JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）p. 6-11

JFE スチールにおける無方向性電磁鋼板の最近の進歩
Recent Development of Non-Oriented Electrical Steel in JFE Steel尾田

ODA Yoshihiko

JFE スチール

スチール研究所

電磁鋼板研究部主任研究員（副部長）

大久保智幸

善彦

OKUBO Tomoyuki

JFE スチール

スチール研究所

電磁鋼板研究部主任研究員（副課長）高田TAKATA Masaaki

JFE スチール

西日本製鉄所（倉敷地区） 薄板商品技術部電磁室正昭

主任部員（課長）

要旨
JFE スチールでは，1954 年に無方向性冷間圧延電磁鋼板の生産を開始して以来，種々の電磁鋼板を開発してきた。
最近ではハイブリッド電気自動車（HEV）や電気自動車（EV）の駆動モータ，電動パワーステアリングモータなどの自動車補機モータ，高効率エアコン，掃除機などの家電用モータ，産業用に使用される高効率誘導モータ，水力・火力発電機に使用される大型回転機など，用途も多岐にわたっており，電磁鋼板への要求特性も多様化してきてい®

®

る。本稿では特徴ある製品として，高効率モータ用の JNE シリーズ，高トルクモータ用の JNP シリーズ，高周®

®

波モータ用の薄電磁鋼板 JNEH シリーズ，高速ロータ用の高強度電磁鋼板 JNT シリーズなどを紹介する。

Abstract:
Since the first production of cold rolled non-oriented electrical steel strip in 1954, JFE Steel has developed various
kinds of electrical steels for use as a core material for motor applications. In recent years, the application of thismaterial ranges from automobile usage such as hybrid electric vehicle (HEV)/electric vehicle (EV) traction motors
for vehicles to appliances and other applications such as electric power steering motors, high efficiency air-conditioner
compressor motors, vacuum cleaner motors, energy ef ficient induction motors, and hydraulic/thermal power
generators. Responding to customer demands, JFE Steel has further diversified properties of cold rolled non-oriented®

electrical steel sheets. In this paper, we introduce distinctive products such as the JNE series for energy efficient®

®

motors, the JNP series for high torque motors, the JNEH series for high frequency motors as well as the JNT®

series for high speed rotors.

1． はじめにを開発した。また，高磁束密度材料として，集合組織制御により磁束密度を高めた RP シリーズを 1985 年に開発した。
1）

国内の総電力消費量の内，モータは約 6 割を占めており ，さらに，ひずみ取り焼鈍後に高磁束密度と低鉄損が両立し®

仮にモータ効率を 1％改善すると 50 万キロワットクラスのて得られる RMA シリーズを製品化した。
1990 年以降は，家電用モータの高効率化，ハイブリッド

原発 1 基分の省エネルギーに相当することから，高効率モー電気自動車の普及に伴い，電磁鋼板に求められるニーズもタの開発が急務となっている。
このようなモータの鉄心材料として広く使用されている無多様化してきた。JFE スチールでは，それらニーズに対応し方向性電磁鋼板は，磁気エネルギーを伝達する機能材料でた電磁鋼板の開発をいち早く進め，高効率モータ用に磁束あり，モータ効率を左右するキーマテリアルである。モータ

密度 - 鉄損バランスに優れた JNE シリーズ，高周波モータ

効率は電磁鋼板の鉄損が低いほど向上し，トルクは磁束密用に高周波鉄損の低い薄電磁鋼板 JNEH シリーズ，高トル

®

®

®

度が高いほど向上することから，低鉄損かつ高磁束密度のクモータ用に磁束密度の高い JNP シリーズ，高速モータの電磁鋼板が求められるようになっている。また，モータ用にロータ用に強度の高い JNT シリーズを開発してきた。

®

使用される電磁鋼板には磁気特性以外に優れた打ち抜き性，打ち抜き後の寸法精度，コーティングによる絶縁性，耐食性，

本論文ではこれら電磁鋼板の特長を述べるとともに，適用例についても紹介する。

優れた溶接性，厳格な板厚精度などが求められる。

2． HEV/EV モータ用電磁鋼板

JFE スチールでは，1954 年に無方向性冷間圧延電磁鋼板の製造を開始した。その後，低鉄損材料として 1978 年に高2.1

純度化技術を活用した 50RM270 を，1983 年には 50RM250

HEV/EV に求められる特性

1997 年に国内で世界最初の量産型 HEV（ハイブリッド電気自動車）が発売されて以来，その生産台数は年々増大し2015 年 1 月 8 日受付－6－
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JFE スチールにおける無方向性電磁鋼板の最近の進歩

Magnetic flux density, B50 (T)Requirement for material at high torque

TorqueHigh magnetic flux density
High saturation magnetization

Requirement for material at high speed

High
HightorquetorqueStarting
Accelerating
Hill-climbing

Low iron loss at high frequency
High strength
High fatigue strength
High thermal conductivity

HighHigh efficiency
efficiency

City driving

High
High
speed
speed
High way driving

1.76

Thickness: 0.35 mm

1.74
1.72

35JNE®-Series

1.70
1.68

35JN-Series

1.66
1.64
1.62
10

15
20
25
Iron loss, W10/400 (W/kg)

Speed

図 2 高効率モータ用電磁鋼板の磁気特性

図1 ハ イブリッド電気自動車（HEV）駆動モータと電磁鋼板に求められる特性
Fig. 130

Fig. 2

Demands for hybrid electric vehicle (HEV) motors andcore materials

Magnetic properties of non-oriented electrical steel
sheets for energy efficient motor

240
Vickers hardness, HVており，最近では原油価格の高騰や地球環境保護の意識の高まりから需要が一層増加している。開発当初は燃費改善の側面が強かった HEV であるが，最近では燃費だけでなく，モータの優れた応答性および初期トルクを活かし走りの楽
しさを追求した HEV も開発されている。HEV の駆動モータ
2）およびコア材料に求められる性能を図 1 に示す 。発進，加速時には高トルクが必要となるため，コア材として使用されThickness: 0.35 mm

220

35JN-Series

200
180

35JNE®-Series

160
140
120
10

る電磁鋼板には高磁束密度が要求されている。一方，モー

15
20
25
Iron loss, W10/400 (W/kg)

30

タの回転数が高くなった場合には，モータ損失に占める鉄損
図 3 高効率モータ用電磁鋼板の硬度 - 鉄損バランスの割合が大きくなる。このため，高周波鉄損の低い材料がFig. 3

求められるとともに，発生した熱を逃がすため熱伝導率の高
いことも必要となる。さらに，磁石をロータのスロットに挿Vickers hardness of non-oriented electrical steel sheetsfor energy efficient motor

入している内部磁石型（IPM）モータでは，磁石の飛散を防止するため，電磁鋼板には高強度，高疲労強度が求められる。

特性に好ましい（100），（110）集合組織を増加させ，さらに鋼中不純物を低減する試みがなされてきた

このように電磁鋼板にはさまざまな特性が要求されている

3, 4）

。

®

が，これらすべての要求特性を一種類の電磁鋼板で満たす

図 2 に JNE シリーズの磁束密度 - 鉄損バランスを従来材ことは困難であるため，モータの要求性能の度合いに応じてである JN シリーズと比較して示す 。JNE シリーズは，従各種の電磁鋼板が使い分けられている。本章では，磁束密来材に比べ磁束密度 - 鉄損バランスが優れており，モータの度と鉄損バランスに優れた高効率モータ用電磁鋼板，高周高効率化に大きく寄与できる。図 3 に JNE シリーズの硬度

波鉄損の低い薄電磁鋼板，高トルクモータ用の高磁束密度を示す。JNE シリーズは同一鉄損の JN シリーズと比べると電磁鋼板および高強度電磁鋼板の特性について紹介する。

硬度が低く，打ち抜き時の金型損耗を抑制できるメリットが

2.2

2）

ある。

高効率モータ用電磁鋼板「JNE®」

このように，JNE シリーズはモータの高効率化に寄与で

HEV/EV（ハイブリッド電気自動車 / 電気自動車）の駆きるだけでなく，生産性の観点でのメリットもあることから

動モータコア材にはモータ高効率化のための低鉄損および既に市販の HEV などに広く使用されている。

小型化，高トルク化のための高磁束密度が要求されている。
電磁鋼板の鉄損低減のためには，固有抵抗増大と磁気異方

2.3

高トルクモータ用電磁鋼板「JNP®」

性低減の観点から Si 添加が有効であり，高グレードの電磁HEV/EV の駆動モータでは発進時，登坂時，加速時に大鋼板には Si が 3％程度添加されている。一方，Si は非磁性

きなトルクが要求される。このため，鉄心材として使用され元素であることから，飽和磁化の低下により磁束密度が低くる電磁鋼板にはより一層の磁束密度向上が望まれている。

なる。このため，従来の Si 添加の手法では磁束密度 - 鉄損

このような背景から，従来材よりも磁束密度の高い JNP シ

特性の両者に優れた材料の製造は困難であった。これに対リーズを開発した 。開発材の磁束密度 - 鉄損バランスを図し，Si，Al などの合金添加量を適正化するとともに，磁気4 に示す。JNP シリーズは JNE シリーズと比べて，同一鉄

®

5）

®

－7－

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

JFE スチールにおける無方向性電磁鋼板の最近の進歩

損での磁束密度が約 0.02 T 程度向上している。

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

この JNP シリーズは，集合組織制御による高磁束密度化するため，出力 1.6 kW の IPM タイプのインホイールモータを目的として，Si，Al，Mn などの合金添加量を適正化するを作製し，モータ特性を評価した。図 5 にモータ回転数とともに，粒界偏析元素の活用や中間工程の最適化技術な

1 250 r/min（車速 60 km/h 相当）でのモータ効率とトルクどを適用している。

を 示 す 。 こ れ よ り，35JNP5 は 比 較 材 と し て 用 い た

5）

開発材は磁束密度が高いことから，特に高トルクが要求

35JN250 に比べトルク，効率ともに向上しており，ダイレク

される HEV/EV のモータコア材として有望であると考えらトドライブモータなどの高トルクモータのコア材として適し

れ，既に市販の HEV モータに採用されている。

ているといえる。

本材料は磁束密度が高いことから，高トルクが要求されるモータに適していると考えられるが，そのような高トルク2.4が要求される EV モータとしてダイレクトドライブのインホ

HEV モータは，今後，小型化の観点から最高回転数の増

6）高周波用薄電磁鋼板「JNEH®」
7）

イールモータがある 。本方式では車内空間が広く利用でき加が予想され ，コア材料として使用されている電磁鋼板のるとともに，電池の収納スペースを座席下に確保するという励磁周波数も高くなるものと考えられる。また，エンジンのような設計の自由度も広がるというメリットがあり，特に小みで高速走行している場合には，モータは空転状態（連れ型車には有望な駆動方式と考えられる。

回り）となるが，永久磁石を使用したモータでは交番磁界

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により高周波鉄損が発生することから，燃費悪化の原因とな

ヤを回転させるため，モータには高トルクが求められる。まる。このため，電磁鋼板には高周波鉄損低減の要望がます

た，ギヤを用いて高速で回転させるモータに比べ，回転数

ます強くなるものと予想される。電磁鋼板の鉄損はヒステリが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

シス損と渦電流損から構成されるが，このうち渦電流損は特長がある。これらのことから，ダイレクトドライブモータ（1）式に示すように周波数の 2 乗に比例することから高周波用の電磁鋼板に対しては，低鉄損よりも高磁束密度が強く励磁により急激に増大することとなる 。

8）

求められることなる。

1.76

ここで，Bm：励磁磁束密度，f：周波数，t：板厚，r：固有35JNP535JNP® Series

1.74

抵抗である。

1.72

35JNE® Series

渦電流損を低減するためには，板厚低減と固有抵抗増大

1.70 35JNP7
1.68の二つの手法が考えられるが，（1）式より渦電流損は板厚の 2 乗に比例することから，板厚低減が効果的である。さら

35JN series

1.66に板厚低減は，図 6 に示すように飽和磁化の低下を招かな

35JN250

1.64
14

16
18
20
22
Iron loss, W10/400(W/kg)

いことから高周波鉄損の低減手法として好ましいものとい249）え，薄電磁鋼板の開発が行なわれている 。
図 7 に薄電磁鋼板の磁気特性例を示す。板厚 0.35 mm の

図 4 JNP® シリーズの磁気特性
Fig. 4

最高級材に比べ，薄電磁鋼板では 20～30％程度鉄損が低下®

Magnetic properties of JNP series
100
1 250 r/min (125 Hz)

Torque (Nm)

5.2

Iron loss, W10/1k (W/kg)

5.3

35JNP5

5.1
5.0
4.9
4.8
87

35JN250

88
89
90
91
Motor efficiency (％)

2.00
1.95

70
60
50

1.90
1.85

図 6 磁気特性に及ぼす板厚の影響

Motor properties of 35JNP5 used for the direct drive
motor

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

80

2.05

40
1.80
0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45
Thickness (mm)92

図 5 ダイレクトドライブモータの特性
Fig. 590

3％ Si Steel

Saturation magnetization (T)Magnetic flux density, B50(T)W＝(p Bm f t)2/6r ……………………………… （1）Fig. 6－8－

Effect of thickness on iron loss and saturation
magnetization

JFE スチールにおける無方向性電磁鋼板の最近の進歩

35
35JNE®-Series
0.35 mm Thick

1.74

Iron loss, W10/400 (W/kg)

Magnetic flux density, B50(T)

1.76

1.72 Thin-gauge
electrical steel
1.70
30JNE
25JNE 0.30 mm
1.68 0.25 mm
1.66

35JN-Series
0.35 mm Thick

20JNEH1200
1.64 0.20 mm
1.62

5

35JN Series

25

10
15
20
Iron loss, W10/400 (W/kg)

35JNE-S

20
35JNE®
Series

15
10
100

200
300
400 500
600
Yield strength, YS (MPa)

25

700

図 9 高強度電磁鋼板の強度 - 鉄損バランス

図 7 薄電磁鋼板の磁気特性
Fig. 7

35JNT590T

30

Fig. 9Magnetic and mechanical properties of high-strength
electrical steel sheets

Table 1

Magnetic and mechanical properties of high-strength
electrical steel sheets

Magnetic properties of thin-gauge electrical steel sheets

表 1 高強度電磁鋼板の諸特性しており，この傾向は高周波になるほど顕著になる。薄電磁鋼板使用による高周波鉄損の低減効果は効率の向上だけでなく，モータの発熱量が小さくなることから永久磁石への熱負荷が小さくなりディスプロシウム（Dy）などの高価な希Magnetic
Yield
TensileIron loss,
Vickersflux density, strength, strength,
W10/400
hardness,
B50
YS
TS(W/kg)HV(T) (MPa) (MPa)Grade

土類元素を含まない磁石の使用も可能になるものと考えられる。

35JN250

17

1.67

397

517

213

2.5

35JNE-S

23

1.69

480

570

205

35JNT590T

29

1.64

590

640

220

ロータ用高強度電磁鋼板「JNT®」

IPM モータのロータでは図 8 に示すようにスロット部に永久磁石を埋め込んでおり，高速回転時には磁石の遠心力によりブリッジ部に大きな応力が加わることとなる。ロータ

来材に比べ 35JNE-S で約 2 割，35JNT590T で約 5 割の強度

強度の観点からはブリッジ部の幅を広くすればよいが，このアップを達成している。

場合，永久磁石の漏れ磁束が多くなり，モータ効率が低下

これら材料をロータ用材料に適用した場合には，最高回することからブリッジ幅はロータ強度が成立する範囲で可能

転数アップによる小型化やブリッジ部の狭幅化による漏れ

な限り狭く設計される。このため素材として用いられる電磁磁束抑制による高効率化にも寄与できる。

鋼板には，高速回転時の遠心力に耐えうる強度および繰り7）

3． EPS モータ用電磁鋼板

返しの負荷に対応した疲労強度が必要となる 。また，特に集中巻きのモータではロータ表面に高調波に起因した鉄損が発生するため，高周波鉄損が低いことも必要となる。この

自動車用モータの新しい分野として，上述した HEV/EV

ようなロータ用高強度電磁鋼板として図 9，表 1 に示すようの駆動モータ以外に電動パワーステアリング（EPS）がある。

に，35JNE-S，35JNT590T を開発した。これら材料は固溶強

EPS は油圧パワーステアリングに比べ燃費が 3～5％程度向化と細粒化などの高強度化技術を適用したものであり，従上するといわれている

10, 11）。これは，従来の油圧パワース

テアリングではコーナリングなどのステアリング操作時以外にも油圧ポンプを駆動しているため，高速道路での直進時などでは無駄にエネルギーを消費しているのに対し，EPS
Bridgeではステアリング操作時のみモータを駆動し，直進時にはエネルギーロスが発生しないためである。この EPS 装着により燃費が大きく向上することから，EPS の世界市場は2020 年には 2012 年の 1.9 倍の 6550 万台になるものと予測

MagnetStator

されている

Rotor

。

一方で，EPS を使用した場合には油圧パワーステアリン
グに比べ操舵フィーリングが劣るという問題点が指摘され

図 8 内部磁石型（IPM）モータの模式図
Fig. 8

12）ている

Schematic diagram of interior permanent magnet (IPM)
motor

13）

。これはモータ空回り時のトルク発生（ロストルク）によるものであり，軸受け損，ブラシ損などの機械的な摩擦－9－

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

JFE スチールにおける無方向性電磁鋼板の最近の進歩

Loss torque (mN・m)50

Erectric power steering (EPS) type: Column
Motor type：Brush direct current (DC)40

50JN1000

30

50JN700

20

50JNE30010000.01 0.02 0.03 0.04
Hysteresis loss, W10 (J/kg)®

Fig. 12Hysteresis loss (J/kg)

0.050

Fig. 11

0.8 1.0 1.2（50A1000＝1）

図 12 高効率モータ材の EPS モータ評価結果（ロストルクは50JN1000 のロストルクを 1 とした場合の比で表示）
Loss torque of JNE series used for the EPS motor(Loss torque is normalized by the value of 50JN1000)

Relationship between hysteresis loss of core materials
and loss torque of electric power steering (EPS) motors

4． 家電・産業機械モータ用電磁鋼板

0.045

1）

エアコンは国内の家庭における電力消費量の25％を占め ，JN Series(0.50 mm)0.040

一般家庭での CO2 排出量が最も多い製品であることから，
省エネルギーが強く求められている。エアコンの省エネ性能

0.035

は 2006 年より APF（Annual performance factor：通年エネ®

JNE Series(0.50 mm)

0.030
0.025
2.2

0.2 0.4 0.6
Loss torque0.05

図 10 ロストルクに及ぼす素材ヒステリシス損の影響
Fig. 10

Hysteresisloss
Brush loss
Bearing loss

ルギー消費効率）で表示されるようになった。APF はある
一定条件下で一年間を通じてエアコンを使用した場合の効

2.4 2.6 2.8 3.0 3.2
Iron loss, W15/50 (W/kg)

率を表す指標であり

3.4

15）

，APF 効率には急速冷房，急速暖房などの高回転でコンプレッサーモータが使用される場合の

図 11 JNE® シリーズのヒステリシス損

寄与よりも，定常状態でゆっくりとコンプレッサーモータがHysteresis loss of non-oriented electrical steel sheet
for energy efficient motors

回転している場合の寄与のほうが大きくなる。このため，鉄心材料として使用される電磁鋼板には，商用周波付近での磁気特性に優れた材料が求められる。

と鉄心材料のヒステリシス損に起因している。図 10 は EPS

エアコンと同じように商用周波が重視されるモータとしモータで使用される DC（直流）ブラシモータにおいて電磁て，産業用に使用されている誘導モータがある。誘導モー

鋼板をさまざまに変化させ，電磁鋼板のヒステリシス損とタは，国内のモータ生産台数の 9 割を占めており，普及台

モータのロストルクの関係を示したものであり，ヒステリシ

数は約 1 億台となっている

2）

ス損低減によりロストルクは低下する 。

16）。このため誘導モータの効率を向上させることはエネルギー消費を抑制する上で極めて高効率モータ用電磁鋼板はヒステリシス損が低いことか

大きな意味を持つものといえる。高効率誘導モータの普及

ら EPS モータのロストルク低減に効果的と考えられる。図

を促すため 2011 年に三相誘導電動機をトップランナー基準®

11 に JN シリーズと JNE シリーズのヒステリシス損を比較2）した結果を示す 。JNE シリーズは JN シリーズに比べヒスの対象とすることが決定され

17），2015 年 4 月より IE3（プレミアム効率）のトップランナー規制が開始となった。

テリシス損が低く，EPS モータのコア材として適している。

モータの損失は大別して銅損，鉄損，機械損に分けるこ

JNE シリーズで EPS モータを作製した場合の効果を確認すとができるが，誘導モータでは永久磁石式のモータと異なりるため，DC ブラシモータを作製し，ロストルクを評価した

銅損比率が比較的高いため結果を図 12 に示す

14）

18）

，モータ効率を高めるために。ここで，ロストルクは 50JN1000 のは低銅損かつ低鉄損が重要となる。このため鉄心として使値を 1 とした場合の比で示してある。JNE シリーズではヒ用される電磁鋼板には低鉄損であること以外に銅損低減のステリシス損が大きく低減できていることから，ロストルク

観点から高磁束密度も強く求められている

®

19）

。

を低減できることが確認できた。同様の効果は JNP シリー

図 13 に板厚 0.35 mm の各種材料の 50 Hz での磁気特性ズでも認められており，JNE シリーズと JNP シリーズはを示す。高効率モータ用の JNE シリーズ，高トルクモータ

EPS モータに広く採用されている。

®

®

用の JNP シリーズが磁束密度 - 鉄損バランスに優れており，
エアコン・コンプレッサーや高効率誘導モータ用のモータコ
ア材として適しているといえる。

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

－ 10 －

JFE スチールにおける無方向性電磁鋼板の最近の進歩

6． おわりに

Magnetic flux density, B50(T)

1.76
35JNP® Series

1.74

本稿では，自動車，家電，産業機械などのモータの鉄心

1.72

材料として使用される高性能無方向性電磁鋼板の材料開発®

35JNE Series

1.70

コンセプト，特徴について紹介した。今後，自動車や航空1.68機の電動化の進展にともない，モータの用途は多様化するとともに高効率化が強く求められるようになるものと考えら

1.66
1.64

35JN Series
1.8

2.0

れる。JFE スチールでは多様化するお客様ニーズに対応する

2.2
2.4
2.6
2.8
Iron loss, W15/50 (W/kg)

新規電磁鋼板を開発するとともに素材特性を最大限発揮で3.0

きるモータ利用技術などの提案も行なう所存である。
参考文献

図 13 JNE® シリーズと JNP® シリーズの商用周波磁気特性
Fig. 13®

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®

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2003, vol. 123, no. 1, p. 83-88.
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7）Kamiya, M. The 2005 International Power Electronics Conference. 2005,

5． 大型発電機用電磁鋼板
近年の電力需要の増加に伴い，多くの発電プラントが建設されている。特に 2011 年の東日本大震災以降は水力・火力発電の需要が高まっており，大型発電機の大容量化，高効率化が指向されている

20）。

大型発電機の鉄心材料には商用周波の極低鉄損が求められる。電磁鋼板の鉄損の支配因子としては不純物，結晶粒径，
集合組織であることが知られており，これら因子を制御する
ことにより極低鉄損化を達成している。ポイントとなる技術
は，（1）鋼の高純度化による析出物，介在物の低減，（2）
結晶粒径と成分の最適化，（3）冷間圧延前結晶粒径制御による集合組織制御である。
これら技術により開発した 50JN230 と 35JN200 の磁気特性を図 14 に示す。これら材料は大型発電機の高効率化に大きく寄与できる。

Magnetic flux density, B50(T)

1.70
1.69

35JN Seriesp. 1474-1481.
8）Golding, E. W. Electrical Measurement and Measuring Instruments. 5th
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20）中野直広．三菱電機技報．2014, vol. 88, no. 9, p. 526-531.

1.68
1.67
50JN Series

1.66
1.65
1.8

35JN200
2.0

50JN230
2.2
2.4
2.6
Iron loss, W15/50(W/kg)

2.8

3.0

図 14 発電機用材料の磁気特性
Fig. 14

Magnetic properties of generator core materials

尾田－ 11 －

善彦

大久保智幸

高田

正昭

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）
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