JPH0424670B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁性材料の応力測定装置に関するも
のである。

従来から行われている磁性材料の鉄損測定装置
の一つに、第１図に示すような磁気センサ１を使
用する装置がある。この磁気センサ１は、断面が
ほぼコの字形の鉄心２に、一次コイル（励磁コイ
ル）３及び二次コイル（出力二次電圧コイル）４
を巻いて構成され、一次コイル３は交流電流５及
び増幅器６を介して電力計７に接続され、二次コ
イル４は増幅器８を介して電力計７に接続されて
いる。いま、磁性材料９の表面に磁気センサ１の
鉄心２の開口端２ａ，２ｂを接触させて、交流電
流５により、一次コイル３を励磁すると、磁束は
鉄心２から磁性材料９の中を、矢印で示すように
流れ、再び鉄心２に戻る磁路を形成し、この磁束
により二次コイル４には電圧が誘起される。この
電圧を増幅器８で増幅して、出力二次電圧として
電力計７に出力する。電力計７では、二次コイル
４からの出力二次電圧と、一次コイル３の励磁電
流を入力して、これ等を乗算して磁性材料９と鉄
心２の鉄損を表示する。この場合、鉄心２の鉄損
を、磁性材料９の鉄損に比べて十分に小さくして
おけば、電力計７に表示された鉄損は、ほぼ磁性
材料９の鉄損と考えてよい。通常の測定は、磁束
密度を一定にするために、コイル４からの出力を
二次電圧を一定にして測定することが行われてい
る。

しかし、この場合、磁性材料９の表面に凹凸が
あると、磁気センサ１の鉄心２の開口端２ａ，２
ｂを磁性材料９の表面に接触させた場合、磁気セ
ンサ１の鉄心２の端面２ａ，２ｂと、磁性材料９
の接触面の間に空〓を生じ、磁気抵抗が増加、磁
性材料９内を流れる磁束の磁束密度が減少する。

磁束密度が減少すると、鉄損が減少するので、
二次コイル４の出力二次電圧が減少する。

ここで二次コイル４の出力二次電圧化が一定に
なるように一次コイル３の励磁電流を増加すれば
磁性材料９の磁束密度は一定となり、鉄損もほぼ
一定になる。このとき電流は増加するがこの電流
は、〓間に磁束を作るものであり、鉄損にはなら
ず無効電流であり電圧と乗算しても鉄損にはなら
ない。

一般に電力Ｐは電圧の実効値と電流の実効値Ｉ
と力率cosφを乗算したものであるが、〓間が増
加して無効電流が増加しても、その分力率が減少
し、鉄損としては変化しない。

ただし、空〓が増加すると一次コイル３で励磁
された磁束が二次コイル４のコイルを通るが、磁
性材料９を通らない漏洩磁束も増加するので、二
次コイル４の電圧を一定に保持しても磁性材料９
の磁束密度は漏洩磁束分だけ減少し、従つて鉄損
も減少する。

すなわち、二次コイル４の電圧を一定にしても
〓間が増加すると鉄損は小さく測定される。

以上より、鉄損を測定する場合の技術的課題と
しての要点は、測定すべき磁性材料９磁束密度を
どの様にして一定にするかにある。

また、一般に、磁性材料に作用する応力と鉄損
の間には密接な関係があり、横軸に引張応力及び
圧縮応力を、縦軸に鉄損を取り、磁性材料に作用
する応力と鉄損の関係を示すと第２図のようにな
る。即ち、磁性材料に圧縮応力が作用する時は、
圧縮応力と鉄損はほぼ直線関係にあるので、この
関係を利用し、圧縮応力の作用している磁性材料
の鉄損を測定すれば、高精度でその圧縮応力を求
めることができる。いま、第２図において、磁性
材料に圧縮応力が作用していない時の鉄損を
Wo，圧縮応力６の作用した時の鉄損をWiとする
と、圧縮応力σは（Wi−Wo）に比例する。従つ
て、比例常数をαとすると、磁性材料に作用する
圧縮応力σは、 σ＝α（Wi−Wo） ……(1) から求めることができる。ここに、比例常数α
は、磁束量、磁性材料の種類、鉄損測定に使用し
た磁気センサの種類等によつて決まるものであ
る。

従つて、磁性材料に圧縮応力が作用していない
時の鉄損Woと、圧縮応力が作用している時の鉄
損Wiを測定すれば、前記の(1)式から、その磁性
材料に作用している圧縮応力σを求めることがで
きる。しかし、第１図に示すような従来の鉄損測
定装置では、磁性材料９と磁気センサ１の鉄心２
の端面２ａ，２ｂとの間に空〓があると、前記の
ような理由により、鉄損測定精度が低下し、磁性
材料９に作用する圧縮応力の測定に大きな誤差を
生ずるという欠点があつた。

本発明は、前記の欠点を除去するためになされ
たもので、磁気センサと磁性材料の接触面の間に
実際に使用する際に発生する空〓があつても、磁
性材料の被測定部の磁束を一定にして高精度で鉄
損を測定することができる鉄損測定装置を利用し
た応力測定装置を提供することを目的とするもの
である。

以下、本発明の一実施例を図面について説明す
る。

第３図は本発明の応力測定装置の鉄損測定装置
の一実施例の説明図、第４図は本発明の応力測定
装置の鉄損測定装置の他の実施例の説明図、第５
図は本発明の応力測定装置の一実施例のブロツク
線図である。

なお、第１図、第３図乃至第５図において、同
一番号は同一符号を示す。

第３図において、鉄損測定装置１０は、交流電
源５と、電力計７と、磁気センサ１２と、増幅器
１８とより構成されている。

磁気センサ１２は、内側鉄心１３と、この内側
鉄心１３の背部に巻かれた電圧コイル１４及びそ
の脚部に巻かれた検出コイル１５と、内側鉄心１
３を覆うように、その外側に設けられた断面がほ
ぼコの字形の外側鉄心１６と、この外側鉄心１６
に巻かれた励磁コイル１７とから構成されてい
る。内側鉄心１３は、断面がほぼコの字形の形状
を有し、電圧コイル１４と検出コイル１５の間に
各脚部からそれぞれ内部に向けて突起１３′，１
３″が設けられ、この突起１３′，１３″の間には、
磁気抵抗を調整するための空〓が設けられてい
る。そして電圧コイル１４を交流電源５と、電力
計７の電圧端子に接続し、検出コイル１５を演算
増幅器１８（以下、増幅器１８と略記する。）の
入力側に持続し、また、励磁コイル１７の一端を
電流計２０を介して電力計７の電流端子に接続す
る。励磁コイル１７の他端は、増幅器１８の出力
側の一端に、増幅器１８の出力側の他端は電力計
７の電流端子に接続する。電圧コイル１４には、
この電圧コイル１４の電圧を測定する電圧計１９
が並列に接続されている。

今、磁気センサ１２を磁性材料９の表面に配置
して、電圧コイル１４を交流電源５により、一定
電圧で励磁すると、磁束は内側鉄心１３内を矢印
の方向に流れ、一部分は突起１３′から空〓を介
して突起１３″を通り元に戻る第１内側磁路Ａを
形成し、他の部分は内側鉄心１３の一方の脚部か
ら磁性材料９の中を、矢印の方向に流れ、内側鉄
心１３の他方の脚部に戻る第２内側磁路Ｂを形成
する。

この第２内側磁路Ｂを流れる磁束により、検出
コイル１５に電圧が誘起される。

この検出コイル１５に誘起された電圧を、ネガ
テイブフイードバツク方式で構成された増幅器１
８で増幅して、電力計７及び電流計２０を介し
て、この検出コイル１５に誘起された電圧を打消
す方向に励磁コイル１７に印加すると、励磁コイ
ル１７に電流が流れ、磁束は外部鉄心１６から磁
性材料９の中を流れ、その磁束の一部分は、矢印
で示すように、内側鉄心１３の一方の脚部から入
り、内側鉄心１３の中を流れ、内側鉄心１３の他
方の脚部から出て、再び磁性材料９の中を流れ
て、外側鉄心１６に戻る外側磁路Ｃを形成する。

この場合、増幅器１８の増幅率を極めて大きく
しておき、外側鉄心１６から、内側鉄心１３に分
流した磁束で、電圧コイル１４の励磁により発生
し、内側鉄心１３内を流れる磁束を打消させ、検
出コイル１５部の磁束が殆んど零になるようにす
ると、内側鉄心１３の各脚部の起磁力は殆んど零
（増幅率分の一になる）となり、内側鉄心１３の
各脚部の突起１３′，１３_U‥の近傍の２点Ｘ−Ｙ
間の起磁力と、内側鉄心１３の各脚部の端面と対
向する磁性材料９内の２点Ｕ−Ｖ間の起磁力が等
しくなる。

従つて、この時の電圧コイル１４の電圧と、励
磁コイル１７の電流を電力計７に入力して乗算す
れば、その乗算結果は、磁性材料９のＵ−Ｖ間の
鉄損となる。

また、Ｘ−Ｙ間の起磁力一定とすればＵ−Ｖ間
の起磁力も一定であるから被測定部Ｕの磁束電流
は一定になる。

外側鉄心１６の〓間が増加した場合、必要な〓
間の起磁力が増加し、励磁電流が増加するが、こ
れは、磁性材料９に内部に外側鉄心１６により誘
起される磁束による磁気損失が増加するものでは
なく、外側鉄心１６の各脚部の端面と、この端面
に対応する磁性材料９との間の空〓の磁束、すな
わち実際の鉄心の測定には影響を与えない無効分
が増加することになる。

したがつて、磁力線の増加にる励磁分を補う電
流が増加するものであり、磁性材料９を流れる磁
束、すなわち鉄損の測定に実際に影響を持つ有効
分の磁束の大きさには変化が無い。

結果として、磁性材料９を流れる磁束の大きさ
は、一定に保持されることになり、したがつて、
その鉄損も一定に保たれることになる。

ここで、鉄損Ｗについては、以下のことが一般
に知られている。

鉄損Ｗは、ヒステリシス損Whとうず電流損
Weとからなつている。

このうちヒステリシス損は、保磁力の大きさに
ほぼ比例する。

したがつて圧縮応力が加わると保磁力が増加す
ると同時にヒステリシス損も増加する。

一方うず電流損は、透磁率と密接な関係にあ
る。

被測定部材に一定量の交番磁束が流れる場合を
考えると、 透磁率μがつ高ければ、磁束は被測定部材の表
層部のみに流れ、深くまで浸透しないが、透磁率
が減少すればうず電流損も変化する。

この場合のうず電流損は、近似的に式(2)で表現
することができる。

We＝Kf_U3/2σ_U1/2μ_U-1/2 ……(2) ここで、Ｋは比例定数、ｆは周波数、σは被測
定部材の導電度、μは被測定部材の透磁率であ
る。

この式は、透磁率の減少にしたがい、うず電流
損が増加することを示している。

このときの透磁率は、検出用鉄心、被測定部材
およびこの検出用鉄心の各脚部の端面と前記被測
定部材との間の空〓から形成される磁気回路のみ
かけの透磁率でなく、被測定部材の値となる。

したがつて、磁気回路中の空〓長さが大きく、
励磁電流が増加したとしても、うず電流損の大き
さには影響しないことを示している。

また、先に述べたヒステリシス損も空〓長さに
影響されない量であり、したがつて鉄損Ｗは、被
測定部材の磁束が一定であれば、空〓長さに影響
されないこととなる。

このように、内側鉄心１３の各脚部の磁束を殆
ど零にすれば、内側鉄心１３の端面と磁性材料９
の〓間には極めて少ない磁束しか流れていないの
で、漏れ磁束も殆どないと考えてよいので、内側
鉄心１３の端面と磁性材料９の間の〓間の大小に
は、実使用上、内側鉄心１３の端面の幅寸法程度
の〓間では殆ど関係なく、常に高精度で磁性材料
９の鉄損を測定することができる。

また、第４図は、本発明の磁性材料の応力測定
装置の鉄損測定装置の他の実施例を示したもの
で、この鉄損測定装置１０′は、第３図の鉄損測
定装置１０の磁気センサ１２の代わりに、磁気セ
ンサ２１を用いた外は第３図と全く同じである。
磁気センサ２１は、断面がほぼコの字形の内側鉄
心２２と、この内側鉄心２２の背部に巻かれた電
圧コイル１４及びその脚部に巻かれた検出コイル
１５と、内側鉄心２２を覆うように、その外側に
設けられた断面がほぼコの字形の外側鉄心１６
と、この外側鉄心１６に巻かれた励磁コイル１７
とから構成されている。従つて、磁気センサ２１
を磁性材料９の表面に配置し、電圧コイル１４を
交流電源５により、一定電圧で励磁すると、磁束
は内側鉄心２２から磁性材料９の中を矢印の方向
に流れ、再び内側鉄心２２に戻る内側磁路Ｄを形
成し、検出コイル１５に電圧が誘起される。この
検出コイル１５に誘起された電圧を、増幅器１８
で増幅して、電力計７及び電流計２０を介して、
この検出コイル１５に誘起された電圧を打消す方
向に励磁コイル１７に印加すると、励磁コイル１
７に電流が流れ、磁束は外側鉄心１６から磁性材
料９の中を流れ、その磁束の一部分は矢印で示す
ように、内側鉄心２２の一方の脚部から入り、内
側鉄心２２の中を流れ、内側鉄心２２の他方の脚
部から出て、再び磁性材料９の中を流れて外側鉄
心１６に戻る外側磁路Ｅを形成する。この場合、
増幅器１８の増幅率を極めて大きくしておき、内
側鉄心２２に分流した磁束で、電圧コイル１４の
励磁により発生し、内側鉄心２２内を流れる磁束
を打消させ、検出コイル１５部の磁束が殆んど零
になるようにすると、内側鉄心２２の各脚部の検
出コイル１５と電圧コイル１４間の２点X_U-−
Y_U-間の起磁力と、内側鉄心２２の各脚部の端面
と対向する磁性材料９内の２点Ｕ−Ｖ間の起磁力
が等しくなる。従つて、この時の電圧コイル１４
の電圧と、励磁コイル１７の電流を電力計７に入
力して乗算すれば、その乗算結果は、磁性材料９
のＵ−Ｖ間の鉄損となり、第３図の場合と同様
に、磁性材料９の鉄損を、内側鉄心２２の多面
と、磁性材料９の間の実際の使用に際し発生する
空〓の大小に関係なく、常に高精度で測定するこ
とができる。

また、前記の鉄損測定装置を利用することによ
り、磁性材料９の表面と、磁気センサの内側鉄心
の端面の間に実際の使用に際し発生する空〓があ
つても、その空〓の大小に関係なく、常に高精度
で磁性材料９に作用する圧縮応力を測定すること
ができる。尚、前記磁気センサ１２，２１におい
て検出コイル１５のかわりに、ホール素子等のセ
ンサを使用してもよいことは自明である。

なお、検出コイル１５の配置は、内側鉄心の端
面により近い方が、磁性材料より内側鉄心の端面
より出入りする磁束の洩れを極小にすることがで
きる。

第５図は、本発明の磁性材料の応力測定装置の
一実施例をブロツク線図で示したものである。応
力測定装置２３は鉄損測定装置２４と、初期値設
定器２７と、比例常数設定器２８と、応力演算器
２９と、指示計３１とから構成されている。

鉄損測定装置２４は、磁性材料の鉄損を測定す
るもので、磁気センサ１２又は２１、交流電源
５、増幅器１８、電力計７から成つている。以
下、鉄損測定装置１０を用いた場合について説明
する。

鉄損測定装置１０の磁気センサ１２は内側鉄心
１３と、この内側鉄心１３の背部に巻かれた電圧
コイル１４及びその脚部に巻かれた検出コイル１
５と、内側鉄心１３を覆うようにその外側に設け
られた外側鉄心１６と、この外側鉄心１６に巻か
れた励磁コイル１７とを有し、通常これ等の各コ
イルの口出線は外部の装置、器具等と接続可能に
構成されている。そして、電圧コイル１４は交流
電源５と、電力計７の電圧端子に接続され、検出
コイル１５は増幅器１８の入力外側に、励磁コイ
ル１７の一端は電流計２０を介して電力計７の電
流端子に接続されている。また、励磁コイル１７
の他端は増幅器１８の出力側の一端に、増幅器１
８の出力側の他端は電力計７の電流端子に接続さ
れている。また、電圧コイル１４には電圧コイル
１４の電圧を測定する電圧計１９が並列に接続さ
れている。

初期値設定器２７は、前記磁性材料に応力が作
用していない時の鉄損Woを設定するもので、比
例常数設定器２８は、鉄損を応力に換算する比例
定数αを設定するものである。（前記の(1)式参
照）。応力演算器２９は、電力計７より鉄損Wi
を、破期値設定器２７及び比例常数設定器２８よ
りそれぞれWo及びαを入力して、前記の(1)式よ
り、前記磁性材料に作用する応力σを演算し、そ
の演算結果を指示計３１に対して出力する。

指示計３１は、指示切換器３０を切換えること
により、電力計７の出力の鉄損Wi又は応力演算
器２９の出力の応力σを指示する。

次に、以上の構成を有する応力測定装置２３の
作用について説明する。

まず、指示切換器３０を電力計７側（Ｆ側）に
接続し、比例常数設定器２８に比例常数αを設定
し、磁気センサ１２を、応力が作用していない磁
性材料の表面の測定部に配置させて、電圧コイル
１４を交流電源５により一定電圧で励磁すると、
前記磁性材料に応力が作用していない時の鉄損
Woが指示計３１に指示される。この鉄損Woを
初期値設定器２７に設定する。次いで、前記磁性
材料に圧縮応力を作用させて、前記測定部に磁気
センサ１２を配置し、電圧コイル１４を交流電源
５により一定電圧で励磁すると、磁性材料に圧縮
応力が作用した時の鉄損Wiが、電力計７を介し
て指示計３１に指示される。また、この鉄損Wi
は、応力演算器２９に入力され、応力演算器２９
において、この鉄損Wiと、初期値設定器２７よ
り入力された鉄損Wo及び比例常数設定器２８よ
り入力された比例常数αとから前記磁性材料に作
用する圧縮応力σ＝α（Wi−Wo）を演算する。
この場合、磁気センサ１２を、前記磁性材料の測
定部の回りに回動させて、指示計３１に指示され
る鉄損Wiが最大値になつた時に、指示切換器３
０を応力演算器２９側（Ｇ側）に接続すると、指
示計３１には、前記磁性材料に作用する最大圧縮
応力が指示される。

もし、前記磁性材料に応力が作用していない時
の鉄損Woが既知の場合には、前記の鉄損Woの
測定は省略しても、その既知の鉄損Woを初期値
設定器２７に設定し、前記のようにして、前記磁
性材料に作用している圧縮応力を測定する。

また、本発明の応力測定装置は、新規な鉄損測
定装置を利用するものであるから、磁性材料の表
面と磁気センサの内側鉄心の端面の間に実使用状
態において、発生する微小な空〓があつても、そ
の空〓の大小に関係なく、高精度で磁性材料の鉄
損を測定することができるので、実際の使用状況
で発生する空〓により測定誤差を生ずることな
く、常に増幅器の増幅率による高精度で磁性材料
の応力を測定することができる。

従つて、締結時又は締結後のボルト、特にボル
ト頭部に浮出文字を有するボルトに作用する軸応
力又は軸力の測定、鋼棒、鋼板、鋼管、レール等
の焼入れ深さ、応力、内部欠陥等の測定に、本発
明の応力測定装置を使用すれば、磁性材料の表面
と磁気センサの内側鉄心の端面間に実際の使用に
際し発生する空〓があつても、その空〓の大小に
関係なく、高精度で前記の測定を続行することが
できるので、測定能率は向上し、ボルトの軸応力
又は軸力管理、鋼材等の品質管理等に大なる効果
を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の鉄損測定装置の説明図、第２図
は磁性材料に作用する応力と鉄損の関係を示す特
性曲線図、第３図は本発明の応力測定装置の鉄損
測定装置の一実施例の説明図、第４図は本発明の
応力測定装置の鉄損測定装置の他の実施例の説明
図、第５図は本発明の応力測定装置の一実施例の
ブロツク線図である。 ５……交流電源、７……電力計、９……磁性材
料、１０，１０′……鉄損測定装置、１２，２１
……磁気センサ、１３，２２……内側鉄心、１
３′，１３″……突起、１４……電圧コイル、１５
……検出コイル、１６……外側鉄心、１７……励
磁コイル、１８……増幅器、１９……電圧計、２
０……電流計、２３……応力測定装置、２７……
初期値設定器、２８……比例常数設定器、２９…
…応力演算器、３０……指示切換器、３１……指
示計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 断面略コの字形で背部に電圧コイルを脚部に
   検出コイルを巻装した内側鉄心と、断面略コの字
   形で開口端を前記内側鉄心の開口端と同一平面同
   一方向に設け、背部に励磁コイルを巻装した外側
   鉄心とからなる磁気センサと、前記電圧コイルを
   励磁する交流電源と、入力側が前記検出コイル
   に、出力側の一端が電力計の電流端子に、他端が
   励磁コイルの一端に接続された増幅器と、前記電
   圧コイルは電圧端子に、励磁コイルの一端と増幅
   器の一端は電流端子に接続された電力計とからな
   る鉄損測定装置と；磁性材料に応力が作用してい
   ない時の鉄損（Wo）を設定する初期値設定器
   と；鉄損を応力に換算する比例常数αを設定する
   比例常数設定器と；前記電力計より前記磁性材料
   に応力が作用している時の鉄損（Wi）を、前記
   初期値設定器より鉄損Woを、前記比例常数設定
   器より比例常数αを入力して応力σを演算する応
   力演算器と；前記電力計の出力の鉄損Wi又は応
   力演算器の出力の応力σを指示する指示計とから
   なることを特徴とする応力測定装置。