変圧器 (トランス) は電力システムにおいて電圧の変更（変圧）や効率的な電力分配を担う重要な機器です。エネルギー損失、過熱、性能低下を最小限に抑えるため、変圧器の設計と運用は精密でなければなりません。
現在では、変圧器の生産前に設計を解析、最適化、検証するために、シミュレーションが活用しています。電磁場の可視化から熱挙動の解析まで、シミュレーションは正確かつ費用対効果の高い解決策を導き出します。
この記事では、変圧器シミュレーションの重要性と、SimScaleが設計プロセスをどのように改善するかについて解説します。
変圧器とは
変圧器は、電磁誘導によって回路間で電気エネルギーを伝達する装置です。主要部品には以下が含まれます。
- 一次コイル: 入力電圧を受け取ります。
- 二次コイル: 出力電圧を供給します。
- コア (鉄心): 磁束を誘導し、効率を高めます。
変圧器は相互誘導の原理に基づいて動作します。一次コイルに交流電流が流れると、磁場が発生します。この変化する磁場が二次コイルに電圧を誘導し、物理的な接触なしに電力を伝送します。これらの現象はファラデーの法則とレンツの法則により説明できます。詳細はこちらの記事をご確認ください。
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SimScale 
変圧器の主な機能は電圧調整です。変圧器は、送電時は電圧を昇圧して損失を最小限に抑え、利用時には降圧して家庭、産業、家電製品に安全に電力を供給します。
変圧器の種類
変圧器は、その設計と用途ごとにいくつか種類があります。
電力用変圧器: 高電圧送電ネットワークで使用されます。
配電用変圧器: 地域配電用の電圧を降圧します。
絶縁変圧器: 安全のため電気的絶縁を提供します。
単巻変圧器 (オートトランス): 一次巻線と二次巻線を共有し、小型で電圧を調節します。
変圧器は、再生可能エネルギーシステム、産業機械、データセンター、住宅用電力網など幅広い分野において重要な役割を果たしています。例えば、風力発電所では、長距離にわたってエネルギーを効率的に送電するために電力用変圧器が不可欠です。
変圧器シミュレーションの必要性
変圧器の設計には、効率、性能、コストのバランスを取りながら、エネルギー損失、過熱、強度といった課題に対処する必要があります。従来の試作ではこれらの課題に対し、時間とコストが負担となる場合があります。変圧器シミュレーションは、仮想的に設計検証を行うことができ、これらの問題の解決を可能にします。
変圧器設計における主な課題
- エネルギー損失: コア損失（ヒステリシス損・渦電流損）や銅損が発生し効率低下につながります。
- 過熱: 過度の熱蓄積は絶縁材を損傷し、変圧器の寿命を縮める可能性があります。
- 磁気飽和: コア材料が飽和すると、効率が低下し、エネルギーが無駄になります。
変圧器に対しシミュレーションを行うことで、エンジニアは設計の早い段階で上記の課題に関する設計変更を行うことができ、エラー修正やコストのかかる手戻りを削減できます。
変圧器設計に関わるシミュレーション
3Dシミュレーションでは、変圧器を高精度にモデリングし、複数の物理現象を同時に解析できます。変圧器に関わるシミュレーションは下記が挙げられます。
- 電磁界解析: 磁束分布やコア・巻線の挙動を把握
- 熱解析: 発熱量や冷却効果を予測
- 構造解析: 電磁力や熱による強度を計算
変圧器シミュレーションにおけるSimScaleの活用
SimScaleはクラウド上でこれらの解析を実現し、専用ハードウェア不要で複数設計案に対し同時に検証できます。
- クラウドベースのプラットフォーム: 高価なハードウェアなしで複雑なシミュレーションを実行できます。ウェブブラウザで実行できるためどこからでもアクセスでき、チーム間でのコミュニケーションを可能にします。
- オールインワンプラットフォーム: 電磁界解析により磁束、コア飽和、渦電流損失を可視化できるだけでなく、同一プラットフォーム上で熱流体解析、構造解析を実施でき、温度分布や応力結果を確認できます。
- 直感的なワークフロー: SimScaleであればエンジニアは解析ツールに関する豊富な経験がなくても、シミュレーションを簡単にセットアップして実行できます。
SimScaleのクラウドネイティブ・プラットフォームなら、アカウントを作成するだけで数分でシミュレーションを開始できます。インストール不要・特別なハードウェア不要・クレジットカードも不要です。
