変圧器コアの総合ガイド: 種類、材料、用途

の トランスコア はすべての変圧器の磁気の中心であり、磁束が流れる経路として機能し、巻線間のエネルギー伝達を可能にします。基本的な電気工学の議論では銅巻線のほうが注目されることが多いですが、コアも変圧器の全体的な効率、サイズ、熱性能、および動作周波数範囲にとって、それ以上ではないにしても同様に重要です。配電トランス、高周波スイッチング電源、または高精度オーディオトランスのいずれを設計している場合でも、コアの役割、その材料オプション、およびその幾何学的構成を理解することは、適切なエンジニアリング上の決定を下すための基礎となります。

の Role of the Transformer Core in Magnetic Circuit Design

変圧器は電磁誘導の原理で動作します。一次巻線の交流が時間とともに変化する磁束を生成し、それが二次巻線に電圧を誘導します。コアは、この磁束に低磁気抵抗の経路を提供し、磁束を周囲の空気中に分散させるのではなく、一次巻線と二次巻線の間に効率的に集中させて導きます。適切に設計されたコアがなければ、漏れ磁束 (両方の巻線を結合できない部分) が大きくなり、結合不良、高い漏れインダクタンス、および重大なエネルギー損失が発生します。

の core material's magnetic permeability is the primary property that determines how effectively it channels flux. High-permeability materials allow a given magnetomotive force to produce a larger flux density, which means the core can be made smaller and lighter for a given power rating. However, permeability must be balanced against other considerations including core losses, saturation flux density, and frequency response — all of which vary significantly between core material types.

鉄損: ヒステリシスと渦電流の説明

実際の変圧器コアは動作中にある程度のエネルギーを熱として放散します。これらの鉄損は、すべての変圧器設計者が考慮して最小限に抑える必要がある 2 つの異なる物理メカニズムから発生します。

ヒステリシス損失は、交流サイクルごとに磁場の方向が反転するときに、コア材料内の磁区が再調整に抵抗するために発生します。このドメイン抵抗を克服するために必要なエネルギーは直接熱に変換されます。ヒステリシス損失の大きさは、磁束密度 (B) と磁界強度 (H) の関係をグラフで表した材料の B-H ループで囲まれた面積に比例します。磁気的に「柔らかい」と呼ばれる狭い B-H ループを持つ材料は、低いヒステリシス損失を示し、永久磁石で使用される「硬い」磁性材料よりも変圧器コアに好まれます。

渦電流損失は、コア材料が導電性であるため、変化する磁束によって誘導される電圧の短絡経路として機能するために発生します。これらの循環電流により抵抗加熱が発生します。渦電流損失は、周波数と積層の厚さの両方の二乗に応じて増加します。そのため、電力周波数変圧器のコアは、互いに絶縁された薄い積層シートから作られています。これにより、渦電流経路の電気抵抗が上昇し、その大きさが大幅に減少します。

一般的な変圧器コア材料とその特性

の selection of core material is one of the most consequential decisions in transformer design. Each material class offers a different trade-off between permeability, saturation flux density, core losses, mechanical properties, and cost.

ケイ素鋼は、高い飽和磁束密度、良好な透磁率、および比較的低コストの組み合わせにより、依然として主周波電力変圧器のコア材料として最も広く使用されています。圧延方向に沿って磁区を整列させるように処理された方向性ケイ素鋼は、非配向性ケイ素鋼よりも大幅に低いコア損失を実現し、数十年にわたる連続運転にわたる効率が高い材料コストを正当化する大規模な電力変圧器や配電変圧器に好まれています。アモルファス金属合金は、電力周波数において従来のケイ素鋼よりも鉄損が約 70 ～ 80% 低いため、コストが高く機械的に脆いにもかかわらず、エネルギー効率の高い配電変圧器の設計にとってますます魅力的となっています。

変圧器コア構成の種類

材料の選択を超えて、コアの幾何学的配置は、磁束の流れ方、巻線の配置方法、そして最終的には負荷下でのトランスの動作に基本的に影響します。いくつかのコア構成が業界全体で標準化されており、それぞれが異なるアプリケーションや電力レベルに適しています。

コアタイプの構成

コア型変圧器では、磁気コアが長方形のフレーム (通常は E-I または U-I 積層スタック) を形成し、その周りに巻線が巻き付けられます。コアの各リムには巻線の一部が搭載されており、一次コイルと二次コイルは同じリム上で軸方向に積み重ねられるか、別々のリムに分散されます。コアタイプの設計は機械的に簡単で、絶縁と冷却に簡単にアクセスでき、ほとんどの配電および電力変圧器の標準構成です。コアタイプ設計の単一磁路により磁束解析も簡素化され、高電圧、高出力アプリケーションでの好ましい選択肢となっています。

シェルタイプの構成

の shell-type core surrounds the windings on multiple sides, with the winding sandwiched between the outer limbs of the core. This arrangement provides the flux with two parallel return paths, effectively halving the cross-section required in each outer limb compared to the central limb. Shell-type transformers offer better mechanical support for the windings, superior short-circuit strength, and are particularly well-suited for low-voltage, high-current applications. They are commonly found in furnace transformers and large power transformers in North American utility designs, where the pancake-style winding arrangement facilitates efficient heat dissipation.

トロイダルコア構成

トロイダル コアはドーナツ型のリングに巻かれ、巻線はその周囲に均一に分布します。この形状により、外部漏れ磁束が最小限に抑えられたほぼ閉じた磁気回路が形成されます。これは、オーディオ機器、医療機器、精密測定システムなど、電磁干渉 (EMI) に敏感なアプリケーションにおいて大きな利点となります。また、トロイダルトランスは、同等の E-I 積層設計よりもコンパクトで軽量であり、対称的な巻線分布により優れたレギュレーションを実現します。主な欠点は製造の複雑さです。自動トロイダル巻線には特殊な装置が必要であり、同等の電力定格の積層コアの代替品よりも製造コストが高くなります。

ポットコアおよびEE/EIフェライトコア構成

スイッチモード電源やパワーエレクトロニクスで使用される高周波トランスは、主に、E-E (E 型の 2 つの半分を組み合わせたもの)、E-I、ポット コア、PQ コア、RM コア、プレーナ コアなどの標準化された形状で製造されたフェライト コアを使用します。それぞれの形状により、高周波性能のさまざまな側面が最適化されます。ポットコアとRMコアが巻線を完全に囲み、放射EMIを最小限に抑えます。平面コアはフラットで薄型の巻線配置を使用しており、漏れインダクタンスを低減し、熱放散を改善します。これは高周波、高密度パワーコンバータに不可欠です。 TDK、Ferroxcube、Fair-Rite などのメーカーによるこれらのコア形状の標準化により、設計者はデータシートから選択し、確立された設計方程式を自信を持って適用できるようになります。

の Importance of the Air Gap in Transformer Cores

変圧器は磁気抵抗を最小限に抑えるために連続した切れ目のない磁路で動作するのが理想的ですが、特定の用途では意図的にコアに小さなエアギャップを導入します。コア材料とは異なり、空気は直線的な B-H 関係を持ち、飽和しません。つまり、磁束密度が崩れることなく、エアギャップは磁気エネルギーを蓄えることができます。この特性は、各スイッチング サイクル内で制御された量のエネルギー蓄積が必要なスイッチモード電源で使用されるインダクタとフライバック トランスで利用されます。また、空隙によりコアの実効透磁率も低下するため、インダクタンス対電流特性が広がり、ギャップのないコアが飽和してしまう DC バイアス電流に対するコンポーネントの耐性が高まります。

の gap length must be precisely controlled, as even small variations significantly alter the effective inductance. Distributed gaps — achieved by using powdered iron or similar composite core materials — spread the energy storage across the entire core volume, reducing fringing flux effects and their associated winding losses compared to a single discrete gap.

変圧器コアを選択する際の実際的な考慮事項

特定のアプリケーションに適切な変圧器コアを選択するには、複数の相互依存パラメータを同時に評価する必要があります。次のチェックリストは、エンジニアと調達スペシャリストが体系的に対処する必要がある主要な要素をまとめたものです。

• 動作周波数: 積層ケイ素鋼は 50 ～ 400 Hz に適しています。 1kHzを超えるとフェライトが必要になります。ナノ結晶合金とアモルファス合金は、数百 Hz から数十 kHz の中音域に対応します。
• パワーレベルと磁束密度: 出力が高くなると、より高い磁束密度容量が必要になります。ケイ素鋼の飽和磁束密度 1.7 ～ 2.0 T はフェライトの 0.4 ～ 0.5 T をはるかに上回っており、高電力主電源周波数の用途には不可欠です。
• コア損失の予算: 配電ユニットなどの連続的に通電される変圧器では、無負荷鉄心損失が数十年にわたって蓄積されます。アモルファスおよびナノ結晶コアは、ケイ素鋼と比較してこれらの損失を 60 ～ 80% 削減でき、ライフサイクル コストの大幅な削減を実現します。
• サイズと重量の制限: 動作周波数が高くなると、より小さなコアで同等の電力伝送が可能になります。ポータブルまたは重量に敏感なアプリケーションでは、より高い動作周波数に切り替えてより小さいフェライト コアを使用することが、小型化への最も効果的な方法となることがよくあります。
• のrmal Environment: コア損失は熱として現れます。選択したコア材料が、予想される動作温度範囲内で磁気特性を維持していることを確認します。たとえば、フェライトは、材料固有のキュリー温度で特徴的な透磁率のピークを示し、それを超えると性能が急激に低下します。
• EMI感度: 医療、オーディオ、または精密測定環境でのアプリケーションでは、浮遊磁場を最小限に抑え、隣接する回路との電磁適合性を維持するために、トロイダルまたはポットコアの形状が必要になる場合があります。

変圧器コア技術の新たなトレンド

トランスコア技術は、ワイドバンドギャップパワー半導体環境における高効率、高電力密度、性能向上の需要に応えて進歩し続けています。アモルファスおよびナノ結晶コアは、EU のエコデザイン指令や配電変圧器に対する DOE 効率基準などの規制指令に支えられ、エネルギー効率の高い配電変圧器においてニッチから主流へと移行しており、無負荷損失の制限は徐々に強化されています。

PCB 埋め込みまたはプレス加工された銅巻線と薄型フェライト コアを組み合わせた平面トランス技術は、通信、電気自動車の車載充電器、およびデータセンターの電源用の高周波、高電力密度コンバータの主要なフォーム ファクタとなっています。平面形状により、自動化された再現可能な製造、厳密な漏れインダクタンス制御、巻線とヒートシンク間の直接接触による効率的な熱管理が可能になります。一方、軟磁性複合材 (SMC) 材料 (絶縁性バインダーでコーティングされ、複雑な 3D 形状にプレスされた鉄粉粒子) の研究は、積層ベースの製造では現実的ではないコア形状の可能性を開き、パワー エレクトロニクスが高周波と集積密度の向上に向けて進化し続ける中で、新しいクラスのコンパクトな統合磁気コンポーネントを可能にする可能性があります。