(57)【要約】【課題】励磁した試料の磁気特性や磁気歪み等の物性を測定する磁気的測定装置および方法において、試料の温度分布を制御することにより、磁性材料の実使用条件に則した形で、コンパクトかつ取り扱い容易な磁気的測定装置および方法を提供することを目的とする。【解決手段】試料を励磁することができ、かつ前記試料の物性を測定する磁気的測定装置において、前記試料の温度分布を制御する装置を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を励磁することができ、かつ前記試料の物性を測定する磁気的測定装置において、
前記試料の温度分布を制御する装置を備えたことを特徴とする磁気的測定装置。
【請求項２】
試料を励磁することができ、かつ前記試料の物性を測定する磁気的測定装置において、
励磁方向における前記試料の温度分布を制御する装置を備えたことを特徴とする磁気的測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の磁気的測定装置において、
前記試料の励磁した部分の励磁方向の中央部および両端部の温度を制御することを特徴とする磁気的測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の磁気的測定装置において、
前記試料の一部分あるいは全ての周囲に巻線を配置し、該巻線に電流を流すことにより試料を励磁することを特徴とする磁気的測定装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の磁気的測定装置において、
前記試料の一部または全てを含んだ磁気回路を構成することを特徴とする磁気的測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気的測定装置において、
前記試料をヨークと接することにより磁気回路を構成し、前記試料の励磁した部分における励磁方向の中央部および前記ヨークの温度を制御することを特徴とする磁気的測定装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の磁気的測定装置において、
励磁した試料の磁気特性を測定することを特徴とする磁気的測定装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の磁気的測定装置において、
励磁した試料の磁気歪みを測定することを特徴とする磁気的測定装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の磁気的測定装置において、
励磁した試料の磁区構造を測定することを特徴とする磁気的測定装置。
【請求項１０】
試料を励磁することができ、かつ前記試料の物性を測定する磁気的測定方法において、
前記試料の温度分布を制御することにより応力を試料に付与することを特徴とする磁気的測定方法。
【請求項１１】
試料を励磁することができ、かつ前記試料の物性を測定する磁気的測定方法において、
励磁方向における前記試料の温度分布を制御することにより応力を試料に付与するとを特徴とする磁気的測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性材料を励磁したときにおける、磁束密度や磁気歪みなどの磁気的特性を測定する磁気的測定装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気機器の高性能化に伴い、磁性材料に求められる特性は益々厳しくなっている。その特性評価は、一般に行われている出荷直前の素材特性評価はもとより、変圧器や回転機などの実機で使用されるときの実使用条件に則した形での評価方法が求められるようになってきた。
【０００３】
例えば、変圧器に使用される電磁鋼板では、実使用条件では鉄損等による発熱が生じ、その熱は鉄心内の温度勾配により鉄心外へ放出するため、実使用条件において電磁鋼板の温度は均一でなく温度分布が存在する。
【０００４】
すなわち、実使用条件における磁性材料には、多くの場合温度分布が存在する。したがって、温度分布があることによる熱膨張により材料に応力が付加された状態であることは少なくない。そしてこの応力は、一般的には励磁方向と無関係な方向に働いている。
【０００５】
磁性材料に応力が付与されると磁区構造が大きく変化することがあり、材料の磁気特性（透磁率、ヒステリシスループ、鉄損等）および磁気歪みが応力によって大きく変化する場合がある。このため、機器性能の向上を目指すには、通常行っている素材の磁気特性評価のみならず、実際に使用されている温度分布あるいは応力状態での磁気特性評価も行う必要がある。
【０００６】
従来の技術では、磁気特性（透磁率、ヒステリシスループ、鉄損等）の応力依存性を調査する場合、短冊状試験片を長手方向に引張り、これを単板磁気測定装置で測定する方法が行われてきた。応力は、一般的に試料の両端を掴み治具等で掴み、掴み治具等に力を加えることにより付与しており、このような例は、例えば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１９４９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１等に開示された方法では、試料に付与する応力の方向と励磁方向は平行であり励磁方向に直角な方向の応力が付与できない一方、実使用条件で付加される応力は励磁方向のみならず様々な方向に働くこと、および圧縮応力を付与した場合試料が変形しやすいこと等の問題があった。
【０００８】
また、試料の周囲に配置した巻線に電流を流すことによって試料を励磁する場合では、励磁方向に直角な方向に掴み治具等で応力を付与しようとすると、巻き線に妨害されるため試料を掴むことが困難であった。
【０００９】
更に、応力の方向と励磁方向が平行な場合には掴み部を試料の励磁部外にすることができるが、応力の方向と励磁方向が直角の場合には掴み部を試料の励磁部外にすることができず、掴み治具等の使用では試料に歪みが入りその磁気特性等への影響を除外することは困難であった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、励磁した試料の磁気特性や磁気歪み等の物性を測定する磁気的測定装置および方法において、試料の温度分布を制御することにより、磁性材料の実使用条件に則した形で、コンパクトかつ取り扱い容易な磁気的測定装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に係る発明は、試料を励磁することができ、かつ前記試料の物性を測定する磁気的測定装置において、前記試料の温度分布を制御する装置を備えたことを特徴とする磁気的測定装置である。
【００１２】
また本発明の請求項２に係る発明は、試料を励磁することができ、かつ前記試料の物性を測定する磁気的測定装置において、励磁方向における前記試料の温度分布を制御する装置を備えたことを特徴とする磁気的測定装置である。
【００１３】
また本発明の請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の磁気的測定装置において、前記試料の励磁した部分の励磁方向の中央部および両端部の温度を制御することを特徴とする磁気的測定装置である。
【００１４】
また本発明の請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の磁気的測定装置において、前記試料の一部分あるいは全ての周囲に巻線を配置し、該巻線に電流を流すことにより試料を励磁することを特徴とする磁気的測定装置である。
【００１５】
また本発明の請求項５に係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の磁気的測定装置において、前記試料の一部または全てを含んだ磁気回路を構成することを特徴とする磁気的測定装置である。
【００１６】
また本発明の請求項６に係る発明は、請求項５に記載の磁気的測定装置において、前記試料をヨークと接することにより磁気回路を構成し、前記試料の励磁した部分における励磁方向の中央部および前記ヨークの温度を制御することを特徴とする磁気的測定装置である。
【００１７】
また本発明の請求項７に係る発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の磁気的測定装置において、励磁した試料の磁気特性を測定することを特徴とする磁気的測定装置である。
【００１８】
また本発明の請求項８に係る発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の磁気的測定装置において、励磁した試料の磁気歪みを測定することを特徴とする磁気的測定装置である。
【００１９】
また本発明の請求項９に係る発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の磁気的測定装置において、励磁した試料の磁区構造を測定することを特徴とする磁気的測定装置である。
【００２０】
また本発明の請求項１０に係る発明は、試料を励磁することができ、かつ前記試料の物性を測定する磁気的測定方法において、前記試料の温度分布を制御することにより応力を試料に付与することを特徴とする磁気的測定方法である。
【００２１】
さらに本発明の請求項１１に係る発明は、試料を励磁することができ、かつ前記試料の物性を測定する磁気的測定方法において、励磁方向における前記試料の温度分布を制御することにより応力を試料に付与するとを特徴とする磁気的測定方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、励磁した試料の磁気特性や磁気歪み等の物性を測定するに際して、上述した掴み治具等による応力付与方法での問題を解決でき、磁性材料の実使用条件に則した形で、コンパクトかつ取り扱い容易に測定ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明者らは、方向性電磁鋼板における単板磁気測定あるいはエプスタイン測定における評価と、実使用条件である変圧器での評価との差異の原因解明のため、鋭意研究を進めた結果、試料の温度分布の影響が比較的大きいことを発見した。すなわち、磁性材料の素材特性から実使用条件での特性を予測することにおいて、磁性材料の温度分布の影響を考慮することにより、予測をより正確にすることができるというものである。
【００２４】
したがって、実使用条件での磁性材料の特性を予測するには、試料の温度分布を制御した状態において励磁した試料の物性、例えば磁気特性、磁気歪み、磁区構造等を測定することが重要である。
【００２５】
必ずしも明らかではないものの、温度分布が試料の物性に与える影響は、温度分布があることによる熱膨張の差異により材料に応力が付与されたことに起因すると考えられる。励磁方向に平行な応力の影響は、比較的容易に従来の測定方法で測定が可能であるが、励磁方向に直角な応力の影響を測定するのは従来の測定方法では困難である。本発明では、励磁方向に温度勾配を与え、励磁方向に直角な応力成分の影響をも評価することが可能となる。試料の励磁した部分において励磁方向の中央部および両端部の温度を制御することにより試料に温度勾配を与えれば、試料の測温値から熱膨張を計算し応力を換算する等の解析が容易になる。
【００２６】
試料の励磁方法は、広く普及している磁気測定装置と同様に、巻線に電流を流す方法でよい。すなわち、試料の一部分あるいは全ての周囲に巻線を配置し、該巻線に電流を流すことにより試料を励磁する。励磁波形は、調査する目的に応じて選択すればよく、交流でも直流でもよく、また任意波形でもよい。この様な巻線による励磁方法では、本発明により励磁方向と直角に応力を与えることが極めて容易となる。
【００２７】
試料の磁束密度を均一にするため、試料の一部または全てを含んだ磁気回路を構成することが望ましい。その際、試料をヨークと接することにより磁気回路を構成する場合では、試料の励磁した部分における励磁方向の中央部およびヨークの温度をそれぞれ制御すれば、比較的容易に励磁方向に温度勾配を与えられる。
【００２８】
試料の温度を制御するときのヒーターは、ニクロム線等に電流を流しジュール熱で加熱するものでよい。ヒーターの制御は、温度を制御する場所の測温値を用いてＰＩＤコントローラー等でおこなえばよい。また、励磁に用いる巻線の内側にヒーターを設置する場合では、市販の薄型のヒーターが適している。ヒーターは磁気測定に影響する可能性があるので非磁性体が好ましいが、磁性体でも予めヒーターの磁気測定への影響等を測定しておき補正すればよい。特に磁気歪みを測定する場合では、ヒーターと試料の摩擦の影響をなくすため、ヒーターと試料は非接触とするのがよい。また、測定したい温度域が低温の場合では、室温、測定器全体、あるいは、ヨークなどの装置の一部分を冷却した状態でヒーターを使用すればよい。
【００２９】
測温は熱電対等でおこなえばよい。磁気特性等の測定時とは別に、温度を制御している状態での試料の温度分布を熱電対等で測温し、有限要素法等で試料の応力分布を解析すれば、応力と磁気特性等の関係がより正確になる。
【００３０】
また、単板磁気測定やエプスタイン測定等の通常の磁気測定器等では、励磁に用いる巻線部よりも試料の長さを任意に長くすることができるが、この巻線部外の部分も励磁部における試料の応力に影響するので考慮する必要がある。逆に、試料の長さを変えることや、巻線部外にある試料の部分の温度を制御することによって、励磁部における試料の応力を制御することができる。
【００３１】
上述の様な磁性材料に温度分布がある場合の特性を評価することは、変圧器の設計あるいは素材開発に極めて有益となる。
【実施例１】
【００３２】
図１〜５を参照して、本発明に係る実施例１について説明する。図１は、実施例１における測定装置の概略を示す図である。また、図２は、図１のA-A’線での断面図である。さらに、また、図３は、図１のB-B’線での断面図である。また、図４は、実施例１における試料1の温度分布を示す図である。さらに、図５は、試料中央の温度を一定とし、ヨーク温度を変化させた場合の磁歪変化を示す図である。図中、１は試料、２は励磁コイルおよび検出コイル、３はヨーク、４はヨーク下側ヒーター、５は試料上側ヒーター、６はヨーク下側ヒーター、７はヨーク下側温度計、８は試料上側温度計、および９はヨーク下側温度計をそれぞれ表す。
【００３３】
板厚0.3mmの電磁鋼板を幅100mm、長さ300mmに切り出した試料1を、励磁コイルおよび検出コイル２の中に挿入した。試料１の両側はヨーク３の上に配置され、試料１とヨーク３は磁気的に結合させることにより磁気回路を構成した。このとき、励磁コイルおよび検出コイル２による励磁方向は図1のB-B’線に平行である。また、励磁コイルおよび検出コイル２の中には、試料上側ヒーター５を図１〜３に示す様に試料1の上側に試料とは接触しない状態で配置し、ヨーク下側ヒーター４および６を図1〜3に示されるヨーク３の下側に配置した。これらのヒーターはニクロム線に電流を流しジュール熱を発生するもので、ヨーク下側温度計７および９と試料上側温度計８の測温値がそれぞれ一定となるように、これらのヒーターに流す電流値を独立にＰＩＤコントローラーで制御した。
【００３４】
試料上側温度計８が５０℃一定となるように制御し、ヨーク下側温度計７および９を２３℃の室温から６０℃まで変更した時の試料１の上面の温度を、熱電対により測温した。図１のA-A’線上における試料上面の温度は一定であったが、図１のB-B’線上おける試料上面の温度は、図４に示すような温度分布となった。このように、励磁方向における試料の温度分布を制御することができた。なお、ヨーク下側温度計７および９を２３℃の室温に制御したときは、ヨーク下側ヒーター４および６に電流は流さなかった。
【００３５】
ここで、上述のような温度分布がある場合の応力を、次のように概算した。計算を簡単にするため、試料の長さ方向の中央部(長さ:X)における温度が一定であり、また試料の長さ方向の両端部(長さ:2Y)における温度が同一で一定であるとし、その温度差をΔTとする。また、温度が均一で一定(ΔT=0)の長方形の板が、温度分布(ΔT≠0)が生じた場合でも長方形であるとすると、試料の長さ方向の中央部に働く幅方向の圧縮応力:σは、熱膨張係数:αとヤング率：Eとすれば、次式で表せる。
【００３６】
σ＝ΔT・E・α・2Y÷(X+2Y)
ここで、３mass%のSi鋼におけるαは14×10-6程度、ヤング率は19000kgf/mm2程度であり、Xを100mm、2Yを200mm、ΔTを10℃として計算すると、σは1.8kgf/mm2程度となる。この応力の大きさは、電磁鋼板において磁区構造に影響を与えるのに十分であり、磁気特性、磁気歪みに影響を与えると考えられる。なお、実際の試料では長方形ではなく膨らんだ形状になるので、この値よりも小さな応力になると考えられる。より詳細な応力の値が必要な場合は、有限要素法等で詳細に計算すればよい。
【００３７】
ここで、図１において、ヨーク温度と試料中央温度がともに常温の場合、および試料中央の温度を５０℃一定とし、ヨーク温度を変化させた場合の磁歪λp-pを図５に示す。この図より、試料に生じる温度分布が、材料の物性（磁気歪み）に少なからず影響を与えていることが分る。
【００３８】
以上述べた実施例１における測定装置によれば、励磁方向における試料の温度分布を制御することができ、かつ通常通りの磁気測定が可能である。また、試料に反射鏡を取り付けレーザー光により反射鏡の変異を測定することや、試料に歪みゲージを取り付けることにより、磁気歪みも測定することが可能である。
【実施例２】
【００３９】
図６〜９を参照して、本発明に係る実施例２について説明する。図６は、実施例２における測定装置の概略を示す図である。また、図７は、図６のA-A’線での断面図である。さらに、また、図８は、図６のB-B’線での断面図である。また、図９は、実施例２における試料1の温度分布を示す図である。図中の番号は、実施例１と同じであるので説明を省略する。
【００４０】
板厚0.3mmの電磁鋼板を幅100mm、長さ300mmに切り出した試料1を、励磁コイルおよび検出コイル２の中に挿入した。試料１の両側はヨーク３の上に配置され、試料１とヨーク３は磁気的に結合させることにより磁気回路を構成した。このとき、励磁コイルおよび検出コイル２による励磁方向は図６のB-B’ 線に平行である。また、励磁コイルおよび検出コイル２の中には、試料上側ヒーター５、を図６〜８に示す様に試料1の上側に試料とは接触しない状態で配置し、ヨーク下側ヒーター４および６を、図６、８に示されるヨーク３の下側に配置した。これらのヒーターはニクロム線に電流を流しジュール熱を発生するもので、ヨーク下側温度計７および９と試料上側温度計８の測温値が一定となるように、これらのヒーターに流す電流値を独立にＰＩＤコントローラーで制御した。
【００４１】
試料上側温度計８を２３℃の室温から６０℃まで変更した時の試料１の上面の温度を、熱電対により測温した。図６のB-B’線上における試料上面の温度は一定であったが、図６のA-A’線上おける試料上面の温度は、図９に示すような温度分布となった。このように、励磁方向に直角な方向における試料の温度分布を制御することができた。なお、ヨーク下側温度計７および９は、図６のB-B’線上における試料上面の温度が一定となるように制御した。
【００４２】
以上述べた実施例２における測定装置によれば、励磁方向における直角な方向における試料の温度分布を制御することができ、通常の磁気測定が可能である。また、試料に反射鏡を取り付けレーザー光により反射鏡の変異を測定することや、試料に歪みゲージを取り付けることにより、磁気歪みも測定することが可能である。
【００４３】
上述した実施例１と実施例２を組み合わせることや、ヒーターの形状等を変更することにより、試料の幅方向と長さ方向の温度分布を同時に制御することが可能となる。
【実施例３】
【００４４】
図１０は、実施例３における測定治具の概略を示す図である。１は試料、１０は高温部、および１１は凹凸化防止治具をそれぞれ表す。
【００４５】
板厚0.3mmの電磁鋼板を幅100mm、長さ100mmに切り出した試料１の裏面の中央に温度計および直径10mmの円形のヒーター(図示せず)を取り付けた。試料裏面の温度計の値が５０℃になるようにヒーターの電流を制御した。室温の雰囲気内の試料では、試料中央の高温部１０が熱膨張により膨らもうとするため、試料面内でほぼ等方的な圧縮応力が働く。
【００４６】
試料の反り（浮き上がり）を防止するために、図１０に示す十字型の凹凸化防止治具で、試料を拘束した。このようにした試料に外部から磁場を与えた状態で、ビッター法等により磁区構造を観察(磁区幅やランセット磁区の個数密度等の測定)することは比較的容易に可能である。
【００４７】
なお、上述の実施形態において示した各部の形状および構造は、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。すなわち、本発明はその趣旨および主要な特徴から逸脱することがなければ、さまざまな形で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施例１における測定装置の概略を示す図である。
【図２】図１のA-A’線での断面図である。
【図３】図１のB-B’線での断面図である。
【図４】実施例１における試料1の温度分布を示す図である。
【図５】試料中央の温度を一定とし、ヨーク温度を変化させた場合の磁歪変化を示す図である。
【図６】実施例２における測定装置の概略を示す図である。
【図７】図６のA-A’線での断面図である。
【図８】図６のB-B’線での断面図である。
【図９】実施例２における試料1の温度分布を示す図である。
【図１０】実施例３における測定治具の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１          試料
２          励磁コイルおよび検出コイル
３          ヨーク
４          ヨーク下側ヒーター
５          試料上側ヒーター
６          ヨーク下側ヒーター
７          ヨーク下側温度計
８          試料上側温度計
９          ヨーク下側温度計
１０        高温部
１１        凹凸化防止治具
【図１】
2007192602.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007192602.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007192602.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007192602.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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