次世代ナノ結晶軟磁性材料の変圧器鉄心への適用

論

文

次世代ナノ結晶軟磁性材料の変圧器鉄心への適用

論

文

■ 出■
井髙野
和弘裕基■ 栗■原 髙二三夫野 裕基 ■ 須■永髙野善則裕基
Kazuhiro
Hiroki
Idei
Takano FumioHiroki
Kurihara
TakanoYoshinori
Hiroki Sunaga
Takano次世代ナノ結晶軟磁性材料ナノメット（NANOMET Ⓡ，以下，ナノメット）は，優れた軟磁気特性を有する磁性材料である。ナノメットは，材料レベルでは飽和磁束密度が高いため，変圧器に適用した場合，超高効率変圧器鉄心に使用される Fe 基アモルファス合金に対して鉄心断面積を小さくすることが可能であり変圧器全体としてコンパクト化が図れるといった特長を持つ。さらに無負荷損が低いため，高効率変圧器に使用される方向性電磁鋼板と比較して変圧器の低損失化が図れるといった優位性が挙げられる。一方その優れた軟磁気特性を発現させるためには，ナノレベルの金属組織の微結晶化が必要であり，そのためには適切な熱処理が必須となる。その熱処理だが，条件によっては軟磁気特性に大きく影響する。
東光高岳では，これまでナノメットについて素材レベルから鉄心形態での検証へスケールアップさせ，プロトタイプ変圧器の鉄心に適用するまでの研究に取り組んでおり，各課題を解決し変圧器適用への可能性を見出してきた。本稿では，研究の概要と 10 kVA プロトタイプ変圧器の試作および評価に取り組み，従来の高効率変圧器と同等以上の軟磁気特性を確認したので報告する。

1

低損失磁心材料技術領域（文部科学省，復興庁）2012

はじめに年 6 月～2017 年 3 月」の中で，国立大学法人東北大学

世界的規模における地球温暖化対策の必要性が叫ばれ金属材料研究所によって開発された基本組成 FeSiBPCuて久しいが，近年欧米やアジアを中心に環境保全の取りから成るナノ結晶軟磁性合金の磁性薄帯である（2）（3）。

組みが活性化してきている。

ナノメットは，現在東北大学発ジョイントベンチャーのこれまで国内においては，一般産業用変圧器に関して（株）東北マグネットインスティテュートが製造していは 2006 年に油入変圧器，2007 年にはモールド変圧器

るがまだ上市されていない。ナノメットおよび比較材とにトップランナー制度が導入され，さらに 2014 年に第の軟磁気特性の比較を図 1 に示す（2）。

2 次トップランナー制度の新基準が導入された。変圧器

ナノメットの特長は，方向性電磁鋼板に匹敵する飽和の高効率化は，常時一定に生じている無負荷損低減のた磁束密度と Fe 基アモルファス合金より高い透磁率（低めの鉄心の改良や代替が不可欠である。一般社団法人日い無負荷損）を有していることにあり，この優れた軟磁本電機工業会が定めたトップランナー変圧器 2014 にお気特性は素材の高 Fe 濃度が大きく寄与している（4）。一いて東光高岳では，さらに改善された方向性電磁鋼板な方その優れた軟磁気特性を発現するためには，急冷アモどを採用し，省エネ化による機器外形や質量の増加抑制

ルファス組織からナノレベルの金属組織の結晶化が必要の実現に至っている。欧州，米国，中国，東南アジアなであり，そのためには熱処理が必須となる。その熱処理どにおいても，電力分野の環境対策のため，配電用変圧だが，条件によっては軟磁気特性に大きく寄与する（5）。

器高効率化のための規制強化が進められてきている。

また熱処理前のナノメットはアモルファス状態であるた以上のような背景から，東光高岳では，さらなる変圧めハンドリング性に問題はないが，熱処理後のナノメッ（1）器の高効率化の一方策として，次世代ナノ結晶軟磁性材料ナノメット（NANOMET Ⓡ，以下，ナノメット）を適用した変圧器の開発に着手している。これまで我々は，ナノメットの材料レベルの検証からスケールアップさせプロトタイプ変圧器鉄心に適用するまでの一連の検証に取り組み，各ステップにおける課題に対し変圧器適用への可能性を見出してきた。その結果，従来の高効率変圧器と同等以上の磁気特性を確認したので報告する。

2

ナノメットの概要

ナノメットは，「東北発 素材技術先導プロジェクト超図1ナノメットおよび比較材との軟磁気特性の比較（2）
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15

論文

次世代ナノ結晶軟磁性材料の変圧器鉄心への適用

トは微結晶化に伴い脆化するため，変圧器の製造工程においてはハンドリング性の難易度が高くなる。

33.1

検討内容
ナノメット単板試料による検証（1）ナノメットの基本特性
ナノメットの熱的特性を把握するために DSC（示差走査熱量分析装置）で分析した。その結果を図 2 に示す。

図3

最適熱処理を施したナノメットの XRD チャート

熱処理前薄帯

熱処理済薄帯図2

ナノメットの DSC チャート

熱処理前のナノメットを加熱すると，400℃を超えた温度域でα-Fe 結晶化に伴う発熱反応が見られた。さら

図4

ナノメット単板試料の軟磁気特性

図5

ナノメット単板試料の軟磁気特性に加熱を進めると 500～550℃の間で Fe-B 結晶化（化合物の析出）に伴う発熱反応が現れた。一方一度最適な温度で熱履歴を与えたナノメットに対して，上述と同じように再加熱を施すとα-Fe 結晶化の発熱反応は見られず，Fe-B 結晶化に伴う発熱反応のみが認められた。また結晶構造が変化したことで Fe-B 結晶化の発熱ピークは低温側へシフトした。この結果から，ナノメットの最適な熱処理温度範囲が明らかになった。
熱処理後のナノメットの結晶構造を把握するためにXRD（X 線回折装置）で分析した。その結果を図 3 に示す。
最適な条件で熱処理したナノメットは，α-Fe 結晶のみのピークが確認された。また，この結果から求められ鉄心に適用した場合，鉄基アモルファス合金と比較してる結晶子サイズの最適値は 15～25 nm の範囲内であっ鉄心断面積を小さくすることが可能であり，変圧器全体た。これらは，ナノメットの熱処理は限られた条件で実としてコンパクト化が図れるといった利点が考えられる。

施する必要があることを示している。

さらに無負荷損が低いため，方向性電磁鋼板と比較して（2）ナノメットの軟磁気特性変圧器の低損失化が図れるといった優位性が挙げられる。

熱処理炉を用いて大気雰囲気でナノメットの熱処理を実施し，熱処理後の軟磁気特性を取得した。その結果を3.2

図 4，図 5 に示す。

（1）ナノメット 500 VA 鉄心での検証

ナノメット鉄心形態での検証

図 4 から磁束密度は 1.80 T 以上であることが確認で現行の変圧器の製造工程には，矩形の鉄心と巻線を個きた。また図 5 から，ナノメットの無負荷損は鉄基アモ別に製作し，鉄心の 1 辺を開放し巻線を組み込み，開ルファス合金より若干高いが，方向性電磁鋼板より低い放した 1 辺を再度閉じて鉄心形態に戻す工程がある。

ことが確認できた。したがって，ナノメットを変圧器のこれがラップ工程である。ラップ工程ではラップ部で鉄16

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次世代ナノ結晶軟磁性材料の変圧器鉄心への適用

表1

表2

ナノメット 500 VA 鉄心の諸元論

文

ナノメット 10kVA 鉄心の諸元

項

目

仕様

項目

仕様

容量

500 VA

容量10 kVA

鉄心重量

約 3.5 kg

鉄心重量

約 36.3 kg

鉄心寸法

194 mm × 100 mm × 50 mm

鉄心寸法

206 mm × 294 mm × 120 mm（a）ラップ工程前

図6（b）ラップ工程後

図8

ナノメット 500 VA 鉄心ラップカット部の状況

図7

ナノメット 500 VA 鉄心の軟磁気特性

図9

ナノメット 10 kVA 鉄心の外観

ナノメット 10 kVA 鉄心の軟磁気特性

心材料を複数枚ずつ交互に重ね合わせ閉磁路を形成する

10 kVA 鉄心の諸元を表 2 に示し，外観写真を図 8 に必要があるが，ラップ工程後はラップ工程前と同形態で示す。また取得した軟磁気特性を図 9 に示す。

あることが軟磁気特性の低下抑制のためには望ましい。

ナノメット 10 kVA 鉄心に適切な条件で熱処理を施し

ここでは，熱処理条件の探索とラップ工程による軟磁た結果，鉄心形態では方向性電磁鋼板より無負荷損が気特性への影響について明確にするために 500 VA 鉄心低く，Fe 基アモルファス合金鉄心並みの低い無負荷損の形態に成形して検証した。500 VA 鉄心の諸元を表 1が確認できた。また Fe 基アモルファス合金では実現でに示す。ラップ工程前後のラップ部の状況を図 6 に示

きない磁束密度 1.7 T においても，方向性電磁鋼板よりす。また取得した軟磁気特性を図 7 に示す。

低い無負荷損が得られ，従来の高効率変圧器と同等以再ラップ後のラップ部の状態がラップ開放前と同様上の省エネルギーの可能性が確認できた。さらに Fe 基の形態に戻るよう試作を重ねた結果，ラップ工程前後アモルファス合金では実現できない高磁束密度領域にのラップ部のようすは，ほぼ差が見られない状態にまおける変圧器の設計ができるため，Fe 基アモルファスで至った。また軟磁気特性においてもラップ処理前後で合金と比較して変圧器の小型化にも寄与できる可能性差が見られず，方向性電磁鋼板より低く，Fe 基アモルを見出した。

ファス合金鉄心並みの低い無負荷損が確認できた。また
Fe 基アモルファス鉄心合金では実現できない磁束密度1.7 T においても，方向性電磁鋼板より低い無負荷損が3.3

ナノメット 10 kVA 鉄心適用変圧器の試作と評価

試作したナノメット 10 kVA プロトタイプ変圧器の諸得られている。

元を表 3 に示し，外観写真を図 10 に示す。また得ら（2）ナノメット 10 kVA 鉄心での検証れた変圧器の特性を表 4 に示す。

ナ ノ メ ッ ト 10 kVA 鉄 心 を 試 作 し た。 試 作 し た

図 9 および表 4 より，ナノメット鉄心を変圧器に組み
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17論文

表3

次世代ナノ結晶軟磁性材料の変圧器鉄心への適用

ナノメット 10 kVA プロトタイプ変圧器の諸元

項ティテュート様，アルプスアルパイン（株）様の関係各位に深く謝意を表します。

目

定格・仕様

定格電圧6,600 V

定格容量単相 50 Hz 10 kVA

鉄心材料

ナノメット

■参考文献
（1）稲垣勝敏ら：「地球環境保全に貢献するアモルファス変圧器」，日立評論，Vol.93, No.02，pp.222-223（2011）（2） 清水一行ら：「MeV 電子照射による FeSiBPCu 合金のナノ結晶化過程の動的観察」，日本金属学会誌，Vol. 78，
No. 9，pp.364-368（2014）（3） 牧 野 彰 宏：「 超 低 磁 心 損 失・ 高 鉄 濃 度 軟 磁 性 合 金「NANOMET Ⓡ の 最 新 研 究 開 発 動 向 」， ま て り あ，Vol.55，No.3，pp.89-96（2016）（4）高宮俊人ら：「JFE スチールにおける方向性電磁鋼板の最近の進歩」，JFE 技報，No.36，pp.1-5（2015）（5） 松浦真ら：「ケイ素鋼板に替わる超低損失ナノ結晶軟磁性材料 Fe85-86Si1-2B8P4Cu1（NANOMET Ⓡ ）の磁気特性最図 10ナノメット 10 kVA プロトタイプ変圧器の外観適化のためのナノ結晶形成プロセスの解明」，http://support.
spring8.or.jp/Report_JSR/PDF_JSR_26B/2014B1795.pdf

表4ナノメット 10 kVA プロトタイプ変圧器の特性

■語句説明

測定値

プロトタイプ
変圧器設計値

無負荷電流（％）

1.01

≦ 3.5

無負荷損（W）

18.6

15

短絡インピーダンス（％）

2.64

2.64

電圧変動率（％）

2.23

≦ 2.3

変圧比試験（N）± 1/250 以内± 1/250 以内

極性試験

減極性

減極性

単三平衡度試験（V）＋～N 短絡1.04－～N 短絡
1.04

≦ 2.0

項目

上げる際に無負荷損が若干増加するため，変圧器の設計値には至らず課題となっている。しかし，500 VA 鉄心の検証ではより低い無負荷損が確認されたことから，検証を重ねることで無負荷損の低減が図れると考えている。
また変圧器としての特性は，問題ないことが確認できた。

4

マグネットインスティテュートと（株）トーキン）
注 3）Fe 基アモルファス合金：合金溶湯を超急冷（毎秒100 万℃以上）して製造する結晶構造に由来する異方性がない鉄（Fe）を主成分とする金属
注 4）無負荷損：変圧器が無負荷のとき，定格周波数・定格電圧を一次側に加えたときの入力
注 5）方向性電磁鋼板：鋼板の一方向のみに磁化しやすくなるように結晶方位を一方向に揃うよう製造された鋼板
注 6）微結晶化：液体急冷により作製したアモルファス相を用いて，このアモルファス相が適当な合金組成であるときに，ナノ結晶組織が形成される結晶化
注 7）FeSiBPCu：元素記号（組成）注 8）DSC：一定の熱を与えながら，基準物質と試料の温度を測定して，試料の熱物性を温度差として捉え，試料の状態変化による吸熱反応や発熱反応を測定する装置
注 9）XRD：試料に X 線を照射した際 X 線が原子の周りにある電子によって散乱，干渉した結果起こる回折を解析する測定原理とし，構成成分の同定や定量，結晶サイズや結晶化度を測定する装置

おわりに

今後は，500 VA 鉄心の検証ではより低い無負荷損が確認されていることから，10 kVA 鉄心におけるさらなる軟磁気特性向上の検討および同鉄心の変圧器適用に関する研究を進める予定である。
最後に，本研究を進めるにあたりご協力賜りました
国立大学法人東北大学様，（株）東北マグネットインス

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注 1）ナノ結晶軟磁性材料：Fe 基アモルファス合金を結晶化させ，ランダム配向した強磁性相のナノ結晶粒を残存するアモルファス相に分散させた材料
注 2）ナノメット（NANOMET Ⓡ）：登録商標（（株）東北

東光高岳技報 Vol.7 2020

出井和弘

栗原二三夫

須永善則

技術開発本部

技術開発本部

技術研究所

技術研究所

電力機器事業本部

材料技術グループ所属

材料技術グループ

所属

小型変圧器製造部設計グループ

所属