電磁鋼板：種類、磁気特性、鉄損の制御

電磁鋼とは何か――そして鋼種名からは分からないこと

磁気回路材料としての電磁鋼

電磁鋼は、交流磁束を損失を管理しながら通すように設計された、強磁性の薄板および帯鋼製品の総称です。単一の化学成分、単一の組織、あるいは単一の加工状態を指すものではありません。この材料は、モーター、発電機、変圧器、リアクトル、その他の磁気回路において、積層鉄心または巻鉄心を形成します。そこでは、鋼が繰り返し着磁・消磁されても、電気エネルギーが過剰に熱へ変換されないことが求められます。

この機能には、構造用鋼に求められるものとは異なる要件があります。磁気コアには、使用する磁束密度における高い透磁率、使用周波数における低い鉄損、取り扱いに必要な十分な機械的強度、そして隣接する積層板の間を電気的に絶縁する表面が必要です。そのため、鋼は溶解、圧延、焼鈍、表面処理、場合によってはひずみ処理やレーザー処理を経て、磁気応答が制御されます。

方向性鋼板の特性像

3つの製品区分は分けて考える必要があります。完全加工無方向性電磁鋼は、面内の異なる方向で比較的類似した磁気特性を示すことを目的としており、回転機に広く用いられます。半加工無方向性電磁鋼は、使用者が最終焼鈍を行うことで、磁気特性がさらに改善されることを前提に供給されます。完全加工方向性電磁鋼は、強い結晶学的集合組織、通常はGoss集合組織を形成するように製造され、圧延方向に沿った磁化が特に有利になります。これらは、単にシリコン含有量の異なる段階ではなく、異なる工学製品です。

損失機構を理解すると、なぜ薄板を積層するのかが分かります。2017年のKarlsruhe Institute of Technologyの研究では、変圧器鉄心の損失を、ヒステリシス損、古典的渦電流損、過剰損に分けています。ヒステリシス損は、磁界が周期的に変化する際の磁壁移動における不可逆的な要因から生じます。交流磁束は鋼内部にも循環電流を誘導し、この古典的渦電流は電気抵抗によってエネルギーを散逸させます。過剰損は、磁区構造の移動と、その局所的な相互作用に伴う追加の動的損失です。

薄板化すると、渦電流が流れる経路を短くできます。絶縁皮膜は、隣り合う積層板を電気的に分離します。一般に、シリコンおよびアルミニウムの含有量が増えると電気抵抗率は上昇しますが、磁壁移動と透磁率には加工および集合組織の制御も影響します。結晶粒の配向は、特定の優先方向における損失を低減できます。ただし、これらの対策のいずれも普遍的な優劣の判断基準ではありません。板厚、化学成分、集合組織、皮膜、焼鈍、応力、使用磁束密度が相互に作用するためです。

鋼種表示と測定された磁気特性の違い

鋼種表示は、適用される規格と納入状態が明確であって初めて意味を持ちます。ミル証明書に記載された名称だけでは、あらゆるコア設計にそのまま適用できる単一の磁気特性を示すことにはなりません。鋼種表示は、製品の区分と仕様の枠組みを示すものであり、測定結果は特定の試験条件に対応するものです。

ASTM Internationalは、Subcommittee A06.02を通じて有用な規格体系を示しています。ASTM A677は完全加工無方向性電磁鋼を、ASTM A683は半加工無方向性電磁鋼を、ASTM A876は完全加工方向性電磁鋼を対象とし、ASTM A976は電磁鋼の絶縁皮膜を分類します。A677とA683の違いは表面的なものではありません。一方は完成した磁気状態で供給される材料を規定し、もう一方は最終加工によって磁気特性が変化し得る材料を対象としています。

ASTM A677は、エプスタイン法を用い、60 Hzおよび1.5 Tにおける最大鉄損によって完全加工無方向性電磁鋼板の鋼種を分類する。 Strong evidence

[1][1] ASTM A677-07: Standard Specification for Nonoriented Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2007.

ここで引用する2007年版のASTM A677では、主として50 Hzおよび60 Hzの磁気機器向けの鋼種を、エプスタイン試験法により60 Hz、1.5 Tで測定した最大鉄損によって分類しています。したがって、A677に示された鉄損値は、「60 Hz、1.5 T、エプスタイン試験における損失」と読むべきであり、周波数に依存しない定数と解釈してはなりません。1.0 Tまたは400 Hzで測定された値は、別の問いに答えるものです。

方向性電磁鋼の鋼種表示には、さらに注意が必要です。2017年版を引用するASTM A876は、約3.2%のシリコンを含む低炭素ケイ素鉄の方向性電磁鋼を対象とし、通常方向性、高透磁率、レーザースクライブ鋼種を含みます。ASTMの慣行では、通常方向性鋼種は1.5 Tでの試験用に指定され、その他の方向性鋼種は1.7 Tでの試験用に指定されます。ある磁束密度で報告された損失が低いという理由だけで、異なる磁束密度で試験された別の鋼種より優れているとは判断できません。

IEC 60404-8-3:2023は、半加工状態で納入される冷間圧延無方向性電磁鋼の帯および板を対象としています。その公称板厚には、磁気特性、寸法、公差、検査に関する要件とともに、0.47、0.50、0.64、0.65、0.79 mmが含まれます。IEC 60404-8-7:2017は、完全加工状態で納入される冷間圧延方向性電磁鋼の帯および板を対象とし、0.23、0.27、0.30、0.35 mmの公称板厚におけるGoss集合組織材も含みます。これらの板厚表示は、規格内の製品を説明するものであり、組み立てられたすべてのコアの完全な損失挙動を予測するものではありません。

シリコン含有量にも同じ制約があります。ASTM A876における約3.2%というシリコンの記述は、対象となる方向性電磁鋼の重要な化学成分範囲を示しますが、シリコン含有率だけでは、集合組織の発達度、磁区細分化、皮膜の挙動、応力感受性、測定された損失は分かりません。シリコン含有量が類似した2種類の鋼でも、圧延、焼鈍、結晶粒径、集合組織が異なるため、異なる応答を示すことがあります。

周波数、磁束密度、方向、試験片方法が重要な理由

鉄損は条件依存の特性です。周波数が変わると、1秒当たりの磁化サイクル数が変化し、ヒステリシス損、渦電流損、過剰損の相対的な寄与も変わります。磁束密度が変わると磁化の振幅が変化し、磁壁の挙動や局所的な飽和によって損失が大幅に増加する領域へ材料が移行することがあります。板厚は特に渦電流損に影響しますが、電気抵抗率や絶縁品質と切り離して考えることはできません。

方向性電磁鋼では、方向が決定的に重要です。その有利な磁路は実質的に圧延方向に沿っているため、横方向または斜め方向の磁路では、透磁率と損失が異なる場合があります。無方向性電磁鋼は方向性が小さいものの、完全に方向依存性がないわけではありません。切断端、打抜き応力、曲げ、接合部、締付けも、変形していない薄板で測定した値から結果を変化させる可能性があります。

ASTM A804/A804Mは、熱平坦化した方向性電磁鋼板について一方向測定を規定し、25 cmエプスタイン法と比較可能な結果を得る。 Strong evidence

2021年版を引用するASTM A804/A804Mは、主として、変圧器鉄心の積層材として使用される熱平坦化方向性電磁鋼について、一方向交流磁気測定を行うことを目的としています。その結果は25 cmエプスタイン法の結果と比較可能ですが、このことは、すべての磁気試験が互換的に扱えることを意味しません。単条試験または一方向試験の結果とエプスタイン試験の結果は、試験方法、方向、試験片の調製方法によって識別されなければなりません。

したがって、安全に比較するための形式には、材料区分、規格および鋼種表示、納入状態、公称板厚、周波数、最大磁束密度、必要に応じた圧延方向、試験片方法、皮膜状態を含める必要があります。「0.30 mm方向性電磁鋼」では情報が不十分です。「完全加工方向性電磁鋼、IEC 60404-8-7:2017、0.30 mm、明示された試験方法により、明示された周波数および磁束密度で圧延方向に沿って測定」とすれば、責任を持って比較できます。

これらの条件を伴わない鉄損値は、他の用途へそのまま移転できる性能定格ではありません。それは、文脈から切り離された測定値にすぎません。

3つの材料区分：無方向性、方向性、半加工

電磁鋼板は、「低シリコン」から「高シリコン」までの単一の序列で分類される一つの材料カテゴリーではない。最初に区別すべきなのは、納入区分と結晶学的構造である。すなわち、完全処理無方向性電磁鋼板、完全処理方向性電磁鋼板、または半加工無方向性電磁鋼板である。各区分は、異なる冶金学的状態で使用者に納入され、異なる磁化方向および試験条件で測定され、打抜き、応力除去、被覆、組立てに対しても異なる応答を示し得る。

ASTMの小委員会A06.02は、規格の対応関係を把握するうえで有用な体系を示している。ASTM A677は完全処理無方向性電磁鋼板、ASTM A683は半加工無方向性電磁鋼板、ASTM A876は完全処理方向性電磁鋼板、ASTM A976は電磁鋼板の絶縁被膜を分類する規格である。対応するIEC文書は、さらに重要な区別を加えている。IEC 60404-8-3:2023は半加工状態で納入される冷間圧延無方向性電磁鋼帯および電磁鋼板を対象とし、IEC 60404-8-7:2017は完全処理状態で納入される冷間圧延方向性電磁鋼帯および電磁鋼板を対象とする。

磁気特性の結果は、鋼種名だけから読み取ることはできない。提示される鉄損または透磁率の値には、周波数、最大磁束密度、試験片方法、圧延方向、板厚、被膜、および納入状態を必ず併記しなければならない。

完全処理無方向性電磁鋼板

完全処理無方向性電磁鋼板は、部品メーカーに届く前に磁気特性がほぼ確立されるよう設計されている。その結晶粒は、変圧器用の方向性電磁鋼板に見られるような強い特定方向への配向を共有していない。むしろ、板面内の磁気応答はおおむね等方的である。すなわち、Goss集合組織に伴う圧延方向での非常に大きな優位性なしに、磁束は板のさまざまな方向へ進むことができる。ただし、「おおむね」という点が重要である。加工によって集合組織、残留応力、端部効果、方向差はなお生じるため、無方向性とは完全に方向依存性がないという意味ではない。

ASTM Internationalが2007年に引用したASTM A677は、主として50 Hzおよび60 Hzの磁気機器に使用される完全処理無方向性電磁鋼板を対象とする。その鋼種は、Epstein試験法を用い、60 Hzおよび1.5 Tで測定した最大鉄損によって分類される。この呼称は試験に基づく分類であり、すべてのモーター、発電機、またはインダクターに普遍的に適用できる鉄損値を示すものではない。異なる磁束密度、周波数、または波形で試験した試験片では、異なる結果が得られ得る。また、Epstein試験の結果から、打抜きおよび組立て後の鉄心の磁気挙動を自動的に予測できるわけでもない。鉄心では、切断応力、ばり、継手、締付け、局所的な磁束ひずみが鉄損に影響するためである。

したがって、無方向性電磁鋼板は、機械または部品の周囲で磁束の方向が変化する磁気回路と関連付けられる。モーターおよび発電機の固定子が典型的な例であるが、材料区分そのものが特定の機械設計を規定するわけではない。強い一方向配向がないため、磁束経路が回転したり、複数の板面方向にわたったりする場合に、板面内の平均的な応答がより有用になる。

鉄損には、個別の物理的要因がある。2017年のカールスルーエ工科大学の研究では、変圧器鉄心の鉄損を、ヒステリシス損、古典的渦電流損、および余剰損に分けている。ヒステリシス損は、磁化が反転する際の磁壁移動に伴って発生する。古典的渦電流損は、変化する磁束が導電性の鋼板内に循環電流を誘起することで生じる。余剰損は、移動する磁区構造およびその局所的な相互作用に伴う追加の動的効果を表す。鋼種に示された鉄損は、規定された条件下で測定されたこれらの損失の合計であり、単一の機構を直接測定した値ではない。

板厚は、特に古典的渦電流損と密接に関係する。これは、薄い積層板ほど電流ループの大きさが制限されるためである。積層板間の電気絶縁は、積層体全体でも同じ基本的な電気的役割を果たす。シリコンおよびアルミニウムの含有量を増やすと電気抵抗率が上昇し、渦電流損を低減できる場合がある。しかし、化学成分は飽和磁束密度、延性、加工時の応答、集合組織にも影響する。したがって、シリコン含有率は設計変数であって、材料区分や測定された鉄損の代替となるものではない。

完全処理材であっても、製造中に特性が変化することがある。打抜きによって、切断端部付近に塑性変形と残留応力が生じる。溶接、締付け、鋭い曲げは、局所的な透磁率を変化させ、鉄損を増加させる可能性がある。「処理済み」という語は電磁鋼板の納入状態を表すものであり、完成した鉄心が供給者の鋼板試験結果を維持することを保証するものではない。

完全処理方向性電磁鋼板

ゴス集合組織ゴス集合組織 方向性電磁鋼板における結晶学的集合組織であり、磁化容易方向をおおむね圧延方向に配置する。

完全処理方向性電磁鋼板は、強い結晶学的配向を持つよう意図的に設計されている。通常の変圧器用集合組織では、磁化容易方向が圧延方向に近く一致している。そのため、磁気挙動は非常に方向依存性が高い。磁束が圧延方向に沿って流れる場合、透磁率は高く、鉄損は比較的有利になる一方、横方向または交差圧延方向での挙動は大きく異なり得る。方向性鋼種を、方向を特定しない単一の磁気数値で表してはならない。[2][2] ASTM A876-17: Standard Specification for Flat-Rolled, Grain-Oriented, Silicon-Iron, Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2017.[3][3] IEC 60404-8-7:2017. International Electrotechnical Commission. IEC standard, 2017.

ASTM Internationalが2017年に示したASTM A876は、約3.2%のシリコンを含む低炭素シリコン鉄方向性鋼を対象とし、通常方向性鋼、高透磁率鋼、およびレーザースクライブ鋼を含む。IEC 60404-8-7:2017は、完全処理状態で納入される冷間圧延方向性電磁鋼帯および電磁鋼板を対象とする。同規格に記載される公称板厚には、0.23、0.27、0.30、および0.35 mmが含まれ、IEC 60404-8-3:2023で規定される半加工無方向性電磁鋼板の公称板厚より大幅に薄い。

これらの板厚は、普遍的な性能の序列を示すものではない。結晶粒の配向、磁区細分化、被膜、応力状態、および磁気試験条件がすべて影響する。例えばレーザースクライブは、磁気挙動を変化させることを目的とした磁区制御処理であり、方向性電磁鋼板を無方向性に変えるものではない。

ASTMの慣行では、1.5 Tでの試験を指定する通常方向性鋼種と、1.7 Tでの試験を指定するその他の方向性鋼種も区別している。磁束密度は、特性値と併記しなければならない。「方向性鋼種の鉄損」という表現は、周波数、磁束密度、試験片方法、および方向が示されていなければ不完全である。ASTM A804/A804M:2021は、主として変圧器鉄心の積層材として使用される、熱平坦化された方向性電磁鋼板について、一方向交流磁気測定を行うことを意図している。その結果は25 cm Epstein法の結果と比較可能であるが、その比較も、規定された試験片および手順に依存する。

結晶方位の配向は、主な磁束経路を圧延方向に沿って配置できる変圧器鉄心設計を支える。継手はその経路を中断し、角部またはステップラップ部付近では、局所的な磁束が板を横切る方向へ曲がることがある。したがって、測定された圧延方向の特性は重要な材料方向を表すものであって、組み立てられた鉄心のすべての位置を表すものではない。

半加工無方向性電磁鋼板

半加工無方向性電磁鋼板は、最終的な磁気状態が確立される前にメーカーへ納入される。その後の工程、一般には打抜きに続いて所定の熱処理を行う工程が、結晶粒組織、残留応力、炭素の制御、絶縁状態、および磁気損失に引き続き関係する。納入状態は鋼種の説明の一部であり、付随的な注記ではない。[4][4] IEC 60404-8-3:2023. International Electrotechnical Commission. IEC standard, 2023.

IEC 60404-8-3:2023は、半加工状態で納入される冷間圧延無方向性電磁鋼帯および電磁鋼板を対象とし、公称板厚は0.47、0.50、0.64、0.65、および0.79 mmである。同規格は、磁気特性、寸法公差、および検査手順を扱う。ASTM A683は、ASTM A06.02の規格体系において、これに対応する半加工無方向性の位置を占める。

半加工半加工 所定の磁気状態を確立する前に、通常は最終焼鈍を含む追加加工を使用者が行うことを想定した納入状態。

メーカーによる熱処理前に測定された半加工鋼板の特性は、必ずしも熱処理後の特性と同じではない。打抜きによって変形や端部損傷が生じることがあり、その後の熱サイクルによって一部の応力が低減され、最終的な磁気応答が変化する可能性がある。温度、時間、雰囲気、炉の運用方法、部品形状、および被膜の残存状態はいずれも影響し得る。したがって、同じ納入鋼種から製造された2つの鉄心でも、製造履歴が異なれば特性が異なる可能性がある。

この区分は、いずれも無方向性であり、回転機の磁気回路に使用される可能性があるため、完全処理無方向性電磁鋼板と混同されることが多い。相違点は、磁気特性を確立する加工経路が未完了であることである。板厚、シリコン含有量、「無方向性」という語だけでは、後工程での処理が想定されているかどうかを判断できない。まず適用規格と納入状態を確認し、その後に、規定された周波数、磁束密度、方向、試験片方法、および損失成分を用いて初めて意味のある比較が可能になる。

ASTM規格とIEC規格における電磁鋼板の鋼種体系

電磁鋼板の規格は、単一の普遍的な鋼種表を構成しているわけではない。規格では、磁気クラス、加工状態、製品形状、試験条件、表面絶縁によって材料を区分している。したがって、ある文書における呼称を、別の文書における呼称の直接的な代替として読むことはできない。

ASTMの主要な体系は、分科委員会A06.02によって構成されている。ASTM A677は完全加工無方向性電磁鋼を、ASTM A683は半加工無方向性電磁鋼を、ASTM A876は完全加工方向性電磁鋼を対象とし、ASTM A976は電磁鋼板の絶縁被膜を分類する。これらの文書は、それぞれ異なる役割を持つ。A677とA876は材料規格であり、A976は被膜の分類に関する規格である。また、ASTM A804/A804Mなどの試験規格は、特定の磁気特性をどのように測定するかを定めている。

IEC文書も同様の方法で材料を体系化しているが、ASTMとは一致しない部分がある。IEC 60404-8-3:2023は、半加工状態で納入される冷間圧延無方向性電磁鋼帯および電磁鋼板を対象とする。IEC 60404-8-7:2017は、完全加工状態で納入される冷間圧延方向性電磁鋼帯および電磁鋼板を対象とする。これらの規格は、認められる製品区分と要求特性を定めるものであり、板厚、ケイ素含有量、または被膜クラスを、普遍的な性能順位に変換するものではない。

ASTM A677と完全加工無方向性鋼種

ASTM A677は、主として50 Hzおよび60 Hzの磁気機器に使用される完全加工無方向性電磁鋼の規格である。「無方向性」とは、方向性変圧器用鋼板のように、意図的に発達させた特定の圧延方向に磁気特性が集中していないことを意味する。この材料は、磁気的に完成した状態で供給されるため、購入者が半加工材で一般的な最終応力除去焼鈍を実施することは想定されていない。

ASTM A677では、ASTM Internationalが2007年に記録した説明によれば、鋼種はEpstein試験法により、60 Hz、1.5 Tで測定した最大鉄損によって分類される。この記述には、最大損失、60 Hz、1.5 T、Epstein試験片という4つの必要な限定条件が含まれている。いずれか1つでも除けば、鋼種比較は不完全になる。50 Hz、異なる磁束密度、または異なる試験片形状で測定された損失は、同じ報告特性ではない。

完全加工という呼称だけでは、ヒステリシス損、古典的渦電流損、過剰損の正確な内訳について何も示さない。2017年のKarlsruhe Institute of Technologyの研究では、これらを変圧器鉄心損の個別の寄与として扱っている。磁区壁の移動はヒステリシス損に寄与する。交番磁束は鋼板内部に循環電流を生じさせ、古典的渦電流損を発生させる。一方、過剰損は、追加的な動的磁区過程を表す。結晶粒径、集合組織、残留応力、積層板厚、電気絶縁は、それらの割合に影響を及ぼす。

したがって、A677は、明確に定義された規格および試験の枠組みとして読むべきであり、すべての無方向性鋼種がモーター、リアクトル、または高周波部品において同一の挙動を示すという主張として解釈すべきではない。1.5 Tという試験磁束密度は、鋼種分類の一部である。それは一般的な運転上限ではない。

ASTM A683は隣接する区分である半加工無方向性電磁鋼を扱う。A06.02の規格体系にこれが含まれることは重要である。半加工板は、意図した磁気状態が確立される前に、通常は最終焼鈍などの後工程を必要とする状態で納入されるためである。したがって、A677とA683は磁気クラスだけでなく、納入状態も区別している。両方の製品を単に「無方向性電磁鋼」と呼ぶと、使用者による加工後の測定結果を変え得る製造上の違いが見えなくなる。

ASTM A876と方向性鋼種の呼称

ASTM A876は、ASTM Internationalの2017年の説明によれば、約3.2%のケイ素を含む完全加工低炭素ケイ素鉄方向性電磁鋼を対象とする。これらの材料では、圧延方向に沿って磁気的に非常に有利な挙動を示すよう、結晶学的集合組織が形成されている。これは完全加工無方向性鋼とは異なる材料クラスであり、単にケイ素含有量を高めた無方向性鋼ではない。

この規格には、通常方向性鋼、高透磁率方向性鋼、レーザースクライブ方向性鋼の鋼種が含まれる。レーザースクライブ区分は、磁区構造と磁気損失を変化させることを目的とした加工経路を示すものであり、同一の試験条件を用いずに、スクライブ処理を施していない鋼種と比較できることを意味しない。ASTMの鋼種識別慣行では、1.5 Tでの試験を指定する通常方向性鋼種と、1.7 Tでの試験を指定するその他の方向性鋼種も区別されている。磁束密度は報告特性と併記すべきものである。指定された磁束密度を伴わない数値的な損失値は不完全である。

方向性鋼にとって、圧延方向は特に重要である。圧延方向に平行に測定した結果を、加工された鉄心の横方向の領域や切断端部に直接適用することはできない。切断、打抜き、曲げ、接合部の設計、加えられた応力はすべて、管理された試験片で規格が測定する磁気挙動を乱す可能性がある。

ASTM A804/A804Mは、主として、熱平坦化された方向性電磁鋼の一方向交流磁気特性を測定するための規格である。2021年版の記録においてASTMが述べているように、その結果は25 cm Epstein法による結果と比較可能である。この規格はA876の材料規格に代わるものではなく、別個の鋼種群として扱うべきでもない。これは、該当する方向性鉄心材料クラスに対する試験方法を提供するものである。

IEC 60404-8-3:2023とIEC 60404-8-7:2017

IEC 60404-8-3:2023は、半加工状態で納入される冷間圧延無方向性電磁鋼帯および電磁鋼板を規定する。同規格に示される公称板厚系列は、0.47、0.50、0.64、0.65、0.79 mmである。この文書は、製品仕様の一部として、磁気特性、寸法公差、検査手順を扱っている。

これらの板厚は、互換可能な鋼種名ではない。板厚は古典的渦電流損に影響する。より薄い電気的経路では、循環電流が発達できる距離が制限されるためである。しかし、測定される鉄損は、抵抗率、絶縁、周波数、磁束密度、集合組織、応力、最終加工状態にも依存する。したがって、0.50 mmの製品が、あらゆる試験条件または用途条件において0.65 mmの製品より自動的に優れているわけではない。

IEC 60404-8-7:2017は、完全加工状態で納入される冷間圧延方向性電磁鋼帯および電磁鋼板を対象とする。この規格には、公称板厚0.23、0.27、0.30、0.35 mmのGoss集合組織材ならびに通常クラスおよび高透磁率クラスが含まれる。Goss集合組織は、有利な結晶学的方向を圧延方向に整列させるため、材料が強い方向性を示す理由となっている。

IEC文書とASTM文書は、すべての呼称を逐語的に翻訳しようとするのではなく、適用範囲と試験条件によって比較すべきである。IEC 60404-8-3は半加工無方向性板を扱うのに対し、ASTM A677は完全加工無方向性鋼を扱う。IEC 60404-8-7は完全加工方向性板を扱うのに対し、ASTM A876は完全加工方向性ケイ素鉄鋼を対象とする。類似した用語であっても、納入状態の違いがなくなるわけではない。

ASTM A976は、絶縁被膜を分類することによって、さらに別の層を加えている。被膜は積層板間の電気的接触を制限し、それによって層間渦電流に影響を及ぼすが、被膜クラスは電磁鋼の鋼種ではない。同様に、ケイ素またはアルミニウム含有量の増加、薄板化、結晶粒の配向、表面絶縁は、損失を制御する仕組みであって、ある材料の挙動を示す普遍的な指標ではない。規格上の呼称は、そのクラス、納入状態、周波数、磁束密度、試験片方法、さらに該当する場合には圧延方向と併せて初めて意味を持つ。

無方向性電磁鋼板：等級、加工、および磁気用途

完全加工無方向性鋼板の意味

完全加工無方向性電磁鋼板とは、製造者によって最終的な磁気状態が確立された状態で供給される、冷間圧延されたケイ素含有磁性鋼板である。その結晶粒は、単一の強い結晶学的方向に配向していない。むしろ、材料は、磁束が面内の異なる方向に進む場合でも磁気特性が概ね同等に保たれるよう加工される。したがって、「無方向性」は磁気的な組織を表し、「完全加工」は供給時の状態を表す。いずれの用語も、それだけではケイ素含有量、厚さ、または特定の鉄損値を規定するものではない。

この区別が重要なのは、電磁鋼板の designation が規格および試験条件に結び付いているためである。ASTM A677 は、主として 50 Hz および 60 Hz の磁気機器に使用される完全加工無方向性電磁鋼板を対象としている。この仕様では、ASTM International（2007）に基づき、Epstein 試験法を用いて 60 Hz、1.5 T で測定した最大鉄損によって等級が分類される。したがって、等級 designation は、規定された測定手順における上限値であり、あらゆる周波数、磁束密度、波形、温度、または磁化方向における鉄損を普遍的に予測するものではない。

Epstein 試験の結果にも文脈が必要である。この試験では、規定された試験片の配置および指定された交流磁気条件が用いられるが、モーターの固定子に存在するあらゆる応力、接合部、打抜き端部、被膜、または局所的な磁束歪みを再現するものではない。60 Hz、1.5 T で測定した鉄損は、これらの条件を付記して報告すべきである。周波数、磁束密度、および試験片の方法を伴わない数値は、誤解を招く比較につながる。

完全加工無方向性鋼板は、半加工無方向性鋼板とは異なる。ASTM の A06.02 小委員会は、完全加工無方向性鋼板について ASTM A677、半加工無方向性鋼板について ASTM A683 を規定している。IEC 60404-8-3:2023 は、半加工状態で供給される冷間圧延無方向性電磁鋼帯および鋼板を対象としており、公称厚さ 0.47、0.50、0.64、0.65、および 0.79 mm が含まれる。半加工材は、打抜き後に最終焼鈍を受ける場合があり、これは製造者の加工工程の一部として行われることが多い。そのため、供給時の磁気状態は完全加工鋼板の状態と同等ではない。

この区別により、厚さまたは公称ケイ素含有量を等級であるかのように扱う、よくある誤りを防ぐことができる。同じ厚さの 2 枚の鋼板でも、組織、結晶粒径、残留応力、被膜、および測定鉄損が異なる場合がある。逆に、加工条件または磁気試験条件が異なれば、薄い鋼板だからといって総鉄損が自動的に低くなるわけでもない。

圧延および焼鈍履歴の役割

圧延は鋼板の形状を形成するだけでなく、金属内部の状態も変化させる。塑性変形によって転位が導入され、結晶学的集合組織が変化し、ひずみエネルギーが蓄積される。焼鈍前には、通常、これらの影響によって磁壁の移動が困難になり、磁気損失が増加する。打抜き、せん断、曲げ、および組立てによって、特に切断端部付近に局所的な応力がさらに加わることがある。したがって、最終特性は化学成分だけで決まるものではなく、加工工程の結果として決まる。

焼鈍によって回復および再結晶が進行する。回復の過程では、蓄積された変形エネルギーの一部が解放される。再結晶の過程では、比較的ひずみのない新しい結晶粒が形成され、成長する。その後の結晶粒径および結晶学的集合組織は、温度、時間、加熱・冷却条件、圧下スケジュール、および先行する製鋼工程に左右される。結晶粒の成長によって、移動する磁壁が横切る結晶粒界の数を減らせる場合があるが、過度または不適切に制御された成長は機械的挙動に影響し、不適切な集合組織を生じさせる可能性がある。有用な磁気状態は、工程全体によって確立されるバランスである。

ケイ素およびアルミニウムの含有量は、電気抵抗率および磁気挙動に影響を及ぼすが、化学成分だけで性能が決まるわけではない。電気抵抗率が高くなると循環する渦電流を低減できる一方、圧延および焼鈍によって、その化学成分が集合組織、結晶粒径、および応力状態を通じてどのように発現するかが決まる。このため、公称上は類似した等級であっても、一方が製造中にひずみを受けていたり、異なる焼鈍後に試験されたりすると、鉄損が異なる場合がある。

鉄損自体も複数の成分に分かれる。2017 年の Karlsruhe Institute of Technology の研究では、変圧器鉄心の損失を、ヒステリシス損、古典的渦電流損、および過剰損の寄与によって説明している。ヒステリシス損は、不可逆的な磁壁移動および磁化変化に関連する。古典的渦電流損は、交番磁束によって鋼板内部に電流が誘導されることで生じる。過剰損は、磁区の移動および相互作用に関連する追加的な動的効果を表す。これらの成分は、周波数、磁束密度、電気抵抗率、結晶粒構造、および応力に対してそれぞれ異なる応答を示す。

鋼板の厚さは主に、渦電流が流れる経路に関係するため、薄い積層板によってその寄与を低減できる。しかし、ヒステリシス損または過剰損がなくなるわけではない。また、公称上低損失の等級であっても、打抜きによって大きな残留応力が生じたり、損傷した被膜によって積層板同士が電気的に接続されたりすれば、試験時の特性を維持できない。

表面絶縁は磁気システムの一部である。絶縁被膜によって隣接する積層板間の電気抵抗が高まり、層間電流が制限される。ASTM A976 は、電磁鋼板用絶縁被膜の分類を対象としている。被膜の種類、被覆状態、密着性、硬化、および切断や積層時の損傷は、組立て後の鉄心損失に影響を及ぼす可能性がある。したがって、鋼板基材とその被膜は一体として考慮しなければならない。

回転磁気回路において無方向性の挙動が重要な理由

変圧器は一般に、磁束を優先方向に沿って通すため、結晶学的配向が強い方向性電磁鋼板の特性を活用できる。これに対して、モーターや発電機は異なる。ローターが移動すると、機械の固定子の歯部およびヨークでは、磁束が機械の周囲で方向を変化させる。また、歯元、スロット、角部、および接合部の近傍では、磁束が局所的に方向転換する。一つの優先方向にだけ低損失を示す鋼板では、回転磁気回路全体にわたってその特性を発揮できない。

無方向性鋼板は、鋼板面内における磁気応答の差を抑えることで、この方向性の問題に対応する。目標は、あらゆる方向で完全に同一の挙動を実現することではない。実際の集合組織および加工によって、方向による差はなお生じる。目的は、回転機に見られる変化する磁束経路全体において、適切な磁気応答を得ることである。[5][5] ASTM A804/A804M-04(2021): Standard Test Method for Alternating-Current Magnetic Properties of Thermally Treated Grain-Oriented Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2021.

方向性鋼板との区別は、規格の体系に明確に示されている。ASTM A876 は、約 3.2% のケイ素を含む低炭素ケイ素鉄方向性鋼板を対象としており、通常品、高透磁率品、およびレーザースクライブ品が含まれる。IEC 60404-8-7:2017 は、公称厚さ 0.23、0.27、0.30、および 0.35 mm の完全加工方向性鋼板を対象としている。通常の方向性鋼板の等級は 1.5 T での試験用に指定される一方、その他の方向性鋼板の等級は 1.7 T での試験用に指定される。ASTM A804/A804M は、主として熱平坦化された方向性鋼板の一方向測定を目的としており、その結果は 25 cm Epstein 法と比較可能である。これらの結果を、回転機に用いる無方向性鋼板の等級に直接適用してはならない。

無方向性材料について、技術者は、用途に適合する周波数、磁束密度、波形、圧延方向、試験片方法、および供給状態における関連鉄損と透磁率を比較する。重要なのは、その鋼板のケイ素量が多いか、あるいは薄いかということではない。完成した鉄心内で磁束の方向が繰り返し変化する際に、その加工によって形成された磁気構造、絶縁、および試験鉄損が、なお用途に適しているかどうかである。

方向性電磁鋼板とゴス方位組織

ゴス方位組織と圧延方向磁化

方向性電磁鋼板は、シリコン含有量や板厚だけで定義されるものではない。その決定的な特徴は、圧延、焼鈍、二次再結晶によって形成される、制御された結晶学的集合組織にある。望ましいゴス方位では、体心立方構造の鉄結晶におけるおよそ \(\{110\}\) 面が鋼板表面に平行となり、\(\langle001\rangle\) 方向が圧延方向に平行となる。この方位は、一般に \(\{110\}\langle001\rangle\) と表記される。

この方位が重要なのは、立方晶の磁化容易方向である \(\langle001\rangle\) 方向に沿った磁化が、磁化困難な結晶学的方向に沿った磁化より容易だからである。多くの結晶粒で磁化容易方向が圧延方向に近くなると、磁区は成長しやすくなり、磁壁もより小さい印加磁界で移動できる。その結果、交流磁束が圧延方向に沿って流れる場合、高い透磁率と低いヒステリシス損が得られる。同じ材料でも、鋼板の幅方向では磁気特性が大きく異なることがある。したがって、圧延方向に対して横方向で測定した値を、圧延方向の値と同じものとして扱うことはできない。

集合組織が完全に均一になることはない。結晶粒は理想的なゴス方位から偏位しており、その偏位分布が透磁率、保磁力、損失に影響を及ぼす。局所的な集合組織、結晶粒径、残留応力、表面状態、さらに隣接する結晶粒間の磁気的相互作用もすべて寄与する。鋼種名だけでは、これらの変数を表すことはできない。

方向性電磁鋼板は通常、変圧器の脚やヨークのように、磁路を圧延方向に合わせて使用される。切断、継手設計、打抜きひずみ、曲げ、締付けによって、本来意図された挙動が損なわれることがある。そのため、損傷がなく、完全に加工された試験片として測定した帯状鋼板は、切断端、継手、印加応力を含む完成コアよりも低い損失を示す場合がある。

コア損は、物理的な寄与ごとにも分けて考える必要がある。2017年に発表されたカールスルーエ工科大学の研究では、変圧器コアの損失を、ヒステリシス損、古典的渦電流損、過剰損の合計として扱っている。ヒステリシス損は、各磁化サイクル中に生じる不可逆的な磁壁移動および磁化回転に関連する。古典的渦電流損は、変化する磁束によって誘導される電流から生じる。一方、過剰損は、不均一な磁壁移動や局所的な磁気過程に関係する追加の動的損失を表す。

薄い鋼板は、渦電流が流れる経路を減少させる。さらに、電気絶縁性の被膜によって積層板間の電気抵抗が増大し、コア積層体を通る電流の循環が抑制される。シリコンやアルミニウムは電気抵抗率を高める可能性があるが、その効果は集合組織、加工性、延性、結晶粒組織、焼鈍とも相互に作用する。これらの対策のいずれも、単独で鋼種の総損失を特定するものではない。

あらゆる特性値の記述には、試験条件を併記しなければならない。周波数、最大磁束密度、試験片方法、方向を示さない「コア損」という表現は不完全である。単方向測定については、ASTM A804/A804M-04(2021)は、主として熱平坦化された方向性電磁鋼板を対象としており、25 cm Epstein法と比較可能な結果を得ることを目的としている。この測定は、磁束が多くのモーターコアのように回転するのではなく、一方向に流れることを意図した変圧器コア用積層材料に特に関連する。

通常透磁率級と高透磁率級

IEC 60404-8-7:2017は、完全処理状態で納入される冷間圧延方向性電磁鋼帯および鋼板を対象としている。その適用範囲には、公称板厚0.23、0.27、0.30、0.35 mmのゴス方位組織材料が含まれ、通常透磁率級と高透磁率級が区別されている。「完全処理」とは、製品について規定された最終焼鈍や絶縁処理を含む磁気的処理が、納入前に完了していることを意味する。したがって、使用者が追加の最終焼鈍によって磁気特性を発現させることは想定されていない。

通常透磁率級および高透磁率級という表示は、方向性電磁鋼板における磁気性能の区分を示すものである。これは、あらゆる磁束密度、周波数、方向、コア構造において、すべての高透磁率鋼板が低損失になることを意味しない。透磁率は磁界および磁束密度に依存し、コア損は周波数、最大磁束密度、波形、応力、試験片形状、層間絶縁に応じて変化する。

ASTM A876は、約3.2%のシリコンを含む低炭素シリコン鉄系方向性鋼を対象としている。この規格には、通常透磁率、高透磁率、レーザースクライブの各区分が含まれる。ASTMの鋼種識別方法では、1.5 Tでの試験を指定する通常方向性鋼種と、1.7 Tでの試験を指定するその他の方向性鋼種も区別されている。これらの磁束密度の指定は不可欠である。1.5 Tでの損失値を1.7 Tでの値と直接比較し、鋼材そのものの優劣順位として扱うことはできない。

このことが、鋼種番号や板厚が、測定された磁気データの代替として不十分である理由の一つである。他の条件が同等であれば、薄い積層板ほど古典的渦電流損は通常低減する。しかし、測定結果には、集合組織の品質、抵抗率、被膜抵抗、磁区構造、印加された磁束密度波形も反映される。高透磁率という指定は、適用規格の要求事項によって定義された区分を示すものであり、板厚を普遍的な性能指標に変えるものではない。

規格体系を確認すると、鋼種区分の違いがさらに明確になる。ASTM A06.02小委員会は、完全処理無方向性電磁鋼をASTM A677、半処理無方向性電磁鋼をASTM A683、完全処理方向性電磁鋼をASTM A876、電磁鋼の絶縁被膜の分類をASTM A976で規定している。これらの文書は、相互に置き換え可能な単一の材料群を記述したものではない。方向性鋼は特定の磁束方向を優先するように加工されるのに対し、無方向性鋼は鋼板面内でより均一に近い磁気挙動を示すよう設計される。

比較として、ASTM A677は、主として50 Hzおよび60 Hzの磁気機器に使用される完全処理無方向性電磁鋼を対象としている。その鋼種は、Epstein試験法を用い、60 Hzおよび1.5 Tで測定した最大コア損によって分類される。この分類をASTM A876の方向性鋼種にそのまま適用することはできない。鋼種区分、試験片方法、方向、磁束密度、納入状態を維持した比較でなければならない。

レーザースクライブ方向性鋼種

レーザースクライブは磁区細分化処理であり、高透磁率の同義語ではない。レーザーによって、通常は圧延方向を主とする磁束に対して横方向に、近接したトラックが形成される。これは、表面に局所的な熱変化または応力変化を生じさせることによって行われる。これらのトラックは磁区を細分化するか、その幅を制限する。磁区が小さくなると、指定された試験条件下で動的な磁壁移動が抑制され、総コア損が低下する可能性がある。

この処理はゴス方位組織に取って代わるものではない。レーザースクライブ製品は依然として方向性電磁鋼であり、その圧延方向の挙動は、結晶学的配向、加工履歴、磁気的応力状態に依存する。また、レーザースクライブを施したからといって、材料が自動的に高透磁率級になるわけでもない。ASTM A876がレーザースクライブ鋼種を、通常透磁率級および高透磁率級と並ぶ別個の区分として掲げているのは、この分類が一つの普遍的な透磁率水準ではなく、加工経路またはその結果として得られる区分を示しているためである。

その効果は条件に依存する。スクライブによって、特定の周波数および磁束密度では損失が低下しても、別の磁束密度では透磁率、磁歪、損失に異なる変化が生じる可能性がある。トラック間隔、深さ、投入エネルギー、被膜状態、処理後の応力が影響することもある。コアの組立ても結果を変え得る。切断や積層によって意図された磁区パターンが分断されることがあり、締付け応力によって損失が増加する場合もある。

したがって、適切な仕様では、鋼種区分、公称板厚、納入状態、圧延方向、試験磁束密度、周波数、試験方法を明記する必要がある。例えば、完全処理されたゴス方位組織鋼板を、適用されるEpstein法または単方向試験法に基づき、1.5 T、圧延方向で試験した、という記述は明確な測定条件を示している。一方、「シリコン3.2%、薄板、高透磁率鋼」という表現は明確ではない。前者は磁気挙動を左右する変数を保持しているのに対し、後者は集合組織、加工、磁区細分化、試験条件を一つの誤解を招くラベルにまとめてしまっている。

シリコン、アルミニウム、炭素、そして磁気損失の冶金学

シリコンと電気抵抗率

シリコンが主に鉄に添加されるのは、電気抵抗率を高め、合金の磁気的挙動を変化させるためである。電気抵抗率が高いほど、磁束が変化した際に鋼板内部を循環できる電流が小さくなる。これらの循環電流は、鉄心損における古典的な渦電流成分である。所定の磁束密度波形と周波数においては、薄い積層板と高い電気抵抗率のいずれも、こうした電流経路の規模を制限するが、どちらも渦電流損を完全になくすものではない。

シリコンは、鉄の結晶特性および磁気特性も変化させる。一般に飽和磁束密度を低下させ、濃度が高くなると加工を難しくする可能性があるため、組成は一方向の品質尺度ではなく、妥協によって決まる。電気抵抗率への影響は依然として重要である。シリコンを添加することで、電気用鋼の挙動は、電気抵抗率が低く、誘導電流がより大きくなりやすい低炭素構造用鉄の挙動から分離される。

ただし、鋼種記号は試験条件とともに読み取らなければならない。2007年にASTM Internationalが引用したASTM A677は、主として50 Hzおよび60 Hzの磁気機器に用いられる完全処理無方向性電磁鋼を対象としている。その鋼種は、Epstein試験法により60 Hz、1.5 Tで測定した最大鉄心損によって分類される。この条件下で報告された損失は、普遍的な材料定数ではない。特定の鋼材、納入状態、試験片の配置、周波数、磁束密度を記述するものである。

方向性電磁鋼に関連付けられるシリコン量も、しばしば誤って単純化される。ASTM A876は、約3.2%のシリコンを含む低炭素シリコン鉄系の方向性電磁鋼を規定している。この数値は、その鋼種群の大まかな化学組成を示すものであり、それだけで透磁率や鉄心損を決定するものではない。方向性電磁鋼が磁気的優位性の多くを得るのは、結晶学的集合組織、特に有利な結晶方向を圧延方向にそろえることによる。シリコンは電気的・磁気的設計を支えるが、化学組成だけでゴス方位組織を形成するわけではない。

周波数が高くなると、電気抵抗率の利点はより重要になる。古典的な渦電流損は周波数とともに大きく増加し、積層板の厚さ、電気抵抗率、局所的な磁束波形に依存する。高抵抗率鋼から作られた厚い鋼板でも、低抵抗率鋼から作られた薄い鋼板とは異なる損失を示すことがあり、ヒステリシス損と過剰損はそれぞれ独立に変化し得る。したがって、「シリコンが多い」ことは、厚さ、周波数、磁束密度、さらに測定された損失成分または総損失を明示する代わりにはならない。

アルミニウム、炭素制御、二次的影響

アルミニウムは電気抵抗率を高めることがあり、電磁鋼の加工冶金にも寄与する。方向性電磁鋼では、特に窒化アルミニウムなどのアルミニウム含有析出物が、異常粒成長を制御する一連の焼鈍処理において、インヒビターとして作用することがある。望ましい最終集合組織は、組成、熱間圧延、冷間圧下、焼鈍、析出物の安定性の相互作用によって決まる。そのため、方向性電磁鋼の製造において、アルミニウムは単なる電気抵抗率向上添加元素以上の役割を持つ。

その効果は条件付きである。アルミニウム含有粒子の量、形態、熱履歴が重要であり、窒素、マンガン、硫黄、焼鈍スケジュールも同様に重要である。析出物の状態を示さずにアルミニウム含有量だけを報告した化学分析からは、最終的な結晶粒組織が意図した磁気応答を生み出すかどうかについて、ほとんど判断できない。インヒビターが弱すぎる、粗大すぎる、または不適切な段階で固溶すると、二次再結晶と集合組織の発達が変化する可能性がある。

炭素の制御も同様に重要である。低炭素化により、最終加工中の脱炭が可能になり、磁気時効のリスクが低減する。残留炭素は鉄や合金元素と結合して炭化物を形成することがあり、侵入型原子は磁壁の移動を妨げたり、時間や温度によって変化したりする。これらの作用は、ヒステリシス損を増加させたり、磁気特性を不安定にしたりする可能性がある。完全処理方向性電磁鋼では、最終的な絶縁状態および磁気状態が確立される前に、炭素が低いレベルまで除去される。重要なのは加工の結果であり、あらゆる規格に適用できる普遍的な炭素数値ではない。

炭素は、間接的に結晶粒成長と集合組織にも影響を及ぼす。再結晶、炭化物の析出、結晶粒が隣接する結晶粒を取り込む条件に影響する。低炭素組成であることは、大きく、望ましい方位を持つ結晶粒を保証するものではない。必要な加工経路を支え得る化学組成を作り出すだけである。最終結果は、圧延ひずみ、焼鈍、インヒビター、脱炭によって意図した結晶粒組織が形成されるかどうかに左右される。

損失機構を理解すると、これらの詳細が重要である理由が分かる。2017年のKarlsruhe Institute of Technologyの研究では、変圧器鉄心の損失を、ヒステリシス損、古典的な渦電流損、過剰損の三つに分けている。ヒステリシス損は、磁化が反転する際の不可逆的な磁壁移動を反映する。古典的な渦電流損は、変化する磁束によって誘導される電流から生じる。過剰損は、古典的な項では捉えられない、動的な磁区過程による追加的な損失を表す。シリコンとアルミニウムは、主として電気抵抗率を高め、微細組織に影響を与えることによって寄与する。一方、炭素制御は、磁壁の挙動、結晶粒組織、磁気時効に影響する。これらの効果は重なり合うが、互いに置き換えられるものではない。

絶縁も、化学的および加工上の別の変数となる。積層板間の被膜は、鋼板同士の接触部を横切る電気抵抗を高め、層間電流を制限する。ASTM A976は電磁鋼の絶縁被膜を分類する規格であり、被膜の分類記号を総鉄心損の直接的な順位付けに変えるものではない。被膜の厚さ、被覆状態、密着性、打抜き時の損傷、さらにその結果生じる締付け応力は、完成した鉄心に影響を及ぼし得る。

多くの変数の一つとしての組成

電磁鋼は一つの材料分類ではない。完全処理無方向性電磁鋼、半加工無方向性電磁鋼、完全処理方向性電磁鋼は、それぞれ異なる製造経路をたどるため、シリコン含有率だけで比較すべきではない。ASTM Subcommittee A06.02は、完全処理無方向性電磁鋼についてASTM A677、半加工無方向性電磁鋼についてASTM A683、完全処理方向性電磁鋼についてASTM A876、絶縁被膜の分類についてASTM A976を規定している。IEC 60404-8-3:2023は、半加工状態で納入される冷間圧延無方向性帯鋼および鋼板を対象とし、公称厚さ0.47、0.50、0.64、0.65、0.79 mmを含んでいる。IEC 60404-8-7:2017は、公称厚さ0.23、0.27、0.30、0.35 mmの完全処理方向性電磁鋼板を対象としている。

渦電流損は積層板の厚さに強く反応するため、これらの厚さは重要である。しかし、試験のその他の説明がなければ、厚さだけから総損失を予測することはできない。結晶粒径、集合組織の鋭さ、残留応力、表面状態、打抜き損傷、被膜、付加張力は、磁壁の移動を変化させ、その結果としてヒステリシス損または過剰損を変化させる可能性がある。レーザースクライブ処理された方向性電磁鋼板は、公称化学組成が類似した従来型または高透磁率鋼種とは異なる方法で磁区を制御することがある。

試験方向と磁束密度は不可欠である。ASTM A804/A804Mは、主として変圧器鉄心の積層材料として用いられる、熱平坦化された方向性電磁鋼について、一方向交流測定を行うことを目的としており、その結果は25 cm Epstein法と比較可能である。ASTM A876には、1.5 Tまたは1.7 Tで試験される従来型、高透磁率型、レーザースクライブ型の鋼種が含まれる。ASTMの鋼種識別慣行では、従来型方向性電磁鋼を、1.5 Tでの試験用に指定された鋼種と、1.7 Tでの試験用に指定された鋼種とに区別している。1.5 Tで報告された損失を、1.7 Tで測定された損失と同等に扱うことはできない。

同じ原則は無方向性電磁鋼にも適用される。ASTM A677に基づいて分類された数値は、Epstein法による60 Hz、1.5 Tでの最大鉄心損を意味するのであって、あらゆるモーター周波数、磁束密度、波形における性能を意味するものではない。IEC 60404-8-3:2023に基づく半加工材料では、その磁気特性が意図した使用状態を表す前に、最終焼鈍または製造者が定めるその他の加工が必要になる場合がある。

組成は磁気性能を支えるが、それを決定するものではない。シリコンとアルミニウムは、電気抵抗率を高めることで渦電流損を低減でき、アルミニウム含有析出物は結晶粒の発達制御に役立つ場合がある。低炭素化は、脱炭、加工安定性、磁気時効への耐性を支える。しかし、完成品の特性は、化学組成に加えて、集合組織、結晶粒径、応力、厚さ、被膜、納入状態、測定条件が組み合わさって現れる。これらの変数を省いた比較は、磁気的挙動ではなく、単なるラベルを比較しているにすぎない。

鉄心損を分解する：ヒステリシス、渦電流、過剰損

鉄心損とは、強磁性鉄心が交番磁束を受ける際に、電力が熱へ変換される現象である。測定値は単一の材料定数ではない。周波数、最大磁束密度、波形、試験片形状、圧延方向、積層板厚さ、絶縁、応力、鋼材の納入状態に依存する。60 Hz、1.5 Tで報告された損失値は、両方の試験片が同じ鋼種記号を持っていても、50 Hz、1.7 Tで報告された値と直接比較することはできない。[6][6] Transformer-core loss separation study. Karlsruhe Institute of Technology. Karlsruhe Institute of Technology publication, 2017.

2017年のKarlsruhe Institute of Technology（KIT）の研究では、変圧器鉄心の損失を、ヒステリシス損、古典的な渦電流損、過剰損または異常損の三つの寄与に分けている。この区分は物理的な枠組みであり、規格証明書に三つの独立した特性値として印刷されるものではない。測定された総損失は、これらを組み合わせた結果である。

$$P_{\mathrm{total}}=P_{\mathrm{h}}+P_{\mathrm{cl}}+P_{\mathrm{ex}}$$

これらの項は、加工および微細構造を介して相互に影響し得る。粒径、結晶方位組織、残留応力、被膜抵抗、磁区微細化は、複数の寄与を同時に変化させる可能性がある。

ヒステリシス損と磁壁運動

ヒステリシス損とは、不可逆的な磁化サイクルの過程で散逸するエネルギーである。交番磁界の方向が変化すると、磁区は同じ磁化経路をたどって戻るわけではない。磁気ヒステリシスループが囲む面積は、1サイクル当たり、かつ単位体積当たりの損失エネルギーを表す。このエネルギーに周波数を乗じると、電力損失への寄与が得られる。

磁区壁磁区壁 異なる磁化方向を持つ磁区を分ける遷移領域。

低い磁束密度では、磁化はしばしば磁壁の移動によって始まる。磁壁は、磁気モーメントが異なる結晶方位を向く領域を隔てている。完全な結晶では、小さな印加磁界によって磁壁をほとんど抵抗なく移動させられる可能性がある。しかし、実際の電磁鋼板には、転位、結晶粒界、介在物、残留応力、表面の不規則性、局所的な方位組織の変動が存在する。これらの特徴が磁壁をピン止めしたり、変形させたりする。そのため、磁壁が拘束から解放される前に磁界を増加させる必要が生じ、不可逆的な跳躍とエネルギー散逸が発生する。

より高い磁束密度では、磁壁の移動に加えて、印加磁界の方向への磁化回転が生じる。磁壁運動と磁化回転のバランスは、結晶方位に依存する。これが、方位組織が重要である理由である。完全処理方向性電磁鋼板では、強いGoss方位組織が形成され、多くの結晶粒が圧延方向に沿った低損失磁化に適した方位となる。ただし、その低損失特性は、指定された方向および試験条件において適用されるものであり、鋼板があらゆる方向で同じ磁気応答を示すことを意味しない。

無方向性電磁鋼板は、支配的な一つの容易磁化方向を形成するのではなく、方向による差を低減するように加工される。完全処理無方向性材は、主として50 Hzおよび60 Hzの磁気機器に使用される用途について、ASTM A677の対象となる。同規格では、エプスタイン試験法を用い、60 Hzおよび1.5 Tで測定した最大鉄損によって等級が分類される。したがって、等級表示が伝えるのは定義された試験条件下での結果であり、あらゆる磁束密度および周波数における普遍的なヒステリシス損の値ではない。

納入状態も磁壁運動を変化させる。完全処理鋼板には、磁気特性を確立するための最終焼鈍および表面処理が施されている。ASTM A683およびIEC 60404-8-3:2023の対象となる半加工無方向性鋼板は、使用者が後続処理を行うことを前提に供給される。切断、打抜き、応力除去、最終焼鈍によって、磁壁のピン止め状態は変化し得る。半加工材という表示を、完全処理材の単に分解能が低い等級として扱うことはできない。

シリコンおよびアルミニウムは電気抵抗率を高め、磁気挙動を変化させる可能性があるが、化学成分だけでヒステリシス損が決まるわけではない。焼鈍、結晶粒成長、方位組織、応力制御は、公称シリコン含有率を単純に比較した場合に示唆される以上に、ループ形状へ大きな影響を及ぼすことがある。厚さについても同じ注意が必要である。薄い鋼板は渦電流損を低減できる一方、ヒステリシス損は主として方位組織、欠陥、磁壁のピン止めによって決まる状態が残り得る。

積層板における古典的渦電流損

磁束が変化すると、導電性の鋼板内部に電界が誘起される。その電界によって、変化する磁束と鎖交する面内に循環電流が流れる。この電流は鋼板の電気抵抗を受け、熱として電力を散逸させる。これが古典的渦電流損の寄与である。

正弦波励磁を受ける単純な積層鋼板モデルでは、古典的渦電流損は、周波数の二乗、最大磁束密度の二乗、積層板厚の二乗にほぼ比例して増加し、電気抵抗率の上昇に伴って減少する。この関係は、厚さだけを取り出して比較してよいことを意味しない。係数は、形状、磁束分布、波形、さらに絶縁が電流経路をどの程度遮断するかに依存する。

積層板は、循環電流が流れる領域を縮小する。各鋼板に施された電気絶縁性被膜は、隣接層間の抵抗を増加させ、積層体を横切る大きな電流ループの形成を防ぐ。ASTM A976は電磁鋼板の絶縁被膜を分類している。したがって、被膜の等級表示は単なる表面仕上げの説明ではなく、磁気回路の構成要素である。母材が規定の磁気等級を満たしていても、損傷した被膜、薄い被膜、不連続な被膜、または導電性の被膜は、積層鉄損を増加させる可能性がある。

シリコンは抵抗率を高め、アルミニウムも、該当する成分および加工システムの範囲内で含有される場合には、同じ損失制御の方策に寄与し得る。抵抗率が高いほど古典的渦電流は抑制されるが、延性、方位組織の形成、結晶粒成長、飽和挙動にも影響を及ぼす可能性がある。したがって、シリコン含有量は設計変数であって、等級同等性を判断する規則ではない。「シリコンが多い」というだけで特定の規格等級を示すことも、測定される全損失が低くなることを保証することもできない。

厚さも、試験条件と併せて解釈しなければならない。IEC 60404-8-3:2023は、半加工状態で納入される冷間圧延無方向性電磁鋼帯および鋼板を対象とし、公称厚さ0.47、0.50、0.64、0.65、0.79 mmを含む。IEC 60404-8-7:2017は、公称厚さ0.23、0.27、0.30、0.35 mmの完全処理方向性材を対象とする。これらの範囲は構造上の違いを示すが、すべての0.23 mm鋼板の全損失が、すべての0.35 mm鋼板より低いことを示すものではない。ヒステリシス損および過剰損の寄与は残り、試験磁束密度も異なる可能性がある。

切断および積層も実際の結果に影響する。ばりは積層板間に電気的なブリッジを形成する可能性がある。打抜きは、端部付近に塑性変形と残留応力を導入し、局所的なヒステリシス損を増加させるとともに、磁区パターンを変化させる。応力除去焼鈍によって磁気性能の一部を回復できる場合があるが、その効果は鋼種、被膜、雰囲気、熱サイクルに依存する。

過剰損または異常損と実際の微細構造

過剰損とは、磁区構造および不均一な磁化に関連する追加の動的寄与である。これは、厚さと抵抗率から計算される古典的渦電流項そのものではない。交番励磁中、磁壁は一つの滑らかで均一に前進する境界として移動するのではなく、不連続な段階を踏んで移動する。移動する各磁壁は磁束に局所的な変化を生じさせ、その結果、局所的な渦電流が発生する。これらの電流は磁壁運動と相互作用し、理想化された古典的計算を超える動的損失を生じさせる。

実際の磁区パターンが、この寄与を支配する。結晶粒界、介在物、応力場、表面損傷、さらに磁区の間隔および形状によって、異なる磁界および異なる時刻で反転する領域が形成される。周波数が高くなると、印加磁界が再び変化する前に磁壁が応答できる時間は短くなる。その結果生じる不均一な磁化によって、過剰損成分が増加する。磁区微細化によって局所的な磁束変化の大きさを低減し、移動する磁壁の周囲に形成される電流経路を短くできるため、一部の方向性製品では磁区制御処理が用いられている。

方向性電磁鋼板は、これらの機構を分離して考える重要性を示している。ASTM A876は、約3.2%のシリコンを含む低炭素シリコン鉄系の方向性鋼を対象とし、通常級、高透磁率級、レーザースクライブ級を含む。ASTMの等級識別慣行では、1.5 Tでの試験を指定する通常方向性等級と、1.7 Tでの試験を指定する等級を区別している。報告される損失には、その磁束密度条件を明記しなければならない。ASTM A804/A804Mは、主として熱平坦化された方向性鋼について一方向交流測定を行うことを目的とし、その結果は25 cmエプスタイン法と比較可能である。ただし、その一方向構成を等方的な試験と置き換えることはできない。

レーザースクライブは局所的に磁区構造を変化させ、指定された条件下で損失を低減できるが、応力、切断、積層、横方向磁束の影響を消し去るものではない。同様に、結晶粒の配向によって圧延方向に沿って測定される損失を低減できても、その方向から外れた場合には異なる応答が生じる可能性がある。したがって、IEC 60404-8-7:2017に基づく完全処理方向性鋼と、ASTM A677に基づく完全処理無方向性鋼は、単一の試験結果によって全損失が類似して見える場合でも、異なる磁気クラスに属する。

実務上の結論は明確である。鉄損を制御するには、鋼種、納入状態、厚さ、被膜、方位、周波数、磁束密度、波形、試験片方法を用途に適合させなければならない。ヒステリシス損は不可逆的な磁化サイクルを表し、古典的渦電流損は変化する磁束によって誘起される電流を表し、過剰損は磁区構造および不均一な磁化による動的効果を捉える。測定される全損失には、この3つすべてが含まれる。これをそのうちの一つだけとして扱うと、誤った説明につながり、材料または加工条件の選択を誤る可能性がある。

損失制御としての板厚、積層、絶縁被膜

電磁鋼板の板厚、被膜厚さ、組み立て後のコア寸法は、それぞれ異なる物理的特徴を表します。これらを互換的に扱うと、コア損失の予測を誤ることになります。板厚は、1枚の電磁鋼板の厚さです。被膜厚さは、その表面にある電気抵抗性の被膜の厚さです。積層形状には、電磁鋼板の枚数、重なりや継ぎ目、占積率、磁束の方向、組み立てられた磁気回路が含まれます。より薄い鋼板で作ったコアであっても、切断損傷、絶縁不良、過大な締付け、または不適切な磁性グレードによって渦電流損失の低減効果が相殺されれば、総損失が自動的に低くなるわけではありません。

2017年に発表されたKITの研究では、変圧器コアの損失を、ヒステリシス損失、古典的渦電流損失、過剰損失に分けています。磁区壁の移動はヒステリシス損失に関連し、交番磁束は循環電流を誘起します。残りの動的な寄与は過剰損失として扱われます。電磁鋼板の積層および被膜設計が直接作用するのは、主として電流に関連する項であり、適切な結晶方位、化学組成、応力制御、または試験条件の代替となるものではありません。

薄い鋼板が通常、層間渦電流経路を減少させる理由

変化する磁束は電界を発生させます。固体の鋼製コアでは、この電界によって材料全体に広がるループ状の循環電流が流れることがあります。これらの電流は鋼の電気抵抗によって電力を消費し、古典的渦電流損失を生じさせるとともに、局所的な磁界を変化させます。変化する磁束の影響を受ける方向において、利用可能な電流ループの寸法が大きいほど、そのループに誘起される電圧は大きくなります。

積層コアは、1つの大きな導電体積を多数の薄い鋼板に分割します。各鋼板は主としてその面内で磁束を通し、鋼板間の界面は、ある鋼板から次の鋼板へ電流が流れるのを妨げます。古典的渦電流成分については、よく知られた簡略関係式に積層板厚の2乗が含まれます。周波数、磁束密度、抵抗率、波形を一定とすれば、板厚を減少させることで、一般にこの成分は不釣り合いなほど大きく低減します。ただし、これは傾向を示すものであり、グレードに依存しない保証ではありません。実際の損失にはヒステリシス損失と過剰損失も含まれ、製造時の応力によってこれらが増加することもあります。

物理的な効果は、相互に関連する2つの作用によって生じます。第一に、薄い鋼板では、誘起電流ループが形成される寸法が短くなります。第二に、個々に絶縁された鋼板を積層することで、隣接する鋼板の広い面を通じてこれらのループがつながるのを防ぎます。界面が電気的に短絡されると、実効的な電流ループの寸法はコアの大部分の高さまたは幅に近づくことがあり、積層設計による効果の多くが失われます。

したがって、製品規格で規定される板厚の値は、材料クラスおよび納入状態と併せて初めて意味を持ちます。IEC 60404-8-3:2023は、半加工状態で納入される冷間圧延無方向性電磁鋼帯および電磁鋼板を対象としており、公称板厚として0.47、0.50、0.64、0.65、0.79 mmを規定しています。これらは規格で定義された製品板厚であり、普遍的な性能順位を示すものではありません。これらのいずれかの板厚を持つ半加工無方向性鋼板であっても、指定された磁気試験条件および加工条件の下で評価する必要があります。

IEC 60404-8-7:2017は、完全加工状態で納入される冷間圧延方向性電磁鋼を対象としており、公称板厚0.23、0.27、0.30、0.35 mmなどを含みます。方向性材料は通常、磁束が主として圧延方向に沿って流れるように使用されるため、板厚と結晶方位は相互に作用します。0.27 mmの方向性電磁鋼板と0.50 mmの半加工無方向性電磁鋼板は、板厚だけでは比較できません。結晶方位、熱処理、磁化方向、納入状態が異なるためです。

薄い積層板では、一定の積層高さに含まれる界面の数も増加します。その結果、被膜や小さな隙間が積層体の一部を占めるため、外形寸法単位当たりの鋼の体積が減少することがあります。ここで占積率が重要になります。公称高さ100 mmの積層体に、磁性鋼が100 mm分含まれているとは限りません。切断および打抜きについても、別の注意が必要です。ばりは隣接する積層板を電気的に接続する可能性があり、切断端部付近の残留応力はヒステリシス損失および過剰損失を増加させることがあります。したがって、薄い材料は古典的渦電流損失を低減できても、加工状態が悪ければ他の損失成分が増加する可能性があります。

表面絶縁の電気的役割

被膜は、単なる防食層や取扱い用の仕上げではありません。その電気的機能は、隣接する積層板の広い面の間に高い抵抗を維持し、誘起電流を主として自身の鋼板内に閉じ込めることです。被膜は、積層板に沿って流れる電流まで阻止する必要はありません。そのようなことは、鋼そのものを変えなければ不可能です。被膜が制限すべきなのは、積層板と積層板の界面を横切る電流です。

この区別から、被膜の連続性が重要である理由が分かります。小さな損傷部、露出した端部、導電性の汚染物、または打抜きばりが、複数の鋼板を横断するブリッジを形成することがあります。1か所のブリッジでコア全体が必ず短絡するわけではありませんが、多数のブリッジが長い層間電流経路を形成する可能性があります。締付け圧力によって被膜が圧縮または損傷することもあり、溶接または接着工程によって局所的な導電接続が生じることもあります。したがって、鋼板とその公称被膜が変わっていなくても、コアの組立状態は損失に影響します。

被膜厚さと板厚は、異なる結果をもたらします。板厚を増加させると、磁束および渦電流が発生する鋼の領域が変化します。一方、被膜厚さを増加させると、主として電気的な分離が大きくなり、一定の積層体に占める鋼の割合が低下します。厚い積層板が薄い積層板に変わるわけではありません。逆に、薄い鋼板に非常に薄い被膜を施したものは、積層体全体の厚さが同じであっても、より厚い鋼板と同等ではありません。

絶縁は、規定された製造工程および熱処理工程にも耐えなければなりません。完全加工方向性電磁鋼には、その仕様に関連する応力除去処理など、管理された処理が施されることがあります。半加工無方向性電磁鋼は、その後の加工によって磁気特性が変化する可能性を前提として供給されます。電気抵抗、密着性、耐熱性、切断または焼鈍に対する応答は、相互に関連づけて考慮する必要があります。ただし、被膜の呼称を数値的なコア損失値として扱ってはなりません。

ASTM A976は、電磁鋼の絶縁被膜を分類するための関連ASTM規格です。ASTMは、A976を磁性鋼製品規格の代替として使用していません。ASTM分科委員会A06.02は、完全加工無方向性電磁鋼についてASTM A677、半加工無方向性電磁鋼についてASTM A683、完全加工方向性電磁鋼についてASTM A876、絶縁被膜の分類についてASTM A976を特定しています。被膜分類は、該当する規格体系における被膜の種類またはクラスを示すものです。それだけで、周波数および磁束密度が明示されていない条件における特定鋼材のコア損失を確定するものではありません。したがって、被膜クラスおよび測定性能は、鋼板の外観から推定または割り当てるのではなく、該当するASTM A976の版から確認する必要があります。

コア損失の比較は、測定条件と引き続き密接に結び付いています。例えばASTM A677は、主として50 Hzおよび60 Hzの磁気機器に使用される完全加工無方向性電磁鋼を対象としており、グレードは、Epstein試験法を用いて60 Hz、1.5 Tで測定した最大コア損失によって分類されます。ASTM A804/A804Mは、主として熱平坦化された方向性電磁鋼について一方向交流測定を行うための規格であり、結果は25 cm Epstein法と比較可能です。方向性グレードの呼称では、1.5 Tで試験される従来グレードと、1.7 Tでの試験を指定された他のグレードも区別されます。周波数、磁束密度、試験片方法、該当する場合の圧延方向、納入状態を伴わない損失値の引用は不完全です。板厚と被膜は電気的な電流経路を制御しますが、これらの測定条件をなくすものではありません。

磁気試験：エプスタイン法、単板法、一方向法

磁気特性は、単独で存在する数値ではありません。それは、材料区分、納入状態、試験片の形状、磁気回路、周波数、最大磁束密度、圧延方向に対する方向、ならびに積層板間の電気絶縁といった試験条件に属するものです。これらの詳細を示さずに「鉄損」を報告すると、妥当な2つの測定値が矛盾しているように見えることがあります。

この区別が重要なのは、電磁鋼板が単一の材料区分ではないためです。完全処理無方向性電磁鋼板、半処理無方向性電磁鋼板、完全処理方向性電磁鋼板では、集合組織、熱処理、想定用途、試験上の慣行がそれぞれ異なります。ASTM 小委員会 A06.02 は、これらの区別を個別の規格に対応させています。ASTM A677 は完全処理無方向性鋼板、ASTM A683 は半処理無方向性鋼板、ASTM A876 は完全処理方向性鋼板を対象とし、ASTM A976 は絶縁被膜を分類しています。

測定される損失にも、複数の物理的要因があります。2017年のカールスルーエ工科大学の研究では、変圧器鉄心の損失を、ヒステリシス損、古典的渦電流損、過剰損に分けています。ヒステリシス損は、磁化反転の際に磁壁が欠陥やピン止めサイトを通過して移動することで生じます。古典的渦電流損は、交番磁束が変化する際に鋼中に誘導電流が発生することによって生じます。過剰損は、磁壁の不均一な移動や局所的な磁気過程に伴う追加的な動的損失を表します。試験方法は、規定された波形と周波数のもとで、これらを合わせた影響を記録するものであり、化学成分だけから鋼種を特定するものではありません。

25 cmエプスタイン法と帯状試験片

25 cmエプスタイン法では、細長い長方形の帯状試験片を組み合わせて、正方形の磁気回路を構成します。試験片の長さは慣例的に25 cmであり、磁路に主要な試験方向に沿って切断された材料が含まれるように配置します。この試験は、孤立した1枚の鋼板部分を測定するものではありません。印加磁化力、誘起電圧、磁束、ならびに試験片の質量または体積が、報告される磁気量と関連付けられる、管理された組立体での試験です。

無方向性鋼板では、この配置により、異なる方向から採取された材料の標準化された平均応答が得られます。この平均値が有用なのは、無方向性電磁鋼板が、特定の結晶学的方向に磁気性能を集中させるのではなく、方向による差を抑えるように設計されているためです。ただし、結果は切断状態、バリ、試験片の状態、積層、絶縁、励磁の制御方法にも依存します。

ASTM A677が中心的な例です。この規格は、主として50 Hzおよび60 Hzの磁気機器に使用される完全処理無方向性電磁鋼を対象とし、60 Hzおよび1.5 Tでエプスタイン試験法を用いて測定した最大鉄損によって鋼種を分類します。周波数と磁束密度は、鋼種の判定基準の一部です。帯状試験片と測定器が同じであっても、50 Hzまたは1.0 Tで測定した値は、ASTM A677による同じ分類結果にはなりません。

帯状試験片は、指定された納入状態も反映していなければなりません。完全処理鋼板には、供給時の磁気状態を確立するために必要な最終焼鈍および絶縁処理が施されています。半処理無方向性鋼はこれとは異なり、最終的な磁気特性の発現が使用者による加工に依存することがあります。一般的には、応力除去焼鈍などが含まれます。IEC 60404-8-3:2023は、半処理状態で納入される冷間圧延無方向性電磁鋼帯および鋼板を対象としており、公称厚さ0.47、0.50、0.64、0.65、0.79 mmを含みます。これらの厚さの区分が、ASTM A677の完全処理鋼種に自動的に置き換わるわけではありません。

厚さは損失に影響しますが、鋼種の表示に代わるものではありません。一般に、積層板の厚さを小さくすると、循環渦電流が流れる経路が短くなります。表面の電気絶縁はこれらの電流をさらに遮断し、シリコンおよびアルミニウムの添加は電気抵抗率を高めます。しかし、最終的な損失は、集合組織、結晶粒径、応力、被膜、波形、周波数にも依存します。ある状態で試験した薄い鋼板を、別の規格のもとで試験した厚い鋼板に対して、厚さだけで順位付けすることはできません。

方向性鋼板に対するASTM A804/A804M

方向性電磁鋼板では、磁気特性が意図的に方向依存となっているため、別の観点が必要です。熱間平坦化処理を施した方向性材料では、圧延方向に強いGoss集合組織が形成されるため、その方向に沿った磁化は、圧延方向に対して横方向の磁化と大きく異なることがあります。方向を平均する試験では、変圧器鉄心で重要な特性が隠れてしまう可能性があります。

ASTM A804/A804Mは、主として変圧器鉄心用積層材料として使用される熱間平坦化方向性電磁鋼について、一方向交流磁気測定を行うことを目的としています。従来のエプスタイン試験体とは異なり、この方法は、規定された磁気方向における材料の測定を目的としています。ASTM Internationalは、ASTM A804/A804Mによる結果が25 cmエプスタイン法による結果と比較可能であるとしています。しかし、「比較可能」とは、試験片の配置と方向情報を相互に置き換えられるという意味ではありません。結果には、試験方法を明記する必要があります。

単板法または一方向法による試験では、多方向の帯状試験片組立体よりも、方向性材料の圧延方向における挙動を直接的に明らかにできます。試験片は選択した方向に沿って磁化され、交流磁束密度は誘起電圧から設定されます。したがって、報告される損失値には方向上の意味があります。圧延方向の値を等方的な鋼板平均値として解釈してはならず、圧延方向に対して横方向の結果をその代わりに用いることもできません。

ASTM A876は、シリコンを約3.2%含む低炭素シリコン鉄系方向性鋼を対象としています。通常方向性、高透磁率、レーザースクライブの各鋼種を含みます。IEC 60404-8-7:2017は、完全処理状態で納入される冷間圧延方向性電磁鋼帯および鋼板を対象としており、公称厚さ0.23、0.27、0.30、0.35 mmのGoss集合組織材料を含みます。これらの文書は鋼種区分と納入条件を規定するものであり、記載された磁気特性を意味のあるものにする測定上の文脈は、試験方法によって与えられます。

磁束密度と周波数条件の解釈

通常テスラで表される磁束密度は、磁界強度と同じものではなく、相互に置き換えることもできません。交流試験では、磁束密度の波形とその最大値が、材料を磁化曲線上のどこまで駆動するかを決定します。磁束密度が高くなると、磁区過程や飽和の影響により、損失が大幅に増加することがあります。周波数が変化すると、1秒間あたりの磁化反転回数が変わり、特に渦電流損および過剰損を含む動的成分が増加します。

そのため、ASTMの慣行では、1.5 Tで試験する方向性鋼種の表示と、1.7 Tで試験する方向性鋼種の表示を区別しています。通常方向性鋼種は1.5 Tでの試験用に表示され、その他の方向性鋼種は1.7 Tでの試験用に表示されます。この表示は、分類または報告対象の特性に対して規定された磁束密度を示すものであり、単なる推奨運転点ではありません。1.5 Tの結果と1.7 Tの結果を、同一の鋼種試験であるかのように比較すると、見かけ上の順位が逆転することがあります。

同じ注意は周波数にも当てはまります。ASTM A677の分類条件は60 Hzおよび1.5 Tであり、これは主として50 Hzおよび60 Hzの機器で使用されることを反映しています。400 Hzでの試験では、ヒステリシス損、古典的渦電流損、過剰損のバランスが異なります。材料、厚さ、試験片方法が同じであっても、妥当性が示された周波数モデルと、対応する波形の前提がなければ、その数値を移用することはできません。

したがって、信頼性のある報告書には、材料規格と鋼種表示、納入状態、公称厚さ、試験片方法、周波数、最大磁束密度、必要に応じた波形、絶縁状態、試験方向を記載します。方向性鋼については、圧延方向を明示しなければなりません。「鉄損：1.5 W/kg」では不十分です。「完全処理無方向性鋼を対象に、60 Hzおよび1.5 Tで25 cmエプスタイン法により測定した鉄損」と記載すれば、利用可能な結果として特定できます。一方向性の方向性鋼測定では、方向とASTM A804/A804M法も同様に不可欠です。

試験方法は特性の一部であり、特性の後に付ける脚注ではありません。

等級またはデータシートを誤読せずに読む方法

等級表示は、磁気特性を完全に示すものではありません。等級表示は規格内における材料の位置付けを示しますが、報告される挙動は、供給状態、板厚、試験周波数、磁束密度、試験片の方向、測定方法にも左右されます。体系的な読み取り手順を守ることで、シリコン含有率や薄い公称板厚を、磁気性能の直接的な代替指標として扱うという、よくある誤りを防げます。

規格、供給状態、等級群を読み解く

等級番号ではなく、まず適用される規格を確認します。たとえば ASTM A677 は、主として 50 Hz および 60 Hz の磁気機器向けの、完全処理無方向性電磁鋼を対象としています。同規格の等級は、ASTM A677-07（ASTM International, 2007）に規定された Epstein 試験法により、60 Hz、1.5 T で測定した最大鉄損によって分類されます。この分類は、考えられるすべての運転条件を示すものではありません。

次に、供給状態を確認します。完全処理材は、規格で要求される磁気焼鈍を受け、磁気特性が確立された状態で供給されます。半処理材は、通常、最終焼鈍を含む追加加工を使用者が行うことを前提に供給されます。納入時の磁気的挙動を、完全処理鋼板の磁気的挙動と同等と解釈してはなりません。

ASTM 規格の対応関係は、この区別を明確に示しています。ASTM Subcommittee A06.02 では、完全処理無方向性鋼について ASTM A677、半処理無方向性鋼について ASTM A683、完全処理方向性鋼について ASTM A876 を挙げています。ASTM A976 は絶縁皮膜の分類を扱います。「電磁鋼」とだけ記載されたデータシートでは、この対応関係の中で材料を位置付けるために必要な情報が欠落しています。

次に、鋼種群を特定します。無方向性電磁鋼は、面内の異なる方向で比較的類似した磁気的挙動を示すよう設計されていますが、完全に方向非依存というわけではありません。方向性電磁鋼は、通常 Goss 方位に関連する強い結晶学的集合組織を有し、一般に圧延方向または別途指定された方向に沿って評価されます。この二つの鋼種群は異なる磁気回路設計に使用されるため、単一の等級番号の序列によって比較すべきではありません。

ASTM A876 は、約 3.2% のシリコンを含む低炭素ケイ素鉄方向性鋼を対象としています。同規格には、通常級、高透磁率級、レーザースクライブ級が含まれます。IEC 60404-8-7:2017 は、完全処理状態で納入される冷間圧延方向性電磁鋼帯および鋼板を対象としており、公称板厚 0.23、0.27、0.30、0.35 mm などが含まれます。これらの板厚は同製品規格における代表的な項目であり、それ自体が性能の順位を示すものではありません。

半処理無方向性材料については、IEC 60404-8-3:2023 が、公称板厚 0.47、0.50、0.64、0.65、0.79 mm とともに、磁気特性、寸法許容差、検査手順を規定しています。この一覧に板厚が含まれているからといって、その鋼板が同じ板厚の完全処理無方向性等級と同等になるわけではありません。

公称板厚は等級とは分けて記録します。また、皮膜または絶縁に関する情報も記録します。電気絶縁皮膜は層間抵抗を高め、隣接する積層板間を流れる循環電流を低減します。ASTM A976 は、関連する皮膜分類の枠組みを示しています。シリコンおよびアルミニウムは電気抵抗率を高める可能性がある一方、集合組織の制御や加工はヒステリシスおよび透磁率に影響します。これらの特徴のいずれも、単独で最終的な鉄損値を決定するものではありません。

最大鉄損による分類を正しく読む

最大鉄損の等級は、規定された条件下での合格限界であり、普遍的な損失定数ではありません。ASTM A677 が 60 Hz、1.5 T、Epstein 試験による最大損失で等級を定めている場合、その値は定義された測定条件に適用されます。400 Hz、1.0 T、回転磁束下、または異なる打抜き・応力除去処理後の損失を自動的に予測するものではありません。

有用な転記方法は、数値の横に条件を記載することです。「最大比全損失、［周波数］、［磁束密度］、Epstein 試験」のように記します。角括弧内の条件を削除すると、条件付きの結果が誤解を招く情報に変わります。同じ原則は方向性鋼の等級にも当てはまります。ASTM の慣行では、1.5 T での試験を指定する通常級と、1.7 T での試験を指定するその他の方向性鋼等級を区別しています（ASTM International, 2024）。試験磁束密度を残さずに数値上限を比較することは妥当ではありません。

試験片の方法も結果を変える可能性があります。ASTM A804/A804M は、主として、変圧器鉄心積層材として使用される熱平坦化方向性電磁鋼について、一方向交流測定を行うための規格です。その結果は 25 cm Epstein 法の結果と比較可能ですが、「比較可能」とは、すべての試験形状で同一の測定値が得られるという意味ではありません。したがって、データシートに ASTM A804/A804M-04（2021 年再確認）の測定値が記載されている場合は、その規格を明示すべきです。

鉄損自体には、複数の物理的要因が含まれます。2017 年に発表された Karlsruhe Institute of Technology の研究では、変圧器鉄心の損失を、ヒステリシス損、古典的渦電流損、過剰損に分けています。磁気構造内における磁壁移動は、ヒステリシス損に寄与します。変動する磁束は鋼中に渦電流を誘起し、古典的渦電流損を生じさせます。また、磁区構造および局所的な電流経路は過剰損に寄与します。

集合組織、加工、被膜、応力、または試験条件が異なる場合、電磁鋼板の薄板は必ずしも低損失になるとは限らない。 Limited evidence

板厚は主に渦電流成分に影響します。これは、電気的な電流経路が短くなることで循環電流損が低減するためです。損失の低減は、より高い電気抵抗率、適切な絶縁、応力の低減、または結晶粒配向の改善によっても生じます。薄い鋼板であっても、集合組織、加工状態、皮膜、または試験条件が異なれば、測定された全損失が高くなる場合があります。「0.27 mm」は板厚であって、磁気等級全体を示すものではありません。

透磁率、磁束密度、損失を区別する

透磁率は、所定の磁界によってどの程度の磁束密度が生じるかを表します。簡略化すると、比透磁率は、材料の応答を真空の応答と比較したものです。データシートには、初透磁率、最大透磁率、または特定の磁束密度における透磁率が記載される場合があります。これらは異なる量であり、一つの数値にまとめてはなりません。

磁束密度は、一般にテスラで表されます。これは、特性が測定される運転点または試験点です。高透磁率の方向性鋼は、別の鋼種よりも低い磁化力で所定の磁束密度に到達する可能性がありますが、全損失は依然として、周波数、波形、板厚、集合組織、応力、絶縁に左右されます。磁化しやすいことと、1 サイクル当たりのエネルギー散逸が小さいことは同じではありません。

鉄損は、定義された交番磁気励振下で単位質量または単位体積当たりに散逸する電力です。その値は、周波数と磁束密度の両方に大きく依存します。二つの鋼板は、ある磁束密度では類似した透磁率を示しながら異なる損失を示すことがあります。また、ある試験点では類似した損失を示しながら、磁化曲線上の別の領域では異なる透磁率を示すこともあります。

すべての特性は、供給状態、等級群、公称板厚、周波数、磁束密度、方向、試験片方法、報告特性から成る完全な組として読み取ります。方向性鋼については、圧延方向に加えて、試験が長手方向、横方向、その他の指定方向のいずれで行われたかを確認します。比較を行う場合は、一度に一つの変数だけを変更します。これらの条件を欠くデータシートでも、製品群を特定できる場合はありますが、妥当な磁気比較を裏付けることはできません。

磁気特性を変化させる製造変数

電磁鋼板の磁気特性は、シリコン含有量や公称板厚だけで決まるものではない。圧延履歴、焼鈍、結晶方位、残留応力、表面絶縁、さらに鋼板がコア加工現場に到着した時点での状態が、測定結果のすべてに影響する。したがって、完全加工無方向性電磁鋼板、半加工無方向性電磁鋼板、完全加工方向性電磁鋼板の区別は、規格上の区分であると同時に、製造上の区分でもある。

ASTM Subcommittee A06.02は、完全加工無方向性電磁鋼板について ASTM A677、半加工無方向性電磁鋼板について ASTM A683、完全加工方向性電磁鋼板について ASTM A876、電磁鋼板の絶縁被膜について ASTM A976を規定している。IEC 60404-8-3:2023は半加工状態で供給される冷間圧延無方向性電磁鋼板を対象とし、IEC 60404-8-7:2017は完全加工状態で供給される冷間圧延方向性電磁鋼板を対象としている。鋼種記号は、その供給状態および磁気特性に付随する試験条件と併せて初めて意味を持つ。

冷間圧下、再結晶、結晶粒径

冷間圧下が変化させるのは、板厚だけではない。結晶粒を伸長させ、転位密度を高め、加工ひずみエネルギーを蓄積させるとともに、結晶学的異方性および機械的異方性を生じさせる。これらの変化は磁壁の移動や、磁化が印加磁界に追随する容易さに影響する。そのため、強く加工された帯鋼は、同じ組成および公称板厚の焼鈍済み帯鋼とは大きく異なる磁気特性を示すことがある。

再結晶では、熱処理中に新たな比較的ひずみのない結晶粒が形成され、冷間加工組織の大部分が除去される。形成される集合組織は、初期組織、圧下履歴、焼鈍条件、インヒビター、合金化学成分に左右される。その後の結晶粒成長によって、結晶粒界の数および性状も変化する。粒界は磁壁の移動を妨げる可能性がある一方、結晶粒が過度に粗大化したり不規則になったりすると、局所的な磁気的不均一性が増大し、継手部や切断端部周辺の応答が複雑になることがある。無方向性製品と方向性製品の双方に等しく適用できる、普遍的な結晶粒径の規則は存在しない。

無方向性電磁鋼板では、面内の複数方向で有用な磁気応答が得られるよう、結晶方位の分布を形成することを目的に加工が行われる。完全加工無方向性材は、製造者による最終磁気焼鈍を受けている。半加工無方向性材は最終処理を完全には受けておらず、使用者が後工程で行う焼鈍および加工の工程によって、再結晶組織、結晶粒径、磁気特性が変化する可能性がある。IEC 60404-8-3:2023は、公称板厚0.47、0.50、0.64、0.65、0.79 mmの半加工材を含んでいるが、これらの板厚だけでは、特定されていない後工程の熱処理後に最終的に得られる鉄損を規定することはできない。

方向性電磁鋼板では、目的が異なる。加工によって、一般に {110}<001> 方位で表される強いGoss集合組織を形成し、多くの結晶粒の容易磁化方向を圧延方向と平行にする。ASTM A876は、約3.2%のシリコンを含む低炭素ケイ素鉄方向性電磁鋼板を対象とし、通常方向性、高透磁率、レーザースクライビング処理の各鋼種を含んでいる。IEC 60404-8-7:2017は、公称板厚0.23、0.27、0.30、0.35 mmの完全加工方向性帯鋼を対象としている。

方向性電磁鋼板の特性を報告する際には、圧延方向が不可欠である。意図した磁束方向に沿って測定した値を、横方向や継手の影響が支配的な領域にそのまま適用することはできない。ASTM A804/A804Mは、主として熱平坦化処理を施した方向性電磁鋼板について、一方向交流測定を行うための規格であり、25 cm Epstein法と比較可能な結果を得ることを目的としている。試験片の形状と測定方向は、結果の一部である。

結晶粒径は、鉄損を構成する個別の成分とも相互作用する。2017年のKarlsruhe Institute of Technologyの研究では、変圧器コアの鉄損を、ヒステリシス損、古典的渦電流損、過剰損に分けている。ヒステリシス損は、不可逆的な磁壁移動および磁化過程を反映する。古典的渦電流損は、交流磁束によって鋼板内に循環電流が誘起されることで生じる。過剰損は、単純な古典的項では捉えられない、動的な磁区過程による付加的な損失を表す。焼鈍は、ひずみを除去することでヒステリシスに関連する影響を低減できる一方、他の損失成分には、板厚、抵抗率、磁区構造、周波数が影響する。

応力除去と平坦度

切断、打抜き、せん断、曲げ、積層によって、平坦な試験片には存在しなかった応力が加わる。打抜き端部には塑性変形と残留応力が存在し、幅に対して狭い歯部や角部には大きな応力勾配が生じることがある。これらの領域では磁壁の移動が妨げられ、局所的なヒステリシス損が増加する可能性がある。大形のEpstein試験片では影響が小さくても、小形モーターの固定子、変圧器の角部、または鋭く成形された部品では、影響が顕著になることがある。

供給状態が重要なのは、完全加工材であっても加工の影響を受けないわけではないからである。完全加工鋼板は、製造者側で規定された磁気処理を完了しているが、切断や成形によって、完成積層板の磁気応答が劣化することはある。半加工無方向性電磁鋼板は、購入者が後工程で行う焼鈍および成形の工程に、より大きく依存する。そのため、加工前に試験された鋼板から組み立てたコアは、証明書に示された値より高い鉄損を示す可能性がある。

熱平坦化は、形状と応力の双方に対処する。熱処理によって、圧延、切断、取扱いに起因する残留応力を低減し、平坦度を改善できるが、加熱にさらされることで結晶組織、被膜の挙動、磁気特性も変化する。ASTM A804/A804Mは、変圧器コア用積層材として使用される、熱平坦化処理を施した方向性電磁鋼板を対象としている。この限定は重要である。熱平坦化され、一方向で試験された帯鋼の値が、せん断、積層、締付けを施したコアを自動的に表すわけではない。

機械的な締付けも、別の応力源となる。過大な圧力、不均一な積層、過度にきつい巻線、局所的なばりの接触は、磁歪と磁壁の移動を拘束する可能性がある。平坦度の問題は、積層板間にすき間や点接触を生じさせ、磁束分布を変化させるとともに、局所的な損失を増加させることがある。熱平坦化は、あらゆる加工影響を消し去る汎用的な修復工程ではない。その結果は、これまでに受けた変形、熱処理、鋼種、被膜系に依存する。

磁区細分化と表面状態

磁区細分化によって磁区が反転する距離が短くなり、磁壁の移動に伴うエネルギーが制限され、適切な条件下では損失が低減する。レーザースクライビングは、方向性電磁鋼板に用いられる方法の一つである。この処理では、制御された狭い表面変状を形成し、鋼板全体にわたって磁区を細分化する。この処理は、バルクのシリコン含有率を変えることと同等ではなく、その効果は鋼種に規定された試験磁束密度との関係で考慮しなければならない。

ASTM A876は、1.5 Tで指定される通常方向性鋼種と、1.7 Tで指定されるその他の鋼種を含め、方向性鋼種および試験条件を区別している。これらの異なる磁束密度で得られた損失値を比較すると、誤った順位付けにつながる可能性がある。周波数、磁束密度、圧延方向、試験片方法、供給状態は、引用するすべての磁気特性値に付随していなければならない。

表面被膜には二つの役割がある。隣接する積層板を電気的に絶縁して層間抵抗を高め、循環渦電流を低減すると同時に、張力、打抜き性、熱処理適合性、積層挙動にも影響する。ASTM A976は、電磁鋼板用絶縁被膜の分類体系を規定している。被膜の損傷、導電性のばり、過度な被膜厚、または不適切な接触状態があると、鋼板基材が鋼板規格を満たしていても、組み立てたコアの鉄損が変化する可能性がある。

表面状態は応力にも影響する。粗さ、傷、酸化物残渣、被膜の不均一性は、局所的な接触点を形成したり、積層時に鋼板を拘束したりすることがある。レーザースクライビング、被膜張力、切断後の端部損傷は、互いに独立してではなく、相互に作用する場合がある。薄い積層板は古典的渦電流損の低減に有効だが、板厚を薄くしても、好ましくない集合組織、残留応力、または不適切な励磁によって生じるヒステリシス損や過剰損がなくなるわけではない。

したがって、重要な問いは、単にどの鋼種が供給されたかではない。指定された鋼種、加工状態、集合組織、表面絶縁、切断方法、応力除去処理、コア組立てが、実際の周波数および磁束密度において要求される鉄損を生み出すかどうかが重要である。使用される磁気部品は完成したコアであり、元の平坦な帯鋼に対する試験は、その製造履歴に沿って行われる管理された測定の一つにすぎない。

材料の挙動を踏まえた変圧器および回転機の鉄心設計

鉄心は、鋼板の等級分類に用いられる磁気条件と同じ条件にさらされるわけではない。材料は所定の形状に切断され、絶縁され、積層され、締め付けられ、特定の波形で励磁される。これらの各工程によって、完成部品が示す磁気応答は変化し得る。したがって、等級名が示すのは材料の区分と規定された試験条件であって、組み立てられたあらゆる鉄心について保証された損失値ではない。

納入状態の違いは、設計段階で重要になる。ASTM A677は、主に50 Hzおよび60 Hzの磁気機器に用いられる完全加工無方向性電磁鋼を対象としており、その等級は、Epstein試験法によって60 Hz、1.5 Tで測定された最大鉄心損失により分類される。ASTM A683は半加工無方向性鋼を対象とし、ASTM A876は完全加工方向性鋼を対象とする。一方、IEC 60404-8-3:2023は、半加工状態で納入される冷間圧延無方向性電磁鋼帯および電磁鋼板を規定し、IEC 60404-8-7:2017は完全加工方向性材料を対象とする。

これらの規格は、相互に代替可能な製品を記述しているのではない。それぞれ、成分、集合組織、加工、磁気試験および納入状態の異なる組み合わせを記述している。

変圧器鉄心と望ましい磁束方向

変圧器鉄心は、交流磁束の大部分が方向性電磁鋼の圧延方向に沿った制御された経路を通るように設計される。完全加工方向性鋼では、強いGoss集合組織によって、多くの結晶方位が圧延方向に対して有利に配置される。そのため、設計で用いる磁束密度および周波数の範囲では、無作為な方位の集合体と比べて、その方向への磁化に必要な磁界が小さくなる。

このため、変圧器用の積層板は、同一の長方形を単純に積み重ねて配置されるわけではない。磁束が脚部および継鉄部を通過する際、方向が急激に変化する箇所をできる限り少なくするよう、帯鋼を切断し、方位を合わせる。ステップラップ継手などの継手構造では、磁束全体を一つの鋭い突合せ継手に通過させるのではなく、複数の積層板にわたって遷移を分散させる。目的は、磁気経路を短くすることだけではない。局所的な磁化磁界の集中を抑え、望ましい集合組織を乱す作用を低減することも目的である。

ASTM A876は、約3.2%のシリコンを含む低炭素けい素鉄方向性鋼を対象とし、通常方向性、高透磁率およびレーザースクライブ等級を含む。報告される特性には、試験磁束密度の指定を必ず付記しなければならない。ASTM Internationalが2024年に示したASTMの分類慣行では、通常方向性等級は1.5 Tでの試験用に指定され、その他の方向性等級は1.7 Tでの試験用に指定される。1.5 Tでの損失値を、1.7 Tでの損失値と安易に比較することはできない。

ASTM A804/A804Mは、主として熱間平坦化された方向性鋼について、一方向交流磁気測定を行うための規格である。その結果は25 cm Epstein法と比較可能であるが、試験配置は、継手、角部、締付け金具および巻線によって生じる磁界を備えた完成変圧器とは依然として異なる。圧延方向と試験片の方位は、測定の定義に含まれる要素である。

結晶方位の制御は磁気的負担の一要素を低減するが、鉄心損失の三つの物理的起源を消し去るわけではない。2017年のKarlsruhe Institute of Technologyの研究では、ヒステリシス損失、古典的渦電流損失および過剰損失が区別されている。磁壁の移動はヒステリシス損失に寄与する。交番磁束は渦電流を誘起し、その大きさは積層板の厚さ、電気抵抗率および鋼板間の絶縁に左右される。過剰損失は、磁区過程および局所的な磁気的不均一性に関連する追加の動的効果を表す。シリコン、アルミニウム、薄帯、表面絶縁および集合組織は、これらの損失成分にそれぞれ異なる影響を及ぼし得る。

したがって、変圧器設計者は、鋼材の望ましい方向を磁束経路に合わせ、その優位性を製造中も維持しなければならない。標準化された損失が低い鋼板であっても、切断端、継手または応力を受けた領域が組み立てられた鉄心の性能を支配すれば、良好に機能しない可能性がある。

回転機と変化する面内磁束

回転機の磁気経路は、より制御しにくい。固定子歯、バックアイアンおよび回転子部品では、回転子の移動や巻線磁界の回転に伴って、局所的な磁束方向が変化する。磁束の多くは積層板の面内にとどまるが、圧延方向に対する角度は継続的に変化する。方向性鋼板は限られた方向でのみ最も強い応答を示すため、面内方向の変化を繰り返し受け入れなければならない鉄心には適合しにくい。

そのため、このような磁気経路には通常、完全加工無方向性電磁鋼が用いられる。その結晶学的集合組織は、一つの支配的な磁化容易方向を作るのではなく、方向による差を抑えるように制御される。選択の基準は、単に「高シリコンか低シリコンか」ではない。指定等級、公称厚さ、納入状態、抵抗率、表面絶縁、磁束密度、周波数および加工履歴も含まれる。

半加工無方向性鋼は、別の設計条件をもたらす。IEC 60404-8-3:2023は、半加工状態で納入される帯鋼および鋼板について、公称厚さ0.47、0.50、0.64、0.65および0.79 mmを含め、磁気特性、寸法公差および検査手順を規定している。最終焼鈍が使用者の製造工程に含まれる場合があるため、打抜きおよび熱処理後の磁気状態を、完全加工材料の指定から推定することはできない。ASTM Subcommittee A06.02は、半加工無方向性鋼についてA683、完全加工無方向性鋼についてA677を掲げている。これらの指定を相互に置き換えてはならない。

回転機鉄心では、スロット、歯先の飽和、高調波および機械的非対称性によって生じる局所的な磁束成分も発生する。これらの磁界は、カタログまたは規格試験で用いられる正弦波状の均一な励磁とは異なる場合がある。その結果、公称運転周波数が変わらなくても損失が増加することがある。薄い積層板は、絶縁された各鋼板が循環電流の経路を制限するため、古典的渦電流損失の低減に役立つ。しかし、材料を薄くするだけで、損傷した端部、応力または歪んだ磁束によって生じるヒステリシス損失や過剰損失まで自動的に解決できるわけではない。

積層、継手および局所応力

完成した鉄心に含まれる鋼材の量は、磁気回路が実質的に受け取る鋼材量より多い。積層係数とは、固体鋼材の体積と積層全体の体積との比であり、残りの部分は被膜、表面粗さ、うねりおよび微小な隙間によって占められる。積層係数が低い場合、鉄心断面を通る平均磁束を同じにするために、鋼材内の磁束密度を高くする必要がある。その結果、個々の鋼板が元のEpstein試験結果を満たしていても、損失および励磁電流が増加する可能性がある。

積層板間の電気絶縁は、層間渦電流を制限するために不可欠である。ASTM A976は、電磁鋼の絶縁被膜に関するASTMの分類体系を規定している。被膜が損傷、汚染、硬化不良となっている場合、または本来の想定を超えて圧縮されている場合、複数の鋼板間に導電性ブリッジが形成されることがある。このようなブリッジは渦電流ループを拡大させる。公称鋼材等級は変わっていないが、積層体内部の電気回路が変化しているのである。

切断および打抜きは、鋼板試験と鉄心挙動との間に別の不一致を生じさせる。せん断加工は端部付近の材料を塑性変形させ、局所的な磁区を変化させ、ヒステリシス損失および過剰損失を増加させる可能性がある。打抜きでは、穴の周辺や狭い歯部にさらに大きなひずみが加わることがある。損傷領域が歯の大部分を占める場合や、端部付近に磁束が集中する場合には、狭い損傷帯でも不釣り合いに大きな影響を及ぼし得る。ばり取り、適切な工具の使用、納入状態および被膜が許す場合の応力除去焼鈍、ならびにクリアランスの綿密な管理は、この影響を抑える手段である。ただし、これらによって標準化された等級結果が事後的に変わることはない。

ばりは、機械的欠陥であると同時に電気的欠陥でもある。ばりは、隣接する積層板間の実効的な隙間を小さくし、絶縁を破損または変位させ、積層体を通る導電性接触を形成する可能性がある。また、締付け時に応力を集中させる局所的な幾何学的突起を生じさせることもある。その結果、磁束密度が変化し、追加の循環電流経路を持つ領域が形成される。

継手には、個別に注意を払う必要がある。変圧器の角部では、磁束が一方の脚部または継鉄部から別の脚部または継鉄部へ移行しなければならない。適切に設計されたステップラップ継手であっても、磁気抵抗を追加し、局所的なフリンジングを生じさせる。不適切な嵌合、過大な隙間、積層板の位置ずれまたはばりがあると、わずかな枚数の鋼板に磁界が集中する可能性がある。その場合、完成鉄心で測定された損失は、鋼板の損失値に質量を乗じて算出した推定値を上回ることがある。

形状を維持するには締付け圧力が必要であるが、過大または不均一な圧力は弾性応力および塑性応力を導入する。応力は磁壁の移動を変化させ、特に穴、角部、継手および狭い歯部の近傍で透磁率を低下させる可能性がある。同じ作用は、積層中に鋼板が変形した場合や、フレームが熱膨張を拘束した場合にも現れる。鉄心設計では、鋼材の指定と併せて、圧力分布、平面度、継手の嵌合状態、被膜の状態および端部品質を規定すべきである。

実務上の原則は単純である。磁気方向と試験条件に基づいて材料を選定し、その特性が組み立て後も維持されるように製造工程を設計する。標準化された結果は、規定された試験片に帰属するものである。機械の鉄心は、応力を受け、絶縁され、継手を備えた磁気構造体である。

電磁鋼板の鋼種を実務的に比較するための枠組み

同種のものを同じ条件で比較する

「電磁鋼板」は、単一の互換製品ではなく、複数の材料区分を指す。完全処理無方向性電磁鋼板、半処理無方向性電磁鋼板、完全処理方向性電磁鋼板はいずれも電磁鋼板と呼ばれるが、それぞれ異なる磁気回路に使用され、比較に必要な条件も異なる。

完全処理無方向性電磁鋼板は、製造業者が磁気特性を整える処理工程を完了した後の状態で特性が規定される。その特性は、面内の異なる方向で比較的近いものとなるよう意図されているが、完全な等方性を示すことはない。ASTM A677は主として50 Hzおよび60 Hzの磁気機器向けに、この区分を対象としている。同規格の鋼種は、Epstein試験法により60 Hz、1.5 Tで測定した最大鉄心損失によって分類される。この分類が有効なのは、設計がほぼ同じ周波数、磁束密度、試験片方法、および納入状態で使用される場合に限られる。

半処理無方向性鋼板は、別の条件で比較しなければならない。購入者または加工業者は、打抜き、プレス成形、または成形の後に最終焼鈍を行うことがあり、それによって材料に規定された磁気状態を発現させる。ASTM A683は半処理無方向性鋼板を対象とし、IEC 60404-8-3:2023は半処理状態で納入される冷間圧延無方向性帯鋼および鋼板を対象としている。IEC規格には、公称厚さ0.47、0.50、0.64、0.65、および0.79 mmが含まれる。同じ公称厚さであっても、半処理鋼板と完全処理鋼板は、双方に鉄損区分が表示されているというだけで同等になるわけではない。

方向性電磁鋼板は、さらに別の区分に属する。Goss集合組織は、圧延方向に有利な結晶学的方位を集中させるため、その方向に磁束が流れる磁気回路に特に適している。ASTM A876は、約3.2%のシリコンを含む低炭素けい素鉄方向性鋼板を対象とし、通常方向性、高透磁率、およびレーザースクライブ鋼種を含む。IEC 60404-8-7:2017は、公称厚さ0.23、0.27、0.30、および0.35 mmの完全処理方向性鋼板を対象としている。これらの薄い製品は、より厚い無方向性鋼板より渦電流損が低い場合があるが、だからといって、横方向または回転磁束が相当量存在する回転機における直接の代替材になるわけではない。

したがって、最初に問うべきなのは「どの鋼種の数値が低いか」ではない。「これらの材料は、同じ区分、同じ納入状態、同じ磁気用途に属しているか」である。

規格に基づく特性チェックリスト

有用な比較では、特性をその測定条件と併せて記録する。まず規格および鋼種の表示を示し、次に材料が完全処理材か半処理材かを明記する。処理状態は、透磁率、ヒステリシス、打抜き性、残留応力、ならびに必要な最終焼鈍後に得られる結果に影響する。

公称厚さは、実測厚さとは分けて記録する。厚さは古典的渦電流損に影響する。交流磁束によって鋼板内に循環電流が誘導されるためであり、積層厚さを薄くすると電流の経路が短くなり、該当する電流ループ全体の電気抵抗が増加する。しかし、厚さだけでは鉄心損全体は規定できない。2017年に公表されたKITの研究では、変圧器鉄心の損失をヒステリシス損、古典的渦電流損、過剰損に分けている。磁壁の移動はヒステリシス損を生じ、変動する磁束は渦電流を誘導する。過剰損は、追加的な動的磁区過程を反映する。他の2つの寄与を無視した厚さ比較では、支配的な機構を誤って特定する可能性がある。

すべての損失値の横に、試験周波数と磁束密度を記載しなければならない。ASTM A677は、分類の基準として60 Hzおよび1.5 Tを用いる。方向性鋼種では、特に注意が必要である。ASTMの試験方法では、通常方向性鋼種は1.5 Tで試験するものとして指定される一方、その他の鋼種は1.7 Tで試験するものとして指定されている。1.5 Tで測定した値は、磁化曲線上の異なる点を考慮しない限り、1.7 Tで測定した値と直接順位付けできない。周波数によって、ヒステリシス損、渦電流損、過剰損の相対的な割合も変化する。

試験片方法も明記する。Epstein試験は、規定された帯状試験片の組立体を通じて磁気特性を平均化する。一方、ASTM A804/A804Mは、主として変圧器鉄心の積層材に用いられる熱平坦化方向性電磁鋼板について、一方向交流磁気特性を測定することを目的としている。ASTM A804/A804Mの結果は25 cm Epstein法と比較可能であるが、両者は互換的な試験法名ではない。測定方向も同様に重要である。無方向性鋼板では、方向または平均化手順を報告する。方向性鋼板では、圧延方向、横方向、または磁束と圧延方向との角度を指定する。圧延方向に平行に測定した方向性鋼板の結果からは、横方向磁束が支配的な回路について多くを判断することはできない。

チェックリストには、損失だけでなく透磁率も含めなければならない。提示された鉄心損の値が同程度であっても、高い透磁率によって励磁電流や局所的な磁束応力を低減できる場合がある。結晶方位の整列は、ある方向の透磁率を高める一方で異方性を増大させ、コーナージョイント、斜めに流れる磁束、横方向成分の管理を難しくすることがある。レーザースクライブは、磁区構造を変化させ、特定の試験条件における損失を低減できるが、方向依存性を消し去るものではない。

最後に、絶縁被膜の区分と、加工後の表面状態を記録する。ASTM A976は、電磁鋼板の絶縁被膜に関する分類の枠組みを規定している。被膜厚さ、層間抵抗、打抜き性、溶接性、切断後の応力除去は、組み立てられた鉄心の特性に影響する。層間抵抗を高める被膜は、積層間に流れる循環電流を低減できる一方、過度に厚い被膜や損傷した界面は、占積率や接合部の挙動を変化させる可能性がある。

公称損失が低いだけでは設計上の答えにならない場合

異なる磁束密度、周波数、方向、または試験片方法で得られた低いカタログ損失値は、誤った選定につながる可能性がある。方向性材料と無方向性材料を比較する場合、この誤りは特に重大である。方向性鋼板は圧延方向において非常に低い損失と高い透磁率を示す可能性があるが、モータの固定子では磁束が回転し、変圧器の接合部では局所的な磁束の偏りが生じる。無方向性鋼板は、面内でより均一な挙動を得る代わりに最大の方向性性能を犠牲にしており、磁気回路と製造工程を簡素化できる場合が多い。

製造性も結果を左右する。打抜きによって端部損傷と残留応力が生じ、ヒステリシス損が増加し、透磁率が低下する可能性がある。半処理材は、管理された最終焼鈍によって磁気特性を回復できる場合があるが、その工程には雰囲気、温度、清浄度、治具、および寸法に関する制約が伴う。完全処理材ではこの特定の工程を避けられるが、切断応力、締付け、曲げ、接合部の圧力の影響を受けることに変わりはない。

シリコンおよびアルミニウムの含有量は電気抵抗率の上昇に寄与し、渦電流損を低減できる場合がある。しかし、組成だけで鋼種を一律に順位付けすることはできない。単純なシリコン含有量の比較よりも、集合組織、結晶粒径、析出物の制御、焼鈍履歴、被膜、応力状態の方が大きく影響する場合がある。薄い積層板、絶縁被膜、シリコンおよびアルミニウム含有量の増加、結晶方位の整列は、損失を制御する手段であって、総合的な磁気適性を示す互換可能な指標ではない。

再利用可能な比較枠組みは次のとおりである。

材料区分、納入状態および処理状態、公称厚さ、集合組織および異方性、提示された透磁率および損失、試験磁束密度、周波数、試験片方法、磁気方向、被膜区分および層間抵抗、加工および応力状態、ならびに想定する磁気回路。

これらの項目が一致するか、または相違がモデル化された後に初めて、ある鋼種を別の鋼種と比較して評価すべきである。正しい比較とは、表示に基づく比較ではなく、条件を一致させた比較である。

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