電磁鋼板

電磁鋼板（E鋼、積層鋼、シリコン電磁鋼板、シリコン鋼、リレー鋼、変圧器鋼）は、電力損失を低減するため、モーター、発電機、変圧器などの電磁機器のコアに使用される特殊鋼です。これは、炭素の代わりにシリコンを主な添加元素とする鉄合金です。正確な配合は、特定の磁気特性を生み出すように調整されています。ヒステリシス領域が小さいため、サイクルあたりの電力損失が低く、コア損失が低く、透磁率が高いです。

電磁鋼板は通常、厚さ 2 mm 未満の冷間圧延ストリップで製造されます。これらのストリップは、積層板を形成するために形状に合わせて切断され、積層板は積み重ねられて、変圧器の積層コア、および電動モーターの固定子と回転子を形成します。積層板は、パンチとダイによって最終形状に切断されるか、または少量の場合はレーザーまたはワイヤ放電加工によって切断されます。

電磁鋼板は、0～6.5%のシリコン（Si:5Fe）を含む鉄合金です。市販の合金のシリコン含有量は通常3.2%までです（濃度が高いと冷間圧延時に脆くなります）。マンガンとアルミニウムは0.5%まで添加できます。^[1]

シリコンは鉄の電気抵抗率を約 5 倍に増加させます。この変化によって誘導渦電流が減少し、材料のヒステリシス ループが狭くなるため、従来の鋼に比べてコア損失が約 3 倍低下します。^{[1] [2]}しかし、結晶粒構造によって金属が硬化して脆くなります。この変化は、特に圧延時に材料の加工性に悪影響を及ぼします。合金化の際には、炭化物、硫化物、酸化物、窒化物が、直径 1 マイクロメートルほどの小さな粒子であっても、ヒステリシス損失を増加させ、透磁率も低下させるため、汚染を低く抑える必要があります。炭素の存在は、硫黄や酸素よりも有害な影響を及ぼします。炭素は、固溶体から徐々に離れて炭化物として沈殿するときに磁気老化を引き起こし、時間の経過とともに電力損失が増加します。これらの理由から、炭素レベルは 0.005% 以下に抑えられています。炭素レベルは、水素などの脱炭雰囲気中で合金を焼鈍することによって低減することができる。^{[1] [3]}

• 融点：約1,500℃（シリコン含有量が約3.1%の場合の例）^[9]
• 密度：7,650 kg/m ³（シリコン含有量3%の例）
• 抵抗率（シリコン含有量3％）：4.72×10 ⁻⁷ Ω·m（比較のため、純鉄の抵抗率：9.61×10 ⁻⁸ Ω·m）

結晶配向を制御するための特別な処理を施さずに製造された電磁鋼板（非方向性鋼板）は、通常、シリコン含有量が2～3.5％で、あらゆる方向で同様の磁気特性を持ち、等方性です。冷間圧延非方向性鋼板は、CRNGOと略されることが多いです。

方向性電磁鋼板のシリコン含有量は通常 3% (Si:11Fe) です。この鋼板は、板に対する結晶配向を厳密に制御 ( Norman P. Gossが提唱) することにより、圧延方向で最適な特性が発揮されるように加工されます。コイル圧延方向の磁束密度は 30% 増加しますが、磁気飽和は 5% 減少します。この鋼板は電力および配電用変圧器のコアに使用され、冷間圧延方向性鋼板は CRGO と略されることが多いです。

CRGO は通常、コイルの形で製造工場から供給され、それを「積層板」に切断して、変圧器の不可欠な部分である変圧器コアを形成するために使用されます。方向性鋼は、大型の電力および配電変圧器、および特定のオーディオ出力変圧器に使用されます。^[10]

CRNGO は CRGO よりも安価です。効率よりもコストが重要な場合や、可動部品のある電動モーターや発電機のように磁束の方向が一定でない用途に使用されます。方向性電磁鋼板の方向性特性を利用するために部品を配置するスペースが不十分な場合に使用できます。

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  配向シリコン鋼の磁区と磁壁（CMOS-MagView で作成した画像）
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  配向シリコン鋼の磁区と磁壁（CMOS-MagView で作成した画像）
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  非配向シリコン鋼の磁区と磁壁（CMOS-MagView で作成した画像）

この材料は、溶融合金を回転する冷却ホイールに注ぐことで作られる金属ガラスで、金属は毎秒約 1 メガケルビンの速度で冷却されますが、あまりに速いため結晶は形成されません。アモルファス鋼は、約 50 μm の厚さの箔に限定されています。アモルファス鋼の機械的特性により、電気モーターの積層板のスタンピングは困難です。アモルファスリボンは、約 13 インチ未満の特定の幅に鋳造でき、比較的簡単にせん断できるため、巻線電気変圧器コアに適した材料です。2019 年、米国以外のアモルファス鋼の価格は、約 0.95 ドル/ポンドであるのに対し、HiB 方向性鋼は 0.86 ドル/ポンドです。アモルファス鋼コアを備えた変圧器のコア損失は、従来の電気鋼の 3 分の 1 です。

電磁鋼板は通常、積層間の電気抵抗を高めて渦電流を減らし、腐食や錆に耐性を持たせ、打ち抜き加工中に潤滑剤として機能させるためにコーティングされています。有機コーティングと無機コーティングのさまざまな種類があり、使用するコーティングは鋼の用途によって異なります。^[11]選択されるコーティングの種類は、積層の熱処理、完成した積層が油に浸されるかどうか、完成した装置の動作温度によって異なります。ごく初期の方法では、各積層を紙の層またはワニスコーティングで絶縁していましたが、これによりコアのスタッキング係数が低下し、コアの最高温度が制限されました。^[12]

ASTM A976-03は電気鋼板の異なるタイプのコーティングを分類しています。^[13]

電磁鋼板の典型的な比透磁率（μr _）は真空の4,000～38,000倍であるのに対し、ステンレス鋼では1.003～1800である。^{[15] [16] [17]}

電気鋼の磁気特性は熱処理に依存し、平均結晶サイズが大きくなるとヒステリシス損失が減少します。ヒステリシス損失は標準のエプスタイン試験機で測定され、一般的なグレードの電気鋼の場合、60 Hz および 1.5テスラの磁場強度 で 1 キログラムあたり約 2 ～ 10 ワット (1 ポンドあたり 1 ～ 5 ワット) の範囲になります。

電磁鋼板は半加工状態で納品されるので、最終形状に打ち抜いた後、最終熱処理を施して通常必要とされる150マイクロメートルの粒径にすることができる。完全加工された電磁鋼板は通常、絶縁コーティング、完全熱処理、および定義された磁気特性を備えて納品され、打ち抜き加工によって電磁鋼板の特性が著しく低下しない用途に用いられる。過度の曲げ、不適切な熱処理、あるいは乱暴な取り扱いは電磁鋼板の磁気特性に悪影響を及ぼす可能性があり、また磁気ひずみによるノイズの増加にもつながる。^[12]

電磁鋼板の磁気特性は国際標準のエプスタインフレーム法を用いて試験される。^[18]

電気鋼板の磁区の大きさは、レーザーや機械で鋼板の表面を刻むことで小さくすることができる。これにより、組み立てられたコアのヒステリシス損失が大幅に減少する。^[19]

非方向性電磁鋼板（NGOES）は主に電動機、発電機、高周波・高周波数変換器などの回転機器に使用されます。一方、方向性電磁鋼板（GOES）は変圧器などの静的機器に使用されます。^[20]

• フェロシリコン、シリコン鋼の原料

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• シリコン鋼の概要