JP2005332851A - ホールｃｔ用コア - Google Patents

Abstract

【課題】磁性材料からなる環状鉄心にギャップを設け，このギャップ部にホール素子を挿入して環状鉄心の内径部に貫通する一次電流を測定するホールＣＴにおいて，大電流でも飽和することのないホールＣＴ用コアを低価格で供給可能とする。
【解決手段】複数の磁性材料からなるコア１を繋止部４を有する形であらかじめ絶縁材料３で包含しておき，この繋止部を組み合わせることにより，ホール素子を挿入する部分空間を設けた形で，環状鉄心を構成するようにしたことにより大電流でもコアの飽和が起こらないようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、ギャップ付きトロイダルコアのギャップ部にホール素子を挿入し，このトロイダルコアの内径部に貫通する一次導体に流れる電流を，ホール電圧として検出するホールＣＴ（ホール素子を使った変流器，変流器：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）に使われるコアに関するものである。

現在，自動車の電子化の進歩は非常に著しく，搭載電子部品の増大，モーターの搭載数量の増加などが進んできている。さらに最近は車のハイブリッド化，燃料電池車の実用化などと，電流の大容量化も進んできている。こうした中で，モーターの制御能力のアップやバッテリーの残量測定などに変流器の搭載が増加している。自動車の場合は，当然ながら直流電流を扱うことが多いので，一般の交流用の変流器は使えず，直流電流を測定できるいわゆるホールＣＴ（以後ＨＣＴと表記する。）を使用することが多い。また，太陽光発電や，小型ガスタービン発電技術が進歩し，これらの電流を検出したり制御することが多くなってきている。これらに流れる電流は，直流であったり高周波であったりすることが多いので，従来の交流用の変流器は使えない。

従来のＨＣＴには方向性珪素鋼鈑の巻鉄心が使われることが多い。形状は一般的に丸型と角型がある。貫通電線が丸の場合は丸型が使われ，板状のいわゆるバーと呼ばれる導体が使われる場合には角型が使われることが多い。方向性珪素鋼鈑がもっとも適している理由は，飽和磁束密度及び残留磁束密度が高いと言うことが上げられる。飽和磁束密度及び残留磁束密度が高いと，ギャップを入れた場合にその一次電流と二次出力としてのホール電圧の関係が直線的になり大電流まで使えることになる。無方向性の珪素鋼鈑などを使うと，元々の残留磁束密度が低いのでその分直線性が悪く，低い電流までしか使えない。フェライトは磁束密度が低いので，元々低い電流向けにしか使われていない。しかし金型で作られるのでその形状の自由度が高く，価格が安いことをメリットとして，低電流検出用などに使われている。

いずれの材料でも，その形状は環状鉄心に一ヶ所のギャップを切り，そのギャップの部分にホール素子を挿入して使うということである。従来の方向性珪素鋼鈑を使用したコアでは，例えば平均磁路長が０．０９６［ｍ］でギャップ幅が約１．５［ｍｍ］程度の時には磁界の強さが6,500[Ａ／ｍ]位までが限界であり，それ以上になると直線から外れてギャップ部の磁束密度は比例して上昇しなくなる。

また，貫通する一次電流が大きい場合にはその電線にはバー（銅板）が使われることが多く，このバーの板幅が広がると角型コアもそれに合わせてその内径部の大きいものを使用する必要があった。

また精度を上げる場合には，コアに巻線を施し，一次電流から発生する磁束を打ち消すようにこの巻線（二次巻線）に電流を流し，ホール素子で常にコアギャップ部の磁束が零磁束となるように測定制御を行い，二次巻線に流れる電流を計測することで一次電流の大きさを計測するサーボ式と呼ばれるＨＣＴコアも作られている。この時コアは丸型で，その巻線にはトロイダル巻線機が用いられ，その巻線工数はかなり大きくなり，加工費がかなり割高になっている。コアが角型の場合には，トロイダル巻線機に装着できないので製造するのは困難であった。

自動車用に使われその使用量が増大している為に，コアの製造メーカはそのコストダウンを強く要求されると共に，その生産能力のアップも要求されている。しかし，珪素鋼鈑の角型の巻鉄心を作るのはそう簡単ではない。巻鉄心を成形する場合，丸型の場合には比較的高速で巻き取ることが出来るが，角型の場合は角部があるため速度を落とさざるを得ない。また，コアを巻き取る内径側の巻芯も，コアからはずしてしまうと角型巻鉄心の寸法が変わってしまうため，巻芯ごと成形機から取り外す必要がある。丸型の場合は巻芯ごと取り外す必要はなく，コアのみを取り外せば良い。そのため角型の場合は，生産量を増やそうとしたらその数に比例して巻芯を作り足さなければならない。成形が終ったあとには，歪取りのための熱処理が必要である。この時も角型鉄心は，寸法を出す為に外径側から内径側に巻芯と共にコアをおさえる治具に入れて締めこんだ状態で熱処理することが多い。丸型の場合はこうした治具も作業も不要である。結果として，コストが高くなり大量生産も困難である。

本発明は比較的電流の大きい所に使われる角型のコアに関するものである。上記したように従来のコアは高コストであり大量供給生産がむずかしいと言う問題があった。さらに磁界強さが６，５００［Ａ／ｍ］位で飽和してしまうという問題もあった。またコアが角型の場合は，巻線付きの物を製造できないという問題点もあった。さらに一次電流を流すバーが大きくなるとコアも大きくせざるを得ないと言う問題も有った。

本発明は、上記したような問題点を解決するものである。

本発明の角型コアは，巻鉄心にかえてこれを打抜きプレス化するものであり，打抜き鉄心でこれを供給するものである。プレス加工で作るから，生産量が幾ら増えても生産供給能力には特に問題は起こらない。若干歩留は巻鉄心方式に比べると悪くなるが，生産性は格段に上がる。プレスであれば，完全自動で２４時間稼動させることも可能である。大幅な増産要求が有った場合でも，巻鉄心の場合は専用の成形機を作り足す必要があるが，プレスの場合は金型のみをつくり足せばよい。結果として，安価に大量供給できる体制を構築できる。

本発明では，コアを打抜きで製造するとともに，これを複数のコアから構成するようにした。複数のコアの間は絶縁体で包含する時に一定の間隔をあけるようにした。一ヶ所のギャップ部にはホール素子を後から挿入するための空間をあけておくか，あらかじめホール素子を挿入して絶縁体で包含する。ホール素子の歩留が良く不良発生が少ない場合には前もって包含することが出来るし，ホール素子の歩留が悪い場合には空間を空けておき後で不具合があった時差し替えが出来るようにしておく。こうすることにより，コアは複数のギャップを持った環状鉄心を構成することになる。複数のギャップがあるとコア個々の反磁界は大きくなるのでコアは飽和しづらくなり，飽和するまでの磁界を大きくすることが可能になる。一次電流の大きさに合わせて，このギャップ幅とギャップの数を調節することが可能である。

本発明では，単体または複数のコアをあらかじめ絶縁体で繋止部を有する形で包含しておく。その後この繋止部を使いお互いを繋止することにより環状鉄心として構成させる。こうすることにより，一次導体のバーに後からコアを装着することが可能になる。例えば広幅のバーの一部の幅を狭めて導体抵抗がほとんど上がらないようにしておき，後からこの狭めた部分に上記したコアを取り付けることを可能にした。従来はバーの一番広い部分に合わせた形の大きなコアを使わなければならなかったが，小さなコアで済むようにした。

また，単体または複数のコアをあらかじめ絶縁体で繋止部を有する形で包含しておき，このコアにトロイダル巻線機でない普通のボビン巻線機で巻線しておく。このコアを，繋止部を使いお互いを繋止する事により環状鉄心を構成させる。こうすれば今まで作れなかった角型形状で巻線付きのものが製造できる。

一次電流が大電流でも中々飽和せず，ホール電圧が一次電流に対し直線的であるＨＣＴ用コア，あるいは大電流に使える精度の良い巻線付きＨＣＴ用コア，もしくは一次電流電線がバーの場合バーの大きさに合わせて大きなコアを使用しなければならない所を小さいコアで済むようにして，これらのコアを低価格，高生産性で提供できるようにした。

図１は、本発明の１実施例の平面図及び正面図であり、１は磁性材料からなるコア，2はギャップ部，３は複数のコアを包含する絶縁体である。図２は別の実施例の平面図及び正面図であり１〜３は図１と同様である。

図1の場合ギャップ部２は完全に切り離されているが，ホール素子を挿入する部分を除いて左右の両端が接続されている図２のようであっても特に問題はなく，効果は同様である。左右の接続は一箇所でも図２のように二箇所であっても同様である。

磁性材料からなるコアの材質は，極端に言えばなんでも良く，方向性珪素鋼鈑，無方向性珪素鋼鈑，フェライト，パーマロイ，アモルファスなどを使用することが可能である。しかし，理想的に言えば，高性能，高生産性，低価格を実現する為には，飽和磁束密度が方向性珪素鋼鈑並みに高く，プレス加工が可能であり，プレス加工による磁気特性の劣化が少なく，またプレス加工後の熱処理が不要であり，絶縁体で包含した時の硬化収縮歪による特性劣化の少ない，磁歪定数の小さい６．５％珪素鋼鈑（商品名：ＪＦＥスチール株式会社製ＪＦＥスーパーコア，ＪＮＥＸ）がもっとも望ましい。図では角型形状で示したが，丸型形状でもその効果は同様である。本発明では打抜き鉄心の例で示しているが，巻鉄心を複数個使っても効果は同等である。しかし，この場合加工工数が増加するので低コスト化はこれを達成するのがむずかしくなる。

絶縁体は，一般の樹脂材料であればなんでも良いが，可能な限り中に包含されるコアの熱膨張係数に出来るだけ近いものが，ヒートサイクルなどの環境試験の観点からは一番良い。形状的には，金型の中にコアを入れて後から樹脂を射出するいわゆるインサート成形方式で作っても良いし，あらかじめ樹脂で成形したケースにコアを入れて，後から液状の樹脂を空間部に流し込んだ後硬化させる方式で作っても良い。コアのギャップ調整は，インサート成形の場合はコアを保持する金型内のコア保持部の距離で行い，ケースに入れて樹脂をポッティングする場合は，ケース内部のギャップ部に必要な突起を設けるなどすればよい。

図1の形態は，従来の珪素鋼鈑で作った図７に示した角型コアとほぼ同等の形状のものといえる。

図９は，本発明の別の形態の１実施例の平面図及び正面図である。１，３は図１と同等である。１３はホール素子であり，１４はホール素子からの引出線である。図２の空間部にホール素子を挿入し，絶縁体で一緒に包含したものである。こうしておけば，この状態では後からホール素子を挿入し別途固定する為の工程が不要になるという利点がある。この図ではホール素子のみを挿入した図になっているが，他の部品とともに実装されたホール素子をこの空間部に挿入し基板ごと絶縁体で包含するようにしてもその効果は同じである。

図３は，本発明の別の形態の１実施例の平面図及び正面図である。１〜３は図1と同様である。４は左右のコアを繋止する為の繋止部である。

図３では，左右２個のコアがそれぞれ２個の複数の磁性材料から構成されている。この２個の磁性材料からなるコアをあらかじめ絶縁体で繋止部を有する形で包含しておき，この２個のコアを繋止部を用いて組立てることにより最終的に図３で示したような環状鉄心となるようにしている。この時，図３では左右の各コアを２個の磁性材料で構成するようにしているが，これは１個でも良いし，あるいは２個以上の複数であっても良い。環状鉄心を構成する磁性材料からなる部材を２個使えば２分割コアになるし，４個使えば４分割コアとなる。この個数を多くすれば工数が増えてコストが上がるがより大電流領域まで使えるようになる。

繋止部４は，図３ではお互いのコアを繋止する為にボルトナットで固定できるような構造となっているが，はめあい構造としてお互いを押し込んだら固定できるようにするとか，ボルトナットでこのコアを固定する為の基板とか一次導体バーに直接固定できるようにするとか，どんな構造のものであっても良い。

図３の実施例は，図５で示したバー７のくびれ部分８の部分に後から取り付けることが可能であり機器全体の寸法を小さくできるという効果がある。

図４は，本発明の別の形態の１実施例の平面図及び正面図である。１〜３は図1と同様である。４は図３と同様である。５はこの部分に巻線をしたコイルを示している。６はこのコイルの倒れ防止のためのつばである。

図４の場合は，コアが左右に分離するので５の部分にボビン巻線機を使い巻線することが可能である。図４では左側のコアにしか巻線を巻いていないが，右側も左側と同様に巻線して使用してもなんら問題はない。左右に巻線したほうがバランスが取れるので特性は安定する。つば６は，巻線が崩れても良いのであれば必ずしも必須ではない。

図8にこれらのＨＣＴ特性（磁界強さとギャップ部の磁束密度の関係）の測定例を示す。コアの平均磁路長はおよそどれも０．０９６［ｍ］である。ギャップ幅は１．５［ｍｍ］である。９は方向性珪素鋼鈑を用いたものでギャップは一箇所である。これはおよそ６５００［Ａ／ｍ］まで飽和せずに直線性を示している。１０はＪＮＥＸ材の打抜き品であり，ギャップは一箇所である。この場合，直線部分は１６００［Ａ／ｍ］の非常に小さい領域までであることが分かる。この改善を狙ったものが本発明の目的の一つである。１１はコアを２個に分割したものであり，ギャップは１．５［ｍｍ］が２箇所あるものである。１２はコアを４分割したものでありギャップは１．５［ｍｍ］が４箇所あるものである。いずれも９７５０［Ａ／ｍ］まで飽和することなく直線性を示している。従来方法に比べ特性を大幅に改善していることが分かる。

図６，７に従来例のコアを示す。１〜２は図１と同等である。これらのコアは一般的に方向性珪素鋼鈑の巻鉄心から構成されている。一般的には，巻鉄心を成形した後，成形歪等を除去する為に熱処理を行う。その後ギャップ加工によるコアのバラケを防ぐ為とギャップ加工がスムースに行くようにする為に接着剤等を真空含浸しその後加熱硬化される。その後所定のギャップ加工を行い図６，７に示す形状のコアを得る。

大電流領域まで直線性が確保できるようにし，かつ低価格，大量生産を可能にしたので，自動車用への大量使用を可能とするとともに，今後発展が期待されている太陽光発電やガスタービン発電などによる直流発電用にも適用が可能である。

複数の磁性体を，ホール素子を挿入する部分を除いて絶縁体で包含した説明図である。（実施例１） 図１の別の実施例の説明図である。（実施例１） 図１の物を左右に分離できるようにして，分離したもの同士を繋止できるようにしたものの説明図である。（実施例３） 図３のものにコイルを巻線したものの説明図である。（実施例４） バー状の板材の一部を幅方向で狭くしたくびれを持った一次導体の説明図である。（実施例３） 従来の丸型コアの形状の説明図である。 従来の角型コアの形状の説明図である。 従来例と実施例の特性比較例の説明図である。 複数の磁性体とホール素子を一緒に絶縁体で包含した説明図である。（実施例２）

符号の説明

１ コア
２ ギャップ
３ 絶縁材
４ 繋止部
５ コイル
６ つば
７ バー
８ バーのくびれ部
９ 従来の方向性珪素鋼鈑の特性例
１０ ＪＮＥＸ材の１ギャップの特性例
１１ ＪＮＥＸ材の２分割コアの特性例
１２ ＪＮＥＸ材の４分割コアの特性例
１３ ホール素子
１４ ホール素子の引き出し線

Claims (4)

1. 複数の磁性材料からなるコアを，ホール素子を挿入する部分を除き絶縁体で包含し環状鉄心として一体となるようにしたことを特徴とするホールＣＴ用コア。
2. 複数の磁性材料からなるコアを，ホール素子とともに絶縁体で包含し環状鉄心として一体となるようにした事を特徴とするホールＣＴ用コア。
3. 単独又は複数の磁性材料からなるコアを，ホール素子を挿入する空間部を設けるかあるいはホール素子を挿入した状態であらかじめ絶縁体で繋止部を有する形で包含し一体となるようにしておき，さらにこの繋止部を組み合わせて環状鉄心として一体となるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のホールＣＴ用コア。
4. 単独又は複数の磁性材料からなるコアを，ホール素子を挿入する空間部を設けるかあるいはホール素子を挿入した状態であらかじめ絶縁体で繋止部を有する形で包含し一体となるようにしておき，これに必要な巻線を施し，それからこの繋止部を組み合わせて環状鉄心として一体となるようにしたことを特徴とする請求項３に記載のホールＣＴ用コア。

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