損失を減らすためにトランスのコアをラミネートする理由

の核心である。 トランスはラミネート加工 特定のエネルギー浪費を削減するためだ。この記事では、なぜこのようなことが行われるのかを具体的に説明する。このシンプルなアイデアが、あなたの携帯電話の充電器から送電網まで、あらゆるものをより効率的にすることを学ぶだろう。これはエンジニアのためだけのものではなく、物事の仕組みに興味を持つすべての人のためのものだ。

トランス・コアはなぜ重要なのか？

片方に電気を流すと、もう片方から違う電圧が出る。その秘密は電磁誘導の原理にある。変圧器には、一次巻線と二次巻線という2組のワイヤーがある。これらは中央の鉄心に巻き付けられている。交流（AC）が一次コイルに流れると、変化する磁界が発生する。この磁場はトランスのコアを通って誘導される。

コアの仕事は、磁束と呼ばれるこの磁気エネルギーのスーパーハイウェイとなることだ。磁束は一次コイルから二次コイルへと移動します。この移動する磁束が二次巻線を通過すると、そのコイルに電流が発生（誘導）されます。鉄心は、このすべてを効率的に行うためのブリッジです。このブリッジには優れた磁性材料が必要です。トランス・コアに最適な材料は、特殊な鋼鉄です。鉄心は通常トランスコアと呼ばれる。優れたトランス・コアは、一次巻線からの磁束のほとんどが二次巻線に到達するようにします。

渦電流とは何か？

さて、問題はここからだ。トランスのコアは金属でできている。鉄そのものが磁性体であり導体であるため、変化する磁束は2次コイルに電流を発生させるだけではない。鉄心にも小さな電流の渦が発生する。滑らかに流れる川を想像してほしい。真ん中に大きな石を置くと、その後ろに小さな渦（渦流）ができる。渦電流はちょうどそのようなものですが、鉄心の中に電気があるのです。

この小さな電気渦巻きは大きな問題だ。何の役にも立たない。コア内部で回転し、熱を発生させるだけだ。この熱は無駄なエネルギーだ。私たちはこれを渦電流損と呼んでいる。この損失は、磁束の強さとコア材が電気を通しやすいかどうかという、主に2つの要因によって引き起こされる。強い磁場と導電性のコアは大きな渦電流を発生させます。これはトランスの大幅な温度上昇につながり、効率が悪く、デバイスを損傷する可能性さえある。この電力損失と戦わなければならない。

ラミネーションはどのようにして厄介な渦流を止めるのか？

では、エネルギーを浪費する渦巻きを止めるにはどうすればいいのか？そこで、ラミネーションという素晴らしいアイデアが登場する。金属の固まりの代わりに、非常に薄い金属シートを積み重ねてコアを作るのだ。各シートは、ワニスや酸化皮膜のような薄い絶縁層でコーティングされている。木のブロックではなく、トランプの山札のようなものだと考えてください。磁束は、一次コイルから二次コイルまで、シートの長さに沿って容易に移動することができます。

しかし、断熱層はバリアとして機能する。渦電流が渦を巻くのを非常に難しくしているのだ。渦電流は広い円を描くように流れようとするが、絶縁層はその円を細かく切り刻み、多くの非効率的な経路に変えてしまうのだ。この巧妙なトリックによって渦電流は劇的に減少する。各層を薄くすればするほど、潜在的な渦電流の通り道が小さくなり、渦電流の損失が小さくなる。このようにして鉄心を作ることが、効率的なトランスの鍵なのです。これが渦電流を減らす方法です。

では、なぜソリッド鉄芯を使わないのか？

"1つのソリッドな鉄芯を使う方が安くて簡単なのでは？"と思うかもしれない。表面的にはそうだ。しかし、エネルギーの浪費は莫大なものになる。中実鉄コアは、その断面全体に非常に大きな渦電流を流すことになる。これは大きな渦電流損失を引き起こし、変圧器を非常に熱くし、多くの電力を浪費することになる。このように中実コアを使用すると、鉄損が大幅に増加する。

この無駄なエネルギー、すなわち鉄損は、これらの電流によって引き起こされる。ソリッドコアは効率にとって最悪です。電気エネルギーのほとんどが二次巻線に伝達されることなく熱に変換されてしまう。鉄心のサイズは、熱を処理するためにはるかに大きくなければならず、コストと重量が増加する。トランスの要点は、電力を効率的に伝達することだ。中実の鉄心はその正反対です。ラミネーションを使用することで、磁路を傷つけずに渦電流の流れを抑えることができます。

コアに使用している特殊ケイ素鋼とは？

ラミネーションに使用する薄板は、ただの鋼鉄ではない。と呼ばれる特殊合金から作られています。 ケイ素鋼.電気鋼と呼ばれることもある。ケイ素鋼は、低炭素鋼に少量のケイ素を添加した合金の一種である。ケイ素の添加は極めて重要である。では、なぜケイ素鋼が主役なのか？それは、トランスのコアに最適な2つの驚くべき磁気特性を持っているからです。

第一に、使用する材料に高い透磁率が必要である。第二に、高い電気抵抗率が必要である。抵抗率とは、材料が電流の流れにどれだけ抵抗するかを示す尺度である。普通の鋼鉄はそこそこの導体である。しかし、ケイ素鋼を作ると、ケイ素の含有量が材料の抵抗率を高める。抵抗率が高いということは、渦電流が流れにくいということであり、渦電流の損失をさらに減らすことができる。これが、スチールがこのような形で使用される理由である。ケイ素鋼は完璧なコア素材です。この仕事に最適な磁性材料なのです。私たちはケイ素鋼の素晴らしい能力を愛しています。ケイ素鋼で作られた変圧器ははるかに効率的です。珪素鋼を使うのは業界の標準です。この特別な珪素鋼は画期的です。

ケイ素鋼はどのように磁場を助けるのか？

という話をしたことがある。 シリコンスチールが不要な電流を抑える.しかし、その主な仕事は磁束の優れた通り道となることである。ここでいう魔法の特性とは、高い透磁率である。透磁率とは、ある材料に磁場がどれだけ容易に設定できるかを示す尺度である。磁気ウェルカムマットのようなものだ。ケイ素鋼の透磁率は非常に高い。つまり、一次巻線から二次巻線への磁束を、ほとんど "漏れ "なく熱心に受け入れ、誘導するのです。

この特性により、一次コイルで作られた磁気エネルギーのほぼすべてが二次コイルに送られる。その結果、磁気誘導強度が大きくなります。これが、トランスが電力を効率よく伝達する理由です。珪素鋼板の高い磁性は、より小さく、より軽く、より強力なトランスを製造できることを意味します。ケイ素鋼の高いケイ素含有量は、このような素晴らしい磁気条件を作り出すのに役立ちます。ケイ素鋼の高い磁性は、まさに私たちが必要としているものです。この強い磁気特性は不可欠です。磁場はケイ素鋼によって完璧に管理されます。この透磁率は重要な性能指標です。高い磁気性能が必要なのです。磁力線はケイ素鋼の内部に集中する。

コアロスとは何か？

トランスが常に交流電源で動作する場合、そのコアでは常にいくらかのエネルギーが失われる。この全損失をコア・ロス、あるいは鉄損と呼ぶこともある。この鉄心での損失は、電力変圧器における非効率の主な原因である。私たちは、コア損失を低くすることを優先したいのです。この鉄での電力損失は熱として浪費される。

コアロスの原因は2つある。1つ目はすでに話した渦電流損失。もう1つはヒステリシス損失と呼ばれるものです。これらを合わせてヒステリシス損失と渦電流損失と呼びます。この両方を減らすことが、トランスの性能を向上させる鍵です。先進的なケイ素鋼のような、より優れたコア材料の開発は、可能な限りコア損失を抑えた磁性材料を作ることに他なりません。ここで節約されたエネルギーは1ワットごとに、私たちの家庭や機器の電力として使用することができる。

ヒステリシスロスを簡単に説明できますか？

これは複雑に聞こえるが、考え方は簡単だ。ケイ素鋼のような磁性材料は、磁区と呼ばれる小さな小さな領域で構成されている。小さな磁石のようなものだ。磁場がないとき、磁区はすべてランダムな方向を向いている。通電されたコイルが磁場を発生させると、これらの磁区が一列に並ぶ。このプロセスを磁化と呼ぶ。

トランスは交流で作動しているため、電流は1秒間に50回あるいは60回、絶え間なく切り替わる。つまり、磁場も急速に反転しているのだ。磁場が反転するたびに、すべての小さな磁区が新しい方向に並ぶために反転しなければならない。磁区を反転させるには、ちょっとしたエネルギーが必要だ。このエネルギーは熱として失われる。この損失は ヒステリシスロス.珪素鋼は保磁力が低いので特別で、磁区は大きなエネルギーを必要とせず、非常に簡単に前後に反転することができる。このヒステリシス効果は最小限に抑えられている。一度磁化された磁区は一旦消磁され、逆方向に再び磁化される必要があり、このサイクルがヒステリシス損失の原因となる。

ケイ素鋼板はどのように作られ、組み立てられるのか？

コアの製造工程はかなり高度だ。珪素鋼は大きな金属のロールから始まる。熱間圧延珪素鋼板と冷間圧延珪素鋼板の2種類に大別される。冷間圧延珪素鋼板は磁気特性がさらに優れているため、現在は主に冷間圧延珪素鋼板が使われている。この熱延ケイ素鋼板をさらに加工します。理想的な結晶構造にするための処理を行います。多くの場合、焼鈍と呼ばれる工程を含み、金属を加熱し、ゆっくりと冷却します。焼きなましをすることで、鋼はより良いものになるのです。

その後、ケイ素鋼板を非常に薄い絶縁層でコーティングする。これは渦電流を止めるために非常に重要である。最後に、コーティングされた珪素鋼板は、通常、長尺に切断される。 E "と "I "の形。 その後、これらの破片を1枚ずつ積み重ねてトランスの鉄心を形成する。珪素鋼板は慎重に扱わなければならない。この珪素鋼板の積み方が重要なのだ。継ぎ目の幅が狭ければ狭いほど、その効果は高くなる。最終的なケイ素鋼板の厚さはわずか0.35mmかもしれない。そのため、私たちは珪素鋼板を使う。一般的には、このような特殊な珪素鋼板を使用します。この珪素鋼板は珪素鋼板として最適です。熱間圧延されたシリコン素材は、今ではあまり見かけなくなりました。

ラミネート・シリコン・スチール・コアの大きな利点とは？

では、この作業から何が得られるのか？高効率の変圧器である。珪素鋼でできたラミネート・コアを使用することで、エネルギー損失の主な原因を両方解決することができます。ラミネートは渦電流を止め、ケイ素鋼の特別な特性はヒステリシス損失を減らします。これにより、コア全体の損失が減少します。また、この設計は熱膨張係数が低いため、温度が変化してもあまり膨張・収縮しません。

上記のような有利な要素が組み合わさって、最新のトランスは驚くほど効率的になり、98%や99%を超えることもよくあります。これは、無駄な電力が少なく、動作温度が低く、より小型で強力なデバイスが得られることを意味します。変圧器のサイズを小さくできる変電所の巨大な変圧器から、あなたのガジェットの中の小さな変圧器まで、ラミネート・シリコン・スチール・コアの使用は、私たちの電気世界を可能にしている基本原理です。無駄なエネルギーを減らし、パフォーマンスを向上させます。実質的な損失を減らすのです。新素材の開発は続いているが、基本原理は変わらない。珪素鋼板の使用は電気産業で広く普及しています。