CN106575567A - 变流器用芯及其制造方法以及具备该芯的装置 - Google Patents

变流器用芯及其制造方法以及具备该芯的装置 Download PDF

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Abstract

一种变流器用芯的制造方法，包括：准备厚度为15μm以下的能够纳米结晶化的Fe基非晶合金带卷绕或叠层而形成的芯材的步骤；在芯材的磁路方向施加100A/m以上的磁场的同时进行芯材的热处理形成芯的纵向磁场中热处理步骤；和在纵向磁场中热处理步骤之后，在与芯的磁路方向垂直的方向施加磁场的同时进行芯的热处理而形成芯的横向磁场中热处理步骤。在被施加频率f＝50Hz、振幅H＝1.0A/m的交流磁场的状态下，设在温度T(℃)测定的芯的振幅导磁率为μr(T)，设由纵向磁场中热处理步骤得到的μr(T)为μr(max)(T)时，通过横向磁场中热处理步骤，将μr(25)调整为0.4×μr(max)(25)与0.9×μr(max)(25)之间的值。

Description

变流器用芯及其制造方法以及具备该芯的装置
技术领域
本发明涉及变流器用芯及其制造方法。另外，本发明还涉及具备变流器用芯的装置。
背景技术
变流器(CT：Current Transformer)是测量用的变流器，例如能够用于电流测量器、漏电断路器等。变流器具有用于闭磁路的软磁性材料的芯(磁芯)。作为该变流器用的芯，专利文献1中公开了由Fe基纳米结晶合金的带(薄带)制作的芯是适合的。Fe基纳米结晶合金与坡莫合金、Co基非晶合金相比显示出高的饱和磁通密度，与Fe基非晶合金相比具有高的导磁率。
Fe基纳米结晶合金的代表性的组成已在例如专利文献2和专利文献3中公开。使用Fe基纳米结晶合金的芯的制造方法的典型例子包括：将具有期望的组成的原料合金的熔液急冷而生成非晶合金带的步骤；将该非晶合金带卷绕形成环状的芯材的步骤；和通过热处理使非晶合金带结晶化而得到具有纳米结晶组织的芯的步骤。
专利文献4中公开了将Fe基纳米结晶合金的钢带卷绕而形成，导磁率大于12,000且小于350,000，饱和磁通密度Bs与剩磁通密度Br的比(Br/Bs)小，且导磁率的温度依赖性小的磁芯。
此外，在本说明书中，将由处于纵向磁场中的热处理未完成的状态的Fe基合金带形成的环状构造物称为“芯材”，存在与由处于热处理已完成的状态的Fe基纳米结晶合金带形成的“芯”严格地区別的情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第2501860号公报
专利文献2：日本特公平4-4393号公报
专利文献3：日本特公平7-74419号公报
专利文献4：日本特表2002-530854号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
关于上述的变流器，为了电流测量器等装置的小型化和成本降低，要求进一步提高芯的导磁率。这是因为，通过芯的导磁率提高，不仅对想要测量的电流的灵敏度变好，而且能够实现芯的小型化和对芯的绕组的匝数降低。
以往，作为提高Fe基纳米结晶合金的导磁率的手段，在通过热处理进行的结晶化的步骤中，在芯材的磁路方向施加磁场。但是，这样制作出的芯，剩磁通密度Br大，所以存在容易产生磁场偏移的问题。当芯产生磁场偏移时，动作点的导磁率变低，因此，作为变流器无法得到期望的特性。
另外，关于变流器，为了应对使用温度等装置的环境的变动，也需要使芯的高导磁率在使用温度区域中变动变小的优异的温度特性。
本发明的实施方式提供实现例如在检测漏电的用途中需要的特性的变流器用芯及其制造方法以及具备该芯的装置。
用于解决技术问题的手段
本发明的变流器用芯是软磁性材料层卷绕或叠层而形成的变流器用芯，上述软磁性材料层由厚度为15μm以下的Fe基纳米结晶合金带形成，
在被施加频率f＝50Hz、振幅H＝1.0A/m的交流磁场的状态下，设在温度T(℃)测定的上述芯的振幅导磁率为μr(T)，
设|μr(100)-μr(0)|/μr(0)为Δμr(100-0)时，
Δμr(100-0)为0.5以下，
将磁场H为80A/m的磁通密度B(80)定义为饱和磁通密度Bm时，
剩磁通密度Br与饱和磁通密度Bm的比Br/Bm小于0.9。
在一个实施方式中，设对于将具有与上述Fe基纳米结晶合金带实质上相同的组成和形状的Fe基非晶合金带形成为与上述芯实质上相同的形状而得到的芯材，在磁路方向施加100A/m以上的磁场的同时将上述芯材加热至结晶化温度以上进行热处理(纵向磁场中热处理)而被赋予的μr(T)为μr(max)(T)时，μr(25)具有0.4×μr(max)(25)与0.9×μr(max)(25)之间的值。
在一个实施方式中，满足μr(25)≥4×105。
在一个实施方式中，μr(100)-μr(0)具有正的值。
本发明的变流器用芯的制造方法包括：
准备厚度为15μm以下的能够纳米结晶化的Fe基非晶合金带卷绕或叠层而形成的芯材的步骤；
在上述芯材的磁路方向施加100A/m以上的磁场的同时将上述芯材加热至结晶化温度以上进行热处理而形成芯的纵向磁场中热处理步骤；和
在上述纵向磁场中热处理步骤之后，在与上述芯的磁路方向垂直的方向施加磁场的同时将上述芯加热至小于上述结晶化温度的温度进行热处理，由此形成变流器用芯的横向磁场中热处理步骤，
在被施加频率f＝50Hz、振幅H＝1.0A/m的交流磁场的状态下，设在温度T(℃)测定的上述芯的振幅导磁率为μr(T)，
设由上述纵向磁场中热处理步骤得到的μr(T)为μr(max)(T)时，
通过上述横向磁场中热处理步骤，将μr(25)调整为0.4×μr(max)(25)与0.9×μr(max)(25)之间的值。
在一个实施方式中，设制造出的变流器用芯的|μr(100)-μr(0)|/μr(0)为Δμr(100-0)时，Δμr(100-0)为0.5以下。
本发明的装置包括：权利要求1至4任一项所述的变流器用芯；
设置在上述变流器用芯的绕组；和
与上述绕组连接的检测电路。
发明效果
根据本发明，能够提供在具有高导磁率的同时，难以产生磁场偏移，且具有优异的温度特性的由Fe基纳米结晶合金层构成的变流器用芯。
附图说明
图1是表示在测定导磁率时使用的测定系统的构成的图。
图2A是表示通过将具有Fe74Cu1Nb3Si15.5B6.5的组成的Fe基非晶合金带(厚度：18μm)卷绕而形成芯材的情况下的、纵向磁场中热处理的温度与芯的导磁率μr(25)的关系的图表。
图2B是表示通过将具有Fe74Cu1Nb3Si15.5B6.5的组成的Fe基非晶合金带(厚度：13μm)卷绕而形成芯材的情况下的、纵向磁场中热处理的温度与芯的导磁率μr(25)的关系的图表。
图3是表示通过将具有Fe74Cu1Nb3Si15.5B6.5的组成的Fe基非晶合金(厚度：13μm)卷绕而形成芯材的情况下的、纵向磁场中热处理步骤中的纵向磁场与芯的导磁率μr(25)的关系的图表。
图4是表示使图3所示的纵向磁场为19A/m时的样品A和使纵向磁场为230A/m时的样品B各自的、芯的导磁率μr(T)的温度特性的图表。
图5是表示本实施方式中的横向磁场中热处理的温度和磁场强度的分布(profile)的例子的图表。
图6是表示将图5所示的分布中的保持在400℃的热处理温度的期间(保持时间)设定为60分钟、90分钟、120分钟时得到的各样品的B-H曲线和进行横向磁场中热处理前的样品的B-H曲线的图表。
图7是表示将图5所示的分布中的保持在400℃的热处理温度的期间(保持时间)设定为60分钟、90分钟、120分钟时得到的各样品的导磁率的图表。
图8是表示图7所示的样品中的将保持在400℃的热处理温度的期间(保持时间)设定为90分钟的样品的导磁率的测定温度依赖性的图表。
图9是表示横向磁场中热处理中的磁场强度与导磁率μr(25)的关系的图。
图10是表示本发明的变流器用芯的制造方法的一个例子的流程图。
图11A是表示能够应用本发明的变流器100的基本构成的一个例子的立体图。
图11B是表示将变流器100应用于零相变流器的例子的立体图。
图12是表示具备图11B所示的变流器100的漏电断路器20的电路构成例的图。
具体实施方式
以下，适当参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。其中，有省略必要以上的详细说明的情况。例如，存在省略已经众所周知的事项和实质上相同的结构的说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员容易理解。此外，本发明的发明人是为了本领域技术人员充分地理解本发明而提供附图和以下的说明，而不是想通过它们对权利要求书中记载的主题进行限定。
(实施方式)
＜变流器用芯＞
本实施方式中的变流器用芯是通过软磁性材料层的卷绕或叠层而构成的变流器用芯。将带状的软磁性材料层卷绕，或冲裁为环状并叠层多个。构成本实施方式中的变流器用芯的软磁性材料层，由厚度在8μm以上15μm以下的范围(典型地为13μm左右)的Fe基纳米结晶合金带形成。如后文所述，通过本发明的发明人的实验弄清楚了：Fe基纳米结晶合金带的厚度是大幅地左右用于漏电检测的变流器用芯的特性的重要的要素。
＜Fe基纳米结晶合金带＞
本实施方式中的变流器用芯所使用的Fe基纳米结晶合金，基本上通过以下方法制造，该方法包括：通过将合金熔液急冷，得到具有规定的组成的非晶合金带的步骤；和将该非晶合金带加热形成微细的结晶粒的热处理步骤。利用X射线衍射和透射电子显微镜进行的分析的结果表明，微细的结晶粒为固溶有Si等的、体心立方晶格构造的Fe。合金的至少80体积％被以最大尺寸测定的粒径的平均值为100nm以下的微细的结晶粒占据。另外，合金中微细结晶粒以外的部分主要是非晶。微细结晶粒的比例可以实质上为100体积％。
本发明的实施方式中使用的Fe基纳米结晶合金的组成由以下的通式表示。
通式：(Fe1-aMa)100-x-y-z-α-β-γCuxSiyBzM’αM”βXγ(原子％)
在此，M是Co和/或Ni，M’是选自Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo中的至少1种元素，M”是选自V、Cr、Mn、Al、铂族元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn和Re中的至少1种元素，X是选自C、Ge、P、Ga、Sb、In、As和Be中的至少1种元素。
规定组成比率的a、x、y、z、α、β和γ分别满足以下的关系：
0≤a＜0.5，
0.1≤x≤3，
10≤y≤20，
5≤z≤10，
0.1≤α≤5，
0≤β≤10，
0≤γ≤10。
本发明的实施方式中使用的Fe基纳米结晶合金含有0.1～3原子％的Cu。当Cu少于0.1原子％时，几乎得不到由Cu的添加产生的芯损失降低和导磁率上升的效果。另一方面，当Cu多于3原子％时，存在与未添加Cu的合金相比，芯损失反而变大的情况。另外，导磁率也变差。在本发明中，特别优选的Cu的含量x为0.5～2原子％。在该范围内，芯损失特别小。
由Cu的添加产生的芯损失降低和导磁率上升的原因并不明确，但是可认为如下所述。Cu与Fe的相互作用参数是正的，固溶度低，有分离的趋势。因此，当对非晶状态的合金进行加热时，Fe原子彼此或Cu原子彼此聚集形成簇，产生组成波动。因此，局部地产生容易结晶化的多个区域，生成以这些区域为核的微细的结晶粒。该结晶以Fe为主成分，Cu的固溶几乎没有。因此，通过结晶化，Cu在微细结晶粒的周围析出，结晶粒周边的Cu浓度变高。因此，可认为结晶粒难以生长。
可认为由添加Cu产生的结晶粒微细化的作用，通过Nb、Ta、W、Mo、Zr、Hf、Ti等的存在而变得特别显著。在不存在Nb、Ta、W、Mo、Zr、Hf、Ti等的情况下，结晶粒不怎么微细化。促进微细化的效果，Nb、Ta、Zr、Hf、Mo特别大。在添加有这些元素中的Nb的情况下，结晶粒特别容易变得微细，能够得到软磁特性也优异的合金。另外，当添加Nb时，产生以Fe为主成分的微细结晶相。因此，与Fe基非晶合金相比，磁致伸缩变小，由内部应力-应变引起的磁各向异性变小。这些现象也可认为是软磁特性得到改善的理由之一。这些元素在0.1～5原子％的范围含有。优选为2～5原子％的范围。在小于0.1原子％时，结晶粒的微细化有可能变得不充分。当超过5原子％时，饱和磁通密度的降低变大。
Si和B是对于Fe基纳米结晶合金的结晶粒微细化特别有用的元素。Fe基纳米结晶合金例如能够通过Si、B的添加效果得到非晶合金后，通过热处理形成微细结晶粒。Si在10～20原子％的范围含有。优选Si为14～20原子％的范围。在Si含量小于10原子％时，合金的非晶形成能力低，难以稳定地得到非晶。另外，合金的结晶磁各向异性的降低不充分，因此，难以得到优异的软磁性特性(例如低矫顽力)。在Si含量超过20原子％时，合金的饱和磁通密度的降低大，另外，得到的合金容易脆化。此外，B在5～10原子％的范围含有。B是非晶形成所必须的元素，在B含量小于5原子％时，非晶形成能力低，难以稳定地得到非晶。在B含量超过10原子％时，饱和磁通密度的降低大。更优选的B含量为7原子％以下。当Si和B的含量过多时，会产生合金的饱和磁通密度的显著减少。
Fe基纳米结晶合金可以含有10原子％以下的选自C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As中的至少1种元素。这些元素是对非晶合金带形成中的非晶化有效的元素。通过将这些元素与Si、B一起添加，有助于合金的非晶化，并且能够得到调整磁致伸缩和居里温度的效果。
V、Cr、Mn、Al、铂族元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn、Re等元素，具有改善耐腐蚀性、改善磁特性、调整磁致伸缩的效果。其含量至多为10原子％以下。当含量超过10原子％时，会导致饱和磁通密度显著降低。这些元素的特别优选的含量为8原子％以下。在这些元素中，在添加选自Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、Cr和V中的至少1种元素的情况下，能够得到耐腐蚀性特别优异的芯。
其余部分除了杂质以外实质上Fe是主体。Fe的一部分也能够由Co和/或Ni置换。上述的通式中的M(Co和/或Ni)的含量a为0≤a＜0.5。当a超过0.3时，存在芯损失增加的情况，因此，优选0≤a≤0.3。在此，为了得到高导磁率优选a＝0。
接着，对本发明的变流器用芯的制造方法的实施方式进行说明。
首先，由具有上述组成的合金熔液，利用单辊法、双辊法等公知的液体急冷法(超急冷法)形成成为软磁性材料层的带状的非晶合金。在本发明中，使非晶合金带的厚度为15μm以下。厚度的下限，从量产性的观点出发，例如能够设定为8μm。冷却辊的圆周速度例如能够设定为15～50m/秒左右。冷却辊能够由热传导良好的纯铜或者Cu-Be、Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Zr-Cr等铜合金形成。在大量生产的情况下，冷却辊能够被水冷。存在根据冷却速度而在合金的非晶组织的形成中产生差异的情况，因此，在非晶合金带的形成中，辊的温度变化被保持得小。此外，非晶合金带的厚度t是通过重量换算法得到的值。例如从长条的非晶合金带测量2m(长边方向)×50mm(宽度方向)的试样的重量M，另外，密度d[kg/m3]通过利用定容积膨胀法进行的干式密度测定(例如利用岛津制作所制造的AccuPyc II 1340系列进行的测定)而求出，由此，能够计算出厚度t[m]＝M/((2×50-3)×d)。
通过液体急冷法在工业上制造的非晶合金带的长度超过几km。因此，在长时间的铸造中，维持熔液刚排出到冷却辊后的充分的冷却能力是重要的。即，通过上述充分的冷却能力，能够稳定地得到非晶组织的合金。可推测制造的合金带的厚度越薄，冷却越容易，能够稳定地得到非晶，但是根据本发明的发明人的研究得知，通过使合金带厚度为15μm以下，制作的芯能够稳定地得到高导磁率。其理由并不明确，但是可推测使因为，通过合金带的厚度变薄，能够非常稳定地得到非晶组织，在进一步通过热处理进行的纳米结晶化组织的生成中，组织的结晶粒径大致均匀并且微细。
通过液体急冷法进行的非晶合金的制作步骤，在该合金不包含活泼的金属的情况下，能够在大气中进行。在合金包含活泼的金属的情况下，可以在Ar或He等不活泼气体中、或者在减压中进行非晶合金的制作。可以在包含氮气气体、一氧化碳气体或者二氧化碳气体的气氛中进行急冷。通过急冷而凝固的非晶合金的表面粗糙度小时是有益的。非晶合金带的表面粗糙度(算术平均粗糙度Ra)例如能够设定为5μm以下，优选2μm以下，更优选1μm以下。
通过将非晶合金带卷绕或叠层，能够制作具有环形状的构造物。这样制作出的环状构造物(芯材)具有将多个非晶合金层叠层而形成的构造。在各非晶合金层之间可以存在少量的间隙或者其他的物质。芯材所占的非晶合金层的体积占积率例如为70％～90％左右。
在本实施方式中，准备通过将非晶合金带卷绕而形成的芯材。但是，本发明并不限定于这样的例子。
接着，将非晶合金层卷绕或叠层而形成的芯材在非反应性气氛气体中加热进行结晶化热处理。根据本发明的发明人的研究，在氮气气体中进行热处理的情况下能够得到充分的导磁率，能够将氮气气体实质上作为非反应性气体处理。作为非反应性气体，也能够使用不活泼气体。另外，可以在真空中进行热处理。
上述的结晶化热处理的温度能够设定在510℃～600℃的范围。结晶化热处理的温度优选设定在550℃～600℃。当热处理温度比510℃低或者比600℃高时，磁致伸缩大。上述的热处理温度的保持时间(热处理时间)能够设定在5分钟～24小时左右的范围内。当热处理时间小于5分钟时，难以使构成芯的合金的整体为均匀的温度，因此，磁特性容易产生偏差。另一方面，当热处理时间比24小时长时，不仅生产率变差，而且由于结晶粒的过剩的生长、或者不均匀的形态的结晶粒的生成，容易引起磁特性的降低。
在本实施方式中，在直流或者交流的磁场中进行结晶化热处理。通过这样的磁场中热处理，使在变流器用芯中使用的合金产生磁各向异性。磁场可以在热处理中的全部期间施加，也可以在热处理中的一部分期间施加。在非晶合金层卷绕而形成的芯材中的合金层的长边方向(环状芯材的圆周方向)施加磁场，施加的磁场的强度被设定为使合金层磁饱和的程度，例如被设定为100A/m以上。将这样的磁场称为“纵向磁场”，将在施加纵向磁场的同时进行结晶化热处理称为“纵向磁场中热处理”。随着使纵向磁场变强，导磁率μr(T)上升，当纵向磁场强至某个程度时，μr(T)饱和(参照后述的图3)。
另一方面，当以合金层磁饱和的程度将纵向磁场提供给环状芯材时，剩磁通密度Br大幅地增加，剩磁通密度Br与饱和磁通密度Bm的比Br/Bm变大。在本申请中，饱和磁通密度Bm定义为磁场H＝80A/m的磁通密度B(80)。Br/Bm也被称为矩形比。
在纵向磁场中热处理后，在芯的高度方向施加磁场。例如在热处理温度为200℃以上、且小于非晶合金的结晶化温度的温度下加热20分钟以上，施加的磁场的强度例如以80kA/m以上施加。将这样的磁场称为“横向磁场”，将在施加横向磁场的同时进行热处理称为“横向磁场中热处理”。纵向磁场和横向磁场可以为直流磁场、交流磁场和脉冲磁场中的任一个。通过横向磁场中热处理，虽然导磁率降低，但是剩磁通密度Br降低，能够使Br/Bm变小，成为难以产生磁场偏移的变流器用芯。另外，在纵向磁场中热处理中得到了高的导磁率，因此，能够使横向磁场中热处理后的芯的导磁率比以往变大，另外，在使用温度区域中维持高的导磁率且温度特性也优异。
＜导磁率＞
本申请中的“导磁率”的用语与“相对导磁率”同义。另外，在被施加频率f＝50Hz、振幅H＝1.0安/米(A/m)的交流磁场的状态下，将在温度T(℃)测定的导磁率称为振幅导磁率，表记为导磁率μr(T)，或者简单地表记为μr(T)。在没有特别地明示测定温度的情况下，其导磁率是指在25℃测定的值、即μr(25)。为了简单，在附图中，有时将μr(25)简单地表记为μr。
另外，在纵向磁场中热处理中，将在即使使施加的纵向磁场增加也看不到导磁率的变化(增加)的磁场强度下进行了热处理的芯的导磁率定义为μr(max)(T)。在本发明的实施方式中，在使结晶化热处理中的纵向磁场的强度为100A/m的情况下，相对于更低的磁场强度(例如90A/m)，看不到导磁率的变化(增加)。因此，本申请中的μr(max)(T)是指在结晶化热处理中的纵向磁场强度为100A/m时得到的芯的导磁率。
图1是表示在测定导磁率μr(T)时使用的测定系统的构成的图。在图示的构成中，变流器的一次侧导体14经由能够测定广范围的直流电压、直流电流、交流电压和电阻的数字万用表(DMM)52和电阻R，与生成具有任意的频率和波形的交流电压信号的函数发生器54连接。另一方面，变流器的二次侧导体12与一次侧导体14侧的数字万用表52以外的另一个数字万用表(DMM)56连接。在本申请中的测定中，将电阻R的值设定为47欧姆，作为数字万用表52和56使用安捷伦公司制造的数字万用表34401A。作为函数发生器54使用株式会社NF回路设计(NF Corporation)制造的多函数发生器WF1973，由多函数发生器生成交流电压信号。
在设由数字万用表(DMM)56测定的电压值为Vo(V)、芯的有效截面积为Ae(m2)、真空的导磁率为μ0、频率为f(Hz)、由一次侧导体14施加的交流磁场强度为H(A/m)的情况下，导磁率μr(T)基于在温度T测定的结果，通过下述的式子求出。
在本实施方式中，将热处理分为2个阶段，在各个阶段中，施加相互不同的方向的磁场。通过进行这样特殊的磁场中热处理，能够实现显示出优异的磁特性的变流器用芯。在第一阶段的磁场中热处理中，在形成为环状的芯材的磁路的方向形成磁场(“纵向磁场中热处理”)。通过该热处理，芯材成为芯。然后，在第二阶段的磁场中热处理中，在与上述的磁路的方向垂直的方向形成磁场并对芯施加(“横向磁场中热处理”)。通过适当地进行这样的2阶段的磁场中热处理，能够得到磁特性优异的变流器用芯。以下，对这一点进行详细说明。
＜纵向磁场中热处理对导磁率μr(25)的影响＞
本发明的发明人研究的结果得知，根据Fe基纳米结晶合金带的厚度的不同，纵向磁场中热处理后的导磁率μr(25)产生大的差异。首先，对这一点进行说明。
图2A是表示通过将具有Fe74Cu1Nb3Si15.5B6.5的组成的Fe基非晶合金带(厚度：18μm，宽度：10mm)卷绕而形成芯材的情况下的导磁率μr(25)的图表。该例子中的芯的尺寸是内径：20mm、外径：30mm、高度：10mm。使纵向磁场中热处理步骤中的热处理温度(保持温度)为520℃、540℃、560℃，在各保持温度下对4个样品评价了导磁率μr(25)。保持温度的保持时间分别为1小时，至保持温度为止的升温速率是6℃/分，从保持温度起的降温速率是1.5℃/分钟，施加磁场为230A/m，设定为在全部温度范围施加磁场。通过该热处理步骤，Fe基非晶合金带结晶化，变化为Fe基纳米结晶合金带。
从图2A可知，当使纵向磁场中热处理的保持温度从560℃降低至520℃时，导磁率μr(25)的平均值从大约4×105上升至大约5.5×105，但是偏差变大。另外，根据利用B-H曲线等求出的饱和磁通密度Bm和剩磁通密度Br求出Br/Bm时，各样品均为0.93。
图2B是表示通过将具有Fe74Cu1Nb3Si15.5B6.5(与上述18μm厚度Fe基非晶合金带相同组成)的组成的Fe基非晶合金带(厚度：13μm、宽度：10mm)卷绕而形成芯材的情况下的导磁率μr(25)的图表。芯的尺寸和热处理条件与图2A的芯相同。使纵向磁场中热处理步骤中的热处理温度(保持温度)为520℃、540℃、560℃，在各保持温度下对4个样品评价了导磁率μr(25)。通过纵向磁场中热处理步骤，Fe基非晶合金带结晶化，变化为Fe基纳米结晶合金带。
从图2B可知，无论纵向磁场中热处理的温度如何，导磁率μr(25)的平均值都显示大约9×105的大致同等的值。另外，根据利用B-H曲线等求出的最大磁通密度Bm和剩磁通密度Br求出Br/Bm时，各样品均为0.93。此外，Bm是磁场H＝80A/m的磁通密度B(80)。这样，在使用比较薄的厚度为13μm的Fe基非晶合金带的情况下，导磁率μr(25)大幅上升，而且，其值稳定化。另一方面，无论带的厚度如何，Br/Bm超过0.9，与0.93同等。在厚度13μm下的高的导磁率μr(25)超出预想。本发明，基于该见解，作为提高导磁率的一个手段，规定Fe基纳米结晶合金带的厚度。
以下将图2B所示的样品中的在560℃进行热处理而得到的样品称为“样品1”。使用样品1来研究纵向磁场的强度对磁特性造成的影响。
图3是表示除了纵向磁场的强度以外使芯的尺寸和热处理条件与样品1相同的芯的导磁率μr(25)的变化的图表。通过调整在纵向磁场中热处理时以贯通环状的芯材的中央开口部的方式配置的导体线(纵向磁场形成用导体线)中流动的纵向磁场形成电流，将纵向磁场的强度调整为6A/m～115A/m。在图3所示的纵向磁场强度75A/m以上的芯的μr(25)为大约9.5×105。该值比图2B所示的样品1的μr(25)的值(大约8.7×105)大。这样的值的差异可认为是由芯样品的偏差引起的。
从图3可知，当纵向磁场的强度成为80A/m以上时，导磁率μr(25)饱和。
图4是表示使纵向磁场热处理中的纵向磁场为19A/m时的样品A和使纵向磁场热处理中的纵向磁场为230A/m时的样品B(样品1)各自的、芯的导磁率μr(T)的温度特性的图表。图表的横轴是测定温度T，纵轴是导磁率μr(T)。
从图4可知，在纵向磁场强度相对小的样品A中，伴随测定温度T的上升，导磁率μr(T)急剧降低。设在温度100℃测定的芯的振幅导磁率为μr(100)，设在温度0℃测定的芯的振幅导磁率为μr(0)，设|μr(100)-μr(0)|/μr(0)为Δμr(100-0)时，Δμr(100-0)为大约0.55。另一方面，在纵向磁场强度相对大且导磁率μr(25)饱和、显示最大值的样品B(样品1)中，伴随测定温度T的上升，导磁率μr(T)减少的趋势与样品A同样，但是，Δμr(100-0)小至0.14，在0℃～100℃的使用温度范围的导磁率的变动被抑制，温度特性优异。
样品A也与样品B(样品1)同样，根据直流B-H曲线，显示出Br/Bm高至0.93的矩形性，具有容易磁场偏移的磁特性。
根据上述的结果可知，即使使纵向磁场强度变化，也无法使Br/Bm降低。
根据以上内容可知，通过使Fe基非晶合金的厚度为15μm以下，并以合金被赋予充分的磁各向异性的程度提供结晶化热处理中的纵向磁场强度，能够得到大的导磁率和优异的温度特性。但是，没有使Br/Bm降低，容易磁场偏移。变流器用芯的用途需要进一步的改善。
本发明的发明人潜心研究的结果得知，通过执行以下的制造步骤，能够实现：能稳定地得到虽然与在纵向磁场热处理中得到的导磁率相比降低，但是在使用温度区域在实用上充分高的导磁率，并且使Br/Bm大幅地降低的变流器用芯。即，首先，通过将Fe基非晶合金的厚度控制为15μm以下，并且，将纵向磁场中热处理步骤中的纵向磁场强度设定为合金被充分地赋予磁各向异性的程度(例如100A/m以上)，制作能够实现相对高的值的导磁率μr(25)的芯。然后，通过对芯执行适当的横向磁场中热处理，实现Br/Bm的降低。以下，对测定结果进行详细说明。
图5是表示本实施方式中的横向磁场中热处理的温度和磁场强度的分布的例子的图表。在图表中，温度分布用实线表示，磁场强度分布用虚线表示。在该例子中，在包含芯的温度上升的期间、保持为规定的热处理温度的期间和温度下降的期间的整体的期间(大约4小时)，芯被施加160kA/m的横向磁场。另外，在图5的例子中，热处理温度是400℃，保持时间是1小时30分钟(90分钟)。
图6是表示对芯的尺寸为内径：20mm、外径：30mm、高度：10mm的样品1进一步以图5所示的分布施加横向磁场、并且将保持为400℃的热处理温度的时间(保持时间)设定为60分钟、90分钟、120分钟时得到的变流器用芯的B-H曲线和进行横向磁场中热处理前的样品1的芯的B-H曲线的图表。将使保持时间为60分钟、90分钟、120分钟的样品分别设为实施例1、实施例2、实施例3。下述的表1对各样品表示出了根据图6的B-H曲线等求出的最大磁通密度Bm、剩磁通密度Br、矫顽力Hc、矩形比Br/Bm。Bm是磁场H＝80A/m下的磁通密度B(80)。
[表1]
从图6和表1可知，通过附加横向磁场中热处理，与上述热处理前相比，剩磁通密度Br降低。Bm的变动小，因此，Br/Bm降低，能够使Br/Bm小于0.9。另外，通过使热处理的保持时间变长，剩磁通密度Br和Br/Bm更加降低。
图7是表示实施例1～3的横向磁场中热处理(400℃)的保持时间与μr(25)的关系的图表。测定的芯的纵向磁场热处理后(磁场强度：100A/m)的导磁率μr(25)相对于磁场强度饱和，显示最大值。作为该最大值的μr(max)(25)为9.5×105。对各保持时间分别测定了2个样品的μr(25)。表2表示出了保持时间与导磁率μr(25)的关系、以及μr(25)/μr(max)(25)。
[表2]
从图7和表2可知，横向磁场中热处理的保持时间越长，导磁率μr(25)越降低。导磁率μr(25)相对于保持时间单调减少。设导磁率为μr(25)、保持时间(分钟)为t时，在该例子中，能够通过μr(25)＝(10.5-0.05×t)×105的式子估算导磁率。换言之，通过控制横向磁场中热处理的保持时间，能够调整导磁率。
图8是表示上述的样品中的将保持为400℃的热处理温度的期间(保持时间)设定为90分钟的实施例2的样品的导磁率的测定温度依赖性的图表。
从该图表可知，在从-50℃至100℃左右的宽阔的范围中，导磁率随着测定温度的增加而大致单调增加，μr(100)-μr(0)具有正的值。在被施加频率f＝50Hz、振幅H＝1.0A/m的交流磁场的状态下，在温度T(℃)测定的变流器用芯的Δμr(100-0)为大约0.25。同样，实施例1和实施例3的样品也同样，Δμr(100-0)为0.5以下。
图9是表示横向磁场中热处理中的磁场强度与导磁率μr(25)的关系的图。以与样品1相同的Fe74Cu1Nb3Si15.5B6.5的合金组成，制作出制造批次不同的Fe基非晶合金带(厚度：13μm、宽度：10mm)。将上述合金带卷绕而制作芯材，在与样品1同样的条件下进行纵向磁场中热处理。对进行了上述纵向磁场中热处理的芯进一步进行横向磁场中热处理。热处理的保持温度为380℃，保持时间为90分钟。图示了使横向磁场强度为80kA/m(实施例4)、160kA/m(实施例5)、320kA/m(实施例6)的情况下的各样品的μr(25)。随着磁场强度变大，μr(25)单调地减少。可知通过控制热处理中的横向磁场强度，能够调整芯的导磁率。对实施例4～6中的Br/Bm进行评价时，均小于0.9，具有磁场强度越大Br/Bm越降低的趋势。另外，实施例4～6中Δμr(100-0)均为0.5以下。另外，在实施例4～6中，μr(25)/μr(max)为0.5～0.7。在此，芯的纵向磁场热处理后(磁场强度：100A/m)的导磁率μr(25)相对于磁场强度饱和，显示最大值，μr(max)(25)为8×105。
如根据以上的说明能够理解的那样，本发明的变流器用芯的制造方法包括：准备将厚度为15μm以下的、能够纳米结晶化的Fe基非晶合金带卷绕或叠层而形成的芯材的步骤；在芯材的磁路方向施加磁场的同时进行芯材的热处理使非晶合金结晶化而形成芯的纵向磁场中热处理步骤；和对纵向磁场中热处理步骤之后的芯，在与上述芯的磁路方向垂直的方向施加磁场的同时进行热处理，由此形成变流器用芯的横向磁场中热处理步骤。在被施加频率f＝50Hz、振幅H＝1.0A/m的交流磁场的状态下，设在温度T(℃)测定的振幅导磁率为μr(T)，设纵向磁场中热处理步骤后(横向磁场中热处理前)的μr(T)为μr(max)(T)时，通过横向磁场中热处理步骤，将μr(25)调整为0.4×μr(max)(25)与0.9×μr(max)(25)之间的值。其结果，设在制造后测定的|μr(100)-μr(0)|/μr(0)为Δμr(100-0)时，能够得到Δμr(100-0)为0.5以下、Br/Bm小于0.9的具有优异的温度特性的变流器用芯。
图10是表示本发明的变流器用芯的制造方法的一个例子的流程图。如上所述，在步骤S120中，准备将厚度为15μm以下的Fe基非晶合金带卷绕或叠层而形成的芯材。
接着，在步骤S140中，进行纵向磁场中热处理。纵向磁场中热处理的处理温度能够设定为结晶化温度以上、例如510～600℃的范围。另外，该处理温度的保持时间能够设定为5分钟至24小时的范围。当小于5分钟时，难以得到各芯的偏差小的磁特性，当超过24小时时，生产率显著降低。施加的纵向磁场的强度能够设定在100A/m以上的范围。当纵向磁场强度小于100A/m时，磁各向异性的赋予有可能不充分。另外，当纵向磁场强度超过300A/m时，难以进行稳定的处理。
接着，在步骤S160中，进行横向磁场中热处理。横向磁场中热处理的处理温度能够设定为小于结晶化温度的温度、例如200℃以上且小于上述纵向磁场中热处理温度的范围。当小于200℃时，磁场处理的效果有可能不充分。另外，当为纵向磁场中热处理温度以上时，纵向磁场处理的效果急剧减少，有可能得不到本发明中的纵向磁场处理后的横向磁场处理这样利用不同的磁场处理能得到的效果。上述处理温度的保持时间能够设定为20分钟～120分钟的范围。当小于20分钟时，有可能磁场施加效果(磁各向异性赋予)不充分。当超过120分钟时，生产率降低。施加的横向磁场的强度能够设定为80～320kA/m的范围。当横向磁场强度小于80kA/m时，磁各向异性的赋予有可能不充分。另外，当横向磁场强度超过320kA/m时，难以得到稳定的磁场强度，处理变得困难。
在步骤S140与步骤S160之间，芯能够冷却至室温左右。优选持续施加横向磁场直至芯被充分冷却至200℃以下的温度。
一般，为了变流器用芯自身的保护以及绕组与其它电路要素的绝缘，变流器用芯能够放入由树脂等形成的壳体中使用。通过将合金带卷绕而形成的芯材，由长长地延伸的带形状的连续的合金层形成，因此，在容易使用方面是有利的。在将本实施方式的变流器用芯插入到由树脂等形成的壳体中后，通过加上检测用的绕组，能够制作变流器。
＜变流器＞
(实施例7)
图11A表示能够应用本发明的变流器100的基本构成的一个例子。变流器100一般包括图11A所示的环状(圆筒状)的芯10和卷绕在芯10上的二次侧导体(二次侧绕组)12。作为电流测定的对象的一次侧导体14典型地能够以贯通芯10所具有的中央开口部的方式插入。一次侧导体14可以与二次侧导体12同样地在芯10上卷绕2圈以上。一次侧导体14和二次侧导体12能够为表面被绝缘覆盖的公知的任意的配线。
在图11A的例子中，仅示意性地表示了一次侧导体14和二次侧导体12各自的一部分。图示的一次侧导体14具有直线的棒状的形状，但是，一次侧导体14的现实的形状并不限定于这样的形状。一次侧导体14的两端与未图示的配线、电路、电压源或电流源电连接。
当电流流过图11A所示的一次侧导体14时，在一次侧导体14的周围形成磁场，在导磁率高的、环状的芯10内形成闭合磁路。当在一次侧导体14中流动交流电流时，芯10内的磁通密度周期性地变化，由此，在二次侧导体12中产生交流电压。其结果，在与二次侧导体12连接的未图示的电路中流动电流。能够基于输出到二次侧导体12的电压或者电流，测量在一次侧导体14中流动的电流。
图11B表示将变流器100应用于零相变流器(ZCT：Zero-phase CurrentTransformer)的例子。在图11B的例中，在单相2线式的一次侧导体14中流动的电流是测定对象。在单相3线式的情况下，虽然未图示，但是，3根一次侧导体以贯通芯10的开口部的方式配置。零相变流器能够在由漏电产生的异常电流流过一次侧导体14时，检测漏电电流。能够设计变流器100的构成，使得当在一次侧导体14中例如以50Hz的频率流动30毫安(mA)的漏电电流时，在二次侧导体12产生4毫伏(mV)的电压。
＜漏电断路器＞
(实施例8)
图12表示具备图11B所示的变流器100的漏电断路器20的电路构成例。该漏电断路器20包括：变流器用芯10；卷绕在该芯10上的二次侧导体12；与二次侧导体12连接的检测电路16；和与测电路16连接的解扣装置18。
在图12的例子中，从变压器30供给的交流电流经由单相2线式的配线被提供给漏电断路器20。变压器30例如与商用的电力系统或者其它的交流电源连接。漏电断路器20配置在与负载40连接的电路上。负载40能够是接收交流电力进行动作的电子设备或者电气机械。漏电断路器20例如配置在配电箱内。
在平常时，在一对一次侧导体14中流动的电流之和是零。此时，漏电断路器20的解扣装置18将电路维持为导通状态，负载40接收来自变压器30的交流电力。在因负载40的绝缘变差等而产生了漏电的情况下，从负载40流过接地电流。这样一来，在一对一次侧导体14中流动的电流作为整体为超过零的有意义的值，其结果，在二次侧导体12产生电压。基于前述的例子，能够设计变流器100的构成，使得例如以50Hz的频率流动30mA的交流电流作为漏电电流时，在二次侧导体12产生4mV的电压。此时的30mA的漏电电流不是在一对一次侧导体14各自中流动的电流，而是它们的差。
检测电路16基于在二次侧导体12产生的电压或者电流，使解扣装置18动作。当在二次侧导体12产生的电压或者电流超过预先设定的基准值时，检测电路16通过使解扣装置18动作，切断从变压器30流向负载40的电流。漏电断路器20构成为，在由于漏电而在一次侧导体14中流动具有规定值以上的大小的异常的电流时，例如以0.1秒以下的短时间自动地切断电流。
对于这样的漏电断路器20中使用的变流器100，要求适当地检测微弱的漏电电流的产生。要检测的漏电电流的大小由各国的标准规定。当芯10的导磁率低时，在产生了微弱的漏电电流时，在二次侧导体12产生的电压低，无法适当地检测漏电的产生。芯10的导磁率的上限能够基于要检测的漏电电流的下限适当设定。例如，在Br/Bm小于0.9时，由于具有高导磁率，能够得到漏电断路功能优异的漏电断路器20。另外，如上所述，在0℃～100℃的温度范围的导磁率的变动小，因此，能够得到对于温度变动稳定的漏电断路功能优异的漏电断路器20。
如以上所述，作为在本申请中公开的技术的例示，对实施方式进行了说明。但是，本发明中的技术并不限定于此，也能够应用于适当进行变更、替换、附加、省略等而得到的实施方式。另外，也能够将在上述的实施方式中说明的各构成要素组合而形成新的实施方式。另外，在附图和详细的说明中记载的构成要素中，不仅包含为了解决本发明的技术问题而必须的构成要素，为了例示上述技术，也包含不是为了解决本发明的技术问题而必须的构成要素。
因此，不应当根据这些不是必须的构成要素记载在附图和详细的说明中，直接认定这些不是必须的构成要素是必须的。
产业上的可利用性
本发明能够利用于能够在漏电断路器中使用的变流器和适合于该变流器的芯。
符号说明
10 变流器用芯
12 二次侧导体(二次侧绕组)
14 一次侧导体
16 检测电路
18 解扣装置
20 漏电断路器
30 变压器
40 负载
100 变流器

Claims (7)

1.一种变流器用芯，其是软磁性材料层卷绕或叠层而形成的变流器用芯，其特征在于：
所述软磁性材料层由厚度为15μm以下的Fe基纳米结晶合金带形成，
在被施加频率f＝50Hz、振幅H＝1.0A/m的交流磁场的状态下，设在温度T(℃)测定的所述芯的振幅导磁率为μr(T)，
设|μr(100)-μr(0)|/μr(0)为Δμr(100-0)时，
Δμr(100-0)为0.5以下，
将磁场H为80A/m的磁通密度B(80)定义为饱和磁通密度Bm时，
剩磁通密度Br与饱和磁通密度Bm的比Br/Bm小于0.9。
2.如权利要求1所述的变流器用芯，其特征在于：
设对于将具有与所述Fe基纳米结晶合金带实质上相同的组成和形状的Fe基非晶合金带形成为与所述芯实质上相同的形状而得到的芯材，在磁路方向施加100A/m以上的磁场的同时将所述芯材加热至结晶化温度以上进行热处理(纵向磁场中热处理)而被赋予的μr(T)为μr(max)(T)时，μr(25)具有0.4×μr(max)(25)与0.9×μr(max)(25)之间的值。
3.如权利要求1或2所述的变流器用芯，其特征在于：
满足μr(25)≥4×105。
4.如权利要求1至3中任一项所述的变流器用芯，其特征在于：
μr(100)-μr(0)具有正的值。
5.一种变流器用芯的制造方法，其特征在于，包括：
准备厚度为15μm以下的能够纳米结晶化的Fe基非晶合金带卷绕或叠层而形成的芯材的步骤；
在芯材的磁路方向施加100A/m以上的磁场的同时将所述芯材加热至结晶化温度以上进行热处理而形成芯的纵向磁场中热处理步骤；和
在所述纵向磁场中热处理步骤之后，在与所述芯的磁路方向垂直的方向施加磁场的同时将所述芯加热至小于结晶化温度的温度进行热处理，由此形成变流器用芯的横向磁场中热处理步骤，
在被施加频率f＝50Hz、振幅H＝1.0A/m的交流磁场的状态下，设在温度T(℃)测定的所述芯的振幅导磁率为μr(T)，
设由所述纵向磁场中热处理步骤得到的μr(T)为μr(max)(T)时，
通过所述横向磁场中热处理步骤，将μr(25)调整为0.4×μr(max)(25)与0.9×μr(max)(25)之间的值。
6.如权利要求5所述的变流器用芯的制造方法，其特征在于：
设制造出的变流器用芯的|μr(100)-μr(0)|/μr(0)为Δμr(100-0)时，
Δμr(100-0)为0.5以下。
7.一种装置，其特征在于，具备：
权利要求1至4中任一项所述的变流器用芯；
设置在所述变流器用芯的绕组；和
与所述绕组连接的检测电路。
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