変圧器のコアに珪素鋼板が使われる理由

変圧器には、一次巻線と二次巻線の間の磁束を効率的に結合する磁気コアが必要です。ほぼすべての電力および配電変圧器のコアは、方向性ケイ素鋼-（電磁鋼板、GOES、珪素鋼板とも呼ばれます）。タイトルの質問に対する簡単な答えは、3 つの重要な事実の連鎖です。シリコンは鋼鉄の電気抵抗率を高め、そのヒステリシス ループを狭めます。結晶粒配向微細構造により、磁束が圧延方向に沿って容易に移動します。そして薄い絶縁積層体が渦電流を閉じ込めます。そのチェーン内の各リンクについて、GB/T 2521.2、IEC 60404-8-7、および ASTM A876 と照合して確認できる図とともに以下に説明します。

 

 

 

ケイ素鋼は、磁気回路用の薄いストリップとして製造される鉄とケイ素の合金です。で穀物指向（GO）-鉄結晶の容易磁化方向が圧延方向に沿うように、制御された圧延と焼きなましのシーケンスによって粒子が整列します。

 

この配置はゴス テクスチャとして知られています。変圧器コア内の磁束は手足に沿って定められた経路をたどるため、最適な磁気方向がそれらの経路と一致する鋼材は、最高の透磁率と最低の使用損失をもたらします。非-鋼は、粒子の方向がランダムであり、磁束の方向が回転するモーターや発電機に適しています。

 

冷間圧延された GO ストリップは、公称厚さ 0.23、0.27、0.30、0.35 mm で納品されます（高効率ユニットには、より薄い 0.20 mm および 0.18 mm グレードが存在します）。-等級システムと許容差は、中国のシステムについては GB/T 2521.2 に、国際的には IEC 60404-8-7 に規定されています。北米では、同等の仕様は ASTM A876 です。

 

2. シリコンは鋼にどのような影響を及ぼしますか?

鋼の磁性を高めるためにシリコンは添加されていません。- 鉄はすでに強磁性になっています。シリコンが添加されている交流励磁下での磁気挙動を改善します。そしてそれは 3 つの測定可能な方法で行われます。

 

• 電気抵抗率が高い → 渦電流損失が低い。-

シリコンは合金の抵抗率を高めるため、誘導循環電流はより多くの電気抵抗に見舞われます。渦電流損失は抵抗率に反比例するため、これにより鉄損の成分が直接縮小されます。

 

• ヒステリシスループが狭い → ヒステリシス損失が小さくなります。

シリコンは鋼の磁気応答を改善するため、B-H (ヒステリシス) ループの面積が小さくなります。サイクルごとのヒステリシス損失はそのループ面積に比例するため、各磁化サイクルでのエネルギーの無駄が少なくなります。

 

• 低い磁歪 → より静かなコア。

シリコンは、磁化下での鋼鉄の小さな寸法変化を低減し、通電されたコアの磁歪「ハム」を低減します。

 

トレードオフがあります。シリコンは鋼の飽和誘導をわずかに減少させ、鋼をより硬く脆くします。したがって、粒子指向グレードでは妥協レベル、通常約 2.9 ～ 3.5% のシリコンが使用されます (標準値。正確なレベルは工場設計パラメータです)。 GB/T 2521.2 などの規格では、GO 鋼を次のように分類しています。保証された磁気特性- コア損失と磁気誘導 - はシリコン含有量ではなく、シリコンの割合だけでグレードを特定するものではありません。

 

 

 

変圧器が通電されると、負荷が接続される前であってもコア内の交流磁束が電力を消費します。この「鉄損」（コアロス）には次の 2 つの物理的起源があります。

• ヒステリシスロス- は、磁区が内部摩擦に抗して再配向されるときに各サイクルで消費されるエネルギーです。これは周波数、ほぼ磁束密度の二乗、および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。シリコン鋼などの狭いループ材料では、この用語が小さく保たれます。
• 渦電流損失-- 磁束の変化によりコア内に電流が誘導され、磁束の方向に垂直な面内を循環します。これらの電流によりコアが加熱されます。損失は​​周波数の二乗、およそ磁束密度の二乗に比例します。積層厚さの二乗、材料の抵抗率に反比例します。

 

鉄損は変圧器が電源に接続されるたびに発生するため、変圧器の損失と同じです。-負荷損失なし: 負荷に関係なく 24 時間稼働し、変圧器の生涯にわたる運用コストの主な要因となります。これが、トン当たりの価格 - だけでなく、コア鋼の損失数値 - が完成した変圧器の効率クラスを決定する理由です。

 

 

コアが鋼鉄の固体ブロックである場合、変化する磁束によって巨大な導電断面に大きな渦電流が発生し、コアは数分以内に過熱します。-解決策は、コアを薄いシートに分割し、シート面が磁路に平行で渦電流の循環面に垂直になるように積層することです。-

• 薄いシートは渦電流の経路を制限します。{0}渦電流損失は電流の流れ方向の厚さの二乗に比例するため、固体ブロックではなくコアを 0.23 ～ 0.35 mm のシート（GB/T 2521.2 に準拠）に切断すると、渦電流損失が桁違いに減少します。
• 絶縁コーティングが層間電流を遮断します。各シートには表面絶縁が施されており (コーティングクラスは IEC 60404-1-1 で定義されています)、渦電流が 1 つの積層から次の積層に漏れることはありません。
• スタッキング要素は設計の一部です。コーティングと表面粗さは、シートが理論上のコア体積の約 95 ～ 97% を占めることを意味します (典型的な値。正確な積層係数は工場証明書に記載されています)。シートを薄くすると渦損失は減少しますが、積層係数も低下して製造コストが上昇するため、エンジニアは目標の損失クラスに合わせて厚さを選択します。

 

 

製造は標準的な手順に従います。GO コイルは所定の幅にスリットされ、必要な積層形状（E-I ペア、3 つのリム「E」形状、または閉じたコアの場合は長方形のストリップ）に打ち抜きまたは切断され、切断によって損傷した磁気特性を回復するために応力除去焼きなましが行われ、クランプ前にインターリーブ ジョイントで積層されます。-得られたコアはその後巻かれ、変圧器タンクと組み立てられます。

 

 

パラメータ	代表値・グレード例	基礎
呼び厚さ	0.23 / 0.27 / 0.30 / 0.35 mm（GOストリップ）	GB/T 2521.2; IEC 60404-8-7
鉄損 P1.7/50 (1.7 T、50 Hz での固有全損失)	グレード 30Q120: 1.20 W/kg 以下	GB/T 2521.2 ごとのグレード指定 (30=0.30 mm、Q=粒子-方向、120=1.20 W/kg)
磁気誘導B8（800A/m時）	1.78 T 以上 (例:. 30Q120 クラス)	GB/T 2521.2 あたり
シリコン含有量 (GO、標準)	≈ 2.9–3.5%	典型的な値。シリコンレベルではなく磁気特性による標準グレード
スタッキングファクター	≈ 0.95–0.97	典型的な;工場試験証明書で確認する
表面絶縁	IEC 60404-1-1に基づくコーティングクラス	IEC 60404-1-1

表示の数値は標準グレードを示します。保証値は、最新版の規格および特定のロットに対するサプライヤーの製造試験証明書と照らし合わせて常に検証してください。

 

よくある質問

変圧器コアに非配向性珪素鋼ではなく-配向性珪素鋼を使用する理由は何ですか?

変圧器コアでは、磁束は手足に沿って基本的に固定された経路をたどるため、鋼鉄をその方向に向けることができます。方向性鋼-はゴス組織を備えており、圧延方向に沿って最高の透磁率と最低の損失を実現します（GB/T 2521.2; IEC 60404-8-7）。無方向性鋼はランダムな結晶方位を持ち、磁束の方向が連続的に変化する回転機械に適しています。

 

30Q120 などのグレード指定は何を意味しますか?

GB/T 2521.2 システムでは、「30」は 100 分の 1 ミリメートル (0.30 mm) 単位の公称厚さ、「Q」は結晶方向性を表し、「120」は 1.7 T および 50 Hz で 1.20 W/kg の保証最大コア損失 (P1.7/50) です。 IEC 60404-8-7 および ASTM A876 システムは独自の名称を使用しますが、同じ物理量を使用します。

 

なぜコアにスチールの固体ブロックを使用しないのでしょうか?

固体コアは大きな循環渦電流を流し、急速に加熱し、継続的にエネルギーを浪費します。渦電流損失は導体の厚さの二乗に比例するため、コアを 0.23 ～ 0.35 mm の絶縁シートに積層すると、この損失が桁違いに削減されます - コアは意図的に「導通すべきではない方向に薄く」作られています。

 

コア損失は無負荷損失と同じですか?{0}}

はい。コア（鉄）損失は、負荷が接続されているかどうかに関係なく、変圧器が通電されるたびに発生し、無負荷損失と等しくなります。- 24 時間稼働しているため、低損失-方向性鋼-が変圧器の運用コストと効率クラスに直接影響します。

 

シートの厚さは変圧器の設計にどのような影響を与えますか?

シートを薄くすると (0.20 ～ 0.27 mm)、渦電流損失は減少しますが、積層係数が低下し、加工コストが増加します。 0.30 および 0.35 mm シートは、標準配電変圧器のコストと損失のバランスをとります。選択は、GB/T 2521.2 または IEC 60404-8-7 の目標損失クラスと、変圧器の予想されるデューティ サイクルに従います。

 

変圧器コアへの方向性珪素鋼板の使用は、効率的な磁束伝導のための方向性結晶粒構造、損失低減のためのシリコン、渦電流制御のための薄い絶縁積層板という 3 つの材料特性に直接基づいています。-これらを組み合わせることで、無負荷損失を十分に低く抑えることができるため、最新の変圧器は初期コストと生涯エネルギー使用量の両方で経済的になります。{3}}

 

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