平成26年度

研究報告

大分県産業科学技術センター

薄手電磁鋼板の応力下磁気特性の測定
沓掛暁史・城門由人・池田哲
電磁力担当

Measurement of magnetic properties of thin electrical steel sheet
under tensile and compressive stressAkifumi KUTSUKAKE・Yukihito KIDO・Tetsu IKEDA
Electromagnetic Section

要旨

モータやトランスなどの電気機器の効率に影響する電磁鋼板は，それに掛かる応力によって磁気特性が変化することが知られている．高効率機器の開発において，応力下での電磁鋼板の磁気特性は材料の選定や電磁界解析時の条件に活用するなど重要なデータとなる．本報では，板厚が 0.2mm である薄手の無方向性電磁鋼板の単板試料を対象に，引張および圧縮応力下での磁気特性を測定した事例について報告する．

1.

はじめに

2.

電磁鋼板の磁気特性は，電磁力応用機器の性能や効率

2.1.

応力負荷型単板磁気特性試験器
応力負荷型単板磁気試験器（S-SST）の概要に大きく関与する．よって，高効率高出力機器の設計開応力下の磁気特性の測定に用いたのは，Fig．1（a）

発では，機器に最適な磁気特性を有する鋼種を選択するに示す単板磁気試験器で，我々は応力負荷型単板磁気試ため，また実機特性に近い高精度な磁界解析を行うため験器（Stress load type-Single Sheet Tester）と呼んに，電磁鋼板の正確な磁気特性が必要となる．また，電でいる．試料は短冊状で，当所には試料幅 100mm と気機器の製造過程では加工やカシメ，焼き嵌めなどの影30mm に対応する試験器があるが，本報では 30mm 幅の試響で電磁鋼板に様々な応力が加わり，その結果磁気特性料と試験器を使用した．この場合の試料長は，305mm でが変化するため，応力下での磁気特性の測定に関する研ある．以下，この単板磁気試験器を S-SST と表記する．

．我々も，引張およ

S-SST は，JIS(5)で示される縦型複ヨーク式の単板磁

び圧縮応力下の電磁鋼板の正確な磁気特性が測定可能な気試験器を基本構造としている．Fig．1（b）は，試料応力負荷型単板磁気試験器を開発(4)し，県内外企業からへの磁界の印加（励磁）および磁界を検出するコイルユの磁気特性測定依頼に活用している．

ニットの断面図である．S-SST の励磁コイルには，ポリ究開発が盛んに行われている(1)～(3)

一方，電気機器の低損失化のために，電磁鋼板は薄手フェニレンサルファイド製コイル枠の長手方向全域の化の傾向がある．例えば，無方向性電磁鋼板はこれまで195mm 長に平角銅線 1.0×1.0mm を計 8 層，計 1142 回の板厚が 0.5mm や 0.35mm の鋼板が主に使われてきたが，巻線を施した．7 層目と 8 層目は，励磁コイル内の磁界

近年は 0.2mm や 0.15mm，0.1mm の鋼板が電気機器に利用強度分布を均一にするための補償コイルである．各層のされるようになった．さらには，板厚が 0.025mm 以下の巻線は，直列に接続した．磁気特性の測定領域は，均一アモルファス金属材料やナノ結晶材料を用いた機器も製な磁界強度が得られる励磁コイルの長手方向中央部分の品化されている．より高性能な電気機器の開発過程で100mm である．ここに発生する均一な磁界強度領域に，は，これら薄板の応力下での磁気特性が求められる．し磁束密度測定用の B コイルと空隙補償コイル，磁界強度かし，磁気特性の測定時に試料の変形がないように応力測定用の H コイルを配置した．

を印加すること，特に圧縮応力を印加することは，板厚ヨークには，低鉄損の方向性電磁鋼板（23ZDKH90 相が薄くなればなるほど難しくなる．

当品）を用いた．ヨークの寸法は，試料寸法に合わせて

本稿では，薄手の電磁鋼板として板厚 0.2mm の無方向

幅 30mm，磁極間の内寸が 230mm で外寸が 280mm とし性電磁鋼板を対象に，引張応力および圧縮応力を印加した．て磁気特性を測定した事例について報告する．

B コイルには，ポリウレタン銅線（UEW）φ0.1mm を20 回，測定領域長 100mm の間に 1 層均一に巻線を施し

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た．その理由は，試料下方の H コイルが配置される箇所

応力負荷機構（Fig.1(b)中の H コイル 1 の部分）に，圧縮時の試料変形防止のためのセラミックス板を挿入したためである．
圧縮および引張応力は，試料の両端を金属板でクランプし，片側を固定，反対側をエアシリンダによって微動させることによって印加する．応力値は，固定側に設置コイルユニットしたロードセル（エー・アンド・デイ LC-1205）によりヨーク計測した．
2.2.

（a）S-SST の外観写真
励磁コイル

磁気特性測定システム

Fig．2 は，測定系のブロック図である．S-SST の励磁空隙補償コイルには，D/A 変換器（横河電機 WE7282）と電力増幅器（高砂製作所 AA2000XG2）を，B コイルと H コイルの誘起電圧の取得には，A/D 変換器（横河電機 WE7275）を用いた．なお，取得波形のノイズ低減のため，A/D 変換後の試料

Bコイル
100mm

取得波形に対して励磁周波数の高次高調波をソフトウェ

Hコイル 2Hコイル 1アにより除去した．励磁電流検出用のシャント抵抗は，1.0Ω（アルファ・エレクトロニクス PSBX1R000B））と195mmした．

（b）コイルユニットの構造図
Fig．1

3.

30mm 幅試料用の応力負荷型単板磁気試験器

3.1.

（S-SST）

測定条件

電磁鋼板の磁気特性は，磁束正弦波条件下で測定されシャント抵抗器
D/A 変換器

薄手電磁鋼板の応力下磁気特性る(5)．測定時の収束条件は，磁束密度波形の振幅率を目

パワーアンプ

標値の 0.05%以下，ひずみ率を 0.5%以下とした．励磁周
波数は 50Hz として，磁気特性の比較範囲は最低磁束密A/D 変換器

度 0.1T から最大 1.8T まで，0.05T 刻みで測定した．

Hコイル 1Hコイル 2USBPC

応力の印加条件は，引張応力および圧縮応力ともに最励磁
コイル

Bコイル
空隙補償コイル大 60MPa とした．
3.2.

測定結果

Fig.3 は，板厚 0.2mm の無方向性電磁鋼板の引張およS-SST

び圧縮応力下での磁気特性の測定例である．図中の凡例
において，正の応力は引張応力を，負の応力は圧縮応力

Fig．2 磁気特性測定系のブロック図を示す．無応力は 0MPa である．Fig.3（a）～（c）は，た．B コイルの空隙補償は，H コイル枠に H コイルとはそれぞれ磁化特性と鉄損特性，1.8T，1.0T および 0.5T

別に巻線したコイルを逆相に接続して行った．

における応力－鉄損特性を示す．これらから，引張応力

S-SST は，磁界強度の測定法として H コイル法と励磁印加時には磁気特性が改善（透磁率が増加，鉄損が減電流法の両手法を扱うことができる．H コイル法は原理少）し，圧縮応力印加時には磁気特性が劣化（透磁率が的に，励磁電流法に比べより正確な測定を行える．H コ減少，鉄損が増加）することが分かる．このような測定

イルは，幅 90mm×長さ 140mm×厚さ 1mm のガラスエポキによって，今回用いた電磁鋼板の場合，60MPa 圧縮時のシ製の H コイル巻枠に UEWφ0.04mm を 1666 回，測定領損失は，応力印加無し（0MPa）の時に比べて数十%増加

域長 100mm の間に 1 層均一に巻線した．H コイルの誘起することなどが明らかになる．また，1.0T 時のヒステ電圧を安定して取得するため，同一 H コイル巻枠に巻いリシスループを Fig.3（d）に示す．応力の影響によった空隙補償コイルと H コイルをエポキシ系樹脂で固めてて，ヒステリシスループの傾きの変化が確認できる．まいる．無応力下での測定は通常，Fig.1（b）のように試た同図では分かりにくいが，圧縮応力が増加すると保持料を挟み込むように配置した 2 つの H コイルを用いる力も増加することなども分かる．

が，本報では試料上方に配置した H コイルのみを使用し

921.81.6
1.41.210.80.60.40.20+60MPa+40MPa+20MPa
0MPa-20MPa-40MPa-60MPa

研究報告

大分県産業科学技術センター+60MPa+40MPa+20MPa0MPa-20MPa-40MPa-60MPa

鉄損, W[W/kg]

磁束密度, B[T]平成26年度

磁界強度, H[A/m]00 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2磁束密度, B[T]（a） 磁化特性（b） 鉄損特性

0-60磁束密度, B[T]

鉄損, W[W/kg]

10.5T
1.0T
1.5T0+60MPa+20MPa0MPa-20MPa-60MPa-1-40-20020応力, σ[MPa]40600
磁界強度, H[A/m]（c） 応力－鉄損特性（d） ヒステリシスループ (1.0T)

Fig．3 板厚 0.2mm の無方向性電磁鋼板の応力下磁気特性の測定結果

4.

(3) 千田，藤田，本田，黒木，八木：「無方向性電磁鋼板の応力下での磁気特性と磁区構造」，電気学会論文誌 A，Vol.131，No.10，pp.884-890(2011)(4) 沓掛，城門，池田，榎園:「電力用磁性材料の評価測定技術」，平成 25 年 電気学会 基礎・材料・共通部門大会資料，13-A-p-2，pp.7-12(2013)(5) 日 本 工 業 規 格 : 「 電 磁 鋼 板 単 板 磁 気 特 性 試 験 方法」，JIS C2556(1996)

まとめ

本報では，薄手電磁鋼板の応力下磁気特性の測定事例として，板厚 0.2mm の無方向性電磁鋼板の測定結果を示した．圧縮応力が印加し難くなる薄板に対して，今回の測定試料では圧縮応力 60MPa で応力下の磁気特性測定が可能であることを確認した．
今後は，無方向性電磁鋼板だけでなく，方向性電磁鋼板を含めた各種の薄手電磁鋼板や 0.025mm 以下の薄帯試料等について応力下の磁気特性を測定し，S-SST の応力印加の適用範囲を明らかにする．また，より大きい圧縮応力を印加可能な機構等を検討し，S-SST の適用範囲を拡げ産業界のニーズに対応していく．

参考文献(1) 谷，大穀，中野，有田，山口，都出：「応力下における無方向性電磁鋼板の鉄損特性」，日本応用磁気学会誌，Vol.30，No.2，pp.196-200(2006)(2) 藤倉，開道，久保田：「電磁鋼板の応力下の磁気特性」，電気学会マグネティックス研資，MAG-0731，pp.25-28(2007)10