電気鋼板

コーティングを除去した後の方向性電磁鋼板の多結晶構造。

電磁鋼板（E鋼、ラミネート鋼、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。炭素の代わりにシリコンを主な添加元素として 含む鉄合金です。

冶金

電磁鋼板は、0～6.5%のシリコン（Si:5Fe）を含む鉄合金です。市販の合金では通常、シリコン含有量は最大3.2%です（これより高い濃度では、冷間圧延時に脆くなります）。マンガンとアルミニウムは最大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、従来の鋼に比べて鉄損が約 3 倍低下します。[ 1 ] [ 2 ]しかし、結晶構造により金属が硬化して脆くなります。この変化は材料の加工性、特に圧延時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。炭素は徐々に固溶体から出て炭化物として沈殿すると磁気老化も引き起こし、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% 以下に抑えられます。炭素含有量は、水素などの脱炭雰囲気中で合金を焼鈍処理することで低減できる。[ 1 ] [ 3 ]

鉄シリコンリレー鋼

鋼タイプ 名目構成[ 4 ]代替の説明
11.1% シリコン-鉄シリコンコア鉄「A」[ 5 ]
1階1.1% Si-Feフリー加工シリコンコアアイアン「A-FM」[ 6 ]
22.3% シリコン-鉄シリコンコア鉄「B」[ 7 ]
2階2.3% Si-Feフリー加工シリコンコアアイロン「B-FM」[ 7 ]
34.0% シリコン-鉄シリコンコア鉄「C」[ 8 ]

物理的特性の例

  • 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）

木目方向

無方向性電気シリコン鋼（磁気光学センサーと偏光顕微鏡で作成した画像）

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（無方向性鋼）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（等方性）を示します。冷間圧延無方向性鋼は、しばしばCRNGOと略されます。

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、板材に対する結晶配向を厳密に制御（ノーマン・P・ゴス提唱）することにより、圧延方向において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、磁気飽和度は5%減少します。電力・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、製造工場からコイル状の状態で供給され、これを「積層板」に切断して、あらゆる変圧器の不可欠な部品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、大型電力・配電用変圧器、および特定のオーディオ出力トランスに使用されています。[ 10 ]

CRNGOはCRGOよりも安価です。効率よりもコストが重視される場合や、可動部を持つ電動モーターや発電機など、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活かすために部品を配置するスペースが十分にない場合にも使用できます。

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

アモルファス鋼

この材料はアモルファス金属、または金属ガラスで、溶融合金を回転する冷却ホイールに注ぎ、金属を約 1 メガケルビン/秒の速度で冷却することで作られます。この速度は非常に速いため、結晶は形成されません。アモルファス鋼は、約 50 μm の厚さの箔に制限されています。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のスタンピングが困難です。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 1 ポンドあたり約 0.95 ドルであったのに対し、HiB 方向性鋼は 1 ポンドあたり約 0.86 ドルでした。アモルファス鋼コアを使用した変圧器のコア損失は、従来の電気鋼の 3 分の 1 に抑えることができます。

ラミネーション

電磁鋼板は通常、厚さ2mm未満の冷間圧延帯鋼として製造されます。これらの帯鋼は所定の形状に切断され、積層板を形成します。積層板は積層されて、変圧器の積層コアや電動機の固定子と回転子を形成します。積層板はパンチとダイで最終形状に切断される場合もありますが、少量の場合はレーザー加工やワイヤ放電加工で切断される場合もあります。

電気鋼板は通常、積層間の電気抵抗を増やして渦電流を減らし、腐食や錆に耐性を持たせ、打ち抜き加工時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。コーティングには有機コーティングと無機コーティングがあり、鋼板の用途に応じて異なります。[ 11 ]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漬されるかどうか、完成した装置の動作温度に応じて選択されます。ごく初期の方法では、各積層を紙またはワニスの層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 ]

分類説明[ 14 ]ローター/ステーター用粘着防止加工
C0製粉処理中に形成された天然酸化物いいえいいえ
C2ガラスのようなフィルムいいえいいえ
C3有機エナメルまたはニスコーティングいいえいいえ
C3AC3と同じだがより薄いはいいいえ
C4化学処理と熱処理によって生成されるコーティングいいえいいえ
C4AC4と同じですが、より薄く、溶接しやすいですはいいいえ
C4ASC4のアンチスティックバリアントはいはい
C5C4と同等の高耐性に加え、無機フィラーも配合はいいいえ
C5AC5と同様だが、より溶接しやすいはいいいえ
C5ASC5のアンチスティックバリアントはいはい
C6断熱性のための無機充填有機コーティングはいはい

磁気特性

電気鋼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 ]

電磁鋼板の磁気特性は熱処理に依存し、平均結晶粒径が大きくなるとヒステリシス損失は減少します。ヒステリシス損失は標準的なエプスタイン試験機で測定され、一般的なグレードの電磁鋼板では、60Hz、1.5テスラの磁場強度において、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）の範囲となります。

電気鋼板は半加工状態で納品されるため、最終形状に打ち抜いた後、最終熱処理を施すことで、通常求められる150マイクロメートルの結晶粒径に成形することができます。完全加工された電気鋼板は、通常、絶縁コーティング、完全な熱処理、および規定の磁気特性を備えており、打ち抜き加工によって電気鋼板の特性が著しく劣化しない用途に使用されます。過度の曲げ、不適切な熱処理、あるいは乱暴な取り扱いは、電気鋼板の磁気特性に悪影響を与える可能性があり、磁気歪によるノイズの増加にもつながります。[ 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 ]

電磁鋼板の磁区サイズは、レーザーまたは機械加工によって鋼板表面に刻印することで縮小できます。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低減されます。[ 19 ]

アプリケーション

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、変圧器などの静止機器に使用されます。[ 20 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b cトン、コリン (2018).先進エネルギーシステムのための材料入門. シュプリンガー. pp. 400–. ISBN 978-3-319-98002-7。
  2. ^ Buschowl, KHJ他編 (2001)『Encyclopedia of Materials:Science and Technology』 エルゼビア pp. 4807–4808. ISBN 0-08-043152-6
  3. ^シドール、Y.;コバック、F. (2005)。「電磁鋼板の脱炭プロセスのモデリングへの貢献」(PDF)。Вісник Львівського університету。 Серія фізична。38 : 8–17 . 2021 年 1 月 17 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2020 年7 月 30 日に取得。
  4. ^ "ASTM A867" . ASTM . 2011年12月1日閲覧。
  5. ^ 「シリコンコアアイアン「A」」「 . CarTech . 2011年12月1日閲覧。
  6. ^ 「シリコンコアアイロン「A-FM」」「 . CarTech . 2011年12月1日閲覧。
  7. ^ a b「CarTech® シリコンコアアイロン「B-FM」」「。カーテック。 」
  8. ^ 「CarTech® シリコンコアアイアン "C"」「 . CarTech . 2019年11月21日閲覧。
  9. ^ Niazi, A.; Pieri, JB; Berger, E.; Jouty, R. (1975). 「シリコン鉄における粒界の電気移動に関するノート」. Journal of Materials Science . 10 (2): 361– 362. Bibcode : 1975JMatS..10..361N . doi : 10.1007/BF00540359 . S2CID 135740047 . 
  10. ^エディ・ヴォーン「シングルエンド vs. プッシュプル：出力トランスの深遠なる秘密」（PDF） 。 2006年8月13日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。
  11. ^フィンク、ドナルド・G.、ビーティ、H.・ウェイン（1978年）『電気技術者のための標準ハンドブック』第11版、マグロウヒル、pp.4–111、 ISBN 978-0070209749
  12. ^ a b Jump, Les (1981年3月)変圧器用鋼材とコア、Federal Pioneer BAT
  13. ^ 「ASTM A976 – 03(2008) 組成、相対的絶縁能力および用途による絶縁コーティングの標準分類」 ASTM A976 – 03(2008) ASTM.
  14. ^ 「電気鋼板の絶縁コーティングの分類」（PDF）。2016年3月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2024年2月28日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: bot: 元のURLステータス不明（リンク）
  15. ^ 「10.2：一般的な材料の透過性」 2019年4月25日。
  16. ^ 「透過性」。
  17. ^ 「電磁鋼板の磁気特性、電力変圧器の鉄心損失および鉄心設計コンセプト」。
  18. ^ IEC 60404-2
  19. ^ de Lhorbe, Richard (1981年6月/7月)、「Steel No Lasers Here」、Federal Pioneer BAT
  20. ^電磁鋼板市場の見通し。Commodity Inside。2020年2月15日。
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