《電力》〈電気材料〉[H30:問14]変圧器に使用される鉄心材料に関する論説問題

【問題】

【難易度】★★★★☆(やや難しい)

変圧器に使用される鉄心材料に関する記述として,誤っているものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1) 鉄は,炭素の含有量を低減させることにより飽和磁束密度及び透磁率が増加し,保磁力が減少する傾向があるが,純鉄や低炭素鋼は電気抵抗が小さいため,一般に交流用途の鉄心材料には適さない。

(2) 鉄は,けい素含有量の増加に伴って飽和磁束密度及び保持力が減少し,透磁率及び電気抵抗が増加する傾向がある。そのため,けい素鋼板は交流用途の鉄心材料に広く使用されているが,けい素含有量の増加に伴って加工性や機械的強度が低下するという性質もある。

(3) 鉄心材料のヒステリシス損は,ヒステリシス曲線が囲む面積と交番磁界の周波数に比例する。

(4) 厚さの薄い鉄心材料を積層した積層鉄心は,積層した鉄心材料間で電流が流れないように鉄心材料の表面に絶縁被膜が施されており,鉄心材料の積層方向(厚さ方向)と磁束方向とが同一方向となるときに顕著な渦電流損の低減効果が得られる。

(5) 鉄心材料に用いられるアモルファス磁性材料は,原子配列に規則性がない非結晶構造を有し,結晶構造を有するけい素鋼材と比較して鉄損が少ない。薄帯形状であることから巻鉄心形の鉄心に適しており,柱上変圧器などに使用されている。

【ワンポイント解説】

平成30年の電力の問題は比較的取り組みやすい問題が多いと思いますが,本問だけはじっくりと読んでいかないと解けないと思います。ヒステリシス損と渦電流損の変圧器を使用した時に発生する鉄損(無負荷損)で,これを低減することで省エネ効果は大きいですが,材料として鉄損を零にすることができないことが本問を通じて分かると思います。

1.ヒステリシス損
ヒステリシス損は図1に示すような交番磁界を加えることによって,鉄心材料に残留磁気が残ることに発生する損失で,材料によって特性が異なります。図1の青色の線で囲まれた面積が交番磁界1サイクルあたりに生ずるヒステリシス損になるので,ヒステリシス損はヒステリシス曲線で囲まる面積と交番磁界の周波数に比例することになります。

2.渦電流損
図2に示すように交番磁界が磁性材料を通過した際に流れる渦電流による損失で,図2の厚さが小さくなれば2乗に比例して渦電流が発生しにくくなります。

【解答】

解答:(4)
(1):正しい
問題文の通りです。保持力を小さくすることができればヒステリシス損が小さくなるので鉄心材料としては向いていますが,電気抵抗が小さくなっては鉄心の役目を果たさないことになります。

(2):正しい
問題文の通りです。けい素鋼板は安価で加工性に優れるため交流用途の鉄心材料に広く使用されていますが,けい素含有量の増加に伴って加工性や機械的強度が低下してしまうという特性があります。

(3):正しい
ワンポイント解説「1.ヒステリシス損」の通り,ヒステリシス損はヒステリシス曲線で囲まる面積と交番磁界の周波数に比例します。

(4):誤り
積層鉄心は一層あたりの膜厚を薄くすることによって渦電流損を低下させる方法で,ワンポイント解説「2.渦電流損」の通り,問題文の通りです。鉄心材料の積層方向(厚さ方向)と磁束方向とが直角方向であると,顕著な渦電流損の低減効果が得られます。

(5):正しい
問題文の通りです。アモルファス材料は鉄損が少ない,高強度であるという特徴がある反面,加工が難しいという特徴もあり,価格も高いのが特徴です。