どんなモーターを分解しても、薄い鉄片が何枚も重ねて積まれているのを見ることでしょう。多くの人の第一印象は次のとおりです：

「なぜ鉄の塊を一つ使わないの？その方が丈夫でシンプルじゃない？」

この質問はとても適切です。直感的に考えると、鉄の塊そのものには確かに多くの利点があります：

· 機械的強度が高い： 緩むことなく、層状に分離することもない。

· 加工が簡単： 切断、重ね合わせ、絶縁の必要はありません。

· コストがより低い： 複雑な工程を省く

しかし、エンジニアたちは依然として鉄心を0.10～0.50mmの薄いシートに切り分け、一枚一枚重ね合わせる方法を堅持しています。このプロセスは複雑で、コストも高くなります。

なぜですか？

なぜなら、鉄の塊をそのまま使えば、モーターに致命的な欠陥が生じるからです—— 渦電流損失により、モーターの効率は20％～40％急激に低下します。

さらに悪いことに、モーターは起動後数分で焼き切れてしまう可能性があります。

今日は、私たちがまず～ 物理の原理 話を始めて、この問題をはっきりと説明しましょう。

01質問：鉄の塊全体に存在する致命的な欠陥

なぜ鉄の塊をそのまま使えないのかを理解するには、まず一つの物理現象を理解する必要があります。 渦流。

1 うず電流とは何ですか？

川の渦を想像してみてください。水流が障害物にぶつかると、その背後に回転する渦ができます。

電磁気学における「渦電流」も同様の理屈です。

当 交番磁場 導電材料（例えば鉄）を通過する際、材料内部に環状の誘導電流が生じます。これらの電流は渦のように材料内で循環して流れることから、こう呼ばれます。 渦流 。

これはファラデーの電磁誘導法則の必然的な結果です：磁場の変化 → 電界の発生 → 電子の運動を引き起こす → 誘導電流を形成する。

2つの渦の問題はどこにあるのでしょうか？

渦流自体は問題ではありません。問題は次のとおりです： 渦流は発熱します。

電熱線に電流を流すと発熱するのと同じように、渦電流が鉄の中を流れると、抵抗によって熱が発生します。この熱は完全に無駄なもので、電気エネルギーから生まれたにもかかわらず、何ら有用な仕事をせず、ただ無駄に熱を発するだけです。

これはです。 渦電流損失。

3 一枚の鉄：渦電流の楽園

さて、ここで「一枚の鉄」の問題に戻りましょう。

一枚の鉄塊の中では、渦電流が自由に形成される。 大きなループ。 渦流を大きな「ランウェイ」に例えてみると、電子はその中を思い切り進んでいくことができます。

ループが長くなるほど、電流は大きくなり、発熱も増えます。

さらに悪いことに、 渦電流損失は、材料の厚さの2乗に比例します。 公式は：

P ∝ d² （P＝損失電力、d＝厚さ）

これは、鉄心の厚さを2倍にすると、渦電流損失が4倍になることを意味します！

4　渦電流損失の完全な計算式

渦電流損失をより正確に理解したい場合は、計算式の全文をご覧ください。

Pe = K × f² × Bm² × d² × V / ρ

公式の各項はすべて一つの物語を語っています。

· ペ： 渦電流損失電力（W）——私たちが低減を目指す目標

· f： 磁場変化周波数（Hz）——周波数の二乗！周波数が高くなるほど、損失は急速に増加します。

· Bm： 最大磁束密度（T）——磁場が強くなるほど、渦電流は激しくなります。

· d： 材料の厚さ（m）——厚さの二乗！これが薄く切る理由です。

· V： 材料の体積（m³）——体積が大きいほど、渦流の経路が多くなります。

· ρ： 材料の電気抵抗率（Ω·m）——電気抵抗率が大きいほど、渦電流は抑制されます。

· K： 係数（材料の形状および単位系に依存）

この式は私たちに何を教えてくれるのでしょうか？

式から直接、珪鋼板の設計ロジックを読み取ることができます。

・厚さdは分子に含まれており、しかも2乗の関係にあるため、以下が成り立ちます：厚さを半分にすると損失は元の1/4に減少します。例えば、50mmの鉄の塊を0.5mmの薄片に切断した場合、理論上損失は元の10,000分の1にまで低下します。

・抵抗率ρが分母にあるということは、以下を意味します：抵抗率が大きいほど損失が小さくなる——これがシリコン元素を添加する理由です。つまり、抵抗率ρを高めることで、根本的に渦電流を抑制するのです。

・周波数fも平方関係にあります。つまり、周波数が2倍になると損失は4倍になります。これが、高周波モーターにはより薄い珪鋼板を使用しなければならない理由です。

公式からエンジニアリングの意思決定へ

この式があれば、エンジニアは正確なトレードオフを実現できます。

・50Hzの商用周波数モーターの場合：fが小さいため、厚さ0.50mmでコストを抑えることができます。

・400Hzインバータモーターの場合：fが8倍になると、f²は64倍になるため、より薄い0.35mmまたは0.2mmの材料を使用する必要があります。

・高速モーター（>1000Hz）の場合：f²が400倍を超えるため、損失を抑えるには0.10mmの超薄シートを使用する必要があります。

公式の背後にある物理

この公式は突然生まれたのではなく、以下に由来します：

・ファラデーの電磁誘導法則：磁場の変化により誘導起電力が生じる

・オームの法則：起電力が電流を駆動し、抵抗が大きいほど電流は小さくなります。

・ジュールの法則：電流が抵抗を流れる際に熱を発生する

基礎物理学から出発し、導出を経て、この正確な損失公式が得られました。

実際のデータによると：

・変圧器において、渦電流損失は総損失の10％～30％を占めます。

・高周波モーターでは、この割合はさらに高くなります。

鉄の塊をそのまま使用すると、モーターの効率が20％～40％急激に低下し、ほとんどの電力が熱として無駄になってしまいます。

02

解決策：シリコン鋼板の二重のブレークスルー

鉄の塊ではうまくいかないため、エンジニアたちは工夫を凝らした方法を考え出しました。それが、シリコン鋼板です。

この方案は、二つの方向から同時に渦流の問題を解決します。

1番目の方法：薄切りにし、物理的に渦流を遮断する

想像してみてください。大きな鉄の塊をたくさんの薄い板に切り分けると、渦電流は以前のように妨げられることなく流れ続けることができるでしょうか？

もう無理です。

薄い珪鋼片はどれも厚さがわずか0.10～0.50mm（紙一枚より少し厚い）で、渦電流はこれにしか流れません。 単一の薄片 内部に小さな環状ループが形成され、シート間の隙間を越えられません。

さらに素晴らしいのは、各シートの間に絶縁塗料を塗り、渦電流の「シート間の経路」を完全に遮断することです。

こうなると、もともと鉄の塊全体に「勢いよく突き進む」ことができた大渦流は、無数の小さな渦流に分割され、それぞれが薄い層に閉じ込められるようになります。

あの公式を覚えていますか？P ∝ d²

厚さを（例えば）50mmから0.5mmに下げた場合、損失は(50/0.5)² = 10,000倍に減少します！

もちろん、実際には50mmの塊を薄くスライスするだけというわけにはいきませんが、原理は同じです。 厚さが薄いほど、渦流の経路が短くなり、損失が小さくなります。

2つ目のコツ：シリコンを添加し、抵抗率を向上させる

しかし、薄片を切るだけでは十分ではありません。もう一つの重要なポイントがあります。それは、材料自体の抵抗率です。

純鉄の電気抵抗率は非常に低いため、渦電流が容易に発生します。では、鉄の電気抵抗率を少し高くして、渦電流を抑制することはできないでしょうか？

できる。答えはシリコンを加えることだ。

シリコン元素を鉄に添加すると、材料の電気抵抗率が著しく上昇します。シリコン原子が鉄の結晶格子に入り込むことで、電子の運動に対する抵抗が増加し、まるで「渦流トラック」に無数のスロープが設置されたかのようです。

抵抗率が高くなるほど、渦電流は発生しにくくなり、損失も小さくなります。

シリコン含有量が性能に与える影響：

・低ケイ素鋼（Si 0.8%～2%）：抵抗率が適度でコストが低く、一般的なモーターに適しています。

・中シリコン鋼（2％～3.5％ Si）：抵抗率が高く、損失がより少ないため、最も広く使用されています。

・高シリコン鋼（Si含量3.5％以上）：電気抵抗率が非常に高く、損失が極めて低いですが、加工が難しくコストも高いです。

工業界で最も一般的に使用されているのは、シリコン含有量が約3％の珪鋼板であり、性能とコストの間で最適なバランスを実現しています。

3 厚さの選択：工学の芸術

あなたはこう尋ねるかもしれません：薄いシートの損失がより少ないのなら、なぜ極限まで薄くしないのかと。

なぜなら、工事とは決して極致を追求するものではなく、むしろバランスを追求するものだからです。

厚さが薄くなるほど、渦電流損失は小さくなるが、しかし：

・製造コストが高くなる（切断、コーティング、積層がより複雑になる）

・機械的強度が弱い（薄すぎると変形しやすい）

・枚数が多いほど（より多くのスペースを占める）

・絶縁層の割合が大きくなるほど（有効磁導率が低下する）

工業で一般的に用いられる厚さ：

・0.50mm：一般的な産業用モーター、低コスト

・0.35mm：高効率モーター、損失が20%低減

・0.20mm：高周波モーター（例えばインバータモーター）では、損失がより低くなります。

・0.10mm：超高周波用途、コスト高

これが工学の知恵です：最も薄くすることではなく、性能、コスト、プロセスの間で最適なバランスを見出すことです。

03 効果の比較：データが語る

では、シリコン鋼板は実際にどのくらいの効果があるのでしょうか？データでご説明します。

1. 硅鋼板の厚さが空載損失に及ぼす影響の比較

注：無負荷損失の相対値は、商用周波数50Hz、定格磁束密度1.5Tを基準としており、データは参考情報です。

この表がすべてを説明しています： シリコン鋼板により損失が60％～90％低減し、無駄になった電力を有用な仕事に変換します。

2 実際の事例： 磁気浮上高速モーター

高周波で 1000Hz、1.5T 定格作業磁束密度の条件下で、直径450mm、高さ300mmの鉄心を年間365日連続運転（8760時間）した場合、空載損失は鉄心の鉄損のみとなります（機械損・銅損の影響はありません）。

注：市場各社の材料データは異なるため、本データは参考情報としてご活用ください。

0.2mmの非指向性シリコン鋼は、一枚ものの純鉄コアと比較すると、 年間約60万元の節約が可能です。 これはまだ1台の磁気浮上モーターにすぎませんが、世界中には何千台もの磁気浮上モーターがあり、それらが節約する電力と費用は驚くべきものです！

3 なぜ異なるモーターで異なる厚さを使用するのですか？

あなたは気づいているかもしれませんが、異なるアプリケーションで使用される珪鋼板の厚さは異なります。その理由は：

渦電流損失は周波数の二乗に比例する：P ∝ f²

・商用周波数モーター（50Hz）：周波数が低く、渦電流が小さいため、0.50mmで十分です。

・インバータモーター（200～400Hz）：周波数が高く、渦電流が大きいため、0.35mm乃至は0.20mmが必要です。

・高速モーター（>1000Hz）：周波数が非常に高く、0.10mmの超薄シートを使用する必要があります。

周波数が高くなるほど、薄片の需要はますます急増します。

04まとめ

記事の冒頭の質問に戻ります： なぜ鉄の塊を一つ使わないの？

現在、答えはすでに明らかです：

鉄の塊全体では大きな渦電流損失が生じるため、モーターの効率が20％～40％急激に低下し、ほとんどの電気エネルギーが無駄な熱に変わってしまいます。

そして、珪鋼板の設計は、エンジニアたちが物理法則を巧みに応用したものである。

・薄切りにする→渦流の経路を物理的に遮断する→P ∝ d²の関係を利用することで、損失を数千倍低減する

・シリコン元素を添加→ 電気抵抗率を向上→ うず電流の発生を抑制

・適切な厚さを選択する→ 性能、コスト、プロセスのバランスを取る→ 最も薄いものではなく、最適なものを選ぶ

一見シンプルに見える「薄い鉄片の束」には、実は深い物理的原理と工芸の知恵が詰まっています。

19世紀の一枚ものの鉄心から、20世紀初頭のシリコン鋼板の発明を経て、今日の超薄型高シリコン鋼に至るまで、そのたびごとの進歩は、人類が自然の法則をより深く理解し、それを応用してきたことを示しています。

モーター内の薄いシリコン鋼板の鉄心、 エンジニアが「余計なことをしている」のではなく、物理世界に避けられない渦流損失に対抗するため、最も賢明な方法を用いているのです。

上記の記事はモーターコアの研究者、著者である張麗旬によるものです。