磁性体とヒステリシス｜B-H曲線とヒステリシス損【電験三種 理論】

💡 3種類の覚え方

強磁性体：磁石に「強く」引きつけられる → 鉄、コバルト、ニッケル

常磁性体：「常」に少しだけ引きつけられる → アルミ、白金

反磁性体：「反」対に少し反発する → 銅、銀、金

💡 飽和とは？

磁界 H をどんどん強くしても、ある程度で磁束密度 B が頭打ちになる現象。

スポンジが水を吸い込むイメージ：最初は勢いよく吸うけど、満杯になるとそれ以上吸えない！

変圧器を設計するとき、飽和しない範囲で使うのが重要や。

💡 電験での扱い

試験では「比透磁率 μᵣ = 〇〇」と問題文で与えられることが多い。

これは「平均値を使ってね」という意味や。

実際の設計では、B-H曲線のデータを使って細かく計算するで。

💡 ヒント

変圧器の鉄心には、磁束を通しやすい材料が必要。

μᵣ（比透磁率）が大きい磁性体はどれ？

💡 ヒステリシスを身近な例で

バネを引っ張って戻すとき、完全には元に戻らない感じに似てる。

磁化すると「磁気の記憶」が残り、元に戻りにくくなる。

この「記憶」が交流のたびにエネルギーを消費するんや！

💡 永久磁石と変圧器鉄心の違い

永久磁石：ヒステリシスループが太い（Bᵣ、Hc大）→ 磁力が消えにくい

変圧器鉄心：ヒステリシスループが細い（Bᵣ、Hc小）→ 損失が少ない

用途に合わせて材料を選ぶんや！

💡 ヒステリシス損を減らすには？

① ヒステリシスループが細い材料を使う（ケイ素鋼板など）

② 磁束密度 Bₘ を小さくする（鉄心を大きくする）

③ 周波数 f を下げる（でもこれは用途で決まる）

💡 ヒント

公式の指数を確認しよう。

f は何乗で入ってる？

💡 ヒステリシス損との違い

ヒステリシス損：f の1乗に比例（Pₕ ∝ f）

渦電流損：f の2乗に比例（Pₑ ∝ f²）

高周波になると渦電流損が急増するんや！

💡 積層鉄心の実際

変圧器の鉄心：厚さ約0.35mm～0.5mmの薄板を積層

各板は表面を絶縁処理（ワニス塗装など）

これで渦電流の経路を分断し、損失を大幅に減らせる！

💡 試験での出題ポイント

「周波数が2倍になったとき、各損失は何倍？」

・ヒステリシス損 Pₕ → 2倍（f の1乗）

・渦電流損 Pₑ → 4倍（f の2乗）

指数の違いを覚えておこう！

💡 ヒント

t の指数に注目！

t² なので、t が 1/2 になると…？

💡 なぜ f で割るの？

Pᵢ = af + bf² を f で割ると：

Pᵢ/f = a + bf

これは y = a + bx の形（直線の式）！

グラフにすると切片と傾きから a, b が分かる。

💡 飽和を避ける設計

変圧器の鉄心は、定格運転時に飽和しないように設計される。

これが「定格電圧」を超えて使ってはいけない理由の一つ！

電圧を上げすぎると磁束が増え、飽和に近づいてしまう。

💡 材料選びの考え方

変圧器：交流で磁化が反転 → 損失小さい材料

永久磁石：一度磁化したら消えにくい → Bᵣ, Hc 大きい材料

目的に応じて「良い磁性体」の定義が変わる！

💡 ヒント

ヒステリシス損と渦電流損を別々に計算しよう。

周波数比 60/50 = 1.2 を使う！

💡 試験での頻出パターン

① 周波数を変えたときの損失計算（50Hz→60Hz など）

② ヒステリシス損と渦電流損の分離

③ 積層鉄心の効果（板厚と渦電流損の関係）

④ 材料の特性と用途の対応

💡 磁性体マスターへの道

今回学んだ内容は、電気機器（変圧器、モーター）の理解に直結する！

特に「機械科目」でも鉄損の話が出てくるから、しっかり覚えておこう。

次回は磁気エネルギーで、インダクタンスとの関係を深める！

💡 今日のまとめ

磁性体の性質（B-H曲線、ヒステリシス）が分かると、

変圧器やモーターの「なぜ鉄損が発生するか」「なぜ積層するか」が理解できる！

次回は磁気エネルギーで、コイルに蓄えられるエネルギーを学ぶで。