WO2006064920A1

WO2006064920A1 - カレントトランス用磁心、カレントトランス及び電力量計

Info

Publication number: WO2006064920A1
Application number: PCT/JP2005/023181
Authority: WO
Inventors: Yoshihito Yoshizawa; Masamu Naoe
Original assignee: Hitachi Metals, Ltd.
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2006-06-22
Also published as: EP1840906B1; EP1840906A4; PL1840906T3; US20080129437A1; EP1840906A1; JP4716033B2; US7473325B2; JPWO2006064920A1; HUE027441T2; ES2542019T3; CN101080788A

Abstract

　一般式：Fe100-x-a-y-cMxCuaM'yX'c（原子％）（ただし、MはCo及び／又はNiであり、M'はV, Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta及びWからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、X'はSi及び／又はBであり、x, a, y及びcはそれぞれ10≦x≦50、0.1≦a≦３、１≦y≦10、２≦c≦30、及び７≦y＋c≦31を満たす数字である。）により表される組成を有し、組織の少なくとも一部又は全部が平均粒径50 nm以下の結晶粒からなる合金からなるカレントトランス用磁心。

Description

明細書

カレントトランス用磁心、カレントトランス及び電力量計

技術分野

[0001] 本発明は、半波正弦波交流電流等の非対称な波形の交流電流や直流が重畳した交流電流の検出に好適なカレントトランス用磁心、及びそれを用いたカレントトランス並びに電力量計に関する。

背景技術

[0002] 家庭及び産業分野において電気機器や設備の電力消費量を検出するために用いられる電力量計には、誘導型電力量計と電子式電力量計がある。従来は、回転盤を用いた誘導型電力量計が主流であった力近年は電子技術の発達に伴、電子式電力量計の普及が進みつつある。 IEC62053-22等の従来の規格に対応した電力量計では、半波正弦波交流電流等の歪んだ波形の電流の正確な検出ができず、正確な電力の計測ができない問題があった。このため、欧州では、歪み波形 (半波整流波形）に適応した電力量計に関する規格 IEC62053-21が制定された。欧州以外においても、歪んだ波形の正確な電力量計測ができな、現在の回転盤方式等の電力量計は廃止され、カレントトランス（CT)又はホール素子を電流検出に用いた、 IEC62053- 21に適合した電力量計が適用されつつある。インバータ等産業用の用途においてもカレントトランスは歪んだ波形の交番電流や直流が重畳した交番電流の検出に重要な役割を果たしている。

[0003] ホール素子を用いた電流センサは、磁心にギャップを形成しギャップ部にホール素子を配置し、測定電流の流れる導線を磁心閉磁路内に貫通させ、ギャップ部に発生した電流にほぼ比例した磁界をホール素子で検出することにより電流検出を行う。

[0004] カレントトランス (CT)は一つの閉磁路磁心に 2次卷線を比較的多いターン数巻き、通常 1次線 (測定電流の流れる線）は閉磁路内を貫通させて使用する。図 8にカレントトランス (CT)型電流センサの構成を示す。磁心の形状はリング型や組コア型がある力リング型卷磁心に卷線した方式は、形状の小型化や漏洩磁束の低減を可能とし、理論動作に近い性能を実現できる。 [0005] 交流の貫通電流 Iで、かつ R «2 π f'Lの条件で理想的な出力電流 iは I /N (N:2次

0 L 2 0 卷線数)であり、出力電圧 Eは I -R /N (R:負荷抵抗)である。実際には、磁心材の損

0 0 し

失や漏洩磁束等の影響を受けて、出力電圧 Eは理想値よりも低下する。カレントトラ

0

ンスの感度は E /1に相当するが、実際にはこの値は一次と二次の結合係数によって

0 0

決定される。結合係数を Kとすれば、 E =1 -R ·Κ/Ν(Κ:結合係数)となる。

0 0 し

[0006] 理想的なカレントトランスでは、結合係数 Κは 1となる力実際のカレントトランスでは卷線の内部抵抗及び負荷抵抗に要する励磁電流、漏洩磁束及び透磁率の非直線性等に影響を受ける力 Rが 100 Ω以下では Κ=0.95〜0.99程度の値となる。 Κの値し

は磁路内にギャップがあると低下するので、ギャップの無いトロイダル磁心が結合度の最も高い理想的なカレントトランスを実現できる。 Κ値は断面積 Sが大きいほど、 2次卷線数 Νが多い程、負荷抵抗 Rが小さいほど 1に近づく。この Κ値は貫通電流 Iによし 0 つても変化し、 I力 S100 mA以下の微少電流の場合、 K値は低下する傾向を示す。特

0

に磁心材料として透磁率の低い材料を用いるとこの傾向は大きくなるため、微少電流を高精度で測定しなければならな、場合は、透磁率の高、磁心材料が用いられる。

[0007] 比誤差は各測定点における理想値と実測値の誤差比率であり電流値の精度を表し、結合係数特性は比誤差特性と関連する。位相差は波形の精度を表し、測定原波形に対する出力波形の位相ずれを表す。カレントトランス出力は通常進み位相となる。これらの 2つの特性は、積算電力量計等に使用されるカレントトランスにとって特に重要な特性である。

[0008] 微少電流を測定する必要のあるカレントトランスでは、結合係数 Kを高めて比誤差と位相差を小さくするため、一般的には初透磁率が高いパーマロイ等の材料が用いられる。カレントトランスの最大貫通電流 I はリニアリティが確保される最大電流であり

Omax

、負荷抵抗や内部抵抗だけでなぐ使用されている磁心材料の磁気特性に影響される。大電流まで測定可能とするためには、磁心材料の飽和磁束密度はできるだけ高い方が望ましい。

[0009] カレントトランスに使用されている磁心材料としては珪素鋼、パーマロイ、ァモルファス合金、 Fe基ナノ結晶合金材料等が知られている。材料が安価で磁束密度が高い珪素鋼板は、透磁率が低ぐヒステリシスが大きぐ磁化ループのリニアリティにも劣るため、比誤差や位相差が大きくかつ変動し、精度が高いカレントトランスの実現が困難である。また残留磁束密度が大きいため、半波電流等非対称の電流に対しては正確な電流測定が困難である。

[0010] Fe基アモルファス合金は、カレントトランスに用いた場合に比誤差や位相差の変動が大きいという問題がある。特表 2002-525863号は、磁界中熱処理した Co基ァモルファス合金が、直線性の良い磁ィ匕曲線及び小さなヒステリシスを有するため、非対称波形の電流を検出するカレントトランス (CT)として優れた特性を示すことを開示している。 1500程度と低い透磁率、及び直線性の良い磁ィ匕曲線を有する Co基アモルファス合金は、前述の電力量計の規格 IEC62053-21に対応した電流検出用カレントトランス (CT)に使用されている。しかし、 Co基アモルファス合金の飽和磁束密度は 1.2 T以下と十分とは言えず、熱的にも不安定であるという問題がある。このため、大きな電流力 Sバイアスされると電流測定が制約を受けるため、小型化や安定性の面で必ずしも十分でな！、と!/、う問題や直流重畳を考慮すると磁気的飽和の観点力透磁率をあまり高くできないため、カレントトランスとして重要な特性である比誤差や位相差が大きくなるという問題がある。また、高価な Coを多量に含むためにコスト面でも不利である。

[0011] IEC62053-22等の従来の規格に対応した積算電力量計に使用されているカレントトランス用磁心には、比較的透磁率の高いパーマロイ等の材料を用いた磁心が使われてきた。このような高透磁率材料は、正負対称な電流や電圧波形から電力量を測定することはできるが、非対称な電流波形や歪んだ電流波形 (非対称電流波形)力電力量を正確に測定することができない。

[0012] Fe基ナノ結晶合金は高透磁率で優れた軟磁気特性を示すため、コモンモードチヨークコイル、高周波トランス、ノルストランス等の磁心に使用されている。 Fe基ナノ結晶合金の代表的組成は、特公平 4-4393号ゃ特開平 1-242755号に記載の Fe-Cu-(N b, Ti, Zr, Hf, Mo, W, Ta)— Si— B、 Fe- Cu- (Nb, Ti, Zr, Hf, Mo, W, Ta)— B等である。これらの Fe基ナノ結晶合金は、通常液相や気相から急冷して非晶質合金とした後、熱処理により微結晶化することにより作製される。 Fe基ナノ結晶合金は Fe系ァモルファス合金と同程度の高い飽和磁束密度と低磁歪で優れた軟磁気特性を示すことが知られている。特開平 1-235213号、特開平 5-203679号及び特表 2002-530854号は、 Fe 基ナノ結晶材料が漏電ブレーカや積算電力量計等に用いられている電流センサ (変流器 (カレントトランス) )として好適なことを記載して、る。

[0013] し力しながら、従来のパーマロイや Fe基ナノ結晶軟磁性合金を磁心材料に用いたカレントトランス用磁心は、高透磁率材料を用いているため、特に直流がバイアスされた場合、磁心の磁気的飽和により十分な電流検出ができないという問題があった。 Fe 基ナノ結晶軟磁性合金磁心は飽和磁束密度が高くかつ透磁率が高いため漏電ブレ一力等のカレントトランスには適している力 Hが小さいため直流電流がバイアスされ

K

る用途の場合、磁心が磁気的に飽和してしまい電流計測が困難となる問題がある。半波正弦波電流に使用するカレントトランスの場合、半波正弦波電流のピーク値を I ma とすると、 I /2 πの直流電流が重畳する。このため、特表 2002-530854号等に記載

X max

されている従来の Fe基ナノ結晶軟磁性合金磁心は、透磁率力 12000以上と高いために、カレントトランスの磁心に直流磁界がノィァスされる状態となり、磁心が磁気的飽和してしまう。このため、このような非対称波形の電流計測には適していない。

[0014] よって非対称電流波形力電力量を正確に測定できる磁性材料が要求されるようになってきた。半波正弦波電流波形のような非対称電流波形のような、直流電流が重畳した場合にも正確に交番電流測定を可能とすることが要求されて、る。このような要求を満たすには、低い残留磁束密度、小さなヒステリシス、直線性の良い磁ィ匕曲線、及び飽和しにくい比較的大きな異方性磁界 Hを有する磁心材料を用いたカレン

K

トトランス用磁心が必要である。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0015] 従って本発明の目的は、非対称な電流波形や歪んだ電流波形 (非対称電流波形）力も電力量を正確に測定することができるカレントトランス用の磁心を提供することにある。

[0016] 本発明のもう一つの目的は、小型化が可能で、広い測定電流範囲を有し、熱的に安定で、安価なカレントトランス用の磁心を提供することにある。

[0017] 本発明のさらにもう一つの目的は、力かる磁心を用いたカレントトランス及び電力量計を提供することにある。課題を解決するための手段

[0018] 上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、 (a) Co及び Z又は Niの含有量を増大させ、組織の少なくとも一部又は全部が平均粒径 50 nm以下の結晶粒からなる Fe基ナノ結晶合金は、 8000 Am— ¹における磁束密度 B 力 T以上であり、異方

8000

性磁界 H力 150〜1500 Am— ¹であり、角形比 B /B 力以下であり、 50 Hz及び 0.0

K r 8000

5 Am— ¹における交流比初透磁率力 00〜7000であり、 (b)この合金からなるカレントトランス用磁心は、非対称波形や直流がバイアスされた電流検出用のカレントトランスに使用した場合に優れた特性を示すことを見出し、本発明に想到した。

[0019] すなわち、本発明のカレントトランス用磁心は、一般式： Fe M Cu M' X' (原

100— x - a— y^c x a y c 子％) (ただし、 Mは Co及び Z又は Niであり、 M'は V, Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta及び Wからなる群力選ばれた少なくとも一種の元素であり、 X'は Si及び Z又は Bであり、 X, a, y及び cはそれぞれ 10≤x≤50、 0.1≤a≤3、 l≤y≤10、 2≤c≤30、及び 7≤y+c≤3 1を満たす数字である。 )により表される組成を有し、組織の少なくとも一部又は全部が平均粒径 50 nm以下の結晶粒からなり、 8000 Am— ¹における磁束密度 B 力 T

8000 以上であり、異方性磁界 H力 S150〜1500 Am— ¹であり、角形比 B /B 力以下であ

K r 8000

り、 50 Hz及び 0.05 Am— ¹における交流比初透磁率力 00〜7000である合金からなることを特徴とする。

[0020] 本発明のカレントトランス用磁心において、 Mの含有量 Xは 15≤x≤40であるのが好ましい。 Bの含有量は 4〜12原子⁰ /₀であるのが好ましい。 Siの含有量は 0.5〜17原子 %であるのが好ましい。

[0021] 本発明のカレントトランス用磁心において、 M'の一部を Cr, Mn, Sn, Zn, In, Ag, Au,

Sc,白金属元素, Mg, Ca, Sr, Ba, Y,希土類元素 ,N, O及び Sからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素で置換しても良い。また X'の一部を C, Ge, Ga, Al, Be及び Pから選ばれた少なくとも一種の元素で置換しても良い。

[0022] 本発明のカレントトランス用磁心は、磁心の高さ方向に 40 kAm— ¹以上の磁界を印加しながら 450〜700°Cの温度に 24時間以下の時間保持した後に室温まで冷却し、磁界中熱処理することにより作製することができる。

[0023] 本発明のカレントトランス用磁心は、半波正弦波交流電流を検出するために用いるのが好ましい。

[0024] 本発明のカレントトランスは、上記カレントトランス用磁心と、一次卷線と、少なくとも 1つの二次検出卷線と、前記二次検出卷線に並列に接続された負担抵抗とを具備することを特徴とする。

[0025] 本発明のカレントトランスにおいて、一次卷線は 1ターンであるのが好ましい。また 2 3°Cで定格電流範囲における位相差が 5° 以内であり、比誤差の絶対値が 3%以内であるのが好ましい。

[0026] 本発明の電力量計は、上記カレントトランスより得た電流値と、その時の電圧を積算処理することにより、使用電力を計算することを特徴とする。

発明の効果

[0027] 本発明のカレントトランス用磁心は、低い残留磁束密度、小さなヒステリシス、直線性の良い磁ィ匕曲線、及び飽和しにくい比較的大きな異方性磁界 Hを有するため、小

K

型で、広い測定電流範囲を有し、熱的に安定で、安価なカレントトランス並びに電力量計を提供することができる。特に半波正弦波電流波形のような非対称電流波形や、直流電流が重畳した交流電流であっても正確に交流電流測定が可能になる。図面の簡単な説明

[0028] [図 1]本発明のカレントトランス磁心に用いる Fe Co Cu Nb Si B (原子⁰ /₀)合金の 80

83-x x 1 7 1 8

00 Am— ¹における磁束密度 B を示すグラフである。

8000

[図 2]本発明のカレントトランス磁心に用いる Fe Co Cu Nb Si B (原子％)合金の角

83-x x 1 7 1 8

形比 B /B を示すグラフである。

r 8000

[図 3]本発明のカレントトランス磁心に用いる Fe Co Cu Nb Si B (原子％)合金の保

83-x x 1 7 1 8

磁力を示すグラフである。

[図 4]本発明のカレントトランス磁心に用いる Fe Co Cu Nb Si B (原子⁰ /o)合金の 50

83-x x 1 7 1 8

Hz及び 0.05 Am— ¹における交流比初透磁率を示すグラフである。

[図 5]本発明のカレントトランス磁心に用いる Fe Co Cu Nb Si B (原子⁰ /o)合金の異

83-x x 1 7 1 8

方性磁界 Hを示すグラフである。

K

[図 6]本発明のカレントトランス磁心に用いる Fe Co Cu Nb Si B (原子％)合金磁

53.8 25 0.7 2.6 9 9

心と従来の Co基アモルファス合金磁心の直流 B-Hループを示すグラフである。 [図 7]本発明のカレントトランス磁心に用いる Fe Co Cu Nb Si B (原子⁰ /₀)合金磁

53.8 25 0.7 2.6 9 9

心の 50 Hzにおける交流比初透磁率の磁界依存性を示すグラフである。

[図 8]本発明のカレントトランス (CT)型電流センサの一例を示す斜視図である。

[図 9]カレントトランス磁心の磁ィ匕困難軸方向の B-Hループにおける異方性磁界 Hを

K

示すグラフである。

発明を実施するための最良の形態

[0029] [l] Fe基ナノ結晶合金

(1)組成

本発明のカレントトランス磁心用の Fe基ナノ結晶合金は、一般式: Fe M Cu

ΙΟΟ-χ-a-y-c x a

M' X' (原子⁰ /o) (ただし、 Mは Co及び Z又は Niであり、 M'は V, Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, T a及び Wからなる群力選ばれた少なくとも一種の元素であり、 X'は Si及び Z又は Bであり、 X, a, y及び cはそれぞれ 10≤x≤50、 0.1≤a≤3、 l≤y≤10、 2≤c≤30、及び 7 ≤y+c≤31を満たす数字である。 )により表される組成を有する。

[0030] Mは Co及び Z又は Niであり、誘導磁気異方性を大きくし、 B-Hループの直線性を改善し、異方性磁界 Hを調整し半波正弦波交流電流等を計測する場合等直流がバイ

K

ァスされた状態でもカレントトランスとして動作させる作用を有する。 M量 Xは 10≤x≤5 0である。 Xが 10原子％未満では H力、さいために、直流が重畳されると磁心が飽和

K

し、電流測定が困難である。 Xが 50原子％を超えると Hが大きくなりすぎ、位相差や比

K

誤差の絶対値が増加しすぎる。好ましい M量 Xは 15≤x≤40であり、より好ましくは 18 ≤x≤37であり、最も好ましくは 22≤x≤ 35である。 xが 10〜50の範囲では直流が重畳しても正確な電流測定が可能であるので、高精度でバランンスの取れたカレントトランスの実現が可能となる。

[0031] Cu量 aは 0.1≤a≤3である。 aが 0.1原子％未満では位相差が大きくなり、 aが 3原子 %を超えると材料が脆ィ匕し、磁心成形が困難になる。好ましい Cu量 aは 0.3≤a≤2である。

[0032] M'はアモルファス形成を促進する元素である。 M'は V, Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta及び Wからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、その量 yは l≤y≤10の範囲である。 yが 1原子％未満では熱処理後に微細な結晶粒組織が得られず、位相差や比誤差の絶対値が増大する。 yが 10原子％を超えると飽和磁束密度の著しい低下により Hが減少し、直流がバイアスされた場合、磁気的飽和により電流測定が困難とな

K

る。好ましい M'量 yは 1.5≤y≤9である。

[0033] X'もアモルファス形成を促進する元素である。 X'は Si及び Z又は Bであり、その量 c は 2≤c≤30の範囲である。 X'量 cが 2原子％未満では位相差や比誤差の絶対値が増加し、 30原子％を超えると飽和磁束密度の著しい低下により Hが減少し、直流が

K

ノィァスされた場合、磁気的飽和により電流測定が困難となる。 X'量 cは好ましくは 5 ≤c≤25であり、より好ましくは 7≤c≤24である。

[0034] M'の量 yと X'の量 cの合計は 7≤y+c≤31の条件を満たす。 y+cが 7原子％未満では位相差の著しい増加を招き、 31原子％を超えると飽和磁束密度が低下する。 y+c 量は好ましくは 10≤y+c≤28であり、より好ましくは 13≤y+c≤27である。

[0035] 特に Bの含有量力〜12原子％である場合、位相差が小さいカレントトランス用磁心を実現できるため好ましい。特に好ましい Bの含有量は 7〜10原子％である。また Siの含有量 0.5〜17原子％である場合、位相差や比誤差の絶対値が小さぐ半波正弦波交流電流の計測時に直流がバイアスされても、測定精度の良い電流測定が可能である。特に好まし、Siの含有量は 0.7〜5原子％である。

[0036] 合金の耐食性、位相差及び比誤差の調整を行うため、 M'の一部を Cr, Mn, Sn, Zn,

In, Ag, Au, Sc,白金族元素， Mg, Ca, Sr, Ba, Y,希土類元素 ,N, O及び Sからなる群カゝら選ばれた少なくとも一種の元素で置換しても良ぐまた位相差及び比誤差を調整するため、 X'の一部を C, Ge, Ga, Al, Be及び Pからなる群力も選ばれた少なくとも一種の元素で置換しても良、。

[0037] (2)製造方法

本発明のカレントトランス用磁心は、前記組成の合金溶湯を単ロール法等の超急冷法により急冷し、一旦アモルファス合金薄帯を作製後、これを必要に応じてスリット加工し、リング状に卷回して卷磁心とし、結晶化温度以上に昇温して熱処理を行い平均粒径 50 nm以下の微結晶を形成させることにより作製する。熱処理前のァモルファス合金薄帯は結晶相を含まな、方が望ま、が、一部に結晶相を含んでも良、。単ロール法等の超急冷法は活性な金属を含まない場合は大気中で行うことができる力活性な金属を含む場合は Ar、 He等の不活性ガス中又は真空中で行う。また窒素ガス、一酸ィ匕炭素又は二酸ィ匕炭素ガスを含む雰囲気で製造することもある。合金薄帯の表面粗さ Raは小さい程よぐ具体的には 5 m以下が好ましぐ 2 m以下がより好ましい。

[0038] 合金薄帯の少なくとも片面に、必要に応じて SiO、 MgO、 Al O等の被覆、化成処理

2 2 3

、アノード酸化処理等により絶縁層を形成すると、高周波成分を含む電流測定の際に高精度の電流測定が可能になる。絶縁層の厚さは、占積率低下を防ぐため、 0.5 m以下が望ましい。

[0039] アモルファス合金薄帯を卷回して卷磁心とした後、性能のばらつきが小さい磁心を得るために、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス等の不活性ガス中又は真空中で熱処理を行う。熱処理中の少なくとも一部の期間、合金が飽和するのに十分な強さ（例えば 40 kAm—¹以上）の磁界を印加し、磁気異方性を付与する。印加する磁界方向は卷磁心の高さ方向である。印加する磁界は、直流、交流、パルス磁界のいずれでも良い。磁界は 200°C以上の温度で通常 20分以上印加し、かつ昇温中、一定温度に保持中、及び冷却中も印加した方が角形比も小さくなり、 B-Hループの直線性も向上し、位相差や比誤差の絶対値の小さいカレントトランスが実現できる。これに対して、磁界中熱処理を適用しない場合は、カレントトランスとしての性能が著しく劣る。

[0040] 熱処理の際の最高温度は結晶化温度以上であり、具体的には 450〜700°Cである。

一定温度に保持する熱処理パターンの場合、保持時間は量産性の観点から通常 24 時間以下であり、好ましくは 4時間以下である。熱処理の際の平均昇温速度は好ましくは 0.1〜100°C/分であり、より好ましくは 0.1〜50°C/分である。また平均冷却速度は好ましくは 0.1〜50°C/分であり、より好ましくは 0.1〜10°C/分である。冷却は室温まで行う。この熱処理により、特にリニアリティが良好な B-Hループが得られ、位相差が小さく比誤差の絶対値変化が小さいカレントトランスが得られる。

[0041] 熱処理は 1段に限らず、多段で行っても良い。磁心が大きい場合や多数の磁心を熱処理する場合、結晶化温度付近を低速で昇温するか、結晶化温度付近で保持することにより、ゆっくりと結晶化を進行させるのが好ましい。これは、結晶化の際の発熱により磁心温度が上がりすぎて特性が劣化するのを防止するためである。熱処理は電気炉により行うのが好ましいが、合金に直流、交流又はパルス電流を流して合金を発熱させても良い。

[0042] 得られた磁心は、性能劣化を防ぐため、応力が力からないフエノール榭脂等の絶縁性ケースに入れるのが好ましいが、必要に応じて榭脂の含浸や被覆を行っても良い。磁心を入れたケースの上に検出卷線を卷くことにより、カレントトランスとする。本発明のカレントトランス磁心は直流が重畳された電流用に最も性能を発揮し、特に歪み波形に適応した規格である IEC62053-21に対応した積算電力量計用カレントトランス用に好適である。

[0043] (3)結晶構造

本発明のカレントトランス用磁心用の Fe基ナノ結晶合金は、少なくとも一部又は全部に平均粒径 50 以下の結晶粒を有する。結晶粒の割合は組織の 30%以上であるの好ましぐより好ましくは 50%以上であり、特に好ましくは 60%以上である。位相差や比誤差の絶対値が小さヽカレントトランス用磁心を得るのに望まし!/ヽ平均結晶粒径は 2 30 nmである。

[0044] Fe基ナノ結晶合金中の結晶粒は、主に FeCoや FeNiを主体とする体心立方構造 (b cc)を有し、 Si, B, Al, Ge, Zr等が固溶していても良ぐ規則格子を含んでいても良い。また合金中に部分的に Cuを含む面心立方 (fee)相を有していても良い。化合物相はな、方が好まし、が、僅かであれば含んでも良!、。

[0045] 合金中に結晶粒以外の相がある場合、その相は主にアモルファス相である。ァモルファス相が結晶粒の周囲に存在すると、結晶粒成長の抑制により結晶粒が微細化され、合金の抵抗率が高くなり、磁ィ匕のヒステリシスが小さくなるので、カレントトランスの位相差が改善される。

[0046] (4)特性

(a)磁束密度

Fe基ナノ結晶合金の 8000 Am— ¹における磁束密度 B は 1.2 T以上である必要があ

8000

る。 B 力 Sl.2 T未満では異方性磁界 Hを大きくできず、大きな直流バイアスが力かる

8000 K

用途や測定する電流が大きい場合にカレントトランスとして十分な特性を発揮できない。合金組成の調整により B を 1.6 T以上、さらに 1.65 T以上にすることができる。 [0047] (b)異方性磁界

異方性磁界 Hは磁心の飽和磁界を示す物性値であり、図 9に示すように B-Hルー

K

プの屈曲点における磁界に相当する。本発明のカレントトランス用磁心は 150〜1500 Am— ¹の異方性磁界 Hを有する。高飽和磁束密度とともに、この範囲の異方性磁界 H

K K

を有することにより、ヒステリシスが小さぐリニアリティに優れた B-Hループを有する力レントトランス用磁心が得られる。

[0048] (c)角形比

Fe基ナノ結晶合金の角形比 B /B は 5%以下である必要がある。 B /B 力を r 8000 r 8000 超えると、カレントトランスの位相差や比誤差の絶対値が大きくなり、特性が劣化するだけでなぐ大きな電流を測定した後の電流検出の特性変化が生じやすくなる。合金組成の調整により、 B /B は 3%以下、さらに 2.5%以下にすることができる。ここで、 r 8000

Bは残留磁束密度であり、 B は 8000 Am— ¹の磁界を印加した際の磁束密度である。 r 8000

[0049] (d)交流比初透磁率

Fe基ナノ結晶合金の 50 Hz及び 0.05 Am— ¹における交流比初透磁率は 800〜700 0である。このような交流比初透磁率を有する Fe基ナノ結晶合金力なるカレントトランス用磁心は、半波波形や直流がバイアスされた電流測定において、位相差が小さく比誤差の絶対値変化が小さい電流変換をすることができる。合金組成の調整により、交流比初透磁率を 5000以下、さらに 4000以下にすることもできる。

[0050] [2]カレントトランス及び電力量計

本発明のカレントトランスは、上記磁心と、一次卷線と、少なくとも一つの二次検出卷線と、二次検出卷線に並列に接続された負荷抵抗とを具備する。一次卷線は通常貫通 1ターンである。本発明のカレントトランスは、半波波形の電流や直流バイアス電流の場合等でも、位相差や比誤差の絶対値が小さぐ補正が容易で精度良い電流測定が可能である。本発明のカレントトランスは、測定する電流仕様に応じて抵抗を検出卷線に取り付ける。特に本発明のカレントトランスは半波正弦波交流電流の計測において定格電流範囲における位相差が 5° 以下、比誤差の絶対値が 3%以内の高精度の測定を実現できる。さらに本発明のカレントトランスは従来のパーマロイや Co基アモルファス合金を使用したものより温度特性に優れている。 [0051] 本発明のカレントトランス力構成された電力量計は、歪み波形 (半波整流波形）に適応した規格である IEC62053-21にも対応できるため、歪んだ電流波形の電力測定も可能である。

[0052] 本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

[0053] 実施例 1

Fe Co Cu Nb Si B (原子％)の合金溶湯を単ロール法により急冷し、幅 5 mm及び

83- 1 7 1 8

厚さ 21 μ mのアモルファス合金薄帯を得た。このアモルファス合金薄帯を外径 30 mm 及び内径 21 mmに卷回し、トロイダル磁心を作製した。磁心を窒素ガス雰囲気の熱処理炉に挿入し、磁心の磁路と垂直方向（合金薄帯の幅方向、すなわち磁心の高さ方向）に 280 kAm—¹の磁界を印加しながら、熱処理を行った。熱処理パターンは、 10°C/ 分での昇温、 550°Cで 1時間の保持、及び 2°C/分での冷却とした。電子顕微鏡観察の結果、熱処理後の合金は組織の 70%程度が粒径 10 nm程度の体心立方構造の結晶粒からなり、結晶相には一部規則格子も認められた。残部の組織は主にァモルファス相であった。 X線回折パターンからは体心立方構造の相を示す結晶ピークが認められた。

[0054] この Fe Co Cu Nb Si B (原子⁰ /₀)合金の 8000 Am— ¹における磁束密度 B 、角形

83- 1 7 1 8 8000 比 B /B 、保磁力 H、 50 Hz,0.05 Am— ¹における交流比初透磁率、及び異方性磁 r 8000 c r

界 Hを測定した。結果をそれぞれ図 1〜5に示す。この合金は、 Coが 3〜50原子％の

K

範囲では比較的高い磁束密度 B を示した。角形比 B /B は、 Coが 3〜50原子％

8000 r 8000

の範囲で 5%以下と低かった。保磁力 Hは Coが 3〜50原子％の範囲で比較的低かつた力 50原子％を超えると急激に増加した。交流比初透磁率は Co量の増加に伴い減少し、 3原子％以上で 7000以下となり、 50原子％を超えると 800未満となった。異方性磁界 Hは Co量の増加に伴い増加し、 3原子％以上では 150 Am— ¹以上であり

K

、 50原子％では 1500 Am— ¹であった。

[0055] x=25原子％の磁心に、 1ターンの一次卷線及び 2500ターンの二次検出卷線を施し、二次検出卷線に並列に 100 Ωの負荷抵抗を接続して、カレントトランスを作製した。一次卷線に 50 Hz及び 30 Aの正弦波交流電流を流し、 23°Cにおける位相差と比誤差 (絶対値で表す)を測定した結果、 Co量 X力原子％の時の位相差 Θは 0.5° 、比誤差 REは 0.1%であった。また、 Co量 Xが 16原子％の時の位相差 Θは 1.3° 、比誤差 REは 0.2%であり、 Co量 Xが 25原子％の時の位相差 Θは 2.5° 、比誤差 REは 1.7% であり、 Co量 Xが 30原子％の時の位相差 Θは 2.6° 、比誤差 REは 1.1%であった。また波高値が 30 Aの半波正弦波交流電流の測定の可否ついて、下記基準により評価した。結果を表 1に示す。

〇：精確に測定できた。

△:測定できたが、精確でなかった。

X：測定できな力つた。

[0056] [表 1]

[0057] Co量 Xが 10〜50の Fe基ナノ結晶合金からなる本発明のカレントトランス磁心は、半波正弦波交流電流のような直流重畳電流の計測が可能であった。また位相差が 3° 以下、及び比誤差の絶対値が 2%以下と小さな値を示した。

[0058] 実施例 2

表 2に示す組成の合金溶湯を Ar雰囲気中で単ロール法により急冷し、幅 5 mm及び厚さ 21 μ mのアモルファス合金薄帯を得た。このアモルファス合金薄帯を外径 30 mm 及び内径 21 mmに卷回し、カレントトランス磁心を作製した。各磁心に実施例 1と同じ熱処理を行った後、磁気測定を行った。熱処理後の合金の組織中には粒径 50應以下の極微細な結晶粒が形成されて、た。 No.33は比較例の Fe基ナノ結晶合金の磁心、 No.34は比較例の Co基アモルファス合金の磁心、 No.35は比較例のパーマロイの磁心である。

[0059] 各磁心を用いて作製したカレントトランスに対して、実施例 1と同様にして、 23°Cにおける定格電流の位相差及び比誤差 (絶対値で表す)、磁束密度 B

8000、角形比 B /B r 8

、交流比初透磁率、及び異方性磁界 Hを測定した。また波高値が 30Aの半波正弦波交流電流に対する測定の可否を下記基準により評価した。評価した。結果を表 2に示す。

〇：正確な測定が可能。

X：正確な測定が不可能。

[表 2]

注: *比較例。 2 (続き)

注: *比較例。

表 2のデータから、本発明のカレントトランス磁心は位相差や比誤差の絶対値が小さぐ特に半波正弦波交流電流のような非対称の電流波形の場合にもカレントトランスとして使用可能であることが分かる。これに対して、従来の Fe基ナノ結晶合金磁心（ No.33)やパーマロイ (No.35)は半波正弦波交流電流の正確な測定が困難であった。また従来の Co基アモルファス合金磁心（No.34)は本発明のカレントトランス用磁心より位相差や比誤差の絶対値が大き力つた。本発明のカレントトランス磁心は、積算電力量計や産業機器用等、幅広い分野のカレントトランスに使用可能であることが分かつた o

[0063] 実施例 3

Fe Co Cu Nb Si B (原子％)の合金溶湯を単ロール法により急冷し、幅 5 mm

53.8 25 0.7 2.6 9 9

及び厚さ 21 μ mのアモルファス合金薄帯を得た。このアモルファス合金薄帯を外径 30 mm及び内径 21 mmに卷回し、トロイダル磁心を作製した。

磁心を窒素ガス雰囲気の熱処理炉に挿入し、実施例 1と同様に熱処理を行った。ただし、熱処理パターンは、 5°C/分での昇温、 530°Cで 2時間の保持、及び 1°C/分での冷却とした。電子顕微鏡観察の結果、熱処理後の合金は組織の 72%程度が粒径 1 0 nm程度の体心立方構造の結晶粒力なり、残部は主にアモルファス相であった。 X 線回折パターンからは体心立方構造の相を示す結晶ピークが認められた。

[0064] 測定の結果、この Fe Co Cu Nb Si B (原子⁰ /₀)合金の 8000 Am— ¹における磁束

53.8 25 0.7 2.6 9 9

密度 B は 1.50 T、角形比 Β /Β は 1%、保磁力 Ηは 2.1 Am 50 Hz, 0.05 Am— こ

8000 r 8000 c

おける交流比初透磁率は 2200、異方性磁界 Hは 406Am— ¹であった。

r K

[0065] 図 6に本発明のカレントトランス磁心と従来の Co基アモルファス磁心（実施例 2で作製した比較例 No.34)の直流 B-Hループの一例、図 7に本発明のカレントトランス磁心の 50 Hzにおける交流比初透磁率の磁界依存性を示す。本発明のカレントトランス磁心は同程度の Hである Co基アモルファス合金磁心よりも交流比初透磁率が高

K r ぐ H以下の磁界の領域でほぼ一定の交流比初透磁率を示した。この磁心を用

K r

Vヽた本発明のカレントトランスは、半波正弦波交流電流のように直流が重畳しても使用でき、優れた特性を示すことが期待できる。

[0066] これらの磁心に、 1ターンの一次卷線及び 2500ターンの二次検出卷線を施し、二次検出卷線に並列に 100 Ωの負荷抵抗を接続して、カレントトランスを作製した。一次卷線に 50 Hz及び 30 Aの正弦波交流電流を流した時の、 23°Cにおける本発明のカレントトランスの位相差と比誤差の絶対値はそれぞれ 2.0%及び 2.4° であり、 Co基ァモルファス合金のカレントトランスはそれぞれ 3.6%と 4.6° であった。

本発明のカレントトランスを用いて作製した電力量計は、正負対称の正弦波交流電流だけでなぐ半波正弦波交流電流に対しても電力量測定が可能であった。

Claims

請求の範囲

[1] 一般式： Fe M Cu M' X' (原子％) (ただし、 Mは Co及び Z又は Niであり、 M'

100— X - a~y— c x a y c

は V, Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta及び Wからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、 X'は Si及び Z又は Bであり、 X, a, y及び cはそれぞれ 10≤x≤50、 0.1≤a≤3、 1 ≤y≤10、 2≤c≤30、及び 7≤y+c≤31を満たす数字である。 )により表される組成を有し、組織の少なくとも一部又は全部が平均粒径 50 nm以下の結晶粒からなり、 8000 Am— ¹における磁束密度 B 力 l.2 T以上であり、異方性磁界 H力 l50〜1500 Am— ¹で

8000 K

あり、角形比 B /B カ %以下であり、 50 Hz及び 0.05 Am— ¹における交流比初透磁 r 8000

率 μ力 00〜7000である合金力もなることを特徴とするカレントトランス用磁心。

[2] 請求項 1に記載のカレントトランス用磁心において、前記 Μの含有量 Xが 15≤χ≤40 であることを特徴とするカレントトランス用磁心。

[3] 請求項 1又は 2に記載のカレントトランス用磁心において、 Βの含有量が 4〜12原子

%であることを特徴とするカレントトランス用磁心。

[4] 請求項 1〜3のいずれかに記載のカレントトランス用磁心において、 Siの含有量が 0.

5〜17原子％であることを特徴とするカレントトランス用磁心。

[5] 請求項 1〜4のいずれかに記載のカレントトランス用磁心において、前記 M'の一部が Cr, Mn, Sn, Zn, In, Ag, Au, Sc,白金属元素, Mg, Ca, Sr, Ba, Y,希土類元素 ,N, O 及び Sからなる群力選ばれた少なくとも一種の元素で置換されていることを特徴とするカレントトランス用磁心。

[6] 請求項 1〜5のいずれかに記載のカレントトランス用磁心において、前記 X'の一部を C, Ge, Ga, Al, Be及び Pから選ばれた少なくとも一種の元素で置換した合金力もなることを特徴とするカレントトランス用磁心。

[7] 請求項 1〜6のいずれかに記載のカレントトランス用磁心において、磁心の高さ方向に 40 kAm— ¹以上の磁界を印加しながら 450〜700°Cの温度に 24時間以下の時間保持した後に室温まで冷却し、磁界中熱処理したことを特徴とするカレントトランス用磁心

[8] 請求項 1〜7に記載のカレントトランス用磁心において、半波正弦波交流電流を検出するために用いることを特徴とするカレントトランス用磁心。

[9] 請求項 1〜8のいずれかに記載のカレントトランス用磁心と、一次卷線と、少なくとも 1つの二次検出卷線と、前記二次検出卷線に並列に接続された負担抵抗とを具備することを特徴とするカレントトランス。

[10] 請求項 9に記載のカレントトランスにおいて、一次卷線が 1ターンであることを特徴とするカレントトランス。

[11] 請求項 9又は 10に記載のカレントトランスにおいて、 23°Cで定格電流範囲における位相差が 5° 以内であり、比誤差の絶対値が 3%以内であることを特徴とするカレントトランス。

[12] 請求項 9〜11のいずれかに記載のカレントトランスより得た電流値と、その時の電圧を積算処理することにより、使用電力を計算することを特徴とする電力量計。