方向性矯電鋼のトランスフォーマ効率およびノイズへの影響

1. 中国電力変圧器製造技術の開発動向

電力変圧器は主に以下の2つの方向で発展しています：

第一に、超大型超高圧変圧器への発展で、電圧レベルが220kV、330kV、500kVから750kV、1000kVへと進化しています。

第二に、省エネルギー、小型化、低騒音、高インピーダンス、防爆型への発展です。これらの製品は主に中小型変圧器であり、現在都市と農村の電力網アップグレードで推奨されている新しいS13およびS15配電変圧器などが含まれます。

中国の将来の変圧器の発展方向は、引き続き省エネルギー、低騒音、防火・防爆型、および高信頼性に焦点を当てています。

2. 配向シリコン鋼材料が電力変圧器の性能に及ぼす影響

先進工業国では、変圧器用シリコン鋼の鉄損による電力消費量は総発電量の約4%を占めています。そのため、配向シリコン鋼の鉄損を減らすことは、世界中のシリコン鋼企業にとって重要な研究課題となっています。鉄損は渦電流損失と磁気ヒステリシス損失に分解することができます。

シリコン鋼材料に関して、配向シリコン鋼の鉄損を減らす主な方法は、シリコン含有量の増加、板厚の削減、および磁界微細化技術です。

(1) シリコン含有量の増加

現在、産業的に生産されるシリコン鋼には質量比で3.0%以上のシリコンが含まれています。これが6.5%に増加すると、シリコン鋼の損失は大幅に減少し、400Hzから10kHzの周波数範囲で最適な材料となります。

(2) 板厚の削減

現在使用されている配向シリコン鋼はますます薄くなっています。0.35mmの厚さは段階的に廃止され、一般的な厚さは0.3mm、0.27mm、0.23mm、0.18mmとなっており、これらは配向シリコン鋼の渦電流損失を減らすことができます。

• 0.20mmの配向シリコン鋼薄板は400Hz以下で使用でき、磁束密度が1.5Tに達し、比較的低い鉄損を持ちます。

• 0.15mmの配向シリコン鋼薄板は、1kHz周波数で磁束密度が1.0Tの場合、鉄損値が30W/kg未満になります。したがって、この仕様の薄板は1kHz以下での使用に適しています。

• 0.10mmおよび0.08mmの配向シリコン鋼薄板は、3kHz以下の周波数で使用するのに適しています。3kHz周波数で0.10mmの配向シリコン鋼薄板を使用すると、磁束密度は約0.50Tになります。同じ条件下で、0.08mm仕様では少し高い磁束密度値、例えば0.50-0.80Tを使用できます。

• 0.05mmの配向シリコン鋼薄板は、5kHz周波数で動作すると、磁束密度値が0.5-0.6Tになります。したがって、0.05mmの配向シリコン鋼薄板は上記の5つの仕様の中で最も広い応用範囲を持ち、5kHz以下の周波数で使用に適しています。

(3) 磁界微細化

溝加工技術：日本の成田は、溝加工が配向シリコン鋼のドメイン構造と損失に及ぼす影響について報告し、ストリップ方向に対して垂直な溝加工がドメイン壁間隔と渦電流損失を効果的に減らすことができると指摘しました。

レーザー加工技術は、高速加熱冷却の特性を利用して、配向シリコン鋼板の表面に線状のマークを入れることで、加熱領域で微小塑性変形と高密度の位錯を促進し、主要ドメイン壁長を短縮し、同時に残留引張応力を生じさせ、磁界微細化と鉄損の減少を達成します。

レーザー加工にはパルス方式と連続方式の2種類があります。

3. 配向シリコン鋼表面が変圧器の騒音に及ぼす影響

変圧器の騒音の主な原因の一つは、配向シリコン鋼コアの磁気伸縮です。

磁気伸縮とは、磁化中に強磁性材料の長さが変化することを指します。配向シリコン鋼の磁気伸縮は、表面絶縁コーティングがあるかどうかに大きく関係しています。コーティングからのテンションは、材料や変圧器組み立てによって生成される圧縮ストレスを相殺し、変圧器の騒音を減らします。コーティングされていない鋼板は圧縮ストレスに対して非常に敏感であり、圧力が増加すると磁気伸縮値が急激に上昇しますが、コーティングされた鋼板では圧縮ストレスが増加しても磁気伸縮値の上昇はそれほど顕著ではなく、圧縮ストレスに対する敏感性が低いことを示しています。

配向シリコン鋼は、ストレスに対する感度が低く、磁気伸縮が小さくなることが望ましく、これにより騒音も減少します。変圧器コアの組み立て時にストレスが発生するため、材料のストレスに対する感度を減らす必要があります。コーティングにより、配向シリコン鋼の磁気伸縮時のストレスに対する感度が低くなり、変圧器の騒音も低下します。

さらに、配向シリコン鋼に絶縁コーティングを施すことで通常、特定損失が減少し、鉄損が9%-14%減少します。絶縁コーティングの品質は、5g/m²以上が望ましいです。

4. 高透磁率配向シリコン鋼が電力変圧器の無負荷損失と騒音レベルに及ぼす影響

Hi-B高導磁方向性矽鋼の利点は以下の通りです：

(1) 優れた磁化特性

磁化特性は通常、800A/mでの磁束密度を測定して評価されます。Hi-B高導磁方向性矽鋼は800A/mで相対透磁率が約1920であり、CGO鋼は1820です。Hi-B高導磁方向性矽鋼をコア材料として使用することで無負荷損失を減らし、エネルギー節約に最も効果的です。

(2) 低い磁致伸縮

磁致伸縮とは、交流磁化時に磁化方向におけるコアの長さの伸縮を指し、これはトランスフォーマーのノイズの主な原因の一つです。Hi-B高導磁方向性矽鋼は磁致伸縮が低いため、トランスフォーマーのノイズと環境汚染を大幅に軽減します。

5. 電力トランスフォーマーコア加工技術の影響

製造および加工中に方向性矽鋼はせん断応力や手作業による衝撃を受けます。機械加工や外部劣化要因は、シリコン鋼板の単位損失に大きく影響し、場合によっては単位損失を3.08%-31.6%増加させることもあります。

方向性矽鋼の縦断時のバリ：切断品質が悪く寸法偏差が大きい場合、コアの積層時にシート間の大きな隙間、多数の重なり、不均一なコア積層が生じ、結果として無負荷電流が増加し、時には基準を超えることがあります。バリ取り後、単位損失は減少します。テストによると、30QG120のバリ取り後、P1.5の単位損失は2.1%-2.6%（平均2.3%）減少し、P1.7は1.6%-3.5%（平均2.5%）減少します。

方向性矽鋼の切断品質を向上させ、バリを減らし、平坦性を改善し、コア柱に適切な圧力をかけることで改善できます。トランスフォーマー製造業者からのフィードバックによると、バリを0.02mm減らすことで、全体の積層厚さ（締結部）が2-3mm減少し、ノイズが3-4dB減少することが示されています。したがって、バリは0.03mm以内に制御すべきです。

方向性矽鋼は切断、プレス、積層などの工程を経ますが、これにより内部応力が発生し、粒界変形が起こり、結果として磁気透過性が低下し、単位鉄損が増加します。切断、プレス、積層などの加工操作中に方向性矽鋼に発生する応力は、焼鈍処理によって軽減され、冷間圧延方向性矽鋼の単位鉄損を約30%減少させることが可能です。