変圧器の負荷電流に関する実験

　ドーナツ鉄心で、１次コイルと２次コイルを同じ位置に巻いた場合でも、別々の位置に離して巻いた場合でも、負荷電流は磁束を作りませんでした。無負荷時の飽和１次電流は０．０５7Ａと０．１２Ａでしたが、負荷電流が１．２Ａになっても磁束の飽和は在りませんでした。

　負荷電流が磁束を作らない理由を考えてみました。負荷電流は１次コイルと２次コイルに流れますが、１次コイルと２次コイルの負荷電流は互いに逆向きの磁界を作ります。鉄心に作用するのは、両者の合計磁界です。磁束密度Ｂ、透磁率μ、磁界Ｈとすれば、Ｂ＝μＨです。実験では１次コイルと２次コイルの巻数を同じにしてありますから、１次コイルと２次コイルの磁界の大きさは同じで向きが反対です。その為、Ｂ＝μＨのＨは０になり、磁束密度が０になり、磁束が０となります。「負荷電流が磁束を作らない」と言う時の負荷電流は、１次コイルの負荷電流と２次コイルの負荷電流を考慮した負荷電流のことです。１次コイルと２次コイルの巻数が異なる場合は、次のようになります。

　１次コイルの巻数をＮ１、２次コイルの巻数をＮ２、１次コイルの電流をＩ１、２次コイルの電流をＩ２とします。１次コイルの作る磁界と２次コイルの作る磁界の大きさは同じですから、　Ｉ１×Ｎ１＝Ｉ２×Ｎ２　　です。これより、Ｉ１＝Ｉ２×（Ｎ２／Ｎ１）　となります。２次コイルの巻数が１次コイルの（１／２）の場合、１次コイルの電流は２次コイルの（１／２）となります。

１．実験に使用した変圧器の写真と仕様

　コイルを同じ位置に巻いたもの　　コイルを別々の位置に巻いたもの

２．無負荷、負荷時の１次コイルの電流ー電圧グラフ

２－１．１，２次コイルを同じ位置に巻いた場合

　

グラフの説明

①横軸：１次コイル電流Ａ　　縦軸：１次コイル電圧Ｖ

②青色（１３０ＰＶ∞）：無負荷時の１３０Ｖコイルの電流ー電圧です。

　　　　１次コイルは、単巻変圧器のコイルなので、１３０Ｖ端子と１００Ｖ端子が

　　　　在ります。上の表に在る１次コイルの巻数２４６は１３０Ｖ端子のものです。

③灰色（１００ＰＶ１３０）：無負荷時の１００Ｖコイルの電流と電圧を１３０Ｖ

　　　　コイルに変換したものです。

④青色のグラフと灰色のグラフが重なっていて、変換が正しいことを示しています。

⑤オレンジ色（ＰＶ１００）：２次コイルの負荷抵抗が１００Ωの場合の１次コイルの

　　　　電流ー電圧です。

⑥灰色のグラフは、電流が０．０５７Ａから磁束の飽和が始まることを示しています。

⑦オレンジ色のグラフは負荷電流が０．０５７Ａを超えても、電圧が１３０Ｖになる迄

　　　　は磁束の飽和がないことを示しています。

　無負荷時の電流ー電圧です。

　

記号の説明

①１３０ＰＩ∞：１３０Ｖコイルの１次無負荷電流です。

②１３０ＰＶ∞：１３０Ｖコイルの１次無負荷電圧です。

③１００ＰＩ∞：１００Ｖコイルの１次無負荷電流です。

④１００ＰＶ∞：１００Ｖコイルの１次無負荷電圧です。

⑤１００ＰＩ１３０：１００Ｖコイルの電流を１３０Ｖコイルに変換したものです。

⑥１００ＰＶ１３０：１００Ｖコイルの電圧を１３０Ｖコイルに変換したものです。

１００Ｖコイルの電流と電圧を１３０Ｖコイルに変換する方法

　鉄心中に磁束Φがある場合、このΦで発生する電圧はコイルの巻数に比例し、このΦを発生させる電流はコイルの巻数に反比例します。そして、１３０Vコイルの巻数は１００Vコイルの巻数の１．３倍ですから、１００Vコイルの電圧、電流を１３０Vコイルに変換すると、電圧は１．３倍に、電流は　１／１．３　になります。

２次コイルの負荷抵抗が１００Ωの時の１次コイルの電流ー電圧です。

記号の説明

①ＰＩ：１次コイル電流、ＰＶ：１次コイル電圧、ＳＩ：２次コイル電流、ＳＶ：２次

　　コイル電圧、ＮＶ：無負荷コイルの電圧です。

②ＫＳＣＶ：計算による２次コイルに発生する電圧です。この計算はＳＶと（ＳＩ×２

　　次コイルの内部抵抗）の合計です。つまり、２次コイルの電圧に２次コイルの内部

　　抵抗による電圧降下を足したものです。

　　　　ＫＳＣＶ＝ＳＶ＋（ＳＩ×２次コイルの抵抗）

　　　　ＫＳＣＶはＮＶとよく一致しています。

③ＫＰＣＶ：計算による１次コイルに発生する電圧です。

　　　　ＫＰＣＶ＝（（ＰＶ^２－（励磁電流×１次コイルの抵抗）^２）^０．５

　　　　　　　　　　　ー（負荷電流×１次コイルの抵抗）

　励磁電流は各ＰＶ１００の時の無負荷電流です。上式の励磁電流として、無負荷時のＰＩ－ＰＶを使えるのは、負荷電流が流れても、無負荷時のＰＩ－ＰＶは変化しないからです。ＰＶ１００が６０．５Ｖなら、無負荷時の電流ー電圧で、電圧が６０．３Ｖの時の電流０．０１２Ａを励磁電流として使えるのです。

④右側の１００は、負荷抵抗が１００Ωであることを示しています。

⑤電流、電圧の位相は、６－１．に示します。

２－２．１，２次コイルを別々の位置に巻いた場合の電流ー電圧です。

　

グラフの説明

①横軸：１次コイル電流Ａ　縦軸：１次コイル電圧Ｖ

②青色（ＰＶ∞）：無負荷時の電流ー電圧です。

③オレンジ色（ＰＶ１００）：２次コイルの負荷抵抗が１００Ωの時の１次コイルの

　　電流ー電圧です。

④青色のグラフは、コイル電流が０．１２Ａから磁束の飽和が始まることを示してい

　　ます。

⑤オレンジ色のグラフはコイル電流が０．１２Ａを超えても、電圧が１００Ｖになる迄

　　は磁束の飽和がないことを示しています。

⑥無負荷時のグラフが、１、２次コイルを同じ位置に巻いた場合のグラフと少し違いますが、これは鉄心の断面積と透磁率の違いによるものです。電流は、断面積×透磁率に反比例します。コイルが同じ位置の鉄心の断面積は、コイルが別々の位置の鉄心の断面積の１．８６倍です。無負荷時の電流ー電圧で、１、２次コイルを同じ位置に巻いた場合で、電圧が１００Ｖにおける電流は、コイルが別々の位置の電流の、

０．０２２／０．１２＝１／５．４５です。ですから、５．４５＝（１．８６×（透磁率の比））です。従って、１、２次コイルを同じ位置に巻いた場合の鉄心の透磁率は、コイルが別々の位置の鉄心の透磁率の５．４５／１．８６＝２．９３倍になります。

　　　　　　　　無負荷時の電流ー電圧です。

　　　　　　　　

　　２次コイルの負荷抵抗が１００Ωの時の１次コイルの電流ー電圧です。

　

　記号の説明

①ＰＩ：１次コイル電流、ＰＶ：１次コイル電圧、ＳＩ：２次コイル電流、ＳＶ：２次

　　コイル電圧、ＰＮＶ：１次側無負荷コイル電圧、ＳＮＶ：２次側無負荷コイル電圧

　　です。

②ＮＰＮＶ：ＰＮＶを２６０回から２５１回の巻数に変換した電圧です。

　　　　ＮＰＮＶ＝（ＰＮＶ／２６０）×２５１

③ＮＳＮＶ：ＳＮＶを２６０回から２５１回の巻数に変換した電圧です。

④ＫＳＣＶ：計算による２次コイルに発生する電圧です。この計算はＳＶと

　　（ＳＩ×２次コイルの内部抵抗）の合計です。つまり、２次コイルの電圧に２次

　　コイルの内部抵抗による電圧降下を足したものです。

　　　　ＫＳＣＶ＝ＳＶ＋（ＳＩ×２次コイルの抵抗）

⑤ＫＰＣＶ：計算による１次コイルに発生する電圧です。

　　　　ＫＰＣＶ＝（（ＰＶ^２－（励磁電流×１次コイルの抵抗）^２）^０．５

　　　　　　　　　　　　　ー（負荷電流×１次コイルの抵抗）

　励磁電流に関しては、２－１．の負荷時の電流ー電圧の③を参照願います。

⑥右側の１００は、負荷抵抗が１００Ωであることを示しています。

⑦電流、電圧の位相は、６－１．に示します。

２－３．ボビン空芯コイルの場合の電流ー電圧です。

　　　　　　　ボビン空芯コイルの写真です。

　　　　　

（１）コイル仕様

　　　線径１ｍｍ２本と線径０．４ｍｍ１本を一緒に巻きました。

　　　　コイル仕様　　　　　　　　　　　　　　　　　ボビン寸法

１、２次コイル共線径１ｍｍのコイルです。

（２）実験記録

　　　　１次コイルの電流ー電圧です。

　グラフの説明

①横軸：１次コイル電流Ａ　　縦軸：１次コイル電圧Ｖ

②青色（ＰＶ∞）：無負荷時の電流ー電圧です。

③オレンジ色（ＰＶ１２）：２次コイルの負荷抵抗が１１．８Ω（コイル抵抗３．２Ω

　を含みます）の時の1次コイルの電流ー電圧です。

④鉄心がないので無負荷時でも磁束の飽和は在りません。

　　　　　無負荷時の電流電圧です。

　　　　

　負荷抵抗が１１．８Ω（コイル抵抗３．２Ωを含みます）の時の１次コイルの

電流ー電圧です。

記号の説明

①ＰＩ：１次コイル電流、ＰＶ：１次コイル電圧、ＳＩ：２次コイル電流、ＳＶ：２次

　コイル電圧、ＮＶ：線径０．４ｍｍの無負荷コイルの電圧です。

②ＫＳＣＶ：計算による２次コイルに発生する電圧です。この計算はＳＶと（ＳＩ×

　２次コイルの内部抵抗）の合計です。つまり、２次コイルの電圧に２次コイルの内部

　抵抗による電圧降下を足したものです。

　　　ＫＳＣＶ＝ＳＶ＋（ＳＩ×２次コイルの抵抗）

　　　ＫＳＣＶはＮＶとよく一致しています。

③ＫＰＣＶ：計算による１次コイルに発生する電圧です。

　　　ＫＰＣＶ＝（（ＰＶ^２－（励磁電流×１次コイルの抵抗）^２）^０．５

　　　　　　　　　　　　　ー（負荷電流×１次コイルの抵抗）

　　励磁電流については、２－１．の負荷時の電流ー電圧の③を参照願います。

④右側の１２は、負荷抵抗が１１．８Ω（コイル抵抗３．２Ωを含みます）であること

　を示しています。

⑤電流、電圧の位相は、６－１．に示します。

３．Ａ、Ｂコイルを負荷電流のようにＡ、Ｂコイルが互いに反発するように直列に接続した場合の実験記録

３－１．Ａ、Ｂコイルを同一位置に巻いた場合

（１）コイル仕様

　　

（２）Ａ、Ｂコイルが同じ巻数の場合　　　　　　　　

記号の説明

①ＩＩ：入力電流、ＩＶ：入力電圧、ＡＶ：Ａコイル電圧、ＢＶ：Ｂコイル電圧、

　ＮＶ：無負荷コイル電圧です。

②ＩＶ＝ＡＶ＋ＢＶ　となっています。

③ＫＡＣＶ＝計算によるＡコイルに発生する電圧

　　　　　＝（ＡＶ^２－（ＩＩ×Ａコイルの抵抗）^２）^０．５

④ＫＢＣＶ＝計算によるＢコイルに発生する電圧

　　　　　＝（ＢＶ^２－（ＩＩ×Ｂコイルの抵抗）^２）^０．５

（３）Ｂコイルの巻数がＡコイル＋１の場合

　

　ほぼ、ＩＶ＝ＢＶーＡＶとなっています。

（４）Ｂコイルの巻数がＡコイル＋５の場合

　

　ＩＶと（ＢＶーＡＶ）が違っていますが、理由はわかりません。（３）よりＮＶが大きくなっています。

３－２．１、２次コイルを別々の位置に巻いた場合

　（１）コイル仕様

　　　

（２）Ａ、Ｂコイルが同じ巻数の場合

　

　記号の説明

　①ＡＮＶ：Ａコイルの無負荷コイル電圧

　②ＮＡＮＶ：ＡＮＶを巻数２６０回から２５１回に変換した電圧

　③ＩＶ＝ＡＶ＋ＢＶ　となっています。

（３）Ｂコイルの巻数がＡコイル＋２の場合

　　

　　ＩＶ＝ＢＶ－ＡＶ　となっています。

（４）Ｂコイルの巻数がＡコイル＋２０の場合

　　

　　ＩＶが（ＢＶ－ＡＶ）と違っています。　

（５）漏れ磁束測定

　　Ａコイルで測定しました。Ａ、Ｂコイルの巻数は同じです。

　　①下の写真のようにして測定しました。

　　

　　上の漏れ磁束測定用のコイルの写真　巻数：５０回

　　

②測定結果と電流干渉率

　

　記号の説明

　①ＡＬＶ：Ａコイルの漏れ磁束用コイル電圧

　②ＫＡＣＶ＝計算によるＡコイルに発生する電圧

　　　　　＝（ＡＶ^２－（ＩＩ×Ａコイルの抵抗）^２）^０．５

　③ＫＢＣＶ：計算によるＢコイルに発生する電圧

　④ＮＡＬＶ：ＡＬＶをＡコイルの巻数の変換したものです。

　　　　ＮＡＬＶ＝ＡＬＶ×（２５１／５０）　です。

　⑤Ｋ：電流干渉率（Ａコイルで計算しました。）

　電流干渉率の計算

　ＡとＢ、二つの電磁石による電流干渉実験で作ったものです。これをドーナツ鉄心に離して巻いたＡ、Ｂコイルに適用しました。１．のコイルを別々の位置に巻いたものです。二つの電磁石による電流干渉実験の詳細は「５．二つの電磁石の電流干渉」にあります。

　コイルの電流をＩｓとします。

　コイルＡに発生する電圧をＶｓとします。

　非干渉時の電流をＩｎとします。

　非干渉時のＡコイルに発生する電圧をｖｎａとします。

　電磁石Ｂに流れる電流の一部が電磁石Ａに影響を与えるのですがこの割合をＫとしま

　す。

　コイルに発生する電圧はコイルの電流に比例するので

　ｖｎａ＝ｋ×Ｉｎです。ｋは定数です。

　干渉時にコイルＡに発生する電圧は

　Ｖｓ＝ｋ×（Ｉｓ＋Ｋ×Ｉｓ）＝ｋ×Ｉｓ×（１＋Ｋ）

　　　ｋ＝ｖｎａ／Ｉｎですから代入して

　Ｖｓ＝（ｖｎａ／Ｉｎ）×Ｉｓ×（１＋Ｋ）

　　　これよりＫは

　Ｋ＝（Ｖｓ／Ｉｓ）×（Ｉｎ／ｖｎａ）－１

　　　となります。

３－３．Ａ、Ｂコイルを同じ位置に巻いた場合の反発実験の電流ー電圧と電流干渉率

　（１）コイル仕様

　　　　　１．の「コイルを同じ位置に巻いたもの」を使用しました。

　（2）実験結果

　

記号の説明　

①ＫＡＣＶ：計算によるＡコイルに発生する電圧

②ＫＢＣＶ：計算によるＢコイルに発生する電圧

③ＫＡ：Ａコイルによる電流干渉率

３－４．ボビン空芯コイルによる反発実験記録と電流干渉率

（１）実験結果

　　ＡコイルとＢコイルが同じ巻数の場合

　Ｂコイルの巻数がＡコイル＋３０回場合

（２）無負荷電流と電圧及び電流干渉率

　

４．電流干渉率の考察

４－１．各コイルの電流干渉率の比較

　　　　ドーナツ鉄心で、Ａ、Ｂコイルを同じ位置に巻いた場合：－０．９９９８

　　　　ドーナツ鉄心で、Ａ、Ｂコイルを別々の位置に巻いた場合：－０．９９６

　　　　Ａ、Ｂコイルを一緒に巻いた空芯コイルの場合：－０．７９３

　因みに、Ａ、Ｂコイルを一緒に巻いた空芯コイルの場合、吸引時の電流干渉率は

０．９９です。

４－２．ドーナツ鉄心のコイルに発生する電圧の比較

　

４－３．ドーナツ鉄心の電流干渉率の比とコイルに発生する電圧の比

　コイルに発生する電圧は漏れ磁束によるものですから、漏れ磁束の比と発生電圧の比は同じになるものと思っています。

 　漏れ磁束の比＝（１－０．９９６）／（１－０．９９９８）

　　　　　　　 ＝０．００４／０．０００２＝２０倍

 　発生電圧の比＝６．５５／２．０７＝３．２

電圧比の計算　

　Ａ、Ｂコイルが別々の位置の場合でも、同一位置の場合でも、コイルに流れる電流は同じですが、発生する磁束は、鉄心の断面積×透磁率の違いにより異なります。２－２．グラフの説明の⑥に示される通り、同じ電流なら、同一位置の方が別々の位置よりも５．４５倍の磁束が発生します。同一位置の磁束をΦ１、電圧をＶ１　とし、別位置の磁束をΦ２、電圧をＶ２とすると、電流が同じ場合、Φ１＝Φ２×５．４５です。

　　　　Ｖ２＝Ｋ２×Φ２×０．００４

　　　　Ｖ１＝Ｋ２×Φ１×０．００２＝ｋ２×Φ２×５．４５×０．０００２

　Ｖ２／Ｖ１＝（ｋ２×Φ２×０．００４）／（ｋ２×Φ２×５．４５×０．０００２）

　　　　　　＝（０．００４／０．０００２）／５．４５

　　　　　　＝２０／５．４５＝３．７　となり、実験の電圧比とほぼ同じです。

４－４．ボビン空芯コイルの電流干渉率

　反発時の電流干渉率はー０．７９３、吸引時の電流干渉率は０．９９１です。Ａ、Ｂコイルは一緒に巻いてあるのですから、反発時の電流干渉率も、吸引時の電流干渉率も同じになると思っていたのですが、そうではありませんでした。

　隣り合う２本の導体に電流を流した時、同じ向きの場合は吸引力が働き、逆向きの場合は反発力が働きます。この違いが、吸引時と反発時の電流干渉率の違いになっているのだと思います。

　電磁石の吸引力及び反発力と磁束密度との関係を実験で調べました。吸引力は教科書にある通り磁束密度の２乗に比例していました。反発力もおおよそ磁束密度の２乗に比例していました。これにより、磁束線（磁力線）には縮もうとする吸引力と広がろうとする反発力が在るものと考えています。

　吸引時のＡコイルとＢコイルの隣り合う導体には同じ向きの電流が流れていますから、吸引力が働きます。ですから、それぞれの導体の磁束線（磁力線）は反発しないと思っています。そして、それぞれの導体の磁束は、１本の導体だけの場合のように広がっているのだと思っています。

　反発時のＡコイルとＢコイルの隣り合う導体には逆向きの電流が流れていますから、反発力が働きます。ですから、それぞれの導体の磁束線（磁力線）は反発しているものと思っています。そして、それぞれの導体の磁束は、１本の導体だけの場合のように広がらないのだと思っています。導体の磁束の広がりが抑えられるから、電流干渉率が小さくなるものと思っています。

４－５．Ａ、Ｂコイルを同じ位置に巻いた場合の漏れ磁束

　Ａ、Ｂコイルは同じ位置に巻いたのですが、Ａコイルを１層で巻き、その上にＢコイルを１層で巻いたものです。ボビンのように一緒に巻いたものではありませんから、Ａ、Ｂコイルそれぞれを循環する磁束線（磁力線）が在るものと思っています。

５．二つの電磁石の電流干渉率

　二つの電磁石の電流干渉率の記録がありますので、紹介します。

５－１．測定方法、コイル仕様

（１）測定方法

　　非干渉時の電圧をそのままにして、電磁石の隙間を変えて電流を測定しました。吸引と反発で測定しました。

（２）コイル仕様

　　　電磁石Ａ、Ｂ共コイルの巻数は３００回、コイルの抵抗は２．６３Ωです。

　　　電磁磁石Ａ、Ｂは直列に接続します。

　　　　　コイルＡ、Ｂの写真です。

　　　　

５－２．電流干渉率の記録

　

　電流０．５Ａ、１Ａ、２Ａ、４Ａは非干渉時の電流です。±０．０５Ａに調整しました。それぞれの電流で電圧が違いますが、非干渉時の電圧そのままで、電磁石の隙間を変えて電流を測定しました。

　反発時の電流干渉率が小さいのは、磁界が磁束と共に漏れてしまうからだと思っています。

６．１次コイルに負荷電流が流れる理由

　無負荷時は、１次コイルに発生する電圧と１次コイルの抵抗の電圧降下の合計で入力電圧と釣り合っています。１次コイルに発生する電圧の位相と１次コイルに流れる電流の位相が９０°ずれていますから、合計はベクトルの合計となります。

　２次コイルに抵抗が接続され、２次コイルに電流が流れると、２次コイルの電流が作る磁界と逆向きの磁界を作る電流が１次コイルに流れます。しかし、２次コイルの磁界が、入力電圧と釣り合っている１次コイルの合計電圧を下げなければ電流は流れません。無負荷時のつり合いが崩れ、電流が流れ、元の釣り合いの状態に戻らなければなりません。ここでは、このことを考えてみます。変圧器の電流、電圧、磁束の位相から見て行きます。

６－１．変圧器の電流、電圧、磁束の位相

　電流には、励磁電流と負荷電流があります。励磁電流は無負荷時に１次コイルに流れる電流で、記号はＩ０です。実験では、負荷として２次側に抵抗を接続しましたが、この時に流れる電流が負荷電流です。

　下のグラフは電流、磁束、電圧の時間的変化を示します。

　　

 　　　横軸は角度ですが、１秒間に１度進むとすれば、秒になります。

　下の図はベクトルの位相を表すものですが、上のグラフの縦軸の値は下の図のｙ成分です。ベクトルは反時計方向に回転しますから、ベクトルのｙ成分は上のグラフのように変化します。

　　　

 　グラフの説明

６－２．６－１．変圧器の電流、電圧、位相を使った計算

　１、２次コイルが同じ位置の変圧器で、入力電圧を１００Ｖにし、２次コイルの抵抗を変えて、電圧、電流を測定しました。下記がその記録です。

（１）コイル仕様

　

（２）測定及び計算した電流、電圧　と１次コイル電流ー２次コイル電流のグラフ　

 　　１次コイル電流ー２次コイル電流のグラフ

　

　横軸：１次コイル電流Ａ　　縦軸：２次コイル電流

　殆ど、ｙ＝ｘです。

記号の説明

①ＰＩ：１次コイル電流、ＰＶ：１次コイル電圧、ＳＩ：２次コイル電流、ＳＶ：２次コイル電圧、ＮＶ：無負荷コイル電圧

②ＫＳＣＶ：計算による２次コイルに発生する電圧です。この計算はＳＶと（ＳＩ×２次コイルの内部抵抗）の合計です。つまり、２次コイルの電圧に2次コイルの内部抵抗による電圧降下を足したものです。

　　ＫＳＣＶ＝ＳＶ＋（ＳＩ×２次コイルの抵抗）

　　ＫＳＣＶはＮＶとよく一致しています。

③ＫＰＣＶ：計算による１次コイルに発生する電圧です。

　ＫＰＣＶ＝（（ＰＶ^２－（励磁電流×１次コイルの抵抗）^２）^０．５

　　　　　　　　　　　　　　ー（負荷電流×１次コイルの抵抗）

　　　励磁電流については、２－１．の負荷時の電流ー電圧の③を参照願います。

④ＫＰＶ：計算による１次コイルに掛かる電圧です。

　　ＫＰＶ＝（（ＮＶ＋負荷電流×１次コイル抵抗）^２）

　　　　　　　　　　　　　＋（励磁電流×１次コイル抵抗）^２）^０．５

⑤ＫＳＶ：計算による２次コイルに掛かる電圧です。

　ＫＳＶ＝ＮＶ－負荷電流×２次コイル抵抗

⑥殆ど、ＮＶ＝ＫＰＣＶ＝ＫＳＣＶ　となっています。

⑦殆ど、ＰＶ＝ＫＰＶ、ＳＶ＝ＫＳＶ　となっています。

６－３．１次コイルに負荷電流が流れる理由

　２次コイルに抵抗負荷を接続すると、励磁電流によって２次コイルに発生した電圧と同相の電流が２次コイルに流れます。１次コイルには２次コイルの電流と位相が１８０°ずれた電流が流れます。実験では１次コイルと２次コイルの巻数は同じなので、上のグラフで見る通り、１次コイルと２次コイルの電流は殆ど同じでした。１次コイルには、負荷電流と位相が９０°ずれた励磁電流も流れているのですが、０．０２２Ａと小さいため、負荷電流への影響が小さく、励磁電流も流れている１次コイルの電流が２次コイルの電流と殆ど同じ値になるのです。

　２次コイルに負荷電流が流れると１次コイルにも電流が流れますが、その理由がよく分かりません。２次コイルの負荷電流の位相が励磁電流の位相よりも１８０°ずれていれば、２次コイルの負荷電流の磁界が励磁電流の磁界を減らすように働くため、１次コイルの磁束が減り、励磁電流によって１次コイルに発生する電圧が下がるので、１次コイルに電流が流れると考えられます。しかし、励磁電流と負荷電流の位相のずれは９０°なので、別の理由を考えなくてはなりません。

　１次コイルに掛かる電圧を計算していますが、その時使った

ＫＰＶ＝（（ＮＶ＋負荷電流×１次コイル抵抗）^２＋

　　　　　　　　　　　　　　（励磁電流×１次コイル抵抗）^２）^０．５

を負荷電流が０の無負荷の時の式に直すと

ＫＰＶ＝（ＮＶ^２＋（励磁電流×１次コイル抵抗）^２）^０．５

　となります。これに、２次コイルの負荷電流が１次コイルに発生する仮想電圧も考慮すると（仮想電圧の位相は６－１．に示します。）

ＫＰＶ＝（ＮＶ^２＋（励磁電流×１次コイル抵抗ー仮想電圧）^２）^０．５

　となり、１次コイルの電圧が下がる式になります。そして、瞬間的に１次コイルに負荷電流が流れます。コイルに瞬間的に電流が流れれば、コイルに電圧が発生して電流の増加にブレーキがかかるはずですが、１次コイルにも２次コイルにもそのブレーキはかかりません。１次コイルと２次コイルの負荷電流が作る磁界が相殺し合って、どちらのコイルにも負荷電流の増加による電圧が発生しないからです。１次コイルも２次コイルも負荷電流に対してリアクタンスにならないことは、１次コイルに発生する電圧を計算したＫＰＣＶや２次コイルに発生する電圧を計算したＫＳＣＶが、負荷電流対するリアクタンスを含まないにも関わらず、無負荷コイルの電圧、ＮＶに良く一致していることからも分かります。１次コイルが２次コイルの負荷電流に反応する時間の遅れは、２次コイルの負荷電流が作る磁界が１次コイルに届く時間だと思っています。.オシロスコープでも観察できない時間だと思っています。

　　最後までお付き合い頂きありがとうございます。