タグ別アーカイブ: 変圧器の原理

変圧器のエネルギー伝送現象

変圧器はファラディーの法則の適用によって解釈する科学技術設備である。大電力の伝送は変圧器に因る高電圧化が欠かせない。

ファラディーの法則。
その原理はコイル内の磁束φ[Wb]の時間的変化率によって、端子に発生する電圧が決まる事を示している。コイルの巻き線数nに比例する電圧vが発生する。
  v=n(d φ/d t) [V]
と表される。この式によって、電磁誘導現象の理解が容易だ。しかし、この法則は磁束と言う技術概念が使われているから、その意味を理解することが必要になる。もし自分が、初めて先生から磁束がコイルの中に発生すると電圧が生じると聞かされた時、簡単に理解できるだろうか。コイル内の空間に、磁束と言う線束が貫通するという磁束の物理的概念に疑問を抱くか、抱かないか。殆ど疑問など抱く余裕が無いからその言われたままを記憶して、磁束が自然界にはあるのだと理解する。

変圧器の構造。
基本的には、巻き数の異なる二つのコイルと鉄心からなる。

自然界に磁束は実在しない。
鉄心の役目は何か?鉄心が無ければ変圧器の機能は望めない。その鉄心の物理的役割は何か。技術概念としての磁束は鉄心の中を空間より多く通せるからと解釈する。技術概念ではそれを飽和磁束密度と言う言葉で捉える。磁束の飽和値が高いと解釈される。変圧器の役割は二つ以上のコイルの間で、異なる電圧を発生する電圧変換設備と言えよう。電圧という科学技術量を変換し、電圧を変えながらも『エネルギー』をコイル間で同じ量で伝送する機能を持っている。磁束は無くても『エネルギー』は自然界に実在する。それなら磁束でなく『エネルギー』で変圧器の現象を理解すべきではないか。科学技術法則はとても便利に自然現象を利用する手法を提供する。とても分かり易い。しかし、技術法則と言う物は、自然界に無い概念を定義して、自然を利用しやすく取りまとめる理論と言えよう。だから専門技術者は、簡単に技術概念を駆使して利用技術理論を使いこなせる。しかし概念が専門的な定義に因っているため、なかなか一般の市民には採りつくことの難しい理論となっている。もっと自然の本質に迫った解釈法なら、市民も理解し易い筈なのだ。理科教育はその考え方に基づく方向性を採るべきである。みんなが未来の科学技術に、その安全性や安心への意見表明による責任が発揮できるように。変圧器のコイルを巻く中心に鉄系の鉄心が使われる訳は何かを考えただけでも、その自然の特性や機能を理解することは難しい。しかし、自然現象が全て『エネルギー』がその主役を担っている事に思い至れば、必ずや分かったと安堵できる筈である。其処に科学技術と自然現象との関係を見つめる魅力がある筈だ。鉄心の内部に『エネルギー』が侵入するに時間を要するから、1次側の電源からの印加電圧による『エネルギー』供給に対して、十分対応できることになる。コイル電圧はコイル内部貯蔵の『エネルギー』が飽和したら『ゼロ』となる。鉄心内部に『エネルギー』が流入している限りコイル短絡には成らない。

自然の本質は分かり難く、複雑である。経済的効果を求めるなら、あまり役立たないかも知れない。しかし、精神的な安心感を得られる。複雑な技術概念は分からなくても、自然現象としての奥深くに秘められている不思議を心で体感できるから。その上で、技術法則を学習すれば、その技術的解釈法がとても優れている結晶だという事も解る筈だ。技術屋さんの専門性がなくても、大よその利用概念が分かって技術への理解で、未来科学技術の安全への自分なりの責任を発揮する基礎を身に付けられる。それが理科教育への大事な眼目と考える。

『エネルギー』で見る変圧器。
変圧器の機能は『エネルギー』の状態を1次と2次で変えて、伝送する電気設備である。この『エネルギー』を物理学理論ではどのように捉えているかを筆者は知らない。残念ながら、その認識が物理学理論には無いとしか思えない。電気磁気学で、電界と磁界の概念を空間電磁場に適用して理論が構築されている。その電界とか磁界と言う概念の意味を深く突き止めれば、必ず『エネルギー』に行き着く筈なのだ。それは光の半波長も空間の『エネルギー』の分布の認識に行き着く筈なのだ。しかしその解釈はどうも物理学理論には無い。それは自然を深く突き詰めて考えていないからではないかと勘繰らざるを得ない。電磁場を電界と磁界と言う概念で理解できたと解釈する限りは、空間に実在する『エネルギー』には届かない。宇宙論で高尚な理論を唱えても、足元の電気回路内の『エネルギー』が観えない限りそれは未来の世界観には届かない。単に変圧器の内部の電気現象でも、そこには『エネルギー』がその機能の主役を演じているのだ。上の図に大まかな変圧器の中の巻き線周りでの『エネルギー』の分布とその電気要素コイルとコンデンサ機能からの捉え方を提示した。

 

まとめ。

空間エネルギー分布が変圧器巻き線空間を支配している。その様子を上の図に示した。その『エネルギー』が変圧器外部回路にどう表れるかを右にまとめた。(2020/12/03)修正した。巻き数比a の関係も示した。このエネルギー電線路分布量δxx[J/m]はその電線路回路定数 Cx,Lxによって電圧から決まる。伝送エネルギーと反射エネルギーは負荷整合からのズレによって自動的に決まる。

変圧器の機能解釈で、ここまで辿り着くまでに、変圧器‐物理学解剖論‐ (2011/09/13)。変圧器の奇想天外診断 (2015/06/03) 。変圧器の技術と物理 (2019/04/12)。などがある。中でも・・奇想天外診断は思い付きの単純な実験ではあるが、それ以降の電気回路解釈に決定的な指針となった。『エネルギー』論への確信となった。

導体と空間とエネルギー (2020/11/28) をこの変圧器の現象説明のために先に示した。

電磁誘導現象の真相

ファラディーの法則(2020/10/24)。それは19世紀初めに唱えられたアンペア―の法則と共に電気現象の不思議を解き明かす基本法則である。電気回路現象の解釈の要となる概念が『電流』と『磁束』であろう。ファラディーの法則で、『磁束』がその主要概念となる。しかしよく考えると、コイルに磁束が鎖交すると何故コイルに起電力が発生するかの理由が分からない。金属導体のコイルと磁束の間の物理現象はどの様なものか。『磁束』とは一体どのような空間的物理量か。「科学技術概念の世界」を書きながら、さきにこの記事を投稿する。

磁束が自然世界にある訳ではない。人が電磁誘導現象の訳を解釈するために仮想的に決めた概念である。『電圧』とは何か?と同じように『磁束』の意味も分からないのである。磁石のN極側から空間に放射する線束として解釈して居よう。空間に線束とはいったい何だろうか。磁束や磁界と言う解釈概念は、本当はそのN極およびS極の周りをエネルギーが回転している空間現象なのだ。その様子を図の磁束φの先端に記した。N極側から見て、時計方向に回るエネルギー流なのだ。コイルの端子電圧Vはコイル1ターン毎の単位電圧vuの加算の電圧となる。丁度乾電池を積み重ねたと同じことになる。

コイルはコンデンサである。電線を二本平衡に張ればその間にはコンデンサが構成される。電線間の離隔距離と電線の形状・寸法でコンデンサ容量は変わる。コイルはその電線の間にはやはりコンデンサが構成されていると考えて良い筈だ。コイルの端子電圧の意味を少し深く考えれば、そのコイル電線間のコンデンサ容量と、そのギャップ間の貯蔵エネルギーとの関係を見直せば、新しい電圧の概念で統一的に捉えられると考えた。コイル巻き線間の間のエネルギー量をδ[J/1turn]とすれば、1turnコイルの電圧vuは図のように認識できる。丁度1turnの電圧を巻き数n倍すれば、コイル端子電圧Vとなる。

変圧器と『エネルギー』反射現象。

先に電気回路は直流も高周波も同じ電磁現象の基にあると述べた。変圧器は電気回路の中でも少し異なった、電力工学の捉え方が中心になって認識されているようだ。物理学の変圧器の解釈は励磁電流による磁束発生がその根本原理となっている。もう励磁電流などと言う解釈は過去の遺物概念と破棄しなければならない時にある。そこで更に先に進むには、変圧器も電線路に繋がれた一つの負荷でしかないと考えざるを得ない。其処では負荷と電線路特性との負荷整合の統一的解釈にまとめなければならない。変圧器での電源間とのエネルギー反射現象をどの様な認識で捉えるべきか。空芯であればすぐ短絡現象になる。鉄心がある事で、技術概念の『磁束飽和』に至らずに短絡せずに済む。それは鉄心へのエネルギー入射が時間的に長くかかり、鉄心でのエネルギー反射が巻き線空間を通して電源側に起きるからと考える。後に、追記で図によって示したい。ひとまず基本的な真相だけを述べた。

 

 

励磁電流とは?

(2020/06/13) 追記。“Electrons”の紋所と科学理論 (2020/04/07) と The electron did not exist in the world. (2020/05/15) 。

励磁電流否定の記事 変圧器の技術と物理 を投稿して。

(2019/04/16)追記。何処でも磁気や磁束は励磁電流で論じられる。元々電線の中に電子など流れていないにも拘らず、磁束まで電流との関係で定義される。ファラディーの法則の式を見れば、磁束と電圧の関係しかない。電流に因って磁束が発生するという意味など、その式には無いのだ。自然科学が科学技術理論で固められ、物理学としての自然哲学が欠落している処に理論の矛盾が放置されて来たと考える。

磁荷特性と電圧時間積分。

変圧器を例に、巻線の1ターンコイル電圧 eu [v] = v/n [v] (nは巻数)を基準にして考えることを提案した。磁束や励磁電流という技術概念についても、長い技術的評価手法となっている伝統的な磁化特性を取り上げ、その意味の電圧時間積分との関係での解釈を図に示す。コイルの電圧という意味はコイル巻線導体近傍の空間に分布したエネルギー量の技術評価概念なのである。複雑な概念量を統一して捉えることが自然科学論としての未来の姿でなければならない。それを可能にするのは『エネルギー』しかない。励磁電流という曖昧な技術量を見極めて、磁束とは何かを考えて欲しい。なお、磁化特性は鉄心材料によって、図の①や②のように異なる。変圧器などでは特性が良く①に近く、インダクタンスはL[H]無限大とも見られよう。インダクタンスはその電気器具のエネルギー貯蔵機能を評価する空間特性の評価概念である。(2019/05/08)上の図を訂正した。磁束φと磁束鎖交数ψ=nφで、コイル巻数nの関係を訂正した。

気掛かりで、励磁電流とは?とITで検索してみた。1970,000件も記事が有り、様々な解説記事が検索される。変圧器をはじめ発電機あるいは電動機などすべての磁束の発生原理として、アンペアの法則の磁界発生原理で解説されている。変圧器の技術と物理で、せめて磁束発生原因の励磁電流という間違いはやめるべきだと指摘した。50年も前(正確には生命の危機を脱した、昭和46年秋に研究補助を頂いて、ロイヤーインバータでの単相誘導電動機の周波数制御運転をして、産業教育振興中央会の「産業教育に関する特別研究成果 別冊」に載せて頂いた頃)に筆者は既に励磁電流を否定していた。変圧器突入電流という電源投入時の現象も投入位相で電圧零時であれば、設計磁束の2倍程の ∫vdt [Wb=(HJ)^1/2^] の磁束量になるからと『電圧時間積分』で解釈すべきである。

情無い(ツレナイ)ヒューズ遮断

(2015/7/13)実験追記。今日は新しい組み合わせで、実験をした。特に目新しい結果は得られなかった。しかし、前回の勘違いとなったガラス管ヒューズが強く光ったにも拘わらずヒューズが切れていなかった現象について、その意味が分かった。今日の実験でも、最初は緊張して電源スイッチを投入した。ヒューズが遮断するかどうかを注意しながらスイッチ投入。今日も相当の光度で光った。普通なら当然ヒューズが切れたと判断する筈だ。前回の事があったので、今度はヒューズの状況を確認した。しかし驚くことにやはり切れていなかった。じゃああの光は何だったのかとまた悩んだ。もう一度電源投入をした。しかし今度はヒューズが光る事もない。こんな実験結果には、科学の再現性と言う意味からして頭が混乱するのである。原因はダイオードの全波整流回路も負荷として電源に繋がっていた事であった。整流後の直流側に電界コンデンサ10μFを繋いでいた。その突入電流がヒューズの発光現象の原因であった。そこでもう一度直流電圧を放電して、再度突入状態を観測した。ヒューズはまたピカッと光った。今度はヒューズは切れていた。結局3度も同じ発光をした訳だから、相当ヒューズの質量も減少していた筈で、切れて当然である。それにしてもガラス管ヒューズの特徴を今回の実験勘違いが教えてくれたことを偶然の知見としたい。電気的現象に関する結果は今回は得られなかった。測定器の問題を解決したい。

(2015/7/12)追記。誠に残念なお詫びの記事です。新しくヒューズを取り替えて、再実験。ヒューズは切れない。どうも意味が理解できずに何度も確認する。しかし、0.1Aヒューズは切れない。端子1’と2’にランプ負荷5Wを繋いでもヒューズは切れない。先回ピカッと光って切れたヒューズを確認したら、切れていなかった。この結果は余りにも衝撃的な失敗の面目丸つぶれを示す。ヒューズの光った意味は何だったのか未だに理解できない。試しにヒューズの抵抗をテスターで計ると10Ω程度の値を示すことを知った。通電時の抵抗のオームの法則の関係とは別の意味の抵抗値だと思う。結局下の実験結果は私の初歩的な、恥ずかしい間違いであった。お詫びします。

そこでもう一度確認した。負荷ランプを繋いでも、繋がなくても動作に変化はない。端子1’と2’間には電源電圧が掛っている。問題は端子3’との線路間の電圧値である。紙筒コイルの変圧器鉄心の場合との大きな違いは当然の予想通り、僅かな電圧しか現れない事である。しかし、3’-2’間より3’-1’間の方がやはり僅かに大きいようである。この端子3’との間に現れる電圧の意味は鉄心の有る無しに関わりなく、微小電圧でも検出されることの意味は大きい。空間線路間エネルギー分布の検出と言う意味は電圧の意味を理解する電気磁気学の基本現象と理解しなければならない。ここから改めて実験が始まる。鉄心の意味を探る為の。

決して電気屋が考えない実験をした。やっぱり常識外れと電気に断られ、肘鉄を食らったような目にあった。スイッチを入れるとフューズ遮断だ。余りにも情無い(ツレナイ)と思った。しかし自然は嘘を言わない。その現象を大切に考えて見よう。これも世界に初めての実験結果だから。(2015/7/12)ヒューズが遮断されていなかったとは余りにも恥ずかしい話です。世界には通用しない結果だった。御免なさい。
電気実験 こんな愚かしい実験は誰もしない。しかし実験の思い付きの根底には物理学・電気磁気学への深い哲学的疑念が基になっているのだ。変圧器の奇想天外診断の実験結果が問いかける真理への道筋に咲く花を探す旅でもあるのだ。決して科学理論の常識には自然の真理は待っていないからはみ出さなければならないのだ。それが実験目的である。実験内容。それは紙筒に3本の線を巻きつけた。その2本に電源100Vの電圧をかけた。結果はヒューズ0.1Aが切れて、電圧を掛けられなかった。「何故か」の問答になる。

紙筒コイルに電圧印加実験回路2

変圧器は鉄心にコイルを巻く。奇想天外実験で、予想外の電圧が検出された。当然のこととして、磁心である鉄心の物理的機能原理を明らかにしたくなる。フューズ遮断と言う実験の失敗を論じるつもりはない。その先にどんな方法で実験を進めるかが面白さになる。その先の見えない生の裸を曝しながら、科学論を展開してみようと考えての失敗の公開である。

IMG_1147実験写真2

この実験は丁度新品のビニルコードの束の一方の端に電圧100Vを掛けたと同じ事になる。その時電源が過負荷遮断したような状況の結果である。しかも負荷は何も繋いでない無負荷状態である。こんなことは電気磁気学理論で考えられないのである。だから価値がある実験と思う。少しヒューズ容量を上げてまた実験を試みる。ヒューズを購入するまで中断。0.1Aヒューズでの再実験で、上に記事は間違いだったことが判明。