変圧器の構造とは？鉄心・巻線・内鉄型と外鉄型を図解で解説【電験三種 機械】

まず、変圧器を「分解」してみよか。変圧器の中身はどんな部品でできてるんやろう？

変圧器っていうと、電柱の上に載ってるあの灰色の箱（柱上変圧器）をイメージする人が多いと思う。あの箱の中には、大きく分けて5つの主要部品が入ってるんや。

一番重要なのは鉄心（てっしん）と巻線（まきせん）の2つ。この2つは変圧器の「心臓」みたいなもんで、これがなかったら変圧器は成り立たへん。鉄心は磁束の通り道を作り、巻線は電気を入力・出力する部分やな。

次に大事なのが絶縁物や。一次巻線と二次巻線、巻線と鉄心、それぞれの間を電気的に絶縁する必要がある。数千ボルト、場合によっては数十万ボルトもの電圧を扱うんやから、絶縁がしっかりしてへんかったら大変なことになるで。

そして外箱（タンク）と冷却装置。変圧器は運転中に鉄損や銅損で熱が発生するから、その熱を逃がす仕組みが必要なんや。多くの変圧器は外箱の中に絶縁油を満たして、油で冷却と絶縁を同時に行ってるんやで。

この中でも、電験三種で特に問われるのが鉄心と巻線やで。次のステップから、この2つを掘り下げていくで！

ここからは変圧器の「心臓」とも言える鉄心について詳しく見ていくで。

そもそも、なんで鉄心が必要なんやろう？第2講で学んだように、変圧器は一次巻線で発生した磁束を二次巻線に伝えることで電圧を誘導する。この「磁束の通り道」を効率よく作るのが鉄心の役割なんや。

もし鉄心がなかったらどうなるか？空気中の透磁率は非常に小さいから、一次巻線で発生した磁束のほとんどが空気中に散らばってしまう。二次巻線を貫く磁束はごくわずかしか残らへん。これではまともに電圧を誘導できひんよな。

鉄（正確には「けい素鋼」）の透磁率は空気の数千倍もあるんや。せやから、鉄心を磁束の通り道として使えば、磁束のほとんどを鉄心の中に集中させることができる。ちょうど水道管が水を目的地まで効率よく運ぶのと同じやな。鉄心は「磁束のパイプ」と思えばええで。

さて、この鉄心にはただの「鉄」は使わへん。けい素鋼板（けいそこうはん）という特殊な材料を使うんや。けい素鋼板というのは、鉄にけい素（シリコン）を数%添加した合金の薄い板のことやで。

なんでわざわざけい素を混ぜるかって？大きく2つの理由がある。

ひとつめは、ヒステリシス損を減らすため。鉄心の中の磁束は交流やから、磁化の方向が常に変わり続ける。この磁化の反転のたびにエネルギーが失われるのがヒステリシス損やけど、けい素を添加するとヒステリシスループの面積が小さくなって、この損失が減るんや。

ふたつめは、渦電流損を減らすため。交流磁束が鉄心を貫くと、電磁誘導でうず状の電流（渦電流）が鉄心の中に流れてしまう。けい素を添加すると鉄の電気抵抗率が上がるから、渦電流が流れにくくなるんや。

さらに、渦電流対策としてもうひとつ重要な工夫がある。それは鉄心を薄い板を積み重ねて（積層して）作ることや。一枚の塊（かたまり）の鉄で作ったら渦電流が大きく流れてしまうけど、薄い板に分割して、板と板の間を絶縁すれば、渦電流の流れる経路が細切れになって、大幅に減少するんやで。

一般的に、変圧器用のけい素鋼板の厚さは0.23mm〜0.35mm程度や。非常に薄いやろ？この薄い板を何百枚、何千枚と積み重ねて鉄心を構成してるんや。

ここで覚えといてほしいんは、鉄心での損失（ヒステリシス損＋渦電流損）をまとめて鉄損と呼ぶことや。これは第13講の「損失」で詳しくやるけど、鉄心の材質と構造の工夫は、すべてこの鉄損を減らすためにあるんやで。

さて、鉄心の材質と目的がわかったところで、次は鉄心の形状について学ぶで。ここが第3講のハイライトや！

変圧器の鉄心の形状は大きく内鉄型（ないてつがた）と外鉄型（がいてつがた）の2種類に分かれるんや。名前だけ見ると、何が「内」で何が「外」なのかわかりにくいよな。ここを丁寧に説明するで。

ポイントは、鉄心と巻線の位置関係で名前がついてるってこと。

内鉄型は、巻線の「内側」に鉄心がある構造や。つまり、鉄心の脚に巻線をグルグル巻きつける形やな。鉄心が中で、巻線が外。巻線から見たら「鉄心が内側にある」から「内鉄型」と覚えるんやで。

外鉄型はその逆。巻線の「外側」に鉄心がある構造や。巻線を鉄心が外側から挟み込むような形になる。巻線から見たら「鉄心が外側にある」から「外鉄型」や。

図を見ると一目瞭然やな。内鉄型は鉄心が「口」の字型で、左右の脚にそれぞれ巻線を巻く。磁束は鉄心の中を1本の経路で流れるシンプルな構造やで。

一方、外鉄型は鉄心が「日」の字型（3本脚）で、中央の脚に巻線を巻いて、磁束は左右の外側の脚に分かれて流れる。中央脚の磁束 \( \Phi \) が左右に \( \Phi/2 \) ずつ分岐するんや。外側の鉄心が巻線を「守る」ように囲むから、機械的に丈夫やし、外部の磁界の影響も受けにくい。

電験三種で問われるポイントとしては、「内鉄型は磁路が1本」「外鉄型は磁路が2本に分岐」という違いが最も重要や。

実際の変圧器では、内鉄型が圧倒的に多く使われてるで。構造が比較的シンプルで、製造コストも安い。配電用や小〜中容量の変圧器のほとんどが内鉄型や。外鉄型は大容量や特殊な用途（例えば電気炉用など）で使われることがあるで。

ここまでで、変圧器の構成部品、鉄心の材質、内鉄型と外鉄型の違いを学んできたな。ほな、理解度をチェックしてみよか！

ええ感じやな！鉄心の次は、巻線（まきせん）について見ていくで。

巻線は、変圧器で電気を入力・出力する部分や。一次巻線に電圧をかけて、二次巻線から変換された電圧を取り出すんやったな。巻線の材質は銅（どう）が主流や。銅は電気抵抗が低いから、巻線に流れる電流による損失（銅損）を最小限に抑えられるんやで。

ちなみに、銅の代わりにアルミニウムを使うこともあるで。アルミは銅より軽くて安いけど、電気抵抗率が銅の約1.6倍あるから、同じ電流を流すなら太い線が必要になる。軽量化を重視する場合に使われることがあるんや。

さて、巻線の巻き方にも種類がある。代表的なのが円筒巻（えんとうまき）と円板巻（えんばんまき）の2つや。

円筒巻は、導線を鉄心の脚に沿って筒状に何層にも巻いていく方法や。小〜中容量の変圧器でよく使われるで。イメージとしては、トイレットペーパーのように筒状に巻いていく感じやな。

一方、円板巻は、導線を平たい円板状に巻いたものを何枚も積み重ねる方法や。大容量や高電圧の変圧器に使われることが多い。この方法やと、巻線の冷却が効率的にできるし、絶縁の設計もしやすいんやで。

巻線の種類がわかったところで、もうひとつ大事なポイントがあるで。それは巻線の配置や。

内鉄型の変圧器では、一次巻線と二次巻線を鉄心の同じ脚に重ねて巻くのが一般的やで。ここで「高圧巻線と低圧巻線、どっちを鉄心側に巻くか？」っていう問題がある。

答えは、低圧巻線を鉄心側（内側）に巻いて、高圧巻線を外側に巻くんや。

なんでかっていうと、絶縁の問題やで。高圧巻線は数千ボルト〜数万ボルトもの電圧がかかる。もし高圧巻線を鉄心に近い側に巻いたら、高圧巻線と鉄心の間に非常に強い絶縁が必要になる。鉄心は接地（アース）されてるから、高電圧との電位差が大きいんやな。

低圧巻線を内側（鉄心側）に配置すれば、鉄心との電位差が小さいから絶縁が楽になる。そして高圧巻線は外側に配置して、低圧巻線との間にしっかり絶縁を施す。こうすると絶縁設計が合理的になるんやで。

また、もうひとつの理由として漏れ磁束の低減がある。一次巻線と二次巻線を同じ鉄心脚に巻くことで、両方の巻線を貫く磁束（主磁束）が最大化され、どちらか一方の巻線だけを通る磁束（漏れ磁束）が最小化されるんや。漏れ磁束が大きいと変圧器の電圧変動率が大きくなって性能が悪くなるから、この配置は性能面でも理にかなってるんやで。

この「低圧が内側、高圧が外側」っていう配置は、電験三種でもよく問われるポイントやで。しっかり理由とセットで覚えとこな。

巻線の基本がわかったところで、ここまでの知識をチェックしてみよか。内鉄型・外鉄型と巻線の配置に関する問題やで。

鉄心と巻線の話が一段落したところで、次は冷却方式について学ぶで。

変圧器は運転中に損失が発生して、その損失はすべて「熱」に変わる。鉄心ではヒステリシス損と渦電流損（合わせて鉄損）、巻線では電流による銅損。この熱をしっかり逃がしてやらんと、絶縁物が劣化して寿命が縮まったり、最悪の場合は焼損してしまうんや。

変圧器の冷却方式は大きく分けて油入変圧器（ゆにゅうへんあつき）と乾式変圧器（かんしきへんあつき）の2つがあるで。

油入変圧器は、鉄心と巻線を外箱（タンク）の中に入れて、そこに絶縁油を満たしたもんや。絶縁油は「冷却」と「絶縁」の一人二役を担ってるんやで。油が鉄心や巻線の熱を吸収して、対流によってタンクの壁面に運ぶ。そしてタンクの外に付いた冷却フィンから大気中に放熱する、っていう仕組みや。

電柱の上に載ってる変圧器（柱上変圧器）は、まさにこの油入方式やで。よく見ると、タンクの側面に波形のフィンがついてるやろ？あれが放熱のための冷却フィンなんや。

一方、乾式変圧器は油を使わず、空気やガスで冷却する方式や。火災のリスクが低いから、ビルの中や地下変電所など、防火が重要な場所で使われるで。ただし、油入に比べると冷却効率は劣るから、一般的に大容量には向いてへん。

電験三種では、冷却方式そのものの問題は少ないけど、「油入変圧器は絶縁油で冷却と絶縁を兼ねる」「乾式は防火性に優れる」くらいは覚えといてな。それよりも、冷却に関連する温度上昇と絶縁劣化の概念が重要になるんやけど、それは後の講座で扱うで。

冷却方式もバッチリ学んだな。ほな問題で確認や！

ここからは、けい素鋼板をもう一段掘り下げるで。実は、けい素鋼板には方向性と無方向性の2種類があるんや。

方向性けい素鋼板っていうのは、結晶粒の配列を「圧延方向」に揃えた鋼板のことや。金属の結晶には「磁束が通りやすい方向」があるんやけど、方向性鋼板はその方向を圧延方向に一致させてある。せやから、圧延方向に磁束を流すと透磁率が非常に高くて、鉄損も小さい。

変圧器は鉄心の中を磁束が一定の方向に流れるよな。この「磁束の流れる方向」と「圧延方向」を一致させれば、最高の性能が得られるわけや。せやから、変圧器の鉄心には方向性けい素鋼板が使われるのが一般的やで。

一方、無方向性けい素鋼板は、結晶粒の配列がランダムで、どの方向でも磁気特性がほぼ均一なもんや。回転機（モーターや発電機）では磁束の方向が回転するから、特定方向だけ性能がええ方向性鋼板よりも、全方向で均一な性能が出る無方向性鋼板の方が適してるんや。

電験三種では「変圧器の鉄心には方向性けい素鋼板を使用する」「回転機には無方向性を使う」という区別が問われることがあるで。理由とセットで覚えとこな。

もうひとつ、鉄心の構造で知っておいてほしいことがあるで。それは鉄心の継ぎ目（接合部）の処理方法や。

鉄心は四角い「口」の字型や「日」の字型やけど、1枚の鋼板を曲げて作るわけやないんや。複数のL字型やI字型、E字型の鋼板を組み合わせて構成するんやで。ここで必ず「継ぎ目」ができるんやけど、この継ぎ目に隙間（ギャップ）があると、そこで磁束の通り道が途切れて磁気抵抗が増大してしまう。

この問題を軽減するために、重ね合わせ接合という方法が使われるで。これは、積層する鋼板の継ぎ目の位置を1枚ごとにずらして重ねることで、継ぎ目のギャップの影響を分散させる方法や。

たとえば、奇数番目の層はE型とI型を組み合わせて、偶数番目の層はI型とE型を逆向きに組み合わせる。こうすると、ある層の継ぎ目部分が隣の層では鋼板で覆われるから、全体としての磁気抵抗が大幅に減少するんや。

昔は突き合わせ接合（全ての層の継ぎ目を同じ位置に揃える）が使われてたんやけど、継ぎ目での磁気抵抗が大きくなるのが欠点やった。現在の変圧器ではほぼ重ね合わせ接合が標準やで。

けい素鋼板の種類と鉄心の組み立てについて学んだな。確認問題いくで！

ええ調子やな！ここで内鉄型と外鉄型の違いをもう一度しっかり確認する問題やで。

ここまで鉄心と巻線、冷却方式を学んできたな。ここからは絶縁と付属品について補足するで。

変圧器では絶縁が命や。なんでかっていうと、変圧器は非常に高い電圧を扱う機器やからな。一次巻線と二次巻線の間、巻線と鉄心の間、巻線のターン（巻き）ごとの間、すべてに適切な絶縁が必要なんや。

もし絶縁が破壊されたらどうなるか？短絡（ショート）が発生して、大電流が流れ、最悪の場合は変圧器が焼損したり爆発したりする。実際に変圧器の故障原因で最も多いのは絶縁劣化によるものやで。

絶縁材料としては、油入変圧器の場合は絶縁紙（クラフト紙）と絶縁油の組み合わせが基本や。巻線の導体の周りに絶縁紙を巻いて、さらに全体を絶縁油に浸す。紙と油の二重の絶縁で高い耐電圧を実現してるんやで。

乾式変圧器の場合は、エポキシ樹脂やワニスなどの固体絶縁材料が使われる。油を使わへん分、防火性に優れるっていうのは先ほど学んだ通りや。

変圧器の寿命は、実質的に「絶縁の寿命」と言ってもええくらいやで。温度が上がると絶縁が劣化するスピードが速くなるんやけど、一般的に温度が8〜10℃上がると寿命が半分になると言われてる。これを「8度則」とか「10度則」と呼ぶんや。せやから、冷却が大事なんやで。

最後に、変圧器の付属品と、電験で狙われやすいポイントを整理しておくで。

油入変圧器には、鉄心・巻線・絶縁油以外にも、いくつかの重要な付属品があるんや。

ブッシングは、タンクの蓋を貫通して巻線の端子を外部に引き出す部品や。高電圧を扱うから、ここの絶縁がしっかりしてへんかったらアカンのや。磁器（セラミック）やガス封入型のものが使われるで。

コンサベータ（conservator）は、絶縁油の膨張・収縮に対応するための補助タンクや。油は温度が上がると膨張し、下がると収縮する。コンサベータはこの体積変化を吸収する「バッファ」みたいなもんや。タンクの上に小さな円筒型のタンクが付いてるのがそれやで。

タップ切換器は、巻線の巻数を変えることで出力電圧を調整する装置や。負荷の変動に応じて電圧を一定に保つために使われるんやで。「無電圧タップ切換器」は電源を切ってから切り換えるタイプ、「負荷時タップ切換器」は運転中でも切り換えられるタイプやで。

さて、ここで電験三種で狙われやすいポイントを整理しとこか。構造の問題は選択肢の正誤判定で出ることが多いで。

特に注意してほしいのは、「積層は渦電流損対策」「けい素添加はヒステリシス損＋渦電流損対策」この2つの区別や。ひっかけ問題として「積層はヒステリシス損を低減するため」と出されることがあるけど、これは誤りやで。積層は渦電流の経路を細切れにするための工夫であって、ヒステリシス損には直接関係ないんや。

ほな、総合的な理解度チェックいくで！

もう少しやで！次は付属品の問題や。

ラスト！今日学んだ内容の総合問題やで。気合い入れていこう！

お疲れさん！第3講、完走やで！🎉

今日は変圧器の構造を徹底的に見てきたな。最後にポイントを振り返ろう。

変圧器の「心臓」は鉄心と巻線。鉄心は磁束の通り道で、けい素鋼板を積層して作る。けい素を添加するのはヒステリシス損と渦電流損を減らすため。積層にするのは渦電流損をさらに減らすためや。

鉄心の形状は内鉄型（磁路1本、巻線が外側）と外鉄型（磁路2本に分岐、巻線が内側）の2種類。一般的に内鉄型が多く使われてる。

巻線は銅線を使い、低圧巻線を内側、高圧巻線を外側に配置する。これは絶縁設計を合理的にするためや。