featur
e ar
ticle
地球環境保全に貢献するアモルフ
ァ
ス変圧器
Amorphous Transformer Contributing to Global Environmental Protection
率化を推進し，一般産業用変圧器においても
2006
年から 油入変圧器に，2007
年からモールド変圧器にトップラン ナー制度が導入され，世界に先駆けた配電用変圧器の高効 率化が行われた。このトップランナー制度の導入により， 変圧器の全損失は導入前に比べ約30
％低減され，年間約165
億kWh
の電力量削減を実現した。CO
2換算では約620
万t
の削減効果（社団法人日本電機工業会公表値）を上げ ている。 なお，さらなる環境負荷低減のため，2014
年施行を目 標に第2
次トップランナー制度の導入について，関係省庁， 業界団体などで，制度の検討が進められている。 2.2 海外高効率化規制の動向米国では，
2010
年1
月からDOE
（United States
Depart-ment of Energy
：米国エネルギー省）が制定した効率規制 が施行された。また現在，2016
年施行を目標に，さらな 創業100
周年記念特集シリーズ産業機械・製造装置
feature article
地球環境保全が急務となっている現在，生活インフラとして不可欠 な電力供給網においても，これを構成する機材，装置の高効率化 による環境対策が強く望まれている。 日立グループは，変圧器の待機電力にあたる無負荷損の大幅低減 により，超高効率特性を実現できるアモルファス変圧器の研究にい ち早く取り組み，製品化した。さらに大容量化，高品質化などの開 発を継続し，これまでの出荷実績は約15万台に達している。 今後，ますます高まるであろう全世界的な環境保護の要求に対して， アモルファス素材も含め，継続的かつ戦略的な技術開発や事業展 開により，国内外でアモルファス変圧器の導入拡大を促進していく。 こうした事業活動を通じた電力供給網における変圧器の損失低減 で，将来への豊かな地球環境の継承に貢献する考えである。 1. はじめに 地球環境保全の気運が全世界的に高まる中，社会インフ ラとして欠くことのできない電力供給網においても，これ を構成する機材，装置の有効活用や，高効率化による環境 対策が強く望まれている。このような状況の下，日立グルー プは，従来の変圧器に比べて画期的な高効率特性を実現で きるアモルファス変圧器について，材料開発から機器への 適用技術まで一貫した取り組みを進めており，地球環境の 保全に貢献している。 ここでは，アモルファス変圧器に関する開発経緯と国内 の導入効果について述べる。 2. 配電用変圧器の高効率化規制の動向 配電分野においては，変圧器の高効率化が全世界的に注 目されて，国内外で高効率規格の制定が進んでいる。 2.1 国内高効率化規制の動向1980
年代から，電力会社が先行して柱上変圧器の高効稲垣
勝敏
桑原
正尚
佐藤
孝平
Inagaki Katsutoshi Kuwabara Masanao Sato Kohei
福井
和元
中島
晋
東
大地
Fukui Kazuyuki Nakajima Shin Azuma Daichi
99.5 効率 （ ％ ） 容量（kVA） 10 100 1，000 10，000 99.0 98.5 98.0 日本 JIS4304 50 Hz 日本 JIS4304 60 Hz 中国 S13（SiT） 中国 S15（AMT） 米国 DOE Final Rule EU 50464-1 Ak-Ao 注 ： 図1│配電用変圧器の効率規格比較（三相器の例） 日本はトップランナー制度導入により，高効率規格の導入を世界に先行し て進めたが，各国でこれを超える高効率規格の制定が行われている。 注：略語説明 SiT（電磁鋼板変圧器），AMT（アモルファス変圧器）， DOE（United States Department of Energy）
る高効率化規格制定の検討が進められている（図1参照）。 欧州でも，新たに発効された
EN50464-1
で，旧規格よ りも低い損失値規定が規格に取り込まれた。さらには，2005
年8
月に発効された工業製品の高効率化を目標としたEuP
指令（エネルギー使用機器のためのエコデザイン枠組み 指令）の対象に変圧器が追加され，2012
年規格制定，2013
年施行を目標に調査プロジェクトで制度検討が進んでいる。 一方，急速な経済発展を遂げている中国でも，電力イン フラ整備における環境対策のため，高効率変圧器の導入拡 大をねらい，配電用変圧器規格の高効率化が進んでいる。 以上のとおり，各国で競い合うように配電用変圧器の高 効率化の検討が進んでおり，日本が環境対策で世界をリー ドするためには，アモルファス変圧器をはじめとする高効 率変圧器の技術開発の加速と，普及拡大のための諸制度の 導入が急務となっている。 3. アモルファス変圧器の開発経緯と特長 日立製作所は2 kVA
の変圧器を1911
年に完成させた。 変圧器は 業製品のモータと同時期に製作開始された歴史 の古い製品である。それ以来，大容量化，高電圧化などの 開発を進めると同時に，小型化，低損失化を図ってきた。 中でもこのアモルファス変圧器は，従来の変圧器に比べて 画期的な低損失化を実現できる変圧器として導入拡大が期 待されている。 3.1 アモルファス薄帯とアモルファス変圧器 アモルファス薄帯は，鉄，ボロン，けい素を主原料とし， これらを溶融，急冷することで作られる。アモルファスと は非結晶を意味し，急冷により，金属特有の原子が周期的 に配列した結晶構造を持たず，ランダムな状態のまま凝固 した合金薄帯を形成することができる（図2参照）。 従来，変圧器の鉄心材料には電磁鋼板が使用され，鉄鋼 メーカーによってその性能は大きな進歩を遂げてきたが， 日立グループは，さらなる低損失化のため，鉄心材料にア モルファス薄帯を使用したアモルファス変圧器にいち早く 着目して開発を積極的に推進してきた（図3参照）。 3.2 アモルファス変圧器の開発経緯 日立グループにおけるアモルファス変圧器の開発および 導入経緯を図4に示す。 基礎技術開発に着手したのは，1980
年代初頭である。1991
年に電力会社向け柱上変圧器を製品化し，1997
年に は一般産業向け変圧器も製品化した。以降，性能向上，シ リーズ拡充などを行い，発売後約20
年が経過した現在， 出荷実績は約15
万台となっている。また，真に環境に配 慮した変圧器をめざし，アモルファス合金のリサイクルシ ステム確立を検討し，2008
年から一部の電力会社で実行 されている。 なお，素材事業では，2003
年に日立金属株式会社が米国Honeywell
社のアモルファス事業を買収し，2007
年には米 国工場に加え，島根県の安来工場に生産設備を新設した。 これにより年間10
万t
の供給体制とし，世界各地でのアモ ルファス薄帯の需要増加に対応している。 アモルファス薄帯 ブッシング 巻線 タンク 鉄心 図3│アモルファス変圧器の構造とアモルファス薄帯 鉄心にアモルファス薄帯（板厚約25 µm）を用い，画期的な低損失化を実現 した。 溶解炉 ノズル 保持炉 鋳造ロール 鋳造制御 薄帯巻取り 超急冷鋳造技術（冷却速度 ： 約106℃/s） 溶融合金を結晶化させずに薄帯化 通常の金属材料 規則的 ・ 周期的な原子配列の結晶材料 アモルファス 規則性のないランダムな原子配列の非結晶 ・ ・ 磁化過程の磁区の動きが容易で はない。 ・ ・ 加工と熱処理で結晶方位や結晶 粒の大きさを変化させたりするこ とは可能 ・ ・ 結晶磁気異方性がないため磁化 過程の磁区の動きが容易 →優れた軟磁性 ・ 低損失 ・ ・ 磁界中熱処理により誘導磁気異 方性を付与することは可能 図2│アモルファス薄帯の製法と特長 超急冷鋳造技術により，溶融合金を結晶化させずに薄帯化した。非結晶構造と超薄膜素材の特性によって，優れた軟磁性と低損失特性を実現している。featur e ar ticle るために，
2003
年から従来の変圧器用鉄系アモルファス 薄 帯2605SA1
の 飽 和 磁 束 密 度 を 上 げ る 開 発 に 着 手 し，2005
年に高磁束密度材2605HB1
を量産化した。好磁束密 度アモルファス材2605HB1
の特性を図7に示す。2605HB1
の適用により，アモルファス変圧器の小型軽 量化や低騒音化などさまざまな効果が期待されることか ら，材料開発と同時に変圧器への適用開発も行い3），2006
年に電力会社に採用され，現在では一般産業用変圧器にも 導入拡大が進んでいる（図8参照）。 3.3 アモルファス変圧器の特長 変圧器の損失は，負荷に関係なく常時発生する無負荷損と， 負荷電流の2
乗に比例して発生する負荷損に大別される。 アモルファス変圧器は無負荷損が非常に小さく，配電用変 圧器において一般的な平均負荷率20
∼30
％程度1），2）での 効率が特に優れており，従来の変圧器に比べ大きな損失低 減を実現する。日立グループは，ユーザーが負荷率に合わ せて最適な変圧器を選定することができるように，電磁鋼 板変圧器も含めた豊富なラインアップを取りそろえている （図5，図6参照）。 3.4 アモルファス変圧器の技術開発動向 アモルファス変圧器は，アモルファス薄帯が電磁鋼板に 比較して飽和磁束密度が低いなどの物性に起因し，寸法質 量が大きくなるなどのデメリットがあった。これを解消す 油入 変圧器 Superトップランナー （電磁鋼板変圧器） 200％ 100％ トップラン ナー基準 達成率 Superトップランナー （電磁鋼板変圧器） モールド 変圧器 図5│アモルファス変圧器のラインアップ 変圧器の選定において，実際に使用される負荷率を考慮し，最適な変圧器 をその効率特性から選定することが重要である。日立グループは，顧客ニー ズに応えるため，複数のシリーズのアモルファス変圧器を製品化している。 99.8 効率 （ ％ ） 損失 （ W ） 99.6 99.4 99.2 99.0 98.8 98.6 0 20 40 60 負荷率（％） 80 100 0 500 1，000 1，500 2，000 260 554 7.1 MWh/年 3.9 t/年 10.6 MWh/年 5.8 t/年 11.4 MWh/年 6.2 t/年 消費電力 CO2排出量 注 ： 負荷損（W） 無負荷損（W） 200 1,008 602 694 SuperアモルファスXs （全負荷帯で高効率） SuperアモルファスXc （平均負荷帯で高効率） Superトップランナー （標準けい素鋼板変圧器） 平均的負荷率 注 ： Superアモルファス Xs 注 ： 負荷率40％での発生損失， CO2排出係数は0.555（kg/kWh）で算定 トップランナー基準 （負荷率40％） JIS C 4304基準 （定格負荷率） Superアモルファス Xc Superトップランナー 図6│アモルファス変圧器の特長 アモルファス変圧器は無負荷損が非常に小さく，配電用変圧器において一 般的な平均負荷率（20∼30％程度）での効率が特に優れている。 アモルファス 金属開発 基礎技術開発 量産技術開発 基礎技術開発 量産技術開発 柱上変圧器 製品化 柱上変圧器 フィールドテスト 製品化・導入拡大 一部三相機種を除き導入減 新エネルギー用途導入拡大 アモルファス事業 買収（2003年） 省エネルギー型アモルファス変圧器を用いたCO2 削減のCDM「方法論」国連承認（2008年3月） 高磁束密度材料開発 実器適用（2006年∼） アモルファス材国内 生産開始（2007年∼） トップランナー制度適用 油入 ： 2006年4月， モールド ： 2007年4月 「改正省エネ法」 施行1999年4月 リサイクルシステム 確立（2008年∼） 日立超省エネルギー変圧器 「SuperアモルファスX」 電設工業展 東京都 知事賞受賞（2007年6月） 省エネルギー変圧器 エネルギー需給構造改革 推進投資促進税制対象 （2000年4月） 日立超省エネルギー変圧器 「Superアモルファス」 第10回「省エネ大賞」 受賞（2000年2月） 一般産業向け変圧器製品化 大容量化 ・ シリーズ拡充 （Superアモルファス変圧器） 電力採用再開 2000年 1995年 1990年 1985年 1980年 1960年 2005年 （カリフォルニア工科大学） （Westinghouse社） （General Electric社） 米国 日立 市場動向 ほか 図4│アモルファス変圧器の開発，導入経緯 日立グループはいち早く開発に着手しており，環境保護の社会的ニーズに対応するため，素材から変圧器まで一貫した技術開発，事業展開を進めている。 注：略語説明 CDM（Clean Development Mechanism）4. アモルファス変圧器の導入効果 前述のとおり，アモルファス変圧器はその低損失特性に より，大きな省エネルギー，環境負荷低減効果を発揮する。 4.1 日立産機システム中条事業所における導入効果事例 株式会社日立産機システム中条事業所は
66 kV
で受電，6 kV
に降圧して事業所内配電を行っている。さらに，各 生産現場で6 kV
を低圧に降圧し，各種設備の電源供給を 行っている。1997
年から工場の省エネルギー，CO
2の排 出原単位削減を推進するため，生産現場ごとに配電監視シ ステムを設置し，各種生産ラインにおける電力使用量の「見 える化」を行った。この結果に基づき，老朽化変圧器の更 新時に，生産ライン運転状態に合った変圧器の設置台数， 容量の選定を実施すると同時に，すべての変圧器をアモル ファス変圧器とすることで，電力損失の大幅な低減を図っ た（図9参照）。 4.2 国内における導入効果試算 現在まで，電力会社向けに柱上変圧器が約39
万台（他 社供給分を含む。），一般産業向けに油入タイプ，モールド タイプを合わせて約1
万2,000
台，合計で約40
万台が設置 されて稼働しており，CO
2削減に大きく貢献している。 この導入による効果はCO
2換算の概算値で年間12
万t
と，非常に大きな環境負荷低減を実現しており，今後，国 2.0 10 1 0.1 0.01 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 磁束密度（T） Bs＝1.64 Hc＝1.5 Hc＝2.0 80 60 40 磁界， H（A/m） 20 0 −20 Bs＝1.56 2605SA1 単板法にて測定 アモルファス合金 2605SA1 2605HB1 方向性電磁鋼板 材料名 飽和磁束密度B S （T） 2.03 1.56 高いほど 小型化 1.64 保持力 H（A/m）C 45.0 2.0 小さいほど 低損失 1.5 比抵抗 ρ（µΩ ・ m） 0.5 1.3 大きいほど 低損失 1.3 鉄損 P13/50（W/kg） 0.440 0.070 小さいほど 良好 0.063 磁歪（わい） λs（ppm） −1 27 小さいほど 低騒音 27 板厚 t （mm） 0.23 0.025 厚いほど 加工性良 0.025 占積率 SF（％） ＞95 ＞84 大きいほど 小型化 ＞84 備考 新アモルファス （2605HB1） 現行アモルファス （2605SA1） 方向性電磁鋼板 （最高級タイプ） 2605HB1 Bs向上 鉄損低減 方向性電磁鋼板 f＝50Hz P13/50＝0.070 P13/50＝0.063 BS向上 Hc低減 磁束密度 B（ T ） 鉄損 （ W/kg ） 1.5 1.0 0.5 0 図7│高磁束密度アモルファス材2605HB1の特性 変圧器の性能・仕様向上のため，素材から変圧器への適用技術まで一貫した開発を進めている。2605HB1の適用により，変圧器の質量軽減，損失低減など が可能となった。 AMT （2605SA1） SiT 新型AMT （2605HB1） 項目 電力単相 6 k/210 V 20 kVA 60 HzSiT AMT（SA1） AMT（HB1） 364 （100） 385 （104） 355 （98） 713 （100） 740 （104） 707 （99） 61 （100） 22 （36） 17 （27） 342 （100） 307 （90） 297 （87） 106 （100） 68 （64） 62 （58） 281 （100） 285 （102） 280 （100） 138 （100） 170 （128） 148 （107） 外径（mm） 質量（kg） 無負荷損（W） 負荷損（W） 定格負荷 40％負荷 高さ（mm） 全損失 （W） 図8│2605HB1を適用した変圧器の諸元比較 2605HB1の適用により，現行の電磁鋼板変圧器と同等の寸法，質量のアモ ルファス変圧器の実現が可能となった。 また，今後，アモルファス変圧器の導入増加が期待され る海外においても注目されており，さらなる性能向上とコ スト削減の取り組みを進めている。
featur e ar ticle 内外でさらなる導入拡大が期待される（表1参照）。 5. おわりに ここでは，アモルファス変圧器に関する開発経緯と国内 の導入効果について述べた。 海外でもアモルファス変圧器は注目を集めている。近年， インフラ整備と同時に環境対策を進める中国，インドを中 心としたアジア圏でアモルファス変圧器の導入が急速に進 んでいる。また，欧米諸国でも，環境保全の諸施策を進め る中で，今後の普及が見込まれ4），全世界的にアモルファ ス変圧器の導入拡大が予想されている。 日立グループは，このような社会ニーズに応えるために， 電力供給網における環境対策に寄与する製品，サービスの 提供を積極的に進め，豊かな地球環境を将来へ継承するた めに貢献していく考えである。 1） 高木，外：柱上変圧器負荷パターン作成モデルを用いたアモルファス変圧器の 評価，電気学会論文B 128巻，6号（2008）
2） Potential for global energy savings from high efficiency distribution transformers, Leonardo Energy Transformers (2005.2)
3） A. Sato, et al. : DEVELOPMENT OF DISTRIBUTION TRANSFORMER BASED ON NEW AMORPHOUS METALS, CIRED2009 Session 4 Paper No. 0474 (2009)
4） An EPRI White Paper Amorphous Metal Transformer : Next Steps, Electric Power Research Institute (2009.7)
参考文献 稲垣勝敏 1990年日立製作所入社，株式会社日立産機システム事業統括 本部受配電・環境システム事業部変圧器設計部所属 現在，配電機材の設計，開発に従事 電気学会会員 桑原正尚 1997年日立製作所入社，株式会社日立産機システム事業統括 本部受配電・環境システム事業部変圧器設計部所属 現在，油入変圧器の設計，開発に従事 佐藤孝平 1999年日立製作所入社，株式会社日立産機システム事業統括 本部受配電・環境システム事業部変圧器設計部所属 現在，モールド変圧器の設計，開発に従事 電気学会会員 福井和元 2001年株式会社日立中条テクノロジー入社，株式会社日立産機 システム事業統括本部受配電・環境システム事業部変圧器設計 部所属 現在，電力会社向け変圧器の設計，開発に従事 中島晋 1982年日立金属株式会社入社，軟磁性材料カンパニー所属 現在，変圧器用アモルファス合金の研究開発に従事 電気学会会員 東大地 2001年日立金属株式会社入社，軟磁性材料カンパニー所属 現在，変圧器用アモルファス合金の研究開発に従事 IEEE会員 執筆者紹介 表1│アモルファス変圧器の導入効果（国内配電網全体） 単機の効果は小さいが，配電用機材は設置台数が多く，合計では大きな効 果となる。 区分 設置数 （万台） 平均容量 （kVA） 損失低減 （kW/台） CO2排出係数 （kg・CO2/kWh） CO2削減量 （t/年） 電力会社向け 39.0 20 0.04 0.453＊1 61,900 一般産業向け 1.2 500 0.95 0.555＊2 55,500 合計 40.2 − − − 117,400 ＊1：電気事業連合会公表の2007年国内電力の平均実績値 ＊2： 特定排出者の事業活動に伴う温室効果ガスの排出量の算定に関する省令（2006年経済産 業省・環境省令第3号）に定めるデフォルト値 電源監視ユニットによる負荷状況調査 台数集約とAMT採用 損失低減効果 更新前 更新後 経済効果 5，531 千円／年 CO2削減効果 900 t／年 注 ： CO2排出原単位 ： 0.555 kg/kWh 45.3 15.8 61.1 損失電力量 （ MWh/ 月 ） 70 60 50 40 30 20 10 0 19.2 負荷損 無負荷損 15.6 3.6 48台（15，405 kVA） 33台（11，285 kVA） アモルファス変圧器 電磁鋼板変圧器 電源監視ユニット ： 65台 ・ ・ 965点監視（電力量 ： 65点， 力率ほか900点） パルス入力ユニット ： 20台 ・ ・ 108点監視（電力量 ： 108点） リピータ ： 2台 監視パソコン リピータ 電源監視 ユニット パルス入力 ユニット 絶縁監視 ユニット リピータ RS-485 図9│アモルファス変圧器の導入効果事例 日立産機システム中条事業所では，変圧器の台数集約とアモルファス変圧器の採用により，電力損失を に低減，大きな経済効果と環境負荷低減効果を実現 した。
