(57)【要約】【課題】打抜きに比べて歩留りが高くかつ原料が低コストで容易に製造することができる環状巻鉄心であって、任意の透磁率を確実に得ることができる環状巻鉄心を提供する。【解決手段】挟持バンド１３がギャップ１２の間に０．０５ｍｍの微小厚みのＰＥＴフィルムをギャップ材として挟持させることで、ギャップ１２の間隔が０．０５ｍｍの微小間隔に容易に調整される。その結果、ギャップ１２の間隔に応じた任意の透磁率が確実に得られる。【選択図】図２
2013187235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性薄鋼板を積層状態に巻回して環状に構成した巻鉄心であって、
周方向の一部を接着樹脂により固化させた状態で径方向に切断することにより形成したギャップと、
前記ギャップに挿入される所定厚みの非磁性のギャップ材と、
前記ギャップ材を前記ギャップの間に挟持させる挟持手段とを備えていることを特徴とする環状巻鉄心。
【請求項２】
前記磁性薄鋼板の巻始め端および巻終り端の余長部が除去されていて、前記ギャップの端面位置に前記磁性薄鋼板の巻始め端および巻終わり端が位置していることを特徴とする請求項１に記載の環状巻鉄心。
【請求項３】
前記磁性薄鋼板が方向性ケイ素鋼板であることを特徴とする請求項１または２に記載の環状巻鉄心。
【請求項４】
前記挟持手段がギャップの間にギャップ材を挟持させた状態で前記磁性薄鋼板の全体が接着樹脂の含浸により固化されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の環状巻鉄心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電流の測定に使用される変流器用の鉄心に関し、詳しくは、家庭用の電力メータとして近年注目されているスマートメータなどの電子式電力量計用に好適な環状巻鉄心に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スマートメータは、双方向の通信機能を持った電子式電力量計であり、電力の消費状況に関する各種の情報をリアルタイムで取得できることから、家庭用の電力メータとして近年注目されている。このようなスマートメータには、交流電流を測定するための変流器（ＣＴ（Current Transformer））が内蔵されており、その出力信号は、電力の消費状況に関する各種の情報を取得できるようにデジタル化される。
【０００３】
ここで、交流電流の測定用に使用される変流器（ＣＴ）は、一般に、磁性体からなる鉄心に２次巻線が巻かれた構造を有する。この種の変流器用の鉄心として、大電流の測定も可能とするように、環状に構成された磁路の一部にギャップ（空隙）を設けて磁気飽和を緩和するようにした、いわゆるギャップ付きの環状鉄心（コア）が従来一般に知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、このようなギャップ付きの環状鉄心として、複数の磁性体薄板をコアの高さ方向に積層して構成した環状鉄心が従来一般に知られている（例えば特許文献２参照）。なお、この種の鉄心の材質としては、無方向性のケイ素鋼板ないしは透磁率の非常に大きいＰＣパーマロイ（約８０%のＮｉ合金）が測定誤差を小さくするために使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１８９１５７号公報
【特許文献２】特開２００９−２８３８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述した特許文献１、２に記載のようなギャップ付きの環状鉄心において、ギャップの間隔が広すぎると、透磁率が小さくなりすぎるため、スマートメータなどの電子式電力量計用に使用する場合には、位相角の調整が難しくなる。反対にギャップの間隔が狭すぎると、透磁率が大きくなって磁気飽和し易くなり、大電流の測定に支障を来すおそれがある。このような事情から、透磁率の実用範囲は８００〜３０００位であり、その範囲では、変流器の磁気特性としてのＢＨループが直線状となり、一次電流に対して満足すべき直線性を持つ。
【０００７】
なお、環状鉄心に使用される磁性材料は、ギャップ加工前は残留磁束密度が高い材料がもっとも良い。残留磁束密度の高い材料は、ギャップ加工した時の磁気特性において、ＢＨループの直線部が高い磁場領域まで伸びるからである。無方向性ケイ素鋼板やパーマロイの打ち抜き品はギャップ加工前の残留磁束密度が低いので、ギャップ加工後のＢＨループの直線性は残留磁束密度の高い方向性ケイ素鋼板と比べると明らかに劣り、丸みを帯びてくるので使用可能な電流領域が狭くなる。残留磁束密度の高い材料は、圧延方向と使用時に磁束が流れる方向が一致しているものであり、方向性ケイ素鋼板とＰＥパーマロイがある。これらの材料は巻鉄心として使われる時にその特徴が発揮される。
【０００８】
ここで、前述した透磁率の実用範囲のうち、中間側の透磁率１４００に対応するギャップの間隔は０．０５ｍｍ前後と非常に小さいため、このギャップを環状鉄心、特に環状巻鉄心に加工することは非常に難しかった。なお、環状巻鉄心にギャップを加工する場合、従来一般には環状巻鉄心の全体を樹脂含浸により固化することで、加工したギャップの端面がばらけないようにしているため、一端加工されたギャップ幅は調整不能であり、この点からも環状巻鉄心に微小幅のギャップを加工することは非常に困難であった。
【０００９】
ギャップの加工方法としては、放電加工、ワイヤーカット、レーザーカット、薄板砥石を使用した加工などが考えられるが、いずれも大量生産に適さず、加工コストもかさむという問題がある。放電加工、ワイヤーカットはともに電極またはワイヤーと材料間で放電を行うことにより材料を加工していくものだが、薄板鉄心の間に樹脂が含浸されているので放電が安定しないという問題があった。レーザーカットは材料を溶解して加工するものなので加工面が溶着してしまい、製品に供することはできなかった。また薄板砥石の場合、その厚みが０．０５ｍｍの物は、砥粒も１０μｍ以下の物を使わざるを得ず、砥粒自体が高価になるとともに、製作できる砥石の最大外径は７０ｍｍまでで損耗による寿命が短いという問題と、刃が欠けやすく実用に供することは難しかった。前記したような製造上の問題があり、０．０５ｍｍという微小厚みのギャップ加工は今まで行われてこなかった。
【００１０】
なお、直線状のＢＨループ特性が得られる変流器として、Ｃｏ系アモルファスの鉄心が知られている。このＣｏ系アモルファスの鉄心は、所定成分に配合された材料を急速冷却することで厚みがおよそ０．０２５ｍｍ程度の非晶質の薄板とし、これを巻鉄心に成形して板幅方向に磁界中熱処理を施したものであり、ギャップ加工は不要である。
【００１１】
しかしながら、Ｃｏ系アモルファスの鉄心は、Ｃｏを８０％以上含むために材料コストが上昇するという問題があり、また、板幅方向の磁界中熱処理が簡単ではなく、この点からもコストアップとなっている。さらに、Ｃｏ系アモルファスの巻鉄心も、磁界中熱処理の磁界の大きさとＢＨループが直線上になった時の透磁率が完全に比例するわけではなく、ある一定以上の磁界をかけるとそれ以上透磁率は下がらなくなるため、任意の透磁率を得ることはできない。またＣｏ系アモルファスよりも材料価格が安い、超微細結晶合金や鉄系アモルファスなどで、磁界中熱処理がやりやすいように成分調整したものがあるが、得られる透磁率はＣｏ系アモルファス同様に狭い。また磁束密度も低いのでコアサイズが大きくなるという問題もあった。
【００１２】
そこで本発明は、打抜きに比べて歩留りが高くかつ原料が低コストで容易に製造することができる環状巻鉄心であって、任意の透磁率を確実に得ることができる環状巻鉄心を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような課題を解決するため、本発明に係る環状巻鉄心は、磁性薄鋼板を積層状態に巻回して環状に構成した巻鉄心であって、周方向の一部を接着樹脂により固化させた状態で径方向に切断することにより形成したギャップと、このギャップに挿入される所定厚みの非磁性のギャップ材と、このギャップ材をギャップの間に挟持させる挟持手段とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る環状巻鉄心では、ギャップが形成された周方向の一部のみが接着樹脂により固化されており、その他の部分は固化されていないため、ギャップの幅は容易に広狭調整可能となる。このため、挟持手段がギャップの間に所定厚みのギャップ材を挟持させることで、ギャップの幅（間隔）がギャップ材の所定厚みに容易に調整される。その一例として、ギャップ材の厚みを例えば０．０５ｍｍという微小の厚みとすることで、ギャップの幅が例えば０．０５ｍｍという微小の幅に容易に調整される。
【００１５】
本発明の環状巻鉄心において、ギャップ付近に磁性薄鋼板の巻始め端および巻終わり端の余長部が存在すると、環状巻鉄心の形状の対称性が崩れて磁気特性の対称性も崩れるため、磁性薄鋼板の巻始め端および巻終わり端の余長部は除去されているのが好ましい。すなわち、本発明の環状巻鉄心においては、磁性薄鋼板の巻始め端および巻終わり端の余長部が除去されていて、ギャップの端面位置に磁性薄鋼板の巻始め端および巻終り端が位置しているのが好ましい。
【００１６】
本発明の環状巻鉄心において、磁性薄鋼板は、飽和磁束密度および残留磁束密度が非常に高く、かつ安価な方向性ケイ素鋼板とするのが好ましい。
【００１７】
また、本発明の環状巻鉄心において、挟持手段がギャップの間にギャップ材を挟持させた状態で磁性薄鋼板の全体が接着樹脂の含浸により固化されていると、所定幅に調整されたギャップの幅（間隔）が長期間に亘って確実に保持されるので好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る環状巻鉄心によれば、ギャップの間隔が微小な間隔であっても、ギャップ材の厚みをギャップの間隔に対応させることで、ギャップの間隔を容易に調整することができる。従って、ギャップの間隔を任意の間隔に調整することができ、任意の透磁率を確実に得ることができる。
【００１９】
本発明の環状巻鉄心において、磁性薄鋼板の巻始め端および巻終わり端の余長部が除去されていて、ギャップの端面位置に磁性薄鋼板の巻始め端および巻終わり端が位置している場合には、環状巻鉄心の形状の対称性が保持されるため、磁気特性の対称性を保持することができる。
【００２０】
また、本発明の変流器において、磁性薄鋼板が方向性ケイ素鋼板である場合には、任意の透磁率を有する環状巻鉄心を低コストで容易に製造することができる。
【００２１】
また、本発明の変流器において、挟持手段がギャップの間にギャップ材を挟持させた状態で磁性薄鋼板の全体が接着樹脂の含浸により固化されている場合には、所定幅に調整されたギャップの幅（間隔）を長期間に亘って確実に保持することができ、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る環状巻鉄心およびこれを収容する環状絶縁ケースの分解斜視図である。
【図２】図１に示した環状巻鉄心を環状絶縁ケースに収容した変流器の外観を示す斜視図である。
【図３】図１に示した環状巻鉄心の分解斜視図である。
【図４】図１に示した環状巻鉄心のＢＨループの特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付の図面を参照して本発明に係る環状巻鉄心の実施の形態を説明する。一実施形態の環状巻鉄心は、例えば家庭用の電子式電力量計（スマートメータ）に組み込まれて交流電流を測定する変流器（ＣＴ）に使用される。
【００２４】
図１に示すように、一実施形態の環状巻鉄心１０は、帯状の磁性薄鋼板１１を積層状態に巻回して環状に構成したものであり、その周方向の一部には半径方向に切断されたギャップ１２を有し、外周には挟持手段としての挟持バンド１３が装着されている。
【００２５】
このような環状巻鉄心１０は、上下に分割された構造の環状絶縁ケース（符号省略）のケース本体２１とケース蓋２２との間に収容される。そして、図２に示すように、ケース本体２１とケース蓋２２とで構成された環状絶縁ケース（符号省略）の周囲に、例えば直径０．１８ｍｍのマグネットワイヤからなる２次巻線２３が２５００ターンで巻回されることにより、交流電流を測定する変流器２０が構成される。
【００２６】
ここで、図１に示した環状の磁性薄鋼板１１は、例えば板厚が０．２３ｍｍ、板幅が５ｍｍの方向性ケイ素鋼板を積層状態に巻回することで、図３に示すように、例えば外径３０ｍｍ、内径２１ｍｍ、幅５ｍｍの環状に構成される。この磁性薄鋼板１１としての方向性ケイ素鋼板は、飽和磁束密度および残留磁束密度が非常に高いという特性を有し、しかも大型トランスなどに大量に使用されているので安価である。
【００２７】
環状に巻かれた磁性薄鋼板１１は、歪取り焼鈍の処理が施された後、巻始め端１４付近および巻終り端１５付近を含む周方向の一部に接着樹脂１６の塗布または含浸により固化される。接着樹脂１６としては、各種のエポキシ系樹脂やアクリル系樹脂を使用することができる。
【００２８】
そして、この接着樹脂１６により固化された磁性薄鋼板１１の周方向の一部が図示しない切断砥石により半径方向に切断されてギャップ１２が形成されている。このギャップ１２を形成するための切断砥石は、例えば厚みが０．３ｍｍ、外径が１５０ｍｍであって、その砥粒は＃１５０メッシュである。
【００２９】
ここで、環状に巻かれた磁性薄鋼板１１のギャップ１２付近には、内周側の巻始め端１４の余長部と、外周側の巻終り端１５の余長部とが存在しており、これらの余長部によって環状に巻かれた磁性薄鋼板１１の形状の対称性が崩れている。そこで、環状に巻かれた磁性薄鋼板１１の形状の対称性を確保するため、その巻始め端１４の余長部および巻終り端１５の余長部が適宜の手段により剥離されて除去されており、ギャップ１２の端面位置に巻始め端１４および巻終り端１５が位置している。
【００３０】
ギャップ１２には、その間隔を規定するためのギャップ材として、厚みが例えば０．０５ｍｍの合成樹脂フィルムが挿入される。具体的には、ギャップ１２の断面形状に切断されたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のフィルムがギャップ材（図示省略）として挿入される。
【００３１】
挟持バンド１３は、ギャップ１２の間にギャップ材（図示省略）を挟持させる挟持手段を構成するものである。この挟持バンド１３は、例えば厚みが０．１ｍｍの非磁性のステンレス鋼板をバンド状に切り抜いたものであり、その一端部には溶接固定用の舌片１３Ａが形成され、その他端部には舌片１３Ａが嵌り込む切込み１３Ｂが形成されている。
【００３２】
この挟持バンド１３は、環状に巻かれた磁性薄鋼板１１の外周にきつく巻付けられた状態で、その一端部の舌片１３Ａと他端部の切込み１３Ｂとがスポット溶接されることにより、厚み０．０５ｍｍのＰＥＴフィルムからなるギャップ材（図示省略）をギャップ１２の間に挟持させてギャップ１２の間隔を０．０５ｍｍに規定している。
【００３３】
以上のように構成された一実施形態の環状巻鉄心１０では、磁性薄鋼板１１はギャップ１２が形成された周方向の一部のみが接着樹脂により固化されており、その他の部分は固化されていないため、ギャップ１２の幅（間隔）は容易に広狭調整可能となる。このため、挟持バンド１３がギャップ１２の間に例えば０．０５ｍｍの微小の厚みのＰＥＴフィルムをギャップ材（図示省略）として挟持させることで、ギャップ１２の間隔が０．０５ｍｍという微小の間隔に容易に調整される。
【００３４】
このように、ギャップ１２の間隔が０．０５ｍｍ程度の微小な間隔であっても、ギャップ材（図示省略）の厚みをギャップ１２の間隔に対応させることで、ギャップ１２の間隔を容易に調整することができる。すなわち、一実施形態の環状巻鉄心１０によれば、ギャップ１２の間隔を任意の間隔に調整することができ、任意の透磁率を確実に得ることができる。
【００３５】
また、一実施形態の環状巻鉄心１０は、例えば０．３ｍｍの厚みの切断砥石を使用して加工した幅広のギャップ１２を０．０５ｍｍ程度の微小な間隔に調整したものであるため、微小間隔のギャップをレーザーカット、放電加工、ワイヤーカット、薄板砥石を使用した加工などにより加工する方式に較べ、極めて低コストで容易に製造することができる。
【００３６】
さらに、一実施形態の環状巻鉄心１０は、磁性薄鋼板１１として安価な方向性ケイ素鋼板を使用しているため、この点からも低コストで容易に製造することができる。
【００３７】
ここで、一実施形態の環状巻鉄心１０は、磁性薄鋼板１１の巻始め端１４の余長部と巻終り端１５の余長部とが除去されていて、ギャップ１２の端面位置に巻始め端１４および巻終り端１５が位置している。このため、一実施形態の環状巻鉄心１０は、形状の対称性が確保されていて、ＢＨループの特性の対称性が確保されている。
【００３８】
図４は一実施形態の環状巻鉄心１０と、ヨーロッパで使用されている従来例のＣｏ系アモルファス鉄心とを比較してそのＢＨループの測定結果を示しており、図中実線のグラフは一実施形態の環状巻鉄心１０のＢＨループであり、破線のグラフは従来例のＣｏ系アモルファス鉄心のＢＨループである。この実線のグラフおよび破線のグラフにおいて、直線部の傾斜で表される透磁率（磁束密度／磁界）は、共に１４００を示している。
【００３９】
図４に示されるように、従来例のＣｏ系アモルファス鉄心の飽和磁束密度が７，０００〜１０，０００［Ｇ］程度であるのに対し、一実施形態の環状巻鉄心１０の飽和磁束密度は１８，０００［Ｇ］程度に達している。このため、一実施形態の環状巻鉄心１０では、従来例のＣｏ系アモルファス鉄心に較べて２倍弱の電流を流すことが可能となり、同じ電流を流すとすれば、鉄心の断面積を１／２強程度まで小さくすることが可能となる。
【００４０】
そして、このような一実施形態の環状巻鉄心１０を使用した変流器２０（図２参照）について、交流電流の測定誤差を計測したところ、１２０Ａの大電流までＩＥＣ６２０５３−２１の規格のクラス１を満足することが確認できた。
【００４１】
本発明の環状巻鉄心は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、接着樹脂１６は、環状に巻かれた磁性薄鋼板１１の全体に含浸させてもよいし、その磁性薄鋼板１１の片側の端面の全面または両側の端面の全面に塗布してもよい。材料費および作業工数を含むコストを考えると、接着樹脂１６は、磁性薄鋼板１１の片側の端面に塗布するのが好ましい。
【００４２】
ギャップ１２に挿入されるギャップ材は、ＰＥＴフィルムに限らず、他の合成樹脂フィルムとしてもよい。耐熱温度が１２０℃まで要求される場合には、電気絶縁テープとして大量に販売されている安価なＰＥＴフィルムを使用することができる。さらに高い耐熱温度が要求される場合には、それに見合った耐熱フィルムを使用すればよい。
【００４３】
挟持手段としての挟持バンド１３は、非磁性であればステンレス鋼に限らず黄銅などの非鉄金属材料で構成してもよいが、熱膨張係数はなるべく小さい方が好ましい。また、挟持手段は、図３に示した挟持バンド１３のように両端部が溶接されるものではなく、両端部がカシメつけられるものや、両端部がねじり合わされるものであってもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０  ：環状巻鉄心
１１  ：磁性薄鋼板
１２  ：ギャップ
１３  ：挟持バンド
１３Ａ：舌片
１３Ｂ：切込み
１４  ：巻始め端
１５  ：巻終り端
１６  ：接着樹脂
２０  ：変流器
２１  ：ケース本体
２２  ：ケース蓋
２３  ：２次巻線
【図１】
2013187235.tif 000003
【図２】
2013187235.tif 000004
【図３】
2013187235.tif 000005
【図４】
2013187235.tif 000006