JP7442469B2 - 磁石損失測定システム及び磁石損失測定方法 - Google Patents
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Description
[1]評価対象の磁石と、
前記磁石の外周に取り付けられた同軸2重コイルであって、
前記磁石に直接巻き付けられた第1導線を含み、前記磁石の磁束密度Bを検出するか、又は、前記磁石の外周に位置する第1ボビンと、該第1ボビンに巻き付けられた第1導線と、を含み、前記磁石の磁気分極Jを検出する第1コイルと、
前記第1導線の外周に位置する第2ボビンと、該第2ボビンに巻き付けられた第2導線と、を含み、前記磁石に印加される交流磁界の強度Hを検出する第2コイルと、
を有する同軸2重コイルと、
前記磁石及び前記同軸2重コイルを内部に配置させた第3ボビンと、該第3ボビンに巻き付けられた第3導線と、を含み、交流磁界を発生させる励磁コイルと、
前記励磁コイルの前記第3ボビンの両端から挿入され、前記磁石及び前記同軸2重コイルを両側から挟む一対のストレート部を含むカットコアから構成され、前記励磁コイルが発生させる磁束を前記磁石に集中させるヨークと、
を有し、前記同軸2重コイルの前記第1コイルによって検出された前記磁石の磁束密度B、又は、前記同軸2重コイルの前記第1コイルによって検出された前記磁石の磁気分極Jから換算された前記磁石の磁束密度Bと、前記同軸2重コイルの前記第2コイルによって検出された前記交流磁界強度Hとに基づいて、前記磁石の磁石損失を測定する磁石損失測定システムであって、
前記第1ボビン及び前記第2ボビンは、25℃から200℃に温度上昇した際の熱変形率が0.22%以下である材料からなり、
前記カットコアは、厚さが0.10mm以下の軟磁性材料板を積層させてなる
ことを特徴とする磁石損失測定システム。
前記励磁コイルにより交流磁界を発生させつつ、前記ヨークにより前記励磁コイルが発生させる磁束を前記磁石に集中させた状態で、前記同軸2重コイルの前記第1コイルによって、前記磁石の磁束密度B又は磁気分極Jを検出し、かつ、前記同軸2重コイルの前記第2コイルによって、前記磁石に印加される交流磁界の強度Hを検出し、
前記同軸2重コイルの前記第1コイルによって検出された前記磁石の磁束密度B、又は、前記同軸2重コイルの前記第1コイルによって検出された前記磁石の磁気分極Jから換算された前記磁石の磁束密度Bと、前記同軸2重コイルの前記第2コイルによって検出された前記交流磁界強度Hとに基づいて、前記磁石の磁石損失を測定する、磁石損失測定方法。
図2A、図2B、図3A、及び図3Bを参照して、磁石10は、本実施形態において磁石損失を測定する対象の試料である。磁石10の種類は、永久磁石であれば特に限定されず、例えば、合金磁石、フェライト磁石、及び希土類焼結磁石などを例示することができる。磁石10の形状は、図2A、図2B、図3A、及び図3Bに示すように直方体であることが好ましいが、これに限定されることはなく、後述の同軸2重コイル20の軸方向(図中のz軸)に垂直な一対の平面を有していればよく、例えば、z軸に垂直な一対の同一形状・同一サイズの多角形平面を有する角柱や、z軸に垂直な一対の同一直径の円形平面を有する円柱を例示することができる。角柱は、四角柱(すなわち直方体及び立方体)であり得る。磁石10の寸法は特に限定されないが、図2A、図2B、図3A、及び図3Bに示すように直方体である場合、z軸に垂直な平面は、同軸2重コイル20の幅を踏まえて、一辺の長さが1~30mmの範囲とすることができ、z軸に沿った長さは1~20mmの範囲とすることができる。磁石10の形状が円柱の場合、z軸に垂直な平面は、直径が1.4~42mmの範囲とすることができ、z軸に沿った長さは、直方体の場合と同じく1~20mmの範囲とすることができる。図2B及び図3Bに示すように、磁石10は、z軸に沿った長さが同軸2重コイル20よりも長く、同軸2重コイル20の両側から飛び出ている。よって、図1Bに示すように、ヨーク40の第1カットコア42A及び第2カットコア42Bは、磁石10のz軸に垂直な一対の平面と直接接触する。すなわち、ヨーク40に直接挟まれるのは、磁石10である。
図2A及び図2Bに、同軸2重コイル20の第一例を示す。図2A及び図2Bに示す同軸2重コイル20は、第1コイル22及び第2コイル24を有する。第1コイル22は、磁石10に直接巻き付けられた第1導線22Bを含む。第2コイル24は、第1導線22Bの外周に位置する第2ボビン24Aと、この第2ボビン24Aに巻き付けられた第2導線24Bと、を含む。このように、第一例の同軸2重コイル20では、第1コイル22において、第1導線22Bを磁石10に直接巻き付けるタイプである。
磁石10の外周に位置する第1ボビン22Aと、この第1ボビン22Aに巻き付けられた第1導線22Bと、を含む。第2コイル24は、第1導線22Bの外周に位置する第2ボビン24Aと、この第2ボビン24Aに巻き付けられた第2導線24Bと、を含む。このように、第二例の同軸2重コイル20では、第1コイル22において、第1導線22Bを第1ボビン22Aに巻き付けるタイプである。
図1Aに加えて図4A及び図4Bも参照して、励磁コイル30は、第3ボビン32と、この第3ボビン32に巻き付けられた第3導線34と、を含む。第3ボビン32の内部には、帯状台座90が貫通しており、この帯状台座90上に固定されたサンプル保持具92に、磁石10及び同軸2重コイル20の組立体がセットされる。よって、磁石10及び同軸2重コイル20の組立体は、励磁コイル30の第3ボビン32の内部に配置される。このとき、図4A及び図4Bに示すように、励磁コイル30の軸方向が同軸2重コイル20の軸方向と一致するように、磁石10及び同軸2重コイル20を配置する。なお、図4A及び図4Bでは、励磁コイル30から引き出した配線と、配線を接続する電源装置は省略しているが、電源装置によって励磁コイル30に交流の電流を流すことによって、励磁コイル30は交流磁界を発生させる。
図1A及び図1Bを参照して、ヨーク40は、複数のカットコアから構成され、本実施形態では、ヨーク40は、一対のストレート部である直方体の第1カットコア42A及び第2カットコア42Bと、一対のコの字型カットコア(SC型)である第3カットコア44A及び第4カットコア44Bと、の計4つのカットコアから構成される。図1A及び図1Bに示すように、一対のストレート部である直方体の第1カットコア42A及び第2カットコア42Bは、励磁コイル30の第3ボビンの32両端から挿入され、同軸2重コイル20が取り付けられた磁石10を両側から挟む。第3カットコア44A及び第4カットコア44Bは、互いにカット面同士が対向しており、片方の対向部では、一対のカットコア先端部間で第1カットコア42Aを挟み、他方の対向部では、一対のカットコア先端部間で第2カットコア42Bを挟む。このようにして、ヨーク40は、励磁コイル30が発生させる磁束を磁石10に集中させる機能を有する。そのため、磁石10に印加する磁束密度Bを、モータ内で実際に磁石に印加される磁束密度と同等に調整することができる。本実施形態では、ヨーク40は、磁石10に磁束を誘導する円環状誘導路が2つ存在する形状を有する、いわゆる「ダブルヨーク」であり、励磁コイル30が発生させる磁束が外界に漏れることを抑え、磁石10に集中させる機能を十分に発揮することができる。ヨーク40の形状は、前記ダブルヨークであることが好ましいが、これに限定されることはなく、一対のコアの先端部で磁石10を挟んだ時に、コアが閉じた環を形成し、円環状誘導路を有していればよく、例えば、円形などもあり得る。
以上の構成を有する磁石損失測定システム100を用いて、励磁コイル30により交流磁界を発生させつつ、ヨーク40により励磁コイル30が発生させる磁束を磁石10に集中させた状態で、同軸2重コイル20の第1コイル22によって、磁石10の磁束密度B又は磁気分極Jを検出し、かつ、同軸2重コイル20の第2コイル24によって、磁石10に印加される交流磁界の強度Hを検出する。磁気分極Jを検出した場合は、前記B=μ0H+Jの式に従ってBを算出し取得する。このように直接検出又は取得された磁石10の磁束密度Bと、同軸2重コイル20の第2コイル24によって検出された交流磁界強度Hとに基づいて、磁石10の磁石損失を測定する。
W=f・∫HdB/ρ
ここで、
W:磁石損失[W/kg]
f:交流磁界の周波数[Hz]
B:磁石の磁束密度[T]
H:交流磁界の強度[A/m]
ρ:磁石の密度[kg/m3]
である。
本実施形態では、同軸2重コイル20のボビン材質が重要である。樹脂を含む材料の場合、そのガラス転移点は、樹脂に依存し、100~200℃となるため、100~200℃における熱変形率は大きく、不適当である。このため、200℃以上にガラス転移点を持つ材料であるガラスが適しており、その中でも非磁性の性質を有するものである必要がある。ガラスの中でも、熱変形率の大きいリン酸ガラスは、25℃から200℃に温度上昇した際の熱変形率が0.22%であることから、ボビンの材質として適している材料は、当該熱変形率が0.22%以下のものである。また、ガラス転移点をもたないセラミックスはより好適である。ただし、そのセラミックスは非磁性の性質を有するものである必要がある。すなわち、図2A及び図2Bに示すB-Hコイルの場合は第2ボビン24Aが、25℃から200℃温度上昇した際の熱変形率が0.22%以下である材料からなることが重要であり、図3A及び図3Bに示すJ-Hコイルの場合には第1ボビン22A及び第2ボビン24Aが、25℃から200℃に温度上昇した際の熱変形率が0.22%以下である材料からなることが重要である。同軸2重コイル20のボビン材質の25℃から200℃に温度上昇した際の熱変形率が0.22%以下であることにより、高温環境下でボビンが変形してボビンの内部面積が増大することを十分に抑制することができ、すなわち、コイル定数の変化を十分に抑制することができる。その結果、最大200℃までの高温環境下でも高精度に磁石損失を測定することができる。ここで、200℃における熱変形率に着目したのは、モータ部材の環境試験温度が概ね200℃程度までであり、磁石損失測定で求められる温度も概ね200℃までであるためである。ボビン材質の熱変形率は小さいほど好ましいため、下限は特に限定されないが、ボビン材質の制約上、25℃から200℃に温度上昇した際の熱変形率は0.01%以上となる。これは、低膨張のコージライトやチタン酸アルミニウムなどの熱変形率の小さいセラミックスを用いた場合である。高温環境下における磁石損失測定は、図5に示すように、磁石損失測定システム100を電気炉70内に配置し、炉内の雰囲気を所望の温度に設定して行うことができる。
熱変形率=100×α200×(200℃-25℃)
上記式の線熱膨張率α200は、熱機械測定装置によって室温25℃から210℃程度まで熱機械測定を行って取得する。なお、熱機械測定を210℃程度まで行うこととした理由は、温度を上昇させながら伸びを測定する熱機械測定装置の特性を踏まえると、200℃までの測定では、200℃の測定点の精度を十分に得られない懸念があるためである。後述の実施例においては、熱機械測定装置(株式会社Rigaku製、TMA8311)を使用した。
図6を参照して、ヨーク40を構成するカットコアは、複数の軟磁性材料板46を積層させてなるものである。具体的には、複数の軟磁性材料板46を巻加工などで積層させ、歪取り焼鈍、接着、切断、研磨などの加工を施したものである。軟磁性材料板46の種類は特に限定されないが、例えば、方向性電磁鋼板、無方向性電磁鋼板、純鉄(α-Fe)、パーマロイなどを挙げることができる。この中でも、透磁率が比較的高く、安価である方向性電磁鋼板は好適である。本実施形態では、ヨーク40を構成するカットコア(具体的には、第1カットコア42A、第2カットコア42B、第3カットコア44A、及び第4カットコア44B)は、厚さが0.10mm以下の軟磁性材料板46を積層させてなるものであることが肝要である。積層させる軟磁性材料板46の厚さを0.10mm以下とすることによって、カットコアにて発生する渦電流を十分に小さくすることができ、その結果、磁石に10kHzを超えるような高周波の交流磁界を印加することができるようになり、高周波の交流磁界を印加した環境下でも磁石損失を測定することができる。ただし、ヨーク40の透磁率を高くし、印加できる磁束の密度を大きくする観点から、積層させる軟磁性材料板46の厚さは0.05mm以上であることが好ましい。なお、磁束を磁石10に集中させるためには、第1カットコア42A、第2カットコア42B、第3カットコア44A、及び第4カットコア44Bにおいて、軟磁性材料板の厚さ方向が、各カットコアを流れる磁束の向きと垂直になるように、軟磁性材料板を積層させる必要がある。
ヨークの形状は、図1Aに示すヨーク40の形状には限定されない。図7を参照して、ヨーク50は、一対のコの字型カットコア(SC型)である第1カットコア52A及び第2カットコア52Bから構成される。図7に示すように、一対の第1カットコア52A及び第2カットコア52Bのカット面同士を対向させ、片方の対向部では一対のカットコア先端部間で、同軸2重コイル20を取り付けた磁石10を挟み、他方の対向部では、一対のカットコアのカット面同士が突き合わされる。このヨーク50は、磁石10に磁束を誘導する円環状誘導路が1つ存在する形状を有する、いわゆる「C型ヨーク」である。
図1Aに示す構成の磁石損失測定システムを用いて、以下のとおり磁石損失測定試験を行った。一辺が10mm×10mm角で厚さが5mmの角柱体の磁石を測定対象とした。同軸2重コイルとしては、図3A及び図3Bに示すJ-Hコイルを用いた。第1ボビンは、軸に垂直な内壁面形状が11mm×11mmの正方形であり、軸方向に沿った長さは4mmである。第1導線は、巻き数20、巻幅2mm、層数は1層である。第2ボビンは、その内壁面に第1ボビンが入る寸法を有し、軸方向に沿った長さは4mmである。第2導線は、巻き数20、巻幅2mm、層数は1層である。第1ボビン及び第2ボビンの材質はリン酸ガラスであり、25℃から200℃に温度上昇した際の熱変形率は、表1に示すように0.22%であった。
表2に示すように、ヨークを構成するカットコアは、厚さ0.10mmの方向性電磁鋼板を積層させてなるものに固定し、他方で、第1ボビン及び第2ボビンの25℃から、50℃、150℃、及び200℃にそれぞれ温度上昇した際の熱変形率を表2に示すように種々変更して、実施例1と同様の磁石損失測定試験を行った。比較例No.1-2では、ボビン材質はガラスエポキシとしたため、25℃から200℃に温度上昇した際の熱変形率は、表2に示すとおり高い。発明例No.3ではボビン材質はリン酸ガラスとし、発明例No.4ではボビン材質は低膨張コージライトとしたため、25℃から200℃に温度上昇した際の熱変形率は、表2に示すように0.22%以下であった。
10 磁石
20 同軸2重コイル
22 第1コイル
22A 第1ボビン
22B 第1導線
24 第2コイル
24A 第2ボビン
24B 第2導線
30 励磁コイル
32 第3ボビン
34 第3導線
40 ヨーク(ダブルヨーク)
42A 第1カットコア(ストレート部)
42B 第2カットコア(ストレート部)
44A 第3カットコア
44B 第4カットコア
46 軟磁性材料板
50 ヨーク(C型ヨーク)
52A 第1カットコア
52B 第2カットコア
60 ヨーク(ダブルヨーク)
62A 第1カットコア
62B 第2カットコア
70 電気炉
90 帯状台座
92 サンプル保持具
Claims (3)
- 評価対象の磁石と、
前記磁石の外周に取り付けられた同軸2重コイルであって、
前記磁石に直接巻き付けられた第1導線を含み、前記磁石の磁束密度Bを検出するか、又は、前記磁石の外周に位置する第1ボビンと、該第1ボビンに巻き付けられた第1導線と、を含み、前記磁石の磁気分極Jを検出する第1コイルと、
前記第1導線の外周に位置する第2ボビンと、該第2ボビンに巻き付けられた第2導線と、を含み、前記磁石に印加される交流磁界の強度Hを検出する第2コイルと、
を有する同軸2重コイルと、
前記磁石及び前記同軸2重コイルを内部に配置させた第3ボビンと、該第3ボビンに巻き付けられた第3導線と、を含み、周波数が20kHzの交流磁界を発生可能な励磁コイルと、
前記励磁コイルの前記第3ボビンの両端から挿入され、前記磁石及び前記同軸2重コイルを両側から挟む一対のストレート部を含むカットコアから構成され、前記励磁コイルが発生させる磁束を前記磁石に集中させるヨークと、
を有し、前記同軸2重コイルの前記第1コイルによって検出された前記磁石の磁束密度B、又は、前記同軸2重コイルの前記第1コイルによって検出された前記磁石の磁気分極Jから換算された前記磁石の磁束密度Bと、前記同軸2重コイルの前記第2コイルによって検出された前記交流磁界強度Hとに基づいて、雰囲気温度が200℃の条件下で前記磁石の磁石損失の測定を実施し得る磁石損失測定システムであって、
前記第1ボビン及び前記第2ボビンは、25℃から200℃に温度上昇した際の熱変形率が0.22%以下である材料からなり、
前記カットコアは、厚さが0.10mm以下の軟磁性材料板を積層させてなる
ことを特徴とする磁石損失測定システム。 - 前記カットコアは、前記磁石に前記磁束を誘導する円環状誘導路が2つ存在する形状を有する、請求項1に記載の磁石損失測定システム。
- 請求項1又は2に記載の磁石損失測定システムを用いて、
前記励磁コイルにより交流磁界を発生させつつ、前記ヨークにより前記励磁コイルが発生させる磁束を前記磁石に集中させた状態で、前記同軸2重コイルの前記第1コイルによって、前記磁石の磁束密度B又は磁気分極Jを検出し、かつ、前記同軸2重コイルの前記第2コイルによって、前記磁石に印加される交流磁界の強度Hを検出し、
前記同軸2重コイルの前記第1コイルによって検出された前記磁石の磁束密度B、又は、前記同軸2重コイルの前記第1コイルによって検出された前記磁石の磁気分極Jから換算された前記磁石の磁束密度Bと、前記同軸2重コイルの前記第2コイルによって検出された前記交流磁界強度Hとに基づいて、前記磁石の磁石損失を測定する、磁石損失測定方法。
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金澤 真一ほか,ネオジム焼結磁石の交流磁気損失の測定並びに解析との比較,電気学会論文誌A(基礎・材料・共通部門誌),Vol.124, p869-875,2004年,<DOI:https://doi.org/10.1541/ieejfms.124.869> |
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