鉄損
鉄損は、強磁性体の鉄心が交番磁化を受けるときに発生する不可逆エネルギー損失であり、変圧器・リアクトル・回転機などのコアで主要な無負荷損の一部を占める。構成要素はヒステリシス損と渦電流損が基本で、実務上は過剰損（異常損）を含む3成分で扱うことが多い。単位はWまたは材料比較ではW/kgを用いる。鉄損は効率・温度上昇・騒音・体格（体積）に直結し、設計最適化の中心指標である。
定義と分類
鉄損は磁化1サイクル当たりの消費エネルギーを時間平均したもので、磁気特性B-H曲線のヒステリシスループ面積に相当する成分（ヒステリシス損）と、導電体内部に誘起される循環電流がジュール加熱を生む成分（渦電流損）、さらに磁壁運動の散逸に起因する過剰損からなる。周波数fと磁束密度Bの関数として経験式で表すのが通例である。
物理メカニズムの概略
ヒステリシス損は磁区の反転・磁壁移動の不可逆過程に由来し、B-H履歴特性の非線形性・残留磁化・保磁力に依存する。渦電流損はdB/dtに比例して誘導される電界が板厚方向に電流ループを作ることで生じ、材料の電気抵抗率ρと板厚tに強く依存する。過剰損は微視的な磁束集中・ピン止め解放など高速成分の散逸を近似的に捉える項である。
ヒステリシス損のモデル
経験的スタインメッツ式を用いると、ヒステリシス損は概ねPh=kh·f·Bnで表され、nは材料によりおおむね1.6〜2程度である。方向性電磁鋼板では磁化容易軸に沿った励磁でPhが顕著に低下する。
渦電流損のモデル
板厚tの積層コアではPe≈ke·f2·B2·t2/ρで近似できる。よって薄板化・高抵抗化（Si添加・アモルファス化）・絶縁皮膜の高品質化が有効である。高周波ほどPeが急増するため、材料選定が決定的となる。
過剰損の解釈
過剰損PexはPex=kex·f1.5·B1.5などで近似されることが多く、ヒステリシス損と渦電流損の単純和では説明できない高速磁壁ダイナミクスの散逸を補正する役割を担う。データシートの「総損失」から分離回帰して推定するのが実務的である。
周波数・磁束密度・温度の依存性
鉄損の周波数依存は低fでヒステリシス項が、増加とともに渦電流項・過剰損が支配化する。磁束密度Bは各項の指数により強く効き、Bmaxの設計余裕が重要である。温度上昇はρの上昇で渦電流損を低減させる一方、磁気特性劣化でヒステリシス損に影響し得るため、材料ごとの温度特性曲線を参照して総合判断する。
材料と板厚の影響
無方向性電磁鋼板は回転機に、方向性電磁鋼板は変圧器に広く用いられる。アモルファス・ナノ結晶は高抵抗で薄帯化が可能なため高周波域で総損失を大きく抑える。板厚tの2乗で渦電流損が増えるため、t=0.35→0.27→0.23→0.18 mmといった薄板化は強力な手段であるが、加工性・機械強度・コストとの最適化が必要である。
設計・抑制手法
鉄損低減の基本は(1)材料選定、(2)Bmax設定、(3)周波数設計、(4)積層方向・積み方・空隙管理、(5)励磁波形制御である。有限要素法による局所B分布の平滑化、コーナー部の形状最適化、継鉄・ティースの飽和回避、打抜きバリ・歪みによる劣化領域の低減など、電磁・機械・製造の統合最適化が要諦である。
波形・高調波対策
方形波やPWM励磁では高調波がBの実効値とdB/dtを増やし、鉄損を増大させる。インバータ駆動機ではキャリア周波数・デッドタイム・フィルタ設計によりスペクトル管理を行う。非正弦波では等価Brmsや等価スタインメッツ法（iGSE等）を用いて損失推算するのが実務的である。
モータ・変圧器での要点
回転機では回転起磁力・スロット高調波・偏心が局所損失を増やすため、スキューや分布巻で緩和する。変圧器では継鉄コーナーのB集中、継目（ラップ）位置、ボルト締結部の渦電流経路に留意する。リアクトルでは空隙近傍の漏れ磁束で渦電流損が増えるため、シールドや粉末コア採用を検討する。
測定とデータ活用
材料評価にはエプスタイン試験・単板試験器が用いられ、W/kg対B・fの曲面として公表されることが多い。装置評価では無負荷試験やコア単体励磁での入力電力計測から銅損を差し引いて鉄損を推定する。データシートの曲線を対象のB・f・温度条件へ補間し、設計点の熱収支・効率・騒音の見積もりに反映させる。
簡易推算式と留意点
総損PFe≈kh·f·Bn+ke·f2·B2+kex·f1.5·B1.5を用いれば、初期設計段階で傾向を掴める。係数は材料・加工・積層品質で大きく変動するため、必ず実機・サンプルの補正係数を導入する。安全側余裕を確保しつつ、熱設計・体格・コストの全体最適を図ることが重要である。
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