今回は平成27年度 電力科目 A問題14、変圧器の鉄心に使用される鉄心材料の誤り選択問題です。積層鉄心・保磁力・飽和磁束密度・けい素鋼・アモルファス合金が問われます。
決め手は鉄心材料に求められる磁気特性。鉄心材料は保磁力が小さく（ヒステリシス損が小さい）、飽和磁束密度が大きいものが選ばれます。「飽和磁束密度が小さく」は誤りです（大きいほど小型化できる）。
平成27年度 電力科目 A問題14：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成27年度 第三種電気主任技術者試験」電力科目 A問題14
電験3種 電力科目 【電気材料】 平成27年度 A問題14
変圧器の鉄心に使用されてい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) 鉄心材料は、同じ体積であれば両面を絶縁加工した薄い材料を積層することで、ヒステリシス損はほとんど変わらないが、渦電流損を低減させることができる。
(2) 鉄心材料は、保磁力と飽和磁束密度がともに小さく、ヒステリシス損が小さい材料が選ばれる。
(3) 鉄心材料に使用されるけい素鋼材は、鉄にけい素を含有させて透磁率と抵抗率とを高めた材料である。
(4) 鉄心材料に使用されるアモルファス合金材は、非結晶構造であり、高硬度であるが、加工性に優れず、けい素鋼材と比較して高価である。
(5) 鉄心材料に使用されるアモルファス合金材は、けい素鋼材と比較して透磁率と抵抗率はともに高く、鉄損が少ない。
誤りは(2)：飽和磁束密度は大きいほうがよい
「保磁力と飽和磁束密度がともに小さく」——飽和磁束密度は大きいほうがよいのです。
| 性質 | 望ましい方向 | 理由 |
| ★保磁力 | ★★小さい | ★★ヒステリシス損が減る |
| ★透磁率 | ★★大きい | ★少ない励磁電流で磁束を作れる |
| ★抵抗率 | ★★大きい | ★★渦電流損が減る |
| ★★飽和磁束密度 | ★★大きい | ★★鉄心を小さくできる |
★鉄心を小さくできる
磁束密度を高くできれば、鉄心の断面積が小さくて済みます——だから変圧器が小さくなるのです。
飽和磁束密度が低いと、そこまでしか使えません——だから断面積で稼ぐしかない。
アモルファスが大形になるのも、この理由でした——1.5T しかないから。
だから飽和磁束密度は大きいほうがよい——保磁力だけが「小さいほうがよい」のです。
2つを並べて「ともに小さく」と書いたのが誤り——向きが違う量を一緒にしています。
(1) 薄い板を積む理由
| 板厚 | 渦電流損 | ヒステリシス損 |
| ★1.0 mm | ★★基準 | ★変わらない |
| ★0.5 mm | ★★4分の1 | ★★変わらない |
| ★0.35 mm | ★★約8分の1 | ★★変わらない |
薄くすると渦電流損だけが減ります——厚さの2乗で効くのです。
ヒステリシス損は材料の性質なので変わりません——厚さとは無関係だから。
だから問題文の(1)は正確な記述——2つの損失を分けて述べています。
両面を絶縁するのは、板どうしに電流を流さないため——絶縁しなければ厚い1枚と同じです。
(3)(5) けい素とアモルファスの違い
| ★けい素鋼材 | ★アモルファス合金材 | |
| ★構造 | ★結晶 | ★★非結晶 |
| ★透磁率 | ★高い | ★★さらに高い |
| ★抵抗率 | ★★けい素添加で高めている | ★★さらに高い |
| ★鉄損 | ★基準 | ★★3分の1程度 |
| ★飽和磁束密度 | ★★約2.0 T | ★★約1.5 T |
| ★価格・加工性 | ★★安く加工しやすい | ★★高価で加工しにくい |
けい素を加えると、透磁率と抵抗率が上がります——だから(3)が正しいのです。
抵抗率が上がれば渦電流が減ります——それがけい素を加える目的です。
アモルファスはどちらもさらに高い——だから鉄損が3分の1になるのです。
けれども飽和磁束密度が低く、高価で加工しにくい——それが(4)の内容になります。
⚠️ よくある間違い
(2)の「保磁力が小さく」を見て全体を正しいと判断する——そこは正しいのです。誤りは「飽和磁束密度が小さく」。
飽和磁束密度は大きいほうが鉄心を小さくできます——E＝4.44fNBmA より。
(1)の積層を疑ってしまう——渦電流損だけが減ります。
(3)のけい素を疑ってしまう——透磁率と抵抗率を高めます。
(4)(5)のアモルファスを疑ってしまう——非結晶で高硬度、鉄損が少ない。
「ともに」と2つ並べる書き方に注意——向きが違う量が混ぜられます。
⏱️ 本番での進め方
①★保磁力は小さく、飽和磁束密度は大きいほうがよい。
②★E＝4.44fNBmA なのでBmが大きいほど鉄心が小さい。
③★薄い板を積むと渦電流損だけが減る（厚さの2乗）。
④★けい素は透磁率と抵抗率を高める。
💡 覚え方
「保磁力は小、飽和磁束密度は大」——向きが逆なので一緒にできません。「ともに」と並べる書き方は疑う——向きの違う量が混ぜられることがあります。
磁心材料の空欄補充は平成20年度 A問題14（電気材料：磁心材料）、アモルファス変圧器は令和5年度上期 A問題14（電気材料：アモルファス変圧器）にあります。
(4) アモルファス合金材の性質
問題文が挙げる3つを確かめましょう。
| 性質 | 内容 | 原因 |
| ★非結晶構造 | ★★原子が不規則に並ぶ | ★★溶けた金属を急冷して固める |
| ★高硬度 | ★★ガラスのように硬い | ★★すべり面がないので変形せず割れる |
| ★加工性が悪い | ★★切断で刃が傷む | ★同上 |
| ★高価 | ★★製法が特殊で板厚も薄い | ★積層枚数も多い |
結晶がないので、原子がすべる面がありません——だから変形せずに割れるのです。
ガラスが硬くてもろいのと同じ理由——非晶質に共通する性質です。
板厚が0.025 mm と薄いので、枚数も10倍以上——手間がかかるのです。
だから高価になります——(4)の3つがつながっているのです。
鉄損を2つに分けて考える
対策の系統がまったく別です。
| 損失 | 原因 | 減らす方法 | 本問の選択肢 |
| ★ヒステリシス損 | ★★磁化の向きを変えるのに要るエネルギー | ★★保磁力の小さい材料 | ★(2) |
| ★渦電流損 | ★★鉄心内に生じる渦電流 | ★★薄い板を積む・抵抗率を上げる | ★(1)(3) |
ヒステリシス損は材料の性質で決まります——厚さを変えても減りません。
渦電流損は形状と抵抗率で決まります——薄くするか、けい素を加えるのです。
だから(1)が「ヒステリシス損はほとんど変わらないが」と書いている——正確な区別です。
2つを合わせて鉄損——どちらを減らすかで手立てが変わるのです。
けい素を加える意味
(3)の「透磁率と抵抗率を高めた」を確かめましょう。
| 効果 | 内容 | 減る損失 |
| ★抵抗率が上がる | ★★渦電流が流れにくくなる | ★★渦電流損 |
| ★透磁率が上がる | ★★少ない励磁電流で磁束を作れる | ★励磁電流による損失 |
| ★磁気ひずみが減る | ★★磁化のときの伸縮が小さくなる | ★★騒音も減る |
けい素は3％前後まで加えられます——それ以上はもろくなるから。
抵抗率が上がれば、渦電流が流れにくくなります——それが最大のねらいです。
変圧器のうなり音が減るという効果もあります——磁気ひずみが小さくなるから。
1つの添加で、いくつもの改善が得られます——だから「けい素鋼」が標準になったのです。
鉄心材料に求められる4つの性質
向きを取り違えないよう整理しておきます。
| 性質 | 望ましい方向 | 効いてくる場面 |
| ★保磁力 | ★★小さい | ★ヒステリシス損 |
| ★透磁率 | ★★大きい | ★励磁電流 |
| ★抵抗率 | ★★大きい | ★渦電流損 |
| ★★飽和磁束密度 | ★★大きい | ★★鉄心の大きさ |
「小さいほうがよい」のは保磁力だけです——あとの3つは大きいほうがよい。
だから「ともに小さく」と書かれたら疑います——向きの違う量が混ぜられているのです。
4つのうち3つが「大きい」と覚えておくと確実——例外は保磁力だけ。
この表があれば、鉄心材料の問題は解けます。
まとめ
| 誤り | (2) 飽和磁束密度は大きい方が良い |
| 積層鉄心 | 渦電流損を低減(1) |
| けい素鋼 | 透磁率と抵抗率を高める(3) |
| アモルファス | 非結晶・高硬度・高価(4) |
| アモルファス | 透磁率抵抗率高く低鉄損(5) |
| 答え | (2) |
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