特表 2024-519479 磁性材料の試料の開磁路減磁曲線を閉磁路減磁曲線にマッピングするための方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-14

(54)【発明の名称】磁性材料の試料の開磁路減磁曲線を閉磁路減磁曲線にマッピングするための方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/12 20060101AFI20240507BHJP

   G01N 27/72 20060101ALI20240507BHJP

   G01R 33/14 20060101ALI20240507BHJP

   H01F 41/00 20060101ALI20240507BHJP

【ＦＩ】

G01R33/12 Z

G01N27/72

G01R33/14

H01F41/00 D

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023566740

(86)(22)【出願日】2022-04-26

(85)【翻訳文提出日】2023-12-27

(86)【国際出願番号】 IB2022053868

(87)【国際公開番号】W WO2022229845

(87)【国際公開日】2022-11-03

(31)【優先権主張番号】2105993.6

(32)【優先日】2021-04-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】503175450

【氏名又は名称】ハースト マグネティック インストルメンツ リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100158920

【弁理士】

【氏名又は名称】上野 英樹

(72)【発明者】

【氏名】クレウェット， ジェームス

(72)【発明者】

【氏名】コーネリアス， ロビン

(72)【発明者】

【氏名】ウェイド， ジャック

【テーマコード（参考）】

2G017

2G053

【Ｆターム（参考）】

2G017CA03

2G017CA04

2G017CA09

2G017CA19

2G017CA20

2G017CB03

2G017CB15

2G017CC02

2G053AB02

2G053BB11

(57)【要約】

閉磁路減磁曲線を開磁路減磁曲線に及び開磁路減磁曲線から正確にマッピングするための方法及び装置である。その方法は、パルス磁場磁力計（ＰＦＭ）からの開磁路データと、ＰＦＭ（開磁路）と透磁率計（閉磁路）の両装置のコンピュータモデリングを利用する。この方法は、これまでの方法よりも正確で、ＰＦＭと透磁率計の両装置の精度の範囲内で閉磁路曲線を計算することができる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁性材料の試料の開磁路減磁曲線を閉磁路減磁曲線にマッピングする方法であって、
（i）パルス磁場磁気測定を用いて前記試料の前記開磁路減磁曲線を測定することと、
（ii）印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去することと、
（iii）前記試料の減磁に起因する非線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去することと、
（iv）前記開磁路減磁曲線から試料形状の影響を除去することと、
（v）理想化された鋼製の透磁率計コアの効果を前記開磁路減磁曲線に加えることと
を含む、方法。

【請求項2】

前記印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果が、摂動法を用いて前記開磁路減磁曲線から除去される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果が、単一パルス法を用いて前記開磁路減磁曲線から除去される、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記試料の減磁に起因する非線形渦電流効果が、渦電流と、渦流束とＰＦＭピックアップコイルの間の磁気結合とを用いて前記開磁路減磁曲線から除去される、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記開磁路減磁曲線に加えられる理想化された鋼製の透磁率計コアの効果は、前記試料に実際に印加された磁場と透磁率計エアギャップで測定された印加磁場との関係を計算することによって得られる、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記開磁路減磁曲線に加えられる理想化された鋼製の透磁率計コアの効果は、すべての印加磁場とすべての試料の双極子モーメントについて測定磁場を計算することによって得られる、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

磁性材料の試料の開磁路減磁曲線を閉磁路減磁曲線にマッピングするための装置であって、
（i）パルス磁場磁気測定を用いて前記試料の前記開磁路減磁曲線を測定する手段と、
（ii）印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去する手段と、
（iii）前記試料の減磁に起因する非線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去する手段と、
（iv）前記開磁路減磁曲線から試料形状の影響を除去する手段と、
（v）理想化された鋼製の透磁率計コアの影響を前記開磁路減磁曲線に加える手段と
を含む、装置。

【請求項8】

前記印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去する手段が、摂動法を用いる、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去する手段が、単一パルス法を用いる、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記試料の減磁に起因する非線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去する手段が、渦電流と、渦流束とＰＦＭピックアップコイルの間の磁気結合とを用いる、請求項７に記載の方法。

【請求項11】

前記理想化された鋼製の透磁率計コアの影響を前記開磁路減磁曲線に加える手段が、前記試料に実際に印加された磁場と透磁率計エアギャップで測定された印加磁場との関係を用いる、請求項７に記載の方法。

【請求項12】

前記理想化された鋼製の透磁率計コアの影響を前記開磁路減磁曲線に加える手段が、すべての印加磁場とすべての試料の双極子モーメントについての測定磁場を用いる、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁性材料の試料において測定された開磁路データに基づく閉磁路減磁曲線の計算に関する。

【背景技術】

【0002】

外部から印加された磁場に対する材料の磁化を知ることが重要である多くの状況が存在する。現代の例としては、電気自動車のモーター、風力タービン発電機、及び変圧器用の電磁鋼で使用される部品の製造が挙げられる。

【0003】

磁性材料は、そのヒステリシスループによって特徴付けられて、等級付けされる［Bertotti 1998］。印加された磁場が試料の磁化と反対になるヒステリシスループの第２象限は減磁曲線と呼ばれ、ほとんどの磁気機械がここで作動するため、特に関心のあるところである。減磁曲線は、従来は透磁率計を使用して閉磁路で測定されている［TR 60404-5 2015］。透磁率計は非常に均一な磁場を印加し、更に試料での有限サイズ効果を低減する。透磁率計の測定は約６０秒かけて比較的ゆっくりと行われ、そのためその測定は、試料での磁気的物理特性に関して、時間スケールに対して準静的である。そのため、この方法で測定された減磁曲線は長い間「絶対的基準」とみなされ、多くの場合に不変の材料特性であると（誤って）信じられている。

【0004】

サマリウムコバルトやネオジムのような最新の希土類の硬質磁性材料は、透磁率計の鋼製コアを飽和させるような大きな飽和磁界及び保磁力を必要とし、そうすることで測定値に間違いを起こす［Cornelius 2005］。この理由から、例えばパルス磁場磁力計（ＰＦＭ）［TR 62331 2005］、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）又は振動型コイル磁力計（ＶＣＭ）を使用することによって、開磁路で希土類材料の特徴を明らかにすることが必要である。

【0005】

開磁路で測定された減磁曲線は、自己減磁界作用により閉磁路測定とは異なる［Chen 1991］。パルス磁場測定では、高周波の磁化パルスが使用され、それはその系に渦電流を追加で誘導し、外部場の掃引速度に強く依存する測定特性の歪みをもたらす［Grossinger 2002］。その結果として、開磁路の減磁曲線は測定プロトコルと試料形状の相関的要素であり、不変の材料特性ではない。

【0006】

それにもかかわらず、ＰＦＭ測定は、ＶＳＭ法やＶＣＭ法よりも１桁安く、閉磁路の透磁率計の測定よりもはるかに速くて再現性があるという利点により、大きな関心を集めている。

【0007】

開磁路減磁曲線を閉磁路減磁曲線にマッピングするために、多くの数学的手法が利用可能である。しかし、これらの方法は依然としてやや不正確である。透磁率計とＰＦＭ測定の精度（再現性）は、通常は±１％より良いが、一般的には曲線の重要な「屈曲」領域は５～１０％異なり得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、２つの曲線を互いに対応させる、新しいより正確な方法を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

一側面から見ると、本発明は、磁性材料の試料の開磁路減磁曲線を閉磁路減磁曲線にマッピングする方法を提案する。本方法は、以下のステップを含むことができる。
（i）パルス磁場磁気測定を用いて試料の開磁路減磁曲線を測定する、
（ii）印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果を開磁路減磁曲線から除去する、
（iii）試料の減磁に起因する非線形渦電流効果を開磁路減磁曲線から除去する、
（iv）開磁路減磁曲線から試料形状の影響を除去する、
（v）理想化された鋼製の透磁率計コアの効果を開磁路減磁曲線に加える。

【0010】

本方法は、パルス磁場磁力測定装置によって実施されることができる。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明は、開磁路と閉磁路の減磁曲線に関連する物理特性が、測定される試料だけでなく、試料と閉磁路測定に使用される透磁率計の鋼製コアの相互作用にも依存することを初めて認識したことに基づく。したがって、精度を高めるために、マッピングを以下のような多段階処理にすることが提案される。
（i）パルス磁場磁気測定を用いて試料の開磁路減磁曲線を測定する。
（ii）印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果が存在する場合には、以下に説明するような手順を用いて、その線形渦電流効果を開磁路減磁曲線から除去する。
（iii）試料の減磁に起因する非線形渦電流効果が存在する場合は、以下に説明するような手順を用いて、その非線形渦電流効果を開磁路減磁曲線から除去する。
（iv）自己減磁場要因（数学的スキュー）又は他の適切な方法を用いて、開磁路減磁曲線から試料形状の影響を除去する。
（v）以下に説明するような手順を用いて、理想化された鋼製コアの影響を開磁路減磁曲線に加える。

【0012】

試料の開磁路減磁曲線を測定するパルス磁場磁気測定の使用は知られている。［Hirst Magnetic Instruments社の特許］。

【0013】

この方法で使用され得る他の手順について説明する。

【0014】

線形渦電流の効果を除去する－ステップ（ii）
線形渦電流効果を除去するために、摂動法と単一パルス法の２つの方法のいずれかを用いることができる。

【0015】

摂動法
準静的な測定方法とは対照的に、ＰＦＭで使用される高周波のパルス印加磁場Ｈは、系に渦電流を誘導する。ＰＦＭで使用される周波数範囲に関しては、渦電流は適用された周波数に伴って線形に変化する。そのため、摂動法を用いて計算し、測定から渦電流の効果を取り除くことができる。

【0016】

２つの減磁曲線が異なる周波数で測定される。ノイズの影響を低減するためには、２つの周波数が十分に離れていることが重要であり、逆に非線形性の影響を避けるためには、周波数が違い過ぎるべきでない。一般的にＰＦＭは、ｆ_１は～１００Ｈｚ、ｆ_２=２ｆ_１の周波数を用いる。

【0017】

パルスの周波数を上げることは、負荷線に沿った有効印加磁場のシフトをもたらす。この理由から、摂動計算はすべての負荷線の長さに沿って行われる。ｆ_１－ｆ_２=δｆの周波数シフトによる負荷線の長さｌの摂動はδｌである。

【0018】

準静的な減磁曲線を計算するためには、周波数のシフトはｆ_１－０＝Δｆでなければならない。そのため、Δｌ＝（δｌ／δｆ）.Δｆの補正が必要である。ここでΔｌは、ｆ＝ｆ_１で測定された減磁曲線と、ｆ＝０Ｈｚについて計算された準静的な減磁曲線の差である。

【0019】

摂動法の線形性により、いずれの近接したｆ_１パルスとｆ_２パルスのペアも、同じ準静的な減磁曲線を予測することを確実にする。

【0020】

単一パルス法
単一パルス渦補正は、駆動場に対する誘導渦電流に起因する磁場の位相シフトを利用する。誘導磁場は、駆動場に対してπ／２遅れる。そのため、ピックアップコイルは、試料の変化する磁化に重畳された、小さいながらも特徴的な正弦的に変化する磁場を測定する。この正弦波を曲線フィッティングすることによって、渦電流に起因する磁場をパラメータ化して取り除くことが容易である。

【0021】

単一パルス法は、摂動法に比べて２つの主な利点を有する。第一に、単一パルスから準静的な予測を行うことができ、それは２パルス法よりも速くてエネルギーの使用も少ない。第二に、性質的に試料磁石の外側での予期せぬ電流ループに起因するシステマチック誤差を捕捉することができる。

【0022】

測定試料の減磁速度の影響を除去する－ステップ（iii）
印加磁場が測定試料の保磁力に近づくにつれて、試料は減磁し始める。ＰＦＭでは、減磁は約１ミリ秒で起こる。これは、－ｄＪ／ｄｔに比例して変化する速度依存性の渦電流を生じさせる。ここで、Ｊは試料の瞬間的な磁気モーメントであり、ｔは時間である。渦電流は更に、試料と磁化コアの両方への容量結合及び誘導結合によってフィルタされる。

【0023】

渦電流は、比例する磁束（以後、「渦流束」という。）を作り出す。

【0024】

減磁曲線の準静的な測定と一致させるためには、この時間依存性の磁束を信号から除去することが必要である。渦電流と、渦流束とＰＦＭピックアップコイルの間の磁気結合も計算することが必要である。

【0025】

最後に、適切な量の渦流束を、測定された減磁曲線から引くことができる。

【0026】

理想化された鋼製コアの効果を加える－ステップ（v）
透磁率計では、測定される試料の双極子モーメントＪの大きさと試料の比透磁率の両方が、鋼製コアＨの磁化の発散をもたらす。これらの効果は強く繋がっている。試料に実際に印加された磁場と、透磁率計のエアギャップで測定された印加磁場の関係を計算するために、数値的手法又は他の方法が用いられる。

【0027】

数値的手法は、理想化された鋼又は鋼－コバルトのコアをモデル化する。鋼の精密な細部は、印加磁場について計算される総補正に関してわずかな影響しかないことが示されることができる。

【0028】

すべての印加磁場とすべての試料の双極子モーメントについて測定磁場を計算することが必要である。これにより、印加磁場について適切な較正を提供する。

【0029】

この適切な較正は、開磁路減磁曲線と閉磁路減磁曲線の間での正確なマッピングを得るための重要な要素である。

【0030】

このようにして、本発明は、開磁路から閉磁路へのマッピング（及びその逆）の精度を、±１％よりも良い透磁率計及びＰＦＭ測定の精度（再現性）の範囲内にする方法を提供する。

【0031】

上記の説明は、新規であると考えられる領域に重点を置いて、認識された特定の問題に対処するものであるが、本明細書に開示された特徴は、当技術分野において新規かつ有用な進歩を提供することができるいずれの組み合わせでも使用されることができることが意図される。

【0032】

参考文献
［Bertotti 1998］ Hystersis in Magnetism. Academic Press, 1998.
［TR 60404-5 2015］ Permanent magnet (magnetically hard) materials - methods of measurement of magnetic properties. IECTC/86 WG5, 2015.
［Cornelius 2005］ Pulsed Field Magnetometry for High-Speed Characterisation of Rare-Earth Magnets. 2005.
［TR 62331 2005］ Pulsed Field Magnetometry. IEC TC/86 WG5, 2005.
［Chen 1991］ Demagnetizing factors for cylinders, IEEE Trans.1991.
［Grossinger 2002］ Eddy currents in pulsed field measurements, Proc. Joint Europen Magnetic Symposia, 2002.
［Hirst Magnetic Instruments Limited patent］ EP 0672261-B1.

【手続補正書】

【提出日】2023-12-30

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁性材料の試料の開磁路減磁曲線を閉磁路減磁曲線にマッピングする方法であって、
（i）パルス磁場磁気測定を用いて前記試料の前記開磁路減磁曲線を測定することと、
（ii）印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去することと、
（iii）前記試料の減磁に起因する非線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去することと、
（iv）前記開磁路減磁曲線から試料形状の影響を除去することと、
（v）理想化された鋼製の透磁率計コアの効果を前記開磁路減磁曲線に加えることと
を含む、方法。

【請求項2】

前記印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果が、摂動法を用いて前記開磁路減磁曲線から除去される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果が、単一パルス法を用いて前記開磁路減磁曲線から除去される、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記試料の減磁に起因する非線形渦電流効果が、渦電流と、渦流束とＰＦＭピックアップコイルの間の磁気結合とを用いて前記開磁路減磁曲線から除去される、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記開磁路減磁曲線に加えられる理想化された鋼製の透磁率計コアの効果は、前記試料に実際に印加された磁場と透磁率計エアギャップで測定された印加磁場との関係を計算することによって得られる、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記開磁路減磁曲線に加えられる理想化された鋼製の透磁率計コアの効果は、すべての印加磁場とすべての試料の双極子モーメントについて測定磁場を計算することによって得られる、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

磁性材料の試料の開磁路減磁曲線を閉磁路減磁曲線にマッピングするための装置であって、
（i）パルス磁場磁気測定を用いて前記試料の前記開磁路減磁曲線を測定する手段と、
（ii）印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去する手段と、
（iii）前記試料の減磁に起因する非線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去する手段と、
（iv）前記開磁路減磁曲線から試料形状の影響を除去する手段と、
（v）理想化された鋼製の透磁率計コアの影響を前記開磁路減磁曲線に加える手段と
を含む、装置。

【請求項8】

前記印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去する手段が、摂動法を用いる、請求項７に記載の装置。

【請求項9】

前記印加磁場掃引速度に起因する線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去する手段が、単一パルス法を用いる、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記試料の減磁に起因する非線形渦電流効果を前記開磁路減磁曲線から除去する手段が、渦電流と、渦流束とＰＦＭピックアップコイルの間の磁気結合とを用いる、請求項７に記載の装置。

【請求項11】

前記理想化された鋼製の透磁率計コアの影響を前記開磁路減磁曲線に加える手段が、前記試料に実際に印加された磁場と透磁率計エアギャップで測定された印加磁場との関係を用いる、請求項７に記載の装置。

【請求項12】

前記理想化された鋼製の透磁率計コアの影響を前記開磁路減磁曲線に加える手段が、すべての印加磁場とすべての試料の双極子モーメントについての測定磁場を用いる、請求項１１に記載の装置。

【国際調査報告】