(57)【要約】【課題】動的に変化する各種磁性材料の磁気特性および損失測定情報を相互に関連付けて適切に表示できる磁気特性測定方法および磁気特性測定装置を提供すること。【解決手段】測定対象磁性材料を交流励磁信号で励磁して磁束密度Ｂと磁界の強さＨを測定することによりＢ−Ｈ曲線を求め、前記測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報を前記Ｂ−Ｈ曲線の時間軸に沿って配列表示することを特徴とする磁気特性測定方法および磁気特性測定装置である。【選択図】                    図４
2011226840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象磁性材料を交流励磁信号で励磁して磁束密度Ｂと磁界の強さＨを測定することによりＢ−Ｈ曲線を求め、
前記測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報を前記Ｂ−Ｈ曲線の時間軸に沿って配列表示することを特徴とする磁気特性測定方法。
【請求項２】
前記Ｂ−Ｈ曲線を時系列的に複数求め、
これら複数のＢ−Ｈ曲線を時間軸に沿って離散的に配列表示するとともに、前記測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報を前記各Ｂ−Ｈ曲線の時間軸に沿って配列表示することを特徴とする請求項１に記載の磁気特性測定方法。
【請求項３】
前記交流励磁信号は基本波成分に高周波成分が重畳されたものであり、前記Ｂ−Ｈ曲線は前記高周波成分に起因した複数のＢ−Ｈ曲線のマイナーループを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気特性測定方法。
【請求項４】
前記損失測定情報は、前記測定対象磁性材料の微小形状変化を光学的に検出する光変位検出信号に基づく磁歪測定情報であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載された磁気特性測定方法。
【請求項５】
測定対象磁性材料を交流励磁信号で励磁する励磁手段と、
励磁された前記測定対象磁性材料の磁束密度Ｂと磁界の強さＨを測定し、時間軸に沿った複数のＢ−Ｈ曲線を生成するＢ−Ｈ曲線生成手段と、
前記測定対象磁性材料の時系列的な損失情報を測定する損失情報測定手段と、
前記複数のＢ−Ｈ曲線を時間軸に沿って離散的に配列表示するとともに、前記測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報を前記各Ｂ−Ｈ曲線の時間軸に沿って配列表示する３次元表示手段、
とで構成されたことを特徴とする磁気特性測定装置。
【請求項６】
前記交流励磁信号は基本波成分に高周波成分が重畳されたものであり、前記Ｂ−Ｈ曲線は前記高周波成分に起因した複数のＢ−Ｈ曲線のマイナーループを含むことを特徴とする請求項５に記載の磁気特性測定装置。
【請求項７】
前記損失情報測定手段は、
前記測定対象磁性材料の微小形状変化を光学的に検出する光変位検出手段であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の磁気特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気特性測定方法および磁気特性測定装置に関し、詳しくは、高周波領域における各種磁性材料の動的磁気特性評価に適した磁気特性測定方法および磁気特性測定装置の改良に関するものである。
【０００２】
磁性材料は、各種の産業分野で、いろいろな用途に広く用いられている。たとえばハイブリッドカーにおける各種の動力駆動源としてのモータや直流電力を交流電源に変換するインバータは、磁性材料を重要基礎部品として構成されている。
【０００３】
ところが、省エネルギーや環境保護などの視点からも注目されているハイブリッドカーでは、モータやインバータから発生する「うなり音」が、車内の快適性を阻害する耳障りな騒音として指摘されている。これは、アクセルと連動して変化する駆動周波数領域に、耳障りな騒音として感じる周波数成分が含まれていることに起因している。
【０００４】
すなわち、金属に磁界を加えることにより、金属には「磁歪」といわれる１０−６ｍを単位とするような微小な伸縮が発生する。この磁歪は、周囲の空気を振動させて、「磁気歪音」といわれる音を発生させるが、駆動周波数によっては前述のような高周波の「うなり音」になり、ハイブリッドカーの利用者に不快感を与えてしまう。
【０００５】
一方、磁性材料を用いた部品・装置の小型化・大容量化・高効率化のために、汎用のインバータでは数１０ＫＨｚから数１００ＫＨｚへ、ＵＰＳ（無停電電源装置）では数１０ＭＨｚを目指して、駆動周波数の高周波化が加速されつつある。
【０００６】
また、インバータの駆動にあたっては、正弦波駆動に代えて、正弦波信号に所定の振幅を有しパルス幅が正弦波の変化分に応じて変化するように調整されたパルス幅信号を重畳させるとともに、パルス幅信号のゼロレベルラインをたとえば正弦波信号周期の１／１２の間隔で段階的に変化させた擬似正弦波信号で駆動することも行われている。
【０００７】
この場合、インバータの出力電圧の変化が非常に小さいため、半導体素子のスイッチング損失を大幅に小さくできる。また、インバータの出力波形が擬似正弦波であるため、後段の平滑フィルタを不要にしたり、容量を大幅に小さくできることから、フィルタ回路での損失も低減できる。
【０００８】
さらに、磁性材料を用いた電源の実際の励磁状態に着目すると、正弦波励磁よりも矩形波励磁がほとんどになっている。ところが、矩形波は高次の高調波成分を含むことから、正弦波励磁に比べてヒステリシス損と渦電流損の和で表される鉄損が増加し、周波数が高くなるとその違いはさらに大きくなる。
【０００９】
ここで、鉄損は、磁性材料の鉄心（コア）にコイルを巻いて交流で磁化した時に失われる電気エネルギーであって、コイルの導線の抵抗によって失われる電気エネルギーである銅損と合わせて、電動機や発電機、変圧器などの電気機械の効率を低下させる。
【００１０】
ヒステリシス損は、鉄心の磁区が交番磁界によって磁界の向きを変えるときの損失であり、この損失はループ状になるヒステリシス曲線（Ｂ−Ｈ曲線）で表され、その大きさはこのヒステリシス曲線の輪に囲まれた部分の面積に比例する。
【００１１】
渦電流損は、鉄心の中に発生する渦電流によって生じるものであり、前述のように高周波になるほど渦電流損の比率が大きくなる。このような渦電流を流れにくくするために、透磁率が高くて導電率は低い材料を使ったり、渦電流の大きさは板厚の２乗に比例することに着目して両面に絶縁加工を施した薄い材料を重ねて使うなどの対策がとられる。
【００１２】
これら各種磁性材料の研究開発や製造検査にあたっては、測定対象磁性材料の磁気特性および各種損失情報を含む所望の測定項目の測定結果が、効率よく高精度に得られることが望ましい。
【００１３】
図５は、従来から一般的に行われている磁性材料の静的な磁気特性測定方法の説明図であり、（Ａ）は励磁信号の一例を示し、（Ｂ）は（Ａ）の励磁信号で励磁することにより求められる静的なＢ−Ｈ曲線の一例を示している。
【００１４】
図５において、励磁信号は（Ａ）に示すように交流の基本波成分のみであり、Ｂ−Ｈ曲線は（Ｂ）に示すようにメジャーループのみである。（Ｂ）に示すような静的なＢ−Ｈ曲線に基づいて定常状態での鉄損などの特性値を求めるとともに、実使用環境での特性値も推定している。
【００１５】
図６は、磁性材料の実使用環境における動作説明図であり、（Ａ）は励磁信号の一例を示し、（Ｂ）は（Ａ）の励磁信号で励磁した場合のＢ−Ｈ曲線の一例を示している。
【００１６】
図６において、実使用環境における励磁信号には、（Ａ）に示すように、交流の基本波成分に高周波成分が重畳されている。そして、Ｂ−Ｈ曲線には、（Ｂ）に示すように、交流の基本波成分に対応したメジャーループと、このメジャーループの内側に一部分が連結された高周波成分に起因した複数のマイナーループが表れている。
【００１７】
特許文献１には、ＰＷＭインバータの出力周期のすべてに渡って、スイッチングリプルによる鉄損のみを正確に算定するリアクトル損失測定方法が開示されていて、メジャーループと動的マイナーループについても記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００８−１２２２１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかし、静的なＢ−Ｈ曲線に基づいて実使用環境での特性値を推定する従来の方法によれば、高周波成分に起因する複数のマイナーループが及ぼす測定対象とする磁性材料の動的な磁気特性を適切に反映させることは困難であり、誤差が大きくなるという問題点があった。
【００２０】
このような問題点の解決方法として、励磁信号にオフセットを付加して静的なマイナーループを測定する方法や、実使用環境を模擬した励磁信号で励磁して測定する方法なども提案されているが、測定結果の表示は従来と同様なＢ−Ｈ曲線による表示であって測定対象とする磁性材料の動的な特性を適切に表示することは困難であり、損失情報を関連付けて表示することもできない。
【００２１】
本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、動的に変化する各種磁性材料の磁気特性および損失測定情報を相互に関連付けて適切に表示できる磁気特性測定方法および磁気特性測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
このような課題を達成する請求項１の発明は、測定対象磁性材料を交流励磁信号で励磁して磁束密度Ｂと磁界の強さＨを測定することによりＢ−Ｈ曲線を求め、前記測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報を前記Ｂ−Ｈ曲線の時間軸に沿って配列表示することを特徴とする磁気特性測定方法である。
【００２３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気特性測定方法において、前記Ｂ−Ｈ曲線を時系列的に複数求め、これら複数のＢ−Ｈ曲線を時間軸に沿って離散的に配列表示するとともに、前記測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報を前記各Ｂ−Ｈ曲線の時間軸に沿って配列表示することを特徴とする。
【００２４】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の磁気特性測定方法において、前記交流励磁信号は基本波成分に高周波成分が重畳されたものであり、前記Ｂ−Ｈ曲線は前記高周波成分に起因した複数のＢ−Ｈ曲線のマイナーループを含むことを特徴とする。
【００２５】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載された磁気特性測定方法において、前記損失測定情報は、前記測定対象磁性材料の微小形状変化を光学的に検出する光変位検出信号に基づく磁歪測定情報であることを特徴とする。
【００２６】
請求項５の発明は、
測定対象磁性材料を交流励磁信号で励磁する励磁手段と、
励磁された前記測定対象磁性材料の磁束密度Ｂと磁界の強さＨを測定し、時間軸に沿った複数のＢ−Ｈ曲線を生成するＢ−Ｈ曲線生成手段と、
前記測定対象磁性材料の時系列的な損失情報を測定する損失情報測定手段と、
前記複数のＢ−Ｈ曲線を時間軸に沿って離散的に配列表示するとともに、前記測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報を前記各Ｂ−Ｈ曲線の時間軸に沿って配列表示する３次元表示手段、
とで構成されたことを特徴とする磁気特性測定装置である。
【００２７】
請求項６の発明は、請求項５に記載の磁気特性測定装置において、前記交流励磁信号は基本波成分に高周波成分が重畳されたものであり、前記Ｂ−Ｈ曲線は前記高周波成分に起因した複数のＢ−Ｈ曲線のマイナーループを含むことを特徴とする。
【００２８】
請求項７の発明は、請求項５または請求項６に記載の磁気特性測定装置において、前記損失情報測定手段は、前記測定対象磁性材料の微小形状変化を光学的に検出する光変位検出手段であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
これらにより、動的に変化する各種磁性材料の磁気特性および磁歪測定情報を、時系列的に相互に関連付けて適切に表示できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に基づく表示形態の一実施例を示す説明図である。
【図２】本発明に基づく表示形態の他の実施例を示す説明図である。
【図３】本発明に基づく表示形態の他の実施例を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図５】従来から一般的に行われている磁性材料の静的な磁気特性測定方法の説明図である。
【図６】磁性材料の実使用環境における動作説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明に基づく表示形態の一実施例を示す説明図である。
【００３２】
図１において、（Ａ）では、測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報としての磁歪測定情報の大きさを線分の長さで表すようにして、図５（Ｂ）に示した静的なＢ−Ｈ曲線のメジャーループの時間軸に沿って、離散的に配列表示されている。一方、（Ｂ）では、測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報としての磁歪測定情報の振幅の大きさを線分の長さで表すようにして、時間軸に沿って連続する動的なＢ−Ｈ曲線上に離散的に配列表示されている。
【００３３】
図２は本発明に基づく表示形態の他の実施例を示す説明図である。
【００３４】
図２において、（Ａ）では、測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報としての磁歪測定情報の大きさを線分の濃淡階調で表すようにして、図５（Ｂ）に示した静的なＢ−Ｈ曲線のメジャーループの時間軸に沿って、離散的に表示されている。一方、（Ｂ）では、測定対象磁性材料の時系列的な損失測定情報としての磁歪測定情報の振幅の大きさを線分の濃淡階調で表すようにして、図６（Ｂ）に示したメジャーループの内側に一部分が連結された高周波成分に起因した複数のマイナーループが表れている動的なＢ−Ｈ曲線の時間軸に沿って、離散的に表示されている。
【００３５】
これらの表示形態によれば、Ｂ−Ｈ曲線と損失測定情報としての磁歪測定情報が時系列的に相互に関連付けられて表示されるので、たとえば前述のような「磁気歪音」とＢ−Ｈ曲線との相互関係を視覚的に把握でき、「磁気歪音」を軽減するための各種の対策を講じた場合の効果を表示画面上で直観的に確認できる。
【００３６】
図３は、動的なＢ−Ｈ曲線の表示例であり、（Ａ）は時間軸Ｔの方向に沿ってＢ−Ｈ曲線が閉じることなく螺旋状に連続する例を示し、（Ｂ）は測定周期ごとに閉じた複数のＢ−Ｈ曲線が時間軸Ｔの方向に沿って配列表示された例を示している。これら図３のＢ−Ｈ曲線にも図１や図２に示す本発明に基づく表示形態を適用することにより、Ｂ−Ｈ曲線と損失測定情報としての磁歪測定情報を時系列的に相互に関連付けて表示できる。
【００３７】
図４は、本発明に基づく磁気特性測定装置の一実施例を示す構成説明図である。図４において、測定対象磁性材料１は、励磁信号発生部２ａにより、所定の励磁信号で励磁される。このような励磁信号発生部２ａとしては、たとえば任意の波形を出力できる任意波形発生器やファンクションジェネレータを用いてもよい。
【００３８】
電流測定部２ｂは励磁状態における測定対象磁性材料１に流れる電流を検出コイルを介して測定し、電圧測定部２ｃは励磁状態において測定対象磁性材料１に印加される電圧を検出コイルを介して測定する。これらの測定データは、測定時刻データとともに測定データ格納部２ｇに逐次格納される。これら電流測定部２ｂおよび電圧測定部２ｃとしては、たとえばデジタルオシロスコープを用いてもよい。
【００３９】
損失情報測定部２ｄは、励磁状態における測定対象磁性材料１の磁歪による微小な形状変化を測定するものであり、たとえば光変位計を用いる。励磁状態における測定対象磁性材料１の振動波や音波は、電流波形と相似した波形になる。光変位計を用いれば、振動センサやマイクで測定する場合に比べて、より広帯域に渡り、振動や音の成分を検出測定できる。これらの測定データも、測定時刻データとともに測定データ格納部２ｇに逐次格納される。
【００４０】
測定対象パラメータ格納部２ｅには、測定対象磁性材料１の断面積、磁路長などのパラメータが格納されている。
【００４１】
操作入力部２ｆは、作業者が装置に対して一連の測定に必要な命令や指示を入力するためのインタフェースである。
【００４２】
磁束密度演算部２ｈは、次式に示す所定の演算式に基づいて、磁束密度Ｂを算出する。
磁束密度Ｂ＝Integ（Ｃ１）／（Ｋ１＊Ｋ２）
ここで、
Integは積分演算を表し、
Ｃ１は電圧測定部２ｃで測定された電圧であり、
Ｋ１はピックアップコイル（Ｂコイル）の巻数であり、
Ｋ２は測定対象磁性材料１の断面積である。
【００４３】
磁界強度演算部２ｉは、次式に示す所定の演算式に基づいて、磁界強度Ｈを算出する。
磁界強度Ｈ＝Ｃ２＊Ｋ４／Ｋ３
ここで、
Ｃ２は電流測定部２ｂで測定された電流であり、
Ｋ３は測定対象磁性材料１の磁路長であり、
Ｋ４は主巻線（Ｈコイル）の巻数である。
【００４４】
Ｂ−Ｈ曲線生成部２ｊは、測定データ格納部２ｇに格納されている測定データと磁束密度演算部２ｈおよび磁界強度演算部２ｉの演算結果に基づき、図１から図３に示すような表示を行うためのＢ−Ｈ曲線を生成する。
【００４５】
鉄損演算部２ｋは、たとえばＢ−Ｈ曲線生成部２ｊで生成されたＢ−Ｈ曲線に基づき、測定対象磁性材料１の鉄損を演算する。
【００４６】
Ｂ−Ｈ曲線関連情報重畳部２ｍは、Ｂ−Ｈ曲線生成部２ｊで生成されたＢ−Ｈ曲線に、損失情報測定部２ｄで測定された測定対象磁性材料１の時系列的な磁歪情報や、鉄損演算部２ｋで算出された鉄損を、たとえば図１や図２に示すような所望の形態で表示するように、重畳する。
【００４７】
Ｂ−Ｈ曲線３次元表示生成部２ｎは、Ｂ−Ｈ曲線生成部２ｊで生成され（Ｘ−Ｙ）軸上で２次元に表示されるＢ−Ｈ曲線を、図３に示すように時間軸Ｔ（Ｚ軸）に沿って展開表示するための表示画面を生成する。
【００４８】
なお、このＢ−Ｈ曲線３次元表示生成部２ｎは、必要に応じて、たとえば図２（Ｂ）に示すＢ−Ｈ曲線における複数のマイナーループを時間軸に沿って分離表示するように処理することもできる。
【００４９】
さらに、Ｂ−Ｈ曲線３次元表示生成部２ｎは、必要に応じて、Ｂ−Ｈ曲線の３次元表示画像を任意の角度で回転表示するように処理することもできる。これにより、Ｘ−Ｙ、Ｘ−Ｚ、Ｙ−Ｚ，Ｘ−Ｙ−Ｚなどの特定の関係にのみ注目した表示観測も行える。
【００５０】
表示部２ｐは、各部で生成された各画像を図１から図３に示すような所望の表示形態で表示するものであり、たとえば液晶などの平面型表示パネルを用いる。
【００５１】
制御部２ｑは、装置全体の動作を統括制御するものであり、たとえばバスＢを介して装置を構成する各部と相互に接続されている。なお、各部が単体の独立した装置で構成されている場合には、バスＢは装置相互を接続するネットワークとして機能することになる。
【００５２】
図４の構成によれば、従来はＸ−Ｙ平面でのトレース情報として表示されていた測定結果を、その値が観測された時間情報をＺ軸として付加された３次元のトレース情報として表示することができ、Ｂ−Ｈ曲線と損失測定情報としての磁歪測定情報が時系列的に相互に関連付けられて表示されるので、たとえば前述のような「磁気歪音」とＢ−Ｈ曲線との相互関係を表示画面上で直観的に確認できる。
【００５３】
なお、上記実施例では、ハイブリッドカーのモータやインバータから発生する「うなり音」に注目して説明したが、測定対象はこれに限るものではなく、電磁調理器や高周波焼入れ装置、柱上やスイッチング電源などで用いられる各種のトランス、工場や家庭で用いられる各種モータなどの磁性材料の動的磁気特性評価にも有効である。
【００５４】
以上説明したように、本発明によれば、高周波領域における各種磁性材料の動的磁気特性評価に適した磁気特性測定方法および磁気特性測定装置を実現できる。
【符号の説明】
【００５５】
１  測定対象磁性材料
２ａ  励磁信号発生部
２ｂ  電流測定部
２ｃ  電圧測定部
２ｄ  損失情報測定部
２ｅ  測定対象パラメータ格納部
２ｆ  操作入力部
２ｇ  測定データ格納部
２ｈ  磁束密度演算部
２ｉ  磁界強度演算部
２ｊ  Ｂ−Ｈ曲線生成部
２ｋ  鉄損演算部
２ｍ  Ｂ−Ｈ曲線関連情報重畳部
２ｎ  Ｂ−Ｈ曲線３次元表示生成部
２ｐ  表示部
２ｑ  制御部
【図１】
2011226840.tif 000003
【図４】
2011226840.tif 000004
【図５】
2011226840.tif 000005
【図６】
2011226840.tif 000006
【図２】
2011226840.tif 000007
【図３】
2011226840.tif 000008