电流互感器用磁芯、电流互感器及瓦时计制造技术

一种由合金组成的电流互感器用磁芯，所述合金具有由通式：Ｆｅ↓［１００－ｘ－ａ－ｙ－ｃ］Ｍ↓［ｘ］Ｃｕ↓［ａ］Ｍ′↓［ｙ］Ｘ′↓［ｃ］（原子％）表示的组成，其中Ｍ为Ｃｏ及／或Ｎｉ；Ｍ′为从Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及Ｗ中选出的至少一种的元素；Ｘ′为Ｓｉ及／或Ｂ；ｘ、ａ、ｙ及ｃ为分别满足１０≤ｘ≤５０、０．１≤ａ≤３、１≤ｙ≤１０、２≤ｃ≤３０及７≤ｙ＋ｃ≤３１的数字，合金组织的至少一部分或全部由平均粒径５０ｎｍ以下的晶粒组成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种电流互感器用磁芯，以及使用其的电流互感器及瓦时计，其适于对半正弦波交流电流等的非对称波形的交流电流或直流重叠后的交流电流进行检测。
技术介绍
用于测量家庭及工业领域中的电气设备和装置的电力消耗量的瓦时计，有感应式瓦时计和电子式瓦时计。现有的主流是采用转盘的感应式瓦时计，近年来随着电子技术的发展，电子式瓦时计日益得到普及。对应IEC62053-22等原有规格的瓦时计，已经不能准确测出半正弦波交流电流等扭曲波形的电流，导致出现不能对电力进行准确测量的问题。因此，欧洲制定出了用于测量扭曲波形(半波整流波形)的瓦时计相关的IEC62053-21规格。在欧洲以外的地区，也废止使用现有的不能对扭曲波形进行准确电量测量的转盘式瓦时计，逐渐采用适合IEC62053-21规格的、将电流互感器(CT)或霍耳效应器件用于检测电流的瓦时计。在逆变器等工业用途中，电流互感器对扭曲波形的交流电流或直流重叠后的交流电流的检测也发挥出重要的作用。采用霍尔效应器件的电流传感器，是在磁芯上形成间隙并将霍耳效应器件配置在间隙部中，使被测电流流过的导线贯通于磁芯闭合磁路内，通过用霍尔效应器件检测出与在间隙部产生的电流大致成比例的磁场而进行电流测量。电流互感器(CT)以较多匝数将二次绕组卷绕在一个闭合磁路磁芯上，通常使一次线(被测电流流经的线路)贯通于闭合磁路内使用。图8所示为电流互感器(CT)型电流传感器的构成。磁芯的形状有环形和成组磁芯形，但在环形磁芯上绕组的方式，可以实现小型化并降低磁通泄漏，从而获得接近理论动作的性能。在交流的贯通电流I0，且RL＜＜2πf·L2的条件下，理想的输出电流i为I0/N(N二次绕组数)，输出电压E0为I0·RL/N(R负载电阻)。实际上，受到磁芯材的损失和磁通泄漏等的影响，输出电压E0要低于理想值。电流互感器的感度相当于E0/I0，但实际上该值由一次和二次的耦合系数决定。将耦合系数设为K的话，则E0＝I0·RL·K/N(K耦合系数)。在理想的电流互感器中，耦合系数K为1，但在实际的电流互感器中，由于受到绕组的内部电阻及负载电阻所需的励磁电流、泄露磁通及导磁率的非直线性等的影响，当RL在100Ω以下时，K值为0.95～0.99左右。磁路中存在间隙时会导致K值下降，因此无间隙的环形磁芯可以实现耦合度最高的理想的电流互感器。截面面积S越大，二次绕组数N越多，负载电阻RL越小，K值接近于1。该K值也因贯通电流I0而变化，当I0为100mA以下的微小电流时，K值呈下降趋势。特别是将低导磁率的材料用作磁芯材料时，这种趋势会变大，所以，必须高精度地测量微小电流时，可以使用高导磁率的磁芯材料。相对误差是各测量点上的理想值和实测值的误差比率，表示电流值的精度，耦合系数特性与相对误差特性相关联。相位差表示波形的精度，表示对于测定原波形的输出波形的相位偏移。电流互感器输出通常成为前进相。这两个特征，对用于积算瓦特计等的电流互感器是非常重要的特性。在需要测量微小电流的电流互感器中，为了提高耦合系数K而减小相对误差和位相差，一般可以采用起始导磁率高的坡莫合金等材料。电流互感器的最大贯通电流I0max为能够确保直线性的最大电流，不仅受到负载电阻和内部电阻的影响，还受到使用的磁芯材料的磁特性的影响。为了能够测量大电流，优选使用饱和磁通密度尽可能高的磁芯材料。作为用于电流互感器的磁芯材料，已知的有硅钢、坡莫合金、非晶态合金、Fe基纳米结晶合金材料等。材料便宜且磁通密度高的硅钢钢板，其导磁率低，磁滞大，磁化曲线的直线性也差，因此相对误差和相位差大且发生变动，难以获得高精度的电流互感器。另外因为剩余磁通密度大，难以对半波电流等非对称的电流进行准确的测量。将Fe基非晶态合金用于电流互感器时，存在相对误差和相位差的变动大的问题。在特表2002-525863号专利文献中，公开有一种在磁场中进行了热处理的Co基非晶态合金，由于其滞后小且具有直线性的良好磁化曲线，作为对非对称波形的电流进行检测的电流互感器(CT)表现出优良的特性。具有1500左右的低导磁率及直线性良好的磁化曲线的Co基非晶态合金，被用于所述的对应瓦时计规格IEC62053-21的电流测量用电流互感器(CT)。但是，Co基非晶态合金的饱和磁通密度为1.2T以下，尚不够充分，还存在热稳定性差的问题。因此，当大电流被偏置时，电流测量受到制约，导致出现不能实现小型化和稳定性不足的问题，另外，考虑到直流重叠并从磁饱和的观点来看，不太能够提高导磁率，因此出现作为电流互感器的重要特性即相对误差和相位差变大的问题。此外，由于含有大量昂贵的Co，在成本上也不具有优势。对应IEC62053-22等原有规格的积算瓦特计所使用的电流互感器用磁芯中，一直使用的是导磁率较高的坡莫合金等材料。这种高导磁率材料，虽然可以通过正负对称的电流或电压波形对电量进行测量，但不能从非对称的电流波形或歪曲电流波形(非对称电流波形)对电量进行测量。由于Fe基纳米结晶合金具有高透磁率而显示出优良的软磁特性，因此被用于共模扼流圈、高频变压器、脉冲变压器等的磁芯。Fe基纳米结晶合金的典型组成有特公平4-4393号和特开平1-242755号中所述的Fe-Cu-(Nb，Ti，Zr，Hf，Mo，W，Ta)-Si-B、Fe-Cu-(Nb，Ti，Zr，Hf，Mo，W，Ta)-B等。这些Fe基纳米结晶合金，通常从液相或气相进行急冷制成非晶质金属后，再通过热处理使之微结晶化后制成。已知Fe基纳米结晶合金具有与Fe系非晶态合金同等程度的饱和磁通密度和低磁歪，表现出优良的软磁特性。特开平1-235213号、特开平5-203679号及特表2002-530854号中，记述有Fe基纳米结晶合金适宜用作电流传感器(变流器(电流互感器))，该电流传感器被用于漏电断路器和积算瓦特计等。然而，现有的将坡莫合金或Fe基纳米结晶软磁性合金用作磁芯材料的电流互感器用磁芯，因为使用的是高导磁率材料，尤其是直流被偏置的情况下，会出现因为磁芯的磁饱和导致不能进行充分的电流测量的问题。Fe基纳米结晶软磁性合金磁芯的饱和磁通密度高且导磁率高，因此适用于漏电断路器等电流互感器，但因为Hk小，当用于直流电流被偏置的情况时，存在磁芯发生磁饱和导致电流测量变难的问题。用于半正弦波电流的电流互感器的情况下，将半正弦波电流的峰值设为Imax时，Imax/2π的直流电流发生重叠。因此，特表2002-530854号等中所述的现有的Fe基纳米结晶软磁性合金，因为其导磁率12000以上，变为电流互感器的磁芯被偏置直流磁场的状态，磁芯产生磁饱和。因此，不适宜于这种对称波形的电流测量。所以，需要提供一种磁性材料，即根据非对称电流波形也能对电量进行准确地测量的磁性材料。另外，还要求即使在重叠了直流电流的情况下，也能够从半正弦波电流波形那样的非对称电流波形，对交流电流进行准确的测量。为了满足这样的要求，需要提供一种电流互感器用磁芯，该电流互感器用磁芯使用的材料的剩余磁通密度低、磁滞小、磁化曲线的直线性优良、还具有不易饱和且较大的各向异性磁场Hk。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于，提供一种能够根据非对称的电流波形或扭曲电流波形(非对称电流波形)对电量进行准确测量的电流互感器用磁芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电流互感器用磁芯，其特征在于，由合金构成，该合金具有以原子％计由通式：Ｆｅ↓［１００－ｘ－ａ－ｙ－ｃ］Ｍ↓［ｘ］Ｃｕ↓［ａ］Ｍ′↓［ｙ］Ｘ′↓［ｃ］表示的组成，其中，Ｍ为Ｃｏ及／或Ｎｉ，Ｍ′为从Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及Ｗ中选出的至少一种元素，Ｘ′为Ｓｉ及／或Ｂ，ｘ、ａ、ｙ及ｃ为分别满足１０≤ｘ≤５０、０．１≤ａ≤３、１≤ｙ≤１０、２≤ｃ≤３０及７≤ｙ＋ｃ≤３１的数字，该合金组织的至少一部分或全部由平均粒径５０ｎｍ以下的晶粒构成，在８０００Ａｍ↑［－１］中的磁通密度Ｂ↓［８０００］为１．２Ｔ以上，各向异性磁场Ｈ↓［ｋ］为１５０～１５００Ａｍ↑［－１］，角形比Ｂ↓［ｒ］／Ｂ↓［８０００］为５％以下，５０Ｈ↓［ｚ］及０．０５Ａｍ↑［－１］中的交流比初始导磁率μ↓［ｒ］为８００～７０００。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2004-12-17 365957/20041.一种电流互感器用磁芯，其特征在于，由合金构成，该合金具有以原子％计由通式Fe100-x-a-y-cMxCuaM`yX`c表示的组成，其中，M为Co及/或Ni，M`为从V、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中选出的至少一种元素，X`为Si及/或B，x、a、y及c为分别满足10≤x≤50、0.1≤a≤3、1≤y≤10、2≤c≤30及7≤y+c≤31的数字，该合金组织的至少一部分或全部由平均粒径50nm以下的晶粒构成，在8000Am-1中的磁通密度B8000为1.2T以上，各向异性磁场Hk为150～1500Am-1，角形比Br/B8000为5％以下，50Hz及0.05Am-1中的交流比初始导磁率μr为800～7000。2.根据权利要求1所述的电流互感器用磁芯，其特征在于，所述M的含量x为15≤x≤40。3.根据权利要求1或2所述的电流互感器用磁芯，其特征在于，B的含量为4～12原子％。4.根据权利要求1～3中任一项所述的电流互感器用磁芯，其特征在于，Si的含量为0.5～17原子％。5.根据权利要求1～4中任一项所述的电流互感器用磁芯，其特征在于，所述M`的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉泽克仁，直江昌武，
申请(专利权)人：日立金属株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]