JP5885646B2 - 単板磁気特性測定方法および測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、板状軟磁性体（以下単板と呼ぶ）の単板磁気特性測定方法および測定装置に関する。

単板は積層され、モーター、トランス、リアクトル等のコイル部品の鉄心として広く使用されている。近年の電気製品の省力化の流れで、これらコイル部品はその鉄心の電力損失である鉄損の低減が強く求められている。そのため、単板の鉄損等の磁気特性の正確な測定ニーズが高まってきている。

単板の磁気特性を測定する方法として、ＪＩＳ規格のエプスタイン法(JIS C 2550)や単板磁気特性試験法(JIS C 2556)がある。さらにJIS C 2556の単板磁気特性試験法には、Ｈコイル法と励磁電流法の ２つの方法がある。JIS C 2550のエプスタイン法は、国際規格のIEC-60404-2に対応し、JIS C 2556の励磁電流法の単板磁気特性試験法は、IEC-60404-3に対応する。

エプスタイン法は幅３０ｍｍ、長さ２８０〜３２０ｍｍの短冊型の単板を１２枚以上積み重ねて正方形の単板閉磁路を作り、単板の磁気特性を測定する方法である。各々の単板には少なからず反り等の変形があり、重ねた四隅でエアーギャップが形成される。また、重ねた四隅とそれ以外の部位で単板閉磁路の断面積が異なる。そのため、単板内の磁束密度が不均一になり、正確な鉄損等の磁気特性が測定できないという問題がある。

単板磁気特性測定法は、Ｈコイル法も励磁電流法も、１枚の単板と軟磁性体カットコアであるヨークとを組合せて閉磁路を作り、単板の磁気特性を測定する方法である。単板の大きさについては、Ｈコイル法はエプスタイン法とほぼ同じであり、励磁電流法は５００ｍｍ×５００ｍｍと非常に大きい。しかし、どちらの方法も単板の数量は１枚しか必要としないので、単板閉磁路の断面積はエプスタイン法のそれとは異なり一定で、単板内の磁束密度はエプスタイン法より均一である。

またヨークと単板の重なった部位でのエアーギャップの形成の問題も、エプスタイン法の単板を重ねた四隅に比べて遥かに軽減される。

Ｈコイル法と励磁電流法の大きな相違点は磁界の強さＨの測定方法にある。Ｈコイル法は、Ｈコイルと呼ばれる磁界検出コイルに生じる誘導起電力を測定し、その値から磁界の強さＨを求める方法である。一方、励磁電流法は磁界の強さＨを生成している励磁電流を測定し、その値から磁界の強さＨを求める方法である。

Ｈコイル法は、単板内に磁界を生成する励磁コイル、磁界の強さを検出する２個のＨコイル、磁束密度を検出するＢコイル、およびＢコイルを鎖交する空隙磁束を補償する空隙補償コイルの４種、５個ものコイルが必要で、単板を貫通させるフレームにすべて設置されている。磁界の強さＨの測定確度は、Ｈコイルの幅、長さ等の寸法精度、および単板の設置位置を基準としたＨコイルの設置位置精度に大きく影響を受ける。ところが、上記のとおり、必要とされるコイルの種類と数量が多く、コイル構造が複雑であることから高精度でのコイル作成、および設置が技術的に極めて困難であり、正確な鉄損等の磁気特性が測定できないという問題がある。この技術的困難さゆえにＨコイル法の単板磁気特性試験法の汎用測定器は、現在のところ存在しない。

励磁電流法は、Ｈコイル法から２個のＨコイルを取り除いたもので、コイル構造はＨコイル法に比べて簡素である。
また、Ｈコイルで磁界の強さＨを検出するのではないので、Ｈコイルの寸法精度、および設置位置精度の問題は生じない。

現在、数多くのメ−カ−が励磁電流法の単板磁気特性試験法の汎用測定器を提供しているが、これらの従来の汎用測定器では、励磁電流法の測定から得られる鉄損にはヨークに関わる鉄損が含まれてしまう。同様に、測定から得られるその他の磁気特性もヨークの磁気特性の影響を受けてしまい、単板のみの正確な鉄損等の磁気特性が測定できないという問題があった。

特開２０１０−２３６８８２号公報 特開２０１２−１４１２０３号公報

本発明は、ヨークの鉄損等の磁気特性の影響を受けずに、単板のみの正確な鉄損等の磁気特性を測定できる励磁電流法の単板磁気特性測定方法および測定装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記目的を実現するため、従来のヨーク（以下単ヨークと称する）に加えて、単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され、単ヨークと同一の断面形状の閉磁路をなす複ヨークを準備する。そして、従来例と同様に、単板と単ヨークで形成した閉磁路を励磁し、単板内の磁束密度を測定する。本発明では、さらに励磁信号から閉磁路内の磁界の強さを算出し、単ヨーク内の磁束密度を測定する。本発明では、さらに複ヨークを、上記の単ヨーク内の磁束密度と同じ磁束密度が得られるように励磁し、励磁信号の強度から、複ヨーク内の磁界の強さを算出する。この複ヨーク内の磁界の強さは、上記単ヨーク内の磁界の強さと等しいので、単板内の磁界の強さが算出でき、単板のみの鉄損が算出できる。

すなわち、本発明の第１の態様の単板磁気特性測定方法は、端面間の距離が既知の２つの端面を有し、かつ断面積および磁路長が既知の単ヨークの２つの端面に、被測定試料である単板を接触させて閉磁路を形成し、単ヨークを任意の周期関数の第１励磁信号で励磁して、閉磁路を第１励磁状態にし、第１励磁信号の強度から、第１励磁状態における閉磁路内の磁界の強さを算出し、第１励磁状態における単板内の磁束密度を測定し、第１励磁状態における単ヨーク内の磁束密度を測定し、単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され、単ヨークと同一の断面形状の閉磁路をなし、かつ磁路長が既知の複ヨークを、任意の周期関数の第２励磁信号で励磁して、複ヨーク内に単ヨーク内の測定磁束密度に等しい磁束密度が得られる第２励磁状態にして、第２励磁信号の強度から、第２励磁状態における複ヨーク内の磁界の強さを算出し、第１励磁状態における閉磁路内の磁界の強さおよび第２励磁状態における複ヨーク内の磁界の強さから単板内の磁界の強さを算出し、単板内の磁束密度および単板内の磁界の強さから単板の鉄損を算出する、ことを特徴とする。

本発明の第１の態様によれば、単板のみの正確な鉄損等の磁気特性を測定できる。
複ヨークは、単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され、単ヨークと同一の断面形状の閉磁路をなす複ヨークであればよく、例えば、単ヨークと、単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され且つ同じ形状の第２単ヨークを、２つの端面で接触させることにより形成される。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、磁路長の異なる第２単ヨークを使用してもよい。ただし、単ヨークと第２単ヨークを端面で接触させる場合には、接触面にエアーギャップが形成されないようにすることが望ましい。以上のことは、他の態様においても同様である。

また、本発明の第２の態様の単板磁気特性測定装置は、端面間の距離が既知の２つの端面を有し、単ヨーク励磁コイルおよび単ヨーク磁束密度検出用コイルが設けられ、断面積および磁路長が既知の単ヨークと、単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され、単ヨークと同一の断面形状の閉磁路をなし、複ヨーク励磁コイルおよび複ヨーク磁束密度検出用コイルが設けられ、磁路長が既知の複ヨークと、を備える。

本発明の第２の態様の単板磁気特性測定装置は、単ヨークに加えて、上記の複ヨークを有する。これにより、本発明の単板磁気特性測定装置で、上記の単板磁気特性測定が実行可能である。

本発明の単板磁気特性測定装置で、上記の単板磁気特性測定を実行するため、任意の周期関数の励磁電流を出力する励磁信号発生器と、励磁信号発生器に接続されたシャント抵抗と、シャント抵抗の両端の電位差を測定する励磁電流測定回路と、測定端子間の電位差を測定する電圧測定回路と、励磁電流を、シャント抵抗を介して、単ヨーク励磁コイルまたは複ヨーク励磁コイルに流すように切り換える励磁電流切換スイッチと、電圧測定回路の測定端子を、単ヨークの２つの端面に接触される被測定試料である単板に設けられた単板磁束密度検出用コイルの両端が接続される第１端子と、単ヨーク磁束密度検出用コイルの両端が接続される第２端子と、複ヨーク磁束密度検出用コイルの両端が接続される第３端子と、の間で切り換える電圧測定切換スイッチと、をさらに有する。
電圧測定切換スイッチは、例えば、２段構成のスイッチで実現する。

また、電圧測定回路として、単板磁束密度検出用コイルの電位差を測定する単板誘起電圧測定回路と、単ヨーク磁束密度検出用コイルまたは複ヨーク磁束密度検出用コイルの電位差を測定するヨーク誘起電圧測定回路と、を設け、ヨーク誘起電圧測定回路を、単ヨーク磁束密度検出用コイルまたは複ヨーク磁束密度検出用コイルに接続するように切り換えるスイッチを設けてもよい。さらに、ヨーク誘起電圧測定回路を、単ヨーク磁束密度検出用コイルの電位差測定用と、複ヨーク磁束密度検出用コイルの電位差測定用に分けることも可能である。この場合、電圧測定切換スイッチは不要となる。

なお、スイッチで信号経路を切り換える場合、信号ケーブルの長さを等しくするなどして、切り換えても信号経路の特性が異ならないようにすることが望ましい。これは、別々に電圧測定回路を接続する場合も同様であり、それぞれの信号経路の特性が同じになるようにすることが望ましい。

さらに、本発明の第３の態様の単板磁気特性測定装置は、端面間の距離が既知の２つの端面を有し、かつ第２巻数の単ヨーク磁束密度検出用コイルが設けられ、断面積および磁路長が既知の単ヨークと、単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され且つ同じ形状を有する第２単ヨークと、を有し、単ヨークは固定され、第２単ヨークは、２つの端面が単ヨークの２つの端面に接触するように着脱可能であり、単ヨークと第２単ヨークは、２つの端面同士を接触させた状態で、単ヨークと同一の断面形状の閉磁路をなすことを特徴とする。

本発明の第３の態様の単板磁気特性測定装置では、単ヨークが固定されており、単板と単ヨークを合わせた磁路内の磁界の強さおよび鉄損を求める時には、単ヨークの２つの端面に、単板磁束密度検出用コイルが設けられた被測定試料である単板を接触させ、単ヨーク内の磁界の強さ、すなわち複ヨーク内の磁界の強さを測定する時には、単ヨークの２つの端面に、第２単ヨークを接触させる。このように、第２単ヨークは、装置に着脱自在に保持される。

本発明の第３の態様の単板磁気特性測定装置は、上記の単板磁気特性測定を実行するため、任意の周期関数の励磁電流を出力する励磁信号発生器と、励磁信号発生器に接続されたシャント抵抗と、シャント抵抗の両端の電位差を測定する励磁電流測定回路と、単ヨークの２つの端面に接触される被測定試料である単板に設けられた単板磁束密度検出用コイルの両端が接続される第１端子間の電位差を測定する単板誘起電圧測定回路と、単ヨーク磁束密度検出用コイルの両端が接続される測定端子間の電位差を測定するヨーク誘起電圧測定回路と、をさらに備える。

上記のように、単板誘起電圧測定回路とヨーク誘起電圧測定回路は、スイッチを設けて、共通化することも可能である。
第２単ヨークの着脱は、自動化することが望ましく、一連の測定シーケンスを、コンピュータによる制御で実行するようにしてもよい。

本発明によれば、励磁電流法の単板磁気特性測定において、ヨークの鉄損等の磁気特性の影響を受けずに、単板内の正確な磁界の強さと磁束密度、および単板のみの正確な鉄損等の磁気特性を求めることが可能となる。

図１は、従来の励磁電流法の単板磁気特性測定装置の基本構成を示す図である。 図２は、本発明の第１実施形態の励磁電流法の単板磁気特性測定装置の構成を示す図である。 図３は、第１実施形態の単板磁気特性測定装置で、単板の磁気特性を測定する場合の測定動作を示したフローチャートである。 図４は、本発明の第２実施形態の単板磁気特性測定装置の構成を示す図である。 図５は、本発明の第３実施形態の単板磁気特性測定装置の構成を示す図であり、（Ａ）は第１の測定を行う状態を、（Ｂ）は第２の測定を行う場合を示す。 図６は、実施例で使用した単板および単ヨークの外形図であり、（Ａ）が単板を、（Ｂ）が単ヨークを示す。 図７は、第１実施形態の励磁電流法の単板磁気特性測定装置を用いて、測定周波数f=1kHzでの測定結果である。 図８は、図７の一部を拡大して示す図である。

本発明の実施形態を説明する前に、従来の励磁電流法の単板磁気特性測定装置について説明する。
図１は、従来の励磁電流法の単板磁気特性測定装置の基本構成を示す図である。

従来の単板磁気特性測定装置は、巻数n₁の励磁コイル５が巻かれた単ヨーク２と、励磁コイル５に励磁電流を流す励磁信号発生器９と、励磁電流を電圧に変換するシャント抵抗１３と、シャント抵抗１３の両端の電圧を測定する励磁電流測定回路１４と、単板磁束密度検出コイルに誘起される単板誘起電圧を測定する単板誘起電圧測定回路１５と、を有する。単ヨーク２は、比透磁率μ_yの材料で作られ、Ｕ字型の形状でいずれの部分でも一定の断面積A_yを有する。また、単ヨーク２の２つの端面は、同一平面になるように形成されている。

測定を行う時には、被測定試料である単板１に磁束密度を検出する巻数n₂のＢコイル４を密着して巻き、単板１の両側を単ヨーク２の２つの端面に載置して密着し、Ｂコイル４の両端を単板誘起電圧測定回路１５の測定端子に接続する。ここでは、単板１の断面積をA_p、比透磁率をμ_pとする。Ｂコイル４は、単板１に密着して巻かれていることが必要で、密着して巻かれず、Ｂコイル４の開孔断面積が単板１の断面積より大きくなると、 Ｂコイル４と単板１との間に形成される空隙を貫く磁束が無視できなくなり、空隙補正コイルが必要となる。また、単ヨークからの磁束の漏れを防止するため、単板１が単ヨーク２の２つの端面に密着していることが望ましく、図示していない圧着機構などにより密着させる場合もある。単板１が単ヨーク２に密着した状態で、単板１および単ヨーク２により図示のような閉磁路が形成される。ここで、単ヨーク２の２つの端面間の距離をL_p、２つの端面の一方の内側の縁から単ヨーク２の中心を通り他方の端面の内側の端までの経路の距離をL_yaとすると、単板１内の磁路長がL_pで、単ヨーク２の磁路長がL_yaである。

この状態で、励磁信号発生器９から、例えば周波数f(周期T)の正弦波励磁信号を発生させ、単ヨーク２の励磁コイル５に励磁電流i_1aを流す。この励磁電流 i_1aが流れることより、抵抗値R_sのシャント抵抗１３の両端に電圧V_1aが発生する。このとき、単板１のＢコイル４の両端には誘起電圧V₂が生じる。

単板１内の磁界の強さをH_p、単ヨーク２内の磁界の強さをH_yaとすると、アンペールの定理より次の式（１）が成り立つ。

ここで、新たな磁界の強さH_vを、次の式（２）のように定義する。

式（１）は、式（２）で定義した磁界の強さH_vにより、次の式（３）のように表される。

式（３）から、磁界の強さH_vは、次の式（４）のようになる。

単板１内の磁束密度B_pは、次の式（５）のようになる。

このようにして求めたH_v、B_pから単板１の単位体積当たりの鉄損Ｐを求める。鉄損Ｐは、その磁化曲線の面積を励磁信号の周期Tで除したものであるから、次の式（６）で表される。以下、鉄損と記述した場合は、単位体積当たりの鉄損を指すものとする。

従来の励磁電流法の単板磁気特性測定装置では、式（６）で得られる鉄損Ｐを、単板１の鉄損としている。
ここで、式（６）に、式（２）を代入すると、次の式（７）が得られる。

式（７）の第１項が、単板１内の磁界の強さH_pと磁束密度B_pのみ含む本来の単板１の鉄損P_pである。第２項は単ヨーク２内の磁界の強さH_yaを含んでいて、単ヨーク２の鉄損に関わるものである。このことから、従来の励磁電流法の単板磁気特性測定装置では、式（２）で単ヨーク２内の磁界の強さH_yaが単板１内の磁界の強さH_pに比べて十分小さいと仮定して、H_v≒H_pとし、式（７）の第２項を無視しているといえる。

単板１、および単ヨーク２を貫いている磁束をΦとすると、単板１内の磁界の強さH_p、と単ヨーク２内の磁界の強さH_yaは、それぞれ式（８）および（９）で表される。

式（８）および（９）から、従来の励磁電流法の単板磁気特性測定装置のH_ya≪H_pの仮定は、単ヨ−ク２の断面積A_yが単板１の断面積A_pに比べて十分に大きい、あるいは単ヨ−ク２の比透磁率μ_yが単板１の比透磁率μ_pに比べて十分に高い測定領域であれば成り立つことが分かる。

ところが現実の従来の励磁電流法の単板磁気特性測定装置では、この仮定が成り立つまでには至らず、A_y：A_pは最大で数十：1程度であり、A_y≫A_pであるとは言えない。従って、測定値からできるだけヨークの磁気特性を排除するため、ヨークの鉄損に上限値を設け、使用できるヨークを制限しているのである。

さらに、軟磁性体の比透磁率は、材質によって程度には差異はあるが、測定周波数が上がるにつれて必ず低下する。また、ヨークには比透磁率が高い軟磁性材料を選定するが、必ずしも単板の比透磁率より十分に高いという保障はない。測定周波数、あるいは単板の比透磁率によっては、従来の励磁電流法の単板磁気特性測定装置のH_ya≪H_pの仮定は成り立たなくなってしまう場合がある。このような場合に、式（６）から得られる鉄損Ｐを単板１の鉄損としてしまうのは、真値に対しての誤差が大きいと言わざるを得ない。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図２は、本発明の第１実施形態の励磁電流法の単板磁気特性測定装置の構成を示す図である。

第１実施形態の単板磁気特性測定装置は、単ヨーク励磁コイル２５および単ヨーク磁束密度検出用コイル（以下第２Ｂコイルと称する）２６が巻かれた単ヨーク２２と、複ヨーク励磁コイル２７および複ヨーク磁束密度検出用コイル（以下第３Ｂコイルと称する）２８が巻かれた複ヨーク２３と、単ヨーク励磁コイル２５および複ヨーク励磁コイル２７に励磁電流を流す励磁信号発生器２９と、励磁電流を電圧に変換するシャント抵抗３３と、シャント抵抗３３の両端の電圧を測定する励磁電流測定回路３４と、共通誘起電圧測定回路３５と、励磁電流を単ヨーク励磁コイル２５と複ヨーク励磁コイル２７のいずれかに流すように切換えるためのリレー３０と、リレー３１および３２と、を有する。リレー３１は、後述する単板磁束密度検出用コイル２４（以下第１Ｂコイルと称する）と第２Ｂコイル２６の一方を選択してリレー３２に接続する。リレー３２は、リレー３１と第３Ｂコイル２８の一方を選択して共通誘起電圧測定回路３５の測定端子に接続する。

単ヨーク２２は、比透磁率μ_yの材料で作られ、Ｕ字型の形状でいずれの部分でも一定の断面積A_yを有する。また、単ヨーク２２の２つの端面は、同一平面になるように形成されている。単ヨーク励磁コイル２５および複ヨーク励磁コイル２７の巻数は、n₁であるとする。第２Ｂコイル２６および第３Ｂコイル２８の巻数は、n₃であるとする。

複ヨーク２３は、単ヨーク２２と同一の磁気特性をもつ軟磁性体で、単ヨーク２２と同一の大きさの単ヨーク２３ａおよび２３ｂを密着することにより形成され、閉磁路を形成している。

被測定試料である単板２１には、巻数n₂の第１Ｂコイル２４が密着して巻かれている。ここでは、単板２１の断面積をA_p、比透磁率をμ_pとする。

測定時には、単板２１の両側を単ヨーク２２の２つの端面に載置して密着し、第１Ｂコイル２４の両端を、リレー３１に接続される端子に接続する。単板２１は、単ヨーク２２の２つの端面に密着して接触され、必要に応じて図示していない圧着機構などにより密着させる。従来例で説明したように、単板２１を単ヨーク２２に密着することにより、閉磁路が形成され、単板２１内の磁路長をL_p、単ヨーク２２の磁路長をL_yaとする。

第１実施形態の単板磁気特性測定装置で、単板２１の磁気特性（単板２１内の磁界の強さH_pおよび鉄損P_p）を測定するには、３回の測定を行い、それぞれの測定を、第１、第２および第３の測定と呼ぶことにする。第１の測定では、従来例の励磁電流法の単板磁気特性測定装置での測定と同様の測定を行い、式（７）の単板２１内の磁界の強さH_pと単ヨーク２２内の磁界の強さH_yaを含んだ単板２１と単ヨーク２２とからなる閉磁路の鉄損Pを求める。第２および第３の測定では、従来の励磁電流法の単板磁気特性測定装置では求めることができなかった単ヨーク２２内の磁界の強さH_yaを求め、さらに、その結果から単板２１内の磁界の強さH_pを求めて、式（７）の第１項のみの、本来の単板２１の鉄損P_pだけを算出する。

図３は、第１実施形態の単板磁気特性測定装置で、単板２１の磁気特性を測定する場合の測定動作を示したフローチャートである。

ステップＳ１１では、第１の測定を行い、リレー３０を端子ａに接続し、単ヨーク励磁コイル２５を励磁信号発生器２９に接続するようにし、リレー３１を端子ｐ側に、リレー３２を端子ａに接続し、第１Ｂコイル２４を共通誘起電圧測定回路３５に接続するようにした状態で、図１を参照して説明した従来例の励磁電流法の単板磁気特性測定装置での測定と同様の測定を行う。第１の測定では、n₁、n₂、L_p、A_pおよびR_sが既知であることから、式（４）、（５）よりH_v、B_pを求めることができ、式（７）の単板２１と単ヨーク２２とからなる閉磁路の鉄損Pが求まる。測定操作および測定原理は、従来例と同じなので詳しい説明は省略する。

ステップＳ１２では、第２の測定を行う。単板２１は単ヨーク２２の端面に設置したまま、リレ−３０とリレ−３２も端子ａ側に接続したままにしておく。リレー３１は、端子ｑ側に接続するように切り換える。この状態で、励磁信号発生器２９から、第１の測定の時と同一の周波数f(周期T)の正弦波励磁信号を発生させ、単ヨーク励磁コイル２５に流す。この場合の励磁電流i_1aは、第１の測定の時の励磁電流と同一になるようにする。このとき単ヨーク２２に設けた第２Ｂコイル２６の両端に誘起電圧V_3aが生じる。

励磁電流i_1aを第１の測定の時の励磁電流と同一になるようにするには、励磁電流 i_1aが抵抗値R_sのシャント抵抗３３で電圧V_1aに変換されるので、この電圧V_1aを観測しながら、励磁電流i_1aの最大値が、第１の測定の時の励磁電流の最大値と同一になるよう励磁信号発生器２９の振幅を制御すれば良い。
単ヨーク２２内の磁束密度B_yaは、次の式（１０）で表される。

第２の測定では、n₃、A_yが既知であることから、式（１０）よりB_yaを求めることができる。第１の測定と第２の測定は、単ヨーク励磁コイル２５に流す励磁電流が同一なので、この第２測定で得られたB_yaは、第１の測定の時の単ヨーク２２内の磁界の強さH_yaに対する単ヨーク２２内の磁束密度ということになる。

ステップＳ１３ではリレ−３０を端子ｂに、リレ−３２を端子ｂに接続し、第３の測定を行う。励磁信号発生器２９から、第１および第２の測定の時と同一の周波数f(周期T)の正弦波励磁信号を発生させ、複ヨーク２３の複ヨーク励磁コイル２７に励磁電流i_1bを流す。この励磁電流i_1bは抵抗値R_sのシャント抵抗１３で電圧V_1bに変換される。このとき複ヨ−ク２３に設けた第３Ｂコイル２８の両端には誘起電圧V_3bが生じる。

この複ヨーク励磁コイル２７に流す励磁電流i_1bは、複ヨーク２３内の磁束密度B_ybが第２の測定から得られた単ヨーク２２内の磁束密度B_yaと同一になるようにする。複ヨーク２３内の磁束密度B_ybは、次の式（１１）で与えられる。

第３の測定では、n₃、A_yが既知であることから、式（１１）よりB_ybを求めることができる。
磁束密度B_ybが、第２の測定から得られた単ヨーク２２内の磁束密度B_yaと同一になるようにするには、第３Ｂコイル２８の両端の誘起電圧V_3bを観測しながら、式（１１）のB_ybの最大値が、第２の測定の時の磁束密度B_yaの最大値と同一になるように励磁信号発生器 ２９の振幅を制御すれば良い。

ステップＳ１４では、以上のように求めた励磁電流i_1bに基づいて、以下の算出処理を行う。
複ヨーク２３内の磁界の強さH_ybは、複ヨーク２３の磁路長をL_ybとすると、アンペール(Ampere)の定理より、次の式（１２）で表される。

n₁、L_ybが既知であることから、式（１２）よりH_ybも求めることができる。
H_ybは複ヨーク２３内の磁束密度がB_ybの時の磁界の強さである。このB_ybは第１の測定の時の単ヨーク２２内の磁束密度B_yaに等しい。従って、H_ybは第１の測定の時の単ヨーク２２内の磁界の強さH_yaに等しいということになる。なぜなら単ヨーク２２と複ヨーク２３とは同じ材質であるから、磁界の強さと磁束密度の関係である磁化曲線は同一だからである。
したがって、式（１２）は、次の式（１３）として表せる。

ここで、前述の式（２）を変形し、単板２２内の磁界の強さH_pについて求めると、次の式（１４）のようになる。

したがって、第１の測定から求められるH_vと第２および第３の測定から求められるH_yaを式（１４）に適用すれば、第１の測定の時の単板２１内の磁界の強さH_pを求めることができる。この単板２１内の磁界の強さH_pと式（５）から得られる単板２１内の磁束密度B_pの関係をグラフに示せば、それが被測定試料である単板２１内の磁化曲線ということになる。
さらに式（７）の第１項は、次の式（１５）である。

式（１５）に式（１４）のH_pと式（５）のB_pを適用すれば、本来の単板２１の鉄損P_pのみを算出できる。
以上のようにして、第１実施形態の単板磁気特性測定装置では、単板２１のみの磁気特性を測定することができる。

図４は、本発明の第２実施形態の単板磁気特性測定装置の構成を示す図である。
第２実施形態の単板磁気特性測定装置は、第１Ｂコイル２４の端子の電位差を測定する単板誘起電圧測定回路３６を有し、共通誘起電圧測定回路３５の代わりにヨーク誘起電圧測定回路３７を有し、リレー３１を設けないことが、第１実施形態と異なり、他の部分は第１実施形態と同じであり、説明は省略する。

第２実施形態で、被測定試料である単板２１の磁気特性を測定するには、２回の測定を行う必要があるが、第１の実施形態より、測定回数が１回少なく、短時間で測定を終えることができる。一方、第１の実施形態より電圧測定回路が１つ増加するので、測定装置の製造原価は上昇する。２回の測定のそれぞれを第１および第２の測定と呼ぶ。

まず第１の測定を説明する。
第１Ｂコイル２４が設けられた被測定試料である単板２１を単ヨーク２２の２つの端面に密着させ閉磁路を形成する。リレ−３０を端子ａに、リレ−３２を端子ａに接続する。この状態で、励磁信号発生器２９から、例えば周波数f(周期T)の正弦波励磁信号を発生させ、単ヨーク２２の単ヨーク励磁コイル２５に励磁電流i_1aを流す。この励磁電流i_1aは抵抗値R_sのシャント抵抗１３で電圧V_1aを発生する。また、このとき単板２１に備えた第１Ｂコイル２４の両端には誘起電圧V₂が生じ、同時に単ヨーク２２に設けた第２Ｂコイル２６の両端にも誘起電圧V_3aが生じる。

第２の実施形態の第１の測定は、第１実施形態の第１の測定と第２の測定を１回で済ませたことに相当する。単板２１に設けた第１Ｂコイル２４の両端に生じる誘起電圧V₂と、単ヨーク２２に設けた第２Ｂコイル２６の両端に生じる誘起電圧V_3aは共に、単ヨーク励磁コイル２５に励磁電流i_1aを流した時の誘起電圧である。第１実施形態の第２の測定のように、単ヨーク励磁コイル２５に励磁電流i_1aと同一の励磁電流を再度流す必要はない。従って、前述の式（１）〜（１０）式は、第２実施形態でも成り立つ。

次に第２の測定を説明する。
第２の測定は、第１実施形態の第３の測定とまったく同一である。リレ−３０を端子ｂに、リレー３２を端子ｂに接続する。励磁信号発生器２９から、第１の測定の時と同一の周波数f(周期T)の正弦波励磁信号を発生させ、複ヨーク２３の複ヨーク励磁コイル２７に励磁電流i_1bを流す。この複ヨーク励磁電流i_1bは抵抗値R_sのシャント抵抗１３に電圧V_1bを発生する。また、このとき複ヨ−ク２３に設けた第３Ｂコイル２８の両端には誘起電圧V_3bが生じる。この複ヨーク励磁コイル２７に流す励磁電流i_1bは、複ヨーク２３内の磁束密度B_ybが第１の測定から得られた単ヨーク２２内の磁束密度B_yaと同一になるようにする。

磁束密度B_ybが第１の測定から得られた単ヨーク２２内の磁束密度B_yaと同一になるようにするには、第３Ｂコイル２８の両端の誘起電圧V_3bを観測しながら、第１実施形態と同様に式（１１）のB_ybの最大値が、第１の測定の時の磁束密度B_yaの最大値と同一になるように励磁信号発生器２９の出力する励磁信号の振幅を制御すれば良い。従って、式（１１）〜（１５）は第２実施形態でも成り立ち、式（１５）より本来の単板２１の鉄損P_pだけを算出することができる。

以上説明した第１および第２実施形態では、複ヨーク２３は装置内に保持され、オペレータからは見えないが、単ヨーク２２の２つの端面は、オペレータが、第１Ｂコイル（単板磁束密度検出用コイル）２４を巻いた被測定試料である単板２１の両側を、２つの端面に載置できるように外部に露出している。また、第１実施形態ではリレー３１の端子ａに接続された２個の端子が、第２実施形態では単板誘起電圧測定回路３６の測定端子に接続された２個の端子が、それぞれ外部に露出しており、オペレータが第１Ｂコイル２４の２つの端子をこれらの端子に接続する。

なお、測定の作業性を向上するため、２つの端子が測定装置の２個の端子に接続された第１Ｂコイル２４を、単ヨーク２２の２つの端面の間に固定しておき、第１Ｂコイル２４に単板２１を挿入して端面に押し付けるようにしてもよい。

さらに、第１および第２実施形態では、単板２１の単ヨーク２２の２つの端面への載置、励磁信号発生器２９の調整をオペレータが行う場合を説明したが、これらの操作の一部またはすべてをコンピュータ制御により自動で行うことも可能である。

図５は、本発明の第３実施形態の単板磁気特性測定装置の構成を示す図であり、（Ａ）は第１の測定を行う状態を、（Ｂ）は第２の測定を行う場合を示す。

第３実施形態の単板磁気特性測定装置は、第１および第２実施形態の複ヨーク２３のみを有し、単ヨーク２２を有さず、しかも複ヨーク２３を形成する一方の第１単ヨーク２３ａのみを固定して有し、他方の第２単ヨーク２３ｂは着脱可能に保持されている。言い換えれば、第１および第２実施形態の単ヨーク２２に対応する第１単ヨーク２３ａのみを固定された状態で有し、複ヨーク２３を有さず、第２単ヨーク２３ｂを外すと図５の（Ａ）の状態になり、第２単ヨーク２３ｂを設置すると図５の（Ｂ）の状態になる。図５の（Ｂ）の状態では、第１単ヨーク２３ａおよび第２単ヨーク２３ｂは、第１および第２実施形態で複ヨーク２３を形成する２個の単ヨーク２３ａおよび２３ｂとして作用するので、同じ参照符号で示す。

第３実施形態の単板磁気特性測定装置は、巻数n₁のヨーク励磁コイル３８および巻数n₃のヨーク磁束密度検出用コイル３９が巻かれた第１単ヨーク２３ａと、ヨーク励磁コイル３８に励磁電流を流す励磁信号発生器２９と、励磁電流を電圧に変換するシャント抵抗３３と、シャント抵抗３３の両端の電圧を測定する励磁電流測定回路３４と、単板誘起電圧測定回路３６と、ヨーク誘起電圧測定回路３７と、を有する。単板誘起電圧測定回路３６の測定端子には、測定時に、被測定試料である単板２１に巻かれた巻数n₂の単板磁束密度検出用コイル（第１Ｂコイル）２４の端子が接続される。ヨーク誘起電圧測定回路３７の測定端子は、ヨーク磁束密度検出用コイル３９の端子が接続される。図５の（Ａ）は、この状態を示す。この状態では、ヨーク励磁コイル３８およびヨーク磁束密度検出用コイル３９は、第１および第２実施形態の単ヨーク励磁コイル２５および単ヨーク磁束密度検出用コイル（第２Ｂコイル）２６と同様に作用する。

第２単ヨーク２３ｂは、第１単ヨーク２３ａと同一の磁気特性をもつ軟磁性体で、第１単ヨーク２３ａと第２単ヨーク２３ｂを端面で密着して接触することにより、閉磁路を形成する。図５の（Ｂ）は、この状態を示す。この状態では、ヨーク励磁コイル３８およびヨーク磁束密度検出用コイル３９は、第１および第２実施形態の複ヨーク励磁コイル２７および複ヨーク磁束密度検出用コイル（第３Ｂコイル）２８と同様に作用する。

第１単ヨーク２３ａおよび第２単ヨーク２３ｂの断面積、比透磁率および磁路長は、第１および第２実施形態と同じである。また、単板２１の断面積、比透磁率および磁路長も第１および第２実施形態と同様であるとする。

第３実施形態では、被測定試料である単板２１の磁気特性を測定するには、第２実施形態と同様に、２回の測定を行う必要があるが、第２実施形態と同様に、第１実施形態より測定回数が １回少なく短時間で測定を終えることができる。一方、第１実施形態より電圧測定回路が１つ増加するが、測定回路を切換えるリレーを設けないので、測定回路が簡素となっている。さらに、第１および第２実施形態より単ヨ−クが１つ減少しているので、総合的に測定装置の製造原価上昇は第２実施形態よりも抑制される。２回の測定のそれぞれを、第１および第２の測定と呼ぶ。

まず、第１の測定を説明する。
図５の（Ａ）に示すように、第１Ｂコイル２４が設けられた被測定試料である単板２１を、第１単ヨーク２３ａの２つの端面に密着させ閉磁路を形成する。この状態で、励磁信号発生器２９から、例えば周波数f(周期T)の正弦波励磁信号を発生させ、第１単ヨーク２３ａのヨーク励磁コイル３８に励磁電流i_1aを流す。この励磁電流i_1aは抵抗値R_sのシャント抵抗１３で電圧V_1aを発生する。また、このとき単板２１に備えた第１Ｂコイル２４の両端には誘起電圧V₂が生じ、同時に第１単ヨーク２３ａに設けたヨーク磁束密度検出用コイル３９の両端にも誘起電圧V_3aが生じる。

第３実施形態の第１の測定は、第２実施形態の第１の測定と同様に、第１実施形態の第１の測定と第２の測定を１回で済ませたことに相当する。従って、式（１）〜（１０）は、第３実施形態でも成り立つ。

次に、第２の測定を説明する。
図５の（Ｂ）に示すように、単板２１を第１単ヨーク２３ａの２つの端面から外し、代わりに第２単ヨーク２３ｂを密着させ閉磁路を形成する。言い換えれば、第１および第２実施形態の複ヨークを形成する。励磁信号発生器２９から、第１の測定の時と同一の周波数f(周期T)の正弦波励磁信号を発生させ、第１単ヨーク２３ａのヨーク励磁コイル３８に励磁電流i_1bを流す。この励磁電流i_1bは抵抗値R_sのシャント抵抗１３の両端に電圧V_1bを発生する。このとき、第１単ヨーク２３ａに設けたヨーク磁束密度検出用コイル３９の両端には誘起電圧V_3bが生じる。第１単ヨーク２３ａおよび第２単ヨーク２３ｂにより形成された複ヨークのヨーク励磁コイル３８に流す励磁電流i_1bは、複ヨーク内の磁束密度B_ybが第１の測定から得られた第１単ヨーク２３ａ内の磁束密度B_yaと同一になるようにする。

磁束密度B_ybが第１の測定から得られた第１単ヨーク２３ａ内の磁束密度B_yaと同一になるようにするには、ヨーク磁束密度検出用コイル３９の両端の誘起電圧V_3bを観測しながら、第１および第２実施形態と同様に式（１１）のB_ybの最大値が、第１の測定の時の磁束密度B_yaの最大値と同一になるように励磁信号発生器２９の振幅を制御すれば良い。従って、式（１１）〜（１５）は、第３実施形態でも成り立ち、式（１５）より本来の単板２１内の磁界の強さおよび単板２１の鉄損P_pだけを算出することができる。

第３実施形態においても、測定時には、単板２１の両側を単ヨーク２２の２つの端面に載置して密着させる必要があり、必要に応じて図示していない圧着機構などにより密着させる。

第１から第３実施形態のすべてで、被測定試料である単板２１を単ヨークの端面に密着させるが、この際に、単板２１と単ヨークとの密着面にエアーギャップが形成されないようにしなければならない。これは、密着しないと、式（１）のアンペール(Ampere)の定理が成り立たなくなるためである。従って、単板２１は可能な限り反り等の変形がないものを使用しなければならない。さらに、単板２１と単ヨークの端面との密着面にエアーギャップができないよう、圧着機構などにより、単板２１の上方から加重等を加えることが望ましい。

また、第１から第３実施形態すべてで、励磁信号発生器２９から発生させる励磁信号は周波数f(周期T)の正弦波としたが、本発明は、正弦波に限定されるものではなく、励磁信号は、正弦波以外の矩形波、三角波等の周波数f(周期T)の任意の周期関数であれば良い。
さらに、第１および第２実施形態では、単ヨーク励磁コイル２５と複ヨーク励磁コイル２７は同じ巻数n₁であり、第２Ｂコイル２６および第３Ｂコイル２８は同じ巻数n₃であるとしたが、それぞれ異なる巻数としてもよく、異なる巻数とする場合には巻数に応じて前述の式を変更する。

被測定試料である単板は積層したものが多く、様々な厚みをもつ。式（８）および（９）より、被測定試料である単板の断面積A_pがヨークの断面積A_yに近づけば近づくほど、単ヨーク内の磁界の強さH_yaが無視できなくなってくる。しかし、本発明によれば、単板内の磁界の強さと磁束密度のみ用いて、単板の鉄損を算出しているので、様々な厚みの積層した単板の磁気特性をも求めることができる。

本発明の第１実施形態での実施例について説明する。
本実施例では、単ヨークおよび複ヨークの材料である軟磁性体として、JFEスチール（株）製のスーパーコアと日立金属（株）製のファインメットの２種類を用い、形状は同一であるが材質が異なるこの２種類のヨークで、同一の鉄系単板の鉄損を測定した。

図６は、実施例で使用した単板および単ヨークの外形図であり、図６の（Ａ）が単板を、図６の（Ｂ）が単ヨークを示す。また、表１は、図６に示した単板および単ヨーク、および２個の単ヨークを結合した複ヨークの諸元を示す。複ヨークの諸元で単ヨークと重複する項目は省略してある。

図７は、第１実施形態の励磁電流法の単板磁気特性測定装置を用いて、測定周波数f=1kHzでの測定結果である。図７において、横軸は式（５）で算出した単板２１内の磁束密度B_pの最大値B_pm[mT]、縦軸は単板の鉄損P_cv[W/mm³]である。白丸印のグラフは、ヨークがスーパーコアの場合を、×印のグラフはヨークがファインメットの場合であり、それぞれ実線グラフは、従来の励磁電流法の単板磁気特性測定装置のように 式（６）で単板の鉄損を求めたもので、破線グラフは、第１実施形態の第１から第３の測定を行い、式（１５）により単板の鉄損を求めたものである。図８は、グラフが識別し易いように図７の一部を拡大したものであり、具体的にはP_cv[W/mm³]=6〜12×10^-3の範囲を拡大したものである。

２つの実線グラフを比較すると、同一の単板の鉄損を測定しているにもかかわらず、鉄損はヨークの材質によって僅かに異なっている。また、単板内の磁束密度B_pの最大値B_pmが大きくなるにしたがって、鉄損の差異が大きくなる傾向があることが分かる。実線グラフは式（６）で求めた鉄損なので、ヨ−クの鉄損に関係する分が含まれる。軟磁性体に関係する分野で知られているように、スーパーコアの鉄損はファインメットの鉄損よりも大きい。そのためヨークがスーパーコアの場合の方がファインメットの場合よりも単板の鉄損が大きいグラフになっていて、異なるヨークの材質の鉄損の差が明確に現れている。また、鉄損はSteinmetzの実験式で知られているように最大磁束密度のべき乗に比例する。従ってB_pmが大きくなるにしたがって、その差異が大きくなっていると考えられる。いずれにしろ、同一の単板を測定してこのような差が生じるということは、単板の測定としては不十分であることを示している。

一方、２つの破線グラフを比較すると、ヨークの材質が異なっているにも関わらず、グラフはほぼ重なっていて、鉄損がヨークの材質に依存していないのが容易に分かる。破線グラフは式（１５）で求めた鉄損なので、ヨークの鉄損に関係する分は含まれず、単板のみの鉄損であることが、実験的に証明されている。

以上説明してきたように、本発明の励磁電流法の単板磁気特性測定装置によれば、ヨークの鉄損等の磁気特性の影響を受けずに、単板内の正確な磁界の強さと磁束密度、および単板のみの正確な鉄損等の磁気特性を求めることが可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、記載した実施形態は発明を説明するためのもので、当業者には、特許請求の範囲において各種の変形例があり得ることが容易に理解可能である。

２１ 単板
２２ 単ヨーク
２３ 複ヨーク
２３ａ 第１単ヨーク
２３ｂ 第２単ヨーク
２４ 単板磁束密度検出用コイル（第１Ｂコイル）
２５ 単ヨーク励磁コイル
２６ 単ヨーク磁束密度検出用コイル（第２Ｂコイル）
２７ 複ヨーク励磁コイル
２８ 複ヨーク磁束密度検出用コイル（第３Ｂコイル）
２９ 励磁信号発生器
３０、３１、３２ リレー
３３ シャント抵抗
３４ 励磁電流測定回路
３５ 共通誘起電圧測定回路
３８ ヨーク励磁コイル
３９ ヨーク磁束密度検出用コイル

Claims (8)

1. 端面間の距離が既知の２つの端面を有し、かつ断面積および磁路長が既知の単ヨークの前記２つの端面に、被測定試料である単板を接触させて閉磁路を形成し、
   前記単ヨークを任意の周期関数の第１励磁信号で励磁して、前記閉磁路を第１励磁状態にし、
   前記第１励磁信号の強度から、前記第１励磁状態における前記閉磁路内の磁界の強さを算出し、
   前記第１励磁状態における前記単板内の磁束密度を測定し、
   前記第１励磁状態における前記単ヨーク内の磁束密度を測定し、
   前記単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され、前記単ヨークと同一の断面形状の閉磁路をなし、かつ磁路長が既知の複ヨークを、前記任意の周期関数の第２励磁信号で励磁して、前記複ヨーク内に前記単ヨーク内の測定磁束密度に等しい磁束密度が得られる第２励磁状態にして、前記第２励磁信号の強度から、前記第２励磁状態における前記複ヨーク内の磁界の強さを算出し、
   前記第１励磁状態における前記閉磁路内の磁界の強さおよび前記第２励磁状態における前記複ヨーク内の磁界の強さから前記単板内の磁界の強さを算出し、前記単板内の磁束密度および前記単板内の磁界の強さから単板の鉄損を算出する、ことを特徴とする単板磁気特性測定方法。
2. 前記複ヨークは、前記単ヨークと、前記単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され且つ同じ形状の第２単ヨークを、前記２つの端面で接触させることにより形成される請求項１記載の単板磁気特性測定方法。
3. 端面間の距離が既知の２つの端面を有し、単ヨーク励磁コイルおよび単ヨーク磁束密度検出用コイルが設けられ、断面積および磁路長が既知の単ヨークと、
   前記単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され、前記単ヨークと同一の断面形状の閉磁路をなし、複ヨーク励磁コイルおよび複ヨーク磁束密度検出用コイルが設けられ、磁路長が既知の複ヨークと、を備える単板磁気特性測定装置。
4. 前記複ヨークは、前記単ヨークと、前記単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され且つ同じ形状の第２単ヨークを、前記２つの端面で接触させることにより形成される請求項３記載の単板磁気特性測定装置。
5. 任意の周期関数の励磁電流を出力する励磁信号発生器と、
   前記励磁信号発生器に接続されたシャント抵抗と、
   前記シャント抵抗の両端の電位差を測定する励磁電流測定回路と、
   測定端子間の電位差を測定する電圧測定回路と、
   前記励磁電流を、前記シャント抵抗を介して、前記単ヨーク励磁コイルまたは前記複ヨーク励磁コイルに流すように切り換える励磁電流切換スイッチと、
   前記電圧測定回路の前記測定端子を、前記単ヨークの前記２つの端面に接触される被測定試料である単板に設けられた単板磁束密度検出用コイルの両端が接続される第１端子と、前記単ヨーク磁束密度検出用コイルの両端が接続される第２端子と、前記複ヨーク磁束密度検出用コイルの両端が接続される第３端子と、の間で切り換える電圧測定切換スイッチと、をさらに備える請求項３または４記載の単板磁気特性測定装置。
6. 任意の周期関数の励磁電流を出力する励磁信号発生器と、
   前記励磁信号発生器に接続されたシャント抵抗と、
   前記シャント抵抗の両端の電位差を測定する励磁電流測定回路と、
   前記単ヨークの前記２つの端面に接触される被測定試料である単板に設けられた単板磁束密度検出用コイルの両端が接続される第１端子間の電位差を測定する単板誘起電圧測定回路と、
   測定端子間の電位差を測定するヨーク誘起電圧測定回路と、
   前記励磁電流を、前記シャント抵抗を介して、前記単ヨーク励磁コイルまたは前記複ヨーク励磁コイルに流すように切り換える励磁電流切換スイッチと、
   前記測定端子を、前記単ヨーク磁束密度検出用コイルの両端が接続される第２端子と、前記複ヨーク磁束密度検出用コイルの両端が接続される第３端子と、の間で切り換えるヨーク誘起電圧測定切換スイッチと、をさらに備える請求項３または４記載の単板磁気特性測定装置。
7. 端面間の距離が既知の２つの端面を有し、かつ第２巻数の単ヨーク磁束密度検出用コイルが設けられ、断面積および磁路長が既知の単ヨークと、
   前記単ヨークと同一の磁気特性を有する材料で形成され且つ同じ形状を有する第２単ヨークと、を備え、
   前記単ヨークは固定され、
   前記第２単ヨークは、前記２つの端面が前記単ヨークの前記２つの端面に接触するように着脱可能であり、
   前記単ヨークと前記第２単ヨークは、前記２つの端面同士を接触させた状態で、前記単ヨークと同一の断面形状の閉磁路をなすことを特徴とする単板磁気特性測定装置。
8. 任意の周期関数の励磁電流を出力する励磁信号発生器と、
   前記励磁信号発生器に接続されたシャント抵抗と、
   前記シャント抵抗の両端の電位差を測定する励磁電流測定回路と、
   前記単ヨークの前記２つの端面に接触される被測定試料である単板に設けられた単板磁束密度検出用コイルの両端が接続される第１端子間の電位差を測定する単板誘起電圧測定回路と、
   前記単ヨーク磁束密度検出用コイルの両端が接続される測定端子間の電位差を測定するヨーク誘起電圧測定回路と、をさらに備える請求項７記載の単板磁気特性測定装置。

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