鉄心材料の継続的な進歩に伴い、さまざまな製造工場でも、改良された鉄心材料の性能をより有効に活用し、可能であれば構造上の理由による鉄心損失をさらに排除するために、変圧器鉄心の構造の改善に取り組んできました。表面的には、30 年前に製造されたトランス コアと現在製造されているトランス コアに大きな違いはないかもしれませんが、実際には、両者の間には微妙ではあるが非常に重要な違いが数多くある可能性があります。
円形巻線の内部空間を最大限に活用するために、電磁鋼帯は可能な限り円形に近い断面を持つコア柱に積み重ねられます。-段付き鉄心断面-が円形断面にどの程度近づくかは、製造工場で利用可能なさまざまな幅の電磁鋼板の数にのみ依存します。-。小型の配電変圧器コアには 7 種類のシート幅のみが含まれる場合があります。より大容量の発電用変圧器の鉄心幅の数は 11 以上に達する場合があります。理論上、鉄心円の充填率は、上記の 2 種類の板幅量で 93% ～ 95% 以上に達する可能性があります。実際、各メーカーは変圧器鉄心の全仕様の必要積層幅の標準化設計を追求しているため、あるいは購入できる電磁鋼帯の幅が決まっているため、各メーカーが電磁鋼帯供給会社が提供できる標準積層幅（通常、この積層幅シリーズは10mm単位）を使用することが制限されています。したがって、実際の鉄心円の利用係数は理論上の利用係数よりわずかに小さくなり、電磁鋼帯の標準幅では、どの鉄心径でも理想的な鉄心断面積-を実現できません。
通常の状況では、各変圧器メーカーは標準シリーズの鉄心断面を持っています。-これらの鉄心の断面は一般に基本的な鉄心の寸法と呼ばれ、各鉄心の断面はミリメートルで表される最大シート幅によって識別されます。-。各鉄心セクションの最大幅は、より小型の配電変圧器鉄心の場合は 200mm (25mm ごと) から始まり、最大容量の発電機変圧器の鉄心では約 1m で終わります。あらゆる幅の電磁鋼帯をロール状で供給できます。円形の鉄心柱はすべての変圧器鉄心に共通の構造的特徴ですが、全体の鉄心構造は変圧器の形状によって大きく異なります。
これまでのところ、これらの中で最も一般的に使用されている構造形式は三相 3 柱鉄心です。{0}平衡三相電圧システムによって生成される三相磁束の位相量の合計はいつでもゼロに等しいため、-、三相鉄心に戻り磁束を供給するための側柱は必要なく、鉄心柱と鉄ヨークの断面積は等しくすることができます。-。この構造は三相変圧器の鉄心にのみ適用されます-。単相変圧器の場合、鉄心には磁束を戻すためのコア柱が含まれている必要があります。磁束回路を構成する鉄心には様々な形状があります。これらの鉄心の構造形式にはすべて、独自の長所と短所があります。一部の国では、大型の連系変圧器や単巻変圧器が単相構造を採用している場合もありますが、一般に、三相システムでは単相発電変圧器のみが使用されます-。三相システムで単相変圧器を使用する主な理由は、輸送条件によって制限されます。大型の発電機変圧器は、三相変圧器として全体として輸送するには重すぎる可能性があるからです。-。
5列鉄心構造は、セット巻線のコア列の外側にサイドコラムを追加して磁束回路を形成することにより、鉄ヨークの高さを低減します。極端な場合には、三-相5列鉄心構造の鉄ヨークの高さは、三-相3柱鉄心構造の鉄ヨークの高さの半分しかない可能性があります。したがって、鉄ヨークの高さを低くする効果は依然として非常に大きい。サイドコラムを増やすことの「コスト」は、鉄心のサイズと損失の大幅な増加です。もちろん、輸送高さが許せば、５柱鉄心ヨークの高さをコアプレートの幅の半分にする必要はない。鉄ヨークの断面積-がコアコラムの断面積-の半分より大きい場合、鉄ヨーク内の磁束密度が減少し、それによって鉄ヨークの単位コア損失が減少します。さらに、コア柱の断面積が 1/2 の鉄ヨークと比較すると、より大きな鉄ヨーク断面積での鉄損の減少によって引き起こされる単位鉄損の減少が、鉄ヨークの重量の増加によって引き起こされる鉄損の増加よりも大きくなり、その結果、総鉄損が減少します。-材料増加によるコスト増加よりも、鉄心の全損失低減によるコスト削減の方が大きい場合には、この構造形式を採用する価値は依然としてある。三相 5 列の鉄心構造を使用するもう 1 つのシナリオは、変圧器の零相シーケンスのインピーダンス値が正相シーケンスのインピーダンス値と同等であることを要求することです。
鉄心製造の最初のステップは、個々の鉄心積層体を製造することです。現在、ほとんどの変圧器メーカーは、製鉄工場で標準幅の電磁鋼板に切断された鉄心材料を購入しています。したがって、変圧器メーカーが行うべき作業は、電磁鋼板を必要な長さの鉄心積層板に切断するだけです。鉄心積層の製造プロセスの改善は、近年鉄心製造工場が大きな変化を遂げている分野の 1 つです。
鉄心帯鋼の単位損失の大きさは、帯鋼材料の性質と内部の機械的応力レベルに大きく依存します。そのため、鉄心の製造工程における鋼帯の加工や取り扱いは最小限にする必要があります。もちろん、電磁鋼帯の切断は避けられず、その切断過程で端部にバリが発生することは避けられません。鋼板の端にあるバリは、鋼板間に電気的接触を引き起こし、電流経路を形成する可能性があります。 1980 年代後半までは、英国規格 BS601「電気機器磁気回路用鋼板および鋼帯」で電磁鋼板の端部のバリの許容値が規定されており、通常、鋼帯の端部のバリは研削加工で除去する必要がありました。バリの研削プロセスによりラミネートの絶縁が損傷する可能性があり、この絶縁損傷を修復するには追加の絶縁の使用が必要になります。これらすべての作業には鉄心積層板の取り扱い、特にエッジバリの研磨プロセスが必要ですが、これにより鉄心積層板内部の機械的応力レベルが増大するため、焼きなましプロセスが必要になります。
最新の切断装置は、電磁鋼帯の切断工程で発生する端バリを非常に小さくすることができ、これは電磁鋼帯材料自体の特性の向上にもある程度の恩恵をもたらします。 1970 年代、BS601 は、高品質工具鋼の「従来の」加工装置を使用して冷間圧延された方向性電磁鋼板を切断することで発生するエッジのバリの一般的な許容高さ値を 0.05 mm と規定しました。-研削技術により、このバリの高さを0.025mmまで低減することができます。炭素鋼の切削工具を使用して HiB 電磁鋼板を切断する場合、発生するエッジのバリの高さは 0.02 mm 未満になります。そのため、鋼板の追加絶縁と焼鈍処理という2つの工程を省略することが可能となります。
ここで鉄心積層の絶縁問題についてさらに議論する必要があります。 BS601では、鉄心積層体の絶縁品質、つまり鉄心積層体サンプルの絶縁抵抗測定を規定回数行うことを規定しています。このうち、測定結果の 80% が 2 Ω 以上、測定結果の 5% が 5 Ω 以上である必要があります。積層絶縁の機能は、鉄心の内部での渦電流の循環を防ぐことです。ただし、電流の循環を防止しても誘起電圧の発生は防止できません。誘導電圧の大きさはスタックの幅に直接比例します。また、人々は、640mm 未満の鉄心積層の場合、積層の絶縁が BS601 の要件を満たしていれば、積層内で発生する誘導電圧は許容できると信じていました。積層幅が 640mm を超える鉄心の場合、コア柱の断面をいくつかの部分に分割して、各部分の最大積層幅が 640mm になるようにするか、積層に追加の絶縁処理を適用することができます。通常、大きな鉄心部分をいくつかの部分に分割して冷却油の通路を設ける必要があります。したがって、積層絶縁の要件を満たすという点では、鉄心の断面をいくつかの部分に分割しても、通常は追加の経済的損失は生じません。-
一部のメーカーは、BS601 の 2 Ω 絶縁抵抗値の要件は厳密ではないと長い間信じていたことに注意してください。ラミネートに追加の絶縁層を使用することを計画している場合、BS 規格に再度準拠する必要はありません。 BS 規格に準拠する必要があるのは、ラミネート上の追加の絶縁層が剥がれた場合のみです。もう一つの課題は、残りの20％の絶縁抵抗測定についての規制をどうするかである。理論的には、これらの 20% 絶縁抵抗測定値はゼロになる可能性があり、この測定結果は絶縁コーティングの制御プロセスに依存し、絶縁コーティングは電磁鋼板の特定の領域にのみ配置される場合もあります。この状況に基づいて、多くの有名な変圧器メーカーが独自の仕様を発表しています。-これらの仕様によれば、20% の低絶縁抵抗点が積層サンプル内にランダムに分布している必要があります。これは、20% の低い絶縁抵抗点がすべてサンプルの同じ領域に分布している場合、その電磁鋼板は不合格であることを意味します。現在製造されている電磁鋼帯の多くには、鉄心の単位損失を減らすための対策の一環として、高品質の絶縁コーティングが施されています。-このタイプの電磁鋼帯を使用すると、通常、鉄心のサイズを考慮したり、追加の絶縁被覆を使用したりする必要がなく、絶縁抵抗の測定結果は、ほぼ常に旧BS601で指定された最小基準よりもはるかに優れています。
方向性電磁鋼帯の欠点の一つは、磁束が鋼帯の冷間圧延方向からずれる要因により鉄損が増加することであり、特にHiB電磁鋼帯ではその傾向が顕著です。これらの要因には、鉄心鋼帯のパンチ穴や、鉄心柱の上部と下部の位置での磁束方向の必要な変更が含まれます。後者の要因の重要な結果は、前者のタイプの鉄心構造では冷間圧延方向から逸脱する磁束が少なくて済むため、薄くて高い鉄心構造の損失が、同じ重量と磁束密度の短くて厚い鉄心構造の損失よりも低いことであることに注意する必要があります。組立後の鉄心損失と鉄心重量と単位損失の積との関係を鉄心プロセス係数といいます。適切に設計された方向性電磁鋼板から製造された鉄心の場合、-、鉄心のプロセス係数は約 1.15 です。 「鉄心加工係数」という用語は、上記の 2 つのタイプの鉄心構造を説明するために使用されます。つまり、高くて薄い鉄心構造は、短くて厚い鉄心構造よりも優れた (つまり、低い) 鉄心加工係数を持っています。
鉄心柱と鉄ヨークの接合部における鋼帯の圧延方向からの磁束の偏りを少なくするために、鉄心積層体の角部は一般に45度の角度でカットされています。磁束が磁束経路上にある空隙を通過するのではなく、隣接する鋼ストリップ表面を通過できるように、これらの対角接合部の鉄心積層を重ねる必要があります。もちろん、熱間圧延電磁鋼板（方向性なし）の場合、積層コーナーに斜め接合を使用する必要はありません。熱間圧延鋼帯鉄心に一般的に使用される構造形式は、完全な鉄心構造を形成するために、鉄心柱と鉄ヨークを貫通する鋼ネジを使用して締め付けます。方向性電磁鋼帯の使用により、鉄心柱のねじ穴による磁束の乱れの問題が認識され、有効断面積の減少により鉄心柱の直径が不必要に増大することにもつながります。したがって、設計者は通しネジを廃止し、代わりに鋼ストリップ (電気絶縁ギャップ付き) またはグラスファイバー ストリップを使用して鉄心柱を結ぶ傾向があります。帯状帯状鉄心の構造では、帯状帯状帯状帯に電流が流れるのを防止するため、帯状帯状帯状帯に電気絶縁ギャップを設ける必要がある。さらに、結合鋼ストリップが積層の端で各積層を短絡しないように、結合鋼ストリップを鉄心積層から絶縁する必要がある。同様に、鉄心クランプねじも鉄心と鉄ヨークを通過する部分で効果的に絶縁されていなければなりません。ただし、変圧器の主な構造強度は鉄ヨークとその鋼製クランプによって提供されるため、鉄心の上部と下部の鉄ヨークは依然としてボルトで締め付ける必要があります。
1970 年代後半、経済的圧力の高まりにより損失、特に変圧器の電源を入れるとすぐに発生する鉄心損失を削減する必要が生じ、変圧器の設計者や製造業者は完全にクランプ ボルトのない固定鉄心構造を採用する傾向にありました。鉄心積層を打ち抜くことの別の欠点は、上述したように、鉄心積層加工の量を最小限に抑える（材料損失の増加を避けるため）という要件と矛盾することである。上記の 2 つの要因と、ボルト穴をなくすことによる鉄心の端と角の残留材料重量の減少とを組み合わせることで、設計者はボルト穴を締め付けない鉄心構造の使用を好むようになりました。
最新の電磁鋼帯は結晶方位が高いため、鋼帯の冷間圧延方向からの磁束の偏りによって生じる損失の増加がより顕著になります。したがって、変圧器メーカーは、コアコラムと鉄ヨークのクランプボルト穴を完全になくすためにあらゆる努力を払うつもりです。大型変圧器の鉄心では、構造強度を過度に犠牲にしないようにするために、締め付けボルト穴をなくすことにより、鉄心構造が大幅に複雑になります。
