IEC 標準化に向けた材料評価のための単板磁気測定技術
沓掛暁史*・城門由人*・池田哲*・金田嗣教**・榎園正人***
*企画連携担当・**大分県産業創造機構・***大分大学
Measurement technology of single sheet tester for material evaluation
towards IEC standardization
Akifumi KUTSUKAKE*・Yukihito KIDO*・Tetsu IKEDA*・ Tsugunori KANADA**・Masato ENOKIZONO***
*Planning Group・** Organization for Industry Creation・*** Oita university
要 旨
大分県では，平成 20 年 1 月から平成 24 年 12 月の 5 年間，県内外の産学官が連携し「大分県地域結集型研 究開発プログラム」（独立行政法人 科学技術振興機構）での研究開発事業を実施し，次世代電磁力応用機器 の開発に取り組んだ．電磁力応用機器の構成部材で，機器の効率やサイズへの関与が大きいのが電磁鋼板であ る．我々は当該事業において，特に電磁鋼板の磁気特性の測定技術に関する研究開発を推進した．本稿では， 研究開発事業の期間中に当センターで開発または導入した磁気特性試験器の概要と，磁気特性等の測定結果に ついて報告する．
1. はじめに
電磁鋼板やアモルファス金属薄帯等の電力用軟磁性材 料は，電磁力応用機器の性能や効率に大きく関与する． 従って，高効率高出力機器の設計開発では，機器に最適 な磁気特性を有する電磁鋼板を選択するため，また実機 特性に近い高精度な磁界解析を行うために，鋼板の真の 磁気特性や，鋼板に生じた残留応力等の実使用条件を考 慮した応力下の磁気特性が必要である．これら磁気特性 の測定を，ここでは材料の評価測定（技術）と呼ぶ(1)．
一方，IEC（国際電気標準会議）や JIS（日本工業規 格）で標準化されている試験器には，エプスタイン試験 器や単板磁気試験器がある．ここでは，標準化済みの測 定方法を標準測定（技術）と呼ぶ．標準測定は，測定の 再現性と簡便性では優れるが，商取引の場で鋼種分類に 用いる値（いわゆるカタログ値）を求めることを基本的 な概念とした手法のため，評価測定（真の磁気特性測 定）には向かない．また，応力下の磁気特性の測定方法 は，IEC や JIS では未だ標準化されていない．
このような背景のもとで我々は，磁性材料の評価測定 技術の構築と IEC での標準化を目標として，引張および 圧縮応力下の電磁鋼板の正確な磁気特性を測定できる応 力負荷型単板磁気試験器を開発した．これに加え，標準 測定のためのエプスタイン試験器および IEC 規格に適合 する IEC 準拠型単板磁気試験器を整備した．本稿ではこ れら試験器の特徴を示し，特に応力負荷型単板磁気試験 器で得られる磁気特性の測定結果等について報告する．
2. 標準測定のための磁気特性試験器
2.1 エプスタイン試験器
Fig.1 は，IEC 規格（IEC 60404-2(2)）に準拠した商用
周波用エプスタイン試験器（メトロン技研 SK3266）によ り得られた磁気特性（鉄損）の測定例である．用いた試 料は，幅 30mm×長さ 280mm，枚数は無方向性電磁鋼板 35A250 が RD と TD の各 12 枚で計 24 枚，方向性電磁鋼板 30P120 が計 28 枚である．RD と TD は，それぞれ圧延方向 に切り出した試料と圧延方向に直角に切り出した試料を 示す．Fig.1 より，両試料ともに JIS の規格値（カタログ
値）W15/50≦2.50（35A250），W17/50≦1.20（30P120）を満
たしていることが分かる．
2.2 IEC 準拠型単板磁気試験器（IEC-SST）
複数枚の試料を要するエプスタイン試験に対し，1 枚の 試料で測定が可能な単板磁気特性試験は IEC 規格（IEC
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0
0.5 1.2 2 2.5 3
Ir
o
n
l
o
ss
,
W
[W
/
kg
]
Flux density, B[T] 35A250
30P120
60404-3(3)）にて規定されている．そこで我々も，IEC 規
格に準拠した単板磁気試験器を製作した．
Fig.2 に，IEC 準拠型単板磁気試験器（IEC-SST）の外 観を示す．いずれもメトロン技研製である．IEC 規格で 示される試料サイズは幅 500mm×長さ 500mm と大型である が，試料やヨークの取り扱いが容易でないこと等の理由 から，幅 100mm×長さ 500mm の試料に適合する試験器，お よびエプスタイン試験用試料を想定した幅 30mm×長さ 280mm の試料に適合する試験器を製作した．以下ではそれ ぞれ，IEC-SST100および IEC-SST30と呼ぶ．試料サイズに 関すること以外の仕様は，IEC 規格に準拠させた．
Table 1 に，IEC-SST100と IEC-SST30の主な仕様を示す．
構造の詳細は，IEC 60404-3 や参考文献(4)(5)を参照してい
ただきたい．IEC 規格で示される単板磁気試験器は，磁界 強度の算出に励磁電流法（以下，MC 法と呼ぶ）を用いる． MC 法は実効磁路長の概念を必要とするため，測定精度の 向上に限界がある(6)．また，B コイルは励磁コイルと同等
の巻幅であるため，B コイル（すなわち測定領域）の両端 では磁界強度分布が不均一になる．これらの仕様は，標 準測定としては問題ないが，評価測定のような鋼板の真 の磁気特性を得る目的には向かない(4)(5)．導入した
IEC-SST は，次章の試験器との磁気特性の測定値との比較を行 い，評価測定技術の優位性の確認に用いる．
3. 材料評価のための単板磁気試験器 鋼板の評価測定技術を確立するため，IEC-SST の問題を 改善し，さらに応力下の磁気特性の測定を念頭においた 単板磁気試験器を開発した．Fig.3 に，開発した応力負荷 型 単 板 磁 気 試 験 器 （ S-SST; Stress load type-Single Sheet Tester）の外観を示す．S-SST は，測定する試料の 幅によって 100mm 幅用（以下，S-SST100と呼ぶ）と 30mm 幅用（以下，S-SST30と呼ぶ）の 2 種がある．両 S-SST は，
JIS C 2556(7)で示される縦型複ヨーク式を基本構造とし，
試料の長手方向に引張および圧縮応力を印加可能な機構 を備える．
3.1 応力負荷型単板磁気試験器（S-SST）
以下に，S-SST100の構造を示す．S-SST30と異なる仕様
は文中，語句の右肩に*印をつけ，Table 2 に比較表を示 した．両 S-SST で用いる H コイルの大きさ等の仕様は， 電力用磁性材料の評価活用技術調査専門委員会（電気学 会）での検討結果(1)を参考にしている．
S-SST の励磁コイルには，ポリフェニレンサルファイド 製コイル枠の長手方向全域の 415mm 長に，ポリアミドイ ミド銅線を巻いた．各層の巻線は，直列に接続した．磁 気特性の測定領域は，均一な磁場が得られる励磁コイル の長手方向中央部分の 100mm の間とした(8)．この均一磁
場領域に，磁束密度測定用 B コイルと空隙補償コイル， 磁界強度測定用 H コイルを配置した．正確な磁界強度の 測定のため，S-SST では H コイル法を採用する．
ヨークには，低鉄損の方向性電磁鋼板 23ZDKH90 を用い た．試料に対するヨークの圧力は，S-SST100では上側ヨー クの自重にて一定とした．S-SST30では，空気圧により任 意の圧力を印加できる機構(9)を有する．
Fig.4 は，コイルユニットの構造図である．B コイルに は，ポリウレタン銅線（UEW）φ0.1mm を 20 回，測定領域 長 100mm の間に 1 層均一に巻線を施した．B コイルの空隙 補償は，H コイル枠に H コイルとは別に巻線したコイルを 逆相に接続して構成した．
H コイルには，幅 90mm*×長さ 140mm×厚さ 1mm の巻枠
Coil unit
Yoke unit
（a）IEC-SST100（100mm 幅試料用）
Yoke unit Coil unit
(b) IEC-SST30（30mm 幅試料用）
Fig.2 IEC 準拠型単板磁気試験器（IEC-SST）外観
Table 1 IEC-SST100と IEC-SST30の主な仕様の比較
IEC 規格 IEC-SST100 IEC-SST30
試料長 500mm 500mm 280mm
試料幅 500mm 100mm 30mm
励磁ｺｲﾙ巻幅 440mm 以上 444mm 224mm
励磁ｺｲﾙ層数 5 層以上 5 層
ヨーク磁極間 内寸（外寸）
450±1mm （500±5mm）
450mm （500mm）
230mm （280mm）
B コイル線径 測定系に依存 φ1.0mm φ0.5mm
B コイル巻長 440mm 以上 444mm 224mm
空隙補償ｺｲﾙ 相互誘導コイル（SST 外部）
Stress load unit Yoke unit
Coil unit Specimen
（a）S-SST100
Stress load unit Specimen
Coil unit Yoke unit
（b）S-SST30
Fig.3 応力負荷型単板磁気試験器（S-SST）
に UEWφ0.04mm を 1666 回，1 層均一に巻線を施し，H コ イル枠全体を樹脂で固めた．試料幅 100mm に対し H コイ ルの幅を 90mm にしたのは，試料切断時の残留応力による 影響を排除するためである．さらに S-SST は，2 つの H コ イルを試料の上下に，各々が試料に近接するよう配置し， 磁界強度値は 2 つの H コイル出力の平均値とした．これ を，ave2H 法と呼ぶ．各 H コイルのエリアターン*は，校
正 用 の ソ レ ノ イ ド コ イ ル （ コ イ ル 長 1900mm ， 内 径 145mm）を用い，エリアターンの値が既知のコイルとの電 圧値比較により求めた．
また，測定時の地磁気の影響を除去するため，試料が 地磁気に直交するように S-SST を設置した．
IEC-SST（2.2 節）と S-SST の大きな相違点は， 均一磁 場での測定（B コイルの巻長）と H コイル法の採用，試料 への引張と圧縮応力印加機構の有無である．
3.2 S-SST による磁気特性測定システム
S-SST の励磁系には，D/A 変換器（横河電機 WE7282）と 電力増幅器（高砂製作所 AA2000XG2）を用いた．測定系に は，B コイルおよび H コイルの誘起電圧取得に A/D 変換器 （横河電機 WE7275）を用いた．S-SST100では，A/D 変換器 の前段にプリアンプ（NF 回路設計ブロック P-64）を導入
した．また，ノイズ低減のため，A/D 変換後の取得波形に 対して励磁周波数の第 52 次以上の高調波を除去した．
励磁電圧波形は，磁束密度波形が正弦波となるよう ディジタルフィードバック制御により生成される．
なおエプスタイン試験器や IEC-SST でも，S-SST とほぼ 同様の機器の構成で測定を行う．
3.3 H コイル法のための位相補正
試料の真の磁気特性を得るという目的では，実効磁路 長が不要な H コイル法は，MC 法に比べ有利である．しか し H コイル法では，測定システムに用いる計器や H コイ ルの巻線容量等による測定信号間の位相誤差により，正 確な鉄損値が得られない．そこで我々は，S-SST 空心時の H コイルと B コイルの誘起電圧から得られる位相差を利用 し，H コイル電圧の位相を補正することで，正確な鉄損測 定を行う手法を提案した(10)．以下，S-SST の H コイル法
による磁気特性の測定結果には，すべて提案の位相補正 を適用している．
3.4 S-SST による磁気特性の測定
ここでは，主に S-SST100によって得られる磁気特性の測 定事例を示す．S-SST30も，S-SST100と同様の測定を行え
る．測定可能な最大磁束密度は，主に励磁コイル銅線の 線径に対する励磁電流値によって制限される．磁界強度 の算出は，ave2H 法である．
Excitation coil frame
Excitation coil B-coil
B-coil frame
H-coil 2 (upper)
H-coil frame
Specimen H-coil holder
H-coil 1 (lower)
Fig.4 S-SST のコイルユニットの構造
Table 2 S-SST100 と S-SST30の主な仕様の比較
S-SST100 S-SST30
試料長：応力印加用 無応力用
550mm 500mm
305mm 280mm
試料幅 100mm 30mm
励磁コイル巻幅 415mm 195mm
励磁コイル層数 巻数
6 層 計 2907 回
7 層 計 1435 回
H コイル幅 90mm 27mm
H コイルエリアターン
(上段：H2, 下段：H1)
0.16086m2 0.16689m2
0.04802m2 0.04859m2
Fig.5 に，S-SST100を用いて測定した電磁鋼板数種の磁
気特性の測定例を示す．試料は無方向性電磁鋼板 35A250 と方向性電磁鋼板 30P120 および Fe 系アモルファス金属 薄帯で，励磁周波数は 50Hz である．応力は印加していな い．このように S-SST は，方向性電磁鋼板やアモルファ ス金属薄帯等の高透磁率材料，低鉄損材料の磁気特性の 測定が可能である．
Fig.5 では励磁周波数が 50Hz の測定例を示したが， 60Hz や 100Hz，200Hz での測定も行える．この場合，励磁 周波数の増加と共に，鉄損値の増加が確認される．また， 励磁周波数を変えて測定した結果を基に，2 周波法により ヒステリシス損と渦電流損との分離を行うこともできる．
Fig.6 に，試料の長手方向に，引張および圧縮応力を印 加して測定した磁気特性を示す．試料は無方向性電磁鋼 板 35A250，RD である．引張応力印加（＋）時の磁気特性 は，無応力（0MPa）時とほぼ同等か好転している．一方， 圧縮応力時（－）の磁気特性は，応力値が大きいほど悪 化することが分かる．また圧縮応力印加時（-15MPa）の BH 曲線には，Fig.6(b)のように，中央部に特徴的なくび れが確認できる．
このように，電磁鋼板に生じた応力は磁気特性に大き く作用する．鋼板への応力は様々な工程で生じるが，そ
のひとつが鋼板の加工（切断）時である．Fig.7 は，試料 切り出し時の加工方法の違いによる磁気特性の差を示し たもので，ワイヤ放電加工（WEDM）と比較している．現 在，加工条件と磁気特性との関係を調査中であり，磁気 特性を劣化させない有用な加工方法の検討を進めている．
また，磁性材料が交流励磁されると磁歪が生じ，電磁 力機器での騒音等の一因となる．よって，材料の選定に おいては磁歪量の測定も必要である．Fig.8 は，S-SST100 による無応力下でのλ-B 曲線の一例で，ゲージ長が 15mm
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Ir o n l o ss , W [W / kg ]
Flux density, B[T] ＋15MPa
0MPa －5MPa －10MPa －15MPa
(a) 鉄損特性
-500 0 500
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Magnetic field strength, H[A/m]
F lu x de n si ty , B [T ] ＋15MPa 0MPa －15MPa
(b) BH 曲線（1.5T）
Fig.6 応力下磁気特性（S-SST100, 50Hz，35A250,
RD）
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 1 2 3 4 5 Ir o n l o ss , W [W / kg ]
Flux density, B[T] WEDM
Processing method A Processing method B Processing method C
Fig.7 加工方法の違いによる鉄損の差 （S-SST30, 50Hz, 50A440, RD）
1 10 100 1,000 10,000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Magnetic field strength, H[A/m]
F lu x de n si ty , B [T ] 35A250, RD 35A250, TD 30P120 Amorphous
(a) 磁化特性
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Ir o n l o ss , W [W / kg ]
Flux density, B[T] 35A250, RD
35A250, TD 30P120 Amorphous
(b) 鉄損特性
のひずみゲージを用いて測定した．一方，S-SST の磁気特 性の測定領域は励磁コイル中央 100mm であるため，この 領域の平均磁歪量の測定も必要となる．このために，1 台 のレーザドップラ振動計による任意長の磁歪測定方法を 考案し，特許(11)を出願した．
4. 評価測定技術を応用したその他の磁気試験器
4.1 高磁束密度測定型 S-SST（Ver.2）
3.1 節にて示した 100mm 幅用または 30mm 幅用の応力負 荷型単板磁気試験器（S-SST）よりも，高い磁束密度まで 測定可能な試験器を製作した．Fig.9(a)と(b)に，高磁束 密度測定型の S-SST（Ver.2）の外観写真を示す．高磁束 密度での測定を行うために，電流密度を高める目的で励 磁コイルに平角線を用いた．励磁コイルの線径は，100mm 幅用が AIW 0.65×1.5mm，30mm 幅用が AIW 1.0×1.0mm で ある．Fig.9(c)は，S-SST100と S-SST100 Ver.2 の磁気特性 の比較である．これより，S-SST では 1.90T までしか測定 できていないが，Ver.2 では 2.05T まで測定できているこ とが分かる．
4.2 積層コア磁気試験器
電磁鋼板は，電磁力応用機器では 1 枚だけで使われる ことは無く，積層された状態で用いられる．また，積層 状態の磁気特性は，1 枚での磁気特性と異なることも明ら かになっている．そこで我々は，評価測定技術を活用し， 電磁鋼板を積層した試料（積層コア）の磁気特性を測定 可能な試験器の開発を開始した．積層コア磁気試験器で 想定する試料サイズは，幅 30mm×長さ 260mm×厚さ 10mm とした．例えば厚さ 0.025mm のアモルファス金属薄帯の 場合，積層コア試料は，薄帯を厚さ方向に約 400 枚積み 重ねたものとなる．
積層コア磁気試験器の基本構造は，特許出願(12)済みで
ある．現在，試験器はほぼ完成し，測定の準備を進めて いるところである．
5. まとめ
5 年間の研究開発事業により，当センターに標準測定 および評価測定のための磁気特性測定試験器が整備され た．特に応力負荷型単板磁気試験器は，次世代の高効率 電磁力応用機器開発に向けた電力用磁性材料の選定等に 寄与する能力を有しており，今後も有効な利活用が期待 できる．小型，高効率，高出力などの優位性を持つ，電 磁鋼板を用いた機器開発の際は，当センターが保有する 各種の磁気特性試験器を活用していただきたい．
磁性材料の評価測定には，IEC 規格に示される標準測定 には無い工夫が必要である．また，応力下の磁気特性測 定や磁歪測定についても多くの機関で研究開発が進めら れ，早急な標準化が求められている．評価測定技術の IEC や JIS における標準化への一助となるよう，研究開発の 深化と関係機関への提案を引き続き行いたい．
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Flux density, B[T]
M
ag
n
e
ti
c
s
tr
ai
n
,
λ
[μ
ε
] 1.0T
1.5T
Fig.8 λ-B 曲線（S-SST100, 50Hz, 35A440, RD）
Yoke unit
Coil unit
Stress load unit
Specimen
(a) S-SST100 Ver.2
Yoke unit
Coil unit
Stress load unit
(b) S-SST30 Ver.2
0 10,000 20,000 30,000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Magnetic field strength, H[A/m]
F
lu
x
de
n
si
ty
,
B
[T
]
S-SST Ver.2 S-SST
謝辞
本研究は，独立行政法人 科学技術振興機構（JST）の 大分県地域結集型研究開発プログラム「次世代電磁力応 用機器開発技術の構築」の支援の基に遂行されました． 関係者各位のご協力に，心より感謝いたします．
参考文献
(1) 榎園, 柳瀬, 島村, 谷：電力用磁性材料の評価・ 活用技術，電気学会マグネティックス研究会資料, pp.33-37, MAG-10-198, 2010
(2) Methods of measurement of the magnetic properties of electrical steel strip and sheet by means of an Epstein frame, IEC 60404-2, 2008
(3) Methods of measurement of the magnetic properties of electrical steel strip and sheet by means of a single sheet tester, IEC 60404-3, 2010
(4) 沓掛, 城門, 池田, 金田, 榎園：材料評価の観点 からみた IEC 測定法の問題点, 電気学会マグネ ティッ クス研究会資 料, pp.15-20, MAG-12-040, 2012
(5) 沓掛, 城門, 池田, 金田, 榎園：材料評価の観点 からみた IEC 測定法の問題点（第 2 報）, 電気学 会マグネティックス研究会資料, pp.17-22, MAG-12-149, 2012
(6) 沓掛, 城門, 池田, 金田, 榎園：H コイル法と励 磁電流法によるけい素鋼板の評価測定, 第 19 回 電磁現象および電磁力に関する（MAGDA）コンファ レンス講演論文集, pp.577-580, 2010
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(8) 城門，池田，沓掛，金田，榎園：単板磁気特性試 験法による電磁鋼板の応力下磁気特性，第 22 回電 磁 力 関 連 のダ イ ナミ ク ス 論文 集 ， pp.140-143 ， 2010
(9) 城門, 沓掛, 池田, 榎園：応力負荷型単板磁気試 験器, 特願 2011-188655
(10)沓掛, 城門, 池田, 金田, 榎園：H コイル法によ る高精度鉄損測定のための位相補正, 電気学会論 文誌 A, pp.441-447, 2012
(11)城門, 沓掛, 池田：磁気歪測定法及び磁気歪測定 装置, 特願 2012-39544
