JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）p. 17-23

JFE スチールの変圧器特性解析技術
Evaluation and Analysis Techniques of Transformer Performancesin JFE Steel岡部誠司

OKABE Seiji

JFE スチール

スチール研究所

電磁鋼板研究部主任研究員（副部長）大村健

OMURA Takeshi

JFE スチール

スチール研究所

電磁鋼板研究部主任研究員（副課長）井上博貴

INOUE Hirotaka

JFE スチール

スチール研究所

電磁鋼板研究部主任研究員（係長）

要旨
JFE スチールでは，モデル変圧器を用いて方向性電磁鋼板の主な用途である変圧器の鉄損と騒音の調査，解析を行なっている。本論文では，モデル変圧器において鉄損と鉄心振動を局所的に測定する技術について述べる。変圧器の鉄損を解析するため，探針とホールプローブを用いた局所磁気測定により，三相積鉄心における磁束密度と鉄損の分布を調査している。さらに，赤外線サーモグラフィーによる鉄損測定方法の開発により，鉄心の接合部近傍における局所的な鉄損増大を可視化した。騒音の解析では，レーザ振動計により鉄心の局所振動を三次元的に測定し，三相励磁による鉄心の振動挙動を明らかにした。また，変圧器の励磁条件の影響調査の一つとして，直流偏磁条件における鉄損と騒音を測定した。

Abstract:
Iron losses and acoustic noise in transformers are analyzed using model transformers in JFE Steel. In this paper,techniques to measure local iron losses and vibrations in the model transformer core are described. Distributions ofmagnetic fluxes and iron losses in three-phase stacked cores are analyzed using stylus probes and a hall probe. Inaddition, development of iron loss measuring technique using infrared thermograph enabled to visualize iron loss
increase near the joint in cores. Three dimensional measurement using laser vibrometer helped clarify the vibration
behaviors of the cores under three phase excitation. As one of the investigations of effects of excitation conditions,
iron loss and acoustic noise are measured under direct current (DC) biased excitation.

1． はじめにせて製作された鉄心では，複雑な磁束が局所的に生じることの影響も大きい

JFE スチールが製造する方向性電磁鋼板は，主に電力用

2-5）。たとえば，磁束の回り込みや回転磁束の発生，磁束の部分的な集中，積層した鋼板間の磁束のの変圧器の鉄心に用いられており，変圧器の特性に直結す渡りなどである。これらの影響を評価するためには，鉄心にる重要な素材である。近年の世界的な環境保全への認識のおける局所的な磁束の測定が有用である。近年，電磁界解高まり，およびそれに対応する規制強化のため，変圧器に析の数値計算技術が進歩してきているが，方向性電磁鋼板

1）対する省エネルギー化のニーズはますます高まってきている 。

における磁気特性の強い異方性や，多数の薄板の積層体で変圧器のエネルギー効率に大きく影響する方向性電磁鋼板ある鉄心のモデル化などには，いまだ多くの課題があるため ，に対しても，鉄心で生じるエネルギー損失，すなわち鉄損を実験による解析が依然として重要である。

6）

変圧器の鉄心の局所的な磁束を測定するため，JFE スチー低減することが常に求められている。その要求を満たすべく，さまざまな研究開発を進めているが，変圧器の鉄損は，通常，ルでは，絶縁被膜のついた方向性電磁鋼板を非破壊で測定使用された方向性電磁鋼板の鉄損よりも増加する。したがっできる探針法を開発し，応用してきたて，素材の鉄損低減に加えて，変圧器に適用した際の鉄損て発生する熱を赤外線サーモグラフィーにより測定すること

2）3，7）。さらに，鉄損によっ8）増加の抑制も重要な開発課題である 。そこで，JFE スチーで鉄損分布を可視化する方法を開発した 。これらの技術とルにおいても，これまでにモデル変圧器を用いて，各種のその測定結果について，2 章に述べる。

3）

調査，解析を行なってきた 。

また，変圧器の低鉄損化と並んで，低騒音化も重要な環9）素材の測定時よりも変圧器における鉄損が増大する原因

境対応技術の一つである 。鉄心における変圧器騒音の発にはいろいろあるが，切断した方向性電磁鋼板を組み合わ生原因としては，鋼板の磁化に伴う微小な伸縮，すなわち磁歪と，鋼板間に発生する電磁力による振動が主たるもの

2015 年 2 月 7 日受付

2）と考えられている 。これらがどのように騒音を生じさせる－ 17 －

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JFE スチールの変圧器特性解析技術

かを理解するためには，鉄心の振動の形態を詳細に把握す

鋼板表面の磁界強度は，感受部長さ約 1 mm の小型ホールることが重要である。そこで，モデル変圧器の鉄心振動を素子によって測定した。感受部の中心と鋼板表面の距離は測定し，振動の挙動を解析した9，22）。その方法と結果につい約 0.5 mm とした。探針とホール素子は 90°回転でき，鋼板表面の 2 方向（x，y 方向とする）の磁束密度および磁界強て，3 章に述べる。
さらに，十分に鉄損や騒音を考慮して設計，製作された度を検出できる。また，鉄心表面の全面を測定できるように，変圧器であっても，その使用条件が鉄損や騒音に大きな影

これらのプローブをロボットアームに組み込み，鉄心表面の響を及ぼすことがある。近年のパワーエレクトロニクスの進測定点を連続的にスキャンする機構を設けた。

歩と適用拡大により，電力用変圧器の鉄心の磁束に高調波

磁束密度および磁界強度の信号はデジタルオシロスコーや直流成分が重畳するケースが増えており，鉄損や騒音のプを用いて測定，記録した。各測定点における鉄損は，上11）。これらの現象の影響の評

記の磁束密度 B および磁界強度 H の波形により描かれるヒ価や，鉄心材料による違いの検討においても，モデル変圧ステリシスループの面積から次式によって x 方向成分 Wx，器を使った調査を行なっている。その例として，4 章では，および y 方向成分 Wy に分けて計算し，その和を 2 次元局所直流偏磁が可能なモデル変圧器を製作して鉄損と騒音の測鉄損 W2d とした。

増大が問題となる場合がある

定を行なった結果について述べる

12）

。
W2d＝
（ f/r）∫H・dB＝Wx＋Wy ……………… （1）2． モデル変圧器の局所磁気特性の解析技術
2.1

Wi＝（ f/r）∫Hi dBi（i：x，y） ………………… （2）

探針法による局所磁束・鉄損測定

2.1.1

目的

ここで，f は励磁周波数，r は電磁鋼板の密度を示す。周回変圧器の鉄心における局所的な磁束測定方法として探り積分は励磁周期 1 回分について行なう。

コイル法が用いられているが，鋼板に穴をあける必要がある

モデル変圧器は 3 相 3 脚の積鉄心で，幅 100 mm の脚お上，導線で生じる鋼板間の隙間のために磁束密度分布に影よびヨークで構成される。外形は一辺 500 mm の正方形，響が生じることが懸念される。これに対し，最近では非破壊積層厚は約 16 mm，鉄心重量は約 22 kg である。ヨークとで測定できる，探針を用いた方法が開発され，適用されて中央脚の接合部は V ノッチ式で，接合方式は 2 枚重ねの 57）きている 。JFE スチールでは，この探針法をモデル変圧器段ステップラップとした。鉄心の励磁は各脚 40 ターンの 1の鉄心における局所磁束の測定に用いる方法を開発し，磁次巻線によって行ない，その内側に巻いた 60 ターンの 2 次3）束挙動の解析に用いている 。以下に，3 相積鉄心モデル変巻線によって磁束を検出した。鉄心全体の鉄損は，各相の 1圧器の測定に適用した技術と，測定結果の例を示す。

次電流および 2 次電圧から電力計を用いて測定した。

2.1.2

鉄心材料には，0.30 mm 厚の高配向性方向性電磁鋼板

測定装置

探針，およびホール素子を用いた鉄心局所磁気特性の測定原理を図 1 に示す。鉄心表面の鋼板に接触させた 2 本の®

30JGS を用いた。単板磁気測定装置で測定した鉄損 W17/50は 1.01 W/kg である。

探針間に生じる誘起電圧は，探針接触点の下部が挟む断面2.1.3部分の 1/2 の面積に鎖交する磁束が誘起する電圧に等しい
13）

測定結果

図 2 に鉄心の半面における磁束密度分布の変化を示す。

。

脚，ヨークの磁束密度分布には幅方向の不均一が認められ探針間の距離は 5 mm とし，空隙補償コイルを設置した。

る。この不均一な磁束分布は，主に方向性電磁鋼板の圧延とする理論に基づいて，鉄心の局所磁束密度を求めた方向と直交方向の透磁率の異方性によって生じる磁束の回り込みに起因しており，局所的な磁束密度波形にひずみを生じさせる。磁束密度波形のひずみは，鉄損の増加や磁歪2）振動における高調波成分の増大をもたらすため ，変圧器の鉄損や騒音を解析する上で重要な情報である。
図 3 にヨークとその周辺の鉄損分布を示す。ヨークの T接合部付近，およびヨークと脚の接合部付近に非常に大きい鉄損発生箇所が認められ，それぞれ，回転磁束および磁束集中の影響と考えられる。
これらの局所的な鉄損増大には，使用される方向性電磁
図 1 探針法とホール素子による局所磁気測定方法
Fig. 1

Method of local magnetic measurement using needle
probes and a Hall probe

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

鋼板の磁気特性の違いや，接合方式などが影響するが，その機構の解析においても本技術を利用している。

－ 18 －

JFE スチールの変圧器特性解析技術の 1 m 上方に設置し，鉄心全体を撮影できるようにした。
鉄心表面に他の発熱物が影響して誤差が生じるのを防ぐため，鉄心と赤外線カメラと最小限の配線のみを照明を消した無人の防音ルーム内に設置し，励磁と測定は外から制御するようにした。また，鉄心の温度分布が安定し，全体の温度差が 1 K 未満になった状態を確認してから測定を行なった。
鉄心は次のパターンで励磁し，温度測定を行なった。
（i） 励磁電圧をかける前に，バックグラウンドを測定（ii） 所定の磁束密度まで，一定比率で一次電圧を上昇（iii）所定の磁束密度で一定時間保持し，温度分布を測定（iv）励磁電圧を零に下げ，温度が一定になることを確認
この励磁パターン（iii）における各点の温度上昇率 dT/dt
図 2 探針法で測定した磁束密度分布
Fig. 2から，次の式で鉄損を求めた。

Magnetic flux density distribution measured by stylus
probe method

W＝C dT/dt …………………………………… （3）
ここで，W は鉄損，C は鋼板の比熱である。
モデル変圧器は 2.1 節で述べたのと同じ構造であるが，鉄心表面のより広範囲を測定するため，1 次，2 次の巻線を 20ターンに減らした。鉄心材料には 0.23 mm 厚の方向性電磁®

鋼板 23JGS を用いた。
2.2.3

測定結果

図 4 に本実験で測定された典型的な温度測定結果を示す。
この測定における最大磁束密度は 1.7 T，周波数は 50 Hz で

図 3 探針法で測定した鉄損分布
Fig. 3ある。磁束密度を 1.7 T に保持した状態では，一定の温度上Distribution of iron loss measured by stylus probemethod

昇率とみなすことができる。また，励磁を零に下げた後の温度低下はわずかであることから，抜熱の影響は小さいと考え2.2られる。

サーモグラフィーによる局所鉄損測定

2.2.1

写真 1 に 1.7 T まで励磁した状態での鉄心の温度分布画像を示す。ヨークの T 接合部近傍に非常に大きく温度上昇し目的探針法による局所磁気測定は，鉄損，磁界強度，磁束密度を同時に測定できる有効な手段であるが，鋼板を重ね合わせた接合部の近傍では，鋼板の層間を渡る磁束によって生じる面内渦電流が生じるため，鋼板断面の渦電流測定に基づく磁束密度の測定値に誤差が生じる

14）。そのため，接合部近傍の鉄損の解析では，別の手法を組み合わせることが望ましい。他の局所鉄損測定方法として，鋼板の温度上昇率から鉄損を算出する方法が知られている

15）。特に赤外線サーモグラフィーを用いる温度計測は，熱電対やサーミスタ温度計を用いる方法に比べて，鉄心表面の広範囲を同時に測定することができるため，鉄損分布の測定に適している。
そこで，温度分解能が向上した赤外線サーモグラフィーを8）利用する鉄損分布の測定方法を開発した 。
2.2.2

測定方法

測定に使用した赤外線サーモグラフィーは，温度分解能0.02 K，最大画素数 76 800 (320×240）で，最大で毎秒 380フレームの動画の撮影が可能である。赤外線カメラは鉄心－ 19 －図 4 赤外線サーモグラフィーによる温度変化の測定例
Fig. 4

Example of temperature change measured by infraredthermograph
JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

JFE スチールの変圧器特性解析技術

写真 1 赤外線サーモグラフィーによる鉄心の温度分布画像
Photo 1

Temperature distribution of model transformer coremeasured by infrared thermograph

た領域があり，前章で述べた探針法による測定結果と合致している。また，U 脚とヨーク，および W 脚とヨークの接合部にも大きな温度上昇が見られる。これらの箇所の下層

図 5 鉄心表面の局所振動測定方法
Fig. 5 Method to measure local vibration on model transformer
coreには鋼板の突き合わせ部があり，下層の鋼板からの磁束の渡りによる磁束集中，および面内渦電流の影響により鉄損3.2が増大したものと考えられる。また，U 脚の右側，V 脚の両測定方法

鉄心の振動測定には，レーザドップラ振動計を用いた。

側，W 脚の左側は他の箇所よりも温度が上昇しているが，これらの箇所は磁束波形のひずみが大きいことが前述の探図 5 に振動測定方法を示す。表面に反射テープを貼り付け針法測定で確認された。

た 5 mm 角のブロックを鋼板表面に貼付し，3 軸方向の振動

この測定における局所鉄損を鉄心全体で合算して求めたを測定した。鋼板を締め付けるために，鉄心の上下をベー

鉄損値は 1.17 W/kg であった。電力計で測定した鉄損はクライト板で挟み，ばねで 0.1 MPa の面圧をかけた。ベー

1.19 W/kg であったため，赤外線サーモグラフィーによる測クライト板には，測定点ごとに穴を開け，鋼板表面にブロッ定が有効な精度を持つことがわかった。

クを貼付できるようにした。鋼板面に水平な方向に振動を測

この高分解能サーモグラフィーによる局所鉄損測定技術

定する場合は，隣接する穴との間に溝を形成しておき，隣接する穴にミラーを挿入し，上から入射するレーザ光を直角は，巻鉄心における鉄損分布の解析にも活用している。に曲げて測定した。測定は 20 mm 間隔で行なった。

3． モデル変圧器の局所振動測定
3.1

モデル 変圧 器は 2.1 節と同じ構 造とし，鉄心材 料には®

0.30 mm 厚の高配向性方向性電磁鋼板 30JGS を用いた。

目的

3.3

変圧器の鉄心は，磁化に伴って生じる鋼板の磁歪振動と，磁歪振動の 1 周期（励磁の 2 分の 1 周期）における，鉄鋼板の接合部の電磁振動によって，騒音の発生源となるこ2）結果と考察とが知られている 。したがって，変圧器の騒音に及ぼす鉄心半面の変位を図 6 に示す。鋼板面に垂直な方向の変位が心材料の影響を解析するためには，鉄心の振動挙動を把握最も大きく，その大きさは磁歪に鋼板の積層厚を掛けた値よすることが重要である。これまでにも変圧器鉄心の振動測りもはるかに大きかった。鉄心は積層した鋼板を締め付けた定に関する報告があるが，多くは脚やヨークの表面に対して構造であり，本モデル変圧器では積層厚も小さいため，鋼垂直方向の測定のみであり，しかも，その最大振幅や振動板面に垂直な方向への曲げに対する剛性が，他の方向より

3，16）。JFE スチールでもはるかに低い。そのため，磁歪が起振力となり，鋼板に垂は，さらにモデル変圧器の鉄心上の各所で，3 軸方向の振動直方向への曲げ変形を生じさせ，大きな振動が発生するもを測定する方法を開発し，構造としての振動挙動を解析でのと考えられる。の周波数成分を議論するものであった

きるようにした

9，22）。

鉄心の振動を部位別に比較すると，ヨークと各脚の接合部において部分的に大きな振動が生じており，接合部に生JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

－ 20 －

JFE スチールの変圧器特性解析技術影響を考察することができる。また，磁歪特性の異なる材料間の比較や，締め付け力の影響も調査している。

4． 直流偏磁条件におけるモデル変圧器特性の解析
4.1

目的

電磁鋼板の磁化特性は非線形であるため，交流磁化に直流が重畳した磁化条件（直流偏磁）では，鉄損や磁歪，変圧器の騒音が大幅に増加することが報告されている

11，17，18）。

しかし，同じ測定装置で低磁束密度から高磁束密度まで偏磁量を変えながら調査された報告は少ない上，変圧器の騒音は鉄損と比べ測定例が非常に少ない。
そこで，本研究では，単相モデル変圧器を用いて，交流の磁束密度を 0.5 T から 1.8 T まで，直流重畳磁界を 200 A/mまでの広い範囲で変えて，直流偏磁が変圧器の鉄損，騒音に及ぼす影響を調査した

4.212）。

実験方法

4.2.1モデル変圧器

図 7 に，モデル変圧器の測定システムを示す。モデル変圧器は，単相であり，交流励磁用の 1 次巻線，磁束密度測定用の 2 次巻線，直流磁界を印加するための 3 次巻線からなる。3 次巻線の回路は，直流電源，電流計，交流重畳を防止するためのチョークコイルから構成される。
鉄心は単相 2 脚の積鉄心で，外形は一辺 500 mm の正方形，積層厚は 15 mm，重量約 18 kg である。接合方式は 2 枚重ねの 5 段ステップラップとし，鉄心の上下をベークライト板で挟み，平均 0.1 MPa の締め付け力をかけて固定した。
鉄 心 材 料 に は 0.30 mm 厚 の 高 配 向 性 方 向 性 電 磁 鋼 板®

30JGH を用いた。
図 6 鉄心表面の振動挙動
Fig. 6

Vibration behavior of model transformer core surface

じる電磁振動の影響と考えられる。次に大きい振動はヨークに生じており，曲げ変形が生じていることがわかる。図 6 の左側の U 相と右側の W 相は，振幅が最大になる位相が 3 分の 1 周期ずれており，相間の位相差を反映している。各脚には面の傾きが生じている。図 2 に示したとおり，脚の局所的な磁束密度も，幅方向に差があり，磁化の時間的なずれがこのような面の傾きを生じさせるものと考えられる。
これらの結果からわかるとおり，鉄心の振動は，鉄心の局所的な磁化の違いや，鉄心構造に起因する機械的な振動特性を反映して，複雑な挙動を示す。ここでは磁歪の基本周波数であり，振幅が最も大きい 100 Hz の成分について述べたが，さらに高調波について解析を行なうことで，騒音への－ 21 －図 7 直流偏磁させたモデル変圧器測定方法の概要
Fig. 7

Schematic of model transformer measurement under
direct current (DC) biased magnetization
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4.2.2

測定方法

鉄心を励磁する際の磁束密度の振幅値は，2 次巻線の誘起電圧の平均値から求めた。直流偏磁量は，3 次巻線の直流電流値から求めた。鉄心の実効磁路長は 1.6 m とした。励磁は以下の方法で制御した。まず，1 次巻線により鉄心を周波数50 Hz で交流励磁し，一次電圧を調整して最大磁束密度を所定の値にした。次に，3 次巻線の直流励磁電流を印加し，直流重畳磁界を重畳させた。その後，一次電圧を再度調整し，交流励磁の最大磁束密度が所定の値になるよう修正した。
本装置のように交流励磁用と直流重畳用の二つの励磁巻線を用いる場合，直流用の 3 次巻線に交流成分が重畳し，その影響により鉄損が増加するという問題がある。そこで，3 次巻線に直列に 3.2 H のチョークコイルを配置して交流成分の重畳を抑制した。この場合でも 3 次巻線を開放した場

図 9 直流偏磁量がモデル変圧器の鉄損に及ぼす影響
Fig. 9Iron losses of model transformer under direct current(DC) biased magnetization

合よりも鉄損が増加するため，励磁電流から直流励磁系の交流成分重畳分を差し引く補正を行なった

19）。

騒音は，脚の中央 2 ヶ所とヨークの中央 2 ヶ所で，ベークライト板の上面から 200 mm 離れた位置で騒音レベルを測定し，平均値を求めた。

4.3

実験結果と考察

図 8 に直流偏磁がない場合とある場合を比較したヒステリシスカーブを示す。直流偏磁により磁化力が大きく偏り，ヒステリシスカーブが伸長して鉄損が増大することがわかる。
直流偏磁量と鉄損の関係を図 9 に示す。直流偏磁量の増加に従って鉄損が増加しており，特に 50 A/m 以下で増加率

図 10 直流偏磁量がモデル変圧器の騒音に及ぼす影響
Fig. 10が大きい。
図 10 に直流偏磁量に対する騒音の変化を示す。鉄損と同Acoustic noise of model transformer under direct
current (DC) biased magnetization

様に，直流偏磁に伴って騒音が大幅に増加した。偏磁によって実質的に 1.7 T を超えた磁化により素材の磁歪が大きく増加したことに加え，図 11 に示すように励磁周波数の奇数次の高調波が増加したためと考えられる。直流偏磁がない場

図 11 騒音の高調波成分の比較

図 8 ヒステリシスカーブの比較
Fig. 8Fig. 11Comparison of hysteresis curves

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－ 22 －

Comparison of spectrum of acoustic noise harmonics

JFE スチールの変圧器特性解析技術

合は，磁化の正負によらずほぼ同じ磁歪が生じるため，磁8）山口広，今西大輔，石田昌義，井上博貴．電気学会マグネティックス研究会資料．2011, MAG-11-129, p. 1.
9）電気学会静止器騒音対策技術調査専門委員会編．
「静止器の騒音対策

歪振動の基本周波数は 100 Hz であるが，直流偏磁により磁化の正負での磁歪が異なり，50 Hz とその高調波の成分が大きく現れるためと考えられる

20）。

この直流偏磁が可能なモデル変圧器により，直流偏磁に技術の現状とその動向」．電気学会技術報告．1966, no. 575.
10）山口広，石田昌義．電気学会マグネティックス研究会資料．2010,
MAG-10-93, p. 13.
11）高須伸夫，宮脇文彦，斎藤達，藤原康夫．電気学会論文誌 B. 1993, vol.
113, p. 435.

よる鉄損，騒音の増大の鉄心材料による差も調査しており，より高配向性の材料の方が鉄損の増加が生じやすく，騒音では優れることなどが判明している

21）。

12）井 上 博 貴，上 山 哲 平，山口 広，岡 部 誠 司，石 田昌 義．J. Mag. Soc.
Japan. 2012, vol. 36, p. 135.
13）山口俊尚，今村正明，千田邦浩，石田昌義，佐藤圭司，本田厚人，山本孝明．電気学会論文誌 A. 1995, vol. 115, p. 50.
14）岡部誠司，石田昌義，黒沢光正．日本応用磁気学会誌．1998, vol. 22, p.

5． おわりに713.
15）成田賢仁，今村正明．
「電気鉄板の熱電的部分鉄損測定法」．電気学会

以上，方向性電磁鋼板が使用された変圧器の鉄損，騒音特性を解析するためのモデル変圧器における実験技術を紹介した。本論文では積鉄心への適用例を述べたが，巻鉄心に適用することも可能である。
これらの解析技術は，JFE スチールで製造する方向性電磁鋼板の有効な変圧器利用技術の調査に，また，新たに開発した方向性電磁鋼板の特性の解析などに活用されている。
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2015, vol. 135, p. 414.

－ 23 －岡部誠司

大村健井上博貴

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