JP4910149B2

JP4910149B2 - 二次元磁気特性測定装置

Info

Publication number: JP4910149B2
Application number: JP2007059616A
Authority: JP
Inventors: 則雄高橋; 正典中野; 大輔宮城
Original assignee: 国立大学法人岡山大学
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: JP2008224269A

Description

本発明は、電磁鋼板が有する磁気異方性及び回転鉄損等を測定するための二次元磁気特性測定装置に関するものである。

けい素鋼板等の電磁鋼板において、圧延方向と異なる方向に磁束が通った場合の磁気特性を検討するためには、異方性を考慮した、所謂、二次元磁気特性測定が必要になる。この要請に応えて種々の二次元磁気特性測定装置が実用化されており、例えば、特許文献１に示されるものがある。しかしながら、この先行例のものは、試料に設定される測定区域が空気中に開放されているため、その高い磁気抵抗によって十分な磁束密度を上げられず、機能面において物足らない。

そこで、本発明者等は、試料を完全に励磁コイルの中に閉じ込めるとともに、特殊なコイル及びヨークを用いてほぼ完全な閉磁路を構成できる非常に有用な測定装置を発表している（非特許文献１）。しかしながら、この装置では、励磁方向に直角な方向の閉磁路を形成するための補助ヨークを使用している関係で、磁力線が直進せずに左右の補助ヨークに向かって広がる（試料中の測定区域を通る磁力線を上方から見ると、入口側、出口側ともに外方に向かって湾曲しており、この湾曲の程度が大きい）という問題があった。このため、測定区域における磁束密度の均一性に欠け、測定精度が十分ではなかった。
特開２００５−６９９３３号公報岡山大学：二次元磁気特性測定装置の改良社団法人電気学会１９９８

本発明は、このような課題を解決したものであり、内側及び外側励磁コイルを試料の互いに異なる直交方向に巻くことで試料における磁束密度の分布をより均一化できるようにしたものである。

以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、コイルを巻いて四角形をした内側励磁コイルの周囲に内側励磁コイルの巻き方向と直交する方向にコイルを巻いて同じく四角形をした外側励磁コイルを配置し、内側励磁コイル中に試料を収容するとともに、内側及び外側励磁コイルに電流を流して試料中を各々の電流値で合成された方向に通行する磁束を発生させる二次元磁気特性測定装置において、内側及び外側励磁コイルを、二等辺三角形をした巻枠に対して底辺と平行に巻いて底辺同士を合せて四角形に形成したことを特徴とする二次元磁気特性測定装置を提供したものである。

また、本発明は、以上の測定装置において、請求項２に記載した、内側及び外側励磁コイルそれぞれの巻枠の底辺同士が接合、分離可能に構成される手段、請求項３に記載した、内側及び外側励磁コイルそれぞれの巻枠が底辺同士を合わせると正方形に形成される手段、請求項４に記載した、試料の相対向する二辺にそれぞれ補助ヨークを接続するとともに、補助ヨークをそれぞれの辺の外側で内外に隣接する内側及び外側励磁コイルを貫通させて延出させ、補助ヨークの延出した部分から上下ヨークを渡し掛けた手段、請求項５に記載した、外側巻枠のそれぞれ頂点に内部と外部を連通する開口を形成し、一方の開口から吸気して外側巻枠の内部に冷却用の空気を流通させる手段を提供する。

請求項１の手段によると、内側及び外側励磁コイルをそれぞれの巻枠の底辺と平行に、つまり、直交させて巻いたことから、その中心の高磁束密度領域である測定区域を通過する磁束の左右への拡がりが少なくなり（湾曲の程度が小さい）、磁束密度の分布がより均一化する。その理由としては、磁路長は端側に行くほど短くなるが、それに対応して巻数も減少し、結局、コイル内の巻数に対する磁路長が等しくなるからと推察される。また、内側及び外側励磁子コイルの巻枠の底辺同士を合せて四角形にしたものであるから、試料の内側励磁コイルの中への挿入が容易になる。さらに、請求項２の手段によると、試料の内側励磁コイル内への出し入れが簡単になるし、請求項３の手段によると、内側及び外側励磁コイルともに試料に対して効率的な形状にできる。この他、請求項４の手段によると、ヨークを効率的に設けることができるし、請求項５の手段によると、励磁コイルの形状を小さくできるし、長時間の使用に耐えることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係る測定装置の斜視図、図２はこれを分解した状態の斜視図であるが、この測定装置は、内側巻枠１に巻かれた内側励磁コイル２と、外側巻枠３に巻かれた外側励磁コイル４とを有している。これにおいて、内側巻枠１は、平面視二等辺三角形をした一方側巻枠１ａと同じく二等辺三角形をした他方側巻枠１ｂの底辺同士を合わせた四角形に形成されている。この場合、内側励磁コイル２は、一方側励磁コイル１ａと、他方側励磁コイル１ｂとに分けて巻かれているが、各々は一方側巻枠１ａと他方側巻枠１ｂの底辺それぞれに平行に巻かれている。この内側励磁コイル２は、平角ポリエステル絶縁電線を内側巻枠１の外周に一層当たり複数ターン巻いて複層構造としたものである。

外側巻枠３と外側励磁コイル４との関係も同様であり、前者は、一方側巻枠３ａと他方側巻枠３ｂとで構成され、後者も、一方側励磁コイル４ａと他方側励磁コイル４ｂとで構成されている。ただし、外側励磁コイル４は、中に内側励磁コイル２を収容できるようになっており、このとき、内側巻枠１と外側巻枠３の底辺は９０°交差して直交する向きに配置されている。因みに、本例の場合、外側励磁コイル４を巻く外側巻枠３のそれぞれ一方側巻枠３ａと他方側巻枠３ｂの斜辺が２００ｍｍ程度の平面視正方形、厚みが４０ｍｍ程度のものであり、内側巻枠１及び内側励磁コイル２はこれに合わせた大きさと形状（正方形）になっている。

内側巻枠１と外側巻枠３は、それぞれ平面視二等辺三角形に形成されていることは上述したが、各々は内部が空洞でその底辺部分で分離できるようになっている。内側励磁コイル２の中には後述する試料５を収容しなければならず、外側励磁コイル４の中には内側励磁コイル２を収容しなければならないからである。このため、外側巻枠３の一方側巻枠３ａと他方側巻枠３ｂの底辺の端を延ばしてここに非磁性体のボルト６を通し、このボルト６を締めると結合し、外すと分離できるようにしている。なお、内側励磁コイル２については、外側励磁コイル４の中にきっちり収まるような関係にしておくことで、殊更、結合構造は必要ではないが、必要な場合は外側巻枠３と同じ構造にすればよい。

内側及び外側励磁コイル２、４で作られた磁束は、磁気抵抗が非常に小さい閉磁路を形成するヨークを通って戻って来るようにしてある。本発明では、内側励磁コイル２、外側励磁コイル４ともに、端辺は４５°方向に方向転換させられて辺と直角（平行）になってコイルの端部は間隔が広がっており、この間にスリットを確保している。なお、内側励磁コイル２の端辺のスリットの位置と数は外側励磁コイル４のそれと一致させてあり、これらスリットに外側から補助ヨーク７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂを差し込んで第二補助ヨーク１３ａを介して試料５と接触させている。

さらに、補助ヨーク７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂの延出部分に連結させてそれぞれ上下ヨーク１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを内側及び外側励磁コイル２、４の辺に平行（直角）に架設している。したがって、上下ヨーク１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、内側及び外側励磁コイル２、４と共通に連結され、しかも、内側及び外側励磁コイル２、４に対して４５°の方向に延びていることになり、この点で、内側及び外側励磁コイル２、４同士で連結されて各々コイルと平行に渡されている従来のものと異なっている。

なお、これら第二補助ヨーク１３ａ、補助ヨーク７、８及び上下ヨーク１１、１２は、磁束が飽和しないように十分に広い断面積を有していることはいうまでもない。図３は試料５、第二補助ヨーク１３ａ、補助ヨーク７、８及び上下ヨーク１１、１２の接触状態を示す要部断面側面図であるが、試料５と第二補助ヨーク１３ａ、補助ヨーク７、８、上下ヨーク１１、１２のいずれかの接触部分はわずかに離すことがある。これらには製作誤差や配置（組立）誤差が避けられず、このようなものを全面接触させると、偏接触して接触部分にのみ磁束集中が起こるから、このようにわずかにギャップを設けることで磁気抵抗を均等化させたのである。図４は図３のＡーＡ相当断面図であるが、薄い鋼板を重ねて構成される第二補助ヨーク１３ａは縦に斜めに積層させている。そして、その傾斜のリードを補助ヨーク７、８のピッチＰと一致させて補助ヨーク７、８が第二補助ヨーク１３ａのすべての鋼板と接触するようにして磁束の伝播効果を高めている。

図５は試料５の平面図であるが、内側励磁コイル２の中には被測定対象である電磁鋼板の試料５が収容される。なお、本例では、外側励磁コイル４の巻き方向と直角な方向をｙ軸、内側励磁コイル２の巻き方向と直角な方向をｘ軸とし、試料５の圧延方向をｙ軸と一致させている。本例の試料５は、無方向性電磁鋼板を使用しており、二枚のガラスエポキシの試料支持板１３に挟まれた状態でセットされる。この場合、試料５の厚みは１ｍｍ以下と薄いため、補助ヨーク７、８と十分な接触量を得るのが難しい。このため、図３に示すように、上下の試料支持板１３の端の部分において、試料５と接触して十分な厚みを有する二枚の第二補助ヨーク１３ａを埋め込み、これと補助ヨーク７、８を接触させるようにしている。なお、磁気抵抗を均一化させるための接触部のギャップは、この第二補助ヨーク１３ａと試料５との間であってもよい。要は、磁路の一カ所に設ければよい。

図６は試料５と試料支持板１３の要部断面側面図であるが、試料５の中央には測定区域１４が設定され、ここに磁束密度（Ｂ）を測定するＢコイル１５と、磁界の強さ（Ｈ）を測定するＨコイル１６が設置される。なお、これらＢコイル１５、Ｈコイル１６ともに、ｙ軸（ｘ軸）に平行、直角にセットされる。本例のＢコイル１５は、測定区域１４における試料５の表面と裏面に二個のプローブを４０ｍｍ間隔で直交させたものに依っている。これ対して、Ｈコイル１６は、ＪＩＳで定められた２Ｈコイル法に依ったものであるが、上側の試料支持板１３の測定区域１４に相当する個所に窓を形成し、この中に電線を内側に所定ターン単層巻きしたものをＨ_y 検出用とし、外側にこれと直交して同じ電線を所定ターン単層巻きしたものをＨ_x 検出用として二枚重ねで設置している。

以上により、内側及び外側励磁コイル２、４に電流を流すと、磁束が発生して試料５中を通過する。そこで、Ｂコイル１５とＨコイル１６の電圧を測定すれば、磁気特性が調べられる。図７は磁束密度の振幅Ｂ_m と鉄損Ｗの関係を示す特性であるが、これを見ると、いずれの励磁角度（磁力線の方向のことで、内側励磁コイル２と外側励磁コイル４への電流の大きさを変えて調整する。仮に、内側励磁コイル２へ電流を流さないとすると、励磁角度は０°、内側励磁コイル２と外側励磁コイル４に等分に電流を流すとすると、励磁角度は４５°ということになる）においても、振幅Ｂ_m が大きくなるに連れて鉄損Ｗはほぼ磁束密度の１．６乗から２乗で増大しているが、この増大曲線が励磁角度別に分離しており、かつ整然としていて乱れがない。このことは、磁束密度が均一化していることの表れであり、均一でない磁束密度下での測定では、各励磁角度における増大曲線の勾配は整然とはしておらず、しかも上下に入り乱れている。

さらに、ホール素子を用いて測定区域１４（４０ｍｍ×４０ｍｍ）内の磁界分布を直接調べる方法を行ってみた。図８は内側及び外側励磁コイル２、４の中心の周りの四点の平均値を基準として各測定点の誤差を表わしたもの、つまり、磁界の分布状態を示す特性であるが、これを見ても、測定区域１４内では、内側及び外側励磁コイル２、４ともに磁界分布の誤差はほぼ３％以内に収まっていることがわかる。

図９は内側及び外側励磁コイル２、４による磁界の方向の分布の状態を示す特性であるが、磁界の方向の算出は、どちらか一方の励磁コイル２、４に電流を流したときにその励磁コイル２、４の励磁する向きとホール素子の検出方向が等しいと仮定し、励磁コイル２、４と同一方向成分と直交成分の値から角度を算出したものである。この結果、励磁方向と磁界の向きの作る角度も３°以内となっており、向きにおいても高い均一度が得られていることがわかる。

ところで、内側及び外側励磁コイル２、４に電流を流して磁束を発生させて測定を続けていると、内側及び外側励磁コイル２、４が熱を帯びてくる。特に、本発明では、内側励磁コイル２は外側励磁コイル４の中に密封される形態となることから、内側励磁コイル２でこれが顕著になり、電流を流すのが難しくなる位である。そこで、外側巻枠３の一方側及び他方側巻枠３ａ、３ｂのそれぞれ頂点に外部と内部が通ずる開口（図示省略）を形成し、一方の開口からブロワー等で吸気するようにしている。こうすれば、他方の開口から外気が吸引されて外側巻枠３の中を流通するから、内側励磁コイル２は稼働が可能な程度に冷却される。なお、これによると、外側励磁コイル４も内側からも冷却されることになって好ましいものになる。

本発明に係る測定装置の斜視図である。同じく分解した状態の斜視図である。試料、補助ヨーク及びヨークの関係を示す要部断面側面図である。図３のＡーＡ相当断面図である。本発明の測定装置で使用した試料の平面図である。試料と試料支持板の断面図である。本発明の測定装置で測定した磁束密度の振幅Ｂ_m と鉄損Ｗの関係を示す特性である。本発明の測定装置による内側及び外側励磁コイルによる磁界分布の状態を示す特性である。本発明の測定装置による内側及び外側励磁コイルによる磁界の方向の分布の状態を示す特性である。

１内側巻枠
１ａ〃の一方側巻枠
１ｂ〃の他方側巻枠
２内側励磁コイル
２ａ〃の一方側励磁コイル
２ｂ〃の他方側励磁コイル
３外側巻枠
３ａ〃の一方側巻枠
３ｂ〃の他方側巻枠
４外側励磁コイル
４ａ〃の一方側励磁コイル
４ｂ〃の他方側励磁コイル
５試料
６ボルト
７ａ補助ヨーク
７ｂ補助ヨーク
８ａ補助ヨーク
８ｂ補助ヨーク
１１ａ上ヨーク
１１ｂ上ヨーク
１２ａ下ヨーク
１２ｂ下ヨーク
１３試料支持板
１３ａ第二補助ヨーク
１４測定区域
１５Ｂコイル
１６Ｈコイル

Claims

コイルを巻いて四角形をした内側励磁コイルの周囲に内側励磁コイルの巻き方向と直交する方向にコイルを巻いて同じく四角形をした外側励磁コイルを配置し、内側励磁コイル中に試料を収容するとともに、内側及び外側励磁コイルに電流を流して試料中を各々の電流値で合成された方向に通行する磁束を発生させる二次元磁気特性測定装置において、内側及び外側励磁コイルを、二等辺三角形をした巻枠に対して底辺と平行に巻いて底辺同士を合せて四角形に形成したことを特徴とする二次元磁気特性測定装置。
内側及び外側励磁コイルそれぞれの巻枠の底辺同士が接合、分離可能に構成される請求項１の二次元磁気特性測定装置。
内側及び外側励磁コイルそれぞれの巻枠が底辺同士を合わせると正方形に形成される請求項１又は２の二次元磁気特性測定装置。
試料の相対向する二辺にそれぞれ補助ヨークを接続するとともに、補助ヨークをそれぞれの辺の外側で内外に隣接する内側及び外側励磁コイルを貫通させて延出させ、補助ヨークの延出した部分から上下ヨークを渡し掛けた請求項１〜３いずれかの二次元磁気特性測定装置。
外側巻枠のそれぞれの頂点に内部と外部を連通する開口を形成し、一方の開口から吸気して外側巻枠の内部に冷却用の空気を流通させる請求項１〜４いずれかの二次元磁気特性測定装置。