コイルに交流が流れたときに何が起こるのか。どのようにして焼け付かないようにするのか。
交流電流がコイルを通過するとき、以下の状況が発生します。
I. 電磁効果
1. 磁場の生成
交流電流がコイルを通過すると、コイル周囲に交流磁場が生成されます。この磁場の強度は電流の変化に応じて変化します。
例えば、電磁石の場合、交流電流がコイルを通過すると、鉄磁性物質を引きつける磁場が生成されます。この磁場の向きと強度は、交流電流の方向と大きさの変化に応じて変化します。
2. 誘導起電力
ファラデーの電磁誘導の法則によれば、変動する磁場はコイル内に誘導起電力を生成します。この誘導起電力の向きは電流の変化の向きと逆であり、自己誘導起電力と呼ばれます。
例えば、交流電流が増加すると、自己誘導起電力は電流の増加を妨げます。交流電流が減少すると、自己誘導起電力は電流の減少を妨げます。この自己誘導現象は交流回路において重要な役割を果たします。例えば、インダクティブ要素はフィルタリングや電流制限に使用することができます。
II. エネルギー損失
1. 抵抗損失
コイル自体には一定の抵抗があります。交流電流がコイルを通過すると、抵抗で電力損失が発生し、これが発熱として現れます。
例えば、コイルの抵抗がRで、通過する交流電流がIであれば、コイルの電力損失はP=I2Rとなります。電流が大きい場合やコイルの抵抗が大きい場合、電力損失は増大し、コイルの温度が上昇します。
2. 涡電流損失
交流磁場の作用下では、コイルの導体内に渦電流が生成されます。渦電流は導体内で電力損失を生成し、これも発熱として現れます。
例えば、トランスの鉄心では、交流磁場の作用により渦電流損失が発生します。渦電流損失を減らすために、トランスの鉄心は通常、渦電流の経路抵抗を増大させ、渦電流の大きさを減らすために層状構造を採用しています。
III. 焼損回避の方法
1. 適切なコイルパラメータの選択
実際の用途に応じて、巻数、線径、絶縁材など適切なコイルパラメータを選択します。コイルの巻数を増やすとインダクタンス値が上がりますが、同時に抵抗と体積も増大します。線径を大きくすることで抵抗を減らすことができますが、コストと体積も増大します。
例えば、インダクティブフィルタを設計する際には、入出力電圧、電流、周波数などのパラメータに基づいて適切なコイルパラメータを選択し、フィルタリング要件を満たしつつ、コイルの過熱や焼損を避ける必要があります。
2. 放熱措置の強化
コイルの温度を下げるためには、ヒートシンク、通気孔、ファンなどを追加して放熱措置を強化することができます。ヒートシンクはコイルと空気との接触面積を増やし、放熱効率を向上させます。通気孔は空気の循環を促進し、コイルで発生した熱を取り除きます。ファンは強制的に空気の流れを加速し、放熱速度を高めます。
例えば、高電力の電子機器では、コイルは通常、ヒートシンクに取り付けられ、通気孔やファンによって冷却されます。これにより、コイルの温度を効果的に下げ、焼損を防ぐことができます。
3. 電流と電圧の制御
過大な電流を通過させたり、コイルに過大な電圧をかけることを避けます。適切な保護素子（ヒューズ、ブレーカー、電圧調整器など）を使用して、電流と電圧の大きさを制限することができます。
例えば、電源回路では、過電流によるコイルの焼損を防ぐために、回路にヒューズを設置することができます。電流がヒューズの定格電流を超えると、ヒューズが切れ、回路が遮断され、コイルや他の要素を保護します。
4. 定期的な点検とメンテナンス
コイルの外観、温度、絶縁性能などを定期的に点検し、潜在的な問題を早期に発見し対処します。コイルに過熱、色調変化、異臭などが見られる場合は、すぐに使用を停止し、点検と修理を行います。
例えば、長時間動作する電子機器では、コイルを定期的に点検・メンテナンスし、塵やゴミを除去し、絶縁状態を確認し、コイルの抵抗値とインダクタンス値を測定します。これにより、コイルの問題を早期に発見し、対応措置を講じて焼損を防ぐことができます。
以上のように、交流電流がコイルを通過すると、コイルは磁場、誘導起電力、エネルギー損失を生成します。コイルの焼損を避けるためには、適切なコイルパラメータを選択し、放熱措置を強化し、電流と電圧を制御し、定期的な点検とメンテナンスを行うことが重要です。
