WO2012114919A1 - 鉄損分布測定装置 - Google Patents

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iron loss
temperature
measuring
measurement
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広泰 下地
榎園　正人
孝 戸高
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財団法人大分県産業創造機構
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    • G01R33/022—Measuring gradient
    • G—PHYSICS
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0003—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws

Definitions

  • the present invention relates to an iron loss distribution measuring apparatus, and more particularly to an iron loss distribution measuring apparatus that measures a distribution indicating each position and each magnitude of iron loss generated in a measurement object.
  • the loss is roughly divided into copper loss, mechanical loss, and iron loss. Since the loss due to iron loss is converted into heat, it becomes a heat source in electrical equipment, and is said to be an obstacle to downsizing, and it is also said that measurement of iron loss is difficult. Therefore, the iron loss measurement is one of the basic measurements along with the measurement of the magnetization characteristics.
  • the iron loss of electrical equipment is often evaluated by loss separation, and the remainder obtained by subtracting various losses from the overall loss is often the iron loss. In such a measurement, the overall average loss can be obtained by measuring with a power meter, etc. In addition to the question of accuracy, it is difficult to grasp the local iron loss distribution. It is.
  • the iron loss mainly occurs in the electromagnetic steel sheet, but is caused by the magnetic flux density, so it is not uniform and it is difficult to grasp the loss locally.
  • the iron loss in order to directly measure the iron loss, it is possible to measure with a small probe sensor and an H coil.
  • thermocouple output there is a temperature rise rate of about 0.0035 K / s at about 1.2 T, and a change rate of 0.14 ⁇ V is given to the thermocouple output. Therefore, it is necessary to amplify and record a minute thermoelectromotive force with good response.
  • the responsiveness of the sensor affects the accuracy of iron loss measurement.
  • the influence of heat transfer with the outside world has been studied in detail, and it has been shown that accurate measurement is possible within 5 to 10 seconds.
  • Patent Document 1 Although not iron loss, an electric field / magnetic field distribution visualization device has been proposed as described in Patent Document 1, and it is also proposed to grasp the spatial distribution state of a magnetic field by visualizing with an infrared camera, for example. ing. In addition, as described in Non-Patent Document 3, research on visualization of iron loss distribution of magnetic domain images by the bitter method has also been reported.
  • iron loss is a loss due to the magnetic flux density in the electrical steel sheet, it can be measured with a small probe sensor and H coil in order to directly measure the iron loss, but it is a local loss.
  • accuracy and simplicity to make the total loss in some measurements. That is, it is difficult to grasp the iron loss locally by grasping the iron loss locally, simply and accurately.
  • any of the measurement methods described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 has many restrictions and is difficult to measure.
  • the material in order to grasp the total loss, it is necessary to measure a plurality of measurement points by installing a temperature sensor locally, and the labor is too large to be suitable for measuring a large number of sample points. is there.
  • the material in electrical equipment using electromagnetic steel sheets, the material is generally not uniformly magnetized, and may vary partially depending on magnetic flux conditions such as the magnitude, direction, and magnetic flux waveform of the magnetic flux density. It becomes a problem.
  • the magnetic steel sheet is polycrystalline, there is also a problem that the magnetic properties of the material itself are locally different.
  • the magnetic steel sheet has an easy magnetization direction and a difficult direction due to rolling, and the magnetic characteristics are different from each other, which also causes a problem. Furthermore, the amount of heat that causes iron loss is very small, and there is a problem that a highly sensitive measurement of, for example, 0.003 degrees / Hz is required. Furthermore, since electrical steel sheets have heat transfer, it is desirable to measure in a short time in order to identify the source of loss, but there is a problem that the shorter the time, the smaller the temperature rise and the more difficult the measurement. .
  • electromagnetic steel sheets are laminated to reduce loss by suppressing eddy currents. Therefore, in order to maintain insulation between the steel sheets, there is an insulating film of several microns. Seems to be usable, but there is a problem that it is difficult to deal with complex shapes like the actual machine.
  • an object of the present invention is to provide an iron loss measuring apparatus that can easily and accurately measure the iron loss locally and as a whole while increasing the degree of freedom of the shape of the measurement object. .
  • the invention according to claim 1 is an iron loss distribution measuring apparatus for measuring a distribution indicating each position and each size of the iron loss generated in the measurement object, wherein the measurement object is placed in a vacuum state, Excitation means for exciting the measurement object in a vacuum state, control means for controlling the operation of the excitation means, and the temperature distribution when the measurement object in the vacuum state is excited Temperature distribution measuring means for measuring the temperature distribution data shown by a single non-contact measurement, and a temperature during excitation based on a plurality of temperature distribution data measured by the temperature distribution measuring means a plurality of times over time A temperature gradient averaging processing means for obtaining a gradient distribution and performing an averaging process using the obtained distribution data of a plurality of temperature gradients, and a temperature gradient distribution obtained by improving the temperature resolution by the averaging process Day The converted to iron loss of the distribution data is obtained and a conversion means for measuring the distribution of iron loss.
  • the temperature distribution measuring means is a thermographic camera that measures a temperature distribution.
  • the plurality of temperature distribution data is data obtained at a time interval at which the operation of the excitation means stops and the initial state can be regarded as constant.
  • the measurement object is placed in a vacuum to eliminate the influence of heat transfer by the atmosphere, thereby enabling measurement in a longer time than in the case of measurement in the atmosphere.
  • the environment is ready.
  • the temperature distribution data of the object to be measured can be obtained in a single non-contact process, and the temperature distribution data can be obtained directly and in a wide range as a basis for measuring the iron loss distribution. It is done. In this way, the non-contact measurement can provide an advantage that the degree of freedom of the shape of the measurement object may be high.
  • thermographic camera has a minimum temperature sensitivity of about 0.02 degrees, but with this sensitivity, the iron loss is not measured by short-time measurement, but over time.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the outline of the iron loss distribution measuring apparatus concerning embodiment of this invention. It is a figure for demonstrating the temperature gradient measuring method. It is a figure which shows the standard deviation with respect to time of temperature distribution. It is a figure which shows the vector magnetic property apparatus as an analysis model. It is a figure which shows the analysis result of an iron loss distribution. It is a figure which shows the estimated iron loss distribution result calculated
  • FIG. 1 is a block diagram showing an outline of an iron loss distribution measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the iron loss distribution measuring apparatus 1 includes a vacuum chamber 5 that accommodates the measurement object 3 therein, a thermography camera 9 that is disposed at a position that opposes an observation window 7 provided in the upper portion of the vacuum chamber 5, and a thermography camera 9.
  • a moving mechanism 10 for moving the measuring object 3 to adjust the focal length for the camera, and a computer 15 connected to a thermographic camera 9 and an excitation unit 6 (described later) in the vacuum chamber 5 are provided.
  • the vacuum chamber 5 uses a chamber in which a measuring device with a maximum degree of vacuum of about 0.001 Pa and a maximum diameter of 800 mm can be installed.
  • a measuring device with a maximum degree of vacuum of about 0.001 Pa and a maximum diameter of 800 mm can be installed.
  • the temperature resolution of a general thermographic camera is inferior in sensitivity by 10 to 100 times compared to thermocouple measurement. Therefore, the measurement here requires long-time temperature measurement.
  • the object to be measured is in a vacuum, by eliminating the influence of heat transfer by the atmosphere, an environment that enables measurement in a longer time than in the case of measurement in the atmosphere is prepared. That is, heat transfer is negligible, and it is sufficient to consider the effects of heat conduction and radiant heat inside the measurement object (for example, a magnetic steel sheet). Therefore, as shown in FIG. 1, the measurement object 3 is accommodated in the vacuum chamber 5.
  • An excitation unit 6 that excites the measurement object 3 is provided in the vacuum chamber 5. If only the measurement object is placed in a vacuum, normal
  • the thermography camera 9 measures the temperature distribution of the measurement object 3 by infrared rays through the upper observation window 7. Therefore, the observation window 7 is made of sapphire glass (thickness 10 mm) that transmits infrared rays. Since the iron loss is proportional to the temperature gradient as will be described later, it is important to obtain the temperature gradient from the measured temperature result. The temperature gradient during excitation is obtained by measuring the temperature distribution a plurality of times. To be able to. Here, the specifications of the thermographic camera 9 will be described. A quantum sensor InSb FPA is used as a detector.
  • the number of detector elements is 256 (H) x 256 (V)
  • the detector cooling method is the Stirling cooler cooling method
  • the detection wavelengths are 3.5 to 4.1 ⁇ m, 4.5 to 5.1 ⁇ m
  • the minimum temperature resolution is 0.
  • the temperature is 025 ° C. or lower
  • the number of acquired frames is 30 fps.
  • the measured value of the thermographic camera 9 is obtained as an infrared count value.
  • the temperature is usually obtained by correcting the infrared count value, but what is obtained in this measurement is a minimum temperature change, and it can be said that the gradient of the infrared amount and the temperature gradient have a linear relationship
  • the calorific value is the infrared ray. It can be obtained from the slope of the count value.
  • the moving mechanism 10 includes a cylinder 11 that supports the measurement object 3 on its upper side, and a lift 13 that is connected to the lower side of the cylinder 11 and allows the measurement object 3 to move up and down.
  • the moving mechanism 10 may be used to adjust the focal length visually, or to automatically adjust the focal length to a set distance by linking a sensor (not shown) for detecting the focal length, its detection output, and the lift 13. Good.
  • the computer 15 includes a control unit 17, an averaging processing unit 19, a conversion unit 21, and a display unit 23.
  • the control unit 17 includes a timer 25.
  • the control unit 17 controls the excitation unit 6 that excites the measurement object 3 using the timer 25 and controls the thermography camera 9.
  • the averaging processor 19 performs an averaging process on temperature gradient distribution data based on a plurality of temperature distribution data of the measurement object 3 obtained by imaging by the thermographic camera 9.
  • This averaging process is a process for improving the temperature resolution by averaging the distribution data of a large number of temperature gradients. With this, the original temperature resolution of the thermographic camera 9 and the temperature at each position to be measured are measured.
  • the temperature gradient with high accuracy can be measured as a distribution.
  • the gradient of the count value obtained from the infrared detector can also be used for the averaging process.
  • the temperature is obtained from the infrared count value, since it is nonlinear, the gradient of the count value and the temperature gradient are different.
  • a value obtained by multiplying the gradient of the count value by a coefficient can be used as the iron loss value. Since the temperature gradient values of a plurality of times follow a normal distribution, the average value approaches the true value by averaging.
  • the conversion unit 21 converts the distribution data of the temperature gradient after the averaging processing obtained by the averaging processing unit 19 into distribution data of iron loss. About this conversion (conversion processing to iron loss), the following two are mentioned as specific processing.
  • the iron loss at a location where the change in magnetic flux density is relatively stable in the measurement region is measured using a probe sensor, and the magnitude and temperature gradient are compared to convert the iron loss value. Is possible.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a temperature gradient measuring method.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the count value of infrared rays
  • the excitation time 10s is shown in the figure.
  • the excitation method will be described with reference to FIG.
  • 60 s / step was set, an interval of 50 s and an excitation time of 10 s were taken.
  • 500 steps are measured in order to average the temperature gradient.
  • the averaging processing unit 19 obtains a gradient during the excitation time for each step and performs averaging.
  • the interval time for averaging is determined to be 10 s by calculating the time during which the amount of heat after excitation is sufficiently averaged in the measurement region by two-dimensional heat conduction analysis described below.
  • T temperature (° C.)
  • ⁇ thermal conductivity (W / (m ⁇ K))
  • Q is a heat source (W / m 3 ) (Note that Q of the heat source is iron obtained separately from simulation)
  • the loss distribution is calculated.
  • ⁇ density (kg / m 3 )
  • c specific heat (J / (kg ⁇ K))
  • t time (s).
  • FIG. 4 is a diagram showing a vector magnetic characteristic device as an analysis model.
  • FIG. 5 is a diagram showing the analysis result of the iron loss distribution.
  • FIG. 6 is a diagram showing the estimated iron loss distribution result obtained from the temperature gradient after 1 second and after 10 seconds.
  • the relationship between the measurement time and the iron loss distribution will be described.
  • the excitation time is 10 seconds. Therefore, the accuracy of excitation time and distribution is examined.
  • the analysis conditions were the same as described above, and the analysis model was the vector magnetic characteristic device shown in FIG.
  • the evaluation area was a sample of 80 mm ⁇ 80 mm. The result was obtained as an analysis result of the iron loss distribution shown in FIG. Excitation conditions were alternating magnetic flux, central maximum magnetic flux density 1T, and easy magnetization.
  • Equation 1 the temperature gradient after 1 second (FIG. 6 (A)) and after 10 seconds (FIG. 6 (B)).
  • the iron loss distribution results obtained from the above were obtained. It can be seen that the distribution is widened by heat conduction after 1 second and after 10 seconds. One second later is closer to the iron loss distribution, but when the calorific value is large, it is about 0.0025K, which indicates that measurement is difficult. After 10 seconds, 10 times the temperature after 1 second is obtained, so measurement is possible. Moreover, it turns out that the distribution tendency of an iron loss is fully obtained.
  • FIG. 7 is a diagram showing a measurement model.
  • This model core simulates the shape of a three-phase transformer, but has a shape in which a window hole is formed in one directional electromagnetic steel sheet. Therefore, unlike a normal three-phase transformer, it is a model having a rolling perpendicular direction in the magnetic path.
  • the number of laminated layers is 27, B coils are applied, and the maximum magnetic flux density is controlled to a target value.
  • the excitation waveform is a sine wave, and the waveform shape is not controlled.
  • the infrared emissivity of metal is about 0.6, which is worse when the surface is smooth. Therefore, the measurement area is painted black to increase the infrared emissivity.
  • Table 2 The measurement conditions are as shown in the measurement parameters in Table 2 below.
  • the excitation coil was applied to the center, the excitation frequency was 50 Hz, the maximum magnetic flux density of the search coil was 0.5 T, the image acquisition speed was 30 fps, the averaging count was 1000 times, and a Median filter was used as an image filter.
  • FIG. 8 to 10 are diagrams showing various measurement results in the measurement area A and the measurement area B in FIG. 8A shows a measurement result by the thermography camera in the measurement area A, and FIG. 8B shows a measurement result by the thermography camera in the measurement area B.
  • FIG. 9 and FIG. 10 show the results of measuring the magnetic characteristics with the probe sensor because the magnetic characteristics cannot be measured with the thermography camera.
  • 9A shows the maximum magnetic flux density distribution (T) in the measurement area A
  • FIG. 9B shows the maximum magnetic flux density distribution (T) in the measurement area B.
  • 10A shows the maximum magnetic field strength distribution (A / m) in the measurement area A
  • FIG. 10B shows the maximum magnetic field strength distribution (A / m) in the measurement area B.
  • Table 3 below shows the specifications of the probe sensor.
  • the measurement pitch is 2 mm.
  • the temperature distribution data of the measurement object can be obtained in a single non-contact manner, and the temperature distribution data can be directly obtained in a wide range and non-contact as the basic data for measuring the iron loss distribution. .
  • the non-contact measurement can provide an advantage that the degree of freedom of the shape of the measurement object may be high.
  • thermographic camera In general, it is said that the temperature sensitivity of a thermographic camera is a minimum of about 0.02 degrees, but with this sensitivity, it is not necessary to measure iron loss by short-time measurement, but to perform multiple measurements over time. Thus, by performing temperature gradient averaging processing and improving the temperature resolution, it was possible to overcome the contradictory problems of the iron loss of simplicity and high accuracy that could not be overcome in the past.
  • the initial state can be made the same by providing an interval of 50 s for 10 s excitation by heat conduction analysis using the iron loss distribution obtained by vector magnetic characteristic analysis as a heat source. .
  • the initial state can be regarded as constant (same), and the effects other than the heat quantity due to loss can be eliminated. It was clarified that the measurement can be realized.
  • the model core was measured and a reasonable measurement result was obtained.
  • the result of measuring the model by the probe method and the iron loss distribution measured by the thermography camera were compared, and the characteristics of the grain-oriented electrical steel sheet were taken into account, and it was found that the distribution was reasonable.
  • motor loss includes “iron loss”, “copper loss”, and “mechanical loss”. Each loss is an inherent loss that occurs in an electromagnetic steel plate, a copper wire, a bearing, or the like, which is a constituent material of the motor. Therefore, the motor is important as an object for measuring iron loss.

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Abstract

簡便に精度良く、鉄損の測定を局所的にも全体としても測定できる鉄損測定装置を提供する。鉄損分布測定装置１は測定対象物３に生じた鉄損の各位置及び各大きさを示す分布を測定する。測定対象物３は真空チャンバー５により真空状態に置かれる。鉄損分布測定装置１は、測定対象物３に対する励磁を行う励磁部６と、励磁動作を制御する制御部１７と、測定対象物３が励磁されている際にその温度分布を示す温度分布データを測定するサーモグラフィカメラ９と、時間経過に応じて複数回測定された複数の温度分布データに基づいて励磁中の温度勾配の分布を求めるとともに求められた複数の温度勾配の分布データを用いて平均化処理を行う温度勾配平均化処理部１９と、平均化処理により温度分解能が向上して得られた温度勾配の分布データを鉄損の分布データに変換して鉄損の分布を測定する変換部２１とを備える。

Description

鉄損分布測定装置
　本発明は、鉄損分布測定装置に関し、特に測定対象物に生じた鉄損の各位置及び各大きさを示す分布を測定する鉄損分布測定装置に関する。
　まず、電気機器は電磁鋼板が用いられることが多く、その損失は大きく分けて銅損、機械損、鉄損に分けられる。鉄損による損失は熱に変換されるため、電気機器における発熱源となり、小型化の阻害要因と言われており、鉄損の測定は難しいとも言われている。そのため、鉄損測定は磁化特性の測定と並んで基本的な測定の一つとなっている。電気機器の鉄損は、損失分離により評価されることが多く、全体の損失から各種損失を引いた残りを鉄損とすることが多い。このような測定では、全体の平均損失が電力計などで測定されることで得られるが、精度の点で疑問が残っていることに加えて、局所的な鉄損分布を把握することは困難である。これは、鉄損が主に電磁鋼板中で発生するが、磁束密度に起因して発生するため、均一ではなく、局所的に損失を把握することが難しいためである。これに対して、鉄損を直接測定するためには小さな探針センサーとＨコイルにより測定が可能である。
　一方、鉄損は熱に変換されるため、温度上昇による損失の特定は本質的であり、損失の同定には有効である。そのため、電磁鋼板の鉄損の直接測定においては、局所的に温度を測定することによる、熱電対やサーミスターによる方法が提案されている（例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照）。
　それらの報告によると１．２Ｔ程度で約０．００３５Ｋ／ｓ程度の温度上昇率が有り、熱電対出力に対して０．１４μＶの変化率を与える。そのため、微小な熱起電力を応答よく増幅し、記録することが必要とされる。また、サーミスターと熱電対は、センサーの応答性が鉄損測定の精度に影響する。また、温度変化が微小であるため、外界との熱伝達の影響についても詳細に検討されており、５～１０秒以内であれば、精度良く測定が可能であることが示されている。
　なお、鉄損ではないが、特許文献１に記載されているように、電界／磁界分布可視化装置が提案されており、例えば赤外線カメラによって可視化して磁界の空間分布状態を把握することも提案されている。また、非特許文献３に記載のように、ビッター法による磁区画像の鉄損分布の可視化についての研究も報告されている。
特開２００１－６６３３７号公報
社団法人電気学会発行　電気学会論文誌　ＶＯＬ．９４－Ａ，ＮＯ．４，Ａｐｒ．，１９７４（昭和４９年４月）　電気鉄板の熱電的部分鉄損測定法　成田賢仁　今村正明　ｐ１６７（３９）～ｐ１７４（４６） 社団法人電気学会発行　電気学会論文誌　昭和５３年６月９８巻Ａ分冊６号　サーミスタブリッジによる電気鉄板の局所鉄損測定装置　山本孝明　大宅良宏　野沢忠生　ｐ３３１（４１）～ｐ３３８（４６） 法政大学情報メディア教育研究センター研究報告Ｖｏｌ．２１　２００８年ビッター法による磁区画像の鉄損分布の可視化　須永高志　齋藤兆古　ｐ９１～９５
　しかしながら、鉄損は電磁鋼板中の磁束密度に起因した損失であるため、鉄損を直接測定するためには小さな探針センサーとＨコイルにより測定が可能であるものの局所的な領域の損失であり、一部の測定で全体の損失とするには精度や簡便性に問題がある。すなわち、簡便で精度良く、鉄損を局所的にも把握して全体も把握することが困難であった。
　また、非特許文献１及び非特許文献２に記載の測定法のいずれも、多くの制約条件があり、測定が難しい。また、全体の損失を把握しようとすれば、局所的に温度センサーを設置して複数の測定ポイントを測定する必要があり、その労力は大きすぎて多数のサンプル点の測定には不向きという問題がある。しかも、電磁鋼板を使用した電気機器では、一般的に材料は一様に磁化されているとは限らず、部分的に、磁束密度の大きさ、方向、磁束波形などの磁束条件によって異なることも問題になってくる。また、電磁鋼板は多結晶であるため、材料自身でも局所的には磁気特性が異なるということも問題になってくる。さらに、電磁鋼板では、圧延により、磁化容易方向と困難方向が存在し、それぞれ磁気特性が異なることも報告され、この点も問題になってくる。さらに、鉄損が発生する熱量は大変小さく、例えば０．００３度／Ｈｚの高感度の測定が必要とされるという問題もある。さらに、電磁鋼板は熱伝達があることから、損失の発生源を特定するためには短い時間で測定することが望ましいが、短い時間とすればするほど温度上昇が小さく測定が難しいという問題もある。
　なお、特許文献１に記載のように、赤外線カメラ（サーモグラフィカメラ）も用いれば、簡便な方法で温度を広範囲に一度に測定でき、多サンプルの要求にも応えることができるが、温度分解能が低く、測定されたデータをそのまま用いるのでは、精度が問題となる。また、非特許文献３に記載の手法では、磁区像を用いた鉄損推定には磁区の大きさ等から鉄損を推定しているため、精度に問題がある。さらに、磁区を観察するためには、カー効果又はＸ線を用いた装置を用いる必要が有り、電磁鋼板の皮膜を除去しなくてはいけない複雑さがあるという問題がある。そして、通常電磁鋼板は積層して渦電流を抑制することで損失を下げており、そのため、鋼板間の絶縁を保つため数ミクロンの絶縁皮膜が有る結果、非特許文献３の技術は材料開発には使用できる得る面があるとも思われるが、実機のように複雑形状には対応が難しいという問題がある。
　すなわち、従来のいずれの技術を用いても、測定対象物の形状の自由度を大きくしながら、簡便に精度良く、鉄損を局所的にも測定して全体も測定することが十分ではなかった。
　ゆえに、本発明は、測定対象物の形状の自由度を大きくしながら、簡便に精度良く、鉄損の測定を局所的にも全体としても測定できる鉄損測定装置を提供することを目的とする。
　請求項１に係る発明は、測定対象物に生じた鉄損の各位置及び各大きさを示す分布を測定する鉄損分布測定装置であって、前記測定対象物は真空状態におかれ、前記真空状態におかれた測定対象物に対する励磁を行う励磁手段と、前記励磁手段の動作を制御する制御手段と、前記真空状態におかれた測定対象物が励磁されている際にその温度分布を示す温度分布データを１回の一括した非接触の測定により測定する温度分布測定手段と、前記温度分布測定手段が時間経過に応じて複数回測定した複数の温度分布データに基づいて励磁中の温度勾配の分布を求めるとともに求められた複数の温度勾配の分布データを用いて平均化処理を行う温度勾配平均化処理手段と、前記平均化処理により温度分解能が向上して得られた温度勾配の分布データを鉄損の分布データに変換して鉄損の分布を測定する変換手段とを備えたものである。
　請求項２に係る発明では、請求項１において、前記温度分布測定手段が、温度分布を測定するサーモグラフィカメラである。
　請求項３に係る発明では、請求項１又は２において、前記複数の温度分布データが、前記励磁手段の動作が停止して初期状態が一定とみなせる時間間隔により得られたデータである。
　請求項１の発明によれば、まず、測定対象物を真空中におくことによって大気による熱伝達の影響を排除することにより、大気中で測定する場合よりも長い時間での測定を可能にする環境が整う。その上で、１回の一括した非接触で測定対象物の温度分布のデータが得られ、鉄損の分布を測定するための基礎となるデータとして温度分布のデータが広範囲で非接触で直接得られる。このように非接触での測定とすることにより測定対象物の形状の自由度は高いものであってもよいという利点が得られる。そして、時間経過に応じて複数回測定した複数の温度分布データに基づいて励磁中の温度勾配の分布を求めるとともに求められた複数の温度勾配の分布データを用いて温度勾配の平均化処理を行い、この平均化処理により温度分解能が向上して得られた温度勾配の分布データを鉄損の分布データに変換することで、簡便で精度良く鉄損の分布を広範囲で非接触で直接的に得ることができる。特に請求項２の発明によれば、一般的にサーモグラフィカメラの温度感度が最小で０．０２度程度と言われているが、このままの感度で短時間測定による鉄損測定ではなく、時間経過に応じた複数回の繰り返し測定を行うことにより、温度勾配の平均化処理を施して温度分解能を向上させることにより、従来では克服できなかった簡便さと高精度というという鉄損では相反する課題を克服できる。さらに、請求項３の発明によれば、時間経過に応じた複数回の測定にあたり励磁停止後の適切な時間間隔とすることにより、初期状態を一定（同一）にみなして損失による熱量以外の影響を排除することができ、鉄損の発熱量は小さいものの、高精度の測定を実現できる。なお、本ＰＣＴ出願の基礎出願である日本国特願２０１１－３９０８０では、特許法第３０条の規定による新規性の喪失の例外規定の適用を受けている。しかしながら、平成２３年３月２日提出の新規性の喪失の例外証明書提出書に添付の文献は、本ＰＣＴ出願に係る発明の技術的特徴である「温度勾配平均化処理手段」及び「変換手段」等を具体的に開示したものではない。出願人らは、基礎出願において、念のため、これらの文献に基づく新規性の喪失の例外規定の適用を受けたものである。「先行技術開示は、当業者によるクレームされた発明の実施を可能とするものでなければならない」（ＰＣＴ国際調査及び予備審査ガイドライン１２．０２）。よって、仮に、審査官が、これらの文献が「先行技術開示」に該当すると判断する場合には、「審査官は、先行技術が当業者のクレームされた発明の実行を可能にしていたかどうか判断すべきである」。
本発明の実施の形態にかかる鉄損分布測定装置の概略を示すブロック図である。 温度勾配測定方法を説明するための図である。 温度分布の時間に対する標準偏差を示す図である。 解析モデルとしてのベクトル磁気特性装置を示す図である。 鉄損分布の解析結果を示す図である。 １秒後と１０秒後の温度勾配から求めた推定される鉄損分布結果を示す図である。 測定モデルを示した図である。 図７の測定エリアＡと測定エリアＢのサーモグラフィカメラによる測定結果を示す図である。 図７の測定エリアＡと測定エリアＢの探針センサーでの最大磁束密度分布を示す図である。 図７の測定エリアＡと測定エリアＢの探針センサーでの最大磁界強度分布を示す図である。
　図１は、本発明の実施の形態にかかる鉄損分布測定装置の概略を示すブロック図である。
　鉄損分布測定装置１は、測定対象物３を内部に収容する真空チャンバー５と、真空チャンバー５の上部に設けられた観察窓７に対抗する位置に配置されるサーモグラフィカメラ９と、サーモグラフィカメラ９にとっての焦点距離を合わせるために測定対象物３を移動させる移動機構１０と、サーモグラフィカメラ９及び真空チャンバー５内の後述する励磁部６に接続するコンピュータ１５とを備える。
　真空チャンバー５は、最大真空度０．００１Ｐａ程度、最大直径８００ｍｍまでの測定装置が設置可能なものを使用している。ここで、一般的なサーモグラフィカメラの温度分解能は熱電対測定に比べ、１０倍～１００倍感度が劣ると言われる。そのため、ここでの測定では、長時間の温度測定が必要とされる。その一方で、測定対象物が真空中にあるとすれば、大気による熱伝達の影響を排除することにより、大気中で測定する場合よりも長い時間での測定を可能にする環境が整う。すなわち、熱伝達は無視でき、測定対象物（例えば電磁鋼板）内部の熱伝導の影響と輻射熱の影響を考慮すれば足りることになる。したがって、図１に示すように、測定対象物３は、真空チャンバー５の中に収容されている。また、真空チャンバー５内には、測定対象物３に対して励磁を行う励磁部６が設けられている。なお、測定対象物のみが真空中におかれるようにしておけば測定機器などの通常使用が可能になる。
　サーモグラフィカメラ９は、上部の観察窓７を介して赤外線によって測定対象物３の温度分布の測定を行うものである。そのため、観察窓７は、赤外線を透過させるサファイアガラス（厚さ１０ｍｍ）が使用されている。そして、鉄損は後述するように温度勾配に比例するため、測定された温度結果から温度勾配を得ることは重要であり、温度分布の測定が複数回行われることにより励磁中の温度勾配を得ることができるようにしている。ここで、サーモグラフィカメラ９の仕様を説明する。検出器として量子型センサＩｎＳｂ　ＦＰＡが用いられている。検出器素子数は２５６（Ｈ）×２５６（Ｖ）、検出器冷却方式はスターリングクーラ冷却方式、検知波長は３．５～４．１μｍ，４．５～５．１μｍ、最小温度分解能は０．０２５℃以下、取得フレーム数は３０ｆｐｓとしている。なお、サーモグラフィカメラ９の測定値は赤外線のカウント値で得られる。その赤外線カウント値が補正されることで通常は温度が求められるが、本測定で求めるものは極小の温度変化であり、赤外線量の勾配と温度勾配は線形関係であると言え、発熱量は赤外線カウント値の勾配により求めることができる。
　次に、移動機構１０は、測定対象物３をその上部側で支持するシリンダー１１と、シリンダー１１の下部側に接続して測定対象物３の上下動を可能にするリフト１３とを備える。この移動機構１０によって、目視で焦点距離を調整してもよく、焦点距離を図る図示していないセンサとその検出出力とリフト１３とを連動させて設定された距離に自動調整できるようにしてもよい。
　コンピュータ１５は、制御部１７と、平均化処理部１９と、変換部２１と、表示部２３とを備える。制御部１７はタイマー２５を備える。制御部１７は、タイマー２５を用いて測定対象物３を励磁させる励磁部６を制御するとともにサーモグラフィカメラ９を制御する。平均化処理部１９は、サーモグラフィカメラ９の撮像により得られる測定対象物３の複数の温度分布のデータをもとにして温度勾配の分布データについて平均化処理を行う。この平均化処理は、多数の温度勾配の分布データを平均化することにより温度分解能を向上させるための処理であり、これによりサーモグラフィカメラ９の本来の温度分解能と測定されるべき各位置での温度勾配（言いかえると鉄損）を測定するための精度との関係についての問題を解決して、高精度での温度勾配の測定を分布として行えている。なお、上記もしたが、平均化処理には赤外線検出器から得られたカウント値の勾配を使用することもできる。一般的に赤外線カウント値から温度を求める場合は非線形となるため、カウント値の勾配と温度勾配は異なる。しかしながら、微少な温度変化の場合は、カウント値と温度変化は線形であると言えるため、カウント値の勾配に係数をかけた値を鉄損値として用いることが可能である。複数回の温度勾配値は正規分布に従うため、平均化処理することにより真値に近づく。そのため、分布の精度が必要な場合は、短時間（例えば１秒～５秒、温度上昇が小さい）の測定を多数回（１００００回等）行うことにより熱伝導による熱の広がりを抑えた高精度な鉄損分布を得ることが可能である。また、分布の精度を要求しない場合は、５秒～１０秒（温度上昇が大きい）を１回の測定とし、１００回程度の測定で鉄損分布を得ることが可能である。変換部２１は、平均化処理部１９が求めた平均化処理後の温度勾配の分布データを鉄損の分布データに変換する。この変換（鉄損への換算処理）については、以下の２つが具体的処理として挙げられる。第１としては、測定領域の比較的に磁束密度変化が安定している場所の鉄損を探針センサーを用いて測定しておき、その大きさと温度勾配を比較することで鉄損値と変換することが可能である。第２としては、測定対象物と同一の鋼板の電気抵抗を測定し、コントロールされた直流電流を流すことによりジュール熱を熱源とした温度勾配を事前に測定しておき、温度勾配と損失の関係から、鉄損を計算することが可能である。そして、この変換結果について、表示部２３は、変換された鉄損の分布データにより測定対象物における鉄損の各位置及び各大きさを表す鉄損の分布を測定結果として表示する。
　図２は、温度勾配測定方法を説明するための図である。図２において、横軸は時間、縦軸は赤外線のカウント値を示し、図中において励磁時間１０ｓが示されている。図２を用いて励磁方法を説明する。温度勾配を求めるため、６０ｓ／ｓｔｅｐとし、インターバルに５０ｓ、励磁時間１０ｓをとった。そして、温度勾配の平均化を行うために、５００ステップを測定するものとする。その後、平均化処理部１９がステップ毎に励磁時間中の勾配を求め、平均化を行う。平均化を行うインターバル時間は以下に説明する２次元熱伝導解析により励磁後の熱量が測定領域で十分に平均化する時間を算出して１０ｓに決定している。
　２次元熱伝動解析によるインターバル時間の同定を説明する。温度分布は、以下のｘｙ軸の２次元熱伝導の支配方程式を用いて解析結果から計算される。パラメータについては、Ｔは温度（℃）、λは熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ｑは熱源（Ｗ／ｍ３）（なお、熱源のＱは、別途シミュレーションから得られた鉄損分布として計算している。）、ρは密度（ｋｇ／ｍ３）、ｃは比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、ｔは時間（ｓ）としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　ここで、比熱と熱伝導率は温度に依存する。しかし、鉄損によって発生してしまう熱は、極小なため、温度への影響も小さいと言える。したがって、温度依存は無視できると考えることができる。また、外気温度は０℃とし、真空中としているため、完全断熱と仮定している。上記したように発熱源分布として鉄損分布を用いているが、鉄損分布はベクトル磁気特性を考慮した積分Ｅ＆Ｓモデルと有機要素法を用いた解析結果を使用している。計算で用いたパラメータは、以下の表１の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　温度勾配による鉄損の分布を求める場合、初期状態が同一でなければ、損失による熱量以外の影響が生じてしまう。鉄損の発熱量は小さいため、影響が完全に無くなるインターバルを設定する必要が有る。下記式で求めた温度分布の時間に対する標準偏差を図３に示す。図３において、横軸は時間、縦軸は温度分布の標準偏差を示す。図３の結果より、最初の１０ｓを励磁し、その後熱伝導により時間と平滑化を確認できるため、インターバル時間を初期状態が十分一定であるといえる５０ｓとしている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図４は解析モデルとしてのベクトル磁気特性装置を示す図である。図５は鉄損分布の解析結果を示す図である。図６は１秒後と１０秒後の温度勾配から求めた推定される鉄損分布結果を示す図である。以下、測定時間と鉄損分布の関係について説明する。
　長時間励磁をすると温度が上昇し、測定が容易になるが、熱伝導により、鉄損分布と、温度勾配分布に差ができる。そのため、分布の精度を向上させるためには短時間での測定が必要不可欠である。本報告では、励磁時間を１０秒としている。そこで、励磁時間と分布の精度について検討する。解析条件は上記と同じとし、解析モデルを図４に示すベクトル磁気特性装置とした。評価領域は８０ｍｍ×８０ｍｍの試料とした。その結果は、図５に示される鉄損分布の解析結果として得られた。励磁条件は交番磁束、中心部最大磁束密度１Ｔ、磁化容易方向に励磁した。この分布を熱源に数１の式を用いて熱伝導解析を行うと、図６に示すように、１秒後（図６（Ａ））と１０秒後（図６（Ｂ））の温度勾配から求めた鉄損分布結果が得られた。１秒後と１０秒後では、熱伝導により分布が広がっていることがわかる。１秒後の方が鉄損分布に近いが、発熱量が大きいところで０．００２５Ｋ程度であり、測定が困難で有ることがわかる。１０秒後では１秒後の１０倍の温度が得られるため、測定が可能である。また、鉄損の分布傾向は十分得られることがわかる。
　図７は、測定モデルを示した図である。このモデルコアは３相変圧器形状を模擬しているが、１枚の方向性電磁鋼板に窓穴を開けた形状となっている。そのため、通常の３相変圧器と異なり、磁路中に圧延直角方向を有するモデルである。積層枚数は２７枚、Ｂコイルを施し、最大磁束密度が目標値になるように制御している。励磁波形は正弦波とし、波形形状の制御は行っていない。一般的に金属の赤外線放射率は０．６程度であり、表面がなめらかな場合さらに悪くなる。そのため、赤外線放射率を上げるため測定領域には黒色に塗装している。測定条件は、以下の表２の測定パラメータに示す通りである。励磁コイルを中心に施し、励磁周波数を５０Ｈｚ、探りコイルの最大磁束密度を０．５Ｔ、画像取得スピード３０ｆｐｓ、平均化回数１０００回とし、画像フィルタとして、Median　filterを使用した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　図８～図１０は、図７の測定エリアＡと測定エリアＢの各種測定結果を示す図である。図８（Ａ）は測定エリアＡのサーモグラフィカメラによる測定結果を示し、図８（Ｂ）は測定エリアＢのサーモグラフィカメラによる測定結果を示す。図９及び図１０は、サーモグラフィカメラでの測定では磁気特性については測定ができないため、探針センサーでの磁気特性測定も行い、その結果を示す。図９（Ａ）は測定エリアＡの最大磁束密度分布（Ｔ）を示し、図９（Ｂ）は測定エリアＢの最大磁束密度分布（Ｔ）を示す。図１０（Ａ）は測定エリアＡの最大磁界強度分布（Ａ／ｍ）を示し、図１０（Ｂ）は測定エリアＢの最大磁界強度分布（Ａ／ｍ）を示す。下記表３に探針センサーの仕様を示す。測定ピッチは２ｍｍとしている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　エリアＡにおいて、圧延直角方向では大きな鉄損値が観測できる。また、圧延方向では鉄損値が圧延直角方向に比べて小さくなっていることがわかる。一方、図９（Ａ）の磁束密度分布においては、圧延方向で値が大きいことがわかる。図１０（Ａ）に示す、磁界強度分布より、圧延直角方向で磁界強度が大きくなっていることがわかる。このモデルの材料である方向性電磁鋼板は、磁気異方性が大きく、圧延方向の磁気特性が優れ、損失が小さい特徴を有する。そのため、磁束密度は大きいが、鉄損が小さい傾向であることは、妥当であることがわかる。
　エリアＢでは、エリアＡと同様に圧延直角方向で損失が大きく、圧延方向で損失が少ないことがわかる。また、コーナー部に鉄損が集中していることがわかる。図９（Ｂ）に示す磁束密度分布、図１０（Ｂ）に示す磁界強度分布においても、エリアＡと同様の傾向を示す。
　以上をまとめると、ポイントは以下のようになる。
　第１に、サーモグラフィカメラを用いた電気機器（電磁鋼板）の鉄損分布の直接測定が可能になった。これにより、１回の一括した非接触で測定対象物の温度分布のデータが得られ、鉄損の分布を測定するための基礎となるデータとして温度分布のデータが広範囲で非接触で直接得られる。このように非接触での測定とすることにより測定対象物の形状の自由度は高いものであってもよいという利点が得られる。
　第２に、従来の測定法であるサーミスタや熱電対に比べ温度感度が劣る点を、繰り返し測定による平均化処理を行うことにより極小の熱量の変化を分布でとらえることに成功した。すなわち、時間経過に応じて複数回測定した複数の温度分布データに基づいて励磁中の温度勾配の分布を求めるとともに求められた複数の温度勾配の分布データを用いて温度勾配の平均化処理を行い、この平均化処理により温度分解能が向上して得られた温度勾配の分布データを鉄損の分布データに変換することで、簡便で精度良く鉄損の分布を広範囲で非接触で直接的に得ることができた。一般的にサーモグラフィカメラの温度感度が最小で０．０２度程度と言われているが、このままの感度で短時間測定による鉄損測定ではなく、時間経過に応じた複数回の繰り返し測定を行うことにより、温度勾配の平均化処理を施して温度分解能を向上させることにより、従来では克服できなかった簡便さと高精度という鉄損では相反する課題を克服できた。
　第３に、大気中の熱伝導を避けるため、真空チャンバーを用い、極小の温度測定が可能になった。すなわち、測定対象物を真空中におくことにより、大気による熱伝達の影響を排除することにより、大気中で測定する場合よりも長い時間での測定を可能にする環境を整えることができた。
　第４に、ベクトル磁気特性解析により求めた鉄損分布を熱源にした熱伝導解析により１０ｓの励磁に対し、５０ｓのインターバルを設けることで、初期状態を同じにすることができることが明らかになった。すなわち、励磁停止後の適切な時間間隔とすることにより、初期状態を一定（同一）にみなして損失による熱量以外の影響を排除することができ、鉄損の発熱量は小さいものの、高精度の測定を実現できることを明らかにした。
　第５に、モデルコアを実測し、妥当な測定結果が得られた。第６に、同モデルを探針法で測定した結果とサーモグラフィカメラで測定した鉄損分布を比較し、方向性電磁鋼板の特性を勘案すると、妥当な分布であることまで分かった。
　なお、近年、省エネルギー化への関心から、エネルギー変換効率の良いモータを用いた、電気自動車等の関心が高まっている。電気自動車のような移動体の場合、モータ自身の重量も自動車全体の効率に寄与するため、小型・軽量なモータが望まれている。また、化石燃料に比べ電池のエネルギー積が小さいため、効率の良いモータが望まれている。内燃機関に比べ、格段に効率が良いモータではあるが、さらなる効率向上のため、様々な研究が行われている。一般的に、モータの損失は、「鉄損」「銅損」「機械損」が挙げられる。それぞれの損失は、モータの構成素材である、電磁鋼板、銅線、ベアリングなどで発生する固有の損失である。したがって、モータは鉄損測定の測定対象物として重要である。
１・・・鉄損分布測定装置、３・・・測定対象物、５・・・真空チャンバー、６・・・励磁部、９・・・サーモグラフィカメラ、１７・・・制御部、１９・・・平均化処理部、２１・・・変換部

Claims (3)

  1. 　測定対象物に生じた鉄損の各位置及び各大きさを示す分布を測定する鉄損分布測定装置であって、
    　前記測定対象物は真空状態におかれ、
    　前記真空状態におかれた測定対象物に対する励磁を行う励磁手段と、
    　前記励磁手段の動作を制御する制御手段と、
    　前記真空状態におかれた測定対象物が励磁されている際にその温度分布を示す温度分布データを１回の一括した非接触の測定により測定する温度分布測定手段と、
    　前記温度分布測定手段が時間経過に応じて複数回測定した複数の温度分布データに基づいて励磁中の温度勾配の分布を求めるとともに求められた複数の温度勾配の分布データを用いて平均化処理を行う温度勾配平均化処理手段と、
    　前記平均化処理により温度分解能が向上して得られた温度勾配の分布データを鉄損の分布データに変換して鉄損の分布を測定する変換手段とを備えた、鉄損分布測定装置。
  2. 　前記温度分布測定手段は、温度分布を測定するサーモグラフィカメラである、請求項１記載の鉄損分布測定装置。
  3. 　前記複数の温度分布データは、前記励磁手段の動作が停止して初期状態が一定とみなせる時間間隔により得られたデータである、請求項１又は２記載の鉄損分布測定装置。
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