変圧器の飽和磁束密度とは?

変圧器の飽和磁束密度とは?

飽和磁束密度の概念

-飽和磁束密度の概念-

磁気回路が飽和状態にあるとき、磁束密度は材料の飽和磁束密度に達します。飽和磁束密度とは、磁界をさらに増加させてもそれ以上の磁束密度上昇が見られない限界値のことです。これは、材料内のすべての磁気ドメインが磁界の方向に完全に整列したことを示しています。飽和状態では、磁束密度は磁界の変化に対してほぼ一定になります。これにより、インダクタンスが低下し、電流が制限されるという影響が現れます。飽和磁束密度は、磁性材料の特性によって決まり、鉄や鋼のような軟磁性材料では一般的に高い値になりますが、硬磁性材料では低くなります。

最大磁束密度との関係

変圧器の飽和磁束密度は、コアの特性によって決まります。これは、変圧器の鉄心に蓄えられる磁束の最大量です。一方、最大磁束密度は、巻線に流れる電流によって決まります。

変圧器の飽和磁束密度に近づくと、鉄心が飽和状態になり、磁束密度の増加が抑制されます。このとき、変圧器のインダクタンスは低下し、コイル電流が増加します。これが、変圧器の鉄損の増加や発熱の原因となるのです。したがって、変圧器の正常な動作を維持するには、最大磁束密度が飽和磁束密度を超えないようにすることが不可欠です。

励磁電流と磁束密度の関係

変圧器の飽和磁束密度を考えるうえで、励磁電流と磁束密度の関係を理解することは不可欠です。変圧器に交流電流が流れると、コイルに励磁磁界が発生します。この磁界は変圧器のコア内に磁束φを発生させます。励磁電流が増加すると、φも線形に増加します。しかし、ある臨界値を超えると、φの増加率は低下し、やがて飽和状態に達します。この飽和磁束密度が変圧器の設計や性能に大きく影響を与えるのです。

飽和磁束密度の測定方法

飽和磁束密度の測定方法

飽和磁束密度はいくつか測定できます。最も一般的な方法は、バリスティック測定法です。この方法では、磁性材料に変化する磁束を適用し、その結果として誘導される電圧を測定します。この電圧は磁束の変化の割合に比例するため、飽和磁束密度を測定できます。

もう1つの測定方法は、ヒステリシスループ測定法です。この方法では、磁性材料に一定の振幅と周波数の磁界を加えて、材料の磁化と磁界との関係をグラフ化します。グラフから飽和磁束密度を特定できます。

さらに、Fluxgateセンサーを使用した測定法もあります。このセンサーは、磁界の変化を測定するトランスデューサーです。Fluxgateセンサーを磁性材料の近くに配置して、磁束密度の変化を直接測定できます。

飽和磁束密度の応用

-飽和磁束密度の応用-

変圧器が飽和状態になると、磁束密度はもはや上昇しなくなり、二次電圧は急激に低下します。この特性は、以下の用途に応用されています。

* -電流制限器- 飽和コンデンサを高電流回路に接続することで、電流が許容値を超えると磁束密度が飽和し、インピーダンスが上昇して電流を制限できます。

* -電圧安定器- 飽和リアクトルを電圧不安定な回路に接続することで、磁束密度が飽和するとインピーダンスが上昇し、電圧変動を安定化できます。

* -磁気ヒューズ- 飽和可能な磁性材料がヒューズ線として使用され、過電流によって磁束密度が飽和すると、インピーダンスが上昇して回路を保護できます。