2つの巻線の間に電圧を発生させるために必要な磁界を流すための磁気回路を「トランスコア」と呼びますが、1次と2次の巻線が離れているこのタイプのトランスはあまり効率的ではありません。 そのため、2つの巻線間の磁気結合が低く、トランス本体からの漏洩磁束も多くなります。 しかし、この「O」字型の構造だけでなく、「トランス構造」のさまざまな種類があり、これらの非効率性を克服して、より小型でコンパクトなトランスを生産するために使用される設計があります。
単純なトランス構造の効率は、それによって磁気結合を向上させ互いに密着して2巻線をもたらすことによって改善することができます。
磁界のための低リラクタンス経路を提供するだけでなく、コアは鉄心自体の中で循環電流を防止するように設計されています。
これらの損失は主に、外部の正弦波電源電圧によって設定された交番磁界に常にさらされている鉄回路に誘導される電圧に起因しています。
あらゆるタイプのトランス構造において、中央の鉄心は、薄いケイ素鋼板を積層した高透磁率材料で構成されています。 これらの薄い積層は、最小の磁気損失で必要な磁路を提供するために一緒に組み立てられています。
これらのスチール・トランスの積層は、0.25mmから0.5mmの間で厚さが異なり、スチールが導体であるため、積層と固定スタッド、リベットまたはボルトは、絶縁ワニスの非常に薄いコーティングまたは表面の酸化層の使用によって互いに電気的に絶縁されています。
トランスのコアの構造
一般に、トランスの構造に関連する名称は、中央の積層鉄芯に一次および二次巻線をどのように巻き付けるかによって決まります。
「クローズドコア」型（コア型）トランスでは、1次および2次巻線が外側に巻かれ、コアリングを取り囲んでいます。
トランスのコア構造
どちらのタイプのトランスのコア設計でも、1次および2次巻線を結ぶ磁束は完全にコア内を通って、空気による磁束の損失はないです。
コイルは、1次巻線を一方の脚に、2次巻線を他方の脚に配置するのではなく、1次巻線の半分と2次巻線の半分を各脚に同心円状に重ねて配置し、磁気結合度を高めて、実質的にすべての磁力線が1次および2次巻線を同時に通過できるようにしています。
シェル型トランスのコアは、1次および2次巻線が、外側の2本の脚の2倍の断面積を持つ同じ中心脚または脚に巻かれているため、この漏れ磁束を克服しています。 この利点は、磁束が中央のコイルに戻る前に、左右両側のコイルの外側を流れる2つの閉じた磁路を持つことです。
これは、このタイプのトランス構造の外縁を循環する磁束がΦ/2に等しいことを意味します。 磁束がコイルの周囲に閉じた経路を持つので、これはコア損失を減少させ、全体の効率を高めるという利点があります。
トランスの積層
しかし、このタイプのトランス構造では、一次および二次巻線がこれらの積層鉄芯または鋼芯にどのように巻き付けられるかが気になるかもしれません。 まず、コイルは、ラミネートコアの構造に合わせて、円筒形、長方形、楕円形の断面を持つフォーマーに巻かれます。
トランス・コアの種類
これらのラミネート・スタンプを連結すると、必要なコアの形状になります。 たとえば、2つの「E」スタンプと2つのエンドクロージング「I」スタンプを組み合わせると、標準的なシェル型トランスのコアの1つの要素を形成するE-Iコアができあがります。
トランス・コアのラミネーションは通常、互いに交互に積み重ねられてオーバーラップ接合となり、正しいコア厚を作るためにさらにラミネーションのペアが追加されます。 このように交互に積層することで、漏洩磁束や鉄損を低減できる利点があります。
トランスの巻線配置
トランスの巻線は、コアのラミネート部分に巻かれた主要な通電導体であるため、トランス構造のもうひとつの重要な部分を形成しています。 単相2巻のトランスでは、図のように2つの巻線が存在します。 5674>
2次側出力電圧が1次側入力電圧より低い場合、トランスは「降圧トランス」と呼ばれ、電圧源に接続され磁束を発生する1次側と、相互誘導により電圧が誘導される2次側と呼ばれる巻線があります。
コアタイプ構造
トランスの巻線で主電流導体として使用する線材は、銅またはアルミニウムのいずれかである。 アルミ線は銅線より軽く、一般に安価ですが、銅線と同じ量の電流を流すにはより大きな断面積の導体を使用しなければならないため、主に大型の電力変圧器に使用されます。
低電圧電気・電子回路に使用される小型kVA電力・電圧トランスでは、同等のアルミタイプより機械強度が高く、導体のサイズが小さくなるので銅導体を使用する傾向があります。
トランスの巻線とコイルは、同心コイルとサンドイッチ・コイルに大別されます。 コア型トランスの構造では、巻線は通常、上図のようにコアの縁に同心円状に配置され、高電圧の一次巻線が低電圧の二次巻線の上に巻かれています。
サンドイッチ型または「パンケーキ」コイルは平らな導体がらせん状に巻かれており、導体がディスク状に配列されているのでこの名があります。 円盤の外側から中心に向かってらせん状に巻かれ、個々のコイルは紙やプラスチックシートなどの絶縁材で分離されながら積層されている。 また、ヘリカルコイルはネジ巻きとも呼ばれ、低電圧大電流トランスの用途では非常に一般的な円筒形コイル配置です。 この巻線は、大きな断面を持つ長方形の導体を側面に巻き、絶縁された素線を円筒の長さに沿って連続的に平行に巻いたもので、平行素線間の循環電流を最小にするため、隣接するターンまたはディスク間に適切なスペーサが挿入されている。
Transformer Core
トランスの導体の短絡を防ぐための絶縁は、空冷式トランスでは通常ワニスまたはエナメルの薄層で行われます。 この薄いワニスやエナメル塗料は、コアに巻き付ける前に電線に塗られます。
大型の電力および配電変圧器では、導線は油を染み込ませた紙や布を使って互いに絶縁されます。 コアと巻線全体は、変圧器用オイルの入った保護槽に浸され密閉されています。 このため、このような場合にも、「冗長性」を確保することができます。 しかし、2次側の電圧・電流が1次側の電圧・電流と逆位相になる可能性があります。 2つのコイルは、一方が他方に対して明確な方向性を持っています。 5674>
変圧器の巻線の向きや方向を識別するこの方法は「ドット・コンベンション」と呼ばれ、どちらのコイルも時計回りまたは反時計回りにコアに巻かれるため、相対的な向きを追跡するために「ドット」が使用されます。
ドット配置を用いたトランスの構成
最初のトランスは、2つの巻線に並んでいる「ドット」を示しています。 二次側のドットから出る電流は、一次側のドットに入る電流と「同相」になっています。
2番目のトランスは、巻線の反対側の端に2つのドットを示していますが、これはトランスの1次および2次コイルの巻線が反対方向に巻かれていることを意味します。 この結果、2次側のドットから出る電流は、1次側のドットに入る電流と180度位相がずれていることになります。 そのため、点線の両端の電圧の極性も逆相になり、一次コイルの点線端で電圧が正になると、対応する二次コイルの電圧は負になります。
そこでトランスの構造は、二次電圧が一次電圧に対して「同相」または「逆相」のいずれかであるようにすることができます。 それぞれが互いに電気的に絶縁されている多数の異なる2次巻線を有するトランスでは、直列補助（2次電圧は合計）または直列反対（2次電圧は差）構成で一緒に接続できるように、2次巻線のドット極性を知ることが重要です。
トランスの巻数比を調整できることは、1次供給電圧の変動、トランスの調整または変動負荷条件の影響を補正するのに望ましいことがよくあります。 トランスの電圧制御は、一般に巻数比を変えることにより行われ、その結果、高電圧側の一次巻線の一部がタップされ、簡単に調整できるようになっています。 5674>
Transformer Primary Tap Changes
この例では、電源電圧±5%の変化に対して1次タップ変化を計算しましたが、任意の値を選択することが可能です。
トランスコア損失
鉄や鋼の磁束を運ぶ能力は、空気中よりもはるかに大きく、この磁束を流す能力を透磁率と呼びます。
このことは、鉄の積層コアは空気の1500倍の磁束を流すことができることを意味します。 しかし、変圧器の鉄芯に磁束が流れると、鉄には2種類の損失が発生します。
ヒステリシス損失
トランスヒステリシス損失は、正弦波電源電圧の影響により、最初は一方向に、次に他方向に絶えず変化するコアを磁化するのに必要な磁力線の流れに対する分子の摩擦が原因で発生します。
この分子摩擦により熱が発生し、これがトランスのエネルギー損失となります。 過度の熱損失は、巻線と構造の製造に使用される絶縁材料の寿命を長期にわたって縮める可能性があります。
また、トランスは特定の供給周波数で動作するように設計されています。 電源の周波数を下げると、ヒステリシスが大きくなり、鉄心の温度が高くなります。 そのため、供給周波数を60ヘルツから50ヘルツに下げると、ヒステリシスの存在量が増え、トランスのVA容量が低下します。
Eddy Current Losses
一方、トランスの渦電流損失は、コア周辺の磁束の流れによって鋼に誘導される循環電流の流れによって引き起こされます。 この循環電流は、磁束に対してコアが1本の電線の輪のように作用するために発生する。
渦電流はトランスの有用性には何ら寄与しませんが、その代わりに、コア内で抵抗加熱と電力損失を発生させる負の力のように作用して誘導電流の流れに逆らいます。
Lamating the Iron Core
トランスのコア内の渦電流損失を完全になくすことはできませんが、鉄心の厚さを減らすことによって、大幅に減らし制御することは可能です。 トランスまたはコイルの磁心材料として 1 つの大きな固体鉄芯を持つ代わりに、磁路は「ラミネート」と呼ばれる多くの薄いプレス鋼の形状に分割されます。
トランス構造で使用するラミネートは、絶縁金属の非常に薄いストリップをつなぎ合わせて、上で見たように固体ですがラミネートコアを生成しています。 このような絶縁の結果、コアの不要な誘導渦電流の電力損失が大幅に減少し、すべての変圧器や他の電磁機械の磁鉄鉱回路がすべてラミネートされているのはこのためです。
ヒステリシスと磁路の渦電流の両方によって熱として現れるエネルギーの損失は、一般に「トランスコア損失」として知られています。 この損失は、すべての磁性体で交番磁界の結果として発生するので トランスのコアロスは、2次巻線に負荷が接続されていなくても、1次巻線に通電すれば常に発生する。 また、これらのヒステリシス損失と渦電流損失は、これらの損失を引き起こす磁束がすべての負荷で一定であるため、「トランス鉄損」と呼ばれることもあります。
Copper Losses
しかし、トランスには「銅損」という別の種類のエネルギー損失も存在します。 トランスの銅損は、主に1次巻線と2次巻線の電気抵抗によるものです。 トランスのコイルの多くは、オーム単位の抵抗を持つ銅線でできています（Ω）。 5674>
トランスの2次巻線に負荷が接続されると、1次巻線と2次巻線の両方に大きな電流が流れ、電気エネルギーと電力（またはI2 R）の損失が熱として発生します。 一般に銅損は負荷電流によって変化し、無負荷時にはほぼゼロ、電流が最大になる全負荷時には最大となります。
トランスの VA 定格は、これらのコアおよび銅損を低減するための優れた設計とトランス構造によって高めることが可能です。 高電圧・高電流のトランスには、銅の損失を最小限に抑えるため、大きな断面を持つ導体が必要です。 また、強制空冷やオイルによる熱放散の速度を上げたり、トランスの絶縁を改善して高温に耐えられるようにすることで、トランスのVA定格を上げることもできます。
では、理想的なトランスを次のように定義することができます。
- ヒステリシスループやヒステリシス損失がない → 0
- コア材の抵抗率が無限大で渦電流損失がゼロ → 0
- 巻線抵抗がゼロでI2*R銅損がゼロ → 0
次のトランス講座では、電気負荷に対する2次巻線のトランス負荷と「無」-電圧の効果を見ていきます。負荷」と「オンロード」で接続されたトランスは、1次巻線電流に影響を与えます。
