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閉磁路による少枚数けい素鋼板の交流磁気特性試験の一方法: University of the Ryukyus Repository

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Academic year: 2021

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Title

閉磁路による少枚数けい素鋼板の交流磁気特性試験の一

方法

Author(s)

山城, 康正

Citation

琉球大学理工学部紀要. 工学篇 = Bulletin of Science &

Engineering Division, University of the Ryukyus.

Engineering(6): 189-195

Issue Date

1973-03-01

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/27674

(2)

189

閑 磁 路 に よ る 少 枚 数 け い 京 鋼 板 の

交 流 磁 気 特 性 試 験 の 一 方 法

1

1

1

正*

A n a.c. Magnetic Testing Method for a Little Si-Fe Steel Sheet in Closed Magnetic Circuit

YaョumasaY AMASHIRO*

Abstract

To estimatea.c.magnetization characteristics and magnetic iron lossofa little piecesofSi-Festeel sheet, measur巴mentmethods have been examined inopen and

closedcircuits.In this paper, experiments are executed forkinds, dimensionand

pieces of samples and magnetizing coil length. More interesting measurement results than thes巴ofEpsteinmethod in thepast and new questionon demagnetizationof

ferromagnetic materials aregiven. 1 . はしがき けい素鋼板の磁気試験法は,古くから種々の検討, 改良が試みられ.50 C

c

m

Jエプスタイン法として確立

された。その後,鋼板製造技術の進歩と材質の均質化 に伴って0.35

C

m

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J

2 (f

c

g

J用2

5

C

c

m

J

エフ。スクイ ン法から更には, 500 UlJ用25

C

c

m

J

エプスタイン 法へと測定法が改善され.試#の少量化,小形化の方 1) 向へと進んできて,現在では, JIS'にも規定され, 国際的にも広く採用されている。この方法は再現性が よく,多数の試料の測定が必要な場合には適している のであるが,測定値の精度やその他にいくらかの不満 の点を残している。すなわち,従来のエフ。スタイン試 験法では試料枠に試件を附入するのが非常に繁雑で時 間を要するのみならず,この操作の自動化が殆んど不 可能であることなどである。 材料測定上重要なことは,磁路形式のいかんにかか わらず,被測定試料が均一磁界の下で,均一磁化状態 にあることであり,上記ヱプスタイン法における,精 度およびその他の問題も,その原因は試料の不均一化 に基づくものである。この磁化の不均一性に基づく誤 受付:1972年11月20日 *琉球大学理工学部電気工学科 7:1~ を補正する目的では実効重鼠;係数が用いられてい る。しかし,この係数は試料寸法,種類あるいは励磁 周波数,磁束密度などの測定条件により変わりうるも のであれ多くの場合の統計的処理から決定された値 であるから,個々の試料に対する普通性には限度があ る. 従って,不均一磁化に伴なう測定誤差を除去し,現 在の測定法に関する手段上,構成上の問題点をエプス クイン程度に満足させようとした,関磁路構成によ 2i 2i る,差動法や比較法が検討されると共に,測定精度は エプスタイン程度で,測定操作の簡略化を図った継鉄 3.4】 法めような測定法ーが検討されてきた。一方開磁路形試 5i 験法としては定尺板形試験器の開発に際して広く検討 され,その結果,反磁界の効果が測定精度に大きく影 響することがj旨摘された。この点にかんがみ筆者・等 は,材料特性を正しく把握する上に問題となる磁路構 成,諸量の計測方法,励磁条件などを解明する一環と して,磁気損失,磁化特性に及ぼす反磁界の影響を主 体として,開磁路での交流特性測定上問題となる因子 6,7,8,9,10) を実験的に検討し,発表してきた。 本報告は以上.の観点に立つとともに,開磁路法では 十分に達成し得なかった試料形状における問題点に検

(3)

190 山城:悶隊路による少枚数けいぷ長岡阪の交流隊気特性試験のーん会法 討を加え,被視JI定試料の少盈化,小形化と測定値の絶 対値の信頼性向上を図った。一方,試料種類,磁束密 度,重ね枚数,励磁界の影響について論じたものであ る。 2 磁路の基本構成 磁化コイノレは,前記の目的を達成するために,必要 最小限度の均一磁界を得る目的で図工に示すように, 同形・同一断面積,同一長さで同一巻数の単相ソレノ

.

.

Fig.1.Structure of magnetizing coil N' Nl Fig. 2. Figure of巴ndlesssolenoid ところで, (1)式では磁路誌をコイノレ長さと等し い

r

にとっているが,図2に示すような無端ソレノイ ド内の磁界の強さは, (2)式のごとく示される。 Ho =4π(Nl十N2) 1/10 l'

………

(2) 但し, l'は平均磁路長 図lの磁路構成も無端ソレノイドに比たてると,継 鉄端の長さをlyとすると, Hl = 4πNI/10 (l トly)

.

.

.

H

(3) となる。 (1)式と (3)式の比をとると, Hl / H = l / (t

+

l y )手1-ly/l 手 1-Hy/ H

ly/l'…

(4) ({II.し,Hyは継鉄郎の磁界〉 の如くなり,最右辺第2項がi誤差項となるのしたがっ て lとlyの関係を調べるとともに,継鉄部の透磁 率によって大きく左右されるHyに検討を加えなけれ ば‘ならない。 均一磁界中に強磁性体試料を附入すると,反磁界や 磁束漏洩のために,磁束分布は放物線状になることは よく知られているのしたがって,閉磁路条件において も,中心部での反磁界係数が実効的に零と見なせるた めには,磁化コイノレ長さ,試料長共に長いことが望ま しい。しかし小試料の測定および実用的な見地からは いずれも短かくてすむことが望ましい。この目的達成 のために,上記の種々の磁化コイルにおいて,下記に 示すような種々の試料で実験的検討を行った。 }i})J磁コ イノレ長さに伴う試料長の変化は, 53 [cmJ長試料の両 端に3 [cmJ長試料の両端に3 [cmJの長さをもって 同種鋼板を lapjointすることにより行ったの供試料 は巾3[cmJ,厚さ0.33[mmJ の方向性縦 ~l および横 目,無)jl,"]性横目である。磁化方向はいずれも長さ方 向である。 3. 磁化特性の測定 イドを2個作り,それと平行にセットして電流をシリ 測定磁束密度の決定は中心部に存在する磁来密度一 ーズに流した。この場合ソレノイド内の主軸上の磁界 定部分によるか,又は,磁束密度検出コイノレを巻いた は電磁気学的な計算から,その

I

p

心付近においては, 部分の平均磁束密度によるかのいずれかとなるのここ (1)式で与えられるの では簡明で高精度の測定をなすためにnil者に

f

去った。 H=4πNI/lOl (Oe)

(1) そのために,試料1ド央部に8[cmJ以上の均一部があ なお電流Iは相互誘導器の二次電圧から換算されるも るような磁化器条件を求めたの磁来密度の測定結果を のであるの本測定ではこの磁界より1%以内の偏差の [;<j3および図4に示す。それによると, 32 [cmJコイ 磁界を均一磁界と見なした。そして,磁化コイルの長 ノレでは磁界均一部が8[cmJにわたっていると言え さrは,測定の必要上,均一磁界部が最低8[cmJ ず,特に透磁,本のi'.diい8,10, ]2 [kgJ付近で分布の 以上になるように定めた。その結果32[cm)コイノレ, 乱れが大きく,本社{IJ定に適当な磁化器とは言い難い。 又,試料長さに合わせた, 47[cmJ, 57[cmJ,77

1

'61 4は47[cmJコイノレの場合の測定結果の一部であっ [cmJコイノレの4種類の長さのコイノレを試作した。 て, )iliiJ'

'

t

上積f1の場合の結果のみを示してある。それ

(4)

1 .91 琉球大学理工学部紀要〈工学筋〉 H(Cm) C町1 t?1(:,,1 ~ C.,d GII J --:! IS[KG) J.1[KGl 12[KG j 10 (KG 1 ﹀ ﹁ ア コ 同 d -3 4 じ11 1--I 5 [KG 1 3 [KG) ("'111'"

"

,,, Fig.3. Exanple ofmagnetic flux density distribution

-

.

.

I!,r.,!', ,.~C I)I 20 18 Center 8 10 12 14 Dis tance (Cm ) Fig.4.Example ofmagnetic flux density distribution 16 り,後者に対してはHコイルを用いて検討した。検討 に用いたHコイレノは磁束密度均一部分に対応した鋼板 近辺,磁化器内の磁界強度を測定するためのもので, 長さ8(cm), 巾29(mm)厚さ]. (mm) のベークラ イトに

o

.

.

]

(mm)のホルマル銅線を2,200回巻いたも のである。以下の磁化特性測定は磁化カの評価を中心 にしていったものである。 空心の磁化器内の長さ方向の中央に Hコイルの中心 を一致させて設定し,磁化器に電流を流すと Hコイノレ の出力電圧は(]_)式に従って電流に比例して増大す る。この関係、を見かけの磁化カ HとHコイノレ出力電圧 の有効磁化カの関係にすると,直線となり(以下この 直線を曲線

E

と呼ぶ〉印加磁化カと有効磁化カは一致 している。上記のようにHコイルを設定した磁化器内 に鋼板試料を挿入すると反磁界の影響がある場合に は,印加磁化カは

C

'

)式で与えられ,有効磁化カは Hコイルの出力電圧で与えられ,それらの関係は直線 にはならない。これらの曲線が曲線Eに 一 致 し た 時 は,印加磁化カと有効磁化カが一致した時であり,こ によると,いかなる磁東密度でも所望の均一磁界部分 が得られ,この長さ以上の励磁器であれば,試料の いかんを問わず,測定に用い得るととがわかる。なお 60Hz電庄正弦波の条件で測定を行った。 この場合,中心の磁来密度をB,有効磁界をHeff, 印加磁界をHapp,試料の透磁率をμ,見かけの透磁 率をμ1,真空のそれる μ。とすると, H=μHeff …・・・・(5) Heff =Happ -NB/ (4πμ 。〉 …… (6) という関係、式が成り立つ。ここにHappは じ

J

式 に より算定される。 (4), (5,式より B=μHc/ L + μ N 2.(4πμ 。)).・(7) 1/μ=工/μ1-N/ (4πμ 。〉…一 (8) となり, ( 8)式により,反磁界は直接,磁化特性に 影響を及ぼすことがわかる。しかし磁東密度均一樹1に おいても反磁界が作用していることは知られているの 1 .0】 で}磁化特性測定に当っては,実効的に反磁界を無視 し得る磁路条件を定めるか,材質に働く有効磁化力を 具体的に採るかの何れかの方法によって,磁化力を高 精度に評価する必要がある。ここではこの両者につ き,前者に対しては磁化コイルを長くすることによ

(5)

山城:閉磁路による少枚数けい素鋼板の交流磁気特性試験の一方法 .17(Cm) COIl 一一~ーー(;" 1"-1 ーー-0-一一C"1--2 一--o-一一Ch2--1 ーー--.tr-ー一-GA'2-2 lS R [KG J 0 1 7 一 向 w n = 合 同 翼 , 2 C H L e z h w -2 192 Fig. 5.Principle connectinofrnagnetiz -ation characteristicrneasurernent のようにして磁路,励磁条件を変化させて,印加磁化 カと有効磁化カを比べることににより,磁化力の評価 精度を高めることができる。このような検討に用いた 原理結線図と図5に示す。磁束電圧計にはデジタル電 11<打、 Fig.7.Magnetization characteristiccurves 圧計を用いた。測定は,いずれも,飽和磁界から零磁 界へと減ずる方向で行った。 47 Ccm)の励磁器に縦目試料一枚および二枚帰入し た時の測定結果を図6に示す。この場合継鉄に同種鋼 板一枚を接続した時 (G"1-1)は透磁率の大きい 所で反磁界効果が現われているが,これは (7)式に おいて分母がおよそLの時,工+μN1/tπμ。ニL となり,その時反磁界の影響が無視し得 る の で あ る が, 逆にμがあまり大きいとNが小さくなっても分母 の第2項が効いてきていることを示すものである。 し かし継鉄を二枚にするとHeffとHappは一致している (G" :_-2)。試料を二枚にした時も同犠な傾向を 示し, (G" 2-2)では反磁界の影響は現われてい るが, ) G" 2-3)では曲 線EとHeff- Happの曲 線が一致している。その時の磁化曲線を図7に示して いる。試料を三枚にした時の Heff-Happの図を図B に,磁化曲線を図9に示す。とれによると,縦目試料 でも,断面積が三枚程度になると反磁界効果は除去し 得ないことがわかる。 なお,反磁界効果を除去するた め,継鉄部をやたらと増やし,電磁石効果を起すこと は,本測定において無意味なことなので継鉄は四枚ま でとした。 l Fifもl

-

-

-

4

-

-

GI/1-1 ー~G I/ 1-2 Fig-6. Exarninationofeffective field li [仁川JCnjl ー も 一 一GI/2-3 ーーー... ーー-GI/2-2 一一一一一一歩 11(Oe J ﹀ ﹃ FZ Z ﹃ 死 一

(6)

193 一方横目試料についての測定結果を図10に示す。

一→ゃ-

:)冗;.11

77G!. I-GII ~

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47G_L1-己 琉球大学理工学部紀要(工学骨 h r 岡 市 FZ 同 e m ﹃,

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+ 十 ﹀ 同 l -u X ﹃ 世 3 、 4 H (Oe) Fig. 8. Examination of effective field 3 2 Field

H (0.) Fig. 10. Examination of effective field ---(ト-by Epsteitl

57Gよ1-

一 合 一 7向 上IGグコ Field 15 10 B (KG J 玄 222 お 2 5 u 何 色 ぬ 3 2 2 47 (Cm) Coil 一一〈トーG"3-3

Gq3-4 一

-,-

Gq 15 10 B (KC) ぞ F a g -m g n g z x ル ・ 2 2 q 2 H [0.) Fig. 11. Magnetization characteristics curves 1 F抱凶 Z H (0.) Fig. 9. Magnetization characteristic curves I Fj.浴日

(7)

194 山城:閉磁路による少枚数けい索鋼板の交流磁気特性試験の一方法 47(CIIIJ コイルに一枚挿入し,継鉄を二枚接続した時 の 曲 線 が (47G.L'-2)で,継鉄に方向性縦目鋼板 を接続した場合の図が(47G.l.二-G"2)である。 以下,与7(CIIIJ , 77(CIIIJ コイノレによる測定結果の表 記法もこれに準ずるものとする。継鉄に縦目試料を用 いたのは,継鉄を highμ状態にして,磁束漏洩を減 じ, (4)式における Hyを小にして

,t

yの影響を減 じるためである。その時の磁化曲線をエプスタインと 比較して図"に示す。それによると横目試料はかなり 大きな磁化器を持ってこなければHeff- Happ曲線を 空むのそれに一致させることができず,したがって, 励磁貫流から有効磁化カを算定できないことがわか る。一方,少し特性のよい無方向性横目試料について も同様な実験を行ったが結果は同様であった。又, tyをいろいろ変化させて見たが,tyによる測定結 果への影響は何も見られなかったので, 図の重複を避 けるため,ここに図示しなかった。 図11によると, (77G.l.l-G" 2)はエプスタイ ンによる磁化曲線よりも特性のいい結果が示されてい るが, GJ.には一致していない。このことはエプスタ イン法も含めて,本測定では反磁界の影響をまぬがれ 得ないことを示すとともに,横目試料のような特性の 悪い鋼板は,前述のように, μN/μ

::::1となるよ うな,等価的に反磁界に相当する何かをそれ自身の内 部に持っていると考えられることを示している。 以上の結果,有効磁化カの算定にEコイルを用いる ことができれば, 53 (CIIIJ試料に対しては,縦目,横 目共に47(CIII)コイノレの磁化器で正確な磁化特性を求 めることができることがわかった。しかし,印加磁化 カと有効磁化力を一致させるには,継鉄部や磁化器長 さについての検計が必要である。

4

.

磁気損失の測定 磁気損失に用いた回路は図12に示す如きものであ る。電力計には時分割形電力計を用いている。抵抗器 Rは P1ugー in形の可変抵抗器で,一次電流に応じ て,変化させ,高力率に保つようにする。測定原理

ι0)

は,前記開磁路の場合と同様であるのすなわち,一次 側電流をV 1,巻数N1,二次側のそれを各々 V2, N2とすると,一次側電流を11とすると,求める鉄損 は, W=ll・Vl...

(9) Vl =N1 V2/N2…・…・ (1

ところで,電力計の読み

O

は次式で現わされるように なっている. Fig.12. Princip1e circuit of iron 10ss measurement θ=V2・R h=ぐN2RVl 11) /Nl'" (斗〉 したがって W=ll ・V1=N1

0/

(N2 R)・・一 (12) よって求める鉄損は,試料重量をM (kg)とすると W/M=Nlθ/ (N2 R M) (W /kgJ

(13) として求められる。 このようにして求めた磁気損失の結果を図13および 図'.4に示す。これらの測定結果は前記開磁路法やエプ スタイン法による測定結果とよく一致している。積み 枚数が増したり,高磁束密度領域では鉄損値の上昇が 認められるのは,磁束波形の苦しれによるところのカ率 の低下のためと恩われるの

5

.

結 言 けい素鋼板の交流磁気特性試験上の基礎的な問題点 を,開磁路の場合と同様な観点に立って,反磁界の点 からいろいろ検討し,磁化特性および磁気損失測定に おけるいくらかの条件を明らかにし,提示した。特に 磁気損失の測定に対しては本方法でも.関磁路法にお けると同様な実験結果と明確な結論を示した。しか し,測定の容易さという点においては必ずしも本法が 優れているとは言い難い。磁化特性測定に関しては, 磁界評価の点から,いろいろな測定条件下で検討を加 え,その有意さと限界を提示するとともに,反磁界そ のものに対する新しい疑問と吾荊国に対する疑問を投げ

(8)

ユ93 47(Cm)Coil G_l1-2

1

0

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0

1

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0

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琉球大学理工学部紀要

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豆 ﹁ 伊 三 一 O 印臼 47(Cm) Coil GII1-2

)

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and G'I2-3

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5 1 J W 片 品 一 - o 由 回 Flux density→B

CKG)

Fig.13.Watt loss dependency on sample numbers 10 15 Flux density → B

CKG)

Fig. 14.Watt loss measurement

8 5 3

O

.

1

かけているの詳細については,まだ定性的な説明しか 加えていないが,文中に提示した, 検討の方向,方法 によって定量的な把握が可能なものと恩われる。 8 0 o a N N h 司 、 パ 大 会 告 連 大 報 部 国 術 支 全 投 州 会 会 九 学 学 会 気 気 学 電 電 四 お っ : 電 昭 つ a と t F D 勺 4 ヨ 4 9 4 U 2 川 以 内 昭 城 ︿ 専 : 山 6 板 ﹀ 堂 ・ 一 鋼 白 木 木 刀 素 直 々 l 々

ω

一 珪 ( 佐 江 佐 川 ム 6) 辞 本研究の実験に際して,いろいろの便宜を図ってい ただき多大な時間と労力を提供して下さいました九州 大学成田教授,終始実験の指導と有効な討論と指示を 下さいました同研室佐々木助教授はじめ,成田研究室 各員,ならびに,実験主・手伝って下さった中村妓に深 く感謝の意を表します。又, 終始ごめいわくをかけま した,本学電気工学科の諸教官にも謝意:を表します。 謝 6. 7) 佐々木・山城:昭46電四学会九州支部連大. No. 301 佐々木・山減:電気学会磁性材料研究会, MAG-71-9 (197') 佐々木・山城:九大工学集報,第45巻・第 3号,

PP

.382-388(972) 山城康正:昭47電気学会全国大会No.].028 (1972) 8) 9) 10) 献 : JISC 2550 成田・畠山:電学誌, 89ー7,1369 (1969) 鈴木他:電気学会磁性材料研究会, MAG-71-4 (1971) 山本孝明:電気学会磁性材料研究会,MAG 文 ヨ 惨 参

、 ,

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t J 1 -ヘ , a 内 d

参照

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