1. トランスコアの機能
実際の変圧器は常に交流 (AC) 条件下で動作します。電力損失は巻線の抵抗だけでなく、交流磁化によりコアでも発生します。コア内の電力損失は一般に「鉄損」 (またはコア損失) と呼ばれ、これは「ヒステリシス損失」と「渦電流損失」という 2 つの主な要因によって引き起こされます。ヒステリシス損失は、ヒステリシス現象により磁化プロセス中に散逸されるエネルギーです。この損失の大きさは、材料のヒステリシス ループで囲まれた面積に比例します。珪素鋼はヒステリシスループが狭いため、芯材として使用することでヒステリシス損失が大幅に低減され、発熱が大幅に抑えられます。
珪素鋼にはこのような利点があるのに、なぜコアを珪素鋼の塊から作らずに、薄い板状に加工するのでしょうか。これは、積層コアが鉄損のもう 1 つである渦電流損を低減するためです。動作中、巻線内の交流電流により交流磁束が生成されます。この磁束の変化により、コア内に電流が誘導されます。これらの誘導電流は磁束の方向に垂直な面内を循環するため、渦電流と呼ばれます。渦電流損失もコアの発熱の原因となります。この損失を最小限に抑えるために、トランスコアは互いに絶縁された珪素鋼板を積層して構成されています。これにより、渦電流が断面積のより小さい狭いループを通って流れることになり、渦電流経路の電気抵抗が増加します。さらに、鋼中のシリコンにより材料の電気抵抗率が増加し、渦電流の低減にさらに役立ちます。変圧器コアには、一般的に厚さ0.35mmの冷間圧延珪素鋼板が選択されます。これらは、必要なコア寸法に従って長方形のストリップに切断され、積み重ねられて「8 の字」または長方形のフレーム形状を形成します。理論的には、ケイ素鋼板が薄く、ストリップの幅が狭いほど、渦電流を低減する効果が高くなります。これにより、渦電流損失が低減され、温度上昇が低減されるだけでなく、材料も節約されます。ただし、実際の製造では、これらの有利な要因だけが考慮されるわけではありません。シートを薄くしすぎると、労働時間が大幅に増加し、コアの有効断面積が減少します。したがって、ケイ素鋼コアを製造するときは、特定の状況に基づいて長所と短所を比較検討して、最適な寸法を選択する必要があります。
変圧器は電磁誘導の原理に基づいて製造されています。 2 つの巻線、つまり一次巻線と二次巻線が閉じたコア リムの周りに巻かれます。一次巻線に交流電圧が印加されると、交流電流が流れ、起磁力 (MMF) が確立されます。このMMFの影響により、コア内に交流の主磁束が発生します。この主磁束は、一次巻線と二次巻線の両方を通過して結合します。電磁誘導により、両方の巻線に起電力 (EMF) が発生します。電圧を上げたり下げたりできる理由は、レンツの法則によって説明されます。つまり、誘導電流によって生成される磁束は、常に元の磁束の変化に逆らうということです。元の磁束が増加すると、誘導電流によって発生する磁束がそれに対抗します。言い換えれば、二次巻線の誘導磁束は一次巻線によって生成される主磁束と逆になり、その結果、二次巻線の両端に低レベルの交流電圧が発生します。したがって、コアは変圧器の磁気回路として機能し、巻線は電気回路を構成します。
2. 変圧器コア構成の分類
シェル型コアとコア型コア
巻線が巻かれているコアの部分は「コア リム」と呼ばれ、巻線がなく磁路としてのみ機能する部分は「ヨーク」と呼ばれます。コアが巻線を囲む場合は「シェル型」、巻線がコア リムを囲む場合は「コア型」と呼ばれます。シェルタイプとコアタイプの構成にはそれぞれ特有の特徴がありますが、必要な製造プロセスは大きく異なります。特定の構造を選択すると、別の構造に切り替えるのは困難です。中国では、ほとんどの変圧器コアは積層コアタイプの設計を採用しています。
低周波トランスに使用される珪素鋼板にはさまざまな種類があります。製造プロセスに基づいて、 に分類できます。
A: 焼き鈍し (黒いシート)
N: 焼き鈍しなし (白いシート)
形状によりEI型、UI型、C型、スクエア（口）型に分類されます。
角型珪素鋼板は高出力変圧器によく使用されます。絶縁性能に優れ、放熱しやすく、磁路が短いのが特徴です。これらは主に、定格電力が 500 ～ 1000 W を超える変圧器および高出力変圧器に使用されます。 C型2枚からなる1組の珪素鋼板をCD型コアと呼びます。 CD タイプのシートで作られた電源トランスの場合、同じ断面積の下では、ウィンドウが高くなるほど、トランスの電力容量は大きくなります。コイルをコアの両側に別々に設置できるため、コイルの巻数を2つのボビンに分散することができ、ボビンあたりの平均巻数が短くなり、銅損が低減されます。さらに、2 つの対称コイルを別々のボビンに巻けば、完全な対称性を実現できます。
C型4枚からなる珪素鋼板をED型コアと呼びます。 ED タイプのコアで作られたトランスは、フラットで幅広の形状をしています。同じ電力定格の下では、ED タイプの変圧器は CD タイプの変圧器よりも短く、幅が広くなります。コイルは外部磁路を備えた珪素鋼板の中心に設置されているため、漏れ磁束が少なく、周囲の部品への干渉も最小限に抑えられます。ただし、すべてのコイルは単一の厚いボビンに巻かれているため、平均巻数が長くなり、銅損が高くなります。
C タイプのコアは優れた性能を提供し、その結果、小型、軽量、高効率のトランスが得られます。組み立ての観点から見ると、C タイプコアは部品点数が非常に少なく、汎用性が高いため、生産効率が高くなります。しかし、C種珪素鋼板の加工工程は複雑で専用の設備が必要なため、現状ではコストが比較的高くなっています。
シェル型または 8 の字型シートとしても知られる E タイプのケイ素鋼板には、一次巻線と二次巻線の両方で単一のボビンを共有するという主な利点があり、高い窓占積率 (占積率 Km: 窓面積に対する銅線の正味断面積の比) が得られます。ケイ素鋼板は巻線の周囲に保護シェルを形成し、機械的損傷を防ぎます。また、大きな放熱面積を提供し、磁場の分散を最小限に抑えます。ただし、一次巻線と二次巻線の間の漏れインダクタンスが高く、外部磁気干渉の影響を受けやすくなります。さらに、E タイプの変圧器は巻線の平均周囲長が長いため、同じ巻数とコア断面積に対してより多くの銅線が必要になります。
珪素鋼板の一般的な厚さは0.35 mmと0.5 mmです。珪素鋼板の組立方法には、「割り込み」と「突き合わせ」の2種類があります。インターリーブ方式では、シートの開放端が反対側に交互に配置されます。この方法は手間がかかりますが、空隙が小さくなり磁気抵抗が低くなり、磁束を増やすのに有益です。したがって、電源トランスに広く使用されています。バットスタッキング方式は、直流 (DC) を使用するアプリケーションで一般的に使用されます。直流電流による飽和を防ぐために、珪素鋼板の間にエアギャップを残す必要があります。この方法では、EシートとIシートを反対側に配置し、紙シムを使用してそれらの間のエアギャップを調整することができます。
3. コイルコアの種類
これらは 3 つのタイプに分類されます。
A. トロイダルコア: O 型積層板を積層したり、珪素鋼板を巻いたりして作られます。このタイプのコアにワイヤーを巻くのは非常に困難です。
B. ROD CORE：棒状の鉄芯。
C. DRUM CORE：ドラム型の鉄芯。
4. 変圧器コア材料の分類
1. 高周波カテゴリー: フェライトコア
フェライトコアは高周波トランスに使用されます。これらはスピネル結晶構造を持つセラミック磁石で、酸化鉄と kFe2O4 (k は他の金属を表す) などの他の 2 価の金属化合物で構成されています。現在一般的に使用されている金属には、マンガン (Mn)、亜鉛 (Zn)、ニッケル (Ni)、マグネシウム (Mg)、銅 (Cu) などがあります。一般的な組み合わせには、マンガン - 亜鉛 (MnZn) シリーズ、ニッケル - 亜鉛 (NiZn) シリーズ、マグネシウム - 亜鉛 (MgZn) シリーズなどがあります。これらの材料は高い透磁率とインピーダンス特性を備えており、動作周波数範囲は 1 kHz から 200 kHz 以上です。
フェライトコアの周波数範囲: 18 kHz ～ 1 MHz 以上。
2. 低周波カテゴリ: ケイ素鋼板およびアモルファス合金
ケイ素鋼コア周波数範囲: 5 Hz ～ 1 kHz。
ケイ素鋼を使用した変圧器は通常 50 Hz で動作します。ただし、効率の観点からは、珪素鋼板のガウス定格によっては、周波数を少し高くした方が良い結果が得られる場合があります。オーディオ周波数は 20 kHz 以上に達する可能性がありますが、これは現実的ではありません。 50 ～ 200 Hz の周波数範囲内でも正常に機能しますが、50 ～ 60 Hz で動作することをお勧めします。
アモルファスコアの周波数範囲: 2 kHz ～ 13 kHz。
