電気材料12【電験3種 電力】積層鉄心は積層方向と磁束方向が直角で渦電流損低減！「同一方向」は誤り 平成30年度 A問題14 完全解説

今回は平成30年度 電力科目 A問題14、変圧器に使用される鉄心材料の誤り選択問題です。純鉄・けい素鋼板・ヒステリシス損・積層鉄心・アモルファスと、鉄心材料が総登場します。

決め手は積層鉄心の渦電流損低減の条件。積層鉄心は積層方向（厚さ方向）と磁束方向が直角（垂直）のときに顕著な渦電流損低減効果が得られます。「同一方向となるとき」は誤りです（磁束は積層面に平行に流れる）。

平成30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30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30年度 A問題14

　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磁力が減少し、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。

誤りは(4)：磁束と積層方向は直交させる

「積層方向と磁束方向とが同一方向となるとき」——それでは効果がありません。

配置	渦電流の通り道	渦電流損
★★磁束が板面に平行（積層方向と直交）	★★薄い板の中に閉じ込められる	★★大きく減る（正しい配置）
★★磁束が積層方向と同じ	★★板を貫くので分断されない	★★減らない

渦電流は、磁束に垂直な面の中で回ろうとします——電磁誘導の向きです。

磁束が板面に平行なら、渦電流は板の断面内を回ります——板が薄ければ、その輪が小さくなるのです。

だから薄い板を積むと渦電流損が減ります——これが正しい配置。

逆に磁束が板を貫く向きだと、渦電流は板面内を回ります——薄くしても輪の大きさは変わらないのです。

だから効果がありません——「同一方向」と書いたのが誤りになります。

(2) けい素を加えると何が変わるか

性質	けい素を増やすと	鉄心材料として
★飽和磁束密度	★★減る	★★不利
★保磁力	★★減る	★★有利（ヒステリシス損が減る）
★透磁率	★★増える	★★有利
★電気抵抗	★★増える	★★有利（渦電流損が減る）
★加工性・機械的強度	★★低下する	★★不利

4つが有利、2つが不利になります——だから加える量に限度があるのです。

3％前後を超えると、もろくて加工できません——それが上限を決めています。

飽和磁束密度が減るのも困る点——鉄心が大きくなってしまうから。

そのつり合いで、けい素の量が決まります——問題文の(2)は、その全体を述べています。

(1) 純鉄が交流に向かない理由

	★純鉄・低炭素鋼	★けい素鋼板
★飽和磁束密度	★★高い	★やや低い
★保磁力	★小さい	★★さらに小さい
★電気抵抗	★★小さい	★★大きい
★渦電流損	★★大きい	★★小さい
★交流用途	★★向かない	★★適する

純鉄は磁気的には優れています——飽和磁束密度も高く保磁力も小さいのです。

けれども電気をよく通してしまいます——だから渦電流が大量に流れるのです。

直流用途なら磁束が変化しないので問題ありません——だから直流電磁石には純鉄を使うのです。

交流では渦電流損が支配的になります——だからけい素を加えて抵抗を上げるのです。

鉄心材料は繰り返し出題されています——平成27年度 A問題14（電気材料：鉄心材料）、平成20年度 A問題14（電気材料：磁心材料）にもあります。

(3) ヒステリシス損が面積に比例する

グラフの面積が、そのままエネルギーです。

要素	意味	効き方
★曲線が囲む面積	★★1周で失うエネルギー	★★保磁力が小さいほど小さい
★周波数	★★1秒あたりの周回数	★★比例して増える

1周で一定量のエネルギーを失います——それが面積です。

1秒に50回まわれば、50倍の損失になります——だから周波数に比例するのです。

渦電流損は周波数の2乗に比例します——そこが違う点になります。

だから高周波では渦電流損が支配的になります——フェライトが使われる理由です。

(5) アモルファスが巻鉄心に向く理由

薄い帯であることが、形を決めます。

鉄心の形	作り方	向く材料
★積鉄心	★板を打ち抜いて重ねる	★けい素鋼板（加工しやすい）
★★巻鉄心	★★帯をぐるぐる巻く	★★アモルファス（薄帯で切断が難しい）

アモルファスは硬くてもろいので、打ち抜けません——刃が傷み、材料も割れるのです。

けれども薄い帯なので、巻くことはできます——曲げる方向なら耐えられるのです。

だから巻鉄心形が選ばれます——材料の性質が構造を決めたのです。

巻鉄心は継ぎ目が少ないので、磁気特性も良くなります——思わぬ利点もあるのです。

鉄心材料に求められる性質をまとめる

本問の選択肢が、その全体を扱っています。

性質	望ましい方向	本問での扱い
★飽和磁束密度	★★大きい	★(1)(2)で純鉄とけい素鋼を比較
★保磁力	★★小さい	★(1)(2)(3)
★透磁率	★★大きい	★(1)(2)
★電気抵抗	★★大きい	★★(1)(2)(4)で渦電流損に関わる

「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。

純鉄は3つを満たしますが、電気抵抗だけが足りません——だから交流には使えないのです。

けい素を加えると抵抗が上がりますが、飽和磁束密度は下がります——つり合いを取るのです。

すべてを満たす材料はありません——だから用途で選び分けることになります。

渦電流が流れる向きを考える

(4)の判断には、向きの理解が要ります。

段階	起きること
①	★鉄心の中を交番磁束が通る
★②	★★磁束の変化が周囲に起電力を生む
★③	★★起電力は磁束を取り巻く向きに生じる
★④	★★渦電流は磁束に垂直な面内で回る
★⑤	★★その面を薄い板で分断すれば損失が減る

渦電流は、磁束を取り巻くように流れます——電磁誘導の向きです。

だから磁束に垂直な断面を分断すれば効きます——板を磁束に平行に置くのです。

磁束が板を貫く向きだと、板面内で回ってしまいます——薄くしても輪が小さくならないのです。

だから積層方向と磁束方向は直交させます——「同一方向」は誤りになります。

鉄心材料の選び分け

用途によって最適な材料が変わります。

材料	強み	弱み	用途
★純鉄・低炭素鋼	★★飽和磁束密度が高い	★★電気抵抗が小さい	★★直流電磁石
★けい素鋼板	★★安価でつり合いがよい	★—	★★変圧器・電動機
★アモルファス	★★鉄損が3分の1	★★高価で大形	★★柱上変圧器
★フェライト	★★抵抗率がきわめて高い	★飽和磁束密度が低い	★★高周波用

直流なら磁束が変化しないので、抵抗が低くても平気です——だから純鉄が使えるのです。

商用周波数の交流では、けい素鋼板がつり合いよく使えます——だから標準になったのです。

高周波では渦電流損が支配的なので、フェライト——酸化物なので抵抗率がけた違い。

周波数と用途で選び分ける——それが鉄心材料の考え方です。

まとめ

誤り	(4) 積層方向と磁束方向が直角で低減
純鉄	電気抵抗小で交流不適(1)
けい素鋼	電気抵抗大で交流用途(2)
ヒステリシス損	ループ面積×周波数(3)
アモルファス	非結晶で低鉄損(5)
答え	(4)

▼あわせて解きたい関連問題
・アモルファス鉄心（電気材料6）：【電力】令和5年度上期 A問題14
・磁性材料（電気材料1）：【電力】令和7年度下期 A問題14