JP2011220692A - 2次元磁気特性測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】板状の磁性材料の面内2次元方向における代表的な磁気特性を従来よりも容易に且つ確実に得ることができるようにする。
【解決手段】複数枚の方向性電磁鋼板を、RD方向(又はTD方向)が同じになるように積層させたものを試料200として用いる。そして、試料200の厚み方向の上端の位置が励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の上端の位置を下回り、且つ、試料200の厚み方向の下端の位置が励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の下端の位置を上回るように試料200を配置する。
【選択図】図3
【解決手段】複数枚の方向性電磁鋼板を、RD方向(又はTD方向)が同じになるように積層させたものを試料200として用いる。そして、試料200の厚み方向の上端の位置が励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の上端の位置を下回り、且つ、試料200の厚み方向の下端の位置が励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の下端の位置を上回るように試料200を配置する。
【選択図】図3
Description
本発明は、2次元磁気特性測定装置に関し、特に、方向性電磁鋼板等の板状の磁性材料の面内2次元方向における磁気特性を測定するために用いて好適なものである。
従来から、2次元磁気特性測定装置を用いて、板状の磁性材料の面内2次元方向における磁気特性のデータを得るようにする技術が提案されている(特許文献1、非特許文献1〜2を参照)。
かかる2次元磁気特性測定装置は、板状の磁性材料を介して、前記面内2次元方向の一方向であるX軸方向において相互に対向する位置に配設された励磁用継鉄と、この励磁用継鉄に巻き回され、板状の磁性材料のX軸方向を励磁する励磁コイルと、板状の磁性材料を介して、前記面内2次元方向の一方向であって、前記X軸方向と直交する方向であるY軸方向において相互に対向する位置に配設された励磁用継鉄と、この励磁用継鉄に巻き回され、板状の磁性材料のY軸方向を励磁する励磁コイルとを備えている。
かかる2次元磁気特性測定装置は、板状の磁性材料を介して、前記面内2次元方向の一方向であるX軸方向において相互に対向する位置に配設された励磁用継鉄と、この励磁用継鉄に巻き回され、板状の磁性材料のX軸方向を励磁する励磁コイルと、板状の磁性材料を介して、前記面内2次元方向の一方向であって、前記X軸方向と直交する方向であるY軸方向において相互に対向する位置に配設された励磁用継鉄と、この励磁用継鉄に巻き回され、板状の磁性材料のY軸方向を励磁する励磁コイルとを備えている。
このような構成の2次元磁気特性測定装置の前記励磁コイルに電力を供給して板状の磁性材料を励磁させ、X軸方向及びY軸方向のそれぞれにおいて、磁束密度及び磁界を測定する。このとき、板状の磁性材料に形成された穴を通してY軸方向に巻き回されたBxコイルと、同じく板状の磁性材料に形成された穴を通してX軸方向に巻き回されたByコイルとで磁束密度を測定する。また、板状の磁性体の上方又は下方でY軸方向に巻き回されたHxコイルと、同じく板状の磁性材料の上方又は下方でX軸方向に巻き回されたHyコイルとで磁界を測定する。このようにして測定した磁束密度及び磁界から、板状の磁性材料の面内2次元方向における磁気特性を得るようにしている。
M.Enokizono,"Two-dimensional Magnetic Property",JIEE-A,Vol.115,No1,pp.1-8,1998
K.Fujisaki,Y.Nemoto,S.Sato,M.Enokizono and H.Shimoji,"2-D vector Magnetic method in comparison with conventional method",7th International WorkShop on 1&2-Dimensional Magnetic Measurement and Testing Proceeding,edited by J.Sievert(PTB-E-81).pp.159-166,2002
本発明者らは、前述した従来の2次元磁気特性測定装置を用いて、方向性電磁鋼板の面内2次元方向における磁気特性を測定すると、同一の鋼帯から採取した試料を測定しているのにも関わらず、試料によって測定結果が大きくばらつくことがあることを見出した。
そこで、本発明者らは、その原因について検討し、その結果、以下に示すような原因によって、前述した測定結果のばらつきが生じるという知見を今回初めて得た。
2次元磁気特性測定装置では、測定領域における磁束密度の大きさを均一にしなければならない。そのため、2次元磁気特性測定装置では、80mm×80mmの試料においては、測定領域(Bxコイル、Byコイルの大きさにより定まる領域)を20mm×20mm程度にしなければならない。一方、方向性電磁鋼板の結晶粒の大きさは10mm〜20mm程度である。したがって、2次元測定装置の測定領域に含まれる結晶粒の数は少なくなる。また、それぞれの結晶粒の方位はわずかに異なる。このため、2次元磁気特性測定装置の測定結果が結晶粒の方位や分布の影響を大きく受けてしまうので、測定領域における磁気特性が試料によって平均化されない。以上のことから、2次元磁気特性測定装置の測定結果が採取した試料によって大きくばらつく。
以上のように、これまでは、2次元磁気特性測定装置における測定領域と、測定対象の結晶粒との関係という観点からの検討がなされておらず、方向性電磁鋼板のような結晶粒の比較的大きな板状の磁性材料の面内2次元方向における代表的な磁気特性を得ることが困難であるという問題点があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、板状の磁性材料の面内2次元方向における代表的な磁気特性を従来よりも容易に且つ確実に得ることができるようにすることを目的とする。
そこで、本発明者らは、その原因について検討し、その結果、以下に示すような原因によって、前述した測定結果のばらつきが生じるという知見を今回初めて得た。
2次元磁気特性測定装置では、測定領域における磁束密度の大きさを均一にしなければならない。そのため、2次元磁気特性測定装置では、80mm×80mmの試料においては、測定領域(Bxコイル、Byコイルの大きさにより定まる領域)を20mm×20mm程度にしなければならない。一方、方向性電磁鋼板の結晶粒の大きさは10mm〜20mm程度である。したがって、2次元測定装置の測定領域に含まれる結晶粒の数は少なくなる。また、それぞれの結晶粒の方位はわずかに異なる。このため、2次元磁気特性測定装置の測定結果が結晶粒の方位や分布の影響を大きく受けてしまうので、測定領域における磁気特性が試料によって平均化されない。以上のことから、2次元磁気特性測定装置の測定結果が採取した試料によって大きくばらつく。
以上のように、これまでは、2次元磁気特性測定装置における測定領域と、測定対象の結晶粒との関係という観点からの検討がなされておらず、方向性電磁鋼板のような結晶粒の比較的大きな板状の磁性材料の面内2次元方向における代表的な磁気特性を得ることが困難であるという問題点があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、板状の磁性材料の面内2次元方向における代表的な磁気特性を従来よりも容易に且つ確実に得ることができるようにすることを目的とする。
本発明の2次元磁気特性測定装置は、板状の磁性材料を複数積み重ねて構成された試料の面内2次元方向の磁気特性を測定する2次元磁気特性測定装置であって、前記面内2次元方向の一方向であるX軸方向において、前記試料を介して相互に対向するように配置された一対のX軸励磁用継鉄と、前記X軸励磁用継鉄に巻き回されたX軸励磁コイルと、前記面内2次元方向の一方向であって、前記X軸方向と直交する方向であるY軸方向において、前記試料を介して相互に対向するように配置された一対のY軸励磁用継鉄と、前記Y軸励磁用継鉄に巻き回されたY軸励磁コイルと、前記試料に対して巻き回され、前記試料の、前記X軸方向における磁束密度を測定するためのBxコイルと、前記試料に対して巻き回され、前記試料の、前記Y軸方向における磁束密度を測定するためのByコイルと、前記試料の、前記X軸方向における磁界を測定するHxコイルと、前記試料の、前記Y軸方向における磁界を測定するHyコイルと、を有し、前記試料は、前記板状の磁性材料の面方向が、前記X軸方向及び前記Y軸方向と平行になるように配置され、前記試料を構成する板状の磁性材料は、その圧延方向又は鋳造方向の方位が互いに同じになるように積み重ねられており、前記X軸励磁用継鉄と前記Y軸励磁用継鉄の、前記試料と対向する面の高さ方向の長さは、前記試料の厚みを上回り、前記試料の厚み方向の上端の位置が、前記X軸励磁用継鉄と前記Y軸励磁用継鉄の、前記試料と対向する面の上端の位置を下回っており、且つ、前記試料の厚み方向の下端の位置が、前記X軸励磁用継鉄と前記Y軸励磁用継鉄の、前記試料と対向する面の下端の位置を上回っていることを特徴とする。
本発明によれば、2次元磁気特性測定を行うに際し、板状の磁性材料を、圧延方向又は鋳造方向の方位を合わせて複数積み重ねて試料を構成した。そして、試料の厚み方向の上端の位置が、X軸励磁用継鉄とY軸励磁用継鉄の、前記試料と対向する面の上端の位置を下回り、且つ、試料の厚み方向の下端の位置が、X軸励磁用継鉄とY軸励磁用継鉄の、試料と対向する面の下端の位置を上回るようにした。したがって、複数の試料それぞれにおける磁束密度の大きさをほぼ均一にして、励磁用継鉄により励磁されたときに磁気特性に寄与する結晶粒の数を増やすことができる。よって、板状の磁性材料の面内2次元方向における代表的な磁気特性を従来よりも容易に且つ確実に得ることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
(2次元磁気特性測定装置100の概略)
図1は、2次元磁気特性測定装置100の構成の一例を示す図である。また、図2は、図1に示す2次元測定装置100の試料設置部107の構成の一例を示す図であり、図3は、図2のA−A´方向から見た断面の一部(図3(a))と、B−B´方向から見た断面の一部(図3(b))を示す図である。尚、図1では、図2に示す励磁コイル107b、107d、励磁用継鉄107j、107lの図示を省略している。また、図1〜図3では、各部を簡略化して示している。
図1において、2次元磁気特性測定装置100は、制御部101と、データ格納部102と、X方向電源103と、Y方向電源104と、デジタルオシロスコープ105と、試料設置部107とを有している。
(2次元磁気特性測定装置100の概略)
図1は、2次元磁気特性測定装置100の構成の一例を示す図である。また、図2は、図1に示す2次元測定装置100の試料設置部107の構成の一例を示す図であり、図3は、図2のA−A´方向から見た断面の一部(図3(a))と、B−B´方向から見た断面の一部(図3(b))を示す図である。尚、図1では、図2に示す励磁コイル107b、107d、励磁用継鉄107j、107lの図示を省略している。また、図1〜図3では、各部を簡略化して示している。
図1において、2次元磁気特性測定装置100は、制御部101と、データ格納部102と、X方向電源103と、Y方向電源104と、デジタルオシロスコープ105と、試料設置部107とを有している。
(試料設置部107以外の部分の構成)
制御部101は、2次元磁気特性測定装置100を統括制御するものであり、例えば、CPU、ROM、及びRAMを備えたマイクロコンピュータを用いて構成される。
データ格納部102は、2次元磁気特性測定装置100で測定された磁束密度B(={Bx,By})や磁界H(={Hx,Hy})等を格納するものであり、例えば、ハードディスクを用いて構成される。
尚、制御部101とデータ格納部102は、例えば、パーソナルコンピュータ内に配設されている。
制御部101は、2次元磁気特性測定装置100を統括制御するものであり、例えば、CPU、ROM、及びRAMを備えたマイクロコンピュータを用いて構成される。
データ格納部102は、2次元磁気特性測定装置100で測定された磁束密度B(={Bx,By})や磁界H(={Hx,Hy})等を格納するものであり、例えば、ハードディスクを用いて構成される。
尚、制御部101とデータ格納部102は、例えば、パーソナルコンピュータ内に配設されている。
X方向電源103は、制御部101からの制御に従って、試料200のX軸方向を励磁するために励磁用継鉄107i、107jに巻き回されている励磁コイル107a、107bに電力を供給するためのものである(図2を参照)。Y方向電源104は、制御部101からの制御に従って、試料200のY軸方向を励磁するために励磁用継鉄107k、107lに巻き回されている励磁コイル107c、107dに電力を供給するためのものである(図2を参照)。
デジタルオシロスコープ105は、試料200のX軸方向における磁束密度Bxを測定するためのBxコイル107eに誘起される電圧波形、試料200のY軸方向における磁束密度Byを測定するためのByコイル107fに誘起される電圧波形、X方向電源103から出力される電圧波形、Y方向電源104から出力される電圧波形、試料200のX軸方向における磁界Hxを測定するためのHxコイル107gに誘起される電圧波形、試料200のY軸方向における磁界Hyを測定するためのHyコイル107hに誘起される電圧波形を、それぞれ1ch〜6chでモニタするものである。
尚、本実施形態では、以上のようにしてモニタされている値は、1周期の波形をN(Nは正の整数、例えばN=512)分割してサンプリングすることにより得られるデジタル信号に変換されて(AD変換されて)制御部101に出力される。また、本実施形態のように、デジタルオシロスコープ105で、X方向電源103から出力される電圧波形と、Y方向電源104から出力される電圧波形とをモニタするようにすれば、これらを把握することができるので望ましいが、必ずしもこれらをモニタする必要はない。
尚、本実施形態では、以上のようにしてモニタされている値は、1周期の波形をN(Nは正の整数、例えばN=512)分割してサンプリングすることにより得られるデジタル信号に変換されて(AD変換されて)制御部101に出力される。また、本実施形態のように、デジタルオシロスコープ105で、X方向電源103から出力される電圧波形と、Y方向電源104から出力される電圧波形とをモニタするようにすれば、これらを把握することができるので望ましいが、必ずしもこれらをモニタする必要はない。
(試料設置部107の構成)
ここで、図2及び図3を参照しながら、2次元磁気特性測定装置100に配設された試料設置部107の詳細な構成の一例について説明する。
図2及び図3において、本実施形態の試料設置部107は、励磁コイル107a〜107dと、Bxコイル107eと、Byコイル107fと、Hxコイル107gと、Hyコイル107hと、励磁用継鉄107i〜107lと、継鉄108とを有している。
ここで、図2及び図3を参照しながら、2次元磁気特性測定装置100に配設された試料設置部107の詳細な構成の一例について説明する。
図2及び図3において、本実施形態の試料設置部107は、励磁コイル107a〜107dと、Bxコイル107eと、Byコイル107fと、Hxコイル107gと、Hyコイル107hと、励磁用継鉄107i〜107lと、継鉄108とを有している。
励磁コイル107aと107bは直列又は並列に接続されている。励磁コイル107cと107dは直列又は並列に接続されている。
励磁用継鉄107iと励磁用継鉄107jは、X軸方向において、試料200を介して相互に対向するように配設されている。また、励磁用継鉄107kと励磁用継鉄107lは、Y軸方向において、試料200を介して相互に対向するように配設されている。
励磁用継鉄107iと励磁用継鉄107jは、X軸方向において、試料200を介して相互に対向するように配設されている。また、励磁用継鉄107kと励磁用継鉄107lは、Y軸方向において、試料200を介して相互に対向するように配設されている。
励磁コイル107a〜107dは、それぞれ励磁用継鉄107i〜107lに巻き回されている。
Bxコイル107eは、試料200の中心点を介してY軸方向おいて対向するように設けられた2つの穴を通して巻き回されている。Byコイル107fは、試料200の中心点を介してX軸方向おいて対向するように形成された2つの穴を通して巻き回されている。X軸方向、Y軸方向おいて対向するように形成された2つの穴の間隔は、それぞれ20mm程度である。このようにしたのは、この間隔を20mmよりも大きくすると、測定領域における磁束密度Bの大きさが一定でなくなる虞があるからである。
Hyコイル107hは、試料200の上方または下方において、X軸方向に巻き回されている。Hxコイル107gは、Hyコイル107h上でY軸方向に巻き回されている。尚、Bxコイル107e及びByコイル107fの巻き回される順番と、Hxコイル107gとHyコイル107hの巻き回される順番は、前述したものと逆でもよい。
継鉄108は、励磁用継鉄107i〜107lと磁気的に結合されている。
Bxコイル107eは、試料200の中心点を介してY軸方向おいて対向するように設けられた2つの穴を通して巻き回されている。Byコイル107fは、試料200の中心点を介してX軸方向おいて対向するように形成された2つの穴を通して巻き回されている。X軸方向、Y軸方向おいて対向するように形成された2つの穴の間隔は、それぞれ20mm程度である。このようにしたのは、この間隔を20mmよりも大きくすると、測定領域における磁束密度Bの大きさが一定でなくなる虞があるからである。
Hyコイル107hは、試料200の上方または下方において、X軸方向に巻き回されている。Hxコイル107gは、Hyコイル107h上でY軸方向に巻き回されている。尚、Bxコイル107e及びByコイル107fの巻き回される順番と、Hxコイル107gとHyコイル107hの巻き回される順番は、前述したものと逆でもよい。
継鉄108は、励磁用継鉄107i〜107lと磁気的に結合されている。
<励磁用継鉄107i〜107jの構成>
図3に示すように、試料200内に磁束を集中させるために、励磁用継鉄107i〜107jの先端は、先細りの形状を有している。さらに、試料200内の磁束を均一にするために、試料200と、励磁用継鉄107i〜107lとの間には、0.1mm程度の隙間が設けられている(図3では当該隙間を広く示している)。
また、励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の高さ方向の長さD2〜D5を、試料200の厚みD1よりも大きくしている。更に、当該面301〜304の高さ方向の中心と、試料200の厚み方向の中心とが略一致するように、試料200及び励磁用継鉄107i〜107lを配置している。
図3に示すように、試料200内に磁束を集中させるために、励磁用継鉄107i〜107jの先端は、先細りの形状を有している。さらに、試料200内の磁束を均一にするために、試料200と、励磁用継鉄107i〜107lとの間には、0.1mm程度の隙間が設けられている(図3では当該隙間を広く示している)。
また、励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の高さ方向の長さD2〜D5を、試料200の厚みD1よりも大きくしている。更に、当該面301〜304の高さ方向の中心と、試料200の厚み方向の中心とが略一致するように、試料200及び励磁用継鉄107i〜107lを配置している。
このようにすることにより、試料200の厚み方向の上端の位置が励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の上端の位置を下回り、且つ、試料200の厚み方向の下端の位置が励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の下端の位置を上回るようにすることができ、試料200(を構成する各方向性電磁鋼板のそれぞれ)に適切に磁束を与えることができる。
(試料200の構成)
本実施形態では、試料200は、例えば、厚みが0.23mmである方向性電磁鋼板から、80mm×80mmの矩形の大きさのものを切り取り、切り取った9枚の方向性電磁鋼板を積層させることにより形成される。図4は、板面に垂直な方向から見た試料200の一例を示す図である。具体的に、図4(a)に示す例では、X軸方向と方向性電磁鋼板のRD(圧延)方向とが一致し、Y軸方向と方向性電磁鋼板のTD(板幅)方向とが一致するように、試料200として使用する方向性電磁鋼板を切り取るようにしている。そして、このようにして切り取られた9枚の方向性電磁鋼板のRD方向(及びTD方向)が略同じになるようにして、当該9枚の方向性電磁鋼板を積層させる。このとき、方向性電磁鋼板では、通常、RD方向が磁化容易軸、TD方向が磁化困難軸となっている。また、9枚の方向性電磁鋼板のRD方向(及びTD方向)を略同じとする際、電磁鋼板の切断精度の範囲内で、できる得る限りの精度でその方向を一致させることが好ましいが、方向性電磁鋼板の各結晶粒の磁化容易方向〔100〕の圧延方向への集積度は10°程度であることから、少なくとも10°以内で9枚の方向性電磁鋼板のRD方向(及びTD方向)を一致させて積層する。そして、前述したように、試料200の中心点を介してX軸方向おいて対向するように、20mm間隔で2つの穴200a、200bを形成すると共に、試料200の中心点を介してY軸方向おいて対向するように、20mm間隔で2つの穴200c、200dを形成する。このようにして試料200が形成される。尚、図4(a)において、X軸とY軸とが入れ替わってもよい。
本実施形態では、試料200は、例えば、厚みが0.23mmである方向性電磁鋼板から、80mm×80mmの矩形の大きさのものを切り取り、切り取った9枚の方向性電磁鋼板を積層させることにより形成される。図4は、板面に垂直な方向から見た試料200の一例を示す図である。具体的に、図4(a)に示す例では、X軸方向と方向性電磁鋼板のRD(圧延)方向とが一致し、Y軸方向と方向性電磁鋼板のTD(板幅)方向とが一致するように、試料200として使用する方向性電磁鋼板を切り取るようにしている。そして、このようにして切り取られた9枚の方向性電磁鋼板のRD方向(及びTD方向)が略同じになるようにして、当該9枚の方向性電磁鋼板を積層させる。このとき、方向性電磁鋼板では、通常、RD方向が磁化容易軸、TD方向が磁化困難軸となっている。また、9枚の方向性電磁鋼板のRD方向(及びTD方向)を略同じとする際、電磁鋼板の切断精度の範囲内で、できる得る限りの精度でその方向を一致させることが好ましいが、方向性電磁鋼板の各結晶粒の磁化容易方向〔100〕の圧延方向への集積度は10°程度であることから、少なくとも10°以内で9枚の方向性電磁鋼板のRD方向(及びTD方向)を一致させて積層する。そして、前述したように、試料200の中心点を介してX軸方向おいて対向するように、20mm間隔で2つの穴200a、200bを形成すると共に、試料200の中心点を介してY軸方向おいて対向するように、20mm間隔で2つの穴200c、200dを形成する。このようにして試料200が形成される。尚、図4(a)において、X軸とY軸とが入れ替わってもよい。
また、試料200の変形例として、図4(b)に示す例のようにしてもよい。具体的に、図4(b)に示す例では、X軸方向(Y軸方向)と方向性電磁鋼板のRD(圧延)方向とのなす角度θが45°になるように、試料200として使用する方向性電磁鋼板を切り取るようにしている。尚、このようにした場合には、X軸方向(Y軸方向)と方向性電磁鋼板のTD(板幅)方向とのなす角度も45°になる。そして、このようにして切り取られた9枚の方向性電磁鋼板のRD方向(及びTD方向)が同じになるようにして、当該9枚の方向性電磁鋼板を積層させる。そして、前述したようにして、穴200a、200b、200c、200dを形成する。尚、図4(b)においても、X軸とY軸とが入れ替わってもよい。
図4(b)に示すように、X軸方向(Y軸方向)と方向性電磁鋼板のRD(圧延)方向とのなす角度θが45°になるようにするのは、X軸方向(Y軸方向)と方向性電磁鋼板のRD(圧延)方向とが一致している、またはX軸方向(Y軸方向)と方向性電磁鋼板のRD方向とのなす角度が小さいと、磁束密度の方位がX軸方向(Y軸方向)から僅かに傾いている場合、磁束密度By(Bx)の測定値が小さくなりすぎることがあるからである。特に、RD(圧延)方向及びRD(圧延)方向から僅かに傾いた方向の磁気特性は重要であるので、この範囲の測定を高精度で行う必要があるためである。ただし、X軸方向(Y軸方向)と方向性電磁鋼板のRD方向とのなす角度θは、このようにならない範囲で適宜決定することができる。例えば、20°≦θ≦70°の範囲にすることができる。また、磁束密度By(Bx)の測定値が小さくても測定に支障をきたさなければ、図4(a)に示すように、θを0°≦θ≦90°の範囲にしてもよい。
以上のようにして複数枚の方向性電磁鋼板を、RD方向(又はTD方向)が同じになるように積層させたものを試料200として用いることにより、励磁用継鉄107i〜107lにより励磁されたときに磁気特性に寄与する結晶粒の数を増やすことができると共に、結晶粒が方向性電磁鋼板の厚み方向に傾いていることによる影響を反映した磁気特性が得られる。
図4(b)に示すように、X軸方向(Y軸方向)と方向性電磁鋼板のRD(圧延)方向とのなす角度θが45°になるようにするのは、X軸方向(Y軸方向)と方向性電磁鋼板のRD(圧延)方向とが一致している、またはX軸方向(Y軸方向)と方向性電磁鋼板のRD方向とのなす角度が小さいと、磁束密度の方位がX軸方向(Y軸方向)から僅かに傾いている場合、磁束密度By(Bx)の測定値が小さくなりすぎることがあるからである。特に、RD(圧延)方向及びRD(圧延)方向から僅かに傾いた方向の磁気特性は重要であるので、この範囲の測定を高精度で行う必要があるためである。ただし、X軸方向(Y軸方向)と方向性電磁鋼板のRD方向とのなす角度θは、このようにならない範囲で適宜決定することができる。例えば、20°≦θ≦70°の範囲にすることができる。また、磁束密度By(Bx)の測定値が小さくても測定に支障をきたさなければ、図4(a)に示すように、θを0°≦θ≦90°の範囲にしてもよい。
以上のようにして複数枚の方向性電磁鋼板を、RD方向(又はTD方向)が同じになるように積層させたものを試料200として用いることにより、励磁用継鉄107i〜107lにより励磁されたときに磁気特性に寄与する結晶粒の数を増やすことができると共に、結晶粒が方向性電磁鋼板の厚み方向に傾いていることによる影響を反映した磁気特性が得られる。
本発明者らは、以上のような2次元磁気特性測定装置100の試料設置部107において、励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の高さ方向の長さD2〜D5を、試料200の厚みD1の1.5倍以上、好ましくは3倍以上にし、且つ、励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の高さ方向の中心と、試料200の厚み方向の中心とが略一致する状態にすることを見出した。以下に、これらの根拠について説明する。
まず、「JIS C 2556」の「7.2.2鉄損測定、(2)鉄損の測定、備考2」に、「試験装置の再現性は、方向性電磁鋼板に対しては1%、無方向性電磁鋼板に対しては2%の標準偏差の程度である。」との記載がある。この記載は、励磁電流法による磁気特性試験に関するものであるが、本発明者らは、Hコイル法による磁気特性試験に対しても同様である必要があることに着目した。
すなわち、本実施形態の2次元磁気特性測定装置100による測定は、2次元のHコイル法による測定であり、更に複数積み重ねて構成された試料に対して行われるものである。よって、試料のX軸方向にのみ励磁した条件においては、前記「JIS C 2556」に規定された方法と同等の精度の結果を与えるものでなければならない。
すなわち、本実施形態の2次元磁気特性測定装置100による測定は、2次元のHコイル法による測定であり、更に複数積み重ねて構成された試料に対して行われるものである。よって、試料のX軸方向にのみ励磁した条件においては、前記「JIS C 2556」に規定された方法と同等の精度の結果を与えるものでなければならない。
Hコイル法では、試料の内部の磁界H、つまり磁界Hと透磁率μとの積である磁束密度Bが、試料の厚み方向において一定でないと(分布があると)、試料の内部の磁界Hを正しく評価できないことになる。したがって、試料の内部の磁界H、つまり、試料の厚み方向における磁束密度Bの偏差が、前記条件(1%)を満足できる程度に均一であることが必要となる。前述したように、「JIS C 2556」に規定された方法と同等の精度の結果を与えるものであると同時に、試料の厚みを変えることによって測定結果に差異が生じないようにする必要があるためである。
そこで、本願発明者らは、同一の継鉄において、複数積み重ねて構成された試料の厚みを変えたときの、試料の厚み方向の中心の磁束密度の大きさと、試料の表面の磁束密度の大きさとの差異を、電磁場解析を用いて調査した。調査は、X方向にのみ励磁したときに試料面内の中心20mm×20mmの領域での平均磁束密度が1Tとなる条件で行った。
図5は、励磁用継鉄107の先端面の厚みを基準とした試料の厚みと、試料の厚み方向における磁束密度のばらつきとの関係の一例を示す図である。
より具体的に図5の横軸は、「(試料の厚み)/(励磁用継鉄107の先端の厚み)」を示す。また、図5の縦軸は、「[ΔBx(試料の厚み方向の中心の磁束密度の大きさ−試料の表面の磁束密度の大きさ)/Bx(試料面内の中心20mm×20mmの領域での平均磁束密度(=1T))]×100」を示す。ここでは、試料面内の中心(図5の「0mm点」で示すグラフ)と、試料面内の中心からX軸方向に10mm離れた箇所(図5の「X=10mm点」で示すグラフ)の2か所について、これらの関係を調査した。
図5は、励磁用継鉄107の先端面の厚みを基準とした試料の厚みと、試料の厚み方向における磁束密度のばらつきとの関係の一例を示す図である。
より具体的に図5の横軸は、「(試料の厚み)/(励磁用継鉄107の先端の厚み)」を示す。また、図5の縦軸は、「[ΔBx(試料の厚み方向の中心の磁束密度の大きさ−試料の表面の磁束密度の大きさ)/Bx(試料面内の中心20mm×20mmの領域での平均磁束密度(=1T))]×100」を示す。ここでは、試料面内の中心(図5の「0mm点」で示すグラフ)と、試料面内の中心からX軸方向に10mm離れた箇所(図5の「X=10mm点」で示すグラフ)の2か所について、これらの関係を調査した。
図5に示す結果から、前述した「JIS C 2556」の条件(1%)を満足するためには、励磁用継鉄107の先端の厚み(試料200と対向する面301〜304の高さ方向の長さD2〜D5)は、試料の厚みD1の1.5倍以上(図5の横軸の値が(1/1.5≒0.67)以下)である必要があることが分かる。また、試料の厚みと励磁用継鉄107の厚みとの関係以外の要因で試料の厚み方向における磁束密度Bの偏差の精度が悪くなることを考慮すると、前述した「JIS C 2556」の条件(1%)に対して1桁以上小さい方が良いから、励磁用継鉄107の先端の厚みD2〜D5は、試料の厚みD1の3倍以上(図5の横軸の値が(1/3)≒0.33以下)であることがより好ましい。
次に、図6〜図8を参照しながら、測定結果について説明する。
図6は、傾角Incと軸比Axisとを共に0とした条件での最大磁束密度Bmaxと鉄損Wとの関係の一例を示す図であり、図7は、最大磁束密度Bmaxを1.0[T]、軸比Axisを0とした条件での傾角Incと鉄損Wとの関係の一例を示す図であり、図8は、最大磁束密度Bmaxを1.0[T]、傾角Incを0とした条件での軸比Axisと鉄損Wとの関係を示す図である。尚、ここでは、励磁用継鉄107の先端の厚みD2〜D5を、3.2mmとし、試料の厚み(9枚の方向性電磁鋼板の厚みの合計値)D1を2.07mmとした。
磁性体の磁化容易軸をX軸、磁化困難軸をY軸として、交流励磁された磁束密度ベクトルのx−y平面における軌跡をとると、当該軌跡が楕円状になったり直線状になったりする。このように、磁束密度ベクトルが楕円状の軌跡をとるものを回転磁界といい、直線状の軌跡をとるものを交番磁界という。最大磁束密度Bmaxは、このような磁気密度ベクトルの1周期における磁束密度の大きさの最大値(最大磁束密度)である。また、傾角Incは、磁束密度ベクトルのx−y平面における軌跡を表す楕円の長軸とX軸とのなす角度である。また、軸比Axisは、最大磁束密度Bmaxと最小磁束密度Bmin(磁気密度ベクトルの1周期における磁束密度の大きさの最小値)との比(=Bmin/Bmax)である。
図6は、傾角Incと軸比Axisとを共に0とした条件での最大磁束密度Bmaxと鉄損Wとの関係の一例を示す図であり、図7は、最大磁束密度Bmaxを1.0[T]、軸比Axisを0とした条件での傾角Incと鉄損Wとの関係の一例を示す図であり、図8は、最大磁束密度Bmaxを1.0[T]、傾角Incを0とした条件での軸比Axisと鉄損Wとの関係を示す図である。尚、ここでは、励磁用継鉄107の先端の厚みD2〜D5を、3.2mmとし、試料の厚み(9枚の方向性電磁鋼板の厚みの合計値)D1を2.07mmとした。
磁性体の磁化容易軸をX軸、磁化困難軸をY軸として、交流励磁された磁束密度ベクトルのx−y平面における軌跡をとると、当該軌跡が楕円状になったり直線状になったりする。このように、磁束密度ベクトルが楕円状の軌跡をとるものを回転磁界といい、直線状の軌跡をとるものを交番磁界という。最大磁束密度Bmaxは、このような磁気密度ベクトルの1周期における磁束密度の大きさの最大値(最大磁束密度)である。また、傾角Incは、磁束密度ベクトルのx−y平面における軌跡を表す楕円の長軸とX軸とのなす角度である。また、軸比Axisは、最大磁束密度Bmaxと最小磁束密度Bmin(磁気密度ベクトルの1周期における磁束密度の大きさの最小値)との比(=Bmin/Bmax)である。
図6〜図8において、何れも図(a)は、1枚の方向性電磁鋼板からなる9つの試料それぞれについての測定値と、本実施形態のように9枚の方向性電磁鋼板を、圧延方向の方位を合わせて積み重ねた試料についての測定値とを示す。具体的に図6(a)、図7(a)、図8(a)において、「1枚測定」とは、背景技術で説明した従来の2次元磁気特性測定装置を用いて1枚の方向性電磁鋼板の面内2次元方向の磁気特性(鉄損)を測定した結果を示し、「9枚組測定」とは、本実施形態の2次元磁気特性測定装置200を用いて試料200の面内2次元方向の磁気特性(鉄損)を測定した結果を示す。尚、これらの方向性電磁鋼板は、全て同じもの(同一の鋼帯から切り取った試料)である。
一方、図(b)は、前記9つの試料についての測定値の平均値と、本実施形態のように9枚の方向性電磁鋼板を積み重ねた試料についての測定値とを示す。具体的に図6(b)、図7(b)、図8(b)において、「1枚測定の9枚平均」とは、図(a)に示した9つの「1枚測定」の値の平均を算出した結果を示し、「9枚組測定」とは、図(a)に示した「9枚組測定」と同じものである。
一方、図(b)は、前記9つの試料についての測定値の平均値と、本実施形態のように9枚の方向性電磁鋼板を積み重ねた試料についての測定値とを示す。具体的に図6(b)、図7(b)、図8(b)において、「1枚測定の9枚平均」とは、図(a)に示した9つの「1枚測定」の値の平均を算出した結果を示し、「9枚組測定」とは、図(a)に示した「9枚組測定」と同じものである。
図6〜図8に示すように、試料における最大磁束密度Bmax、傾角Inc、及び軸比Axisを変えても、1枚の方向性電磁鋼板からなる9個の試料における鉄損Wの平均と、本実施形態のように9枚の方向性電磁鋼板を積層させた試料200の鉄損Wとは、概ね一致している。したがって、本実施形態のようにして9枚の方向性電磁鋼板を積層させた試料200を用いることにより、1枚の方向性電磁鋼板についての測定データのバラつきを吸収し、方向性電磁鋼板の面内2次元方向における磁気特性の代表的な値を得られることが分かる。
(2次元磁気特性測定装置100による測定方法)
本実施形態では、以上のようにして構成された2次元磁気特性測定装置100を用いて、試料200の面内2次元方向における磁束密度Bと磁界Hとを測定する。
具体的に説明すると、まず、制御部101は、励磁コイル107a〜107dに印加する電圧の値(以下、電圧指示値と称す)を、X方向電源103及びY方向電源104に出力する。
電圧指示値を入力したX方向電源103及びY方向電源104は、その電圧指示値に従って、励磁コイル107a〜107dに電圧を印加する。励磁コイル107a〜107dに印加された電圧は、それぞれ、デジタルオシロスコープ105でモニタされる。モニタされた電圧は、AD変換されて制御部101に出力される。これにより、制御部101は、励磁コイル107a〜107dに印加された電圧を知ることができる。
本実施形態では、以上のようにして構成された2次元磁気特性測定装置100を用いて、試料200の面内2次元方向における磁束密度Bと磁界Hとを測定する。
具体的に説明すると、まず、制御部101は、励磁コイル107a〜107dに印加する電圧の値(以下、電圧指示値と称す)を、X方向電源103及びY方向電源104に出力する。
電圧指示値を入力したX方向電源103及びY方向電源104は、その電圧指示値に従って、励磁コイル107a〜107dに電圧を印加する。励磁コイル107a〜107dに印加された電圧は、それぞれ、デジタルオシロスコープ105でモニタされる。モニタされた電圧は、AD変換されて制御部101に出力される。これにより、制御部101は、励磁コイル107a〜107dに印加された電圧を知ることができる。
以上のようにして励磁コイル107a〜107dに電圧が印加され、電流が流れると、試料200がX軸方向及びY軸方向に励磁される。そうすると、Bxコイル107e及びByコイル107fに誘起される電圧が、それぞれデジタルオシロスコープ105でモニタされる。モニタされた電圧は、AD変換されて制御部101に出力される。これにより、制御部101は、Bxコイル107e及びByコイル107fに誘起される電圧を知ることができ、Bxコイル107e及びByコイル107fに誘起される電圧を時間積分した値と、Bxコイル107e及びByコイル107fそれぞれの巻数と、Bxコイル107e及びByコイル107fの有効断面積と、を用いて、試料200のX軸方向における磁束密度Bx及びY軸方向における磁束密度Byを求めることができる。
また、励磁コイル107a〜107dに電圧が印加され、電流が流れると、Hxコイル107g及びHyコイル107hに電圧が誘起される。このようにしてHxコイル107g及びHyコイル107hに誘起される電圧は、デジタルオシロスコープ105でモニタされる。これにより、制御部101は、Hxコイル107g及びHyコイル107hに誘起される電圧を知ることができ、Hxコイル107g及びHyコイル107hに誘起される電圧を時間積分した値と、Hxコイル107g及びHyコイル107hそれぞれの巻数と、Hxコイル107g及びHyコイル107hの有効断面積とを用いて、試料のX軸方向における磁界Hx及びY軸方向における磁界Hyを求めることができる。
(まとめ)
以上のように本実施形態では、複数枚の方向性電磁鋼板を、RD方向(又はTD方向)が同じになるように積層させたものを試料200として用いる。そして、試料200の厚み方向の上端の位置が励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の上端の位置を下回り、且つ、試料200の厚み方向の下端の位置が励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の下端の位置を上回るように試料200を配置する。このようにすることにより、励磁用継鉄107i〜107lにより励磁されたときに磁気特性に寄与する結晶粒の数を増やすことができると共に、結晶粒が方向性電磁鋼板の厚み方向に傾いていることによる影響を反映した磁気特性が得られ、しかも、各方向性電磁鋼板における磁束密度の大きさを可及的に均一にすることができる。したがって、方向性電磁鋼板の面内2次元方向における代表的な磁気特性を従来よりも容易に且つ確実に得ることができる。
以上のように本実施形態では、複数枚の方向性電磁鋼板を、RD方向(又はTD方向)が同じになるように積層させたものを試料200として用いる。そして、試料200の厚み方向の上端の位置が励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の上端の位置を下回り、且つ、試料200の厚み方向の下端の位置が励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の下端の位置を上回るように試料200を配置する。このようにすることにより、励磁用継鉄107i〜107lにより励磁されたときに磁気特性に寄与する結晶粒の数を増やすことができると共に、結晶粒が方向性電磁鋼板の厚み方向に傾いていることによる影響を反映した磁気特性が得られ、しかも、各方向性電磁鋼板における磁束密度の大きさを可及的に均一にすることができる。したがって、方向性電磁鋼板の面内2次元方向における代表的な磁気特性を従来よりも容易に且つ確実に得ることができる。
尚、本実施形態では、励磁用継鉄107i〜107lは、それぞれ一体のものである場合を例に挙げて説明した。しかしながら、励磁用継鉄107i〜107lは、高さ方向において分割された構成のものであってもよい。
また、励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の高さ方向の長さD2〜D5は、前述したようにして試料200を配置することができれば、それぞれ同じであっても、全部又は一部が異なっていてもよい。
また、試料200として使用される方向性電磁鋼板の数は、複数であれば9に限定されるものではない。ただし、試料200として使用される方向性電磁鋼板の数は、前述したようにして試料200を配置することができる範囲で可及的に多い方が、磁気特性に寄与する結晶粒の数を多くすることができるので好ましい。
また、励磁用継鉄107i〜107lの試料200と対向する面301〜304の高さ方向の長さD2〜D5は、前述したようにして試料200を配置することができれば、それぞれ同じであっても、全部又は一部が異なっていてもよい。
また、試料200として使用される方向性電磁鋼板の数は、複数であれば9に限定されるものではない。ただし、試料200として使用される方向性電磁鋼板の数は、前述したようにして試料200を配置することができる範囲で可及的に多い方が、磁気特性に寄与する結晶粒の数を多くすることができるので好ましい。
また、本実施形態では、試料200として方向性電磁鋼板を使用した場合を例に挙げて説明したが、試料200として使用するものは、方向性電磁鋼板に限らず、強磁性体、フェリ磁性体、硬磁性体、軟磁性体、パーマロイ等の板状の磁性材料を用いることができる。ただし、面内2次元方向における磁気特性に異方性があり、2次元磁気特性測定装置100の測定領域と結晶粒の大きさとが同程度である板状の磁性材料を試料200として用いた方が、前述した効果を顕著に得ることができるので好ましい。また、本実施形態では、複数枚の方向性電磁鋼板を、RD方向(又はTD方向)の方位を合わせて積み重ねることにより試料200を構成する場合を例に挙げて説明したが、圧延材を用いない場合等には、鋳造方向の方位が略同じになるように合わせて複数の板状の磁性材料を積み重ねることにより試料200を構成する。このとき、方位の合わせ方としては、磁性材料の各結晶粒の方位ばらつきの程度以内とすることが好ましい。
この他、試料200の面方向の一辺の大きさは80mmに限定されず、さらに、試料200の中心点を介して相互に対向する穴の間隔は20mmに限定されない。
この他、試料200の面方向の一辺の大きさは80mmに限定されず、さらに、試料200の中心点を介して相互に対向する穴の間隔は20mmに限定されない。
尚、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の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、本発明はその技術思想、また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。
100 2次元磁気特性測定装置
101 制御部
102 データ格納部
103 X方向電源
104 Y方向電源104
105 デジタルオシロスコープ
107 試料設置部
107a〜107d 励磁コイル
107e Bxコイル
107f Byコイル
107g Hxコイル
107h Hyコイル
107i〜107l 励磁用継鉄
108 継鉄
200 試料
301〜304 励磁用継鉄の試料と対向する面
101 制御部
102 データ格納部
103 X方向電源
104 Y方向電源104
105 デジタルオシロスコープ
107 試料設置部
107a〜107d 励磁コイル
107e Bxコイル
107f Byコイル
107g Hxコイル
107h Hyコイル
107i〜107l 励磁用継鉄
108 継鉄
200 試料
301〜304 励磁用継鉄の試料と対向する面
Claims (5)
- 板状の磁性材料を複数積み重ねて構成された試料の面内2次元方向の磁気特性を測定する2次元磁気特性測定装置であって、
前記面内2次元方向の一方向であるX軸方向において、前記試料を介して相互に対向するように配置された一対のX軸励磁用継鉄と、
前記X軸励磁用継鉄に巻き回されたX軸励磁コイルと、
前記面内2次元方向の一方向であって、前記X軸方向と直交する方向であるY軸方向において、前記試料を介して相互に対向するように配置された一対のY軸励磁用継鉄と、
前記Y軸励磁用継鉄に巻き回されたY軸励磁コイルと、
前記試料に対して巻き回され、前記試料の、前記X軸方向における磁束密度を測定するためのBxコイルと、
前記試料に対して巻き回され、前記試料の、前記Y軸方向における磁束密度を測定するためのByコイルと、
前記試料の、前記X軸方向における磁界を測定するHxコイルと、
前記試料の、前記Y軸方向における磁界を測定するHyコイルと、を有し、
前記試料は、前記板状の磁性材料の面方向が、前記X軸方向及び前記Y軸方向と平行になるように配置され、
前記試料を構成する板状の磁性材料は、その圧延方向又は鋳造方向の方位が互いに略同じになるように積み重ねられており、
前記X軸励磁用継鉄と前記Y軸励磁用継鉄の、前記試料と対向する面の高さ方向の長さは、前記試料の厚みを上回り、
前記試料の厚み方向の上端の位置が、前記X軸励磁用継鉄と前記Y軸励磁用継鉄の、前記試料と対向する面の上端の位置を下回っており、且つ、前記試料の厚み方向の下端の位置が、前記X軸励磁用継鉄と前記Y軸励磁用継鉄の、前記試料と対向する面の下端の位置を上回っていることを特徴とする2次元磁気特性測定装置。 - 前記X軸励磁用継鉄と前記Y軸励磁用継鉄の、前記試料と対向する面の高さ方向の長さは、前記試料の厚みの1.5倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の2次元磁気特性測定装置。
- 前記X軸励磁用継鉄と前記Y軸励磁用継鉄の、前記試料と対向する面の高さ方向における中心と、前記試料の厚み方向における中心とが略一致していることを特徴とする請求項1又は2に記載の2次元磁気特性測定装置。
- 前記板状の磁性材料は、方向性電磁鋼板であり、
前記方向性電磁鋼板は、その磁化容易軸方向が互いに略同じになるように積み重ねられていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の2次元磁気特性測定装置。 - 前記X軸方向及び前記Y軸方向と、前記磁化容易軸方向とのそれぞれがなす角度がいずれも所定の角度以上であることを特徴とする請求項4に記載の2次元磁気特性測定装置。
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