【銅損・鉄損】変圧器や電動機のエネルギー損失

電気電気設計

NEONEEETです。

この記事は、化学工場の機電系設計者・プラントエンジニアを対象としています。

この記事を読むと、変圧器や電動機の損失を学ぶことができます。

結論

変圧器や電動機の損失には銅損と鉄損がある。

銅損は負荷損失で、負荷に応じて熱の形で発生する。

鉄損は無負荷損失で、負荷によらず一定の損失が出る。

はじめに

ポンプや攪拌機では効率に関する係数がいっぱい登場します。

今回は、変圧器や電動機で損失に関して紹介します。

損失は銅損と鉄損

変圧器や電動機では損失は、同じ議論が可能です。

入力・出力・損失は簡単に書くと下記の関係があります。

  • 入力 = 出力 + 損失
  • 損失 = 銅損 + 鉄損

この関係から、効率は下記のように定義します。

効率 = 出力 / 入力

…ここまでは教科書に書いています。

「効率」と雑に書いている教科書が非常に多いです。

厳密には電動機の効率、変圧器の効率です。

銅損は負荷損失

銅損と鉄損とだけ記載している電気関係の教科書は非常に多いです。

銅損や鉄損とは何でしょうか?」

銅損は負荷損失鉄損は無負荷損失と言われています。

銅損はコイルの巻き線抵抗により発生する損失です。

抵抗により発生する損失なので、ジュール熱として温度上昇の形で目に見えます。

ジュール熱とは電圧×電流、電流×電流×抵抗という形で表現されます。

すなわち、

電動機に電流を流すほど銅損は高くなる、と考えて良いでしょう。

鉄損は無負荷損失

鉄損はコイルの磁性によって発生する損失です。

ヒステリシス損失は渦電流損失などから成り立ちます。

ヒステリシス損失も渦電流損失も、磁束密度に依存します。

磁束密度???

となると思います。

磁束密度という単語を無視して、負荷によらず鉄損は一定、と認識していれば十分です。

ここから先は、読み飛ばしても大丈夫な内容です。

磁束密度と負荷の関係

磁束密度とは、磁束/面積で決まります。

磁束とは、磁石の力と考えれば十分。

棒磁石なら磁石のサイズなどで固定される特性です。

電動機や変圧器の場合は、電磁石ですので、流す電流量で磁束は変わります。

ですが、電動機でも変圧器でも一次側の電気供給は固定されていますので、磁束は基本的に変わりません。

負荷が変わると、一次側の電気供給は変わらないが、二次側で発生する電流が変わります。

磁束密度は磁束/面積ですが、その面積は電動機の大きさで決まります。

したがって、磁束密度も負荷によらず一定です。

本当は、トルクや磁束密度や電磁力の関係を厳密に議論する方が分かりやすいのですが、

化学工場の機電系設計者・プラントエンジニアがそこまで理解しておく必要はないでしょう。

おわりに

銅損や鉄損という単語を知っている機械屋自体が少ないでしょう。

さらにその意味を知ろうとする人はほとんどいません。

こういうレベルであることを認識しておくと、就職や転職活動時に参考になると思います。

この記事が皆さんのお役に立てれば嬉しいです。

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