変圧器鉄心とは
変圧器鉄心は、変圧器の主要構成要素の1つであり、磁束 (磁気の流れ) を効率よく伝えるための磁性材料で構成された部分です。
変圧器は電力の電圧を上げたり下げたりする機器ですが、鉄心は電磁誘導の原理に基づいて効率的にエネルギーを伝達するために必要です。
変圧器にはコイル (巻線) と鉄心が組み込まれています。一次巻線に電流が流れると磁束が発生し、鉄心を通してその磁束が二次巻線に誘導されます。この磁束の流れをスムーズにする役目を担うのが鉄心です。鉄心は高い透磁率を持つため、磁束を逃さずに伝え、電力損失を最小限に留める工夫が施されています。
変圧器鉄心の使用用途
変圧器鉄心は、変圧器が使用されるさまざまな分野で重要な役割を果たしています。主な用途は以下のとおりです。
1.送配電網
発電所で生まれた電力は高電圧で送電されていますが、家庭やオフィスで使用するには電圧を下げる必要があります。変圧器鉄心は送電網の中で効率的に電圧を変換し、安定した電力供給を可能にします。
2.家庭用電化製品
電子レンジ、エアコン、冷蔵庫など、多くの電化製品には小型の変圧器が搭載されています。これらの変圧器には鉄心が組み込まれ、適切な電圧に変換して機器を動作させています。
3.工業用機器
工場では、大型モーターや機械に電力を供給する装置として変圧器が使われます。高出力や高効率が求められるため、鉄心の性能が工業用変圧器の品質を左右します。
4.電子回路の電源装置
電子機器やコンピュータには、安定した電圧を得るための電源回路が必要です。スイッチング電源やACアダプタにも変圧器鉄心が使われています。
変圧器鉄心の原理
変圧器鉄心は、電磁誘導の原理によって動作します。電磁誘導は、イギリスの物理学者マイケル・ファラデーによって発見された法則に基づくものです。
電磁誘導の基本原理
1.1次側に交流電流が流れる
変圧器の1次巻線に交流電流が流れると、その周囲に交番磁界が発生します。
2.磁束が鉄心を通じて2次側へ伝わる
鉄心は高い透磁率を持つため、磁束が効率よく鉄心内を通り、2次巻線に到達します。
3.2次側に電圧が誘導される
磁束が2次巻線を貫通することで、ファラデーの法則に従い、二次巻線に電圧が誘導されます。誘導される電圧を決めるのは、１次巻線と２次巻線との巻数の割合です。
鉄心が磁束を効率よく伝達することで、エネルギー損失を最小限に抑えた電圧変換が実現します。
鉄損の低減
変圧器鉄心には「鉄損」と呼ばれるエネルギー損失が発生します。鉄損にはヒステリシス損失と渦電流損失が生じます。
•ヒステリシス損失
磁化と脱磁を繰り返す際に、鉄心材料が持つ磁気特性によってエネルギーが消費されます。
•渦電流損失
交流磁束が鉄心内に流れることで誘導電流が発生し、それによって発熱する損失です。
これらの鉄損を低減するために、鉄心は薄い電磁鋼板を積層して絶縁し、渦電流の発生を抑制しています。
変圧器鉄心の種類
変圧器鉄心には、用途や構造によってさまざまな種類があります。構造による種類では「短冊鉄心」「打ち抜き鉄心」「巻き鉄心」があります。
1. 短冊鉄心
短冊鉄心は、薄い電磁鋼板を一定の形に切断し、それらを短冊状に積み重ねて作られた鉄心です。主に大容量の変圧器で使用され、鉄損を抑えるために絶縁された鋼板を積層することで、渦電流の発生を最小限に抑えます。比較的大型の変圧器に適しており、短冊状の鋼板を積み重ねることで、効率的に磁束を通します。製造コストは比較的安価です。
2. 打ち抜き鉄心
打ち抜き鉄心は、電磁鋼板をプレス機で特定の形状に打ち抜いて製作されます。主に小型の変圧器や電源トランスに用いられます。鉄心の形状が均一になるため、精度が高く、製造が容易です。小型変圧器や電子機器用トランスに適しており、プレス加工により大量生産が可能です。
3. 巻き鉄心
巻き鉄心は、薄い電磁鋼帯をコイル状に巻いて形成する鉄心です。鉄心全体を合成樹脂で接着した後に2箇所で切断し、巻線をはめ込んだ後に加圧して突合せ接続します。突合せによって磁束がスムーズに流れるため、鉄損を低減できます。
構造以外の分け方では、鉄心の形状による種類もあります。鉄心を英語でコアと表現しています。
1.トロイダルコア (リングコア)
トロイダルコアはドーナツ状の鉄心です。磁界は円周状に発生するものなので、トロイダルコアは理想的な形状と言えます。一方で自動機による機械巻きがしにくいため、手巻きが必要な場合が多いです。
2.EEコア、EIコア
鉄心のパーツとなる形状がアルファベットのEやIの形状をしています。二つのパーツを組み合わせて、一つの鉄心として機能します。2つのコアには隙間があり、漏れ磁束が生じるのが欠点です。
3. EERコア
EERコアはEEコアを改良したもので、中央の柱部分が角柱から円柱になったものです。メリットはEEコアやEIコアに比べると太い電線でも巻線しやすく、電線の密着性も向上することです。
4.PQコア
PQコアはEERコアをさらに改良したもので、中央の柱は円柱のまま、両側の柱の断面積を広くしています。比較的ポピュラーな形状です。