油入変圧器コアの設計は電気的性能にどのような影響を与えますか?

油入変圧器は現代の電力システムの基礎であり、電圧調整、配電、エネルギー効率に重要なデバイスとして機能します。これらの変圧器の中心には変圧器コアがあり、全体の電気的性能に大きな影響を与える慎重に設計されたコンポーネントです。油入変圧器では、コアの設計が効率、損失低減、電圧調整、ノイズレベル、熱管理などのパラメータに直接影響します。コア設計と電気的性能の関係を理解することは、変圧器の最適な動作を求めるエンジニアと電力事業者の両方にとって不可欠です。

1. 油入変圧器コアを理解する

の トランスコア 交流（AC）によって一次巻線に発生した磁束を二次巻線に導く磁気回路として機能します。油入変圧器では、コアが変圧器油に浸されており、冷却剤と絶縁媒体の役割を果たします。コアの設計 (形状、材料、構造) は、磁気特性に影響を与え、その結果、変圧器の効率と性能に影響を与えます。

変圧器コアの主な機能は次のとおりです。

• 磁束伝導: 巻線間に磁束を効率的に流し、エネルギー損失を最小限に抑えます。
• ヒステリシスと渦電流損失の最小化: 最適化された設計により、交流磁場によって発生する内部損失が低減されます。
• 構造的完全性のサポート: 巻線と絶縁に安定したフレームワークを提供します。

2. コア材料とその電気的性能への影響

材料の選択は、トランスコア設計の重要な側面です。高性能コアは、効率、損失、および動作の安定性に影響を与えるケイ素鋼の積層またはアモルファス金属合金を使用します。

ａ．方向性ケイ素鋼

• 油入変圧器コアで最も一般的に使用される材料。
• 結晶粒の配向により結晶構造が磁束の方向に揃えられ、ヒステリシス損失が最小限に抑えられます。
• 積層厚さ (通常 0.23 ～ 0.35 mm) により、渦電流損失が減少します。渦電流損失は積層厚さの 2 乗に比例します。
• 電気的性能への影響: 損失の低減により、効率が向上し、発熱が減少し、電圧レギュレーションが向上します。

b.アモルファス鋼

• 結晶粒組織が最小限の非晶質鋼。
• 従来のケイ素鋼と比較して超低鉄損を実現します。
• 特に省エネ規制のある地域での高効率変圧器に最適です。
• 電気的性能への影響: 無負荷損失を大幅に削減し、変圧器全体の効率を向上させます。

c.コア絶縁

• 積層体を絶縁ワニスでコーティングすると、積層体間の渦電流が防止されます。
• 低いコア損失を維持し、熱安定性とトランスの寿命延長に貢献します。

3. 主要な構築技術

の way the core is constructed has a profound effect on magnetic properties, losses, and electrical performance.

ａ．コアの種類

1. コア型変圧器

   • の windings are placed around the vertical legs of the core.
   • 漏れリアクタンスが低く、磁束分布が良好です。
   • 中電圧および高圧変圧器で一般的に使用されます。

2. 砲弾型変圧器

   • 巻線はコア内に密閉されているため、短絡強度が向上します。
   • 漂遊磁束を低減し、機械的堅牢性を向上させます。
   • 産業用途の電源変圧器によく使用されます。

b.ステップラップジョイントと留め継ぎジョイント

• 角での磁束漏れを減らすために、積層は角度を付けて重なり合うように接合されています。
• ステップラップ構造により、磁束のスムーズな移行が保証され、局所的な飽和とそれに伴う損失が最小限に抑えられます。
• 電気的性能への影響: ホットスポットを削減し、効率を向上させ、負荷処理能力を強化します。

c.ラミネート・スタッキング

• 渦電流を最小限に抑えるには、薄い積層を適切に積み重ねることが重要です。
• ランダムまたは不規則な積層により、局所的な磁束集中が生じ、損失と発熱が増加する可能性があります。
• 振動はコア内の磁力の影響を受けるため、制御されたスタッキングは音響ノイズにも影響します。

4. コアの形状とその電気的パラメータへの影響

の physical dimensions and shape of the core influence key performance characteristics.

ａ．断面積

• 断面積が大きいため磁束密度が減少し、高負荷時のコアの飽和を防ぎます。
• 適切なサイズにすることで、変圧器が過熱することなく効率的に動作できるようになります。
• 電気的性能への影響: ヒステリシス損失が減少し、電圧レギュレーションが改善されます。

b.窓のデザイン

• の central space where windings are placed is known as the window.
• 最適化されたウィンドウ寸法により、適切な絶縁が確保され、十分な巻線のターンが可能になり、低い漏れインダクタンスが維持されます。
• 電気的性能への影響: 一次巻線と二次巻線間の効率的なエネルギー伝達により、電圧降下が軽減されます。

c.コアの長さとレッグ比

• の length of the core limbs and the ratio between yoke and leg length affect magnetic flux distribution.
• 均一な磁束分布により、過熱や無負荷損失の増加を引き起こす可能性のある局所的な飽和が防止されます。

5. コア設計が変圧器の冷却に及ぼす影響

油入変圧器では、コアが冷却システムと相互作用します。コアの表面積、向き、タンク内での配置は、オイルの循環と熱放散に影響します。

• オイル循環: 適切なコア設計により、変圧器オイルが自由に流れ、コア損失によって発生する熱が除去されます。
• のrmal Hot Spots: Step-lap or mitered joints prevent local concentration of magnetic flux, reducing temperature peaks.
• 電気的性能への影響: 効率的な冷却により絶縁の完全性が維持され、絶縁破壊のリスクが軽減され、信頼性の高い長期動作が保証されます。

6. 電気的性能に関する考慮事項

の design of the oil-immersed transformer core affects several critical electrical performance metrics:

ａ．効率

• コア損失 (ヒステリシスと渦電流損失) は、コアの材料、積層、および形状に直接関係します。
• 適切に設計されたコアは無負荷損失を低減し、特に部分負荷状態でのトランス効率を向上させます。

b.電圧調整

• 漏れ磁束はコアと巻線の配置に依存し、負荷時の電圧降下に影響します。
• 最適化されたコア設計により、漏れ磁束が最小限に抑えられ、電圧レギュレーションが改善され、安定した出力電圧が提供されます。

c.短絡強度

• シェルタイプのコアまたは強化されたコア構造により、機械的復元力が向上します。
• 適切な設計により、短絡時の巻線の変位が最小限に抑えられ、信頼性の高い動作が保証されます。

d.音響ノイズ

• 交流磁束によって引き起こされる振動により、可聴ハム音が発生します。
• コアの積層とジョイントの設計により騒音が低減され、特に都市環境での操作の快適さが向上します。

7. 変圧器コア設計の革新

最新の油入変圧器には、性能をさらに向上させるために高度なコア設計が組み込まれています。

• アモルファス金属コア: 配電変圧器のエネルギー損失を大幅に削減します。
• 最適化された積層: レーザーカットまたは CNC カットの積層を使用して正確な位置合わせを行い、磁束漏れを低減します。
• 複合積層板: 材料を組み合わせてコスト、効率、熱性能のバランスをとります。
• 有限要素解析 (FEA): 最適なコア形状を実現する高度なシミュレーションにより、最小限の損失と均一な磁束分布を保証します。

のse innovations improve energy efficiency, reduce operational costs, and extend transformer lifespan.

8. 結論

の design of an oil-immersed transformer core is a critical factor that directly influences electrical performance, efficiency, thermal management, voltage regulation, and reliability. Material selection, lamination thickness, core geometry, joint design, and interaction with the cooling system collectively determine the transformer’s operational characteristics.

方向性ケイ素鋼またはアモルファス合金で作られた高品質のコアと、ステップラップジョイントや正確な積層スタッキングなどの最適化された構築技術との組み合わせにより、損失を最小限に抑え、効率を向上させ、耐久性を向上させます。適切に設計されたコアは、ノイズを低減し、局所的な加熱を防止し、安定した電圧出力を維持します。これは、産業用途と実用規模の用途の両方に不可欠です。

現代の電力システムではエネルギー効率と信頼性がますます重要になるため、油入変圧器コアの設計は進化し続け、将来の需要を満たすために新しい材料、革新的な形状、精密製造技術を組み込んでいくでしょう。コア設計と電気的性能の間の重要な関係を理解することは、最適な変圧器の性能と寿命を求めるエンジニア、メーカー、オペレーターにとって不可欠です。