変圧器コアの設計はエネルギー損失と効率にどのような影響を与えますか?

最新の電力システムでは、変圧器は送電および配電プロセスの重要な機器であり、その性能はシステム全体のエネルギー効率レベルに直接関係しています。多くの決定要因の中でも、鉄心の設計は間違いなく、変圧器の効率とエネルギー消費に影響を与えるコアリンクの 1 つです。
1. 変圧器における鉄心の役割
変圧器の基本的な動作原理は電磁誘導であり、鉄心はこのプロセスの「中間ブリッジ」です。交流電流が一次巻線に流れると、鉄心に交流磁束が発生し、二次巻線に電圧が誘導されます。鉄心の磁気特性は磁束伝達の効率に直接影響し、変圧器の全体的なエネルギー効率性能にも影響します。

2. 鉄心の設計がエネルギー消費に及ぼす影響
変圧器のエネルギー消費は主に、銅損（巻線抵抗によって発生）と鉄損（鉄心の内部の磁界の変化によって発生）の 2 つの部分で構成されます。コア設計は後者に特に大きな影響を与えます。鉄損には主に次の 2 つの形式があります。

1. 渦電流損失
交流磁場が鉄心を通過すると、金属内に円形の電流、つまり「渦電流」が誘導され、熱エネルギーが発生し、エネルギー損失が発生します。渦電流損は鉄心の厚さと導電率に関係します。より薄い珪素鋼板やアモルファス材料を使用し、絶縁被覆処理を施すことにより、渦電流の発生を効果的に抑制し、この部分の損失を低減することができます。

2. ヒステリシス損失
磁化および消磁中の強磁性体の「ヒステリシス現象」により、磁束の変化ごとにある程度のエネルギーが消費されます。ヒステリシス損失は、鉄心材料の透磁率や保磁力などの特性と密接な関係があります。高品質の配向ケイ素鋼またはアモルファス材料はヒステリシス ループが狭いため、エネルギー損失が減少します。

3. 鉄心の設計が効率に及ぼす影響
適切に設計された鉄心は、エネルギー損失を削減するだけでなく、変圧器の全体的な効率と信頼性も向上します。具体的な性能は以下の通りです。

1. 材料の選択
一般的なコア材料には、冷間圧延方向性珪素鋼（CRGO）、熱延珪素鋼、アモルファス合金などが含まれます。その中でも、アモルファス合金は原子配列が乱れており、磁気損失が極めて低いため、省エネ変圧器に広く使用されています。材料の選択は、透磁率、損失値、飽和磁束密度などの主要なパラメータに直接影響します。

2. コア構造
コアには主に積層型（積層構造）と巻回型（アモルファスコアなど）の2種類があります。ラミネートタイプは薄い鋼板を何層にも絶縁して積層したもので、渦電流損失を低減します。巻線コアには連続性があり、磁気回路がよりスムーズになり、エネルギー損失が低くなります。

3. コアのサイズと形状
合理的なコアサイズと断面形状の設計により、磁束密度の不均一な分布によって引き起こされる局所的な飽和現象が低減され、局所的な損失が低減され、機器の寿命が延長されます。円形または楕円形の断面を持つコアは、磁束分布がより均一になり、損失が低くなります。

4. 実用化における最適化傾向
アモルファス材料の使用: 従来のケイ素鋼と比較して、アモルファスコアは低負荷条件下での損失が低く、配電変圧器や太陽光エネルギーシステムなどの省エネシナリオに適しています。

加工精度の向上: コアのせん断、積層、巻線プロセスの改良により、エアギャップが減少し、磁気回路の連続性が向上し、エネルギー漏れが低減されます。

三相5列またはリング構造設計を採用：従来のE型またはU型コアと比較して、いくつかの新しい構造は磁束分布特性が優れており、効率が向上します。

有限要素シミュレーション設計の導入: 最新の変圧器設計では、コアの形状と電磁特性を正確に分析してエネルギー消費性能をさらに最適化するために、シミュレーション ソフトウェアが広く使用されています。

トランスコア 設計は材料の選択だけでなく、構造、プロセス、システムのマッチングも包括的に反映します。効率的なコア設計により、鉄損が大幅に削減され、全体的なエネルギー効率が向上するため、エネルギーの無駄が削減され、機器の寿命が延び、運用コストが削減されます。カーボンニュートラルとグリーンエネルギーの価値がますます高まっている今日、変圧器コア設計の最適化は、電力システムの持続可能な開発を促進する重要な部分となっています。