平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

IEC 標準化に向けた材料評価のための単板磁気測定技術
沓掛暁史 * ・城門由人 * ・池田哲 *・金田嗣教 ** ・榎園正人 ****企画連携担当・ **大分県産業創造機構・ ***大分大学

Measurement technology of single sheet tester for material evaluation
towards IEC standardization
Akifumi KUTSUKAKE * ・Yukihito KIDO * ・Tetsu IKEDA * ・Tsugunori KANADA **・Masato ENOKIZONO ****要

Planning Group・ ** Organization for Industry Creation・ *** Oita university

旨
大分県では，平成 20 年 1 月から平成 24 年 12 月の 5 年間，県内外の産学官が連携し「大分県地域結集型研究開発プログラム」（独立行政法人 科学技術振興機構）での研究開発事業を実施し，次世代電磁力応用機器の開発に取り組んだ．電磁力応用機器の構成部材で，機器の効率やサイズへの関与が大きいのが電磁鋼板である．我々は当該事業において，特に電磁鋼板の磁気特性の測定技術に関する研究開発を推進した．本稿では，研究開発事業の期間中に当センターで開発または導入した磁気特性試験器の概要と，磁気特性等の測定結果について報告する．

1.

はじめに

2.

電磁鋼板やアモルファス金属薄帯等の電力用軟磁性材

標準測定のための磁気特性試験器

2.1 エプスタイン試験器

料は，電磁力応用機器の性能や効率に大きく関与する．

Fig.1 は，IEC 規格（IEC 60404-2(2)）に準拠した商用

従って，高効率高出力機器の設計開発では，機器に最適周波用エプスタイン試験器（メトロン技研 SK3266）によな磁気特性を有する電磁鋼板を選択するため，また実機り得られた磁気特性（鉄損）の測定例である．用いた試特性に近い高精度な磁界解析を行うために，鋼板の真の料は，幅 30mm×長さ 280mm，枚数は無方向性電磁鋼板

磁気特性や，鋼板に生じた残留応力等の実使用条件を考35A250 が RD と TD の各 12 枚で計 24 枚，方向性電磁鋼板慮した応力下の磁気特性が必要である．これら磁気特性30P120 が計 28 枚である．RD と TD は，それぞれ圧延方向(1)の測定を，ここでは材料の評価測定（技術）と呼ぶ ．に切り出した試料と圧延方向に直角に切り出した試料を一方，IEC（国際電気標準会議）や JIS（日本工業規示す．Fig.1 より，両試料ともに JIS の規格値（カタログ格）で標準化されている試験器には，エプスタイン試験値）W15/50≦2.50（35A250），W17/50≦1.20（30P120）を満器や単板磁気試験器がある．ここでは，標準化済みの測たしていることが分かる．

定方法を標準測定（技術）と呼ぶ．標準測定は，測定の2.2 IEC 準拠型単板磁気試験器（IEC-SST）

再現性と簡便性では優れるが，商取引の場で鋼種分類に複数枚の試料を要するエプスタイン試験に対し，1 枚の用いる値（いわゆるカタログ値）を求めることを基本的試料で測定が可能な単板磁気特性試験は IEC 規格（IECな概念とした手法のため，評価測定（真の磁気特性測3定）には向かない．また，応力下の磁気特性の測定方法

Iron loss, W[W/kg]

は，IEC や JIS では未だ標準化されていない．
このような背景のもとで我々は，磁性材料の評価測定技術の構築と IEC での標準化を目標として，引張および圧縮応力下の電磁鋼板の正確な磁気特性を測定できる応力負荷型単板磁気試験器を開発した．これに加え，標準測定のためのエプスタイン試験器および IEC 規格に適合する IEC 準拠型単板磁気試験器を整備した．本稿ではこ2.535A250
30P12021.20.5

れら試験器の特徴を示し，特に応力負荷型単板磁気試験

00 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Flux density, B[T]器で得られる磁気特性の測定結果等について報告する．

Fig.1 エプスタイン試験による鉄損曲線（50Hz）

67

平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター60404-3(3)）にて規定されている．そこで我々も，IEC 規格に準拠した単板磁気試験器を製作した．
Fig.2 に，IEC 準拠型単板磁気試験器（IEC-SST）の外観を示す．いずれもメトロン技研製である．IEC 規格で示される試料サイズは幅 500mm×長さ 500mm と大型である
が，試料やヨークの取り扱いが容易でないこと等の理由

Coil unitから，幅 100mm×長さ 500mm の試料に適合する試験器，おYoke unit

よびエプスタイン試験用試料を想定した幅 30mm×長さ（a）IEC-SST100（100mm 幅試料用）

280mm の試料に適合する試験器を製作した．以下ではそれぞれ，IEC-SST100 および IEC-SST30 と呼ぶ．試料サイズに関すること以外の仕様は，IEC 規格に準拠させた．
Table 1 に，IEC-SST100 と IEC-SST30 の主な仕様を示す．
構造の詳細は，IEC 60404-3 や参考文献(4)(5)を参照していただきたい．IEC 規格で示される単板磁気試験器は，磁界強度の算出に励磁電流法（以下，MC 法と呼ぶ）を用いる．
MC 法は実効磁路長の概念を必要とするため，測定精度のCoil unit(6)向上に限界がある ．また，B コイルは励磁コイルと同等

Yoke unitの巻幅であるため，B コイル（すなわち測定領域）の両端では磁界強度分布が不均一になる．これらの仕様は，標(b) IEC-SST30（30mm 幅試料用）

準測定としては問題ないが，評価測定のような鋼板の真Fig.2 IEC 準拠型単板磁気試験器（IEC-SST）外観の磁気特性を得る目的には向かない(4)(5)．導入した IECTable 1 IEC-SST100 と IEC-SST30 の主な仕様の比較

SST は，次章の試験器との磁気特性の測定値との比較を行い，評価測定技術の優位性の確認に用いる．

試料長3.

試料幅

材料評価のための単板磁気試験器

鋼板の評価測定技術を確立するため，IEC-SST の問題を

IEC 規格IEC-SST100

IEC-SST30500mm

500mm

280mm

500mm

100mm

30mm

励磁ｺｲﾙ巻幅440mm 以上

444mm

224mm

励磁ｺｲﾙ層数

5 層以上5層改善し，さらに応力下の磁気特性の測定を念頭においた

ヨーク磁極間450±1mm

450mm

230mm

単板磁気試験器を開発した．Fig.3 に，開発した応力負荷

内寸（外寸）（500±5mm）（500mm）（280mm）

型 単 板 磁 気 試 験 器 （ S-SST; Stress load type-Single

B コイル線径測定系に依存

φ1.0mm

φ0.5mmSheet Tester）の外観を示す．S-SST は，測定する試料のB コイル巻長440mm 以上

444mm

224mm

幅によって 100mm 幅用（以下，S-SST100 と呼ぶ）と 30mm幅用（以下，S-SST30 と呼ぶ）の 2 種がある．両 S-SST は，空隙補償ｺｲﾙ

相互誘導コイル（SST 外部）

磁界強度測定励磁電流法

JIS C 2556(7)で示される縦型複ヨーク式を基本構造とし，試料の長手方向に引張および圧縮応力を印加可能な機構

場領域に，磁束密度測定用 B コイルと空隙補償コイル，を備える．

磁界強度測定用 H コイルを配置した．正確な磁界強度の測定のため，S-SST では H コイル法を採用する．

3.1 応力負荷型単板磁気試験器（S-SST）
以下に，S-SST100 の構造を示す．S-SST30 と異なる仕様

ヨークには，低鉄損の方向性電磁鋼板 23ZDKH90 を用いは文中，語句の右肩に*印をつけ，Table 2 に比較表を示た．試料に対するヨークの圧力は，S-SST100 では上側ヨーした．両 S-SST で用いる H コイルの大きさ等の仕様は，クの自重にて一定とした．S-SST30 では，空気圧により任電力用磁性材料の評価活用技術調査専門委員会（電気学

意の圧力を印加できる機構(9)を有する．
Fig.4 は，コイルユニットの構造図である．B コイルに会）での検討結果(1)を参考にしている．
S-SST の励磁コイルには，ポリフェニレンサルファイド

は，ポリウレタン銅線（UEW）φ0.1mm を 20 回，測定領域製コイル枠の長手方向全域の 415mm 長に，ポリアミドイ

長 100mm の間に 1 層均一に巻線を施した．B コイルの空隙ミド銅線を巻いた．各層の巻線は，直列に接続した．磁

補償は，H コイル枠に H コイルとは別に巻線したコイルを気特性の測定領域は，均一な磁場が得られる励磁コイル逆相に接続して構成した．
H コイルには，幅 90mm*×長さ 140mm×厚さ 1mm の巻枠の長手方向中央部分の 100mm の間とした(8)．この均一磁68平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

B-coil frame

Yoke unit

B-coilSpecimen
Excitation coil
Excitation coilframe
H-coil holder

Coil unit

H-coil 2 (upper)
SpecimenH-coil 1 (lower)
H-coil frameStress load unit

Fig.4 S-SST のコイルユニットの構造（a）S-SST100

Specimen

Table 2 S-SST100 と S-SST30 の主な仕様の比較

Stress load unit

S-SST100

S-SST30

試料長：応力印加用

550mm

305mm

無応力用

500mm

280mm

試料幅

100mm

30mm

励磁コイル巻幅

415mm

195mm

励磁コイル層数
巻数
H コイル幅Yoke unit

応力印加手法7層計 1435 回

90mm

27mm

0.16086m2

0.04802m2

0.16689m2

0.04859m2

手動（ﾊﾝﾄﾞﾙ）空気圧(9)

H コイルエリアターン(上段：H2, 下段：H1)
Coil unit

6層計 2907 回（b）S-SST30Fig.3 応力負荷型単板磁気試験器（S-SST）した．また，ノイズ低減のため，A/D 変換後の取得波形に対して励磁周波数の第 52 次以上の高調波を除去した．
励磁電圧波形は，磁束密度波形が正弦波となるように UEWφ0.04mm を 1666 回，1 層均一に巻線を施し，H コ

ディジタルフィードバック制御により生成される．

イル枠全体を樹脂で固めた．試料幅 100mm に対し H コイ

なおエプスタイン試験器や IEC-SST でも，S-SST とほぼルの幅を 90mm にしたのは，試料切断時の残留応力による同様の機器の構成で測定を行う．

影響を排除するためである．さらに S-SST は，2 つの H コ
イルを試料の上下に，各々が試料に近接するよう配置し，3.3 H コイル法のための位相補正

磁界強度値は 2 つの H コイル出力の平均値とした．これ

試料の真の磁気特性を得るという目的では，実効磁路を，ave2H 法と呼ぶ．各 H コイルのエリアターン*は，校長が不要な H コイル法は，MC 法に比べ有利である．しか正 用 の ソ レ ノ イ ド コ イ ル （ コ イ ル 長 1900mm ， 内 径

し H コイル法では，測定システムに用いる計器や H コイ145mm）を用い，エリアターンの値が既知のコイルとの電ルの巻線容量等による測定信号間の位相誤差により，正圧値比較により求めた．

確な鉄損値が得られない．そこで我々は，S-SST 空心時のH コイルと B コイルの誘起電圧から得られる位相差を利用

また，測定時の地磁気の影響を除去するため，試料がし，H コイル電圧の位相を補正することで，正確な鉄損測地磁気に直交するように S-SST を設置した．
IEC-SST（2.2 節）と S-SST の大きな相違点は， 均一磁定を行う手法を提案した(10)．以下，S-SST の H コイル法

場での測定（B コイルの巻長）と H コイル法の採用，試料による磁気特性の測定結果には，すべて提案の位相補正への引張と圧縮応力印加機構の有無である．

を適用している．

3.2 S-SST による磁気特性測定システム

3.4 S-SST による磁気特性の測定

S-SST の励磁系には，D/A 変換器（横河電機 WE7282）とここでは，主に S-SST100 によって得られる磁気特性の測電力増幅器（高砂製作所 AA2000XG2）を用いた．測定系に定事例を示す．S-SST30 も，S-SST100 と同様の測定を行え

は，B コイルおよび H コイルの誘起電圧取得に A/D 変換器る．測定可能な最大磁束密度は，主に励磁コイル銅線の（横河電機 WE7275）を用いた．S-SST100 では，A/D 変換器

線径に対する励磁電流値によって制限される．磁界強度の前段にプリアンプ（NF 回路設計ブロック P-64）を導入の算出は，ave2H 法である．
69

21.8
1.6
1.4
1.210.80.60.40.2013
Iron loss, W[W/kg]

Flux density, B[T]平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

35A250, RD35A250, TD
30P120
Amorphous
10100
1,000 10,000
Magnetic field strength, H[A/m]＋15MPa0MPa－5MPa－10MPa－15MPa

2.5
2
1.5
10.5

00 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
Flux density, B[T](a) 磁化特性

2.5
21.535A250, RD
35A250, TD
30P120
Amorphous

Flux density, B[T]Iron loss, W[W/kg]

3(a) 鉄損特性

1.5
10.5

10.5
0-0.5
-1-1.500 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Flux density, B[T]＋15MPa0MPa－15MPa-500
0500
Magnetic field strength, H[A/m](b) 鉄損特性(b) BH 曲線（1.5T）

Fig.5 磁気特性の測定例（S-SST100, 50Hz, 無応力）

Fig.6 応力下磁気特性（S-SST100, 50Hz，35A250,RD）

Fig.5 に，S-SST100 を用いて測定した電磁鋼板数種の磁5気特性の測定例を示す．試料は無方向性電磁鋼板 35A250

Iron loss, W[W/kg]と方向性電磁鋼板 30P120 および Fe 系アモルファス金属薄帯で，励磁周波数は 50Hz である．応力は印加していな
い．このように S-SST は，方向性電磁鋼板やアモルファス金属薄帯等の高透磁率材料，低鉄損材料の磁気特性の測定が可能である．
Fig.5 では励磁周波数が 50Hz の測定例を示したが，43WEDM
Processing method A
Processing method B
Processing method C

21

周波数の増加と共に，鉄損値の増加が確認される．また，

00 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Flux density, B[T]

励磁周波数を変えて測定した結果を基に，2 周波法によりFig.7 加工方法の違いによる鉄損の差ヒステリシス損と渦電流損との分離を行うこともできる．

（S-SST30, 50Hz, 50A440, RD）

60Hz や 100Hz，200Hz での測定も行える．この場合，励磁

Fig.6 に，試料の長手方向に，引張および圧縮応力を印加して測定した磁気特性を示す．試料は無方向性電磁鋼のひとつが鋼板の加工（切断）時である．Fig.7 は，試料板 35A250，RD である．引張応力印加（＋）時の磁気特性

切り出し時の加工方法の違いによる磁気特性の差を示しは，無応力（0MPa）時とほぼ同等か好転している．一方， たもので，ワイヤ放電加工（WEDM）と比較している．現
圧縮応力時（－）の磁気特性は，応力値が大きいほど悪在，加工条件と磁気特性との関係を調査中であり，磁気化することが分かる．また圧縮応力印加時（-15MPa）の特性を劣化させない有用な加工方法の検討を進めている．

BH 曲線には，Fig.6(b)のように，中央部に特徴的なくび

また，磁性材料が交流励磁されると磁歪が生じ，電磁れが確認できる．

力機器での騒音等の一因となる．よって，材料の選定にこのように，電磁鋼板に生じた応力は磁気特性に大きおいては磁歪量の測定も必要である．Fig.8 は，S-SST100く作用する．鋼板への応力は様々な工程で生じるが，そによる無応力下での λ-B 曲線の一例で，ゲージ長が 15mm70平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

Yoke unit

Magnetic strain, λ[με]

3.5

1.0T
1.5T

3Specimen

2.5
21.5

Coil unit

1Stress load unit

0.50-1.5(a) S-SST100 Ver.2-1-0.500.5
Flux density, B[T]1Yoke unit

1.5

Fig.8 λ-B 曲線（S-SST100, 50Hz, 35A440, RD）のひずみゲージを用いて測定した．一方，S-SST の磁気特

Coil unit

性の測定領域は励磁コイル中央 100mm であるため，このStress load unit

領域の平均磁歪量の測定も必要となる．このために，1 台(b) S-SST30 Ver.2のレーザドップラ振動計による任意長の磁歪測定方法を

4.

Flux density, B[T]考案し，特許(11)を出願した．

評価測定技術を応用したその他の磁気試験器

4.1 高磁束密度測定型 S-SST（Ver.2）
3.1 節にて示した 100mm 幅用または 30mm 幅用の応力負荷型単板磁気試験器（S-SST）よりも，高い磁束密度まで測定可能な試験器を製作した．Fig.9(a)と(b)に，高磁束密度測定型の S-SST（Ver.2）の外観写真を示す．高磁束密度での測定を行うために，電流密度を高める目的で励磁コイルに平角線を用いた．励磁コイルの線径は，100mm

21.81.6
1.4
1.2
10.8
0.6
0.4
0.200

S-SST Ver.2
S-SST
10,00020,00030,000Magnetic field strength, H[A/m](c) 磁化特性の比較（50Hz, 50A1300, RD）

幅用が AIW 0.65×1.5mm，30mm 幅用が AIW 1.0×1.0mm でFig.9 高磁束密度まで測定可能な S-SST Ver.2ある．Fig.9(c)は，S-SST100 と S-SST100 Ver.2 の磁気特性の比較である．これより，S-SST では 1.90T までしか測定できていないが，Ver.2 では 2.05T まで測定できているこ

5.とが分かる．

まとめ

5 年間の研究開発事業により，当センターに標準測定

4.2 積層コア磁気試験器
電磁鋼板は，電磁力応用機器では 1 枚だけで使われるおよび評価測定のための磁気特性測定試験器が整備されことは無く，積層された状態で用いられる．また，積層た．特に応力負荷型単板磁気試験器は，次世代の高効率状態の磁気特性は，1 枚での磁気特性と異なることも明ら

電磁力応用機器開発に向けた電力用磁性材料の選定等にかになっている．そこで我々は，評価測定技術を活用し， 寄与する能力を有しており，今後も有効な利活用が期待
電磁鋼板を積層した試料（積層コア）の磁気特性を測定できる．小型，高効率，高出力などの優位性を持つ，電可能な試験器の開発を開始した．積層コア磁気試験器で磁鋼板を用いた機器開発の際は，当センターが保有する想定する試料サイズは，幅 30mm×長さ 260mm×厚さ 10mm各種の磁気特性試験器を活用していただきたい．とした．例えば厚さ 0.025mm のアモルファス金属薄帯の磁性材料の評価測定には，IEC 規格に示される標準測定場合，積層コア試料は，薄帯を厚さ方向に約 400 枚積みには無い工夫が必要である．また，応力下の磁気特性測重ねたものとなる．

定や磁歪測定についても多くの機関で研究開発が進めら(12)済みでれ，早急な標準化が求められている．評価測定技術の IECある．現在，試験器はほぼ完成し，測定の準備を進めてや JIS における標準化への一助となるよう，研究開発のいるところである．

深化と関係機関への提案を引き続き行いたい．

積層コア磁気試験器の基本構造は，特許出願71平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

謝辞
本研究は，独立行政法人 科学技術振興機構（JST）の大分県地域結集型研究開発プログラム「次世代電磁力応用機器開発技術の構築」の支援の基に遂行されました．
関係者各位のご協力に，心より感謝いたします．

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