JP2010199585A - 巻回磁気コアを有する磁気回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 電流検知の用途において、正確かつ信頼性の高い性能を保証し、安価に製造可能な、ギャップを有する巻回磁気コアを備える磁気回路を提供すること。
【解決手段】磁気回路（２）は、非磁性金属によって形成されるギャップへのブリッジ用のブリッジ部材（８）と、高透磁率を有する磁性材料による複数の積層された同心環状の層を備える巻回磁気コア（４）とを備える。磁気コアは、磁性材料による積層された同心環状の層の一部を貫通して延在するギャップ（６）を有し、ブリッジ部材は、ギャップのいずれかの側において巻回磁気コアの側面（１４ａ）に溶接されている。ブリッジ部材と磁気コアとの間の溶接接合部（２２ａ）は積層された同心環状の層を横切って延在する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バンド状又はストリップ状の高透磁性の磁性材料を巻くことにより形成された磁気コアを備え、この巻回磁気コアがエアギャップを有する磁気回路に関する。本発明は、さらに詳しくは、電流検知装置に用いられる巻回磁気コアを有する磁気回路に関する。

多くの従来の電流センサーは、高透磁率を有する材料によって形成された磁気コアと、磁気コアに形成されたギャップ内に位置するホール効果センサー等の磁界センサーとを備えている。磁気回路の中央の通路を貫通して延在する一次導体が、磁気コアによって拾い上げられる磁界を生成する。磁界は、ギャップ及びその中に位置する磁界検出器を横切って流れる。ギャップは、低透磁率の領域であり磁力線に重要な影響を与えるため、測定対象の電流の正確かつ信頼性の高い測定を保証するには、ギャップの幅を正確に調整することが重要である。

また、センサーにおける損失、特に磁気コアにおける渦電流の発生に起因する損失を低減し、磁気コア内のあらゆる部分で磁気飽和が起こるのを防止することも重要である。積層された薄板を使用して渦電流を低減することがよく知られている。積層された多層の磁気回路を形成する公知の手段としては、薄いバンド状又はストリップ状の磁性材料を巻いて環状の巻回コアを形成するものがある。巻回コアにエアギャップを設けることは公知であり、その際の製造工程は、第一に環状のトロイダルコアを巻くことと、次いでコアの周囲に樹脂を塗布してストリップ状の材料による同心の層を保持することと、次いで巻回の一部を半径方向に貫通させるようにギャップを機械加工することとからなる。一旦樹脂が塗布されると、巻回磁気コアの材料に焼きなましを施すことは、その処理に要する高温状態を考慮すると、困難又は不可能である。

高透磁率を有する材料を加工すると、材料の磁気特性に影響を与えうる。特に、材料の透磁率が低下することにより、磁気回路の磁気的性能に悪影響が及ぼされる。

磁気回路のギャップの長さは、熱的な力及び機械的な力によって変化することがある。磁気コアに固定された部材によってギャップのサイズを安定させることは公知である。特開昭６３−１２９７１号公報（先行文献１）においては、環状の巻回磁気コアのエアギャップが、磁気回路の半径方向外側からエアギャップに一部が挿入されたＴ字形の部材によって固定され、この挿入部は磁気回路と挿入部との周囲に巻かれたバンドによって適切な位置に保持される。この設計の欠点は、挿入部が部分的にエアギャップに嵌合するため、磁界センサーを挿入するための空間が制限されてしまうことである。また、挿入部を磁気回路の外側周囲の層のみと嵌合させる場合は、磁気回路の半径方向内側の層のエアギャップの寸法の変化、特に、層同士を結合している樹脂が完全には防ぐことのできない熱的な力による変化を防止することができない。しかも、樹脂を塗布した後の磁気回路の熱処理は可能ではなく、あるいは良くても制限されてしまう。また、挿入部は磁気回路の半径方向外側周囲から挿入されて位置するため、磁気回路のサイズが大きくなってしまう。

ＵＳ２００６／１７６０４７（先行文献２）においては、エアギャップのいずれかの側に溶接されたブリッジ部材を有する磁気回路が開示されている。しかしながら、この磁気回路は多層ではなく、エアギャップのいずれかの側に溶接されたブリッジ部材は、磁気コイルの半径方向外側周囲に位置するため、従来の巻回磁気コアには適さない。

特開昭６３−０１２９７１号公報 米国特許出願公開第２００６／１７６０４７号明細書

本発明の目的は、電流検知の用途において、正確かつ信頼性の高い性能を保証し、安価に製造可能な、ギャップを有する巻回磁気コアを備える磁気回路を提供することである。

機械的応力及び熱応力に耐性があり、ギャップを有する巻回磁気コアを備える磁気回路を提供することは、有利である。

均一な磁性材料の特性、特に均一な高透磁率を有する、ギャップを有する巻回磁気コアを備える磁気回路を提供することは、有利である。

本発明の目的は、ギャップを有する巻回磁気コアを備える磁気回路の製造方法であって、電流検知の用途において正確かつ信頼性の高い性能を発揮し頑強で熱応力及び機械的応力に耐性のある磁気コアを実現し、経済的な、磁気回路の製造方法を提供することである。

小型で、ギャップにおいて磁界検出器の容易で応用のきく組立てを可能にする、ギャップを有する巻回磁気コアを提供することが望ましい。

本発明の目的は、請求項１記載のギャップを有する巻回磁気コアを備える磁気回路を提供することによって達成される。

本願明細書において開示されるのは、ギャップを有する巻回磁気コアを備える磁気回路であって、巻回磁気コアは、高透磁率を有する磁性材料による複数の積層された同心環状の層を備え、磁気コアは、磁性材料による積層された同心環状の層の一部を貫通して延在する半径方向のギャップを有し、磁気回路は、ギャップへのブリッジ用のブリッジ部材を更に備え、ブリッジ部材は、非磁性金属によって形成され、ギャップのいずれかの側においてコアに溶接されており、ブリッジ部材とコアとの間の溶接接合部が同心環状の層を半径方向最内の環状の層から半径方向最外の環状の層へ横切って延在する。

ブリッジ部材は、略平行の金属板から形成しても都合がよく、好ましくはダイスタンプによってシートメタルから形成してもよい。

好適な実施形態においては、ブリッジ部材は、ギャップのいずれかの側において３０度を越える、またはそれ以上の角度で、好ましくは９０度を越える角度で、好ましくはギャップのいずれかの側においてコアに沿って延在し、磁気コアの積層された環状の層に対して、対をなす少なくともひとつの第二の溶接接合部をブリッジ部材の両端に近接して備える。磁気回路は、ブリッジ部材とコアの積層された同心環状の層との間に、対をなす第三の又はそれ以上の溶接接合部を、エアギャップのいずれかの側においてブリッジ部材に沿って備えてもよい。都合の良いことに、ギャップに近接する溶接接合部は、ギャップ寸法（即ち、ギャップを形成する磁気回路の対向する面同士の間の距離）を安定させ固定する役割を果たす。ブリッジ部材の両端に近接する溶接接合部は、積層された環状の層を保持して、熱応力又は機械的応力を加えられた場合に層同士が半径方向に分離することを防止する役割を果たす。中間（第三及びそれ以上）の溶接接合部をブリッジ部材に沿って設けて、磁気コアの同心環状の層同士と、磁気コアに対するブリッジ部材の取付けとを更に安定させてもよい。ブリッジ部材には、磁気回路を回路基板又は他の回路装置に機械的及び／又は電気的に接続するために、固定部材を任意かつ有利に設けてもよく、例えば、支持部材が打抜き形成されるもととなるシートメタルの面から曲がって突出した固定ピン又はタブの形状のものが挙げられる。

好適には、本発明の磁気回路には、任意で樹脂を加えることができるが、トロイド形の同心環状の層同士を保持するために樹脂を使用しなくてもよい。トロイド形の巻回磁気コアを、エアギャップの機械加工前にブリッジ部材に溶接し、次いでコアの最適かつ均一な磁気特性を保証するため、特に製造工程中に生じるコア材料の磁気特性の好ましくない変化を除去するため、熱処理工程で焼きなましを施してもよい。トロイダルコアの側面に対してブリッジ部材を略平行に又は略平面に配置することで、特に小型の構成が提供される。

本発明の範囲内で、対をなすブリッジ部材を磁気コアのいずれかの側面において磁気回路に設けることが可能である。

本発明の更なる目的及び有利な特徴は、請求項、実施形態の以下の詳細な説明、並びに添付図面からも明らかになるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係る磁気回路の斜視図である。 図２は、図１に示す磁気回路を反対側から見た斜視図である。 図３は、図１に示す磁気回路の分解斜視図である。 図４は、図２に示す磁気回路の分解斜視図である。

図面を参照すると、特に電流検知装置用の磁気回路２の実施形態は、ギャップ６（一般に「エアギャップ」としても知られる）を有する環状の磁気コア４と、ギャップのいずれかの側において磁気コアに取り付けられたブリッジ部材８とを備える。ギャップ６は、磁気コアの対向する端面３６の間に形成される。磁気コア４は、半径方向最内の環状の層１６から半径方向最外の環状の層１８へ、積層された同心環状の層を形成するように巻かれたストリップ状の高透磁率を有する薄板材料によって構成される。ストリップ状の層の薄い縁端部によって、磁気コアの対向する側面１４ａ、１４ｂが定められる。高透磁率を有する磁性材料は公知であり、例えばＦｅＳｉ合金又はＦｅＮｉ合金が挙げられる。ブリッジ部材は、非磁性材料によって構成され、好ましくはコアの材料よりも高い引張強度を有する金属であり、例えばステンレス鋼合金が挙げられる。

巻かれてコアとなるストリップ状の磁性材料は、好ましくは最内の環状の層１６及び最外の環状の層１８の間の半径方向距離Ｒと同程度の幅Ｗを有する。半径方向の厚さに対する幅の比率Ｗ／Ｒは、好ましくは０．３〜３の範囲であり、より好ましくは０．５〜２の範囲である。

ブリッジ部材８は、磁気コアの側面１４ａにおいて磁気コアに取り付けられ、磁気コアのギャップ６を横切って延在する。ブリッジ部材は、好ましい実施形態においては、側面１４ａに略平行に接するように位置するように略平面である基部２０を備え、磁気コアの側面の円形をたどるように略湾曲した形状を有する。半径方向最外縁端部３２は、半径方向最外の環状の層１８及び半径方向最内の環状の層１６をそれぞれわずかに、好ましくは磁気コアのストリップ状の材料の３層未満分だけ越えて延在する。磁気コアの内側の同心環状の層１６及び外側の同心環状の層１８に達する又はこれらをわずかに越えるブリッジ部材の半径方向の延長部によって、ブリッジ部材を磁気コアに全ての層を横切って取り付けることができる。ブリッジ部材の基部は、磁気コアの側面に溶接接合部２２ａ、２２b、２２ｃによって取り付けられ、即ち基部は磁気コアの側面に溶接される。これにより、溶接接合部は、複数の環状の層を半径方向に横切って延在することで、磁性のストリップ状の材料による層同士が剛性的にかつ隙間なく結合されることを保証し、溶接接合部近傍で同心の層同士が分離することを防止する。各溶接接合部２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、好ましくはコアの半径方向最内の環状の層１６から半径方向最外の環状の層１８へ延在する。しかしながら、本発明の範囲内で、コアの半径方向の厚さ全体に満たない複数の環状の層を横切る溶接接合部を有することが可能である。後者の変形例においては、集団としての溶接接合部が全ての環状の層を横切るように、別々の溶接接合部がそれぞれ異なる層を横切るように構成し、その結果積層された環状の層同士が半径方向最内の環状の層１６から半径方向最外の環状の層１８へ結合されるようになっている。

対をなす第一の溶接接合部２２ａは、磁気コアのギャップ６付近で、ギャップのいずれかの側に設けられる。ブリッジ部材の基部２０は、磁界検出器をコア４の対向する端面３６の間のギャップを貫通してギャップの内部へ挿入することが可能なように、ギャップの位置にギャップの長さＧと略同一の長さの切抜き部２６を備える。しかしながら、本発明の範囲内で、切抜き部２６をブリッジ部材の基部に有さないことも可能であり、この場合磁界検出器を、反対側の側面１４ｂから半径方向又は軸方向にギャップ６の内部へ挿入することになるが、図面において説明した本実施形態では、磁界検出器を、軸方向Ａにギャップを貫通して延在する回路基板（図示せず）上に配置することができる。

ブリッジ部材の基部２０は、好ましくは対をなす第一の溶接接合部２２aと同様であるが基部の自由端３８付近に位置する、対をなす第二の溶接接合部２２ｂによって磁気回路の側面１４ａに更に取り付けられる。エアギャップ及び基部の自由端に配置される溶接接合部２２ａ、２２ｂの間に、他の中間の溶接接合部２２ｃを配置してもよい。エアギャップ６における溶接接合部２２ａは、ギャップの長さＧを剛性的に固定し安定させると同時に、ストリップ状の材料による積層された同心環状の層同士の剛性的な結合を維持する役割を果たす。一方、中間の溶接接合部２２ｃ及び基部の端部３８における溶接接合部２２ｂは、ストリップ状の材料による積層された層同士を剛性的に結合し、機械的応力又は熱応力を加えられた場合に同心の層同士の分離やずれを防止する役割を果たす。この点で、ブリッジ部材の端部３８は、有利には、その端から端までで磁気コアの周囲の３０°を越える、好ましくは９０°を越える、例えば９０°〜１８０°の範囲の、角度αにわたって延在すればよい。また、本発明の範囲内で、閉じた円を形成しコアの全周囲（即ち、３６０°）にわたって延在する、又は１８０°と３６０°との間の任意の角度にわたって延在するブリッジ部材を有することも可能である。

ブリッジ部材は、任意かつ有利に延長部２８を更に備えてもよい。延長部は、例えば、磁気回路が装着されることを目的とする回路基板又は他の支持体に機械的及び／又は電気的に磁気回路を固定するように構成された、ピン又はタブ３０の形状の固定部材を備えてもよい。ブリッジ部材は、このように有利には、磁気コアの電気的性能にとって必要又は有用となる磁気コアの電気的な接地接続を供給する役割を果たしてもよい。図示する本実施形態において、固定延長部２８は、基部２０と同じ材料から打抜き形成され、固定ピン３０が反対側の側面１４ｂを越えて延在するように、本実施形態では直角に、側面１４ｂの方へ基部の平面から突出して延在する。

基部の平面から突出して延在する延長部２８は、更に又は代わりにブリッジ部材の基部２０を強化する剛性部材を形成してもよい。

本発明の範囲内で提供することができる一実施形態（図示せず）においては、固定延長部は、反対側の側面１４ｂから離れるように基部の平面から突出して延在するか、又は基部と同じ平面内で、例えば半径方向の外側へ延在する。これにより、磁気回路を回路基板又は他の支持体に対して装着する際、ブリッジ部材の基部２０が装着される側面１４ａ上に装着することができ、又は反対側の側面１４ｂ上に装着することができ、また外側周囲の環状の層１８上に立てた状態で装着することすらできる。もし固定延長部が多種多様な形状やサイズで形成することが可能であって、磁気コアに剛性的かつ強固に装着されることになる基部に対して、固定延長部が剛性的に一体化して接合されることにより、磁気回路の外部支持体への機械的で確実な固定が保証されるのであれば、固定延長部の他の装着の構成を採用してもよい。

更なる変形例においては、磁気コアの反対側の側面１４ｂに固定され第一のブリッジ部材と同様の第二のブリッジ部材を備えることも可能である。

本願明細書において説明するコイルの製造方法は、巻回磁気コアを製造する従来の手段によってストリップ状（バンド状）の高透磁率の材料を巻き、次いでブリッジ部材８（又は対をなすブリッジ部材）を巻回磁気コアの側面１４ａ（又は両側面）に溶接する作業を含む。溶接接合部は、アーク溶接、抵抗溶接、摩擦溶接、レーザー溶接等、それ自体公知の種々の溶接方法によって形成されればよい。本願明細書において意図する「溶接接合部」という用語は、ろう付け又ははんだ接合も包含するものである。

その後ギャップ６が、磁気コアの積層された層の一部を貫通して機械加工される。溶接作業及びギャップ機械加工作業の後に、均一の磁気特性、特に均一な高透磁率を磁気回路に付与するため、磁気回路は、コアの磁性材料に焼きなましを施すための熱処理工程を経てもよい。これにより、先行する製造作業に起因する、ストリップ状の材料の磁気特性に対する悪影響が除去又は低減される。熱処理工程は、磁気コアの材料の内部応力を低減させるという有利な効果も有する。

本発明の製造工程において、ストリップ状の材料の同心環状の層を保持するための樹脂の使用は、必要に応じて回避されてもよい。その場合においても、組立て工程の最終段階において磁気回路に対して熱処理工程を行うことができる。

Claims (15)

1. 非磁性金属によって形成される少なくとも一つのギャップへのブリッジ用のブリッジ部材（８）と、高透磁率を有する磁性材料による複数の積層された同心環状の層を備える巻回磁気コア（４）とを備え、
   前記磁気コアは、前記磁性材料による積層された同心環状の層の一部を貫通して延在する少なくとも一つのギャップ（６）を有し、前記ブリッジ部材は、前記ギャップのいずれかの側において前記巻回磁気コアの側面（１４ａ）に溶接されており、前記ブリッジ部材と前記磁気コアとの間の溶接接合部（２２ａ）が前記積層された同心環状の層を横切って延在する磁気回路。
2. 前記ブリッジ部材は、前記側面（１４ａ）に対して略平行に接するように位置する平面基部（２０）を備える請求項１記載の磁気回路。
3. 前記ブリッジ部材は、前記基部から前記基部の平面の外へ延在する剛性部（２８）を備える請求項２記載の磁気回路。
4. 前記ブリッジ部材は、３０度を超える角度（α）で前記コアに沿って延在する請求項１〜３のいずれかに記載の磁気回路。
5. 前記ブリッジ部材は、６０度を超える角度（α）で前記コアに沿って延在する請求項４記載の磁気回路。
6. 前記ブリッジ部材は、９０度を超える角度（α）で前記コアに沿って延在する請求項５記載の磁気回路。
7. 前記ブリッジ部材は、前記磁気コアの前記積層された環状の層に対して、対をなす少なくともひとつの第二の溶接接合部（２２ｂ）を前記ブリッジ部材の両端（３８）に近接して備える請求項１〜６のいずれかに記載の磁気回路。
8. 前記ブリッジ部材は、対をなす第三の又はそれ以上の中間の溶接接合部（２２ｃ）を備える請求項７記載の磁気回路。
9. 前記ブリッジ部材は、前記磁気回路を回路基板又は他の回路装置に機械的及び／又は電気的に接続するように構成される固定部材（２８）を備える請求項１〜８のいずれかに記載の磁気回路。
10. 前記固定部材は、前記磁気コアの前記側面（１４ａ）に溶接された前記ブリッジ部材の基部（２０）から曲がって突出した固定ピン（３０）又はタブを備える請求項９記載の磁気回路。
11. 前記溶接接合部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）は、前記コアの半径方向最内の環状の層（１６）から半径方向最外の環状の層（１８）へ延在する請求項１〜１０のいずれかに記載の磁気回路。
12. 前記磁気回路は、前記巻回磁気コアのもう一つの側面（１４ｂ）に溶接される第二のブリッジ部材を備える請求項１〜１１のいずれかに記載の磁気回路。
13. 磁気回路の製造方法であって、
    ストリップ状の透磁性の材料を巻くことにより、積層された多層の環状のコアを形成するステップと、
    一つ以上の非磁性のブリッジ部材を前記積層された多層の環状のコアに溶接するステップと、
    前記積層された多層の環状のコアの一部を貫通するようにギャップを機械加工するステップとを備え、
    前記溶接するステップにおいて、前記ブリッジ部材は、前記ギャップの形成されるいずれかの側において巻回磁気コアの一方又は両方の側面（１４ｂ）に溶接されており、前記ブリッジ部材と前記磁気コアとの間の溶接接合部（２２ａ）が前記積層された同心環状の層を横切って延在させてある磁気回路の製造方法。
14. 前記溶接接合部（２２ａ）は、半径方向最内の環状の層（１６）から半径方向最外の環状の層（１８）へ前記積層された同心環状の層を横切って延在する請求項１３記載の磁気回路の製造方法。
15. 前記コアの磁気特性を向上させるために、前記溶接及びギャップの機械加工の作業の後に、前記磁気回路を熱処理することを更に備える請求項１３又は１４記載の磁気回路の製造方法。