JFEスーパーコア 15JNSF/10JNRF/10JNEX900/10JNHF600

6.5%Si鋼は、3%Si鋼の2倍近い抵抗率を持ち、渦電流損失が小さいため発熱が少ないため、高周波用途の優れたコア材料です。一方、3%Si鋼は、非磁性元素であるSiの含有量が少ないため、6.5%Si鋼と比較して飽和磁束密度が高いという利点があります。

従来の技術では、3%Si鋼とほぼ同等の高飽和磁束密度と、6.5%Si鋼と同レベルの高周波低鉄損を両立させることができませんでした。そこでJFEスチールは、高周波で高い飽和磁束密度と低鉄損を両立する新材料「Gradient Si Super CoreTM JNSF」を開発しました1, 2)。

図1 直流磁化曲線

図1に、開発した鋼板15JNSF950(厚さ:0.15mm)と6.5%Si鋼板10JNEX900(厚さ:0.1mm)の直流磁化曲線を示します。15JNSF950は板厚中心のSi濃度が低いため、飽和磁束密度は3%Si鋼とほぼ同等の高い値(約2.0T)を示します。

図2 材料の鉄損

図2は、15JNSF950と10JNEX900の鉄損と6.5%Si鋼の圧粉磁心を示しています。圧粉磁心は、純鉄粉またはSi鋼粉をバインダーで成形して製造されるが、本研究では、圧粉磁心の中でも優れた性能を示す6.5%Si-Fe粉末の圧粉磁心を比較材料とした。周波数50Hzの磁気励起条件で比較すると、15JNSF950の鉄損は10JNEX900よりも大きいが、圧粉磁心と比べるとかなり小さい。一方、10kHzでは15JNSF950と10JNEX900の鉄損差が小さくなり、20kHzでは材料厚が厚いほど15JNSF950の鉄損が最も小さくなります。これは、板厚方向のSi濃度勾配が急峻なため渦電流損失が減少し、渦電流損失が鉄損の制御因子となる高周波励磁ではこの効果が顕著になるためです1)。

つまり、15JNSF950は、Si鋼3%とほぼ同等の高飽和磁束密度と、Si6.5%鋼と同レベルの高周波での低鉄損を両立する材料です。

エアコンや太陽光発電システムのパワーコンディショナ、ハイブリッド車(HEV)の車載電源などに使用される高周波リアクトルでは、数キロヘルツから数十キロヘルツの高周波を電流で流します。そのため、反応器内での発熱を回避するため、芯材には高周波での低鉄損が求められる。また、電流が増加し、コア材の磁束密度が飽和に近づくと、リアクトルのインダクタンスが急激に低下し、電気機器が損傷する危険性があります。このため、コア材にも高い飽和磁束密度が要求されており、飽和磁束密度が高く、高周波で低鉄損を示すJNSF950は、この種の用途に適しており、反応器の小型化・高効率化に有利な材料である。

図3 試験リアクトルの直流バイアス特性

同型のリアクトルは、10JNEX900と15JNSF950を使用して製造されており、図3に直流バイアス特性を示します。全体として、15JNSF950はより高いインダクタンスを示していることがわかります。15JNSF950は飽和磁束密度が高いため、大電流領域でのインダクタンスの低下は緩やかです。一部のリアクトルは、定格値よりも高い電流領域で高いインダクタンスを必要とします。15JNSF950は、このような用途に適していると考えられています。15JNSF950は、工業周波数での鉄損が圧粉磁心(6.5%Si)に比べて極めて小さいため、図2に示すように、商用交流を高周波に重畳する交流リアクトルの鉄損としても適していると考えられます。

JFEスチールが開発した15JNSF950は、Si鋼3%とほぼ同等の高飽和磁束密度と、Si6.5%鋼と同等の高周波低鉄損を両立する材料です。15JNSF950は、高周波リアクトルなどのコア材での使用に適しています。今後は、高周波化が進むパワーエレクトロニクス分野での応用も期待されています。