変圧器用ケイ素鋼板の詳細な解説！

実際の変圧器は常に交流状態で動作し、電力損失はコイルの抵抗だけでなく、交流電流の磁化を受ける鉄心でも発生します。鉄心における電力損失は通常「鉄損」と呼ばれます。鉄損は、「ヒステリシス損失」と「渦電流損失」の2つの原因によって発生します。

ヒステリシス損失とは、鉄心磁化過程におけるヒステリシス現象によって生じる鉄損のことです。この損失の大きさは、材料のヒステリシスループによって囲まれた面積の大きさに比例します。ケイ素鋼のヒステリシスループは狭いため、変圧器の鉄心のヒステリシス損失は小さく、発熱量を大幅に低減することができます。

ケイ素鋼には上記のような利点があるのだから、鉄芯としてケイ素鋼の塊をそのまま使用し、さらにそれを薄片状に加工すれば良いのではないか。これは、薄片状の鉄芯を用いることで、もう一つの鉄損である「渦電流損失」を低減できるためである。

変圧器が動作しているとき、コイルには交流電流が流れ、それによって発生する磁束も当然ながら変動します。この変動する磁束は鉄心に電流を誘導します。鉄心に発生する誘導電流は磁束の方向と垂直な平面内を循環するため、渦電流と呼ばれます。

渦電流損失は鉄心を加熱する原因にもなります。渦電流損失を低減するために、変圧器の鉄心は互いに絶縁されたケイ素鋼板でできており、渦電流が狭く長いループ状の小さな断面積を通過することで、渦電流経路の抵抗が増加します。同時に、ケイ素鋼に含まれるケイ素によって材料の抵抗率が増加し、これも渦電流の低減に作用します。

変圧器の鉄心には、一般的に厚さ0.35mmの冷間圧延ケイ素鋼板が使用されます。必要な鉄心のサイズに応じて、長尺に切断し、「日」または「口」の形に重ね合わせます。理論的には、渦電流を低減するためには、ケイ素鋼板の厚さが薄く、接合部の幅が狭いほど効果的です。これにより、渦電流損失と温度上昇を低減できるだけでなく、ケイ素鋼板の材料も節約できます。

しかし、実際に珪素鋼板製の鉄心を製造する際には、上述の有利な要因だけでなく、鉄心の製造には人件費が大幅に増加し、鉄心の有効断面積が減少するという問題もあります。したがって、珪素鋼板を使用して変圧器の鉄心を製造する際には、具体的な状況から検討し、メリットとデメリットを比較検討した上で、最適なサイズを選択する必要があります。

変圧器は電磁誘導の原理に基づいて作られています。閉じたコアに巻かれた一次巻線と二次巻線の2つの巻線があります。一次巻線に交流電源電圧を印加すると、元のラオグループに交流電流が流れ、磁界が形成されます。この磁界の作用により、鉄心に交流主磁束が発生します。

昇圧と降圧が可能な理由については、レンツの法則で説明する必要があります。誘導電流によって発生する磁束は、常に円磁束の変化を妨げます。元の磁束が増加すると、誘導電流によって発生する磁束は元の磁束と逆になります。つまり、二次巻線によって発生する誘導磁束は、一次巻線によって発生する主磁束と逆になるため、二次巻線には低レベルの交流電圧が発生します。したがって、鉄心は変圧器の磁気回路部分です。

ケイ素鋼板

電気用途向けケイ素鋼板は、一般的にケイ素鋼板またはケイ素鋼板と呼ばれています。その名の通り、ケイ素含有量が0.8%～4.8%と高い電気用ケイ素鋼板で、熱間圧延と冷間圧延によって製造されます。一般的に厚さは1mm以下であるため、薄板と呼ばれます。広義には、ケイ素鋼板は板材に分類されますが、その特殊な用途から独立した分野となっています。電気用途向けケイ素鋼板は優れた電磁特性を持ち、電力、通信、計測機器業界において不可欠かつ重要な磁性材料です。

（１）ケイ素鋼板の分類

A. ケイ素鋼板は、ケイ素含有量に応じて低ケイ素鋼板と高ケイ素鋼板に分類できます。低ケイ素鋼板はケイ素含有量が2.8%未満で、一定の機械的強度を持ち、主にモーターの製造に使用され、一般にモーター用ケイ素鋼板と呼ばれます。また、変圧器のコアの製造には、一般的に変圧器用ケイ素鋼板と呼ばれます。実際の使用においては、両者の間に厳密な境界はなく、高ケイ素鋼板は大型モーターの製造によく使用されます。

B. 製造および加工技術によって、熱間圧延と冷間圧延の2種類に分けられ、冷間圧延は無方向性と方向性の2種類に分けられます。冷間圧延鋼板は、均一な厚み、良好な表面品質、高い磁気特性を有しています。そのため、産業の発展に伴い、熱間圧延鋼板は冷間圧延鋼板に置き換えられる傾向にあります。「熱を冷に置き換える」ということです。

（２）ケイ素鋼板の性能指標

A. 鉄損失が少ないこと。鉄損失は品質を示す最も重要な指標であり、世界中の国々が鉄損失値に基づいて等級を分けています。鉄損失が低いほど等級が高く、品質も高くなります。

B. 高い磁束密度。同じ磁場下では、より高い磁束密度を持つ珪素鋼板が得られ、それを用いて作られたモーターや変圧器の鉄心の体積と重量が比較的小さいため、珪素鋼板、銅線、絶縁材料を比較的節約できます。

Cは積層係数が高い。ケイ素鋼板の表面は滑らかで平坦であり、厚みも均一であるため、鉄芯の積層係数が向上する。

D. 優れた打ち抜き性。これは、小型・超小型モーターコアの製造において特に重要です。

E. 表面は絶縁層に対して良好な密着性と溶接性を有する。

F. 磁気時効処理 G. シリコン鋼板は、焼鈍および酸洗処理後に納品されるものとする。

（１）電気用熱延ケイ素鋼板（GB5212-85）電気用熱延ケイ素鋼板は、炭素損失の少ないフェロシリコン軟磁性合金を熱延して厚さ１mm以下のシートにしたものです。電気用熱延ケイ素鋼板は、熱延ケイ素鋼板とも呼ばれます。熱延ケイ素鋼板は、ケイ素含有量に応じて、低ケイ素（Si≦2.8%）鋼板と高ケイ素（Si≦4.8%）鋼板に分類できます。

（２）電気冷延ケイ素鋼板（GB2521-88）は、ケイ素を0.8%～4.8%含有する電気ケイ素鋼を冷間圧延したものです。冷延ケイ素鋼板は、無粒鋼帯と方向性電磁鋼帯の２種類に分けられます。冷延電磁鋼帯は、表面が滑らかで、厚みが均一で、積層係数が高く、打ち抜き性が良好で、熱間圧延電磁鋼帯よりも磁束密度が高く、鉄損が低いという特徴があります。モーターや変圧器の製造に熱間鋼帯の代わりに冷間鋼帯を使用すると、重量と体積を0%～25%削減できます。

冷間圧延方向性鋼帯を使用すると、性能が向上します。熱間圧延鋼帯または低級冷間圧延鋼帯の代わりにこれを使用すると、変圧器の消費電力を 45% ～ 50% 削減でき、変圧器の動作性能がより信頼性が高まります。モーターや変圧器の製造に使用されます。一般的に、方向性冷間圧延鋼帯は、モーターや溶接変圧器などの状態として使用されます。方向性冷間圧延鋼帯は、電力変圧器、パルス変圧器、磁気増幅器などの鉄心として使用されます。鋼板の仕様と寸法：厚さ 0.35、0.50、0.65mm、幅 800～1000mm、長さ ≤2.0m。

（３）家庭用電化製品用熱間圧延珪素鋼板（GBH46002-90） 家庭用電化製品用熱間圧延珪素鋼板の等級は、J（家庭用）D（電気用）R（熱間圧延）で表され、すなわちJDRです。JDRの後の数字は鉄損値×100、横線の後の数字は鋼板の厚さ（mm）×100です。家庭用電化製品用熱間圧延珪素鋼板の電磁性能要件はやや低くても構いませんが、最小鉄損値（P15/50）は5.40W/kgです。通常は洗浄せずに納品されます。扇風機、洗濯機、掃除機、レンジフードなど、各種家庭用電化製品に使用される差動モーター。