(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式：Fe100-x-a-y-cMxCuaM'yX'c（原子％）（ただし、MはCo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Bであり、x, a, y及びcはそれぞれ25≦x≦35、0.1≦a≦３、１≦y≦10、19≦c≦25、及び20≦y＋c≦31を満たす数字である。）により表される組成を有し、B含有量が6.5〜12原子％、及びSi含有量が7〜16.5原子％であり、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B8000が1.2 T以上であり、異方性磁界HKが400〜1500 Am-1であり、角形比Br/B8000が5％以下であり、50 Hz及び0.05 Am-1における交流比初透磁率μrが800〜2400である合金からなることを特徴とする半波正弦波交流電流を検出するために用いるカレントトランス用磁心。
【請求項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からなる群から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。
【請求項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、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からなることを特徴とするカレントトランス用磁心。
【請求項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、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℃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。
【請求項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と、一次巻線と、少なくとも１つの二次検出巻線と、前記二次検出巻線に並列に接続された負担抵抗とを具備し、23℃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。
【請求項６】
請求項５に記載のカレントトランスにおいて、一次巻線が１ターンであることを特徴とするカレントトランス。
【請求項７】
請求項５又は６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。
【発明の詳細な説明】
【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が、近年は電子技術の発達に伴い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い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）は通常、一つの閉磁路磁心と、閉磁路内を貫通する１次線（測定電流の流れる線）と、比較的多いターン数の２次巻線を有する。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が、リング型巻磁心に巻線した方式は、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】
RL<<2πf・L2の条件で交流の貫通電流I0から得られる理想的な出力電流iはI0/N (N:２次巻線数)であり、出力電圧E0はI0・RL/N (RL: 負荷抵抗)である。実際には、磁心の損失や漏洩磁束等の影響を受けて、出力電圧E0は理想値より低い。カレントトランスの感度はE0/I0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決定される。結合係数をKとすれば、E0＝I0・RL・K/N (K:結合係数)となる。
【０００６】
理想的なカレントトランスでは結合係数Kは1であるが、実際のカレントトランスでは巻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、RLが100Ω以下ではK＝0.95〜0.99程度の値となる。Kの値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。K値は断面積Sが大きいほど、２次巻線数Nが多い程、負荷抵抗RLが小さいほど１に近づく。このK値は貫通電流I0によっても変化し、I0が100 mA以下の微少電流の場合、K値は低下する傾向を示す。特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い場合は、透磁率の高い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に対応する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I0maxはリニアリティが確保される最大電流であり、負荷抵抗や内部抵抗だけでなく、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、アモルファス合金、Fe基ナノ結晶合金材料等が知られている。安価で磁束密度が高い珪素鋼板は、透磁率が低く、ヒステリシスが大きく、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基アモルファス合金が、直線性の良い磁化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化曲線を有する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、大きな電流が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いという問題や直流重畳を考慮すると磁気的飽和の観点から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からなる磁心では、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から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、コモンモードチョークコイル、高周波トランス、パ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号や特開平1-242755号に記載のFe-Cu-(Nb, 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系ア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））に好適なことを記載している。
【００１３】
しかしながら、従来のパーマロイやFe基ナノ結晶軟磁性合金の高透磁率材を用いたカレントトランス用磁心には、特に直流がバイアスされた場合、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ーカ等のカレントトランスには適しているが、HKが小さいため直流電流がバイアスされる用途の場合、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Imaxとすると、Imax/2πの直流電流が重畳する。このため、特表2002-530854号等に記載されている従来のFe基ナノ結晶軟磁性合金磁心は、透磁率が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バイア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から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や、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いる。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、直線性の良い磁化曲線、及び飽和しにくい比較的大きな異方性磁界HKを有する磁心材料を用いたカレントトランス用磁心が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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）から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、か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／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B8000が1.2 T以上であり、異方性磁界HKが150〜1500 Am-1であり、角形比Br/B8000が５％以下であり、50 Hz及び0.05 Am-1における交流比初透磁率μrが800〜7000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：Fe100-x-a-y-cMxCuaM'yX'c（原子％）（ただし、MはCo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Bであり、x, a, y及びcはそれぞれ25≦x≦35、0.1≦a≦３、１≦y≦10、19≦c≦25、及び20≦y＋c≦31を満たす数字である。）により表される組成を有し、B含有量が6.5〜12原子％、及びSi含有量が7〜16.5原子％であり、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B8000が1.2 T以上であり、異方性磁界HKが400〜1500 Am-1であり、角形比Br/B8000が5％以下であり、50 Hz及び0.05 Am-1における交流比初透磁率μrが800〜2400である合金からなることを特徴とする。
【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℃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、一次巻線と、少なくとも１つの二次検出巻線と、前記二次検出巻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、一次巻線は１ターンであるのが好ましい。また23℃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、直線性の良い磁化曲線、及び飽和しにくい比較的大きな異方性磁界HKを有するため、小型で、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】カレントトランス磁心に用いるFe83-xCoxCu1Nb7Si1B8（原子％）合金の8000 Am-1における磁束密度B8000を示すグラフである。
【図２】カレントトランス磁心に用いるFe83-xCoxCu1Nb7Si1B8（原子％）合金の角形比Br/B8000を示すグラフである。
【図３】カレントトランス磁心に用いるFe83-xCoxCu1Nb7Si1B8（原子％）合金の保磁力Hcを示すグラフである。
【図４】カレントトランス磁心に用いるFe83-xCoxCu1Nb7Si1B8（原子％）合金の50 Hz及び0.05 Am-1における交流比初透磁率μrを示すグラフである。
【図５】カレントトランス磁心に用いるFe83-xCoxCu1Nb7Si1B8（原子％）合金の異方性磁界HKを示すグラフである。
【図６】カレントトランス磁心に用いるFe53.8Co25Cu0.7Nb2.6Si9B9（原子％）合金磁心と従来の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】カレントトランス磁心に用いるFe53.8Co25Cu0.7Nb2.6Si9B9（原子％）合金磁心の50 Hzにおける交流比初透磁率μr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化困難軸方向のB-Hループにおける異方性磁界HKを示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
[1] Fe基ナノ結晶合金
(1) 組成
カレントトランス磁心用のFe基ナノ結晶合金は、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する。
【００３０】
MはCo及び／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HK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ア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≦50である。xが10原子％未満ではHKが小さいために、直流が重畳されると磁心が飽和し、電流測定が困難である。xが50原子％を超えるとHKが大きくなりすぎ、位相差や比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化し、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１≦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HK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／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HK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の含有量が４〜12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く、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。特に好ましい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からなる群から選ばれた少なくとも一種の元素で置換しても良く、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からなる群から選ばれた少なくとも一種の元素で置換しても良い。【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、リング状に巻回して巻磁心とし、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。熱処理前のアモルファス合金薄帯は結晶相を含まない方が望ましいが、一部に結晶相を含んでも良い。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が、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、一酸化炭素又は二酸化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は小さい程よく、具体的には5μm以下が好ましく、2μm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SiO2、MgO、Al2O3等の被覆、化成処理、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、0.5μm以下が望ましい。
【００３９】
アモルファス合金薄帯を巻回して巻磁心とした後、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巻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℃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℃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℃/分であり、より好ましくは0.1〜50℃/分である。また平均冷却速度は好ましくは0.1〜50℃/分であり、より好ましくは0.1〜10℃/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、応力がかからないフェノール樹脂等の絶縁性ケースに入れるのが好ましいが、必要に応じて樹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巻線を巻くことにより、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 nm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く、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いカレントトランス用磁心を得るのに望ましい平均結晶粒径は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（bcc）を有し、Si, B, Al, Ge, Zr等が固溶していても良く、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（fcc）相を有していても良い。化合物相はない方が好ましいが、僅かであれば含んでも良い。【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。ア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、磁化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B8000は1.2 T以上である必要がある。B8000が1.2 T未満では異方性磁界HKを大きくできず、大きな直流バイアスがかかる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B8000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HK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ループの屈曲点における磁界に相当する。カレントトランス用磁心は150〜1500 Am-1の異方性磁界HK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HKを有することにより、ヒステリシスが小さく、リニアリティに優れたB-Hループを有するカ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Br/B8000は5％以下である必要がある。Br/B8000が５％を超えると、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く、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、Br/B8000は３％以下、さらに2.5％以下にすることができる。ここで、Brは残留磁束密度であり、B8000は8000 Am-1の磁界を印加した際の磁束密度である。【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μrは800〜7000である。このような交流比初透磁率μrを有するFe基ナノ結晶合金から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μr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、一次巻線と、少なくとも一つの二次検出巻線と、二次検出巻線に並列に接続された負荷抵抗とを具備する。一次巻線は通常貫通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く、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巻線に取り付ける。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から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】
参考例１
Fe83-xCoxCu1Nb7Si1B8（原子％）の合金溶湯を単ロール法により急冷し、幅5 mm及び厚さ21μm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に巻回し、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℃/分での昇温、550℃で1時間の保持、及び2℃/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。
【００５４】
このFe83-xCoxCu1Nb7Si1B8（原子％）合金の8000 Am-1における磁束密度B8000、角形比Br/B8000、保磁力Hc、50 Hz,0.05 Am-1における交流比初透磁率μr、及び異方性磁界HK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％の範囲では比較的高い磁束密度B8000を示した。角形比Br/B8000は、Coが３〜50原子％の範囲で５％以下と低かった。保磁力HcはCoが３〜50原子％の範囲で比較的低かったが、50原子％を超えると急激に増加した。交流比初透磁率μr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HK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、50原子％では1500 Am-1であった。【００５５】
x＝25原子％の磁心に、１ターンの一次巻線及び2500ターンの二次検出巻線を施し、二次検出巻線に並列に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。一次巻線に50 Hz及び30 Aの正弦波交流電流を流し、23℃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が0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。
○：精確に測定できた。
△：測定できたが、精確でなかった。
×：測定できなかった。【００５６】
【表１】
0004716033.tif 000002
【００５７】
Co量xが10〜50のFe基ナノ結晶合金からなる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１
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21μm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に巻回し、カレントトランス磁心を作製した。各磁心に参考例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 nm以下の極微細な結晶粒が形成されていた。No.1〜5、9、10、12〜14、16〜20、23〜27、29、31及び32は参考例のカレントトランス磁心であり、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、参考例１と同様にして、23℃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B8000、角形比Br/B8000、交流比初透磁率μr、及び異方性磁界HK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。
○：正確な測定が可能。
×：正確な測定が不可能。
【００６０】
【表２】
0004716033.tif 000003
注：* 比較例。
【００６１】
表２（続き）
0004716033.tif 000004
注：* 比較例。
【００６２】
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く、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かった。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った。【００６３】
参考例２
Fe53.8Co25Cu0.7Nb2.6Si9B9（原子％）の合金溶湯を単ロール法により急冷し、幅5 mm及び厚さ21μm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に巻回し、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、参考例１と同様に熱処理を行った。ただし、熱処理パターンは、５℃/分での昇温、530℃で２時間の保持、及び１℃/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10 nm程度の体心立方構造の結晶粒からなり、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Fe53.8Co25Cu0.7Nb2.6Si9B9（原子％）合金の8000 Am-1における磁束密度B8000は1.50 T、角形比Br/B8000は1％、保磁力Hcは2.1 Am-1、50 Hz, 0.05 Am-1における交流比初透磁率μrは2200、異方性磁界HKは406Am-1であった。【００６５】
図６に参考例２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１で作製した比較例No.34）の直流B-Hループの一例、図７に参考例２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μrの磁界依存性を示す。参考例２のカレントトランス磁心は同程度のHK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μrが高く、HK以下の磁界の領域でほぼ一定の交流比初透磁率μrを示した。この磁心を用いた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ターンの一次巻線及び2500ターンの二次検出巻線を施し、二次検出巻線に並列に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。一次巻線に50 Hz及び30 Aの正弦波交流電流を流した時の、23℃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基ア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。【００６７】
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く、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。
【図１】
0004716033.tif 000005
【図２】
0004716033.tif 000006
【図３】
0004716033.tif 000007
【図４】
0004716033.tif 000008
【図５】
0004716033.tif 000009
【図６】
0004716033.tif 000010
【図７】
0004716033.tif 000011
【図８】
0004716033.tif 000012
【図９】
0004716033.tif 000013