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技術 誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するためのシステム及び方法

出願人 ザ・ボーイング・カンパニー
発明者 ジョンアール.ハル
出願日 2016年7月5日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2016-133275
公開日 2017年1月26日 (4年1ヶ月経過) 公開番号 2017-021018
状態 特許登録済
技術分野 磁気的手段による材料の調査、分析 磁気的変量の測定
主要キーワード 組合せ構造体 余剰電圧 方位角的 略側方 非強磁性金属 非強磁性材料 クランプオン 設計計算
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図面 (12)

課題

螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤ磁気特性を正確に計測するためのシステム及び方法を提供する。

解決手段

システム100は、第1端120及び当該第1端とは長手方向に反対側の第2端122を有する導体104を含む。誘導加熱ワイヤ106は、導体の一部に沿って延びるとともに、この導体から電気的に分離されている。第1端と第2端との間に電流を流す交流電源102と、電流Aを感知するための電流センサ112と、第1リード130及び反対側の第2リード132を含む感知ワイヤ110と、を更に含む。前記感知ワイヤは、第1極性を有する第1ループ140、及び、これとは逆の第2極性を有する第2ループ142を形成している。第2ループは、クロスオーバー144において、第1ループに接続されており、誘導加熱ワイヤは、第1ループを通って延びており、電圧センサ114が第1リード及び第2リード間電圧Vを感知する。

概要

背景

誘導加熱アセンブリは、熱を発生させるために電磁誘導を用いる。具体的には、誘導加熱アセンブリは、導体と、この導体に沿って(近接して)延びる誘導加熱ワイヤとを含む。交流電流が導体を流れると、渦電流及び磁気ヒステリシスにより誘導加熱ワイヤを加熱する交番磁場(alternating magnetic field)が形成される。

したがって、誘導加熱アセンブリは、複合構造体(例えば、熱硬化性樹脂を含む炭素繊維強化複合体)の硬化、及び、部品の加熱(例えば、溶接する部品の予備加熱)などの、加熱を要する様々な用途に用いられている。例えば、誘導加熱アセンブリは、絶縁基材(例えば、シリコーンゴム)に接続する(例えば、組み込んだり積層したりする)ことにより、誘導加熱ブランケットを形成することができる。様々な温度での誘導加熱アセンブリの磁気特性が分かっている場合、関連する誘導加熱ブランケットが所望量の熱を供給するように、誘導加熱アセンブリに供給される交流電流を制御することができる。

最近では、誘導加熱ワイヤが、導体に対して螺旋状に巻き付けられた(例えば、導体の周りヘリカルコイルを形成する)誘導加熱アセンブリが製造されている。このような構成により、誘導加熱ワイヤを、導体に対して特に近接して有利に設けることができる。

しかしながら、エプスタイン試験器(Epstein frame)などの既知の装置を用いて正確に磁気特性を測定できる直線誘導加熱ワイヤとは異なり、螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定することは困難である。エプスタイン試験器では、螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤの磁気特性を正確に測定することはできない。更に、誘導加熱ワイヤを巻き付ける前の当該ワイヤの磁気特性測定では、巻回プロセスで実行される加工硬化により生じる磁気特性の変化は考慮されない。

本開示は、これら及びその他の課題に関して、提示されるものである。

概要

螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤの磁気特性を正確に計測するためのシステム及び方法を提供する。システム100は、第1端120及び当該第1端とは長手方向に反対側の第2端122を有する導体104を含む。誘導加熱ワイヤ106は、導体の一部に沿って延びるとともに、この導体から電気的に分離されている。第1端と第2端との間に電流を流す交流電源102と、電流Aを感知するための電流センサ112と、第1リード130及び反対側の第2リード132を含む感知ワイヤ110と、を更に含む。前記感知ワイヤは、第1極性を有する第1ループ140、及び、これとは逆の第2極性を有する第2ループ142を形成している。第2ループは、クロスオーバー144において、第1ループに接続されており、誘導加熱ワイヤは、第1ループを通って延びており、電圧センサ114が第1リード及び第2リード間電圧Vを感知する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

誘導加熱ワイヤ磁気特性を測定するためのシステムであって、長軸を規定するとともに、第1端及び当該第1端とは長手方向に反対側の第2端を有する導体を含み、前記誘導加熱ワイヤは、前記導体の一部に沿って延びるとともに、前記導体から電気的に分離されており、前記導体に電気的に結合されて、前記第1端と前記第2端との間に交流電流を流す交流電源と、前記交流電流を感知するために配置された電流センサと、第1リード及び反対側の第2リードを含む感知ワイヤと、を更に含み、前記感知ワイヤは、第1ループ及び第2ループを形成しており、前記第1ループは、第1極性を有するとともに、第1セグメント及び当該第1セグメントから離間した第2セグメントを含み、前記誘導加熱ワイヤの一部は、前記第1セグメントと前記第2セグメントとの間に配置されており、前記第2ループは、前記第1極性とは逆の第2極性を有するとともに、第3セグメント及び当該第3セグメントから離間した第4セグメントを含み、前記第1リード及び前記第2リード間電圧を感知するために配置された電圧センサを更に含む、システム。

請求項2

前記誘導加熱ワイヤは、前記導体の前記一部に螺旋状に巻き付けられている、請求項1に記載のシステム。

請求項3

前記第2セグメントは、前記第1セグメントから第1径方向距離だけ外側に離間しており、前記第4セグメントは、前記第3セグメントから第2径方向距離だけ外側に離間しており、前記第1径方向距離は、前記第2径方向距離と実質的に等しい、請求項1又は2に記載のシステム。

請求項4

前記導体は第1直径を有し、前記誘導加熱ワイヤは第2直径を有し、前記感知ワイヤは第3直径を有し、前記第1直径は、前記第2直径及び前記第3直径よりも大きく、前記導体はリッツ線であり、前記誘導加熱ワイヤは強磁性材料で形成されている、請求項1〜3の何れか1つに記載のシステム。

請求項5

前記交流電流は、最大約50kHzの周波数を有する、請求項1〜4の何れか1つに記載のシステム。

請求項6

前記第3セグメントと前記第4セグメントとの間に配置されたスペーサを更に含み、前記スペーサは、前記導体に螺旋状に巻き付けられるとともに、前記誘導加熱ワイヤに対して軸方向に隣接しており、前記スペーサは、非強磁性材料で形成されている、請求項1〜5の何れか1つに記載のシステム。

請求項7

前記第1セグメント、前記第2セグメント、前記第3セグメント、及び前記第4セグメントは、実質的に均等な長さを有する、請求項1〜6の何れか1つに記載のシステム。

請求項8

前記第1ループは、クロスオーバーにおいて前記第2ループに接続されている、請求項1〜7の何れか1つに記載のシステム。

請求項9

前記第1セグメントは、前記第1リードに接続されており、前記第2セグメントは、前記第2リードに接続されており、前記第3セグメントは、前記第2セグメントと前記第4セグメントとの間に配置されており、前記第4セグメントは、前記第1セグメントと前記第3セグメントとの間に配置されている、請求項1〜8の何れか1つに記載のシステム。

請求項10

加熱装置を更に含み、前記誘導加熱ワイヤは前記加熱装置内に配置されている、請求項1〜9の何れか1つに記載のシステム。

請求項11

導体に螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するための方法であって、感知ワイヤを第1ループと第2ループとに分けて配置し、その際、前記第2ループは、クロスオーバーにおいて前記第1ループに接続されることにより、前記第1ループは第1極性を有し、前記第2ループは前記第1極性とは逆の第2極性を有するようにし、前記誘導加熱ワイヤが前記第1ループを通るように、前記感知ワイヤを前記導体に沿って配置し、前記第2ループにスペーサを配置し、前記導体に交流電流を流し、前記交流電流を感知し、前記感知ワイヤの両端の電圧を感知し、少なくとも、前記感知された交流電流及び前記感知された電圧に基づいて、前記誘導加熱ワイヤの特性測定を行う、方法。

請求項12

前記第1ループは、第1セグメント及び第2セグメントを含み、前記第2ループは、第3セグメント及び第4セグメントを含み、前記第1セグメント、前記第2セグメント、前記第3セグメント、及び前記第4セグメントは、実質的に均等な長さを有する、請求項11に記載の方法。

請求項13

前記スペーサを配置する際に、前記導体に対して前記スペーサを螺旋状に巻き付ける、請求項11又は12に記載の方法。

請求項14

前記誘導加熱ワイヤの特性測定を行う際に、前記感知された電圧の時間積分を行う、請求項11〜13の何れか1つに記載の方法。

請求項15

前記誘導加熱ワイヤの特性測定を行う際に、BH曲線を作成する、請求項11〜14の何れか1つに記載の方法。

技術分野

0001

本願は、磁気特性の測定(magnetic characterization)に関し、より具体的には、誘導加熱ワイヤ、特に螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤの磁気特性の測定に関する。

背景技術

0002

誘導加熱アセンブリは、熱を発生させるために電磁誘導を用いる。具体的には、誘導加熱アセンブリは、導体と、この導体に沿って(近接して)延びる誘導加熱ワイヤとを含む。交流電流が導体を流れると、渦電流及び磁気ヒステリシスにより誘導加熱ワイヤを加熱する交番磁場(alternating magnetic field)が形成される。

0003

したがって、誘導加熱アセンブリは、複合構造体(例えば、熱硬化性樹脂を含む炭素繊維強化複合体)の硬化、及び、部品の加熱(例えば、溶接する部品の予備加熱)などの、加熱を要する様々な用途に用いられている。例えば、誘導加熱アセンブリは、絶縁基材(例えば、シリコーンゴム)に接続する(例えば、組み込んだり積層したりする)ことにより、誘導加熱ブランケットを形成することができる。様々な温度での誘導加熱アセンブリの磁気特性が分かっている場合、関連する誘導加熱ブランケットが所望量の熱を供給するように、誘導加熱アセンブリに供給される交流電流を制御することができる。

0004

最近では、誘導加熱ワイヤが、導体に対して螺旋状に巻き付けられた(例えば、導体の周りヘリカルコイルを形成する)誘導加熱アセンブリが製造されている。このような構成により、誘導加熱ワイヤを、導体に対して特に近接して有利に設けることができる。

0005

しかしながら、エプスタイン試験器(Epstein frame)などの既知の装置を用いて正確に磁気特性を測定できる直線誘導加熱ワイヤとは異なり、螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定することは困難である。エプスタイン試験器では、螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤの磁気特性を正確に測定することはできない。更に、誘導加熱ワイヤを巻き付ける前の当該ワイヤの磁気特性測定では、巻回プロセスで実行される加工硬化により生じる磁気特性の変化は考慮されない。

0006

本開示は、これら及びその他の課題に関して、提示されるものである。

0007

一実施形態において、誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するための本開示のシステムは、第1端及び当該第1端とは長手方向に反対側の第2端を有する導体を含みうる。前記誘導加熱ワイヤは、前記導体の一部に沿って延びるとともに、前記導体から電気的に分離されている。上記システムは、更に、前記導体に電気的に結合されて、前記第1端と前記第2端との間に電流を流す交流電源と、電流を感知するために配置された電流センサと、第1リード及び反対側の第2リードを含む感知ワイヤと、を更に含みうる。前記感知ワイヤは、第1極性を有する第1ループ、及び、これとは逆の第2極性を有する第2ループを形成している。前記第2ループは、クロスオーバーにおいて、前記第1ループに接続されており、前記誘導加熱ワイヤは、前記第1ループを通って延びている。上記システムは、更に、前記第1リード及び前記第2リード間電圧を感知するために配置された電圧センサを含みうる。

0008

他の実施形態において、誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するための本開示のシステムは、長軸を規定するとともに、第1端及び当該第1端とは長手方向に反対側の第2端を有する導体を含みうる。前記誘導加熱ワイヤは、前記導体の一部に沿って延びるとともに、前記導体から電気的に分離されている。上記システムは、前記導体に電気的に結合されて、前記第1端と前記第2端との間に電流を流す交流電源と、前記電流を感知するために配置された電流センサと、第1リード及び反対側の第2リードを含む感知ワイヤと、を更に含みうる。前記感知ワイヤは、第1ループ及び第2ループを形成しており、前記第1ループは、第1極性を有するとともに、第1セグメント当該第1セグメントから離間した第2セグメントを含み、前記誘導加熱ワイヤの一部は、前記第1セグメントと前記第2セグメントとの間に配置されており、前記第2ループは、前記第1極性とは逆の第2極性を有するとともに、第3セグメント及び当該第3セグメントから離間した第4セグメントを含む。上記システムは、前記第1リード及び前記第2リード間の電圧を感知するために配置された電圧センサを更に含みうる。

0009

更に他の実施形態において、導体に螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するための方法が開示される。上記方法は、感知ワイヤを第1ループと第2ループとに分けて配置する工程(1)を含みうる。当該工程において、前記第2ループは、クロスオーバーにおいて前記第1ループに接続されることにより、前記第1ループは第1極性を有し、前記第2ループは前記第1極性とは逆の第2極性を有するようにする。上記方法は、前記誘導加熱ワイヤが前記第1ループを通るように、前記感知ワイヤを前記導体に沿って配置する工程と(2)、前記第2ループにスペーサを配置する工程と(3)、前記導体に交流電流を流す工程と(4)、前記電流を感知する工程と(5)、前記感知ワイヤの両端の電圧を感知する工程と(6)、少なくとも、前記感知された電流及び前記感知された電圧に基づいて、前記誘導加熱ワイヤの特性測定を行う工程と(7)、を更に含みうる。

0010

誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するための本開示のシステム及び方法についての他の実施形態は、以下の詳細な説明、添付図面、及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

図面の簡単な説明

0011

本開示の磁気特性測定システムの一実施形態を示す概略側方断面図である。
図1の磁気特性測定システムの一部の断面を軸方向に見た図である。
図1の磁気特性測定システムの他の部分の断面を軸方向に見た図である。
図1の磁気特性測定システムにより収集された例示的なデータを示すグラフである。
図4の例示的なデータから生成されるB−H曲線を示す図である。
本開示の磁気特性測定方法の一実施形態を示すフロー図である。
磁気特性測定システムを組み立てるための本開示の方法の一実施形態を示す概略側方断面図である。

実施例

0012

図1を参照すると、概括的に100で示される本開示の磁気特性測定システムの一実施形態は、交流電源102と、導体104と、誘導加熱ワイヤ106と、スペーサ108と、感知ワイヤ110と、電流センサ112と、電圧センサ114と、加熱装置116とを含む。磁気特性測定システム100は、電流センサ112及び電圧センサ114から信号データを受信及び処理するとともに、所望の磁気特性測定情報を出力するプロセッサ118(例えば、コンピュータ)を更に含む。

0013

業者であれば分かるように、本開示の範囲から逸脱することなく、余剰電流センサ及び/又は余剰電圧センサなどの追加のコンポーネントを、磁気特性測定システム100に含めることができる。更に、スペーサ108及び/又は加熱装置116などのいくつかのコンポーネントは、本開示の範囲から逸脱することなく、磁気特性測定システム100から省くことも可能である。

0014

導体104は、長軸Aに沿って延びるとともに、第1端120と、当該第1端120とは長手方向に反対側の第2端122とを有する。導体104は、例えば、単線(solid wire)又は撚り線(stranded wire)などであり、ある長さを有する導電材料で形成されうる。例えば、導体104は、銅などの、導電性金属又は金属合金で形成される(或いは、これを含む)。非限定的な具体例として、導体104は、複数の微細フィラメントを含むとともに、各フィラメントが、他のフィラメントとは電気的に絶縁されているリッツ線図2及び3を参照)であってもよい。

0015

図2に示すように、導体104は、誘導加熱ワイヤ106の直径D2及び感知ワイヤ110の直径D3よりも大きい直径D1を有する。一例では、導体104の直径D1は、約0.010インチから約0.10インチの範囲である。他の例では、導体104の直径D1は、約0.020インチから約0.050インチの範囲である。更に他の例では、導体104の直径D1は、約0.030インチである。

0016

再び図1を参照すると、導体104の第1端120、及び導体104の第2端122は、交流電源102に電気的に接続されている。したがって、交流電流は、矢印Iで示すように、導体104を流れる。

0017

交流電流Iの周波数は、交流電源102において制御可能である。透磁率は、交流電流の周波数とは独立しているため、交流電流Iが比較的低い周波数を有するように交流電源102を制御することにより、電磁誘導による発熱を最小限に抑えることができる。例えば、導体104を流れる交流電流Iは、最大約100kHz、例えば、50kHz以下又は25kHz以下などの、周波数を有するようにしてもよい。非限定的な具体例として、導体104を流れる交流電流Iは、約10kHzの周波数を有する。

0018

導体104を流れる交流電流Iは、電流センサ112(例えば、電流計)により感知される。電流センサ112は、導体104と直列に接続されていることが示されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な他の構成(例えば、クランプオン型(clamp-on type)の構成や変流器)を採用することができる。交流電流Iを示す信号は、有線又は無線通信路126などを介して、電流センサ112からプロセッサ118に送られる。

0019

導体104を流れる交流電流Iは、導体104の周りを方位角的に通る磁場Hを形成する。図1において、磁場Hは、点(紙面から出てくる方向の磁場)及び「x」(紙面に入っていく磁場)で示されている。磁場Hは、交流電流Iに比例し、交流電流Iとともに方向を反転させる(交番する)。

0020

誘導加熱ワイヤ106は、導体104に近接して当該導体104の一部に沿って軸方向に延びているが、当該導体104からは電気的に分離されている。誘導加熱ワイヤ106は、強磁性材料、例えば、本明細書で説明するような、導体104に対して巻き付け可能な強磁性材料で形成されうる(又は、これを含みうる)。例えば、誘導加熱ワイヤ106は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、及び/又はコバルト(Co)で形成される(又は、これらを含む)。したがって、交番磁場Hは、誘導加熱ワイヤ106において磁気応答を生じさせる。

0021

図1及び2に示すように、ある特定の構成において、誘導加熱ワイヤ106は、導体104に螺旋状に巻き付けられている。したがって、誘導加熱ワイヤ106は、導体104の一部に支持されたヘリカルコイルとして効果的に構成することができる。1つの一般的な例として、誘導加熱ワイヤ106は、導体104のインチ当たりの巻き数が約10回から約100回になるように、導体104に巻き付けられる。1つの具体的な例として、誘導加熱ワイヤ106は、導体104のインチ当たりの巻き数が約50回になるように、導体104に巻き付けられる。

0022

図2に示すように、第1実施態様において、誘導加熱ワイヤ106は、導体104の直径D1より小さい直径D2を有する。第1実施態様の一例において、誘導加熱ワイヤ106の直径D2は、導体104の直径D1の最大約75パーセントである。他の例において、誘導加熱ワイヤ106の直径D2は、導体104の直径D1の最大約50パーセントである。他の例において、誘導加熱ワイヤ106の直径D2は、導体104の直径D1の最大約40パーセントである。他の例では、誘導加熱ワイヤ106の直径D2は、約0.005インチから約0.050インチの範囲である。他の例では、誘導加熱ワイヤ106の直径D2は、約0.010インチから約0.020インチの範囲である。更に他の例では、誘導加熱ワイヤ106の直径D2は、約0.010インチである。

0023

第2実施態様において、誘導加熱ワイヤ106は、導体104の直径D1と実質的に同じか、これより大きい直径D2を有する。第2実施態様の一例において、誘導加熱ワイヤ106の直径D2は、導体104の直径D1の少なくとも約110パーセントである。他の例において、誘導加熱ワイヤ106の直径D2は、導体104の直径D1の少なくとも約150パーセントである。

0024

再度図1を参照すると、感知ワイヤ110は、(感知ワイヤ110の第1端における)第1リード130及び(感知ワイヤ110の反対側の第2端における)第2リード132を有する、ある長さを有する長状の導電材料で形成されうる。例えば、感知ワイヤ110は、単線又は撚線である。感知ワイヤ110は、銅などの、導電性金属又は金属合金で形成されうる(或いは、これを含みうる)。

0025

図2に示すように、感知ワイヤ110は、導体104の直径D1よりも小さい直径D3を有する。感知ワイヤ110の直径D3は、誘導加熱ワイヤ106の直径D2よりも小さい。一例において、感知ワイヤ110の直径D3は、導体104の直径D1の最大約50パーセントである。他の例において、感知ワイヤ110の直径D3は、導体104の直径D1の最大約35パーセントである。他の例では、感知ワイヤ110の直径D3は、約0.006インチから約0.010インチの範囲である。

0026

本明細書で述べたように、導体104は、リッツ線であってもよい。したがって、導体104の直径D1よりも著しく小さい直径D3を有する感知ワイヤ110を選択して、感知ワイヤ110(又は、当該ワイヤの少なくとも一部)を導体104に圧入することにより、図2に示すように、直径が、単独での導体104の直径D1と実質的に同様であり(例えば、当該直径に比べて実質的に大きくならず)、(断面が)実質的に丸い組合せ構造体を実現することができる。

0027

再び図1を参照すると、感知ワイヤ110は、2つの実質的に等しいループ、すなわち、第1ループ140及び第2ループ142に分けて配置されている。第2ループ142は、クロスオーバー144で第1ループ140に接続されている。例えば、感知ワイヤ110は、「数字の8」形状に構成されている。したがって、第1ループ140は、第1極性を有し、第2ループ142は、第1極性とは逆の第2極性を有する。

0028

感知ワイヤ110により形成される第1ループ140は、導体104に隣接して配置されており、感知ワイヤ110の第1セグメント146と、感知ワイヤ110の第2セグメント148とを含む。第2ループ142は、導体104に隣接して配置されており、感知ワイヤ110の第3セグメント150と、感知ワイヤ110の第4セグメント152とを含む。第1リード130は、第1セグメント146に接続されており、当該第1セグメントは、クロスオーバー144を越えて第4セグメント152に接続されている。第4セグメント152の反対側の端部は、第3セグメント150に接続されており、当該第3セグメントは、クロスオーバー144を越えて第2セグメント148に接続されている。第2セグメント148の反対側の端部は、第2リード132に接続されている。

0029

第1ループ140が、第2ループ142と同等且つ逆である極性を有するように、各セグメント146、148、150、152は、実質的に同じ長さを有する。第1セグメント146及び第2セグメント148は、導体104に対して同じ軸方向位置に設けられている一方、第3セグメント150及び第4セグメント152は、導体104に対して同じ軸方向位置であって、且つ、第1セグメント146及び第2セグメント148に対して軸方向に隣接して設けられている。更に、第1セグメント146及び第3セグメント150は、導体104に対して同じ径方向位置に配置されている。また、第2セグメント148は、第1セグメント146から(導体104の長軸Aに対して)第1径方向距離R1だけ外方に離間しており、第4セグメント152は、第3セグメント150から第2径方向距離R2だけ外方に離間している。ここで、第1径方向距離R1は、第2径方向距離R2と実質的に等しい。

0030

図1及び2に示すように、誘導加熱ワイヤ106は、(第1セグメント146と第2セグメント148との間において)感知ワイヤ110により規定される第1ループを通って延びている。したがって、第1ループ140の第1セグメント146は、導体104と誘導加熱ワイヤ106との間に配置されている一方で、第2セグメント148は、誘導加熱ワイヤ106の径方向外側に配置されている。したがって、誘導加熱ワイヤ106は、第1セグメント146と第2セグメント148との間の径方向距離R1を規定している。

0031

図1及び3に示すように、スペーサ108は、(第3セグメント150と第4セグメント152との間において)感知ワイヤ110により規定される第2ループを通って延びている。したがって、第2ループ142の第3セグメント150は、導体104とスペーサ108との間に配置されている一方で、第4セグメント152は、スペーサ108の径方向外側に配置されている。これによって、スペーサ108は、第3セグメント150と第4セグメント152との間の径方向距離R2を、第1セグメント146と第2セグメント148との間の径方向距離R1と実質的に同じにすることができる。

0032

スペーサ108は、非強磁性材料で形成されうる。例えば、スペーサ108は、非強磁性金属(例えば、銅)又は非金属(例えば、ガラス繊維)から形成される(又は、これらを含む)。したがって、スペーサ108において、交番磁場Hによる磁気応答は誘発されない。

0033

特定の一実施形態において、スペーサ108は、導体104に螺旋状に巻き付けられた、ある長さを有する非強磁性材料で形成される。軸方向に隣接する誘導加熱ワイヤ106と同様に、スペーサ108は、導体104の一部に受けられるヘリカルコイルとして効果的に構成することができる。スペーサ108の直径D4(図3)は、誘導加熱ワイヤ106の直径D2(図2)と実質的に等しい。したがって、スペーサ108は、第2ループ142の第3セグメント150と第4セグメント152との間で所望の径方向距離R2を維持することができる。

0034

再び図1を参照すると、感知ワイヤ110の第1リード130及び第2リード132間の電圧は、電圧センサ114(例えば、電圧計)により感知される。第1及び第2リード130、132間の電圧を示す信号は、有線又は無線の通信路128などを介して、電圧センサ114からプロセッサ118に送られる。

0035

導体104を流れる交流電流Iにより形成される交番磁場Hは、誘導加熱ワイヤ106において磁気応答を生じさせる。ファラデー電磁誘導の法則に定められているように、誘導加熱ワイヤ106において変化する磁束により、第1及び第2リード130、132間に電圧が発生する。この電圧は、電圧センサ114により感知される。

0036

導体104を流れる交流電流Iにより形成されるとともに感知ワイヤ110のセグメント146、148、150、152に交差する交番磁場Hもまた、第1及び第2リード130、132間に電圧を発生させる。このバックグラウンドの磁場Hからの電圧により、誘導加熱ワイヤ106の磁気応答の計測確定性が著しく損なわれる可能性がある。しかしながら、感知ワイヤ110の第1ループ140が、第2ループ142と同等且つ逆である極性を有しているため、第1及び第2ループ140、142により生成される電圧は、符号が逆である。

0037

したがって、各ループ140、142の全長及び径方向距離R1、R2が実質的に同じである場合、誘導加熱ワイヤ106に起因しない印加磁場である磁場Hによって感知ワイヤ110に誘発される電圧が、打ち消される。したがって、電圧センサ114は、誘導加熱ワイヤ106の磁気応答のみを感知する。

0038

図4を参照すると、磁気特性測定は、時間関数としての電流I、及び、時間関数としてのリード130、132間の電圧を(電流センサ112(図1)及び電圧センサ114(図1)により)記録することにより行われる。電流I及び電圧データは、1つ又は複数の完全な周波数サイクルにおいて収集される。印加磁場Hは、電流Iに正比例するとともに当該電流と同相である。磁気応答は、誘導加熱ワイヤ106における全磁束について、電圧の時間積分(電圧−時間プロット線の下方の面積)に比例している。ワイヤにおける平均磁場Bは、磁束を、第1ループ140内部の所定の断面におけるワイヤの総面積除算することにより求められる。図5に示すように、BH曲線は、平均磁場Bと印加磁場Hとの関係をプロットすることにより得られる。BH曲線は、透磁率及び磁気ヒステリシスを示しており、設計計算において有用と考えられる。

0039

様々な温度での磁気応答を把握していると有利なことが多い。したがって、導体104、誘導加熱ワイヤ106、スペーサ108、及び感知ワイヤ110を、加熱装置116に配置して、所望の測定温度に制御してもよい。例えば、加熱装置116は、オーブン又は炉である(又は、これを含む)。加熱装置116の温度を制御することにより、様々な温度で磁気特性測定を行うことができる。

0040

また、本開示には、磁気特性測定方法も含まれる。本開示の磁気特性測定方法は、誘導加熱アセンブリの一部である(又は、一部となりうる)誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するために用いられる。当該アセンブリは、誘導加熱ワイヤと、導体と、交流電源とを含む。特定の一実施形態において、磁気特性が測定される誘導加熱ワイヤは、導体に螺旋状に巻き付けられている(図1及び2を参照)。

0041

図1と共に図6を参照すると、概括的に200で示される本開示の磁気特性測定方法の一実施形態は、ブロック202で始まり、当該ブロックにおいて、感知ワイヤ110を第1ループ140と第2ループ142とに分けて配置する工程が行われる。なお、第2ループ142は、クロスオーバー144で、第1ループ140に接続されている。両ループ140、142の寸法及び形状は、実質的に等しく、第1ループ140は、第1極性を有し、第2ループ142は、逆極性である第2極性を有する。

0042

ブロック204において、感知ワイヤ110を導体104に沿って配置し、感知ワイヤ110によって形成される第1ループ140に誘導加熱ワイヤ106を通す。したがって、誘導加熱ワイヤ106は、感知ワイヤ110の第2セグメント148を、感知ワイヤ110の第1セグメント146から第1径方向距離R1だけ外方に離間させる。

0043

ブロック206において、感知ワイヤ110によって形成される第2ループ142に、スペーサ108を配置する。スペーサ108は、感知ワイヤ110の第4セグメント152を、感知ワイヤ110の第3セグメント150から第2径方向距離R2だけ外方に離間させるとともに、第2径方向距離R2が、第1径方向距離R1と実質的に等しくなるようにする。

0044

ブロック208において、交流電流Iを導体104に流す。導体104を流れる交流電流Iは、導体104の周りを方位角的に通る交番磁場Hを形成する。交番磁場Hは、誘導加熱ワイヤ106において磁気応答を生じさせ、これにより、感知ワイヤ110の第1及び第2リード130、132間に電圧が発生する。

0045

ブロック210において、導体104を流れる交流電流Iを感知する。例えば、導体104を流れる交流電流Iを感知するために、電流センサ112を設けてもよい。

0046

ブロック212において、感知ワイヤ110の第1及び第2リード130、132間に流れる電圧を感知する。例えば、感知ワイヤ110の第1及び第2リード130、132間の電圧を感知するために、電圧センサ114を設けてもよい。

0047

ブロック214において、少なくとも、導体104を流れる感知された交流電流I、及び、感知ワイヤ110の第1及び第2リード130、132間の感知された電圧に基づいて、誘導加熱ワイヤ106の磁気特性を測定する。例えば、平均磁場Bと、印加磁場H及び/又は透磁率との関係をプロットすることにより、BH曲線を作成する。特性測定の工程214は、様々な温度で繰り返し行ってもよい。

0048

図7A〜7Eを参照すると、磁気特性測定システムを組み立てるための方法が更に開示されている。図7Aに示すように、組み立て方法は、第1リード130と、第1セグメント146と、第4セグメント152と、第3セグメント150と、第2セグメント148と、第2リード132とを(一端から他端までの間に)有する感知ワイヤ110を設けることにより開始する。

0049

引き続き図7Aを参照すると、感知ワイヤ110の第3セグメントは、導体104に沿って(且つ、隣接して)配置されている。図7Bに示すように、導体104の第1部分、及び感知ワイヤ110の第3セグメント150に対して、スペーサ108を螺旋状に巻き付ける。図7Cに示すように、感知ワイヤ110の第4セグメント152をスペーサ108に重ねることにより、第2ループ142を形成する。第2ループ142は、第3セグメント150から径方向外方に離間された第4セグメント152を含み、スペーサ108は、第3セグメント150と第4セグメント152との間に配置されている。

0050

引き続き図7Cを参照すると、第2ループ142を形成した後、感知ワイヤ110の第1セグメントを導体104に沿って(且つ、隣接して)配置する。図7Dに示すように、磁気特性の測定対象の誘導加熱ワイヤ106を、導体104の(スペーサ108を支持する第1部分に隣接する)第2部分、及び、感知ワイヤ110の第1セグメントに螺旋状に巻き付ける。

0051

図7Eに示すように、感知ワイヤ110の第2セグメント148を誘導加熱ワイヤ106に重ねることにより、第1ループ140を形成する。第1ループ140は、第1セグメント146から径方向外方に離間された第2セグメント148を含み、誘導加熱ワイヤ106は、第1セグメント146と第2セグメント148との間に配置されている。

0052

さらに、本開示は、以下の付記による実施形態を含む。

0053

付記1.誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するためのシステムであって、
長軸を規定するとともに、第1端及び当該第1端とは長手方向に反対側の第2端を有する導体を含み、前記誘導加熱ワイヤは、前記導体の一部に沿って延びるとともに、前記導体から電気的に分離されており、
前記導体に電気的に結合されて、前記第1端と前記第2端との間に交流電流を流す交流電源と、
前記交流電流を感知するために配置された電流センサと、
第1リード及び反対側の第2リードを含む感知ワイヤと、を更に含み、前記感知ワイヤは、第1ループ及び第2ループを形成しており、
前記第1ループは、第1極性を有するとともに、第1セグメント及び当該第1セグメントから離間した第2セグメントを含み、前記誘導加熱ワイヤの一部は、前記第1セグメントと前記第2セグメントとの間に配置されており、
前記第2ループは、前記第1極性とは逆の第2極性を有するとともに、第3セグメント及び当該第3セグメントから離間した第4セグメントを含み、
前記第1リード及び前記第2リード間の電圧を感知するために配置された電圧センサを更に含む、システム。

0054

付記2.前記誘導加熱ワイヤは、前記導体の前記一部に螺旋状に巻き付けられている、付記1に記載のシステム。

0055

付記3.前記第2セグメントは、前記第1セグメントから第1径方向距離だけ外側に離間しており、前記第4セグメントは、前記第3セグメントから第2径方向距離だけ外側に離間している、付記1に記載のシステム。

0056

付記4.前記第1径方向距離は、前記第2径方向距離と実質的に等しい、付記3に記載のシステム。

0057

付記5.前記導体は、リッツ線である、付記1に記載のシステム。

0058

付記6.前記導体は第1直径を有し、前記誘導加熱ワイヤは第2直径を有し、前記感知ワイヤは第3直径を有し、前記第1直径は、前記第2直径及び前記第3直径よりも大きい、付記1に記載のシステム。

0059

付記7.前記交流電流は、最大約50kHzの周波数を有する、付記1に記載のシステム。

0060

付記8.前記誘導加熱ワイヤは強磁性材料で形成されている、付記1に記載のシステム。

0061

付記9.前記第3セグメントと前記第4セグメントとの間に配置されたスペーサを更に含む、付記1に記載のシステム。

0062

付記10.前記スペーサは、前記導体に螺旋状に巻き付けられるとともに、前記誘導加熱ワイヤに対して軸方向に隣接している、付記9に記載のシステム。

0063

付記11.前記スペーサは、非強磁性材料で形成されている、付記9に記載のシステム。

0064

付記12.前記第1セグメント、前記第2セグメント、前記第3セグメント、及び前記第4セグメントは、実質的に均等な長さを有する、付記1に記載のシステム。

0065

付記13.前記第1ループは、クロスオーバーにおいて前記第2ループに接続されている、付記1に記載のシステム。

0066

付記14.前記第1セグメントは、前記第1リードに接続されており、
前記第2セグメントは、前記第2リードに接続されており、
前記第3セグメントは、前記第2セグメントと前記第4セグメントとの間に配置されており、
前記第4セグメントは、前記第1セグメントと前記第3セグメントとの間に配置されている、付記1に記載のシステム。

0067

付記15.加熱装置を更に含み、前記誘導加熱ワイヤは前記加熱装置内に配置されている、付記1に記載のシステム。

0068

付記16.
導体に螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するための方法であって、
感知ワイヤを第1ループと第2ループとに分けて配置し、その際、前記第2ループは、クロスオーバーにおいて前記第1ループに接続されることにより、前記第1ループは第1極性を有し、前記第2ループは前記第1極性とは逆の第2極性を有するようにし、
前記誘導加熱ワイヤが前記第1ループを通るように、前記感知ワイヤを前記導体に沿って配置し、
前記第2ループにスペーサを配置し、
前記導体に交流電流を流し、
前記交流電流を感知し、
前記感知ワイヤの両端の電圧を感知し、
少なくとも、前記感知された交流電流及び前記感知された電圧に基づいて、前記誘導加熱ワイヤの特性測定を行う、方法。

0069

付記17.前記第1ループは、第1セグメント及び第2セグメントを含み、前記第2ループは、第3セグメント及び第4セグメントを含み、前記第1セグメント、前記第2セグメント、前記第3セグメント、及び前記第4セグメントは、実質的に均等な長さを有する、付記16に記載の方法。

0070

付記18.前記スペーサを配置する際に、前記導体に対して前記スペーサを螺旋状に巻き付ける、付記16に記載の方法。

0071

付記19.前記誘導加熱ワイヤの特性測定を行う際に、前記感知された電圧の時間積分を行う、付記16に記載の方法。

0072

付記20.前記誘導加熱ワイヤの特性測定を行う際に、BH曲線を作成する、付記16に記載の方法。

0073

このように、ヘリカル(螺旋状に巻き付けられた)誘導加熱ワイヤを含む、誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するためのシステム及び方法が開示されている。特に、本開示のシステム及び方法は、螺旋状に巻き付けられた誘導加熱ワイヤが実際に使用される形態(電流を搬送する導体に巻き付いた形態)で、当該ワイヤの磁気応答を正確に計測するために用いることができる。感知ワイヤにより、システムの構成への影響を最小限に抑えつつ、通電する導体により形成された磁界からのバックグラウンドの応答打ち消すことができるため、主として(全てではないにしても)誘導加熱ワイヤからの応答を測定することになる。

0074

誘導加熱ワイヤの磁気特性を測定するための本開示のシステム及び方法について様々な実施形態を図示及び説明してきたが、本明細書を読めば当業者には種々の変形が可能であろう。本願はそのような変形も包含し、請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

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