電気バスバーとは

電気バスバーとは、エネルギー損失を最小限に抑えながら、安全な方法で、ある場所から別の場所に電流を流す金属製のバー、ストリップ、チューブ、またはロッドです。一般的に、高電流配電、高電圧機器、および低電圧バッテリに使用される配線やケーブルの代わりに使用されています。大半のバスバー構成は、対流冷却を改善し、新しい接続を簡単に行えるように絶縁されていません。ほとんどのバスバーは高電圧三相電力で動作するため、多くの電気バスバーシステムには、安全かつ効率的に連携するように設計された3つの独立した導体があります。 

電力用途向けのバスバーを設計するときには、スペース、コスト、安全性、抵抗、容量、レッグ間または近くにある導電性材料間のインダクタンス、実装オプション、および冷却でバランスをとる必要があります。これらの要件は干渉しあうことが多いため、設計プロセスにおいて電気、磁気、熱、および構造のシミュレーションが不可欠となります。 

エンジニアは、配線やケーブルよりも設計上の利点がある場合に、電気システムにバスバーを配置します。以下に、最も一般的な用途を挙げます。

電源スイッチギア

スイッチギアは、発電施設や変電所で電気機器を保護、制御、電気的に絶縁するスイッチ、ヒューズ、遮断器として電力システムで採用されています。バスバーは、変圧器、ヒューズ、産業機器などの部品を接続します。また、装置内で電力を分配することもできます。

バスダクトやバスウェイ

バスダクトは、ある場所から別の場所への電源コネクタとして使用されるバスバーまたはケーブルを含む長いエンクロージャです。バスウェイは、バスバーが含まれている金属配管や注型樹脂の構造で構成されています。電力設備で採用される場合は、コンクリートに埋め込まれた電線管から構成されます。

配電盤 

配電盤は、建物内で電源を供給するために使用されます。入力電力供給装置を個々の回路に分割します。垂直方向または水平方向に基板が配置されており、タップを介して回路が接続されます。システムは、接地されたキャビネット内に設置されるか、高い位置に設置されます。 

バッテリ電源供給

バスバーは剛性が高く、形状が薄いことから、電力貯蔵用途や電気自動車のバッテリパックの接続によく採用されています。大半の用途とは異なり、EVバッテリシステムでは絶縁されていない銅製バスバーの代わりにアルミニウム製の絶縁バスバーを採用して軽量化を図ることもあります。 

再生可能エネルギーシステム

太陽光、風力、水力発電、その他の再生可能エネルギーシステムにおいて、効率は極めて重要です。バスバーは、効率的で信頼性が高くかつロバストな方法で再生可能な電力を使用する装置で、優れた効率性と柔軟性で電力を伝送および供給します。 

産業機器

産業機器は、バスバー配電盤から電力を引き出し、内部でバスバーを使用して、電源供給フィーダからシステム内の電力コンポーネントにつながるフィーダへの配電を行います。 

電子デバイス

一般的には、「バスバー」といえば電力伝送や高出力機器に使用されているものを想像しますが、設計者は同じ理由で電子デバイス、特にパワーエレクトロニクスでバスバーを使用しています。フォームファクターが薄く軽量であるため、実装に関する問題を解決したり、熱分布に対処したりするのに適しています。 

サプライヤーは、増え続ける用途のニーズを満たすために、さまざまなタイプのバスバーを開発しています。バスバーは、以下の特性によってグループ化できます。

材料

サプライヤーは、あらゆる導電性材料からバスバーを製造していますが、そのほとんどは銅製またはアルミニウム製です。銅金属は、銀に次いで2番目に高い導電率を有します。アルミニウムは、4番目に導電率が高い金属ですが、銅よりも軽量で安価です。アルミニウム製および銅製のバスバーはどちらも、腐食を減らして全体的な性能を向上させるために、錫、ニッケル、または銀のコーティングで電気めっきされています。 

形状

バスバーの形状は、表皮効果およびバーからの熱伝達に影響を与えます。ほとんどのケースで、断面積に対する表面積の比率を高くすることが目標となります。 

以下に、最も一般的な形状を挙げます。

• リジッドバスバー（フラットバー）: 最も一般的に使用される形状は、長く、薄く、剛体のバーです。製造時に、特定のニーズに合わせて成形されます。 
• 特殊な断面を持つバスバー: 一部のバスバーは、曲げ剛性を高め、表面積を増やし、より多くの接続オプションをもたらすために、U字形、T字形、またはL字形の断面を持ちます。 
• ラミネートまたはフレキシブルバスバー: フレキシブルバスバーは、薄い金属ストリップまたはホイルをラミネートすることによって作成されます。これにより、バスバーの柔軟性が高まるだけでなく、総表面積が増えることで熱伝導率が向上します。 
• 丸型バスバー: ソリッドまたは中空の円筒断面を持つバスバーは、より高い剛性、回転、または設置時の柔軟性が必要となる高電流用途に使用されます。 
• 絶縁: バスバーのタイプを区別するもう1つの方法は、周囲の構造からの絶縁方法です。絶縁ポリマーでコーティングされているか、絶縁マウントまたはアイソレータで所定の位置に固定され、絶縁されるケースもあります。

通電容量とタイプ

単相バスバーには、2つの回路があります。1つはライブ回路で、もう1つはニュートラル回路です。三相バスバーは、4つの導体を使用します。各相に1つずつと、ニュートラルランとして1つ使用します。単相タイプおよび三相タイプは交流（AC）を扱う場合に使用されますが、直流（DC）を流すバスバーもあります。

エンジニアはさまざまな理由からバスバーを選択しますが、通常はコスト、性能、安全性を重視しています。ほとんどのケースで、以下の特性に基づいて他の電源供給オプションよりもバスバーを選択します。

• 簡素化された電源供給: バスバーを採用することで、多くの電気接続を中央ハブにまとめることができます。複雑な配線よりも設計と保守が容易になります。
• 形状の柔軟性: バスバーは、あらゆる形状で製造できるため、どのような用途にも適しています。 
• 接続の容易さ: バスバーは、複雑な電気接続を必要としません。電力が必要な場合は、表面にワイヤを接続するだけです。
• フォームファクター: バスバーの薄いトポロジーは、バッテリパック、エレクトロニクス、産業機器に見られるように、狭いスペースで電力を供給するのに適しています。 
• 剛性: バスバーの構造剛性により、ケーブル管理が不要になります。構造全体の強度に寄与し、長い距離にわたって使用できます。 
• コスト効率: バスバーは、配線オプションよりも低コストです。また、設置、保守、修復にもコストがかかりません。 
• 持続可能性: 多くはソリッドな銅製またはアルミニウム製であるため、バスバーはリサイクルが容易です。 

さまざまなタイプのバスバーがあるように、材料、構成、コーティング、ジオメトリに関しても多くの選択肢があります。マルチフィジックスシミュレーションツールは、電磁界の相互作用、熱の生成、熱伝達、構造応答を迅速かつ正確に理解するための方法を提供するため、設計プロセスを完全に補完します。 

エンジニアは、バスバー設計を最適化して、効率を最大化し、安全に動作させ、コストを最小限に抑えたいと考えています。回路の配線を理解すると、Ansys Maxwell®高度電磁界ソルバーなどのツールを使用して低周波電磁界モデルを作成して、電磁界、熱の生成、そして抵抗、静電容量、インダクタンスによる損失を計算できます。ジオメトリを自動的に最適化したり、what-ifスタディを実行して、バスバー内の各モジュールに最適な形状を決定したりできます。 

Ansys Maxwellを使用した三相バスバー上の電流密度のシミュレーション

三相アプリケーションのように複数の回路が含まれる場合は、寄生成分抽出に対応した電磁界シミュレーションソフトウェアであるAnsys Q3D Extractor®を使用して、システム全体を迅速にモデル化し、周波数依存の抵抗、インダクタンス、静電容量、コンダクタンス（RLCG）の寄生成分パラメータを計算できます。

次に、有限要素法による構造解析ソフトウェアであるAnsys Mechanical™のような汎用構造-熱ツールを導入して熱応力を調べ、電気動作周波数の倍数になる固有振動数がないことを確認し、システム全体の剛性を評価します。

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