飽和磁束密度が高く高周波鉄損の低い
Si 傾斜磁性材料 JNSF の開発
平谷多津彦
尾 田 善 彦浪川1)
1)
笠 井 勝 司
二 宮 弘 憲3)
4)

. 緒操2)

言

半導体のスイッチングにより電力制御を行うパワーエレク
トロニクス分野において，電源の小型化・高効率化を図るための高周波化が進み，現在，太陽光発電のパワーコンディシ
ョナやハイブリッド車のような数 k～数十 kW 級の中容量電源においては 10 k ～ 20 kHz で，メガソーラ等の数百 kW ～数 MW 級の大容量電源においても数 kH で駆動されるようになった．最近，より高電圧かつ高周波で駆動可能な SiC
パワー半導体の量産技術も確立しつつあり，スイッチング周波数の高周波化は一層進むものと予想される．このようなパワーエレクトロニクス技術の発展にともない，リアクトル等の電源部品にもさらなる高性能化が求められている．

図1

高周波用コア材の磁気特性比較．

6.5 Si 鋼板は，最も軟磁気特性に優れた電磁鋼板として古くから知られている．しかしながら硬く脆いため，一般的な圧延プロセスによる製造は困難であった．これに対し，薄損の低いものが理想的なコア材といえるが，その両立は難し鋼板の仕上圧延後に CVD(Chemical Vapor Deposition)法にい．著者らは g 域浸珪という新しい技術を試み，3Si 鋼板より Si を付与する連続浸珪プロセスが開発され，6.5Si 鋼並みの高い飽和磁束密度と 6.5 Si 鋼板並みの低い高周波鉄板の工業生産が可能となった(1) ． 6.5  Si 鋼の固有抵抗は損を両立した Si 傾斜磁性材料 JNSF を開発することに成功

3Si 鋼板の 2 倍近くあり，渦電流が流れ難く発熱し難いこした．とから，高周波用途のコア材としても優れている．その反面，一般的な電磁鋼板に比べて飽和磁束密度が低いという課

.

開発のコンセプト

題を有している．コア材の飽和磁束密度低下は，電源小型化・高効率化にとって好ましくない．図に高周波用コア材の特性バランスを示す．飽和磁束密度が高く，かつ高周波鉄電磁鋼板の鉄損は，周波数に比例するヒステリシス損と周波数の約 2 乗に比例する渦電流損とから構成される．周波数が高くなるほど渦電流損の占める割合が増すため，高周波JFE スチール スチール研究所
1)電磁鋼板研究部主任研究員
2)数値解析研究部主任研究員
3)東日本製鉄所 商品技術部主任部員
4)本社鋼材営業部門 電磁鋼板営業部主任部員
Development of Si Gradient Steel Sheet with High Saturation
Magnetic Flux Density and Low Iron Loss at High Frequency:
Tatsuhiko Hiratani, Yoshihiko Oda, Misao Namikawa, Shouji
Kasai, Hironori Ninomiya(JFE Steel Corporation)
2013年11月 8 日受理[doi:10.2320/materia.53.110]



用途のコア材としては渦電流損の低い材料が求められている．
鋼板の渦電流損を低減するには，固有抵抗増加と薄板化が有効である．実際，電磁鋼板には Si, Al 等の固有抵抗増加元素が添加されているが，添加量増加とともに材料の飽和磁束密度は低下してしまう．板厚に関しては，現在 0.1 mm 以下まで薄く圧延した極薄電磁鋼板が高周波用途に用いられている．しかしながら板厚を薄くするほど鋼板製造コストおよびコア加工コストが上昇してしまう．このように，電磁鋼板新技術・新製品

の渦電流損低減手法として固有抵抗増加と薄板化は限界に近鉄損が極小となるように Si 濃度分布を調整すれば，高飽和づきつつあり，新たな渦電流損低減手法の確立が望まれる．

磁束密度と高周波低鉄損を，より高いレベルで両立できると著者らは，上述の連続浸珪プロセスを利用して，板厚方向考えられる．に Si 濃度分布を有する Si 傾斜磁性材料を作製し，この材料

しかしながら従来の Si 傾斜磁性材料は， Si 均一化が必要の残留磁束密度が極めて低いこと(2)，高周波数では同板厚のな6.5Si 鋼板と同様に，鋼中で Si が拡散均一化しやすい a6.5 Si 鋼板より低鉄損となること(3)などの興味深い性質を相で浸珪処理を行っていた．このため Si 濃度分布を調整す既に見出している．図に，板厚方向の平均 Si 量を一定とる過程で板厚中心部の Si 濃度も上昇してしまい，前述の理し，鋼板表層と板厚中心部の Si 濃度差 DSi を変えた場合の想的な形態が実現されているとは言えなかった．

鉄損変化を示す． Si 傾斜磁性材料では， DSi を増すほど渦そこで，板厚中心部の Si 濃度を低いまま留めておく手段

電流損は減少し，ヒステリシス損は逆に増加する傾向があとして，高温で g 相が生ずるような Si 濃度の低い素材を用る．鉄損の極小点は両者のバランスで決まる．図 2 に示す

い，これを g 相から浸珪処理することを試みた．g 相の素材ように， Si 濃度分布を適正化することで， Si が均一な材料へ浸珪処理を施した場合，表層は Si 濃化によって a 相に変より鉄損を低減することが可能である．

態するが，鋼板内部の g 相の拡散係数は a 相より二桁以上

この渦電流損低減について，古典渦電流損に単純化して考小さいため， Si は深くまで拡散せず表層に局在化させるこえると，図のように模式的に表現することができる． Siとができる．従来の浸珪処理との違いを図に示す．鋼板の傾斜磁性材料においては， Si 濃度の高い表層が高透磁率，耐食性改善のため，g 域で浸珪処理して表層に Fe3Si 相を形

Si 濃度が低い板厚中心部が低透磁率となっている．このよ成した例は過去にもあるが(4) ， Si 濃度分布を残した状態でうな鋼板を板面と平行な方向に励磁すると，磁束は透磁率のの磁性評価はなされておらず，また実際， Si 濃度分布を適高い表層に集中する．仮に，表面から板厚 25 の深さに磁正化しなければ優れた磁気特性は得られない．

束が集中し，それより内側での磁束変化はないものとすると，磁束変化によって生じる渦電流も表層のみとなり，その.

開発商品の磁気特性渦電流損は，磁束が均一に通った場合の半分の大きさになる．
渦電流損を低減するには，DSi を大きくして図 3 下段のよ今回開発した JNSF は，g 域浸珪を利用することで表層にうな磁束分布にするのが好ましい．また，板厚中心部で磁束のみ効率よく高 Si 濃度域を局在化させ，高周波で低鉄損とが変化しないとすれば，この部分で渦電流が生じないため，なるように Si 濃度分布を調整したものである．

あえて Si を添加して固有抵抗を高める必要はない．Si 傾斜

図に板厚 0.15 mm の開発材 15JNSF と板厚 0.1 mm の磁性材料の板厚中心部の Si 濃度を従来より低くし，鋼板全6.5  Si 鋼 板 10JNEX の 直 流 磁 化 曲 線 の 比 較 を 示 す ．

体の含有量を低減すれば，材料の飽和磁束密度を高めること

15JNSF の飽和磁束密度は 2.0 T と， 3  Si 鋼板並みの高いができる．すなわち，板厚中心部の Si 濃度を低い状態に保値を示す．

ったまま磁束が集中する表層のみを高 Si 濃度とし，高周波

図に 15JNSF と 10JNEX および圧粉磁芯の鉄損評価結果を示す．圧粉磁芯は純鉄粉や Si 含有鉄粉をバインダで固めたものであるが，その中でも優れた特性を示す6.5SiFe粉の圧粉磁芯を比較材として用いた．50 Hz の励磁条件で比較すると， 15JNSF の鉄損は 10JNEX より大きいものの，圧粉磁芯と比べると十分小さいといえる．一方 10 kHz では，15JNSF と 10JNEX の 鉄 損 差 は 縮 ま り ， 更 に 20 kHz で は

図2

Si 傾斜磁性材料の板厚方向 Si 分布と鉄損の関係．

図3

Si 分布による渦電流損低減機構．

ま て り あ 第53巻 第 3 号(2014)
Materia Japan

図4

浸珪プロセスの違い．



図5

図7

直流磁化曲線の比較．

直流重畳特性の比較．てしまう．3Si 鋼板は，高周波用コア材の中では最も飽和磁束密度の高い材料であるが，高周波での発熱が制約となり磁束密度を下げて設計されるため，やはりコアを大型化せざるを得ない．このような用途に，飽和磁束密度が高く高周波鉄損の低い Si 傾斜磁性材料 JNSF は適している．
10JNEX と 15JNSF を用いて同一形態のリアクトルを作製し，直流重畳特性を比較した例を図に示す．全体的に15JNSF の方が高いインダクタンスを示しており，小型化に有利といえる．また 100～150 A の電流域において 10JNEXのインダクタンスが急激に低下するのに対し，15JNSF のインダクタンス低下は緩やかである．これは 15JNSF の飽和磁束密度が高いことが影響している．リアクトルの中には，
図6各励磁条件における鉄損比較．

定格より大きな電流で一定以上の大きさのインダクタンスが必要とされるものもあり，そのような用途にも 15JNSF は好適と考えられる．また図 6 に示したように，15JNSF は圧10JNEX と同様若しくは 15JNSF の方がやや低鉄損となっ粉磁芯に比べて商用周波数の鉄損が極めて低いため，高周波た．この結果は，固有抵抗増加や薄板化に依らない鉄損低減に商用交流が重畳する AC リアクトルのコア材としても期待手法として，板厚方向の Si 濃度分布制御が有効であることされる．現在，15JNSF はエアコンのリアクトルのコア材とを示している．

して採用され，使われている．

このように，板厚 Si 濃度分布を利用した鉄損低減手法を検討し， g 域から浸珪処理して表層に局所的に高 Si 濃度域.

結言を構成し Si 濃度分布の最適化を図ることにより，従来困難と考えられていた 3Si 鋼板並みの高い飽和磁束密度(Bs～g 域浸珪による Si 傾斜磁性材料の製造を検討し，その Si2.0 T )と 6.5  Si 鋼並みの低い高周波鉄損( W0.5/20 k ～ 7 W /濃度分布を適正化することで，高飽和磁束密度と高周波低鉄kg )の両立を，板厚 0.15 mm の Si 傾斜磁性材料で実現する損をこれまでにない高いレベルで両立した製品 JNSF を開ことができた．

発した．今後，高周波化が進むパワーエレクトロニクス分野での活用が期待される． Si 傾斜磁性材料に関する特許は，

.

高周波リアクトルへの適用

これまでに 20 件以上申請し，一部は登録されている．本件の g 域浸珪に関するものとしては，特開2012251191，特開

エアコン，太陽光発電用パワーコンディショナ，HEV の2011119298が公開されている．

車載電源等に使われる高周波リアクトルには，数 k ～数十kHz の高周波を含む，数十～数百 A の直流または交流が流文献れている．コア材が磁気的に飽和に近づくと，リアクトルのインダクタンスは急激に下がり，高周波電流が回路に混入して電子機器を損傷するおそれがある．磁気飽和を避けるにはコアの断面積を大きくせざるを得ず，リアクトルが大型化し( 1 ) H. Haiji, et al: J. Magn. Magn. Mater., 160(1996), 109114.
( 2 ) 浪川 操 他まてりあ，37(1998), 289291.
( 3 ) 浪川 操 他JFE 技報，No. 6(2005), 1217.
( 4 ) 三谷裕康金属表面技術，15(1964), 504511.

新技術・新製品