家電の無負荷損｜ヒステリシス損と渦電流損
家電を知りたい
「無負荷損」の意味がよくわかりません。
家電製品マニア
無負荷損とは、変圧器が負荷のない状態、つまり電流が流れていない状態でも発生する損失のことです。
家電を知りたい
負荷が関係ないんですか?
家電製品マニア
その通りです。無負荷損は負荷率に関係なく発生し、負荷率が低い配電用変圧器で特に問題になります。
無負荷損とは。
変圧器で発生する「無負荷損」とは、電流が流れていない状態でも発生する損失のことです。これは、変圧器の鉄心に電流が流れた際に発生する磁束の変化による「ヒステリシス損」と「渦電流損」によって生じます。
無負荷損は、負荷の大きさに関係なく常に発生し、特に負荷率の低い配電用変圧器では問題となります。負荷率が低いとは、変圧器の定格容量に対して実際にかかっている負荷が小さい状態を指し、この状態では無負荷損が変圧器の全体の損失に占める割合が大きくなってしまうためです。
無負荷損とは？
家電の無負荷損とは、電化製品が通電しているものの動作していない状態にあるときに発生するエネルギー損失のことです。電化製品には、通電すると発生する電流により磁界が生成されます。この磁界が変化すると、ヒステリシス損と渦電流損という2種類の無負荷損が発生します。
無負荷損の原因
家電の無負荷損は、その機器が稼働していないときにも消費される電力です。この損失は主に、ヒステリシス損と渦電流損の2つの要因によって引き起こされます。
ヒステリシス損は、磁性材料が磁化されると磁気ドメインが向きを変える際に発生するエネルギー損失です。磁気ドメインは、材料内の小さな磁石のようなもので、磁化の方向に沿って向きを変えます。しかし、この向き変え的过程にはエネルギーを要し、これがヒステリシス損として失われます。
一方、渦電流損は、磁性材料に渦電流と呼ばれる渦状の電流が発生するときに発生するエネルギー損失です。電磁誘導によって発生するこの渦電流は、磁性材料の抵抗によって熱に変換され、損失になります。
ヒステリシス損
ヒステリシス損は、磁性材料が磁気誘起に対して示す非線形な挙動に起因するエネルギー損失です。磁性材料に外から磁界を加えると、その材料は磁化されて磁界の方向に磁気双極子を整列させます。しかし、外磁界がゼロになると、磁性材料は完全に元の無磁気状態には戻りません。この現象をヒステリシスと呼びます。
ヒステリシスによって、磁性材料内の磁気モーメントが磁界の方向を変化させる際に、エネルギーが消費されます。このエネルギー損失がヒステリシス損です。ヒステリシス損は、磁性材料の透磁率と飽和磁束密度、および磁界の変化速度によって決まります。透磁率が高いほど、飽和磁束密度が低いほど、ヒステリシス損が小さくなります。また、磁界の変化速度が速いほど、ヒステリシス損は大きくなります。
渦電流損
-渦電流損-
家電製品を使用していないときでも、コイルや変圧器などの電磁石部品を流れる微小な電流によって発生する損失が渦電流損です。この微小な電流は、変化する磁界によって誘導されます。渦電流が流れるとジュール熱が発生し、エネルギーが熱に変換されることで損失が発生します。
渦電流損の大きさは、磁界の変化率、コイルの形状、電磁石の材料に依存します。磁界の変化率が高いほど、コイルが大きいほど、電磁石の材料の導電率が高いほど、渦電流損も大きくなります。
無負荷損対策
-無負荷損対策-
家電において無負荷損を低減するために、さまざまな対策が講じられています。その1つはコア材料の改善です。高透磁率でヒステリシス損を低減する材料や、電磁鋼板を薄く積層して渦電流損を低減する材料が採用されています。また、巻線の形状や配置の最適化も重要です。渦電流損を低減するため、巻線をより細くしたり、層間を絶縁したりしています。
さらに、電磁シールドの設置によって、外部磁界による渦電流損の発生を防止しています。コアの形状を工夫することで、鉄損を低減することもできます。また、特殊な材料や構造を採用することで、無負荷損を大幅に低減するケースもあります。これらの対策により、家電の消費電力を削減し、省エネ化に貢献しています。
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