シリコン鋼コイルと材料: 完全ガイド

珪素鋼コイル ケイ素鋼材料は現代の電気工学の根幹であり、磁気効率がエネルギー消費と運用コストに直接影響を与える変圧器、モーター、発電機に使用されています。 適切なグレードのケイ素鋼を選択すると、通常の炭素鋼と比較して鉄損を最大 30 ～ 50% 削減できます。 、材料の選択はエンジニアリング上および商業上の重要な決定となります。

このガイドでは、ケイ素鋼とは何か、コイルの製造方法、主要なグレードとその性能データ、特定の用途向けに材料を評価する方法について説明します。

ケイ素鋼とは実際何ですか

ケイ素鋼 - 電磁鋼または積層鋼とも呼ばれる - は、以下の成分を含む特殊な鉄とケイ素の合金です。 重量で 1.0% および 6.5% のシリコン 。シリコンの添加により電気抵抗率が増加し（純鉄の約 10 μΩ・cm から高シリコングレードの約 50 ～ 82 μΩ・cm まで）、材料が交流磁場にさらされたときの渦電流損失が減少します。

シリコン含有量に加えて、シリコン鋼材料は次の 2 つの構造方針に沿って設計されています。

• 粒子指向 (GO): 結晶が圧延方向に揃っているため、一軸方向の透磁率に優れています。ほぼトランスコアのみに使用されます。
• 非穀物志向 (NGO): 結晶がランダムに分布しているため、全方向に均一な磁気特性が得られます。モーター、発電機、オルタネーターなどの回転機械に使用されます。

この区別は非常に重要です。 M-5 (厚さ 0.27 mm) のような方向性鋼は、およそ次の鉄損を示します。 1.7 T、60 Hz で 0.68 W/kg 一方、同様の厚さの無配向グレードは、同じ条件下で 2.5 ～ 3.5 W/kg を示す可能性があります。

珪素鋼コイルの製造方法

ケイ素鋼コイルは、電磁鋼板の主な納品形式です。これらは、最終的な磁気性能を決定する厳密に制御された冶金プロセスを通じて製造されます。

熱間圧延と冷間圧延

このプロセスは、鋼スラブを熱間圧延して中間の厚さ 2.0 ～ 2.5 mm にすることから始まります。非配向グレードの場合、1 回の冷間圧延ステップで目標ゲージ (通常 0.35 ～ 0.65 mm) まで縮小されます。結晶配向グレードの場合、中間焼鈍ステップを含む 2 段階の冷間圧延プロセスを使用して、ゴス組織（優れた方向透過性の原因となる結晶方位）を開発します。

アニーリングとコーティング

最終焼鈍により内部応力が緩和され、結晶粒の成長が完了します。アニール後、コイルは薄い絶縁コーティング (通常は無機リン酸塩または有機樹脂) でコーティングされ、コアに積み重ねたときに層間渦電流が発生するのを防ぎます。コーティングの厚さは通常、 片面あたり 1 ～ 3 µm 、スタッキングファクター（総体積に対する磁性材料の比率）を95％以上に保ちます。

スリットとコイリング

最大1,200 mm幅のマスターコイルは、お客様指定の幅にスリットされ、巻き戻され、バンドで固定されて出荷されます。標準コイル重量の範囲は次のとおりです。 3～10トン 、内径は 508 mm または 610 mm で、スタンピングやカッティングラインに適しています。

主なグレードと性能比較

ケイ素鋼は、鉄損（キログラムあたりのワット数）と厚さによってグレード分けされます。以下の表は、IEC および ASTM 規格の広く使用されているグレードを比較しています。

IEC 命名規則では、厚さとコア損失の両方がエンコードされます。たとえば、 35W270 = 厚さ 0.35 mm、1.5 T、50 Hz で 2.70 W/kg。これにより、コイルを調達する際にサプライヤー間の比較が簡単になります。

特定の用途に合わせたケイ素鋼材料の選択

ケイ素鋼材料を用途に適合させることは、単に最も低い鉄損を選択することだけではありません。その他の要因 (機械的特性、動作周波数、磁束密度要件、コスト) はすべて、最適な選択に影響を与えます。

電力および配電変圧器

方向性ケイ素鋼は、50 ～ 60 Hz で動作する変圧器コアの唯一の実行可能な選択肢です。 Hi-B (高透過性) 処理を施した薄いゲージ (0.23 ～ 0.30 mm) が好まれており、誘導レベルは H = 800 A/m で 1.88 ～ 1.93 T — 従来の GO グレードより約 5 ～ 8% 高い。このより高い磁束密度により、変圧器の設計者はコア断面積を縮小し、材料の重量とコストを削減することができます。

電気自動車 (EV) モーター

EV トラクション モーターは、標準的な電磁鋼板グレードが最適化されている 50/60 Hz のベースラインをはるかに上回る 400 ～ 1,000 Hz の周波数で動作します。高周波では、渦電流損失は 周波数の二乗と積層厚さの二乗 。これにより、EVモーターの設計者は0.20～0.25 mmの超薄型無配向グレードを目指すことになり、一部の設計では6.5%のシリコン鋼（CVDまたはスプレー合金で製造）を使用して抵抗率を約82 µΩ・cmに押し上げています。大手自動車サプライヤーによる 2023 年の調査では、800V モーター プラットフォームの NGO 鋼を 0.35 mm から 0.20 mm に切り替えると、鉄損が 約40% ピーク動作速度で。

産業用モーターおよび発電機

グリッドからの固定 50/60 Hz で動作する標準誘導モーターの場合、0.50 mm の無指向性グレード (50W470 または同等品) がコストと性能の最適なバランスを示します。モーターが IEC 60034-30-1 に基づく IE3 または IE4 効率クラスを満たす必要がある場合、通常、0.35 mm グレードにアップグレードすると、効率しきい値を超えるために必要なステータコア損失の低減が実現します。

高周波アプリケーション (インバータ、チョーク)

1 kHz を超える周波数では、従来の ケイ素鋼材 非実用的になる。アモルファス金属合金とナノ結晶材料がその地位を引き継ぎますが、400 Hz ～ 1 kHz の範囲では、薄ゲージ (0.10 ～ 0.20 mm) のシリコン鋼コイルが依然として競争力があり、アモルファス代替品よりも大幅に安価です。要求すべき主な仕様は、標準の 50 Hz 値だけでなく、実際の動作周波数でのコア損失です。

ケイ素鋼コイルを調達する際の重要な仕様

発注書を出すとき、またはシリコン鋼コイルのサプライヤーの製造証明書を評価するときは、次のパラメータを明示的に検証する必要があります。

• コアロス (W/kg): 指定された誘導レベルと周波数で。 IEC 60404-2 に従って、エプスタイン フレームまたはシングル シート テスター (SST) データをリクエストします。
• 磁気分極 (J または B): 指定された電界強度で保証される最小誘導 (例、HGO グレードの場合は J800 ≥ 1.80 T)。
• 厚さの許容差: IEC 60404-8-7 では、ほとんどの冷間圧延グレードに対して ±0.02 mm を指定しています。精密なスタンピングには、より厳しい公差が必要になる場合があります。
• コーティングの種類と重量: コーティングが応力コーティングとしても機能する必要があるか (GO 鋼の場合)、または腐食保護を提供する必要があるかどうかに応じて、IEC 60404-15 に従って C2、C3、C4、または C5 を指定します。
• スタッキング係数: 標準コーティングの場合は 95% 以上である必要があります。コア設計における実際の磁気断面積を計算するために重要です。
• コイル寸法: スリット装置またはスタンピング装置との互換性を確保するには、外径 (最大)、内径、コイル幅、およびコイルあたりの重量を指定します。

認められた規格に追跡可能なエプスタイン フレーム テスト データを提供できないサプライヤーは、注意して扱う必要があります。 プロセス制御が不十分な場合、コア損失値はコイル間で 10 ～ 20% 異なる可能性があります。 、完成した変圧器やモーターの性能に直接影響します。

珪素鋼コイルの加工: プレス、切断、ハンドリング

ケイ素鋼はケイ素含有量が高いため、通常の冷間圧延鋼よりも硬く、脆くなります。磁気特性の低下を避けるために、加工には工具や取り扱い方法に注意する必要があります。

スタンピングとパンチング

順送ダイスタンピングは、ケイ素鋼コイルから積層体を製造するための標準的な方法です。工具寿命は通常、 30 ～ 50% 短縮 シリコン含有量が高いため、同等の炭素鋼の加工よりも優れています。大量生産には超硬工具をお勧めします。スタッキングファクターを維持するには、バリの高さを 0.05 mm 未満に制御する必要があります。過度のバリがあると積層間にショートが生じ、使用中の実効コア損失が増加します。

レーザーおよびワイヤー EDM 切断

プロトタイプの製作や複雑な形状の場合、レーザー切断が広く使用されていますが、切断エッジに沿って幅 0.1 ～ 0.3 mm の熱影響部 (HAZ) が生じ、磁気特性が低下します。特に方向性ケイ素鋼の場合、レーザー切断によるエッジの劣化により、小さなサンプルでは見かけのコア損失が増加する可能性があります。 15～25% 。切断後に乾燥水素雰囲気中で 800 ～ 820°C で応力除去焼きなましを行うと、この損失のほとんどを回復できます。

コイルの保管と取り扱い

シリコン鋼コイルは、コイルセットによる内側のラップの変形を防ぐために、垂直に (端を立てて) 保管する必要があります。湿度が 70% RH を超えると、特に過酷な環境用に設計されていない C2 および C3 コーティングの場合、表面に錆が発生し、絶縁コーティングに損傷を与える可能性があります。コイルは以内に消費する必要があります 製造期間 6 ～ 12 か月 周囲条件で保管された場合。長期間保管するには、防湿梱包または管理された環境が必要です。

市場動向と新興珪素鋼材

ケイ素鋼市場は、輸送の電化とエネルギー効率規制の強化により急速に進化しています。

6.5% シリコン鋼

従来の加工では、脆性のため実際のシリコン含有量は約 3.5% に制限されていましたが、3% のシリコン鋼ストリップ上に SiCl₄ を化学蒸着 (CVD) することで製造された 6.5% のシリコン鋼は、高周波でほぼゼロの磁歪と非常に低いコア損失を実現します。 1.0 T、1,000 Hz でのコア損失は約 20 W/kg 厚さ 0.10 mm の 6.5% Si 鋼の場合、標準的な 0.35 mm NGO グレードでは 60 ～ 80 W/kg。商業生産は依然として限られており、価格は大幅に高くなっています（標準グレードの 3 ～ 5 倍）が、高周波インダクタや EV モーターでの採用が増加しています。

ドメインリファインされた方向性鋼

新日本製鉄、ティッセンクルップ、AK スチールなどの大手メーカーは現在、最終焼鈍後にレーザー スクライビングまたはプラズマ スクライビングによって磁区を微細化し、コア損失をさらに低減するドメイン微細化 HGO グレードを提供しています。 標準 HGO と比較して 5 ～ 10% 厚さや化学的性質を変えることなく。これらのグレードは大型電源変圧器向けに指定されることが増えており、わずかな効率向上でもライフサイクルで何百万ものエネルギー節約につながります。

EV用途向け極薄無配向グレード

いくつかの鉄鋼メーカーは、特に EV トラクションモーターをターゲットとした 0.20 mm および 0.25 mm NGO グレードを導入しており、400 ～ 800 Hz での高透磁率と低損失のバランスをとるために最適化された化学的性質と組織を備えています。これらのグレードの世界的な需要は、今後も増加すると予測されています 2030 年まで毎年 20% EVの生産が拡大するにつれて、購入者が調達計画に織り込む必要があるというサプライチェーンの圧力が生じます。

コストに関する考慮事項と総所有コスト

シリコン鋼コイルの価格は、厚さ、グレード、シリコン含有量を反映しています。スポット市場における非指向グレードの一般的な参考情報としては、次のとおりです。

• 65W800(0.65mm): コストが最も低く、効率要件が緩和されたコスト重視のアプリケーションに適しています。
• 50W470(0.50mm): 65W800 を超えると最大 15 ～ 20% のプレミアム。産業用モーター生産の主力製品。
• 35W270(0.35mm): 65W800 を超えると最大 30 ～ 45% のプレミアム。 IE3/IE4 モーターに必要です。
• 結晶配向 HGO (0.27 ～ 0.30 mm): 通常、NGO グレードのコストの 2 ～ 3 倍です。
• 6.5% ケイ素鋼 (0.10 ～ 0.20 mm): 標準的な NGO グレードのコストの 3 ～ 5 倍。

ただし、材料費は構成要素の 1 つにすぎません。 耐用年数が 30 年の配電変圧器では、コア損失がエネルギーコストの 50,000 ～ 200,000 ドルに相当する可能性があります。 資産の耐用年数全体にわたって、通常の公共料金で支払います。 M-6 から M-5 方向性鋼にアップグレードすると、材料コストは約 5 ～ 8% 増加しますが、無負荷損失は 10 ～ 15% 削減され、ほとんどの公共料金シナリオで回収期間は 2 ～ 4 年になります。総所有コスト分析では、装置が継続的に稼働する場合、ほとんどの場合、より高品質のケイ素鋼材料が優先されます。