JP2005069933A

JP2005069933A - 磁気測定装置及び方法

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Publication number: JP2005069933A
Application number: JP2003301410A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Fujisaki; 敬介藤崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP4402921B2

Abstract

【課題】各種磁性材料についての応力を考慮した二次元磁気特性を測定可能とする。
【解決手段】長板形状とされた試料１がｘ方向に配置固定されるとともに、その試料１の両側にｙ方向に互いに対極する一対の励磁用継鉄２が配置固定され、試料１の両端及び各励磁用継鉄２には励磁コイル３が巻き付けられる。試料１の中央部領域には穴が形成され、ホルマール線を各方向に試料に応じて数ターン直交するように巻いたＢコイルが設けられる。また、試料１の上方には、ベークライトにホルマール線を使用し、Ｈｙコイル上に直交してＨｘコイルを巻いたＨコイル５が配置される。試料１の長手方向の一端には、試料１に対して任意の引張荷重及び圧縮荷重を選択的に付与することのできる外力付与手段６が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性材料の磁気特性、より詳細には二次元磁気特性を測定するのに好適な磁気測定装置及び方法に関する。

電気機器の低損失化、高効率化の一手段として電気機器鉄心中の鉄損の軽減が挙げられるが、その一つのアプローチとして、磁性材料の磁気特性を正確に把握し、それをどのような形状で使用するかという構造上の改良が考えられる。

磁性材料の磁気特性を正確に把握するという点において、これまでは一方向励磁による一次元測定であったことから、その特性が正確に把握されていたとはいい難い。すなわち、単板試験法、エプスタイン試験法等による軸特性の測定法は一方向励磁による一次元測定であり、本来ベクトル量であるはずの磁束密度Ｂと磁界強度Ｈの関係を無視し測定方向（磁化容易軸方向）への写像量をスカラー値として測定していたに過ぎない。

しかしながら、異方性を有する磁性材料に磁化容易軸方向に対して傾きをもって磁界を印加した場合や、回転磁界下においては、磁束密度と磁界強度ベクトルの間に方向の差が生じる。この磁気特性を正確に把握するために、両者の関係をベクトル量として直接測定しようという試みから、近年では、交番及び回転等の様々な磁束条件下において磁性材料中の磁気特性を測定可能な二次元磁気測定装置が提案されている。この測定法で得られた磁気特性は二次元磁気特性と称され、試料全体の磁界強度と磁束密度をベクトル量として把握することができるので、材料の絶対的評価法として位置付けられている。

図８を参照して、現在提案されている二次元磁気測定装置の概要を説明する。図８（ａ）に示すように、ｘ方向に対極する一対の励磁用継鉄１０１ｘと、ｙ方向に対極する一対の励磁用継鉄１０１ｙとが配置固定され、各励磁用継鉄１０１ｘ、１０１ｙがヨーク１０２により磁気的に結合する。各励磁用継鉄１０１ｘ、１０１ｙには励磁コイル１０３が巻き付けられる。

励磁用継鉄１０１ｘ、１０１ｙに囲まれる位置には試料１０４が置かれる。試料１０４内に磁束を集中させるために、図８（ｂ）に示すように、各励磁用継鉄１０１ｘ、１０１ｙの先端両面が４５度に傾斜するよう加工される。また、試料１０４内の磁束を均一にするために、試料１０４と各励磁用継鉄１０１ｘ、１０１ｙとの間にエアギャップ１０５が形成される。

試料１０４の中央部領域には穴が形成され、ホルマール線を各方向に試料に応じて数ターン直交するように巻いたＢコイル１０６が設けられる。また、試料１０４の上方には、ベークライトにホルマール線を使用し、Ｈｙコイル上に直交してＨｘコイルを巻いたＨコイル１０７が配置される。

図９に示すように交番磁束、回転磁束を定義する。交番磁束においては最大磁束密度Ｂ_maxと磁化容易軸からの傾き角φによって、回転磁束においては軸比α（短軸／長軸）と最大磁束密度Ｂ_maxそして長軸の磁化容易軸からの傾き角φによって表現される。

榎園正人：「二次元磁気特性」、電学論Ａ１１５巻、１号、（１９９５）

しかしながら、磁性材料を電気機器等に加工して使用する場合、その製造過程で切断、かしめ、据付により応力が印加され、残留応力や歪みの影響によって磁性材料の磁気特性が変化してしまう。そのため、応力を考慮した二次元磁気特性の測定技術が要求されている。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、各種磁性材料についての応力を考慮した二次元磁気特性を測定可能とすることを目的とする。

本発明の磁気測定装置は、ｘ方向及びｙ方向のうち任意に選択される方向から試料内に磁束が貫くようにして、該試料の磁気特性を測定する磁気測定装置であって、上記試料に対して所望の外力を付与することのできる外力付与手段を備えた点に特徴を有する。

また、本発明の磁気測定装置の他の特徴とするところは、長板形状とされた試料がｘ方向に配置固定されるとともに、上記試料の両側にｙ方向に互いに対極する一対の励磁用継鉄が配置固定され、上記試料の両端及び上記各励磁用継鉄に励磁コイルが巻き付けられている点にある。さらに、上記外力付与手段は、上記試料の長手方向の一端或いは両端に任意の引張荷重或いは圧縮荷重を付与するものである点にある。さらにまた、上記外力付与手段は、上記試料の端面全体に荷重を均一に作用させる点にある。

本発明の磁気測定装置の他の特徴とするところは、上記試料を挟んでｘ方向に対極する一対の励磁用継鉄と、上記試料を挟んでｙ方向に対極する一対の励磁用継鉄とが配置固定され、上記各励磁用継鉄に励磁コイルが巻き付けられている点にある。また、上記試料のｘ方向或いはｙ方向の両端が略垂直下方或いは略垂直上方に曲げ加工されており、上記外力付与手段は、上記曲げ加工された両端或いは一端に任意の引張荷重を付与するものである点にある。

本発明の磁気測定方法は、ｘ方向及びｙ方向のうち任意に選択される方向から試料内に磁束が貫くようにして、該試料の磁気特性を測定する磁気測定方法であって、上記試料に対して所望の外力を付与する手順を有する点に特徴を有する。

本発明によれば、試料に対して所望の外力を付与することができるので、応力を考慮した二次元磁気特性を測定することができ、各種磁性材料について、残留応力や歪みの影響によって変化する磁気特性を評価等することが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明による磁気測定装置の好適な実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１〜６を参照して、第１の実施形態の磁気測定装置を説明する。長板形状とされた試料１がｘ方向に配置固定されるとともに、その試料１の両側にｙ方向に互いに対極する一対の励磁用継鉄２が配置固定され、試料１の両端及び各励磁用継鉄２には励磁コイル３が巻き付けられる。試料１は、例えば図５に示すように試材１０から切り出すようにして製作され、磁化容易軸からの傾き角θ_Bσをパラメータの一つとする。

試料１と励磁用継鉄２とはヨーク４により磁気的に結合する。なお、試料１内に磁束を集中させるために励磁用継鉄２の先端両面が４５度に傾斜するよう加工され、また、試料１内の磁束を均一にするために試料１と励磁用継鉄２との間にエアギャップが形成されることは上述した通りである。

また、具体的には図示しないが、試料１の中央部領域には穴が形成され、ホルマール線を各方向に試料に応じて数ターン直交するように巻いたＢコイルが設けられる。また、試料１の上方には、アクリル又は水晶板にホルマール線を使用し、Ｈｙコイル上に直交してＨｘコイルを巻いたＨコイル５が配置される（図４を参照）。

ここで、図３（ａ）に示すように、試料１の長手方向の一端には、試料１に対して任意の引張荷重及び圧縮荷重を選択的に付与することのできる外力付与手段６が設けられる。外力付与手段６の具体的な構成は限定されないが、試料１の端面全体に荷重を均一に作用させるようにする。また、図示例では、外力付与手段６が試料１の一端側にのみ存在するが、両端側に存在していてもよい。また、試料１は、図２に示すように積層してもよいし、印加力を小さくできる１枚の板としてもかまわない。

また、図３（ｂ）に示すように、試料１上には、三軸歪みゲージ７が配置される。同図に示すように、三軸歪みゲージ７は、試料１の中央に向かうようにして６０度位相をずらして配置された第１〜３の歪みゲージ７ａ〜７ｃにより構成され、中央の第１の歪みゲージが試料１の短手方向に沿って配置される。この三軸歪みゲージ７により測定される応力σをパラメータの一つとする。

測定システムとしては、図６に示すように、ここまで説明した磁気測定装置と制御装置５０とを用いて、波形制御、波形処理、磁束密度Ｂ及び磁界強度Ｈの計算までソフトプログラミングで行われる。

一般に磁気特性測定は正弦波磁束条件下で行われる。つまり、出力で任意の磁束密度が正弦波となるように印加磁界を波形制御して行われる。これにより、磁束密度Ｂと磁界強度Ｈとの関係が一意的に定まることになる。測定方法は、まず任意の磁束密度条件を作り出すためのパラメータ（磁束密度Ｂ_max、傾き角φ、軸比α、周波数等）を入力し、設定波形と誘起磁束電圧波形の差分を励磁波形に加えることを波形制御が終了するまで繰り返し行う。波形制御が終了した後に磁束密度Ｂと磁界強度Ｈを測定する。また、１周期を５１２分割して波形近似している。

また、データロガー５１にて時間経過に伴って変化する磁束密度Ｂと磁界強度Ｈを、パラメータ（応力σ及び磁化容易軸からの傾き角θ_Bσ、磁束密度Ｂ_max、傾き角φ、軸比α、周波数等）とともに記録していく。

以上述べた第１の実施形態の磁気測定装置によれば、外力付与手段６により、試料１に対して任意の引張荷重及び圧縮荷重を付与しながら磁気特性を測定することができるので、応力を考慮した二次元磁気特性を測定することができ、各種磁性材料について、残留応力や歪みの影響によって変化する磁気特性を評価等することが可能になる。

（第２の実施形態）
図７を参照して、第２の実施形態の磁気測定装置を説明する。ｘ方向に対極する一対の励磁用継鉄１１ｘと、ｙ方向に対極する一対の励磁用継鉄１１ｙとが配置固定され、各励磁用継鉄１１ｘ、１１ｙが図示しないヨークにより磁気的に結合する。各励磁用継鉄１１ｘ、１１ｙには励磁コイル１３が巻き付けられる。

励磁用継鉄１１ｘ、１１ｙに囲まれる位置には試料１４が置かれる。なお、試料１４内に磁束を集中させるために励磁用継鉄１１ｘ、１１ｙの先端両面が４５度に傾斜するよう加工され、また、試料１４内の磁束を均一にするために試料１４と励磁用継鉄１１ｘ、１１ｙとの間にエアギャップが形成されることは上述した通りである。

また、具体的には図示しないが、試料１４の中央部領域には穴が形成され、ホルマール線を各方向に試料に応じて数ターン直交するように巻いたＢコイルが設けられる。また、試料１４の上方には、ベークライトにホルマール線を使用し、Ｈｙコイル上に直交してＨｘコイルを巻いたＨコイル１５が配置される（図４を参照）。

ここで、図７（ｂ）に示すように、試料１４の両端（図示例ではｘ方向の両端）が略垂直下方に垂れ下げるように曲げ加工されており、その両端には、試料１４に対して任意の引張荷重を付与することのできる外力付与手段１６が設けられる。また、支持部材１７が配設されており、引張荷重を付与する際に試料１４が動かないように支持する。なお、試料１４の両端が略垂直上方に曲げ加工されていてもよく、また、外力付与手段１６が試料１４の一端側にのみ存在していてもよい。

また、第１の実施形態でも述べたように、試料１４上には、三軸歪みゲージ７が配置される。図３に示すように、三軸歪みゲージ７は、試料１の中央に向かうようにして６０度位相をずらして配置された第１〜３の歪みゲージ７ａ〜７ｃにより構成され、中央の第１の歪みゲージが試料１の短手方向に沿って配置される。この三軸歪みゲージ７により測定される応力σをパラメータの一つとする。

以上述べた第２の実施形態の磁気測定装置によれば、外力付与手段１６により、試料１に対して任意の引張荷重を付与しながら磁気特性を測定することができるので、応力を考慮した二次元磁気特性を測定することができ、各種磁性材料について、残留応力や歪みの影響によって変化する磁気特性を評価等することが可能になる。

なお、上記実施の形態において示した各部の形状及び構造は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその精神、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

第１の実施形態の磁気測定装置の概要を示す平面図である。第１の実施形態の磁気測定装置の概要を示す斜視図である。第１の実施形態の磁気測定装置の概要を示す側面図及び三軸歪みゲージを示す図である。Ｈコイルを示す斜視図である。試料の製作について説明するための図である。制御装置５０まわりの構成を説明するための図である。第２の実施形態の磁気測定装置の概要を示す斜視図及び側面図である。従来の二次元磁気測定装置の概要を説明する図である。交番磁束、回転磁束について説明するための図である。

符号の説明

１、１４試料
２、１１ｘ、１１ｙ励磁用継鉄
３、１３励磁コイル
４ヨーク
５、１５Ｈコイル
６、１６外力付与手段
７三軸歪みゲージ

Claims

ｘ方向及びｙ方向のうち任意に選択される方向から試料内に磁束が貫くようにして、該試料の磁気特性を測定する磁気測定装置であって、
上記試料に対して所望の外力を付与することのできる外力付与手段を備えたことを特徴とする磁気測定装置。
長板形状とされた試料がｘ方向に配置固定されるとともに、上記試料の両側にｙ方向に互いに対極する一対の励磁用継鉄が配置固定され、上記試料の両端及び上記各励磁用継鉄に励磁コイルが巻き付けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気測定装置。
上記外力付与手段は、上記試料の長手方向の一端或いは両端に任意の引張荷重或いは圧縮荷重を付与するものであることを特徴とする請求項２に記載の磁気測定装置。
上記外力付与手段は、上記試料の端面全体に荷重を均一に作用させることを特徴とする請求項３に記載の磁気測定装置。
上記試料を挟んでｘ方向に対極する一対の励磁用継鉄と、上記試料を挟んでｙ方向に対極する一対の励磁用継鉄とが配置固定され、上記各励磁用継鉄に励磁コイルが巻き付けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気測定装置。
上記試料のｘ方向或いはｙ方向の両端が略垂直下方或いは略垂直上方に曲げ加工されており、上記外力付与手段は、上記曲げ加工された両端或いは一端に任意の引張荷重を付与するものであることを特徴とする請求項５に記載の磁気測定装置。
ｘ方向及びｙ方向のうち任意に選択される方向から試料内に磁束が貫くようにして、該試料の磁気特性を測定する磁気測定方法であって、
上記試料に対して所望の外力を付与する手順を有することを特徴とする磁気測定方法。