JPH02103485A - 軟質磁性材料の磁気特性測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は軟質磁性材料の磁気的性質を測定する方法に関
するものである。

［従来の技術］ 軟質磁性材料には、純鉄、方向性電磁鋼板、無方向性ｊ
″「磁鋼板、アモルファス磁性材料、フェライト、パー
マロイ、パーメンジュール、など多くの種類があり、電
力変圧器磁心、モーター磁心、高周波変圧器磁心、磁気
シールド材料などに用いられており、透磁率、鉄損、磁
化特性などの磁気的性質が最も重要となる材料である。

これらの軟質磁性材料の磁気的性質の測定は基本的に同
じであり、軟質磁性材料の試料を励磁コイルに電流を流
すことにより励磁し、この時の磁界強度を励磁電流ある
いは試料近くに置いた空心の磁界コイルの起電力から検
出し、試料中を通る磁束を試料に巻いた磁束コイルの起
電力から検出する。上述した軟質磁性材料の磁気的性質
は磁界強度と磁束を試料断面積で割った磁束密度との相
関から求められる。即ち、透磁率は磁束密度と磁界強度
の比であり、鉄損は磁束密度と磁界強度のヒステリシス
特性から求められ、磁化特性は磁界強度と磁束密度の相
関曲線である。

励磁コイルは試料に直接巻くかあるいは試料の両端に接
近させたヨークに巻かれ、励磁電流は目的に応じて直流
あるいは交流が用いられ、交流の場合は正弦波形の交流
が主として用いられる。磁界強度Ｈを励磁電流Ｉから検
出する場合は、励磁コイルの巻き数Ｎｉと試料を通る磁
束の長さ即ち磁路長りからＨ＝ｋＮｉｌ／Ｌで求められ
る。ｋは定数である。また、磁界強度Ｈを磁界コイルの
起電力Ｅｈから求める場合は、励磁周波数ｆ、空心コイ
ルの巻き数Ｎｈ、　＆ｆｉ界コイルの断面積＾ｈからＨ
＝ｋＥｈ／（ｆ　Ｎｈ　Ａｈ）で求められる。磁束密度
Ｂは、磁束コイルの起電力Ｅｂ、　！！磁束コイル巻き
数Ｎｂ、試料の断面積ＡからＢ　＝ｋ　Ｅｂ／（ｆ　Ｎ
ｂ　Ａ）で求められる。また、励磁電流は電流通路に微
小な抵抗（シャント）を挿入して抵抗の両端に発生する
起電力を測定することが多い。従って、磁気的性質の測
定精度はシャントあるいは磁界コイルと磁束コイルの起
電力の検出精度に大きく依存している。また、これらの
起電力はそれぞれ磁界強度と磁束に比例するため、低い
励磁即ち磁界強度または磁束が小さい状態から高い励磁
即ち磁界強度あるいは磁束か大きい状態までの間の磁気
的性質を測定する場合、これらの起電力検出器の人力レ
ンジはオーバーフローを避けるため高い励磁状態に合わ
されるのが通常である。このため、低い励磁状態での磁
気的性質の測定では検出器の人力レンジに比べて低い起
電力を測定することになり、Ｓ／Ｎ比（信号／ノイズ比
）が低くなり、検出精度が低くなるという問題があった
。このため、従来の測定方法では励磁状態に応じて適宜
起電力検出器のレンジを切り替える必要があり、自動測
定化と高精度測定の両立が困難であった。

また通常、軟質磁性材料の磁気的性質は材料間の比較を
行うために、磁界強度あるいは磁束密度をいくつかの条
件に設定したときの特性値として測定されることが多い
。しかし、よく知られているように、磁性材料は磁界強
度と磁束密度との間にはヒステリシス特性があるため、
磁気特性値は測定までの励磁履歴に依存する。このため
、磁気特性の測定の最初に測定試料を飽和磁化状態近く
まで励磁し、以前の励磁履歴を消去するいわゆる消磁を
おこなったのちに励磁条件に設定するのが通例である。

しかし、従来の測定法（Ｔ、ＹａａＩａａ＋ｏｔｏ　ａ
ｎｄ　Ｙ、０ｈｙａ；ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、Ｍａｇ、
ＭＡＧ−１０，１５７（１９７４）では消磁ののち励磁
条件に設定する方法として、磁界強度あるいは磁束密度
の信号を励磁電圧増幅器の入力にフィードバックして磁
界強度あるいは磁束密度の設定値を達成する方法をとっ
ている。このため、励磁設定を短時間で行う場合には設
定値を過ぎて戻すいわゆるオーバーシュートを起こし理
想的な磁化状態からそれるため、磁気的性質の測定値に
誤差を生じる問題が起きていた。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、軟質磁性材料の磁気特性の高精度自動測定法
の実現を目的とし、従来の磁気特性測定法では低い励磁
条件では測定精度が悪くなるという問題点を解決しよう
とするものである。例えば、方向性電磁鋼板の鉄損測定
において従来法では板厚と励磁磁束密度か減少するのに
従い測定誤差が増加し、０．：１ｍｌ１１の板厚の方向
性電磁鋼板の１゜７丁での鉄損測定の誤差は±１を以下
であるのに対し、０．１７ｍｍの板厚の方向性型Ｍｉ謳
板の磁束密度１．３Ｔでの鉄損測定誤差は±４９６以上
である。方向性電磁鋼板のグレード間の代表的な鉄損の
差が３９６程度であることを考慮すると、鉄損測定値は
±１９６が必要である。

［課題を解決するための手段］ 本発明の目的は上記の問題点を除去改善し、軟質磁性材
料の磁気的性質を高精度に自動測定可能とする方法を提
供することにある。このために、軟質磁性材料の磁気的
性質の測定において誤差の原因を詳しく調査した。その
結果、測定誤差は主に二つの系統があることがわかった
。一つの系統はシャントあるいは磁界コイルと磁束コイ
ルの起電力を検出する回路のノイズによる検出誤差であ
り、他の系統は測定時の励磁設定が理想的に行われない
ことによる励磁状態の設定誤差である。これらの誤差原
因と本発明による改善策について以下に詳細に説明する
。

起電力検出回路のノイズの状態と発生場所を詳細に調べ
たところ、ノイズには主要なところ三つの種類があるこ
とがわかった。一つは測定試料の磁気的性質に密接に関
係したバルクハウンゼンノイズで木質的なものであるた
め避けることが出来ない。しかし、バルクハウンゼンノ
イズは他の二つのノイズと比べて小さいため測定誤差へ
の影響は少ない。二つ目のノイズは磁界コイルや磁束コ
イルがアンテナとなり周囲のモーター、変圧器、蛍光灯
などからの電磁波を拾った電磁誘導ノイズであり、電磁
波の発生源でシールド対策を取るとともにコイル及びコ
イルにつながる信号線をシールドすることにより減少さ
せることができる。三つめもノイズは検出器自体から発
生するノイズであり、本発明で改善の対象としたものの
ひとつである。このノイズの原因には電子デバイスでの
電子の揺らぎや電源ラインからの侵入あるいはアースラ
インからの侵入などがあるが、一般に計測機器の出力に
は若干のノイズが重畳しているのか通常である。

従って、これらのノイズの低減対策とともに検出信号の
耐ノイズ性を向上させる必要があった。

このためには信号強度のノイズ強度に対する比率即ちＳ
／Ｎ比を高く保つ必要があった。従来の測定法では測定
する励磁条件の最も高い励磁条件に検出器の人力レンジ
を合わせているため、高い励磁条件ではＳ／Ｎ比が高い
が低い励磁条件ではＳ／Ｎ比が著しく低い状態で磁界コ
イル等の起電力を検出していた。例えば、方向性電磁鋼
板の磁気特性を測定する場合、磁界強度２５００Ａ／ｍ
での磁束密度の測定と磁束密度０．５Ｔでの鉄損の測定
を行うと、後者の測定ではＳ／Ｎ比はシャントあるいは
磁界コイルの起電力の検出で約１７２５０となり、磁束
コイルの起電力の検出では約属となる。このため、従来
の測定方法では低い励磁条件での測定精度か低くなった
。

この問題を解決するため、本発明ではＳ／Ｎ比を常に高
い値に保持する方法を考案した。即ち、シャントあるい
は磁界コイル、磁束コイルと起電力検出器との間に増幅
率可変の増幅器を挿入し、増幅器の出力電圧を検出器の
人力レンジの５０を以上の電圧となるように増幅率を自
動調節することにより、励磁条件の高低にかかわらずＳ
／Ｎ比を高く保持する。この増幅率は測定値の演算の時
に割り戻すため測定結果の真値には影響をあたえずに精
度を向上できた。

本発明の方法により、従来の測定方法による測定設備に
対しても増幅率可変の増幅器と測定結果の演算回路とこ
れらを制御する制御回路を付加することにより容易に精
度を向上させることが出来る。また、この方法により検
出器の一レンジのみを使用するためレンジ切り替えの必
要がないため、励磁制御回路と組々合わせることにより
、容易に軟磁性材料の磁気特性の自動測定を精度を犠牲
にすることなく実現できる。

次に、励磁状態の設定誤差について検討した。

励磁状態の設定誤差は磁性材料の特徴であるビステリシ
ス特性によるものであり、理想的には消磁を行ったのち
に励磁条件の磁界強度あるいは磁束密度を実現する励磁
状態に漸近させることか望ましい。励磁条件の制御は通
常励磁コイルに印加される励磁電圧で制御されるため、
実際には消磁後励磁無しの状態から励磁電圧を一定速度
で徐々に増加または消磁状態から励磁電圧を一定速度で
徐々に減少しながら磁界強度あるいは磁束密度を測定し
、所定の励磁条件に達したら励磁電圧を保持することが
望ましい。しかし、測定時間を短縮するため影響の少な
い範囲で励磁電圧の増加速度を高くするのが通常である
。

しかし、従来の方法では磁界強度あるいは磁束密度の信
号強度を所定の励磁条件で達成される信号強度と比較し
励磁電圧制御回路にフィードバックする方法を取ってい
るため、第１図のように励！！電圧の増加速度は一定と
はならず特に励磁の初期段階では増加速度は急峻となる
。また、測定材料によってはフィードバックの整合が悪
くなり、いわゆるオーバーシュートの現象が発生した。

これらの急峻な励磁及びオーバーシュートは励磁状態の
誤差を引き起こし磁気特性の測定値の誤差を生じる。励
磁状態の誤差は磁性材料内部の磁区構造の非平衡状態で
あり、磁界強度の速い変化に対し磁区構造の変化が渦電
流効果によって各部分で不均一に変化し、また磁区構造
の変化が非可逆現象であるためである。

本発明では、励磁電圧の増加速度を低くし且つ設定時間
を短くする方法を考案し、励磁状態の設定誤差を改善し
た。即ち、第１図に示す様に励磁の増加速度をほぼ一定
とし、従来の方法で励磁状態が収束する時間と同じある
いはより短い時間で励磁条件を達成する方法を考案した
。この励磁方法を行うためには所定の励磁条件を実現す
る励磁′１゛「圧が既知でなければならない。このため
、励磁電圧と磁束密度および磁界強度との関係を調べた
ところ、第２図に方向性電磁鋼板の例を示すような相関
関係を見出した。しかし、この相関関係の勾配等のパラ
メーターは測定する材料毎に変化するため一元的に使用
することが出来なかった。

この問題を解決するため、本発明では各測定の初期に励
磁電圧と磁束密度および磁界強度との相関を求め所定の
励磁条件を達成する励磁電圧を予測する方法を考案した
。即ち、測定の始めに比較的小さな励磁電圧を印加した
ときの磁束密度がら、励磁電圧増加に対する磁束密度の
増加比率をもとめ所定の励磁磁束密度を達成する励磁電
圧の値を計算し、また計算した励磁電圧に設定したとき
の磁束密度の値から励磁電圧の設定値を修正するととも
に設定磁束密度がずれた場合の励磁電圧の修正比率を求
める。この操作を所定の磁束密度と磁界強度の励磁の低
いものから繰り返し各々の励磁′１π圧設定値を学習さ
せ、消磁を行ったのちに励磁の低い条件あるいは励磁の
高い条件から励磁電圧を設定し測定を行う。本発明の励
磁方法により、励磁状態の設定精度を著しく向−ト出来
た。

本発明では以−トに述べたＳ／Ｎ比の向上方法と励磁状
態の設定方法の改善により、軟質磁性材料の磁気的性質
の測定精度を著しく向上させた。この二つの改善策のど
ちらか一方の採用によっても測定精度の改善があるが、
測定粒度向上の目的から二つの改善策を同時に採用する
ことが望ましい。

［実施例コ 方向性電磁鋼板の従来法によるところの単板磁気測定装
置（ＳＳＴ）の磁界コイル信号と磁束コイル信号の人力
部に各々増幅率可変の増幅器を挿入し、各々の増幅器の
出力電圧を磁界コイルの起電力検出器の入力レンジと磁
束コイルの起電力検出器の人力レンジの５０〜１００ｔ
となるように増幅率を自動調整する機能と増幅率に応じ
て測定を演算する機能を付加し、また測定の初期に所定
の励磁条件を満足する励磁電圧を学習し、消磁後に学習
した励磁電圧により励磁設定を行う励磁制御機能を付加
した。第３図に励磁電圧の時間変化、第４図に示す測定
のフローチャートの手順により自動測定を行い、各板厚
の方向性電磁鋼板の高低磁場での鉄損値の測定精度を本
発明による方法（新法）と従来の測定法（旧法）につい
て調べた。

第１表にその結果を示すように、本発明の方法では高い
励磁即ち板厚が厚＜　（１２ｍｉｌ）高磁場（１，７Ｔ
）の場合においても、低い励磁即ち板厚か薄く（４ｍｉ
ｌ　）低磁場（１，３７）の場合においても測定精度が
著しく向上した。特に、低磁場での精度向上が大きく、
従来法では測定精度として必要であった±１ｔを達成で
きなかったが、本発明の方法により、±０．４を以下の
精度を達成出来た。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば軟質磁性材料の磁
気的性質を従来法に比較して測定精度を著しく改みでき
る。特に、断面積の小さな試料の測定および比較的低い
励磁条件での測定において精度を大幅に向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は励磁設定における励磁電圧の変化を従来法（旧
法）と本発明による方法（新法）とで比較したものであ
る。第２図は励磁電圧と磁束密度及び磁界強度との相関
関係の例を示したものである。第３図は実施例における
測定手順を励磁電圧の時間変化で示したものである。第
４図は実施例における測定手順をフローチャートで示し
たものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軟質磁性材料の磁気的性質を測定する方法において
   、磁束検出コイルあるいは磁界検出コイルあるいは励磁
   電流シャントとこれらの検出器との間に増幅率可変の増
   幅器を置き、増幅器出力電圧が検出器の入力電圧レンジ
   の５０〜１００％の電圧範囲に入るように増幅率を自動
   制御することを特徴とする磁気測定方法。 ２、軟質磁性材料の磁気的性質を測定する方法において
   、測定の初期に励磁コイル印加電圧と磁束密度および磁
   界強度の相関から所定の励磁設定条件を満足する励磁コ
   イル印加電圧を学習し、消磁ののちに学習した励磁電圧
   により設定を行い磁気的性質を測定することを特徴とす
   る磁気測定方法。