変圧器の鉄心

 

コアはトランスの磁気回路の主要部分です。通常、シリコン含有量の高い熱間圧延または冷間圧延のケイ素鋼板で構成され、表面は絶縁塗料でコーティングされています。鉄心とその周りのコイルは完全な電磁誘導システムを構成します。電源トランスによって伝送される電力の量は、鉄心の材質と断面積によって異なります。

 

 

2.1 巻鉄心と積層鉄心

2.1.1 巻鉄心

巻線コアは、小型および中型の変圧器 (1000kVA 以下)、変圧器、磁気増幅器、および漏電保護装置のゼロシーケンス変流器で一般的に使用されます。

 

巻鉄心の材質には透磁率の高い極薄冷間圧延珪素鋼板とパーマロイなどの軟磁性帯を使用しています。珪素鋼板の厚さは0.18~0.30です。パーマロイストリップの厚さは0.03~0.10mmです。中小型の変圧器を例にとると、巻鉄心の使用には次のような利点があります。

1) 同じ条件下で、巻鉄心の無負荷損失は積層鉄心に比べて 7% ～ 10% 低減されます。無負荷電流を50%～75%削減できます。

2) 巻線鉄心は非常に薄い高透磁率の冷間圧延ケイ素鋼板で作ることができ、損失の低い変圧器を製造できます。

3) 巻きコアは加工性が良く、せん断くずがなく、利用率はほぼ100%です。また、機械化が可能で積層工程が不要となり、積層コアに比べて生産効率が5～10倍高くなります。

4) 巻鉄心自体が一体となっており、クランプ支持部品による固定が不要で、接合部がないため、積層鉄心と同条件でトランスノイズを5～10dB低減できます。

5) 巻鉄心単相変圧器のプロセス係数は約 1.1 です。 1.15未満は三相。積層鉄心の場合、小容量のプロセス係数は約 1.45、大容量のプロセス係数は約 1.15 です。したがって、巻鉄心は中小型の変圧器に特に適しています。

 

 

2.1.2 積層鉄心

意味

積層鉄心は、電源トランス、インダクタ、変圧器などの電力機器に使用される重要な部品です。複数のシートで構成されており、高い透磁率と低いヒステリシス損失を備えており、装置の作業効率と性能の安定性を効果的に向上させることができます。

 

積層鉄心の構造

積層コアは複数のシートで構成され、各シートはケイ素鋼などの高透磁率材料で作られています。これらのシートは絶縁材によって分離され、単一の構造を形成します。積層鉄心は通常、さまざまな機器の要件に適応するために長方形または円形の形状です。積層鉄心の製造工程では、その性能と信頼性を確保するために板厚、絶縁材の選択、加工工程なども考慮する必要があります。鉄心は変圧器の閉磁路を構成するとともに、設置コイルの骨格でもあり、変圧器の電磁性能や機械的強度にとって非常に重要な部品です。鉄心は変圧器の磁気回路部分で、鉄心柱（柱に巻かれた巻線）と鉄ヨーク（鉄心を接続して閉磁路を形成する）で構成されています。鉄心は渦電流とヒステリシス損を低減し、磁気回路の磁気伝導性を向上させるため、{{0}}.35mm～0.5mm厚の珪素鋼板に絶縁塗料をコーティングしたものを使用しています。小さなトランスコア部分は長方形または正方形で、大きなトランスコア部分は階段状になっており、スペースを最大限に利用できます。

 

ラミネートコアの特徴

積層鉄心トランスのコアと巻線は別々に製造されているため、最初にコアを積み重ね、次に上部ヨークを取り外し、その後コア絶縁体とコイルを取り付け、コイルとコアポストをブレースで支持します。最後に鉄ヨークを挿入してボディの組み立てが完了します。

 

積層鉄心トランスの構造には次のような特徴があります。

1.コアのクランプ方向はコアシートの厚さ方向であり、コアをしっかりとクランプできます。

2. 二層円筒コイルの場合、コイルの内層にはコイル骨格がありません。

3. 取付時には上部鉄ヨークを取り外すため、コアコラムとコイルのステーによる締め付けが容易です。

4. コイルは別々に巻かれており、巻いた後にコイルを別々に浸すことができます。

 

 

2.1.3 三次元三角巻鉄心、積層鉄心、平板巻鉄心の比較

1) 三次元三角巻鉄心

三次元巻鉄心: 同じ幾何学的サイズの 3 つの単一フレーム巻鉄心で構成される鉄心の三角形の三次元配置。

三次元巻鉄心トランス：磁気回路として三次元巻鉄心を備えた配電トランス。

プロセスの特徴: 鉄心全体は 3 つの同一の単一フレームで構成され、鉄心の 3 本の心棒は正三角形に配置されます。一つのフレームは、台形の素材のベルトを何本も連続して巻き付けて作られています。巻回後の単一フレームの断面は半円に近く、分割後の断面は全円に近い多角形になります。 1つのフレームの異なるサイズの台形素材ベルトを特殊な折り線切断機で巻き取ります。このような切削加工は材料加工なしで行うことができ、切削時の材料利用率は100%となります。

 

2) 積層鉄心

積層鉄心：縦剪断生産ラインと横剪断生産ラインで構成され、珪素鋼帯を所定の形状の珪素鋼板に加工し、珪素鋼板を一定の方法で積層します。

ラミネートコアには 3 つの欠点があります。

磁気回路には多くの接合部によって空隙が形成され、磁気回路の磁気抵抗が増加し、損失と無負荷電流が増加します。

磁気回路の方向が珪素鋼板の高透磁率の方向と一致しない箇所があります。

スライス間の密着性が不足すると、積層係数が低下するだけでなく、さらに重要なことに、ノイズが増加します。

損失に対するプロセスの影響

縦方向せん断と横方向せん断により機械的応力損失が増加します

コーナー部の磁気回路の方向と磁気伝導の方向が一致せず、損失が大幅に増加します

ジョイントにより損失が増加し、特に無負荷電流が増加します。

プロセス係数は1.15～1.3

 

3) 構造による磁気回路への影響

従来のエアギャップのあるスタックコアでは、AC 相間の結合磁気回路が AB 相と BC 相の磁気回路より明らかに 1/2 長いため、磁気回路のバランスが崩れ、AC の磁気抵抗が低下します。位相が大きくなります。トランスに三相電圧が印加されると、コアから三相平衡磁束φA、φB、φCが発生します。

三相バランスの磁束が不平衡磁気回路を通過すると、A相とC相の磁気電圧降下が大きくなり、三相電圧バランスに影響を与えます。この磁気回路の不均衡は、平面トランスにとっては克服できない構造上の欠陥です。

 

4) 平巻鉄心

平巻鉄心: 巻鉄心を備えた 1 つ以上の単一フレームからなる平らに配置された鉄心。

プロセスの特徴: 平巻きコアは、最初に 2 つの小さな内フレームを巻き付け、巻き取られた 2 つの内フレームを組み合わせた後、外側の構成で大きな外フレームを巻き付けます。平巻きコアの 3 つのコア列が配置されます。飛行機の中。

平らに巻かれたコア構造の欠陥

平巻コアや積層コアと同様に、3本のコア列が平面上に配置されているため、3本のコア列の磁気回路長が不均一になり、中央の列の磁気回路長が短くなり、磁気回路が両側のコラムの長さが長くなり、平均磁気回路長が約20%となり、3本のコアコラムの無負荷損失に大きな差が生じ、中央のコラムの無負荷損失が低くなり、 2つのサイドコラムの無負荷損失は、が大きくなり、三相アンバランスが発生します。

 

 

2.2 単相コアと三相コア

単相コアは 2 列の積層コアが 1 つあります。単相単柱サイドヨーク型4柱コア、単相2柱型積層コア、単相放射型積層コアの5種類があります。三相コアには、三相柱積層コア、三相サイドヨーク５柱コア、三相ダブルフレーム積層コア、三相リアクトル積層コアの４種類があります。

鉄心は、鉄心柱と鉄ヨークの 2 つの部分から構成されます。コアコラムは巻線で覆われ、鉄ヨークがコアコラムを接続して閉磁気回路を形成します。変圧器のコア平面図を図 1 に示します。図 1a は単相変圧器、図 1b は三相変圧器です。コア構造は 2 つの部分に分けることができます。C はコイルの部分であり、C はコイルと呼ばれます。コアコラム。 Y は、ヨークと呼ばれる磁気回路の部分を閉じるために使用されます。単相変圧器には 2 つのコア列があり、三相変圧器には 3 つのコア列があります。

 

 

トランスコア内の磁束は交流磁束であるため、渦電流損を低減するために、トランスコアは一般に抵抗率の大きな珪素鋼板を一定の大きさの鉄片に加工して作られており、珪素鋼板は次のように構成されています。鉄心を必要な形状、大きさに切断し、パンチングシートを重ね合わせて組み合わせます。図 2a は単相変圧器の鉄心を示しており、各層は 4 つのパンチング ピースで構成されています。図2bは三相変圧器の鉄心を示しており、各層は6個の部品で構成されており、チップの各2層の組み合わせは、磁気回路の各層の接合部をずらすために異なる配置を適用しています。この組立方法はオーバーラップ組立と呼ばれ、鋼板と鋼板の間に渦電流が流れるのを避けることができます。また、各層のパンチングが織り込まれているため、鉄心をプレスする際に使用する留め具の数が少なくなり、構造がシンプルになります。組み立て中、最初にパンチング プレートを積み重ねて鉄心全体を形成し、次に下部鉄ヨークをクランプし、上部鉄ヨーク パンチング プレートを取り外してコア コラムを露出させ、既成巻線をコア コラム上に配置します。最後に抜き取った上部鉄ヨークパンチングプレートを挿入します。

 

 

2.3 シェルコアとコアコア

鉄心のクラッド巻線の部分を「コアコラム」と呼び、非クラッド巻線の磁気回路の役割のみを担う部分を「鉄ヨーク」と呼びます。鉄心が巻線を囲んでいる場合、それはシェル型と呼ばれます。巻線がコアコラムを囲む場合、コアタイプと呼ばれます。シェル型とコア型にはそれぞれ特徴がありますが、鉄心によって決まる変圧器の製造プロセスは大きく異なり、一度構造を選ぶとその構造に移行するのは困難です。我が国のトランスコアの多くは積層コアタイプを採用しています。

鉄心の巻線の配置に応じて、変圧器はコア型とシェル型に分けられます。違いは主に磁気回路の分布にあり、シェルトランスコアのヨークはコイルを囲み、コアトランスコアは大部分がコイル内にあり、磁気を形成するために使用されるコイルの外側の鉄ヨークの一部のみです。回路。

 

 

 

変圧器が正常に動作している場合、鉄損の存在により鉄心が発熱し、鉄心の重量や体積が大きくなるほど発熱量も大きくなります。変圧器油温が95度を超えると経年変化が起こりやすくなるため、コア表面の温度を可能な限りこの温度以下に制御する必要があり、コアの熱を速やかに放散させるためのコアの放熱構造が必要となります。放熱構造は主に鉄心の放熱面積を増やすことです。鉄心の放熱には、主に鉄心油路の放熱と鉄心空気路の放熱が含まれます。

 

大容量の油入変圧器では、放熱効果を高めるために鉄心の積層間に油溝を設けることが多い。オイルタンクは図4に示すように珪素鋼板に対して平行な配置と垂直な配置の2種類に分かれます。後者の配置の方が放熱効果は優れていますが、構造が複雑になります。

 

乾式変圧器のコアは空冷されており、コア温度が許容値を超えないようにするために、コアコラムと鉄ヨークのエアダクトに設置されることがよくあります。

 

 

 

変圧器は動作中にノイズを発生します。トランス本体のノイズの発生源は鉄心の珪素鋼板の磁歪、またはトランスコアのノイズは基本的に磁歪によって発生します。いわゆる磁歪とは、鉄心が励磁されたときに、磁気誘導線の方向に沿ってケイ素鋼板のサイズが増加することを指します。珪素鋼板は磁気インダクタンス線に垂直な方向に寸法が減少し、この寸法変化を磁歪といいます。さらに、鉄心の構造と幾何学的サイズ、鉄心の加工と製造のプロセスは、騒音レベルにある程度の影響を与えます。

 

鉄心の騒音レベルは、以下の技術対策により低減できます。 (1) 磁歪比ε値の小さい高品質の珪素鋼板を使用します。 (2) コアの磁束密度を下げる。 (3) 鉄心の構造を改善する。 (4) 適切なコア サイズを選択します。 (5) 高度な加工技術を採用。

 

 

変圧器の通常動作では、充電された巻線とリード線と燃料タンクとの間に形成される電界は不均一な電界となり、鉄心とその金属部品は電界中にあります。静電誘導の電位が異なるため、鉄心とその金属部分の懸垂電位は同じではなく、2点間の電位差によって両者間の絶縁が破壊されると火花放電が発生します。この放電により、変圧器のオイルが分解され、固体の絶縁が損傷する可能性があります。これを回避するには、コアとその金属コンポーネントの両方を確実に接地する必要があります。

 

コアはわずかに接地する必要があります。鉄心やその他の金属部品が 2 点以上で接地されている場合、接地点間に閉ループが形成され、循環が形成され、電流が数十アンペアにも達する場合があり、局所的な過熱が発生し、故障につながります。オイルの分解、アースストリップのヒューズ、コアの焼損も発生する可能性があります。これらは許可されません。したがって、コアは接地する必要があり、少し接地する必要があります。

 

 

ナノ結晶およびアモルファス鉄心の出現により、中周波および高周波トランスに理想的な材料が提供されます。産業の発展に伴い、電源の動作周波数は20kHzまで上昇し、出力電力は30kWを超えました。珪素鋼板などの従来のコア材料は損失が大きく、電源の新たな要件を満たすことができません。

 

アモルファスおよび鉄ベースのナノ結晶コアは、高飽和磁気誘導、高透磁率、低損失、優れた温度安定性、環境保護などの特性を備えており、高出力高周波変圧器において重要な応用価値を持っています。

 

 

 

6.1 ナノ結晶コア

ナノ結晶材料は主に鉄、クロム、銅、シリコン、ホウ素などの元素で構成されており、これらの特定の合金成分を急速急冷技術によって非晶質状態にし、その後熱処理してナノスケールの粒子を形成します。

ナノ結晶コアは優れた磁気特性と温度安定性を示し、特に 20kHz ～ 50kHz の周波数範囲未満の変圧器のフェライトの代替に適しています。

ナノ結晶材料の抵抗率は 90 μ Ω.cm (熱処理後) で、そのナノ構造により、ケイ素鋼、パーマロイ、フェライトの利点を兼ね備えています。

 

 

 

一般的な鉄ナノ結晶軟磁性材料の厚さは約30μmです。脆くて応力に弱いため、加工や使用中に外力を受けると磁気特性が著しく低下します。したがって、ナノ結晶コアは通常、リングまたは馬蹄形に作られ、保護シェルの中に配置されます。保護シェル材料は、ナノ結晶コアの放熱性能に影響を与えます。

新しいナノ結晶コアは変圧器に適用されており、ナノ結晶材料の厚さはわずか 24μm で、熱処理後に硬化したコアには従来の変圧器コアに比べて大きな利点があります。

新しいナノ結晶コアは絶縁膜でコーティングされており、巻線に必要な強度を実現しており、トランスに直接巻線することができます。

硬化したナノ結晶コアにより保護ケースが不要になり、放熱のためのスペースが増え、変圧器の動作安全性が向上します。

この設計により、ナノ結晶コアに対する保護シェル材料の影響が軽減され、保護シェルの構造設計と形成時間が節約されます。

ナノ結晶コアの設計はより柔軟であり、リング、長方形、C 型コアなどのさまざまな形状が提供され、トランスの設計とその後の巻線プロセスにより多くのオプションが提供されます。

 

6.2 アモルファス磁心

アモルファス材料は、毎秒約 100 万度の冷却速度を持つ超高速焼入れ技術を使用して製造されます。この技術は、溶鋼を 1 回の急冷で凝固させ、厚さ 30 ミクロンの合金ストリップを形成します。冷却速度が速いため、金属は結晶化する時間がなく、合金内に粒子や粒界がなくなり、いわゆるアモルファス合金が形成されます。

アモルファス金属は、従来の金属とは異なる独特な微細構造を有しており、その組成と不規則な構造により、優れた磁性、耐食性、耐摩耗性、高強度、硬度、靱性、高抵抗率、高い電気機械結合係数などの多くのユニークな特性をもたらします。 、など。

 

 

 

鉄系アモルファスコアの主成分は鉄、シリコン、ボロンで、シリコン含有量は5.3%と高く、アモルファス状態の独特な構造を持ち、比抵抗は2倍の130μΩ・cmです。珪素鋼板（47μΩ・cm）の。

アモルファスコアに使用されている鉄系アモルファス材料の厚さは約30nmと珪素鋼板の厚さに比べて非常に薄いため、高周波動作時の渦電流損失が小さくなります。 400Hz～10kHzの周波数範囲において、損失は珪素鋼板の1/3～1/7しかありません。同時に、鉄ベースのアモルファス鉄心の透磁率は、従来の鉄心の透磁率よりもはるかに高くなります。

これらの利点により、アモルファスコアは変圧器の重量を 50% 以上削減し、温度上昇を 50% 削減することができます。

長年の開発を経て、アモルファスおよびナノ結晶鉄心は、高周波変圧器、変流器、スイッチング電源、電磁適合性機器およびその他の用途に広く使用されています。