何が 電気鋼 そして、なぜ電気自動車のモーターにはそれが必要なのか？
電磁鋼板は、変化する磁束を制御されたエネルギー損失で伝送するように設計された軟磁性シートです。電気自動車のトラクションモーターは通常、薄く絶縁された無方向性電磁鋼板の積層体を使用します。これは、磁場が回転し、速度とともに電気周波数が上昇し、コアで失われるすべてのワットが熱となり、車両がその熱を除去する必要があるためです。
電気自動車用モーターには電磁鋼板が必要である。なぜなら、コアは発熱体となることなく磁束を導く必要があるからだ。
銅巻線が磁場を生成し、永久磁石または回転子電流が磁場と相互作用し、電磁鋼板コアが低磁気抵抗経路を提供することで、エアギャップに磁束を集中させます。一般的な構造用鋼板は強磁性体である場合もありますが、低ヒステリシス損失、低渦電流損失、再現性のある磁気特性、薄板プレス加工、または信頼性の高い層間絶縁といった点において最適化されているわけではありません。
NOESは、回転機械における変化する磁束経路に適合するように、多くの面内方向において有用な磁気特性を発揮するように設計されています。
鉄損は、材料、磁束密度、周波数、波形、温度、切削損傷、および組み立て式鉄心の構造によって決まります。
低損失は連続的なトルクと冷却を可能にし、高い分極と機械的強度は小型で高速な設計を可能にする。
サプライヤーの仕様書データは出発点に過ぎません。切断、嵌合、溶接、接着、圧縮などの工程によって磁気特性が変化する可能性があります。
合金板から量産可能なEVモーターコアまで
電磁鋼板とは何ですか？
電磁鋼板は、電磁機器向けに化学組成、圧延工程、焼鈍、組織、表面絶縁が厳密に管理された鉄系軟磁性帯鋼または板鋼です。シリコンが一般的な合金元素であることから、しばしばシリコン鋼と呼ばれますが、この通称は製品群を完全に表しているとは言えません。アルミニウム、マンガン、その他の元素も使用されることがあり、特殊な高シリコン製品には、従来の圧延鋼板とは異なる製造工程が必要となる場合があります。
「軟磁性」とは、機械的に柔らかいという意味ではありません。比較的低い保磁力で磁化・脱磁できる材料という意味です。交流モーターは磁場を繰り返し反転・回転させるため、この特性が重要になります。こうした変化に抵抗する材料は、ヒステリシス損失としてエネルギーを浪費してしまうのです。
シリコンは一般的に電気抵抗率を高め、渦電流を抑制する効果があり、磁気特性も向上させます。しかし、その反面、製造性というトレードオフが生じます。合金含有量を増やすと延性が低下し、冷間圧延やプレス加工が複雑になる可能性があるのです。そのため、シリコン含有量が多いほど必ずしも最適なモーター仕様になるとは限りません。
電磁鋼板はシステム材料である
電気自動車用モーターにとって、有用な仕様は単に「シリコン鋼、厚さ0.30mm」といったものではありません。磁気特性、機械的特性、寸法、コーティング、製造に関する要件が相互に関連し合ったものです。公称厚さが同じ2枚の鋼板でも、プレス加工やレーザー切断後、インバータ周波数、そして組み立てられたローター内では、異なる挙動を示す可能性があります。
効率的に磁束を運ぶ
高い透磁率は、磁束を発生させるために必要な磁化エネルギーを低減します。また、高い磁極度は、コア容積を過度に大きくすることなく、小型モーターがトルクを発生させるのに役立ちます。
循環する電流を制限する
高いシート抵抗率と積層板間の絶縁により、電気エネルギーを熱に変換する大きな電流ループが遮断される。
繰り返し可能なスタックになる
板厚公差、平面度、コーティング、バリ処理、プレス加工時の挙動、および組み立て方法によって、シートの性能が生産工程で維持されるかどうかが決まる。
方向性電磁鋼板と無方向性電磁鋼板
電磁鋼板は一般的に、方向性電磁鋼板（GOES）と無方向性電磁鋼板（NOES）に分類される。この違いは見た目上のものではなく、結晶構造の違いによって磁気特性の方向依存性が変化する。
| 決定要因 | 無方向性電磁鋼板（NOES） | 方向性電磁鋼板（GOES） | 設計上の結果 |
|---|---|---|---|
| 方向性のある行動 | 複数の面内方向において有用な磁気性能を発揮するように設計されています。「無方向性」とは、あらゆる方向において完全に同一であることを意味するものではありません。 | 転がり方向付近での優れた性能に最適化されているが、その好ましい方向から離れると性能が著しく低下する。 | 回転機械は通常NOESを好み、磁束が主に一方向である変圧器は通常GOESを好む。 |
| 典型的な機器 | 牽引モーター、補助モーター、発電機、圧縮機、その他多くの回転式電気機械。 | 電力用および配電用変圧器、一部のインダクタ、および特別に設計された一方向磁束経路。 | 馴染みのある学年名ではなく、磁気経路から始めましょう。 |
| モーターコアの形状 | 従来の円形ステータは、すべての歯を特定の圧延方向に揃えることなく、板材から打ち抜くことができる。 | 従来の一体型円形コアでは、異なる歯が圧延方向に対して異なる角度で配置される。 | GOESには、重要な磁束経路を優先方向に合わせるためのセグメンテーション、あるいは別のアーキテクチャが必要である。 |
| EVデフォルト | 薄型で完全に加工されたNOESは、高効率牽引モーターの一般的な出発材料となる。 | 通常のデフォルト設定ではないが、絶対に不可能というわけでもない。 | JFEは、GOESを活用するために特別に開発されたセグメント化されたモーターコアを報告しており、これは例外的な事例である。 |
JFEは、NOES製品について、シートのあらゆる方向でほぼ均一な特性を持つと説明し、EVモーター向けの高周波グレードを列挙している。また、同社のセグメントコアに関する研究は、「GOESはモーターには決して使われない」という断言がいかに絶対的すぎるかを明らかにしている。
NOESは運動機能のデフォルト設定であり、普遍的な法則ではない。
従来のEVトラクションモーターでは、ステータ周辺およびローターの局所領域で磁束方向が変化するため、NOESは磁気等方性、プレス加工性、供給性の実用的なバランスを提供します。しかし、セグメント化されたステータでは、各歯を意図的に配向させることができます。形状、組み立て、エアギャップ磁場、ヨーク磁束をまとめて設計すれば、方向性のある材料が有効な特殊用途の選択肢となり得ます。
- 従来の回転炉心における基準となる炉心ファミリーとしてNOESを使用する。
- GOESは、アーキテクチャが意図的にローリング方向を管理する場合にのみ検討してください。
- 効率向上を主張する前に、個々の試験片のデータではなく、組み立てられたモーターのデータを比較してください。
モーターの電気周波数と積層計画ツール
この初期段階ツールを使用して、機械速度と極数を基本電気周波数に変換します。このゲージ出力はスクリーニングの方向性を示すものであり、グレード承認ではありません。最終的な選定には、サプライヤーの損失曲線、インバータ波形テスト、機械的チェック、および組み立て済みコアの検証が必要です。
磁気応用について説明してください
最も近い設計条件を選択してください。計画推奨事項が即座に更新されます。
18,000 rpm、4 極対の場合、基本電気周波数は約 1,200 Hz です。まずは、薄い高周波 NOES 候補を比較し、50/60 Hz カタログポイントを超えるデータを要求してください。
- 基本周波数: 1,200 Hz
- 素材ファミリー: 高周波無方向性電磁鋼板
- ゲージ画面： 約0.20～0.30mmの候補を比較する
- 検証の焦点： インバータ励磁損失と切断後のコアテスト
計画上の推論のみ。これらの範囲は意図的に広く設定されており、IEC/ASTM規格、サプライヤーの推奨事項、電磁シミュレーション、ローター応力解析、または認定された生産試験に代わるものではありません。
コア損失は、損失メカニズムの一つではない。
磁束が変化すると、鋼材はエネルギーを散逸します。データシートには、指定された周波数と最大分極または磁束密度における、1キログラムあたりのワット数で表される特定の総損失が記載されていることがよくあります。この単一の数値は複数のメカニズムを組み合わせたものであり、その値は試験条件によってのみ意味を持ちます。
磁化を反転させるのに使われるエネルギー
ヒステリシス損失は、磁気ヒステリシスループの面積と関連しています。化学組成、結晶粒構造、表面組織、不純物、残留応力、加工方法など、様々な要因がヒステリシス損失に影響を与えます。切削時のひずみや組み立て時の圧力によって、低損失のシートでもカタログ値よりも性能が低下する場合があります。
シート内部の循環電流
変化する磁場は、導電性コアに電流を誘起する。薄い積層構造、高い抵抗率、およびシート間の絶縁により、電流ループの面積が制限される。単純化された古典的なモデルでは、渦電流成分はシートの厚さと周波数に大きく比例する。
ドメインの動き、高調波、および幾何学
実際のモータ損失は、磁壁ダイナミクス、回転磁束、歯とヨークの形状、局所的な飽和、PWM高調波、温度、製造上の損傷なども反映します。50Hzのエプスタイン値だけでは、インバータ駆動のEVモータを完全に予測することはできません。
基本電気周波数
f = mechanical rpm × pole pairs ÷ 604極対で18,000rpmで回転するモーターは、1,200Hzの基本電気周波数を持ちます。PWMスイッチングは、この基本周波数に加えて、より高い周波数成分を追加します。
簡略化された古典的な渦電流の傾向
Pe ∝ t² × f² × B² ÷ ρ理想的な条件下では、シートが薄いほど、周波数が低いほど、磁束密度が低いほど、抵抗率が高いほど、古典的な渦電流成分は減少します。ただし、校正済みのモデルを使用せずに、この比例関係をモータ全体の損失に適用しないでください。
絶縁層によって、大きな電流ループが多数の小さなループに分割される。
鋼鉄製の芯は、誘導電流が循環できる広い導電経路を提供する。この芯を薄いシートに分割し、隣接するシートを電気的に分離することで、渦電流は各積層板内にほぼ留まるようになる。その結果、ループ面積が縮小し、抵抗が増加する。
これは、絶縁体が製造工程を生き延びた場合にのみ有効です。バリ、溶接ビード、過度のインターロック、金属片、または過度のコーティング損傷は、シート間のブリッジを形成し、不要な電流経路を作り出す可能性があります。したがって、積層品質は寸法要件だけでなく、電気的要件でもあります。
- 鋼材のグレードだけでなく、コーティングの挙動や層間抵抗も明記してください。
- 工具寿命全体にわたって、バリの高さと刃先の損傷を制御します。
- 結合と圧縮後の完全なスタックを検証する。
電気自動車のトラクションモーターには、低損失、高磁束能力、そして機械的な堅牢性という3つの要素が同時に求められる。
産業用モーターは、定格点付近で長期間運転されることがあります。一方、牽引モーターは、発進トルク、市街地部分負荷、回生ブレーキ、高速道路速度、短時間の過負荷、熱過渡現象など、広範囲の速度-トルク特性を繰り返し変化します。したがって、最適な電磁鋼板とは、ある列の数値が最も低いグレードではなく、モーターシステム全体の目標を支えるグレードなのです。
電気周波数は回転数とともに上昇する
機械速度と極対数が増加すると、基本磁気サイクル周波数が上昇します。高周波NOESを薄くすることで損失を低減できますが、薄型シートは積層枚数、金型製作の要求、コーティング面積、および組み立ての複雑さを増加させます。
フラックス密度は無視できない
非常に低損失のグレードは、磁気分極を変化させる化学処理や加工によって部分的にその損失を実現している場合があります。コアが飽和状態に早く達してしまうと、より多くの鋼材、より多くの銅、またはより大きなモーターが必要になる可能性があります。損失と分極を合わせて比較してください。
機械的強度が磁気的な決定となる
高速回転する内部永久磁石ローターは、狭いブリッジと複雑なスロット構造を採用しています。より強度の高い電磁鋼板を使用することでローターの健全性を維持できますが、強度、残留応力、磁気損失は互いに相反する可能性があります。ローターの材質選定には、過速度解析と疲労解析を含める必要があります。
PWMは追加の損失を生み出す
モータは完全な正弦波信号を受け取るわけではありません。電圧パルスや高調波磁束成分によって周波数成分が加わり、特にエッジ付近や局所的な飽和領域で顕著になります。関連する波形データまたは高調波損失データを要求し、意図したインバータ制御方式で検証してください。
鉄の損失は冷却能力を消費する。
鉄損は、銅、磁石、ベアリング、インバーターの損失に加えて熱を発生させます。鉄損を低減することで、連続トルクの向上や冷却需要の削減が可能になりますが、実際の効果は、損失が発生する場所と、ローターとステーターから熱がどれだけ効率的に放出されるかによって異なります。
効率はドライブサイクルの結果である
損失の少ない材料を使用することでシステム効率は向上しますが、単一のシートテストのパーセンテージから車両の航続距離を推測することはできません。モーターマップ、インバーター、ギアリング、バッテリー、空力特性、デューティサイクル、制御など、すべてが最終的な車両の性能に影響を与えます。
8つの物件をまとめて検討すべきである。
1. 関連条件における損失曲線
モータマップを挟む複数の周波数および磁束密度点における具体的な総損失値を要求してください。IEC 60404-10は400Hzから10kHzまでの測定範囲を規定しています。サプライヤーのデータおよびモータモデルは、明確に識別された測定方法を使用する必要があります。
2. 磁気分極と透磁率
損失が少ないだけでは、コンパクトなトルク発生を保証するものではありません。関連する電界強度における分極または誘導、動作範囲全体における透磁率、および局所的な飽和感度を比較してください。
3. 公称厚さと公差
ゲージは渦電流損失と積層枚数に影響します。公差、クラウニング、平面度、うねりは、積層係数、エアギャップ、軸方向長さ、およびプレス加工の再現性に影響します。
4.機械的性質
降伏強度、引張強度、伸び、疲労特性、および特性の方向は、特に高速回転ローターにおいて重要です。応力マージンを再確認せずに、ステーター用に最適化されたグレードをローターに代用しないでください。
5. コーティング機能
絶縁抵抗、打ち抜き性、溶接性、接着性、耐熱性、腐食挙動、およびコーティング厚さは、接合方法と熱処理方法に適合していなければならない。
6. 積み重ね係数
板厚を薄くし、コーティングを厚くすることで、一定の軸方向長さにおける磁性金属の割合を減らすことができます。板厚だけでなく、有効鉄長も比較してください。
7. 製造上の感度
せん断、パンチング、レーザーによる熱入力、微細な形状、残留応力などは、エッジ付近の磁気特性を劣化させる可能性があります。歯やローターブリッジの形状を代表するエッジ損傷データを入手してください。
8. 供給の安定性
等級システム、製粉工程、コイル幅、スリット条件、証明書、変更管理、代替規則を定義します。1つの特殊なコイルに依存する試作品は、まだ生産材料戦略とは言えません。
1つのモーターでも、2つのコアで異なる電気鋼材の優先順位が必要になる場合がある。
ステータは、鉄損、歯面飽和、巻線発熱、製造性などの要因に大きく影響されます。ロータは、深刻な機械的応力、狭い磁束ブリッジ、磁石の保持、局所的な磁束経路の困難さなどを引き起こす可能性があります。単一グレードであれば、購入やプレス加工を簡素化できますが、ステータとロータを別々のグレードにすることで、複雑さが増す分の価値が見込める場合には、最終設計の改善につながる可能性があります。
- 磁気損失は、モーター全体の損失だけでなく、場所ごとにマッピングしてください。
- 最大速度時および過速度時におけるローターの強度を確認してください。
- 電磁モデルにコーティング方法と接合方法を含める。
- 製鉄所、鋼種、またはコーティングを変更する場合は、再検証を行ってください。
無方向性電磁鋼板の製造方法
正確な製造工程は企業秘密であり、グレードによって異なりますが、その大まかな流れから、化学組成だけでは性能を予測できない理由が分かります。磁気特性は、合金設計、不純物制御、変形、再結晶、結晶粒径、組織、最終応力状態といった要素の組み合わせによって生み出されます。
製鋼
組成と不純物は、抵抗率、磁気応答、清浄度、強度、および加工性に関して管理される。
熱間圧延
鋳造された製品は帯状になり、後の冷間圧延のための初期微細構造と厚さが確立される。
冷間圧延
1回または複数回の縮小工程によって目標の厚みが作られ、質感にも影響を与える。非常に薄い製品は、厳密な工程管理が求められる。
アニーリング
再結晶、脱炭、および最終処理によって結晶粒構造が形成され、変形が緩和され、磁気特性が発現する。
コーティングと仕上げ
表面に絶縁処理を施し、コイルを検査、スリット加工し、後工程の積層製造工程への出荷認証を行う。
完全処理済みNOESと半処理済みNOESの比較
完全に加工されたシートは、磁気特性が発現した状態で供給され、通常は顧客による最終焼鈍処理を必要とせずにその特性を実現できます。半加工シートは、打ち抜き加工後にさらに熱処理を施すことで、製造時の応力を緩和し、目的の特性を発現させるように設計されています。コーティング、寸法変化、炉内雰囲気、清浄度、積層作業の流れなどが異なるため、処理工程は早期に指定する必要があります。
ラミネート加工は、単にシートに色を付ける以上の意味を持つ。
コーティングは隣接する積層材を分離するだけでなく、製造工程のほぼすべてに関わっています。ASTM A976では、電磁鋼板の絶縁コーティングを、組成、相対的な絶縁能力、用途（打ち抜きやすさ、温度安定性、溶接性、加工性などの実用的な限界を含む）に基づいて分類しています。したがって、コーティングの分類はあくまでも出発点となるものであり、数値的な要件やプロセス試験の代わりとなるものではありません。
層間抵抗
必要な抵抗値を、想定される試験方法と圧力に基づいて定義してください。組み立てられた積層体は、バリ、接着圧力、接合部がコーティングを迂回する可能性があるため重要です。
打ち抜きやすさと工具寿命
コーティングは、摩擦、摩耗粉、接着性、金型摩耗に影響を与えます。最初のきれいな積層状態だけを評価するのではなく、長期的な挙動を検証してください。
耐熱性と焼きなまし
積層体または緩んだ積層体が応力除去のための焼きなまし、接着剤の硬化、または高温での使用を受ける場合は、断熱性と排出物が熱サイクル全体を通して許容範囲内であることを確認してください。
溶接性または接着性
溶接用に最適化されたコーティングは、必ずしも最適な接着面とは限りません。接着性コーティングは剛性や騒音特性を向上させることができますが、硬化制御が必要となり、積層係数が変化する可能性があります。
腐食性および化学的適合性
保管時の湿度、プレス加工用潤滑剤、洗浄剤、冷却液への曝露、および取り扱い時間などが、組み立て前の表面状態に影響を与える可能性があります。
スタンピング、レーザーカット、エッジの損傷
サプライヤーは、入念に準備されたシート状の試験片を測定します。モーターは、狭い歯、スロット、ブリッジ、コーナー、切断面を利用します。機械的なせん断ひずみとレーザーの熱効果により、エッジ付近の応力と微細構造が変化し、局所的な損失が増加したり、透過率が低下したりする可能性があります。影響を受ける幅は、グレード、ゲージ、粒度、形状、工具の状態、およびプロセス設定によって異なります。
| 切断ルート | 強み | 磁気的／寸法的リスク | 何を検証するか |
|---|---|---|---|
| 製造時のプレス加工 | 成熟した金型を用いた、高速かつ再現性の高い大量生産が可能。インターロック機構の統合も可能。 | 塑性ひずみ、バリの成長、金型クリアランス感度、コーティングの損傷、工具摩耗のずれ。 | 工具寿命全体にわたるバリと損失、微細形状、インターロック応力、およびロット間の一貫性。 |
| レーザー切断 | 専用の金型を必要とせずに、柔軟なプロトタイプ作成、設計の反復、少量生産の積層加工が可能です。 | 熱影響部、酸化、テーパー、ドロス、コーティングの乱れ、および大量生産サイクルタイムの遅延。 | 切削幅、熱影響部、平面度、エッジ損失、絶縁状態、および試作品の結果がプレス加工による製品と相関するかどうか。 |
| ワイヤー放電加工／ウォータージェット加工 | 特殊な試験片、研究用、および異なるエッジ効果が求められる少量生産の形状。 | 放電加工による再鋳造または腐食、ウォータージェット加工によるテーパー、研磨材による汚染、および表面処理。 | エッジの完全性、寸法精度、洗浄性、および製造プロセスとの関連性。 |
| 接着シート／特殊ルート | 機械的なブリッジを減らし、剛性が高く低騒音のスタックを支えることができる。 | 接着剤の硬化、はみ出し、積層高さ、熱伝導経路、およびサプライヤーへの依存度。 | 接着強度、絶縁性、経年劣化、熱サイクル、NVH（騒音・振動・ハーシュネス）、および修理可能性。 |
JFEの2024年版電磁鋼板レポートシリーズには、せん断応力と鉄損劣化、インターロック効果、インバータ励磁に関する詳細な研究が含まれており、モータコア製造が材料検証計画に含まれるべきであることを示しています。
レーザーカットされた試作品は形状を証明するものであり、自動的に量産時のコア損失を証明するものではない。
レーザー切断は、順送金型を使用することなく、スロット開口部、ブリッジ、傾斜形状などを繰り返し試作できるため、非常に有用です。しかし、切断面の状態はプレス加工とは異なります。試作品を使用して材料グレードを承認する場合は、レーザーの波長、出力、速度、焦点、ガス、切断幅、後処理を記録し、その後、予定されている生産ルートで作成された代表的な積層体と比較してください。
- 比較には、同一の鋼コイル、または厳密に管理された同等ロットを使用してください。
- クーポンレベルと組み立て済みコアの両方の挙動を測定する。
- 形状による利得と、プロセスに起因する損失変化を分離する。
- 単一の普遍的なエッジ損失率でモデルを「修正」してはいけません。
積層構造は、材料によって得られた効率性を回復させることができる。
切断後、数百枚の積層板が寸法的に安定したコアを形成する必要があります。インターロッキング、溶接、接着、リベット留め、クリート留め、圧縮といった各工程によって、コスト、剛性、電気的ブリッジング特性、残留応力、熱特性、騒音性能といった要素がそれぞれ異なる組み合わせで実現されます。
プレス加工工程との迅速な統合
インターロックは取り扱いとスタック制御を簡素化しますが、局所的な変形によって磁気特性が変化する可能性があります。インターロックの数、位置、形状は、電磁気的および機械的検証の一部として考慮されるべきであり、金型設計者だけに任せるべきではありません。
導電性ブリッジを備えた強力なスタック
溶接継ぎ目や溶接箇所は、熱、残留応力、および板材間の電気的接続を引き起こします。可能な限り、重要なフラックス領域の外側で接合を行い、実際の継ぎ目パターン、溶け込み深さ、および歪みを評価してください。
溶接継ぎ目のない分散剛性
接着剤やバックラックシステムは、低振動と強力な絶縁性を実現できるが、硬化サイクル、接着層の厚さ、温度、経年劣化、および補修方法を制御する必要がある。
構築しようとしているスタックを測定します
有効な検証手順としては、まず入荷したシートサンプル、次に切断した積層サンプル、小型のプロセススタック、完成したステータ／ロータコア、そして最後にインバータ駆動モータという順序が挙げられます。各段階間で性能に変化が生じた場合、この手順によって、その差の原因が材料、エッジ、接合部、圧縮、あるいは電磁気モデルのいずれにあるかを特定することができます。
電磁鋼板と鋼材の比較を信頼できないものにする7つの間違い
50Hzまたは60Hzの損失数だけを比較すると
牽引運転では基本周波数が数百ヘルツ以上に達することがありますが、インバータの高調波はさらに高い周波数まで広がります。関連する磁束と周波数における比較可能なデータを入手してください。
等級とコーティングを指定せずにゲージを指定する
厚さ0.30mmのシート2枚でも、損失、偏光、強度、質感、コーティング、製造時の反応などにおいて違いが生じる可能性がある。厚さはあくまでも一つの要素に過ぎない。
「NOES」を完全に等方的なものとして扱う
NOESは方向依存性を低減することを目的としており、完全に排除するものではありません。要求の厳しい設計においては、転がり方向のサンプリングやモーターの形状が依然として重要となる場合があります。
ローターの機械的負荷を無視して
低損失ステータグレードでは、高速回転子のブリッジ特性、破裂強度、疲労強度、または磁石保持力に関する要件を満たせない場合があります。機械設計と磁気設計は、相互に連携して繰り返し検討する必要があります。
最終工程としてレーザーカットされたプロトタイプを承認する
試作品の柔軟性は重要ですが、プレス加工時の歪みや嵌合によって生産結果が変わる可能性があります。材料を確定する前に、相関関係の計画を策定してください。
「同等のグレード」による代替を認める
商用グレードのラベルは、普遍的な性能保証ではありません。管理された同等性マトリックスと再検証のトリガーが必要です。
バラバラのシートを測るが、芯は測らない
組み立てによってコーティングが損傷したり、応力が発生したり、積層係数が変化したりする可能性があります。モーターの性能は、完成した磁気回路に依存します。
シート損失が低いということは、一定の範囲のゲインを意味すると仮定します。
車両のエネルギー効率は、モーターマップ、インバーター、ギア比、熱システム、および走行サイクルによって異なります。一律のパーセンテージではなく、システムシミュレーションと車両検証を実施してください。
電磁鋼板の購入仕様書には何を含めるべきか
適切な見積依頼書（RFQ）を作成することで、サプライヤー間の性能比較が可能になり、購入時の代替品によってモーターが意図せず変更される事態を防ぐことができます。適用される規格とサプライヤーのグレードに関する文書を参照し、用途固有の要件を追加してください。
規格、等級、およびプロセス条件
該当するIEC、ASTM、EN、JISまたはその他の規格、市販グレード、完全加工済みまたは半加工済みの状態、および承認された同等のルートを指定してください。
ゲージ、公差、形状
公称厚さ、公差、幅、スリット端の状態、平面度、波状度、反り、コイル質量、および積載係数の要件。
比較可能なテストポイント
合意された周波数および分極/磁束点における比損失、電界強度における分極または誘導、該当する場合の透磁率、試験方向および測定方法。
強度と成形挙動
降伏強度と引張強度、伸び、必要に応じて硬度、試験方向、ローター使用時の疲労/過速度に関する証拠、および打ち抜き性に関する期待値。
クラスと機能の限界
コーティング等級、表面絶縁試験、コーティング厚さ、耐熱性、溶接性または接着性、腐食性、潤滑剤／洗浄剤との適合性。
証明書と変更管理
検査証明書、コイルのトレーサビリティ、サンプリング頻度、不適合処理、承認済み工場、化学組成／プロセス／コーティングの変更に関する通知、および再認定規則。
生産を代表するサンプル
試作コイルまたはスリットサンプル、磁気クーポン、レーザーカットされた試作積層板、プレス加工されたプロセススタック、および完成したモーターコアの明確な受入計画。
電気自動車の設計者は、どのような場合に別の軟磁性材料を検討すべきでしょうか？
従来の積層型NOESは、性能、拡張性の高いコイル生産、馴染みのあるプレス加工、成熟したモーター構造を兼ね備えているため、多くの牽引プロジェクトで採用されています。一方、3次元磁束、超高周波、軸方向パッケージング、あるいは極めて高い損失といった目標が、異なる製造システムを必要とする場合には、代替案が魅力的な選択肢となります。
| 材料ルート | 潜在的な利点 | 主なトレードオフ | 良いスクリーニング質問 |
|---|---|---|---|
| 軟磁性複合材料（SMC） | 絶縁された鉄粒子は、より立体的な磁束経路と粉末圧縮形状を可能にする。 | 透過率、フラックス密度、機械的挙動、加工性、損失は、密度と加工方法に大きく依存する。 | 3D構造や軸方向流束構造は、材料やプロセスの違いを相殺するのに十分なシステム価値を生み出すだろうか？ |
| アモルファス合金 | 非常に薄いリボンと不規則な構造は、高周波において低損失を実現できる。 | 脆性、リボンの幅、切断、積層係数、接合、およびスケーラブルなモーターコア製造は困難な場合がある。 | 形状と製造工程は、組み立て時に損失によるメリットを損なうことなく、そのメリットを最大限に活用できるだろうか？ |
| 高シリコン特殊シート | 高い抵抗率と、有用な高周波損失特性。 | 延性が低下すると、特殊な製造工程が必要となり、複雑なプレス加工が制限される可能性がある。 | 高頻度で発生する関税は、従来とは異なる供給・成形ルートを採用する正当な理由となるだろうか？ |
| セグメント化されたGOES | 優れた指向性特性は、選択された磁束経路に合わせることができる。 | セグメンテーション、方向制御、ジョイント、ヨークフラックス、およびアセンブリの複雑さ。 | 各重要セクションは、回転方向と正確に位置合わせされ、完成したモーターで検証可能でしょうか？ |
代替材料は設計上の決定事項です。モーター、インバーター、冷却装置、製造、サプライチェーン全体を比較検討する必要があり、実験室での材料損失の数値だけを比較してはいけません。
電磁鋼板は決して単独では機能しない。
スロット、歯、巻線、磁石、ローターブリッジ、エアギャップ、冷却ジャケット、ハウジング、インバータ、および制御戦略によって、磁気的および熱的限界が現れる場所が決まります。材料を変更すると、コア損失は減少する可能性がありますが、飽和、スタック長、スロット面積、またはローター応力が変化する可能性があります。その結果生じる銅およびインバータの変更は、シート自体の変更と同じくらい重要になる場合があります。
- 電磁気、機械、熱、NVHの各モデルをまとめて再実行する。
- 最高効率だけでなく、走行サイクル全体を通して効率を評価する。
- 製造上のばらつきと、最悪の場合の材料特性を含めること。
- 入荷したコイルから試験対象のモーターまでのトレーサビリティを確認してください。
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規格および主要な工学資料
これらの資料は、本書で使用されている材料の分類、測定、および製造に関する原則を裏付けるものです。契約内容および市場環境に応じて、最新版を適用してください。
- IEC 60404-1：磁性材料－分類電磁鋼板を含む磁性材料を分類するための枠組み。
- IEC 60404-10：中周波数における磁気特性測定エプスタインフレームを使用して、400Hzから10kHzまでの電気鋼材測定に対応します。
- ASTM A976：電磁鋼板用絶縁コーティング組成、相対的な絶縁能力、および用途による分類。
- JFE N-CORE製品概要電気自動車用モーターに使用されるNOESの方向性特性、低損失ファミリー、高周波グレードについて説明します。
- JFEテクニカルレポート第31号：電磁鋼板および磁性材料EV NOES、せん断、インターロック、インバータ励磁、モータ評価に関する研究が含まれます。
- JFEセグメントコアGOES運動研究方向性のある電気鋼を意図的に使用した特殊なモーターアーキテクチャを実証する。
- 米国エネルギー省先進電気鋼モーター研究プロジェクト従来の商用周波数を超える周波数で動作するモーター用電磁鋼板に関する研究文書。
電気自動車用モーター向け電磁鋼板
設計者、購買担当者、製造技術者から最もよく寄せられる質問への簡潔な回答。
電磁鋼板とケイ素鋼板は同じものですか？
シリコン鋼は、多くの電磁鋼板が抵抗率を高め、磁気特性を改善するためにシリコンを含んでいることから、一般的に非公式に用いられる名称です。電磁鋼板はより広範かつ正確な用語であり、正確な化学組成、シリコン含有量、組織、製造条件、コーティングは、グレードや用途によって異なります。
電気自動車のモーターに無方向性電磁鋼板がよく使われるのはなぜですか？
回転機械における磁束は、固定子周辺および回転子の局所領域で方向が変化します。NOESは、複数のシート方向において有用な磁気特性を発揮し、すべての歯を特定の圧延方向に合わせる必要なく、従来の円形モータ積層板に打ち込むことができます。
方向性電磁鋼板はモーターに使用できますか？
はい、しかしそれは専門的な設計判断が必要です。分割された炉心、あるいは方向制御された炉心であれば、重要な磁束経路を炉心回転方向と整合させることができます。従来の一体型円形炉心では通常、GOESを均一に利用できないため、NOESが実用的な基準となります。
モーターのコアはなぜ単層ではなく積層構造になっているのですか？
変化する磁場は、導電性鋼材に渦電流を発生させる。薄い鋼板の間に絶縁材を挟むことで、渦電流のループ面積を制限し、層間の抵抗を高めることで、渦電流損失を低減する。絶縁材は、切断および組み立て後も有効性を維持しなければならない。
電気自動車用モーターの積層板は、どのくらいの薄さにすべきでしょうか？
厚さに普遍的な基準はありません。一般的に、電気周波数が高いほど薄いシートの方が有利になりますが、積層板を薄くすると、枚数、コーティング面積、工具の要求、組み立ての複雑さが増加します。関連する動作点において、損失、分極、強度、積層係数、製造性、およびモーターの総コストを比較してください。
電気自動車のモーターの電気周波数はどのように計算されるのですか？
基本周波数を求めるには、回転速度（rpm）に極対数を掛け、60で割ります。例えば、回転速度18,000rpm、極対数4のモータの基本周波数は1,200Hzです。PWMインバータ励磁では、この値を超える高調波成分が加わります。
シリコンの量が多いほど、必ずしも電磁鋼板の性能が向上するとは限らない。
いいえ。シリコン含有量を増やすと抵抗率が増加し、高周波損失特性が改善される場合もありますが、延性が低下し、圧延やプレス加工が難しくなる可能性があります。最適な組成は、磁気特性、機械的特性、および製造上の要件によって異なります。
コア損失とは何ですか？
コア損失とは、磁束の変化時に熱として消費される磁気エネルギーのことです。これには、ヒステリシス損失、渦電流損失、およびその他の動的成分が含まれます。報告値は、周波数、分極または磁束密度、波形、試験方法、温度、および試験片の状態と関連付ける必要があります。
インバータの高調波が重要な理由とは？
電気自動車のモーターは、完全な正弦波ではなく、パルス状のインバータ電圧によって駆動されます。高調波磁束成分は高周波損失を増加させ、発熱を再分配する可能性があります。したがって、材料評価は、50Hzまたは60Hzの正弦波データシートの単一の点だけにとどまらず、より広範囲に及ぶ必要があります。
電磁鋼板の積層材にレーザー切断は適していますか？
レーザー切断は試作品や少量生産に広く利用されていますが、熱による切断面の状態はプレス加工とは異なります。切断幅、熱影響部、コーティング状態、平面度、および組み立てコアの損失を評価し、性能に関する主張を確定する前に、試作品の加工方法と量産プレス加工との相関関係を確認してください。
モーターの積層板は溶接できますか？
溶接は可能ですが、熱、応力、および板材間の導電性ブリッジが発生します。溶接位置、長さ、溶け込み深さ、および歪みは最小限に抑え、磁気損失、寸法安定性、機械的強度、およびNVH要件に対して検証する必要があります。
ラミネートコーティングはどのような働きをするのですか？
シート間の電気絶縁を提供するだけでなく、打ち抜き性、溶接性、接着性、耐熱性、腐食挙動、積層係数にも影響を与えます。実際の製造工程で必要となるコーティングクラスと機能試験を指定してください。
軟磁性複合材料と非晶質合金では、どちらが優れているのでしょうか？
これらは特定のアーキテクチャや周波数範囲において優れている場合があるが、どちらも万能な代替品ではない。SMCは三次元の磁束経路を可能にし、アモルファスリボンは高周波損失を低減できる。両者とも、密度、透磁率、成形、切断、接合、積層、供給といった点で異なる制約がある。
2つの電磁鋼板サプライヤーをどのように比較すべきでしょうか？
同一の規格、試料方向、周波数、磁束または分極、波形、および試験方法を使用してください。その後、ゲージ許容差、分極、機械的特性、コーティング、積層係数、切断感度、証明書、および組み立て済みコアの試験結果を比較してください。市販のグレード名だけでは同等性の証明にはなりません。
モーターの用途に合わせて電磁鋼板の種類を指定してください。一般的なグレード表示は使用しないでください。
EVモーターは、変化する磁束を制御された損失で伝送するために電磁鋼板を必要とします。薄型NOESは、多方向磁束とスケーラブルな積層製造に対応しているため、従来のトラクションモーター始動用鋼材として広く採用されています。最終的な決定においては、関連周波数における損失、磁極、ローター強度、ゲージ、コーティング、積層係数、切断損傷、組み立て、供給管理といった要素のバランスを考慮する必要があります。サプライヤーの仕様書データが比較の出発点となり、完成したインバータ駆動モーターがその比較を締めくくります。