３分でわかる技術の超キホン 電磁鋼板とは？鉄損の低減方法,製法と用途(電動機/発電機/変圧器)の要点解説
今回のコラムでは、磁性材料「電磁鋼板」について解説します。
磁性材料には、
- 印加磁場の向きを反転すると容易に磁化も反転する「軟磁性材料」
- 磁場を印加するとその磁場を取り除いても磁化した状態を維持し続ける「硬磁性材料」
の２種類がありますが、今回は軟磁性材料の電磁鋼板に関する基本知識を説明します。
（※軟磁性材料と硬磁性材料の基本知識を確認したい方は、別コラム「磁性材料と磁気特性の必須基礎知識を解説！軟磁性材料と硬磁性材料の違いは？」をご参照ください。）
目次
１．電磁鋼板とは？
電磁鋼板は、軟鋼にケイ素を添加することで、巻線（コイル、coil）の鉄心（コア、core）の鉄損（磁化した時に鉄心が消費するエネルギー）を低減した磁性材料です。
ケイ素の添加量を増やすと、結晶磁気異方性および磁気ひずみが小さくなり、電気抵抗が大きくなるので、鉄損を低減させる利点があります。
しかし、ケイ素の添加量を増やすと、飽和磁束密度が小さくなる欠点もあので、約3％の含有率が適正値となっています。
電磁鋼板には、鋼板の特定の方向に偏って磁化しない「無方向性電磁鋼板」と、鋼板の特定の方向に磁化しやすい「方向性電磁鋼板」があります。
「無方向性電磁鋼板」は主に鉄心が板面内の不特定方向に磁化される電動機や発電機に、「方向性電磁鋼板」は主に鉄心が板面内の特定方向に磁化される変圧器に使用されます。
２．電磁鋼板の特性改善（鉄損の低減）
電磁鋼板の特性改善の重要項目は、ヒステリシス損と渦電流損からなる鉄損の低減です。
- 「ヒステリシス損」は、交番磁場を印加して鉄心を磁化したときの、一循環毎にヒステリス曲線で囲まれた面積に比例したエネルギーの損失です。鉄心の磁区が交番磁界によって磁界の向きを変えるときに発生する摩擦による損失です。
- 「渦電流損」は、磁場の向きを変えたきに、磁化の変化を妨げるように鋼板内に発生する渦電流による損失で、ジュール熱となり外部に逃げていきます。
具体的な鉄損の低減方法には下記があります。
（1）ヒステリシス損の対策
- ケイ素を添加して結晶磁気異方性および磁気ひずみを減少させる
- 結晶方位を揃える
鉄単結晶の結晶構造は図1（a）に示す体心立方格子で、磁化が容易な方向と困難な方位があり、飽和磁化の値は方位により変化しませんが、途中の値は方位によって異なります。
鉄は[001]が磁化容易軸で、[111]が磁化困難軸です。
無方向性電磁鋼板の場合は、結晶の磁化容易軸の方向をできる限りランダムに配置させます。
方向性電磁鋼板は、結晶の磁化容易軸をできる限り特定方向に配置させます。
製造時に、無方向電磁鋼板および方向性電磁鋼板は図1（b）に示すように、結晶面（110）を板面に圧延し、さらに方向性電磁鋼板は圧延後に［001］方向を圧延方向に平行に調整します。
【図1．電磁鋼板の結晶方位と圧延面】
（2）渦電流損の低減策
- ケイ素を添加し電気抵抗を上げる
- 板厚を薄くして板厚面内の渦電流を流れ難くする
具体的には薄い鋼板を積層、もしくは薄い鋼板を巻いて製品形状にします。
３．電磁鋼板の製造方法
電磁鋼板の製造方法は製鋼の後、圧延（熱間圧延・冷間圧延）と熱処理（焼鈍）を設定順、設定回数行い、最後に使用製品の形状に加工します。
- 製鋼：ケイ素が含まれた銑鉄を転炉設備にて精錬し、溶けた鋼を連続鋳造設備にて鋼片（スラブ、sclab）に加工します。
- 熱間圧延：鋼片を金属の強度が高くならない再結晶温度以上の温度で圧延します。
- 冷延圧延：熱間圧延した薄板を，特に熱を加えない環境で、薄い鋼板に圧延します。
- 焼鈍(1)：高温に保持したのち徐令することにより、圧延による歪を取り除きます。焼鈍すると加工歪みが入った結晶組織は一次再結晶して歪みが解放されます。無方向性電磁鋼板は鋼板面に＜100＞の結晶方位がランダムになるように温度条件などが制御されます。
- 焼鈍(2)：方向性電磁鋼板のみ実施します。方向性電磁鋼板は、この焼鈍（2）の二次再結晶により、一次再結晶した結晶粒のうち優れた磁気的性質を持つ＜100＞の方位をもった結晶だけを選択的に成長させて、方向性を持たせ、結晶方位を揃えます。
- 加工：素材コイルを所定の幅に切断し製品コイルを作成し、せん断・打抜加工により得た所定の形状の電磁鋼板を積層し製品形状にします。製品コイルを巻き加工により最終形状を得る製造方法もあります。
４．電磁鋼板の用途（使用例）
電磁鋼板の代表的な使用例は、電動機（モータ、moter）、発電機（ジェネレータ、generator）、そして変圧器（トランス、transformaer）の鉄心です。
今回は主に大型の製品に使用される例を紹介します。
これらの鉄心には、小さなスペースに磁気エネルギーを閉じ込める電磁鋼板が使われ、薄い電磁鋼板により形成されています。鉄心を薄い電磁鋼板により形成することにより、電磁鋼板の電気抵抗が大きくなるとともに、磁場に直角な面に発生する渦電流の通路も短くなり、渦電流損が低減されます。
（1）電動機（モータ）
電動機は、磁場と電流の相互作用による力を利用して、電気エネルギーから運動エネルギーを得る機器です。
電動機には多くの種類がありますが、ここでは三相誘導電動機の例を紹介します。
三相誘導電動機の固定子（ステータ、stator）は「一次側」、回転する回転子（ロータ、rotor）は「二次側」と呼びます。
三相誘導電動機には「かご形」と「巻線形」があり、かご形は固定子だけが巻線、巻線形は固定子と回転子に巻線が施されています。かご形は主に小容量の、巻線形は主に大容量の電動機に使用されます。
《電動機の固定子》
図2（a）は三相誘導電動機の固定子鉄心で、巻線を収めるための溝（スロット、slot）がある薄い電磁鋼板が積層されています。電磁鋼板の薄板の厚さは0．2～0．5mm程度です。
鉄心材料は、同じ体積であれば両面を絶縁加工した薄い材料を積層することで、ヒステリシス損はほとんど変わりませんが、渦電流損を低減させることができます。
電動機の磁束の変化方向は図2（a）、図2（b）の電磁鋼板の中心から周辺への半径方向です。
図2（a）上に示すように、渦電流は磁束の変化を打ち消すように電磁鋼板の板厚面内に発生しますので、板厚を薄くすることにより、渦電流の大きさを押さえることができます。
《電動機の回転子》
図2（b）は巻線型三相誘導電動機の回転子鉄心で、固定子と同じように薄い電磁鋼板が積層されています。回転子の積層鉄心にも三相巻線が施されています。
巻線は、スリップリング、ブラシを介して外部の可変抵抗器に接続することにより、電動機の特性を変化させることができます。
【図2．電動機用の鉄心】
（2）発電機（ジェネレータ）
発電機は、電磁誘導の法則を利用して、電動機とは逆に運動エネルギーから電気エネルギーを得る機器です。
ここでは回転子の界磁巻線が回転する回転界磁形同期発電機の例を紹介します。
タービン、エンジンなどの原動機によって、界磁巻線により電磁石となった回転子を回転させると、起電力が誘導され、固定子の電機子巻線から交流電力を取り出すことにより発電します。
《発電機の固定子》
固定子鉄心は、図3（a）に示すように、渦電流損を少なくするため、厚さの薄い電磁鋼板を積み重ねてできています。溝には電機子巻線がはめ込まれ、鉄心の中心から周辺の半径方向に磁束を発生させます。
《発電機の回転子》
図3（b）に示す回転子鉄心は、固定子鉄心に比べて少し厚い電磁鋼板を積み重ねてできています。
図3（b）の界磁巻線に外部電源からブラシとスリップリングを通して電流を流します。
大型同期機のほとんどは、界磁巻線に直流界磁電流を流し励磁を調整できるようにします。
図3（a）、図3（b）に示すように固定子と回転子には複数の電機子巻線と界磁巻線が設けられ、磁束の変化は異なる方向（図3（b）の場合は紙面に垂直方向と水平方向）になります。
そのため、発電機の鉄心には結晶面（110）面を板面、圧延面にして、結晶軸［001］方向を特定方向、圧延方向に揃えない無方向性電磁鋼板が使用されます。
【図3．発電機用の鉄心】
（3）変圧器（トランス）
変圧器（トランス）では、1次コイルに交流電流を流すと、電磁誘導により2次コイルに誘導電流が流れ、2つのコイルの巻数の比を変えることにより、交流電流の電圧を変えることができます。
- 変圧器（トランス）の基礎知識に関する解説はこちらをご参照ください。
変圧器の鉄心はコイル間の磁束の伝搬するために透磁率が高いこと、そして鉄損が小さいことが必要です。
変圧器の鉄心には、積み重ね法による「短冊鉄心」と、巻き法による「巻き鉄心」があります。
《短冊鉄心》
大型の変圧器に主に使用されるのは短冊鉄心で、図5（a）に示すように、短冊状に打ち抜いた電磁鋼板を積み重ねたものです。
鉄心の接続は、継目が1か所にならないように積み重ねていきます。
【図4．変圧器用の鉄心】
《巻き鉄心》
柱上変圧器などの小型の変圧器に主に使用されるのは図5（b）に示す巻き鉄心です。
巻き鉄心は、電磁鋼板を連続的に巻いた鉄心で、短冊鉄心に比べて継目が少ないため鉄心の励磁電流を小さく、鉄心の重量を軽くできます。
変圧器の磁場の変化方向は図4（a）、図4（b）の周回方向に限定されていますので、結晶面（110）面を板面、圧延面にして、圧延時の結晶軸［001］方向を変圧器の周回方向に揃えた方向性電磁鋼板が使用されます。
ということで、今回は電磁鋼板の基礎知識を解説しました。
電磁鋼板は、電動機、発電機、変圧器などに使用され、それらを組み込んだ製品は自動車、鉄道車両、家電製品、重電製品、大型発電機、変電施設など、多くの分野に渡っています。
これらの製品のエネルギー効率向上は重要な課題となっており、その技術的なキーのひとつである電磁鋼板の更なる改善が期待されています。
（日本アイアール株式会社 特許調査部 Y・O)
