変圧器のコアにケイ素鋼が使われる理由

この記事ではケイ素鋼.この特定の種類のケイ素鋼が、なぜすべての変圧器の心臓部を作るのにナンバーワンの選択肢なのかを知ることができる。

トランス・コアとは何か？

基本的なことから始めよう。トランスには、一次巻線と二次巻線という2つの主要部品がある。これらは単なるワイヤーのコイルです。一次コイルに電流を流すと磁界が発生します。トランスのコアの仕事は、その磁場を2つ目のコイルに導くことです。このプロセスは電磁誘導の原理に基づいている。

コアは、磁束と呼ばれる磁気エネルギーの通り道のような役割を果たします。この磁束をできるだけ多く一次巻線から二次巻線に移動させたいのです。道路がでこぼこしていたり、穴がたくさんあったりすると、途中でエネルギーが失われてしまいます。そのため、鉄心に使用する材料は非常に重要なのです。良い鉄心材料は、旅をスムーズで効率的なものにします。鉄心は磁気エネルギーを運ぶのが主な仕事なので、通常は磁気コアと呼ばれる。

なぜ普通のアイアンをコアに使えないのか？

単純な鉄の塊を使えばいいじゃないか」と思うかもしれない。結局のところ、鉄そのものが磁性体であり、鉄は安価なのだ。問題は、普通の鉄のコアは多くのエネルギーを浪費するということだ。この無駄なエネルギーは鉄損またはコアロスと呼ばれる。この鉄芯の損失は熱に変わり、変圧器にとって悪く、電気を浪費する。

この鉄損は、コア材内部で起こる2つの主な問題によって引き起こされる。コアを流れる磁束を想像してみてください。トランスは常に交流（AC）で動作するため、磁場は常に前後に反転しています。この絶え間ない変化がエネルギー損失を引き起こします。この損失は、トランスから得られる電力が、投入した電力よりも少ないことを意味します。この電力損失と戦うためには、特別な磁性材料が必要です。

ケイ素鋼はなぜ特別なのか？

そこで、ケイ素鋼の出番だ。ケイ素鋼は、主に変圧器のコアを作るのに使われる驚くべき磁性材料である。では、その秘密は何か？まず、透磁率が非常に高い。透磁率とは、材料がどれだけ磁化されやすいかということだと考えてください。珪素鋼は、広くて滑らかなパイプの中を水が流れるように、磁束が非常に流れやすいのです。

透磁率が高いというこの特性は、珪素鋼板が使われる最大の理由の一つである。つまり、コアはわずかな労力で強力な磁路を作ることができるのだ。もちろん、重要な成分はケイ素である。鋼に含まれるケイ素の含有量によって磁気特性が変わる。私たちは、この素晴らしい結果を得るために、ちょうど良い量の特定の種類のケイ素鋼を使用しています。この優れた透磁率は、ケイ素鋼で作られたトランスにとって大きな利点です。

シリコンスチールはどのようにヒステリシス・ロスと戦うのか？

2つの大きなエネルギー浪費の1つは、ヒステリシスと呼ばれるものだ。鉄心の中に磁区と呼ばれる小さな磁石がたくさんあると想像してほしい。磁場がオンになっているとき、それらはすべて一直線に並ぶ。磁場が反転すると、それらはすべて反転しなければなりません。これにはエネルギーが必要だ。ヒステリシスは、これらの小さな磁石にとっての摩擦のようなものです。ヒステリシスの大きい材料は磁化されにくく、消磁されにくい。

この絶え間ない反転がヒステリシス損失を生む。保磁力の低い、つまり小さな磁石が簡単に前後に反転できる材料が必要なのです。シリコン・スチールはヒステリシスが非常に小さくなるように設計されています。シリコン・スチールの製造工程は、磁区が自由に動くのを助ける。これにより摩擦が減り、熱として浪費されるエネルギー量が減る。この特別な特性は、効率的な変圧器を作る上で極めて重要なのだ。珪素鋼板の特殊な製造方法がこの損失を減らすのに役立っているのは、2つの要因によるものです。

渦潮とは何か、なぜ問題なのか？

第2の大きなエネルギー浪費は渦電流と呼ばれるものだ。変化する磁束が鉄芯を通過するとき、金属内部に小さな渦巻く電流のプールができる。これは誘導のためである。これらの小さな渦は渦電流と呼ばれる。渦電流は何の役にも立たない。その代わり、コアを熱するだけだ。

この加熱は渦電流損と呼ばれる。この損失の原因は2つあるが、渦電流が大きい。電流が間違った方向に流れてコア内部で失われ、電力を伝達する代わりに熱を発生させていると考えてください。鉄心の電力損失は、電力を浪費し、トランスの過熱を引き起こす可能性があるため、深刻な問題である。これらの電流を制御しなければ、トランスの鉄心は非常に熱くなる可能性がある。

珪素鋼板はどのようにして厄介な渦電流を減らすのか？

では、この小さな電流の渦を止めるにはどうすればいいのか？ここもまた、ケイ素鋼が輝く場所である。そのコツは、渦電流を流れにくくすることである。そのためには、金属の電気抵抗（抵抗率とも呼ばれる）を高める必要がある。

鉄にケイ素を加えると、まさにそうなる。シリコン原子が邪魔をして、渦電流が動きにくくなるのだ。抵抗が大きいと渦電流の流れが小さくなり、熱として無駄になるエネルギーが少なくなる。これはシンプルだが、非常に賢い解決策だ。ケイ素鋼を使用することは、渦電流の問題を軽減し、変圧器をより効率的にする素晴らしい方法です。これは、スチールが使用される重要な理由のひとつです。

なぜトランスのコアは薄い板でできているのか？

トランスのコアをよく見ると、それは金属の固まりではない。ケイ素鋼板の薄い層が何枚も重なってできているのだ。これをラミネート.これは渦電流を打ち負かす計画の第2部である。

鉄心を薄くスライスすることで、渦電流の通り道を分断する。ラミネーションはバリアのような役割を果たす。渦電流はシート間の薄い絶縁層を横切ることができない。このため、渦は非常に小さくならざるを得ない。渦巻きが小さいということは、渦電流の損失がはるかに少ないということです。ソリッドコアをそのように使用すると、損失が大幅に増加します。スプライスするシートの幅が狭ければ狭いほど、その効果は高まるという法則がある。そのため、1枚のケイ素鋼板の厚さはわずか0.35mmであることが多い。この構造は渦電流を非常に効果的に減少させる。

熱間圧延鋼と冷間圧延鋼の違いは？

ケイ素鋼はすべて同じではありません。主に熱間圧延鋼と冷間圧延鋼の2種類がある。名称は鋼の製造方法を表しています。熱間圧延珪素鋼は非常に高温で加工されます。良い素材ですが、もっと良い素材もあります。

冷間圧延されたケイ素鋼板は室温で加工される。この加工により、鋼の結晶粒が非常に特定の方向に並ぶ。これにより磁束がさらに流れやすくなり、大きな磁気誘導強度が得られます。この特殊な電気鋼は、磁気特性がさらに向上し、エネルギー損失が低くなります。高性能の電力用変圧器には、ほとんどの場合、冷間圧延ケイ素鋼板が使用されます。変圧器コア用のこの高度な材料は、現代の電気システムの大きな部分を占めています。

珪素鋼はどのようにして作られるのか？

高品質のケイ素鋼を作ることは、慎重な科学である。変圧器に最適なケイ素鋼を作るために、メーカーは低炭素鋼から始める。その後、適切な量のケイ素を加える。シリコンを多く含むと抵抗率が高くなり、渦電流を止めるのに最適です。

鋼を薄く圧延した後、焼きなましをする。焼きなましとは、鋼を熱してからゆっくり冷ますことを意味する。この工程によって金属から応力が取り除かれ、完璧な結晶粒構造が形成され、驚異的な磁気性能が発揮される。珪素鋼の熱膨張率が低いのは、この入念な工程があるからです。また、通電されたコイルの中に置かれたとき、この材料が強力な磁気応答を持つことを保証します。

すべてをまとめる：なぜケイ素鋼を使うのが最良の選択なのか？

では、すべてをまとめてみよう。珪素鋼板をトランスのコアに使用するのは最良の選択である。珪素鋼板で作られた変圧器は、ヒステリシスと渦電流損失という2大問題を解決しているため、コア損失が低い。以上のような有利な要素から、珪素鋼板が勝者であることは明らかです。

透磁率が高く、磁束がスムーズに流れる道を作ります。内部のシリコンが抵抗を高め、無駄な渦電流を止める。ラミネーション設計は渦電流をさらに分断します。これにより、トランスの性能は驚くほど向上する。つまり、電気の無駄遣いが減り、節約になり、地球にも優しいのです。また、温度上昇を抑えることができるため、トランスを長持ちさせることができます。このように、電力システムで使用されるあらゆる機器にとって、ケイ素鋼板は非常に重要なのです。