。また、電力を無駄にすることなく、非常にうまく機能する必要がある。このようにうまく機能する変圧器は、コストと電力の両方を節約します。

優れたトランスの設計は、トランスが長年にわたって働き続けることも可能にする。トランスは、電力損失から生じる熱に対処できなければなりません。絶縁は、使用する最高電圧に対して十分な強度が必要です。パーツの組み方も正しくなければなりません。良い変圧器とは、動作することを期待できるものである。例えば、100kVAの電源トランスは慎重に計画されなければならない。それだけの電力を長期間安全に扱えるようにするためだ。エンジニアの仕事は、最終的な変圧器の設計の中で、価格、サイズ、そしてそれがどれだけうまく機能するかの適切な組み合わせを見つけることです。これこそが、変圧器を電気システムで役立つ部品にしているのです。

変圧器の設計を始めるには？

変圧器を設計するには、まずその変圧器が何をする必要があるのかを知る必要がある。トランスに関する基本的な詳細を把握する必要があります。これらの詳細は、すべての計算作業の第一歩となります。これがなければ、役に立つ変圧器を作ることはできません。

最初に決めておくべき重要なことは以下の通りだ：

• 入力電圧： 一次巻線に接続される電源電圧。これはトランスに入る電圧である。
• 出力電圧： トランスから得る必要のある二次電圧。
• 電力定格（VAまたはkVA）： これは、トランスが管理できる電力量を示します。単位はボルトアンペア（VA）。小型の変圧器は50VAかもしれません。大型の変圧器は100kVAかそれ以上です。
• 頻度： 電源の周波数。北米では通常60Hz。ヨーロッパでは50Hzです。トランスは、特定の周波数で動作するように作られていなければなりません。

この情報が得られたら、トランスの他の部分を数学で計算し始めることができます。例えば、入力電力と出力電力は、一次巻線と二次巻線にどれだけの電流が流れるかを知るのに役立ちます。これらの最初のステップは、トランス全体の設計のベースとなります。

トランスコアに適したラミネーションとは？

磁気コアはトランスの心臓のようなものだ。その仕事は磁束の行き先を示すことです。一次巻線から二次巻線へと磁束を導きます。コアに使用される材料は、トランスがいかにうまく機能するかに大きく影響する。ほとんどの場合 トランスコア はケイ素鋼と呼ばれる特殊な素材でできている。この素材は磁場を非常に通しやすい。

コアは1枚の固い鋼鉄ではない。何枚もの薄い金属板からできている。これらのシートはラミネーションと呼ばれる。それぞれのラミネーションには、非常に薄い絶縁被膜が施されている。これにより、他のシートから分離されている。このラミネーションの設定は非常に重要だ。コアで浪費されるパワーの量を減らすのに役立つ。この無駄な電力はコア損失として知られている。中実のコアは、その内部で大きな電流を流すことになる。これは多くの熱を発生させ、多くの電力を浪費する。薄いラミネーションはこれらの電流を止め、トランスの動作をより良くします。

電圧に見合った巻数をどのように計算しますか？

トランスの電圧は巻線の巻数に完全に依存する。入力電圧、出力電圧、巻数の関係は非常に単純です。この関係は巻数比として知られています。二次巻線の巻数が一次巻線より多い場合、トランスは昇圧トランスです。二次巻線の巻数が少ない場合、そのトランスは降圧トランスとなります。

巻き数を計算するために、エンジニアはある公式を用いる。この式はしばしば変圧器の起電力の式と呼ばれる。もっと単純に考えるなら、"1ターンあたりのボルト "です。まず、巻線の1ターンがどれだけの電圧に対応できるかを計算します。例えば、1ターンあたりのボルトが0.5で、120ボルトの1次巻線が必要な場合、次のように計算します：

巻数 = 巻線電圧 / 1ターン当たりのボルト数 巻数 = 120ボルト / 0.5 = 240ターン

一次コイルには240ターンが必要です。12ボルトの2次出力を得たい場合、2次巻線には12 / 0.5 = 24ターンが必要です。この計算は、トランスを設計する際に非常に重要なステップです。

巻線セットアップに適した銅線は？

トランスの巻線はワイヤーでできたコイルである。このワイヤー（導体）は、ほとんどの場合銅である。銅は電気をよく通し、値段もそれほど高くないので、選ぶのに適しています。選ぶ銅線の太さ（ゲージ）は大きな問題です。適切な太さは、巻線が流す電流の大きさによって決まります。

大電流を流す巻線には太い銅線を使わなければならない。わずかな電流しか流さない巻線には、より細いワイヤーを使うことができる。電流量に対して細すぎるワイヤーを選ぶと、熱くなりすぎる。この熱はワイヤーの絶縁を溶かしてしまう。これが変圧器の破損の原因となります。適切なワイヤーサイズを見つけるには、まず一次電流と二次電流を計算します。これには、トランスの定格電力（VA定格）を使用します。

この表は単純な考え方を示している。電流が大きくなればなるほど、電線は太くする必要がある。適切な導体を選ぶことで、トランスが熱くなりすぎることなく、供給すべき電力を管理できるようになります。これは、信頼できる安全なトランスにとって非常に重要です。

コアロスとは何か、なぜトランスで大きな問題となるのか？

完璧なトランスは存在しない。どのトランスにも無駄な電力があります。この無駄な電力は熱に変わります。トランスの損失には、コア損失と銅損の2種類があります。これらを知ることは、トランスを設計する上で非常に重要です。

コアロスとは、トランスの磁気コアで発生する損失のことである。シリコン・スチール内部の磁場が常に変化していることが原因です。これらの損失は、トランスがオンであればいつでも発生します。これは、二次巻線に何も接続されていなくても同じです。薄いラミネーションを使用し、コアに良い材料を使用することで、これらの損失を小さく抑えることができます。

銅損とは、銅の巻線に生じる損失のことである。電線の抵抗によって起こります。電流がワイヤーを流れるとき、熱が発生します。これはI²R損失とも呼ばれます。銅損は、トランスの仕事量が増えるほど大きくなります。電流が増えれば熱も増え、無駄な電力も増えます。優れたトランスの設計では、コア損失と銅損の両方をできるだけ小さくしようとします。これは、トランスの動作を良くし、無駄な電力を少なくするためです。

巻線の設定によってトランスの動作はどう変わるのか？

一次巻線と二次巻線のコアへの取り付け方を巻線配置という。この配置によって、トランスの性能が変わります。主な目的は、1次コイルと2次コイル間の磁気接続を最適にすることです。つまり、1次巻線からの磁束をできる限り2次巻線に接続させることです。

通常のセットアップは、2次コイルを1次コイルのすぐ上に巻く。両者の間には絶縁シートがあります。このセットアップでは、2つの巻線が互いに非常に接近します。近くに置くことで、漏れ磁束と呼ばれるものを下げることができます。漏れ磁束とは、両方の巻線に接続されずに逃げていく磁界のことです。良い巻線配置は、トランスの電圧レギュレーションを良くします。電圧レギュレーションとは、トランスがフルパワーで動作しているときに出力電圧がどの程度下がるかを示すものです。良い配置は、トランスが出力する電力量が変化したときに、より良く動作するのに役立ちます。また、トランスのインピーダンスや、入力回路と出力回路を分離するためのパワーにも影響します。

電源トランスを確実に冷却するには？

トランス内の無駄な電力はすべて熱に変わる。この熱を取り除かなければ、変圧器はますます熱くなる。熱が高すぎると絶縁体を傷つけます。これが変圧器の破損の原因となる。このため、どの変圧器も冷却する方法を備えていなければならない。使用される冷却方法は、変圧器のサイズと定格電力によって異なります。

小型のトランスの場合、周囲を空気が動くだけで十分に冷える。熱はコアと巻線から外面に伝わり、空気中に移動する。大きな変圧器の場合、これでは十分ではありません。100kVAのような大型の変圧器では、外側のケースにフィンが付いていることがあります。このフィンは、空気が触れるスペースを増やし、冷却を向上させる。非常に大きな変圧器は、特殊なオイルで満たされたタンク内に置かれることが多い。オイルはトランスのコアと巻線からの熱を吸収する。その後、高温のオイルは動き回り、空気や水によって冷却される。トランスを冷却する方法を選ぶことは、トランス設計の非常に重要な部分です。

完成したトランスの設計をテストする最良の方法とは？

エンジニアが変圧器の設計を終えて製作した後は、テストが必要だ。テストは、変圧器が本来の機能を果たし、安全に使用できることを確認するために行われる。変圧器にはいくつかの通常のテストがある。

そのひとつが開回路試験と呼ばれるものである。この試験では、一次側に電圧をかけるが、二次側は何も接続せずにオープンにしておく。この試験では、トランスのコア損失をチェックする。もう一つの試験は短絡試験である。二次側出力を太いワイヤーで接続し、一次側に非常に小さな電圧をかけます。この試験では、銅損とトランスのインピーダンスをチェックする。最後に、電圧調整試験が行われる。無負荷時と全負荷時で二次側電圧がどのように変化するかをチェックします。これらのテストによって、トランスが適切な電圧を持ち、望んだとおりに動作することが確認されます。これは、うまく設計されたトランスの最後のチェックです。

覚えておくべきこと

• メインディテールから始める： トランスを設計する前に、必要な入力電圧、出力電圧、定格電力（kVA）、周波数を知っておく必要があります。
• コアはとても重要だ： 磁束を誘導し、コアロスを低減するため、磁性体コアには良質のケイ素鋼板ラミネーションを使用する。
• ターン数で電圧を設定： 一次巻線の巻数と二次巻線の巻数が出力電圧を決定する。
• ワイヤーの太さは電流によって異なる： 各巻線の銅線は、熱くなりすぎないように電流を管理するのに十分な太さでなければならない。
• 電力の無駄遣いを減らすことは大きな目標だ： 優れたトランスの設計は、コア損失と銅損の両方を可能な限り小さくし、無駄な電力と熱を抑える。
• セットアップは重要だ： 巻線がコアにどのように配置されているかによって、トランスの性能、レギュレーション、無駄な電力がどの程度変わるかが決まる。
• 常にテストを行う： 完成したトランスをテストすることで、それが安全に動作し、設計された通りに動作することが証明されます。