Advanced Technology

省エネ・CO2 削減に貢献する
エコプロダクツ ®

写真2 日本製鉄の無方向性電磁鋼板でつくられた鉄心

日本製鉄の電磁鋼板「結晶」というと雪の結晶や鉱物の結晶が思い浮かびますが、鉄にも結晶があります。一般的な鉄の結晶粒（一つ一つの結晶の粒）は直径が 10～20 マイクロメー
トル（0.01～0.02 ミリメートル）
で、肉眼では見えません。
電磁鋼板は、この鉄の結晶粒のなかの原子配列（規則正しく並んだ原子の方向）を巧みにコントロールしてつくられています。方向性電磁鋼板の場合、理想的な原子配列を持った結晶粒だけを選択して成長させる技術を駆使し、直径 2～3 センチメートル程度の肉眼でも見える結晶粒をつくります。
この技術を応用すれば、鉄の結晶粒で文字を書くこともできます（写真 1）。
「技」の文字の部分は直径数100 マイクロメートル程度の結晶粒で、方向性電磁鋼板としては失敗作です。どうすれば理想的な結晶粒をつくることができるのかはわかっているため、その逆を行えば文字が書けます。無方向性電磁鋼板の場合は、結晶粒のなかの原子配列を方向性電磁鋼板とは違った方向にコントロールします。
このように、用途に応じて結晶粒の原子配列の方向（結晶方位）を精緻にコントロールすることで、日本製鉄はエネルギーロスの少ない電磁鋼板をつくっています。日本製鉄の電磁鋼板は、電気をつくるための発電機、電気を家庭や工場に送るための変圧器、エアコンや冷蔵庫、ハイブリッド車や電気自動車などを動かすためのモーターの鉄心（写真 2）に使われ、省エネルギー・CO2 削減に貢献するエコプロダクツ ® として高い機能
写真1 方向性電磁鋼板の結晶粒を発揮しています。
季刊

Vol.0416

る 技 術 で す。鉄 の 原 子 配 列 は サ イ コ ロ
カ所と真ん中に応じて使い分けされています。方向性は、発 電 所 や 変 電 所 の電磁鋼板（GO）

電 力 用 大 型 変 圧 器、一 般 家 庭 や 商 業 施のような立方体の角カ所に原子を持つ構造となっています（図やモーターの効率を下げる大きな要因

ル ギ ー ロ ス は「鉄 損」と 呼 ば れ、変 圧 器

発 熱 し ま す。こ れ に よ っ て 生 じ る エ ネの一部が熱エネルギーとなって消費され、ターを使用する際、鉄心で電気エネルギーせる装置がモーターです。変圧器やモー変 え る 装 置 が 変 圧 器、回 転 力 を 発 生 さ

よ う に 鉄 心 の 磁 化 を 利 用 し て、電 圧 を自 ら 磁 石 に な り、磁 化 さ れ ま す。こ のこの磁界によって鉄心は磁気を帯びてき、コイルに電気を流すと、磁界が生じ、します。例えば鉄心の周りにコイルを巻電気が流れるところには磁界が発生〈100〉の方向を鋼板面にできるだけラ向きが常に変化するモーターの鉄心には、

鋼 板 を 開 発。一 方、回 転 に よ り 磁 界 のきるだけ一直線にそろえた方向性電磁器向けの鉄心には、〈100〉の方向をでに一定の方向への特性が重視される機損化を追求してきました。変圧器のよう晶 方 位 を 制 御 す る こ と に よ っ て、低 鉄〈100〉の方向に着目し、日本製鉄は結エ ネ ル ギ ー 効 率 が 良 く な り ま す。こ の方向がそろっていれば、簡単に磁化され、ら加えられた磁界の方向に〈100〉の方体の稜線の〈100〉の方向で、外部か回転させるモーターとヘッドを動かす

ス ク や DVD ド ラ イ ブ 内 の デ ィ ス ク をター、テレビの電源トランス、ハードディ

アコンや冷蔵庫のコンプレッサー用モー

りでは、洗濯機や掃除機のモーター、エなどがあります。さらに私たちの身の回

ター、空調のコンプレッサー用モーター

車の駆動用モーター、エレベーター用モー

鉄 道 車 両 や ハ イ ブ リ ッ ド 車、電 気 自 動いる電気機器には、発電所の大型発電機、無方向性電磁鋼板（NO）が使用されて置される中小型の変圧器に使用されます。

器、ビ ル や 工 場 な ど の 建 物 の な か に 設

豊かな暮らしと社会を支えています。

ところに電磁鋼板ありと言われるほど、

ど あ り ま せ ん が、電 気 が 使 わ れ て い る

ステッピングモーターなどがあります。の つとなっています。

御することによりつくり分けられ、用途電磁鋼板はこのように結晶方 位を制発しています。

ン ダ ム に 配 し、さ ま ざ ま な 方 向 に 磁 化電気が使われているところに電磁鋼板あり

設、工 場 な ど へ 電 気 を 送 る 配 電 用 変 圧1）。鉄が一番磁化されやすい方向は立8

直接私たちの目に触れることはほとん

1

しやすくさせた無方向性電磁鋼板を開低鉄損を実現する技術的なポイントの つに、結晶方位制御があります。結晶方位制御とは磁化させようとする方向に応じて結晶方位をコントロールすVol.04季刊1711

磁化中間方向〈110〉

図1 鉄の原子配列と磁気特性

磁化容易方向〈100〉

立方体の角 8 カ所と真ん中 1 カ所

鉄の原子配列は、サイコロのようなに原子を持つ構造となっています。

結晶方位を制御してエネルギーロスを減らす〈100〉の方向が最も磁化されやす

く、この方向が磁化方向にそろっ磁化困難方向ていると、鉄を磁化したときに生じ〈111〉るエネルギーロス（鉄損）が少なく、エネルギー変換効率が良くなります。

方向性電磁鋼板

電力システムを支える基盤材料～ 一方向に結晶の向きを制御 ～

変圧器のように一定の方向の磁気特性が重視される電気機器向けの鉄心には、結晶の磁化容易方向〈100〉を、できる限り圧延方向にそろえた方向性電磁方向性電磁鋼板

鋼板が使われています。
結晶粒界

圧延方向

結晶粒径：2～3cm一次再結晶製鋼
熱延

図2 二次再結晶のプロセス

50μm

左写真は焼鈍②完了後、一次焼鈍①

変電所

再 結 晶 組 織 の 鋼 板 断 面 で す。
さまざまな方位を持った結晶

冷延粒の集合体で、この段階では方向性電磁鋼板の特性は発揮

焼鈍②できません。一次再結晶粒のうち優れた特性を持つ結晶粒が、磁気特性の劣る周囲の結晶粒焼鈍③さんしょくを蚕食しながら、右写真の二次再結晶まで成長し、方向性電磁焼鈍④鋼板の良好な特性を発揮しま

二次再結晶（W/kg）
5.0

鉄 損

3.0

変圧器の鉄心であった結晶粒は 2～3cm ま方向性電磁鋼板が電圧を効率的に変換します。

で成長するのです。

0.35mm

T 級製造開始
T145〜
T125

0.30mmオリエントコア製造開始
Z9 製造開始
T120 Z30〜〜
T90 Z17オリエントコアハイビー製造開始 （ZDKH）

Z20〜
Z15 Z17〜
Z13Z15 〜
Z10 Z11～Z9（熱延珪素鋼板）（W 17/50）
2.01.0オイル
ショック

オイル ZH 0.23mm 厚
ショック ZDKH

製造開始

Z10 ～ Z9 ～ Z8
Z8H ～ Z7H ～ Z6H（30ZH105） Z5H（30ZH100）（30ZH120）

0.00.23mm

板厚を薄くしながら表面にレーザー照射

熱延珪素製造中止

4.05cmす。一次再結晶で10μm 程度

ZDKH

ZDMH

'85'90（23ZDKH85）（23ZDMH85）
1930'50

'55

'60

'65

'70

'75

'80

'95

（20ZDKH70）
2000 （年）

図3 進化する方向性電磁鋼板
方向性電磁鋼板オリエントコアハイビー® は日本製鉄が1961年に開発し、1968 年から工業生産を開始している鉄鋼製品です（1973 年
大河内賞 記念賞を受賞）。絶え間ない技術革新によって、今日までに大幅な電力損失の削減を実現しています。

50556065707580859095季刊Vol.0418Advanced Technology

則によって、電磁鋼板内に生じる渦状のズも高まっています。かつて柱上変圧器

近年は低鉄損だけでなく、低騒音のニー

大幅な電力損失減、低騒音を実現

損を低減させるため、日本製鉄ではさら電流）によるエネルギーロスです。渦電流に つの技術を駆使して、低鉄損を実現や鉄道車両用変圧器の近くで耳を澄ます

約 週間かけて結晶方位をつくり込む〝匠の技〟しています。

電磁鋼板の開発は生産性を高めながらいかに磁気特性を向上させるかの戦いで
しかしシリコンを添加し過ぎると、磁束が原因のきに伸び縮みする性質（磁歪）

じ わ いました。この音は電磁鋼板が磁化したとつ目はシリコンなどの合金添加です。 とブーンという音が聞こえることがありす。日本製鉄は 1953 年にアメリカのアームコ社からの技術導入により、方向求められる特性に応じています。

は交流のため、 秒間に回（東日本）
ます る ため、結 晶 方 位 制 御 を 緻 密 に 行い、 つとなっています。変圧器に流れる電流） 低下します。その影 響を補 完性電磁鋼板の日本での工業生産を開始し、 密度（※ が1968 年にはオリエントコアハイビーの製造を開始しました。結晶方 位 制 御®

1回（西日本）のサイクルで電流の流50

大畑 喜史 室長〈100〉の方 向 と圧 延 方 向のズレを、従まで二次再結晶が不安定になるなどの難です。非常に有 効ではあるものの、従来される向きも変わることから、方向性電大きくなったり、小さくなったり、磁 化れる向きが変わります。そのため磁界が向性電磁鋼板オリエントコアハイビー ®がずか約 マイクロメートル（ ・001 ミ

月、一般社団法人電気学

来の半分以下まで角度を抑えることに成しさがありました。その技術課題を克服

心を薄く切って、それぞれの境界を絶縁

磁歪は結晶のそろい方に影響され、結うなるような音につながっていたのです。

「 年くらいのスパンで大きなブレークウォークマンなどが顕彰されてきました。

本語ワードプロセッサ、新幹線鉄道システム、気技術の功績を称えるもので、これまで日回「でんきの礎」で、方2会が選 定 する第は 2020 年

功し、変圧器の鉄損を大幅に低減しまし
億個の鉄術品とも言われました。

） 細 分 化です。二つ目は磁区 幅（※ の0

向きのそろっていない結晶粒を蚕食し、向長させています。向きがそろった結晶粒が〈100〉の方向にそろった結晶粒だけを成あります。そのなかで原子配列の向きがです。これらの結晶粒にはいろいろ個性がレーザーを照射し、磁区幅を小さくするす。そ こ で 1983 年 に 鋼 板 の 表 面 にくなり、鋼板内に生じる渦電流が増えまく と、方 向 性 電 磁 鋼 板 は 磁 区 幅 が 大 き次再結晶により結晶の方向をそろえてい独自に開発し、これらを駆使して、電磁とともに、振動騒音測定解析システムをさらに結晶方位制御技術に磨きをかける鋼板ほど、小さくなります。日本製鉄は晶方位が特定の方向に良くそろった電磁力系統は大型発電所から川の流れのようことが使命だと考えています。従来の電理想に向けて日進月歩で進化させていくた電磁鋼板が生まれると確信しています。

スルーがありました。今後も考えもしなかっ連合会会長発明賞を受賞）。1988 年に1993 年 全国 発明 表 彰 日本 経 済 団 体た。また、変圧器の小型化・大容量化に貢大幅な電力損失減、低騒音を実現しまし

術革新
（図 ）
により、日本製鉄は変圧器のこの長年にわたる方向性電磁鋼板の技に対応し、電力システムを支える基盤材いくと思いますが、新たなニーズにも柔軟性電磁鋼板に求められる性能も変化して大きく変化する可能性があります。方向

発電などの分散型電源が伸び、システムが流でした。これからは太陽光発電や風力がら分電して需要家に届ける一方通行が主はレーザーではなく、鋼板表面に機械的億ボルトアンペアの電力を変圧するよう献し、超高圧変電所で必要となる１基で。
業賞 貢献賞を受賞）（1998 年 市 村 産
ト ®を 開 発 し ま し たするオリエントコアハイビー・パーマネンに適度な溝を入れることで磁区幅を狭く

発（1985 年 大 河 内 賞 技 術 賞 を 受 賞、に高電圧で電気を送り、電圧を低くしな週間かけてじっくりと方向性電磁鋼板を熟成させる〝匠の技〟と言えます（図 ）」（電磁鋼板技術室・大畑室長）

高いハードルに挑み続ける
方向性電磁鋼板の鉄損のうち約 ％が渦電流（磁界の変化に伴い、電磁誘導の法辺の環境対策の面でも役割を果たしていまな超大型変圧器にも使用され、変電所周実現に貢献していきます」（大畑室長）

料として、これからも省エネルギー社会の3約鋼板の利用環境にまで踏み込んで低騒音マイクロメートル1

ことで、さらなる鉄損の低減を実現した

2

きのそろった結晶粒で鋼板内を埋め尽くし鉄の結晶粒は通常数再結晶という特殊な冶金現象の活用です。 とで鉄損を小さくしています。

リメートル）程度の伸び縮みが、変圧器の渦電流は鉄心の断面に発生するため、鉄20して抵抗を大きくし、積層鉄心にするこの結晶がほぼ一定の方向にそろい、鉄の芸03化に貢献する技術開発を進めています。

10ていきます。二次再結晶を行う焼鈍工程は、 オリエントコアハイビー・レーザー ®を開101「キーテクノロジーとなったのは、二次1た。 トンの電磁鋼板内の約鉄鋼製品として初めて顕彰されました。
「です。こうした実績が評価され、日本製鉄

日本製鉄（株）薄板事業部 電磁鋼板営業部し、 ・ ミリの薄手化を実現しました。 磁鋼板は伸び縮みを繰り返します。長さ

つ目は板厚を薄くすること（薄手化） たは

1

んきの礎」は社会生活に大きく貢献した電60メートルの方向性電磁鋼板の場合、わ技 術 を 駆 使 し た 結 果、磁 化 さ れ や す い113270※2 磁区幅：鉄は小さな磁石（磁気双極子）の集まりです。この小さな磁石の一つ一つは磁区とも呼ばれ、この磁区の幅が磁区幅です。

19310Vol.04季刊

12電磁鋼板技術室

1101※1 磁束密度：電磁鋼板の特性を表す指標の一つ。磁束密度が高い電磁鋼板は、磁化されやすく一般に良い材料とされます。

無方向性電磁鋼板～ さまざまな方向に結晶の向きを制御 ～回転により磁界の向きが常に変化するモーターの鉄心には、特定の方向に偏った磁気特性をモーターの高性能化を支える最新材料示さないように、鋼板の面内でできるだけランダムに結晶方位をコントロールした無方向性電磁鋼板が使われています。
結晶粒界
圧延方向

無方向性
電磁鋼板

結晶粒径：10～200μm

ハイブリッド車駆動系の一例
無方向性電磁鋼板が電気エネルギーを効率的に運動エネルギー（回転運動）に変換します。

特 徴

鉄損

・鋼板を磁化したときに消費されるエネルギーで、小さいほど良い・モーターの効率に寄与
・板厚が薄いほど、低鉄損化（⇔高磁束密度化）

高効率

磁束密度

低鉄損

NO 特性・鋼板が磁化されたときの単位断面積あたりの磁束の量で、大きいほど良い・モーターのトルクに寄与・板厚が厚いほど、磁束密度が上がる（⇔低鉄損化）・モーターの高回転速度にも耐え得る強度
・薄くても強度を担保できれば、軽量化に寄与

背反関係

高磁束密度

強度

モーター性能

高強度

高トルク

高回転

図4 無方向性電磁鋼板の技術課題
ハイブリッド車や電気自動車の駆動モーターには、「高効率｣｢高トルク｣｢高回転｣が求められます。それらを実現するための素材特性として、｢低鉄損｣「高磁束密度｣｢高強度｣が求められています。それらは背反関係にあるため、いかにバランス良く成立させるか、これからも進めていきます。

季刊

Vol.0420

Advanced Technology

背反関係の 特性を高次元にバランス良く両立
無方向性電磁鋼板は、特定の方向に偏った磁気特性を示さないように、各結晶の方位をできる限りランダムに配置することで、大型発電機から小型精密モーターまで、大小さまざまな回転機の鉄心に用いられています。さらに近年では、地球環境の観点から急速に普及しているハイブリッド車や電気自動車の駆動モーターの鉄心向けにも採用が広がっています。

「鉄 損 を 下 げ る た め に シ
リコンの添加量を増やすとターは、電気エネルギーを磁気エネルギーが有 効ですが、磁 束 密 度の低下により、にはシリコンなどの添加量を増やすこと化が欠かせません。鉄損を低くするための電 磁 鋼 板 を 生 産 し 続 け る

定 的 に 競 争 力 あ る 高い 品 質に終わりはありません。安給できるのです。技術革 新を埋め込むタイプが主流で、磁界の変化ローターは無方向性電磁鋼板に永久磁石流を流すことで磁界をつくります。一方、心にコイルを巻いたもので、コイルに電す。ステーターは無方向性電磁鋼板の鉄難しくなります。このように全ては背反低下し、モーターの回転数を上げるのが加量を減らすことが有効ですが、強度が度を高くするためにはシリコンなどの添は高磁束密度化が欠かせません。磁束密を小型・軽量化しつつトルクを高めるにリッド車・電 気 自 動 車の普電 気 機 器 の 省 エ ネ やハ イ ブ

る CO 2排出を減らすため、

地 球 温 暖 化の原 因 と さ れていきます」（林上席主幹）技術を、これからも追求しるものと見込まれています。

板の 利 用 は ま す ま す 拡 大 す

相反する条件である低鉄損化と高磁束鋼板の供給体制を整え、こ器などの性能を高める電磁果敢に挑戦しています。

鋼板は硬くなり、圧延しにく く なり 生産 性が 低 下します。こ れ を 克 服 す る た め、操業・設備の技術改善を行っくなっても磁束密度が低下ていま す。ま た、鉄 損 が 低しないよう、さらなる技 術改 善が行われています。このよ う に 製 鉄 所 に お け る 製造技術の改善力を持っているからこそ、お客 様の要 求を介して運動（機械）エネルギーに変換すモーターのトルクが低下します。モーターに 応 え られる 電 磁 鋼 板 を 供る装置で、ステーター（固定子）とローターハイブリッド車や電気自動車の駆動モー（回転子）の つの部分で構成されていまによって回り続けます。モーターは加速関係にあります。いかに高いレベルでります（図 ・ ）」（電磁鋼板営業部・林

つをバランスさせるかが腕の見せ所にな及が加速し、今後も電磁鋼時・定速走行時にはローターのシャフト動かす動力となります。また減速時には、に連結されたタイヤを回して、自動車をで電気エネルギーを発生させる発電機の密度化、高強度化を高いレベルでバランれからも絶え間ない技術革日 本 製 鉄 は モー タ ー や 変 圧役割を果たし、タイヤの回転を落とすブスさせるためのシーズ技術の開発に加え、新を通じ、さらなる環境 負上席主幹）レーキとなります。

日本製鉄では最先端の材料を安定して量モーターへ供給する電力を遮断すること「駆動モーターに要求される特 性は高きます。

荷低減への歩みを進めてい産する生産技術の開発・改善にも精力的に取り組んでいます。

引張強度

磁束密度（Ｂ５０）

Vol.04

季刊21

開発中2018161412108［W/kg］
鉄損（W10/400）［W/kg］
鉄損（W10/400）

460

日本製鉄
（株）薄板事業部 電磁鋼板営業部） 高回転です。高効
効率、高トルク（※ 、率を求めると無方向性電磁鋼板の低鉄損※3 トルク：物体を回転する力

0.35mm 厚20HX1200

20HX1200

20HX1300

30HX1800

0.30mm 厚1.632025HX1500

4800.25mm 厚20HX1300

181614121081.62［MPa］

35H21035H2501.64

25HX1400

35H210開発中

1.65

5000.20mm 厚［T］

35H30030HX1600

520

35H250方向性電磁鋼板の開発に、日本製鉄は0.35mm 厚と、さらに薄くても高強度（右図）
な無0.25mm 厚0.30mm 厚54030HX1600

さらに薄くても高強度

高磁束密度化と低鉄損化を両立

林 申也 上席主幹
3高磁束密度化と低鉄損化を両立（左図）

0.20mm 厚1.68

35H30025HX1400

1.66

5560

30HX1800

25HX1500

1.6743図5 鉄損・磁束密度・強度の関係

580

1.6932