JP2010236882A

JP2010236882A - 電磁鋼板の単板磁気特性試験用試験器および磁気特性測定方法

Info

Publication number: JP2010236882A
Application number: JP2009082149A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nakanishi; 匡中西; Masayoshi Ishida; 昌義石田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP5365304B2

Abstract

【課題】電磁鋼板の実使用条件に則した形で磁気特性を測定することができる電磁鋼板の単板磁気特性試験用試験器を提供する。
【解決手段】単板磁気特性試験用試験器において、ヨークの磁極面を、試料幅の５〜90％の領域で試料と直接接触させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電磁鋼板の鉄損や磁束密度などの磁気特性を、電磁鋼板の実使用条件に則した形で測定することができる電磁鋼板の単板磁気特性試験用試験器および磁気特性測定方法に関するものである。

変圧器やリアクトル、モータなどの電磁機器に用いられる鉄心では、エネルギーの一部は有効な仕事を行わずに消費される。このエネルギーの損失は鉄損と呼ばれている。近年、二酸化炭素の排出量低減のため省エネルギーが強く求められているなか、鉄損低減への要求が殊のほか強くなっている。特に電磁機器は多量に使用されていることから、鉄損の僅かな低減に対する要求も高まってきている。例えば、最近では、配電用変圧器に対して大幅な損失削減を課するトップランナー方式による規制が導入されている。

電磁機器の鉄損は、鉄心に用いられる素材の鉄損に概ね一致する。ここで、素材の鉄損とは、JIS規格にあるエプスタイン法（JIS C 2550）や単板磁気特性試験法（JIS C 2556）などで測定された鉄損であり、これら通常の測定方法では、素材に比較的簡単な磁気回路を構成させて鉄損を測定する。鉄心の素材が電磁鋼板の場合、これら通常の測定方法では、電磁鋼板を理想的な状態や条件で磁化した時の鉄損が素材の鉄損となる。

一方、電磁機器に実際に組み込んだ鉄心の磁気回路は非常に複雑であることが多く、素材の特性を測定する場合とは異なった磁化が生じていることが多い。このため、電磁機器に組み込んだ実機の特性と素材の特性は、概ね一致するが、正確には一致しないことが多い。電磁機器の鉄損と素材の鉄損の差異を表す指標として、電磁機器の鉄損を素材の鉄損で割った値として定義されるビルディングファクタ（ＢＦ）が広く一般的に用いられている。このＢＦは、電磁機器の鉄損が素材の鉄損よりも大きい場合に１より大きくなり、実用の電磁機器ではＢＦはほとんどの場合１より大きくなる。

例えば、方向性電磁鋼板では、素材の鉄損を通常の測定方法で測定するときには、圧延方向に均一な磁束密度で磁化されるが、変圧器で使用される場合には、部分的に圧延方向以外の方向に磁化されるため、磁束密度が不均一になる。方向性電磁鋼板は、圧延方向に磁化したときに素材の鉄損が最も低くなる素材であるため、ＢＦは１よりも大きくなる。

このため、従来から、素材の鉄損の低減のみならず、ＢＦの低減について、種々の研究開発が行われている。
例えば、変圧器のＢＦの低減法として、特許文献１には、方向性電磁鋼板の絶縁被膜による鋼板への付与張力を４MPa以下にする技術が、また特許文献２には、方向性電磁鋼板の圧延方向に直角な方向と圧延方向に平行な方向の透磁率の比を特定の範囲に制御する技術が提案されている。

特開2005-317683号公報特開昭59-46009号公報

ところで、ＢＦは、素材により変動し、大きい場合には20％程度も変動することがある。例えば、特許文献１の実施例１では、ＢＦは素材により10％程度変動している。このため、電磁機器を製造する場合、電磁機器の要求特性に対しＢＦの変動を考慮に入れて、素材として特性が必要以上に良好なものを用いる必要がある。
従って、ＢＦを精度良く予測することは、電磁機器の製造者にとって極めてメリットが大きい。

ＢＦの予測精度を上げる方法としては、特許文献２に記載されているように、圧延方向に直角な方向の特性を考慮する方法が考えられる。しかしながら、通常、圧延方向に直角な方向の特性の測定には圧延方向に平行な方向の試料とは別に新たな試料を準備する必要が生じる。また、電磁機器の実使用条件では、磁束が圧延方向に直角な方向にだけ流れることはほとんどなく、圧延方向から０〜30°程度傾いた方向に磁束が流れることが多い。このように、圧延方向から磁束が０〜30°程度傾いた場合の特性を測定するには、さらに多くの試料を新たに準備する必要がある。また、磁束が傾くと必然的に磁束密度が不均一になるが、通常の測定ではかかる不均一性は考慮されておらず、実使用条件とは若干異なる条件になっている。

上述したように、従来の技術では、実使用条件に則した形で磁気特性を評価する場合、多数の試料が必要となり、また磁束密度の均一性については実使用条件に則していないという問題があった。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、単板磁気特性試験に際し、電磁鋼板の実使用条件に則した形で磁気特性を測定することができる電磁鋼板の単板磁気特性試験用試験器を、この試験器を用いた磁気特性測定方法と共に提案することを目的とする。

さて、発明者らは、方向性電磁鋼板の単板磁気特性試験において、通常用いられる試料を用いて実使用条件である変圧器での磁束を再現すべく、種々検討を重ねた。
その結果、ヨークの磁極面が試料と接触する状態を適宜変更すること、具体的には単板磁気特性試験用試験器（測定枠）のヨーク部の形状を適宜変更することにより、所期した目的が有利に達成されることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．少なくともヨーク、励磁コイル、Ｂコイルをそなえる電磁鋼板単板磁気特性試験用試験器において、ヨークの磁極面が、試料幅の５〜90％の領域で試料と直接接触することを特徴とする電磁鋼板の単板磁気特性試験用試験器。

２．少なくともヨーク、励磁コイル、Ｂコイルをそなえる電磁鋼板単板磁気特性試験用試験器において、ヨークの磁極面と試料との間に磁気抵抗が試料の半分以下のスペーサを配置し、該ヨークの磁極面が、試料幅の５〜90％の領域で該スペーサを介して該試料と接触することを特徴とする電磁鋼板の単板磁気特性試験用試験器。

３．少なくともヨーク、励磁コイル、Ｂコイルをそなえる電磁鋼板単板磁気特性試験用試験器において、ヨークの磁極面と試料との間に磁気抵抗が試料の半分以下のスペーサを、該試料の幅方向に移動可能に配置し、該ヨークの磁極面を、試料幅の５〜90％の領域で該スペーサを介して試料と接触させる際に、該スペーサを移動させることにより該試料と接触させる領域を変更可能としたことを特徴とする電磁鋼板の単板磁気特性試験用試験器。

４．上記１ないし３に記載のいずれかの単板磁気特性試験用試験器を用いて、電磁鋼板の磁気特性を測定するに当たり、ヨークと試料を接触させる際、該試料の一端における接触領域と他端における接触領域の試料幅方向での位置関係および／または該試料の両端それぞれにおける接触領域の試料幅に対する割合を制御することにより、該試料内における磁束の方向および均一性を調整することを特徴とする電磁鋼板の磁気特性測定方法。

本発明によれば、電磁鋼板の単板磁気特性試験において、多数の試料を準備する必要なしに、素材特性の評価に通常用いられる試料だけを用いて、しかも電磁鋼板の実使用条件に則した形で磁気特性を測定することができる。

通常の単板磁気測定試験用試験器の全体を示す斜視図である。通常の単板磁気測定試験用試験器の例を示す図である（図では励磁コイルとＢコイルは省略）。本発明に従う単板磁気測定試験用試験器の例を示す図である（図では励磁コイルとＢコイルは省略）。本発明に従うスペーサ付き単板磁気測定試験用試験器の例を示す図である（図では励磁コイルとＢコイルは省略）。縦型ヨーク構造の単ヨーク枠による通常の単板磁気測定試験用試験器の例を示す図である。縦型ヨーク構造の複ヨーク枠による通常の単板磁気測定試験用試験器の例を示す図である。横型ヨーク構造の単ヨーク枠による通常の単板磁気測定試験用試験器の例を示す図である。横型ヨーク構造の複ヨーク枠による通常の単板磁気測定試験用試験器の例を示す図である。試料と接触するヨークの面積率は、試料の一端と他端で異ならせる場合における実使用の例を示す図である。実施例で使用した単板磁気測定試験用試験器の概略を示す図である（図では励磁コイルとＢコイルは省略）。実施例におけるヨーク、スペーサおよび支持台の位置関係を示す図である。図11に示すａ値を変化させた場合における鉄損値を、ａ値とＷ_17/50との関係で示す図である。本発明に従い予測されるＢＦをａ値との関係で示す図である。実施例で用いた積鉄心を示す図である。本発明に従い予想したＢＦと実機で測定したＢＦを比較して示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
図１に、通常の単板磁気特性試験用試験器を模式で示す。図中、符号１がヨーク、２が試料、３が励磁コイル、そして４がＢコイル（磁束検出コイル）である。
さて、図１に示した通常の単板磁気特性試験用試験器を用いる試験では、試料の磁束を均一にするために、図２に示すように、ヨーク１の磁極面を試料２の全幅にわたって接触させる。
これに対し、図３に示すように、本発明に従いヨーク１の磁極面を試料２は試料幅の一部分のみで接触させるようにすれば、試料２内の磁束を試料の長手方向から傾けて測定することが可能となる。また、図３に示す方法では、必然的に磁束密度の粗密が生じるが、実使用条件でも磁束が傾いた場合には同様な磁束密度の粗密が生じるので、実使用条件に則しているといえる。なお、図３において、符号５は支持台である。

上記の試験器において、ヨーク１と試料２は、磁気的に接触していればよく、必ずしもヨーク１の磁極面を試料２に直接接触させる必要はない。磁気的に接触するとは、ヨークの磁極面と試料の間で磁束が十分に流れ、磁気抵抗が十分低い状態のことをいう。
従って、本発明では、図４に示すように、ヨーク部１の磁極面と試料２の間に、ヨーク部と同様の磁気的性質をもつスペーサ６を配置し、このスペーサ６と試料２の一部とを接触させるようにしてもよい。

この構成では、実使用条件に則した磁束の方向にすべく、試料内の磁束の方向を変えるには、スペーサの位置を変えるだけでよい。すなわち、スペーサの位置を図中矢印の方向に移動させることにより、圧延方向に対する磁束の傾斜角度を０〜30°の範囲で自由に調整できるので、新たに圧延方向を傾けた試料を準備する場合に比較して極めて容易に磁気特性を測定することができる。

ここに、ヨークの磁極面が試料と磁気的に接触する領域は、試料幅の５〜90％の範囲とする必要がある。
というのは、この接触領域が５％に満たないと、試料内における磁束密度の粗密が顕著になりすぎて実使用条件に則さないからであり、一方90％を超えると、電磁鋼板の実使用条件に則した形、すなわち圧延方向に対する磁束の傾斜角度が０〜30°の範囲で測定することが難しくなるからである。

なお、かかるスペーサとしては、磁気抵抗が十分に低く鉄損が十分に小さければよく、例えば方向性電磁鋼板の積層体が有利に適合する。逆に、磁気的に接触させない部分は、磁気抵抗を十分に高くする必要がある。そのため、スペーサの高さは十分に高くするほうがよい。また、スペーサに方向性電磁鋼板の積層体を用いる場合では、スペーサに流れる磁束の向きと方向性電磁鋼板の圧延方向が平行になるようにすることが好ましい。

また、本発明において、試料が磁気的に接触する部分は同一平面となるようにし、試料が磁極面とすき間なく接触するようにすることが好ましい。従って、ヨークの磁極面を試料と部分的に接触させようとした場合に、試料が傾く場合には、前述した支持台５を用いて試料を傾かないようにするのがよい。なお、支持台としては、試料に対して磁気的な作用を及ぼさない材料、例えば絶縁非磁性材料を用いることが好ましい。

本発明による単板磁気特性試験で特に注意すべき点は、ヨーク部の試料との磁気的接触部では、ヨーク部の定常部よりも磁束密度が高くなることである。従って、JIS C 2556に記載されるような励磁電流法による磁気特性試験では、測定誤差を十分に小さくするためには、例えば縦型ヨーク構造の場合では、ヨークとスペーサの厚さを十分に厚くする必要がある。すなわち、ヨーク部の磁極面の厚さが25mmである縦型ヨーク構造の単板磁気特性試験装置と同様の試験を行う場合で、ヨークの磁極面が試料幅の50％の部分で試料と接触するようにするには、ヨークとスペーサの厚さを通常の約２倍、約50mmとする必要がある。

本発明において、ヨークの構造は、縦型ヨーク構造の単ヨーク枠（図５）でも、縦型ヨーク構造の複ヨーク枠（図６）でも、横型ヨーク構造の単ヨーク枠（図７）でも、横型ヨーク構造の複ヨーク枠（図８）でもよい。
また、試料の励磁方法は、広く普及している単板磁気測定装置と同様に、励磁コイル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励磁コイルを配置し、この励磁コイル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、さらには任意波形でもよい。

また、本発明において、ヨークを試料と磁気的に接触させる領域は、電磁機器に応じて適正な場所を選べばよい。磁束密度の傾きが大きい電磁機器では、磁気的接触面は試料幅に対し十分小さく、かつその位置は試料の板幅端部で接触するようにし、試料の長手方向に離れた二つの磁気的接触面を結ぶ線が十分に試料の長手方向から傾くようにすれば良い。一方、磁束密度の粗密が強い電磁機器では、磁気的接触面は試料幅に対し十分小さくし、試料の長手方向に離れた二つの磁気的接触面を結ぶ線が試料の長手方向に平行になるようにすれば良い。

さらに、本発明では、試料と接触するヨークの面積率は、試料の一端と他端で異ならせることもできる。
すなわち、例えば図９に示すように、３相積みトランスで、ヨーク部の長手方向中央部（Ｖノッチ部）と長手方向端部の間の磁束の流れを再現しようとする場合には、一端(長手方向端部に相当)での面積率を70％程度、一方他端(長手方向中央部に相当)での面積率を50％程度とすることが有利である。

上述したような本発明の試験器を用いて、励磁電流法やＨコイル法（JIS C 2556）等の通常の磁気特性試験により、実使用条件に則した形で、磁気特性が測定できる。但し、Ｈコイル法による試験では、試験器にＨコイルが必要である。
なお、本発明において測定する物理量は、主に鉄損であるが、本発明おいて測定可能な物理量、例えば透磁率、ヒステリシスループ等も測定することができるのはいうまでもない。本発明の重要な点は、実使用条件に則した磁束を容易に再現できることにある。また、通常用いられる試料とは、JIS規格（JIS C 2550）等で規定される試験に用いる試料のことである。さらに、本発明において、JIS規格（JIS C 2550）の空げき補償コイルを使用した方が良いが、必ずしも必要ではない。

上記したように、本発明に従い電磁鋼板の特性を評価することにより、ＢＦの予測精度を向上すること、すなわち実使用での特性の予測精度を向上することができ、電磁機器の製造に極めて有用である。

実施例１
図10〜11を参照して、本発明による測定装置について説明する。なお、図中では励磁コイルおよびＢコイル等は省略した。
図10に示したように、縦型ヨーク構造で単ヨークからなる単板磁気特性試験用試験器のヨーク１の両側にある２つの磁極面の上に、木製の支持台５を２つ、また方向性電磁鋼板を積層したスペーサ６を２つ、それぞれヨークの磁極面とのすき間がないように配置した。その後、板厚：0.3mmの方向性電磁鋼板を幅：100mm、長さ：300mmに切り出した試料を、スペーサ６と支持台５の上にすき間がないように配置した。その際、スペーサ６に用いた方向性電磁鋼板の圧延方向は、試料の面に垂直になるようにした。また、２つの支持台５は必要に応じて取り外した。

図11に、ヨーク１、スペーサ６および支持台５の位置関係を示す。スペーサ６の位置を、図11にａで示す長さが０，５，10，15，20，30，40，50mmとなるように調整した状態で、表１に示す特性になる板厚：0.3mmの方向性電磁鋼板のＷ_17/50（磁束密度：1.7Ｔ、周波数：50Hzで励磁したときの鉄損）を励磁電流法で測定した。なお、表１に示したＷ_17/50は、従来法（ａ＝０mm）で測定したときの値、またＢ₈は、同じく従来法で測定した800 A/mで励磁したときの磁束密度である。

測定結果を図12に示す。
図12より、ａが大きくなると鉄損が増加すること、またその増加率は素材によって異なることが分かる。

また、ビルディングファクタ（ＢＦ）を比較するため、図12に示すＷ_17/50の値をａが０mmのときのＷ_17/50の値で割ったＷ_17/50の変化率について調べた結果を、図13に示す。
図13より、ＢＦは素材によって異なることが予測される。

次に、表１に示す試料を用いて、図14に示す積鉄心を積層枚数：108枚で積層し、磁束密度：1.7Ｔ、周波数：50Hz、３相で励磁したときの鉄損を測定した。
積鉄心によるＢＦと本発明の測定値によるａが50mmにおける上述のＷ_17/50の変化率との関係を、図15に示す。
図15に示したとおり、本発明に従い予想したＢＦ（図13のａが50mmにおけるＷ_17/50の変化率）と実機で測定したＢＦとはほぼ一致している。これにより、本発明の測定方法に従えば、ＢＦを精度良く予測できることが確認された。

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際しての具体化のほんの一例を示したものにすぎず、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、その技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、さまざまな形で実施することができる。

１ヨーク
２試料
３励磁コイル
４Ｂコイル（磁束検出コイル）
５支持台
６スペーサ

Claims

少なくともヨーク、励磁コイル、Ｂコイルをそなえる電磁鋼板単板磁気特性試験用試験器において、ヨークの磁極面が、試料幅の５〜90％の領域で試料と直接接触することを特徴とする電磁鋼板の単板磁気特性試験用試験器。
少なくともヨーク、励磁コイル、Ｂコイルをそなえる電磁鋼板単板磁気特性試験用試験器において、ヨークの磁極面と試料との間に磁気抵抗が試料の半分以下のスペーサを配置し、該ヨークの磁極面が、試料幅の５〜90％の領域で該スペーサを介して該試料と接触することを特徴とする電磁鋼板の単板磁気特性試験用試験器。
少なくともヨーク、励磁コイル、Ｂコイルをそなえる電磁鋼板単板磁気特性試験用試験器において、ヨークの磁極面と試料との間に磁気抵抗が試料の半分以下のスペーサを、該試料の幅方向に移動可能に配置し、該ヨークの磁極面を、試料幅の５〜90％の領域で該スペーサを介して試料と接触させる際に、該スペーサを移動させることにより該試料と接触させる領域を変更可能としたことを特徴とする電磁鋼板の単板磁気特性試験用試験器。
請求項１ないし３に記載のいずれかの単板磁気特性試験用試験器を用いて、電磁鋼板の磁気特性を測定するに当たり、ヨークと試料を接触させる際、該試料の一端における接触領域と他端における接触領域の試料幅方向での位置関係および／または該試料の両端それぞれにおける接触領域の試料幅に対する割合を制御することにより、該試料内における磁束の方向および均一性を調整することを特徴とする電磁鋼板の磁気特性測定方法。