JP5527203B2

JP5527203B2 - 単板磁気試験器およびそれを用いた電磁鋼板の磁気特性測定方法

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Publication number: JP5527203B2
Application number: JP2010293694A
Authority: JP
Inventors: 匡中西; 善彰財前; 善彦尾田; 広朗戸田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2012141203A

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磁気特性試験用の単板磁気試験器およびそれを用いた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。

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を求めて、素材の鉄損としている。

ところで、コンプレッサー用のモータ等では、鉄心締結に焼きばめが行われており、モータ鉄心は100MPa程度の圧縮応力が加わった状態で使用されている。また、ハイブリッド電気自動車の駆動モータにも樹脂モールド等が用いられ、モータコアには圧縮応力が加わっている。このような圧縮応力下で電磁鋼板を使用した場合、磁気特性は劣化することが知られている。
したがって、実際の電磁機器での鉄損を低減できる電磁鋼板を開発するためには、圧縮応力下での磁気特性を精度良く評価することが重要であり、電磁機器の製造者にとって極めて大きいメリットがある。

ここに、圧縮応力下における磁気特性の測定は、従来より行われているが、その測定用試験器には試料の挫屈を防止する機構が備えられている。
例えば、非特許文献１には、試料の挫屈を防止するために、試料面を添え板で押さえる技術が示されている。しかしながら、非特許文献２に記載のように、試料の挫屈を防止する目的で、試料の面圧方向に圧縮応力を付加した場合には、試料の磁気特性そのものに影響を与えてしまうことが分かっている。したがって、挫屈防止のために試料面を押さえる場合には、挫屈を防止できる範囲で、極力その力を小さくするのが通常である。

「電磁鋼板積層鉄心性能の積層方向圧力依存性と３方向応力依存性モデリング」開道力ら：J. Magn. Soc., 34, 140-145(2010) 「鉄心材料の磁気特性における応力依存性の検討」開道力ら：電気学会マグネティックス研究会資料,IEE Japan, RM03-84(2003)

上述したように、圧縮応力下での磁気特性の測定は、試料面を添え板で押さえる必要があるが、一方で試料面を押さえると磁気特性が変化してしまい、実際の磁気特性が測れないという問題があった。また、試料を押さえる力の不均一性や、試料と板の摩擦などは、試料面を押さえる板の材質および試料の平坦性や硬さなどに依存するため、測定器や試料を変えるたびに、同じ圧縮応力下での磁気特性が、それぞれに異なってしまうという問題があった。

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、測定のばらつきが大きいため、評価に多数の試料が必要となるばかりでなく、特に圧縮応力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。さらに、試料の励磁方向への圧縮応力の影響のみを分離して、精度よく試料の磁気特性を測定をすることは困難であった。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、単板磁気特性試験を行うに際し、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磁気特性試験用の単板磁気試験器を、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。

発明者らは、上記した課題を解決するために、試料の励磁方向に圧縮応力を付加した状態での単板磁気特性試験において、試料の挫屈を防止しつつ、かつ試料面を加圧する必要がない測定方法について、種々検討を重ねた。
その結果、試料を励磁方向に平行な線を軸として湾曲させることで、上述した目的が効果的に達成されるとの知見を得た。
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．ヨーク、励磁コイル、Ｂコイルおよび励磁方向への圧縮応力付加手段を具える電磁鋼板の磁気特性試験用の単板磁気試験器において、試料の励磁方向を軸として該試料を湾曲形状にする手段を有し、かつ該湾曲形状での試料に対し該ヨークを磁気的に接触保持することを特徴とする単板磁気試験器。

２．前記試料を湾曲形状にする手段が、ヨーク両端面に設けた湾曲形状のスリットであることを特徴とする前記１に記載の単板磁気試験器。

３．前記湾曲形状での試料について、該湾曲形状の弧の長さをＲ、該湾曲形状の弦の長さをＬとしたとき、これらの比率Ｌ／Ｒが99.99％以下であることを特徴とする前記１または２に記載の単板磁気試験器。

４．前記１〜３のいずれかに記載の単板磁気試験器を用いて、試料の磁気特性を測定するに当たり、該試料を励磁方向を軸にして湾曲形状とし、この湾曲形状とした試料に対しヨークを磁気的に接触保持した状態で磁気特性を測定することを特徴とする電磁鋼板の磁気特性測定方法。

５．前記試料の湾曲形状の形成を、上下二分割構造になるヨークの両端部分それぞれに設けた凹形状および凸形状の磁極面で行うことを特徴とする前記４に記載の電磁鋼板の磁気特性測定方法。

６．前記湾曲形状での試料について、該湾曲形状の弧の長さをＲ、弦の長さをＬとしたとき、これらの比率Ｌ／Ｒを99.99％以下とすることを特徴とする前記４または５に記載の電磁鋼板の磁気特性測定方法。

７．前記試料の磁気特性の測定を、歪取焼鈍後に行うことを特徴とする前記４〜６のいずれかに記載の磁気特性測定方法。

８．前記試料に対する、励磁方向の圧縮応力が、１MPa以上であることを特徴とする前記４〜７のいずれかに記載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を行うに際し、素材特性の評価に通常用いられる試料を用いて、しかも多数の試料を準備する必要がなく、電磁鋼板の実使用条件に則した形で電磁鋼板の磁気特性を精度良く測定することができる。

通常の単板磁気試験器の全体を示す斜視図である。通常の単板磁気試験器の例を示す図である。本発明に従う単板磁気試験器の例を示す図である。本発明に従う単板磁気試験器の他の例を示す図である。縦型ヨーク構造の単ヨーク枠による単板磁気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単板磁気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単板磁気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単板磁気試験器の例を示す図である。実施例で使用した単板磁気試験器において、試料の励磁方向に対して垂直な断面の概略を示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
図１，２に、通常の単板磁気試験器を模式図で示す。図中、符号１がヨーク、２が試料、３が励磁コイル、そして４が磁束検出コイル（以下、単にＢコイルという）である。なお、図２では励磁コイルとＢコイルを省略している。
さて、図１，２に示したように、通常の単板磁気試験器を用いる試験では、試料が平坦であるために、ヨーク１の磁極面は、試料２と同様に平坦である。このように、試料が平坦であると、圧縮応力を付加した場合、試料は容易に挫屈してしまう。

これに対し、図３および４（図では励磁コイルとＢコイルは省略）に示す本発明の単板磁気試験器のように、ヨーク１の磁極面を、磁極面と試料の励磁方向を軸にして湾曲面とし、試料も同様の曲率で曲げることにより、試料に対して励磁方向の圧縮応力を付加しても、試料は容易には挫屈しなくなる。なお、図３および４において、符号５は圧縮応力付加装置、符号６は試料の固定具である。
なお、図３，４では、湾曲面の形成を、二分割構造になるヨーク端部の上下面１ａ，１ｂに予め設けた凸形状、凹形状の磁極面（スリットになっている）で挟むことによって行う場合を示したが、他の手段、例えば、圧縮応力付加装置（図３の符号５）や、試料の端部を固定する治具（図４の符号６）を用いて行うこともできる。但し、この場合にも、二分割構造になるヨーク端部の上下面１ａ，１ｂは、凸形状、凹形状の磁極面であって、スリット形状になっているが、ヨークにより湾曲面を形成（試料を矯正）するものではないため、試料とヨークとは軽く接触する程度となる。

ここで、試料の容易な挫屈を回避するためには、上述したように、少なくとも、試料を、磁極面と試料の励磁方向を軸にして曲げることで、湾曲形状とすることが必要であるが、この時の湾曲形状における弧の長さをＲ、弦の長さをＬとしたときに、これらの比率Ｌ／Ｒを99.99％以下、好ましくは99.9％以下とすることが重要である。なお、これらの比率Ｌ／Ｒの下限値については特に制限はないが、試料の割れ防止の理由から、５０％程度とするのが好ましい。
また、上記湾曲形状は、励磁方向に直交する断面で任意の曲線（有限の長さ）としてもよい。この場合、上記ＲおよびＬは励磁方向に垂直な断面での試料の厚さ中心が描く一本の曲線の長さ（有限の長さ）から求める。上記Ｒは、断面での曲線（有限の長さ）の延べ長さとし、上記Ｌは、断面での曲線（有限の長さ）の両端間の直線距離とする。

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に直接接触させておく必要はない。本発明において、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、磁気抵抗が十分に低い状態のことをいう。

本発明において、ヨークの基本構造は、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。なお、上記図５〜８においては、いずれもスリット形状を省略している。

また、試料の励磁方法は、広く普及している単板磁気測定方法と同様に、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方法である。励磁電流は、調査する目的に応じて選択すればよく、交流でも直流でも構わない。さらに、励磁波形は任意でよい。なお、周波数は、５０〜１kHz程度が好適であるが、５kHz以上の高周波を用いてもよい。

次に、本発明の試験器を用いた電磁鋼板の磁気特性測定方法について、具体的に説明する。
本発明では、上述したような試験器を用いて、励磁電流法やＨコイル法（JIS C 2556）等の従来公知の磁気特性試験法のいずれもが適用でき、その際に、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。なお、Ｈコイル法による試験を行う場合は、試験器にＨコイルが別途必要である。

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。
ここに、本発明における特長は、試料の励磁方向に対する圧縮応力の影響のみを分離しつつ、励磁した試料の物理量を測定することができることにある。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り、本発明では通常用いられる試料に対し、励磁方向を軸にして湾曲形状として用いる。

また、本発明では、上記したような試料に湾曲形状を形成するため、試料を曲げた後、従来公知の条件、例えば窒素雰囲気中で750℃、２時間の条件で歪取り焼鈍を行うことが好ましい。また、歪取り焼鈍を行う試料の幅を、予め少し大きくしておき、歪取り焼鈍後にせん断して試料の幅を調整してもよい。このように、歪取り焼鈍後にせん断して試料の幅を調整することで、せん断による歪みが存在する試料の磁気特性と、せん断による歪みが無い試料の磁気特性とを直接比較することができる。

さらに、本発明では、磁気特性を測定する際、試料に所望の圧縮応力を加えて測定することができる。この圧縮応力の大きさに特段の限定はないが、圧縮応力が、１MPa以上であることが望ましい。というのは、１MPa未満であると圧縮応力による磁気特性の変化がほとんど認められないからである。また、上限は、２５０MPa程度である。
なお、本発明においては、JIS規格（JIS C 2550）の空げき補償コイルを使用することもできる。

以上、本発明は、電磁鋼板の圧縮応力付加時の特性を精度良く測定することができ、実使用下での電磁鋼板の磁気特性の予測精度を一段と向上させることができる。したがって、高性能な電磁気器の製造に用いて、極めて有用である。

〔実施例１〕
図９に、板厚：0.3mm、長さ：300mmの無方向性電磁鋼板を試料とし、その試料の励磁方向を軸にして曲げることにより、湾曲形状とした断面を模式的に示す（図では励磁コイルとＢコイルは省略）。図中、Ｒ：100mm、Ｌ：99.9mm（したがって、比率Ｌ／Ｒは99.90%である）、ｈ：2.0mm、θ：85.5゜およびｒ：636.6mmとし、試料の長さ方向（紙面に対して垂直方向）に励磁した状態で、磁気測定を行った。

以上の条件で、試料の長さ方向、すなわち励磁方向に50MPaの圧縮応力を付与て磁気測定を行ったが、試料の挫屈は認められなかった。

一方、磁極面と試料を平坦にした測定（従来方法）においては、試料の長さ方向、すなわち励磁方向に50MPaの圧縮応力を付与した場合は、試料に挫屈が認められた。
したがって、本発明による磁気測定試験器およびそれを用いた方法で、圧縮応力付加時の試料の挫屈を防止できることが分かる。

〔実施例２〕
図９において、実施例１と同じ大きさの無方向性電磁鋼板試料を用い、Ｒ：100mm、Ｌ：99.97mm（したがって、比率Ｌ／Ｒは99.97%である）、ｈ：1.0mm、θ：87.7゜、ｒ：1245.6mmとし、試料の長さ方向（紙面に対して垂直方向）に励磁した状態で、磁気測定を行った。

以上の条件中、試料の長さ方向、すなわち励磁方向に３０MPaの圧縮応力を付与して磁気測定を行ったが、試料の挫屈は認められなかった。

一方、磁極面と試料を平坦にした測定（従来方法）においては、試料の長さ方向、すなわち励磁方向に30MPaの圧縮応力を付与した場合は、試料に挫屈が認められた。
したがって、本発明による磁気測定試験器およびそれを用いた方法で、圧縮応力付加時の試料の挫屈を防止できることが分かる。

次に、上記試験条件にて、添え板で試料を挟む従来方法（以下、従来例１という）によって、Ｗ_15/50の測定を行った。一方、本発明も、Ｗ_15/50の磁気測定を行った（以下、発明例Ａという）。なお、上記試験のＷ_15/50の磁気測定はJIS C 2556に準じて行なった。

ここで、試料は、それぞれ従来例１で10枚、発明例Ａで10枚とし、通常の磁気測定（圧縮応力なし）におけるＷの平均値と標準偏差が従来例１の10枚の試料と発明例Ａの10枚の試料とで同じになるように試料を選んだ。

このような試料を励磁方向に30MPaの圧縮応力を付与して磁気測定を行なった結果、本発明の発明例Ａは、ばらつきが小さかった（標準偏差で０．０４W /kg）。これに対し、従来例１は、鉄損を測定できたものの、ばらつきが大きくなった（標準偏差で０．１０W/kg）。よって、本発明である発明例Ａは安定して測定ができるのに対し、従来例１では、測定が安定していないことが分かる。

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
１ａヨーク端部の上面
１ｂヨーク端部の下面
２試料
３励磁コイル
４磁束検出コイル（Ｂコイル）
５圧縮応力付加装置
６試料の固定具

Claims

ヨーク、励磁コイル、Ｂコイルおよび励磁方向への圧縮応力付加手段を具える電磁鋼板の磁気特性試験用の単板磁気試験器において、試料の励磁方向を軸として該試料を湾曲形状にする手段を有し、かつ該湾曲形状での試料に対し該ヨークを磁気的に接触保持することを特徴とする単板磁気試験器。
前記試料を湾曲形状にする手段が、ヨーク両端面に設けた湾曲形状のスリットであることを特徴とする請求項１に記載の単板磁気試験器。
前記湾曲形状での試料について、該湾曲形状の弧の長さをＲ、該湾曲形状の弦の長さをＬとしたとき、これらの比率Ｌ／Ｒが99.99％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の単板磁気試験器。
請求項１〜３のいずれかに記載の単板磁気試験器を用いて、試料の磁気特性を測定するに当たり、該試料を励磁方向を軸にして湾曲形状とし、この湾曲形状とした試料に対しヨークを磁気的に接触保持した状態で磁気特性を測定することを特徴とする電磁鋼板の磁気特性測定方法。
前記試料の湾曲形状の形成を、上下二分割構造になるヨークの両端部分それぞれに設けた凹形状および凸形状の磁極面で行うことを特徴とする請求項４に記載の電磁鋼板の磁気特性測定方法。
前記湾曲形状での試料について、該湾曲形状の弧の長さをＲ、弦の長さをＬとしたとき、これらの比率Ｌ／Ｒを99.99％以下とすることを特徴とする請求項４または５に記載の電磁鋼板の磁気特性測定方法。
前記試料の磁気特性の測定を、歪取焼鈍後に行うことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の電磁鋼板の磁気特性測定方法。
前記試料に対する、励磁方向の圧縮応力が、１MPa以上であることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の電磁鋼板の磁気特性測定方法。