新規・高効率モータ用無方向性電磁鋼板
JNP シリーズの開発
戸 田 広 朗1)
石 田 昌 義1)

尾 田 善 彦1)
松 岡 才 二3)

河 野 雅 昭2)

ブラシレス DC モータの損失はモータ鉄心の損失が支配的.

は じめになため，その効率には素材鉄損の影響が大きく，最大効率は1.0 T, 400 Hz における鉄損 W10/400 と良い相関を示すことが近年，地球温暖化や大気汚染などの環境問題，エネルギー報告されている(2)(3)．また，モータ効率に及ぼす素材磁束密問題などへの関心が世界的に高まっている．その中でも地球度の影響は小さいが，トルク特性に対しては，素材 B50 (磁温暖化防止のためには，エネルギーの効率利用および CO2

界 5000 A / m での磁束密度)の影響がみられ， B50 が高い素の排出削減が必須である．モータは国内総電力需要の約半分材ほどトルク定数は増加する(2)．したがって，電磁鋼板の高を消費し，特に産業用分野では 70 以上の電力が消費され磁束密度・低鉄損化がモータの高性能化に寄与する．ている．また，自動車業界ではハイブリッド自動車( HEV )次に， HEV･EV 用駆動モータと鉄心材料に求められる性や電気自動車(EV)，燃料電池車の開発・実用化が進展して能を図に示す(4)．発進・加速時には高トルクが必要となる

いる．産業用を含むこれらの駆動モータに対する高性能化・ため，鉄心材料として用いられる電磁鋼板には高磁場域にお高効率化への要求は，ますます厳しくなっており，鉄心材料ける高磁束密度が要求される．一方，モータの回転数が高いとして用いられる無方向性電磁鋼板にも更なる高性能化が求場合には，モータ損失に占める鉄損の割合が大きくなるのめられている．

で，高周波鉄損の低い材料が求められる．したがって，どのJFE スチールでは，これまでに JIS 規格準拠の JN シリー駆動条件を重視するかで最適な電磁鋼板は異なるが，その高ズ，高磁束密度・低鉄損材の JNE シリーズ，歪取焼鈍後に磁束密度・低鉄損化は全般的なモータ性能の向上に寄与する．

高磁束密度・低鉄損が得られる JNA シリーズ，高周波低鉄誘導モータではロータに 2 次銅損が発生するため，同体損 材 ( 0.20 mm 厚 ) の JNHF シ リ ー ズ な ど を 開 発 し て き た

格・同出力のブラシレス DC モータと比べて，モータ損失にが(1) ，前述した市場環境に対応して， JNE シリーズより更占める銅損比率が大きい．また，素材鉄損の低い高 Si 材をに同一鉄損での磁束密度を高めた高効率モータ用無方向性電用いることでモータ鉄損は減少するが，逆にモータ銅損は増磁鋼板・JNP シリーズの開発に成功した．

加する．これは素材 Si 量が増加することにより鉄損は減少するが，飽和磁束密度が減少して高磁場の素材磁束密度が低.

高効率モータ用材料への要求特性

家電製品，特にそのトップランナー製品や HEV モータにはブラシレス DC モータ，産業用モータとしては誘導モータが主に使用されているが，各種モータの高性能化・高効率化のためには，モータの特徴にあった鉄心材料の選択が必要である．
JFE スチール株式会社
スチール研究所 電磁鋼板研究部1)主任研究員 3)部長
西日本製鉄所 薄板商品技術部2)主任部員
Development of Electrical Steel Sheet JNP Core for Highefficiency Motor; Hiroaki Toda, Yoshihiko Oda, Masaaki Kohno,
Masayoshi Ishida, Saiji Matsuoka (JFE Steel Corporation)
2010年10月28日受理

ま て り あ 第50巻 第 1 号(2011)Materia Japan

図1

HEV・EV 用モータと鉄心材料に要求される特性．

下し，励磁電流が増加するためである(2)．したがって，モーすが，35JNP7 の方が磁気特性に悪影響を及ぼす{111}〈112〉タ設計磁束密度や駆動条件次第で，高 Si ・低鉄損材よりも方位が減少していることがわかる．

比較的低い Si 量で磁束密度の高い材料の方がモータ効率は.

高くなると考えられる．

EV および HEV 用モータへの適用

要約すると，モータ鉄損は素材鉄損と，銅損は素材磁束密度と強い相関を示すため，同一鉄損での高磁束密度材はモー開発材は磁束密度が高いことから特に高トルクが要求されタ効率の向上に寄与する．また，比較的低い Si 量で磁束密る EV ， HEV のモータコア材として有望であると考えられる． EV モータとして様々な形式，配置が検討されている度の高い材料を開発することも必要と考えられる．

が，その一つにダイレクトドライブのインホイールモータが.

JNP シリーズの特性および開発ポイントある．本方式では車内空間が広く利用できるとともに，電池の収納スペースを座席下に確保するというような設計の自由開発材の磁気特性例を表に示す．板厚は JN, JNE シリーズと同様，0.35, 0.50 mm 厚の 2 種類がある．また，モー度も広がるというメリットがあり，特に小型車には有望な駆動方式と考えられている．

タ用途に応じた最適材料を提示するために，比較的低 Si のダイレクトドライブのモータではギヤを介さずに直接タイJNP5 および高 Si 低鉄損材の JNP7 と称する成分が異なる 2ヤを回転させるため，モータには高トルクが求められる．ま素材を開発した．

た，ギヤを用いて高速で回転させるモータに比べ，回転数が図に 1.5 T, 50 Hz での鉄損 W15/50 と磁束密度(B50 )の関低いためにモータ損失に占める鉄損の比率が低いという特徴係を従来材料( JN, JNE シリーズ)と比較して示す． JNE コがある．これらのことから，ダイレクトドライブモータ用のアと比べて， JNP コアの方がほぼ同一鉄損での磁束密度が電磁鋼板に対しては，鉄損要求はそれほど厳しくないが，高約 0.02 T 程度向上していることがわかる．

磁束密度が強く求められることになる．

この JNP シリーズは， Si, Al, Mn 等の合金添加量を適正

ダイレクトドライブモータにおける開発材の優位性を確認化するとともに， S, N 等の不純物量を低減，かつ，その影するため，出力 1.6 kW の IPM (内部磁石埋め込み型)タイ響を緩和する技術を適用して開発した．更に，粒界偏析元素プのインホイールモータを作製し，モータ特性を評価した．の活用や中間工程の最適化によって磁気特性に有害な(111)

図にモータ回転数 1250 rpm(車速 60 km/h 相当)でのモー集合組織を低減し，(100), (110)集合組織を増加させる技術

タ効率とトルクを示す．これより，35JNP5 は従来の JIS 相も適用している．

当材( 35A250  35JN250 に該当， W15/50 ～ 2.25 W / kg ， B50

図に 35JNP7 ( B50 ～ 1.70 T )及びそれとほぼ同じ鉄損値～ 1.67 T )適用時に比べトルク，効率共に向上していることの 35JNE230 ( B50 ～ 1.68 T )の再結晶集合組織を比較して示表1

JNP コアの磁気特性例．

名 称

板厚(mm)

W15/50(W/kg)

W10/400(W/kg)

B50 (T)

35JNP535JNP70.350.35

2.50
2.1020.0
17.0

1.75
1.70

50JNP550JNP70.50
0.50

3.00
2.60

32.0
26.0

1.75
1.71

図3

図2


JN, JNE コアと JNP コアの磁気特性比較．

図4

再結晶集合組織の比較．

開発材と比較材適用時のモータ特性比較 (IPM)．

新技術・新製品がわかる．
また，開発材のうち 35JNP7 は HEV モータのコア材料としても優れた特性を有しており，既に市販の HEV に採用されている．

.

誘導モータへの適用

前述のように，誘導モータは磁石を使用せずロータの 2次導体に発生する誘導電流による磁界を使用するため，ブラシレス DC モータに比べて銅損比率が高く，素材 B50 改善による高効率化の効果がより強く現れると考えられる(2)．したがって，図 2 に示すように，開発材は JNE に比べても大幅に B50 が改善されているため，開発材を鉄心材料として用い

図5た場合誘導モータの効率向上が期待できる．

JNP, JNE 使用誘導モータの効率比較．

上記の B50 改善が誘導モータ効率に及ぼす効果を出力 400
W の小 型 モ デ ル モ ータ ( 3 相 6 極 誘 導 機 )を 用 いて 評 価 しや，さらに小型化・高トルク化が要求されるモータに有利にた．通常，産業用機械等の誘導モータ用鉄心材としては適用できると考えられる．

0.50 mm 厚 材 が 多 く 使 用 さ れ る た め ， 開 発 材 50JNP5 ，50JNP7 と 従 来 材 50JNE300 ( W15/50 ～ 2.70 W / kg ， B50 ～

.

まとめ

1.69 T )の 3 種を打抜きのままステータ鉄心に使用して比較試験した．入力電圧波形は正弦波とし，電圧波高値と周波数開発した JNP シリーズは磁束密度が高いことから，特にを可変として鉄心の磁束密度(無負荷時)を制御し，モータ効高トルクが要求される EV ， HEV のモータコア材に好適で率を測定した．

あり，既に量産車種にも適用されている．また，コンプレッ開発材 50JNP5 ， 50JNP7 使用モータの従来材 50JNE300

サー等のブラシレス DC モータ，更には誘導モータ用としてに対する効率差の動作磁束密度依存性を図に示す．動作磁も有望であり，それらの高効率化によって，地球環境問題の束密度が 1.4 T 以下の場合には 50JNP5 ， 50JNP7 による効解決に大きく貢献すると期待される．

率改善効果は小さいが，1.6 T 以上では高磁束密度ほど効率の改善が大きく，特に 50JNP5 では 1以上の効率改善が得

なお，新製品に関わる特許は，約 10 件以上が公開・出願されている．

られている．他の回転数・トルク条件においても，一定値以上の磁束密度において効率が改善される傾向となる．

文献

このように素材 B50 に伴う効率差が高磁束密度ほど顕著となる原因としては，高磁束密度ほどエネルギー損失に占める銅損比率が高く，B50 向上による銅損減少の効果がより強く現れることが主たるものと考えられる．
以上の実験結果から，開発材 JNP5 ， JNP7 による誘導モータ効率向上の効果は，より高磁束密度の設計において大きく現れると予測され，特に体格の大きい大型高電圧モータ

ま て り あ 第50巻 第 1 号(2011)Materia Japan( 1 ) 定廣健一，後藤聡志，上ノ薗 聡 JFE 技報， No. 8, ( 2005 年
5 月)，16.
( 2 ) 石田昌義，志賀信勇，定廣健一川崎製鉄技報， 34, ( 2002 ) ,9095.
( 3 ) H. Toda, K. Senda and M. Ishida: IEEE Trans. Magn., 41,(2005), 39373939.
( 4 ) 尾田善彦，志賀信勇，河野雅昭，本田厚人平成 21 年電気学会全国大会，(2009), 2S55.

