DE112015005669T5

DE112015005669T5 - Stromsensor und Messvorrichtung

Info

Publication number: DE112015005669T5
Application number: DE112015005669.6T
Authority: DE
Inventors: Osamu Yokota; Hidekazu Masuda
Original assignee: Hioki Denki KK; Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-08-24
Also published as: JP2016114558A; JP6541962B2; US10451656B2; US20170336443A1; WO2016098750A1; CN107003342A; CN107003342B

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird die Linearität der Erfassungsempfindlichkeit aufrechterhalten. Es werden ein ringförmiger Magnetkern CR, der einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, der einen gemessenen elektrischen Pfad (5) umschließt, ein magnetoelektrischer Wandler (15), der den magnetischen Fluss innerhalb des Magnetkerns CR erfasst und ein elektrisches Signal mit einer Größe des magnetischen Flusses entsprechenden Amplitude ausgibt, eine Spule (16), die auf dem Magnetkern CR ausgebildet ist und der ein basierend auf dem elektrischen Signal erzeugter Gegenkopplungsstrom zugeführt wird, und ein inneres Abschirmelement SH2 bereitgestellt, das mindestens in der Nähe des magnetoelektrischen Wandlers (15) und der Spule (16) angeordnet ist. Ein erster Spalt G1, der einen Magnetowiderstand eines geschlossenen magnetischen Kreises erhöht, der ein geschlossener magnetischer Kreis für einen Streufluss φ3 ist, der aus dem Magnetkern CR entweicht, und das innere Abschirmelement SH2, einen Teil des Magnetkerns CR, wo die Spule (16) ausgebildet ist, und den magnetoelektrischen Wandler (15) enthält, ist im inneren Abschirmelement SH2 ausgebildet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromsensor, der einen Magnetkern, einen magnetoelektrischen Wandler, wie beispielsweise ein Hall-Element, eine auf dem Magnetkern ausgebildete Spule und ein Abschirmelement (wie beispielsweise ein Abschirmgehäuse) aufweist und derart konfiguriert ist, dass der Magnetkern einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, der einen gemessenen elektrischen Pfad umschließt, sowie eine mit einem derartigen Stromsensor ausgestattete Messvorrichtung.
Stand der Technik
Ein Beispiel eines derartigen Stromsensors ist ein Stromsensor, der bereits von dem vorliegenden Anmelder im nachstehend angegebenen Patentdokument 1 offenbart wurde. Der Stromsensor im zitierten Dokument hat die folgende Grundkonfiguration. Der Stromsensor weist einen Magnetkern, der derart konfiguriert ist, dass er in einen festen ersten Magnetkern und einen beweglichen (öffenbaren) zweiten Kern geteilt ist, so dass ein zu messender Draht durch einen inneren Hohlraum geführt werden kann, und ein magnetisches Abschirmgehäuse (das aus einem festen ersten magnetischen Abschirmgehäuse und einem beweglichen zweites magnetischen Abschirmgehäuse besteht) auf, das den Magnetkern mit dem Ziel abdeckt, externe Magnetfelder (externes Rausches) abzuschirmen. Der feste erste Magnetkern ist an einer Seite offen, so dass er eine ungefähre U-Form bildet, und der bewegliche zweite Magnetkern wird durch das zweite magnetische Abschirmgehäuse und einen Kernöffnungs-/-schließmechanismus gehalten, um zu ermöglichen, dass die offene Seite des ersten Magnetkerns geöffnet und geschlossen werden kann. Der feste erste Magnetkern weist außerdem ein Hall-Element, das ein magnetoelektrisches Wandlerelement ist, und eine Gegenkopplungsspule auf.
Der Stromsensor mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration funktioniert in Kombination mit einem extern bereitgestellten Verstärker als Null-Fluss-(Magnetgleichgewichts-)Messvorrichtung (als ein Beispiel eine Stromerfassungsmessvorrichtung). Genauer gesagt ist bei dieser Messvorrichtung der Verstärker als Spannungs-Strom-Wandler mit dem Ausgang des Hall-Elements verbunden und ist der Ausgang des Verstärkers mit einem Ende der Gegenkopplungsspule verbunden. Der Verstärker erzeugt einen Gegenkopplungsstrom, der proportional zur Ausgangsspannung des Hall-Elements ist, und führt den Gegenkopplungsstrom der Gegenkopplungsspule zu. Ein Erfassungswiderstand, der den Gegenkopplungsstrom als eine Spannung erfasst, ist mit dem anderen Ende der Gegenkopplungsspule verbunden.
Hierbei ist der Gegenkopplungsstrom proportional zur Stärke (nachfolgend ”Größe”) des im Magnetkern erzeugten magnetischen Flusses. D. h., der Gegenkopplungsstrom ist proportional zu dem im zu messenden Draht fließenden Strom. Daher ermöglicht es diese Messvorrichtung, den im zu messenden Draht fließenden Strom basierend auf der durch den Erfassungswiderstand erfassten Spannung zu messen.
Bei diesem Stromsensor muss jedoch, wie in Patentdokument 1 dargestellt ist, das folgende Problem gelöst werden. Bei einem derartigen Stromsensor nimmt der Magnetowiderstand eines durch den Magnetkern aufgebauten geschlossenen magnetischen Kreises an dem Abschnitt mit der Gegenkopplungsspule und dem Abschnitt (Spalt), wo das Hall-Element angeordnet ist, stark zu. Dies bedeutet, dass mit diesem Stromsensor ein magnetischer Fluss von diesen Abschnitten in Richtung zum magnetischen Abschirmgehäuse entweicht.
Mit diesem Stromsensor induziert der in dem zu messenden Draht fließende Strom einen magnetischen Fluss nicht nur im Magnetkern, sondern auch im magnetischen Abschirmungsgehäuse (ein derartiger magnetischer Fluss wird manchmal als ”induzierter magnetischer Fluss” bezeichnet), und abhängig von den Größen des induzierten magnetischen Flusses und des magnetischen Streuflusses kann eine magnetische Sättigung für das magnetische Abschirmgehäuse auftreten. Es wird darauf hingewiesen, dass für den Magnetkern kaum eine magnetische Sättigung auftritt, da, wie vorstehend beschrieben, eine Gegenkopplung angewendet wird, so dass der intern erzeugte magnetische Fluss null beträgt.
Wenn der Stromwert des in dem zu messenden Draht fließenden Stroms groß ist und eine magnetische Sättigung für das magnetische Abschirmgehäuse aufgetreten ist, wird die Stärke (oder ”Größe”) des magnetischen Flusses innerhalb des magnetischen Abschirmgehäuses einen Spitzenwert erreichen, wodurch die Stärke (oder ”Größe”) des magnetischen Flusses innerhalb des Magnetkerns um eine entsprechende Größe zunimmt. Hierbei wird durch eine Null-Fluss-(magnetisches Gleichgewicht)Messvorrichtung (Stromerfassungsvorrichtung) der Gegenkopplungsstrom erhöht, so dass der in der Gegenkopplungsspule erzeugte magnetische Fluss gemäß dieser Erhöhung zunimmt. Dementsprechend besteht für die Messvorrichtung, die diesen Stromsensor verwendet, ein Problem dahingehend, dass in einem Zustand, in dem der in dem zu messenden Draht fließende Strom einen Bereich hohen Stroms erreicht, in dem eine magnetische Sättigung für das magnetische Abschirmgehäuse auftritt, die Erfassungsempfindlichkeit zunimmt (d. h., die Linearität der Erfassungsempfindlichkeit geht verloren).
Patentdokument 1 offenbart als eine Konfiguration zum Verbessern des vorstehend beschriebenen Problems eine Konfiguration, bei der außerhalb des magnetischen Abschirmgehäuses das Volumen eines bestimmten Abschnitts des Magnetkerns, wo der magnetoelektrische Wandler (magnetoelektrisches Umwandlungselement) und die Gegenkopplungsspule nicht vorgesehen sind, größer gemacht wird als andere Abschnitte (genauer gesagt wird ein zusätzlicher magnetischer Körper auf dem magnetischen Abschirmgehäuse angebracht).
Dokumente des Stands der Technik
Patentdokumente
Patentdokument 1

Japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2006-46922 (Seiten 2 bis 6 und 1 und 5 bis 6)

Kurzbeschreibung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Es besteht jedoch eine Nachfrage nach einer Konfiguration, die in der Lage ist, eine Linearität der Erfassungsempfindlichkeit aufrechtzuerhalten, während es unnötig ist, einen separaten magnetischen Körper zu verwenden, im Gegensatz zu der Konfiguration, die in dem vorstehend erwähnten Patentdokument 1 offenbart ist (eine Konfiguration, bei der ein zusätzlicher magnetischer Körper angebracht ist).
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das vorstehend beschriebene Problem entwickelt und hat die Hauptaufgabe, einen Stromsensor, der in der Lage ist, eine Linearität für die Erfassungsempfindlichkeit aufrechtzuerhalten, sowie eine Messvorrichtung bereitzustellen, die diesen Stromsensor verwendet.
Mittel zum Lösen des Problems
Um die vorstehend erwähnte Aufgabe zu lösen, weist ein Stromsensor nach Anspruch 1 auf: einen ringförmigen Magnetkern, der einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, der einen gemessenen elektrischen Pfad umschließt, einen magnetoelektrischen Wandler, der den magnetischen Fluss im Inneren des Magnetkerns erfasst und ein elektrisches Signal mit einer einer Größe des magnetischen Flusses entsprechenden Amplitude ausgibt, eine Spule, die auf dem Magnetkern ausgebildet ist und der ein basierend auf dem elektrischen Signal erzeugter Gegenkopplungsstrom zugeführt wird, und ein Abschirmelement, das mindestens in der Nähe des magnetoelektrischen Wandlers und der Spule angeordnet ist, wobei im Abschirmelement ein Spalt ausgebildet ist, der einen Magnetowiderstand eines geschlossenen magnetischen Kreises erhöht, der ein geschlossener magnetischer Kreis für einen magnetischen Fluss ist, der aus dem Magnetkern heraustritt und das Abschirmglied, einen Abschnitt des Magnetkerns, wo die Spule ausgebildet ist, und den magnetoelektrische Wandler enthält.
Der Stromsensor nach Anspruch 2 des Stromsensors nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement in einer Form ausgebildet ist, die im Wesentlichen den gesamten Magnetkern, den magnetoelektrischen Wandler und die Spule abdeckt.
Der Stromsensor nach Anspruch 3 des Stromsensors nach Anspruch 1 oder 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement ein inneres Abschirmelement, das derart konstruiert ist, dass es im Wesentlichen den gesamten Magnetkern, den magnetoelektrischen Wandler und die Spule abdeckt, und ein äußeres Abschirmelement aufweist, das im Wesentlichen das gesamte innere Abschirmelement abdeckt, ohne mit dem inneren Abschirmelement in Kontakt zu stehen, wobei der Spalt nur im inneren Abschirmelement ausgebildet ist.
Die Messvorrichtung nach Anspruch 4 weist den Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, einen Verstärker, der den Gegenkopplungsstrom basierend auf dem elektrischen Signal erzeugt und den Gegenkopplungsstrom einem Ende der Spule zuführt, und eine Strom-Spannungs-Wandlereinheit auf, die mit einem anderen Ende der Spule verbunden ist und den Gegenkopplungsstrom in ein Spannungssignal umwandelt.
Wirkung der Erfindung
Mit dem Stromsensor nach Anspruch 1 und der Messvorrichtung nach Anspruch 4 wird es durch Bereitstellen eines Spalts, der den Magnetowiderstand eines geschlossenen magnetischen Kreises erhöht, der ein geschlossener magnetischer Kreis für einen magnetischen Streu- bzw. Leckfluss ist und den magnetoelektrischen Wandler enthält, im Abschirmelement möglich, eine magnetische Sättigung des geschlossenen magnetischen Kreises auch in einem Bereich hohen Stroms zu vermeiden, wo der Stromwert des auf dem gemessenen elektrischen Pfad fließenden gemessenen Stroms hoch ist, was bedeutet, dass es möglich ist, eine vorteilhafte Linearität geeignet aufrechtzuerhalten.
Gemäß dem Stromsensor nach Anspruch 2 und der Messvorrichtung nach Anspruch 4 ist es, weil das innere Abschirmelement in einer Form ausgebildet ist, die im geschlossenen Zustand im Wesentlichen den gesamten Magnetkern, den magnetoelektrischen Wandler und die Spulen abdeckt, möglich, den Stromwert des auf dem gemessenen elektrischen Pfad fließenden gemessenen Stroms in einem Zustand zu messen, in dem die Wirkung äußerer Magnetfelder auf den Magnetkern, den magnetoelektrischen Wandler und die Spulen ausreichend reduziert worden ist.
Ferner ist es gemäß dem Stromsensor nach Anspruch 3 und der Messvorrichtung nach Anspruch 4 unter Verwendung einer doppelt abgeschirmten Konstruktion, bei der das äußere Abschirmelement, das im geschlossenen Zustand das innere Abschirmelement nahezu vollständig abdeckt, außerhalb des inneren Abschirmelements angeordnet ist, möglich, die Wirkung äußerer Magnetfelder auf den Magnetkern, den magnetoelektrischen Wandler und die Spulen durch das äußere Abschirmelement wesentlich zu reduzieren, während der erste Spalt im inneren Abschirmelement bereitgestellt wird, wie vorstehend beschrieben wurde, um eine vorteilhafte Linearität aufrechtzuerhalten. Daher ist es gemäß dem Stromsensor und der Messvorrichtung möglich, den Stromwert des auf dem gemessenen elektrischen Pfad fließenden gemessenen Stroms mit einer wesentlich höheren Genauigkeit zu messen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Vorderansicht eines Stromsensors 1;
2 zeigt eine Vorderansicht des Stromsensors 1 in einem Zustand, in dem eine zweite Kerneinheit 3 bezüglich einer ersten Kerneinheit 2 verschoben worden ist;
3 zeigt eine Vorderansicht des Stromsensors 1 in einem Zustand, in dem die zweite Kerneinheit 3 um eine Drehachse L bezüglich der ersten Kerneinheit 2 gedreht worden ist;
4 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht, die bei der Erläuterung der Konstruktion des Stromsensors 1 nützlich ist;
5 zeigt eine perspektivische Ansicht der ersten Kerneinheit 2;
6 zeigt eine perspektivische Ansicht der zweiten Kerneinheit 3;
7 zeigt eine perspektivische Ansicht des Stromsensors 1;
8 zeigt eine Querschnittansicht des Stromsensors 1 entlang einer Linie W1-W1 in 7 (eine Querschnittansicht eines Zustands, in dem erste Halter 12, zweite Halter 42, ein erster Fensterrahmen 17 und ein zweiter Fensterrahmen 45 nicht dargestellt sind) und ein Konfigurationsdiagramm einer Stromerfassungsvorrichtung 91;
9 zeigt eine Querschnittansicht des Stromsensors 1 entlang einer Linie W2-W2 in 7 (eine Querschnittansicht eines Zustands, in dem die ersten Halter 12 und die zweiten Halter 42 nicht dargestellt sind);
10 zeigt eine Querschnittansicht eines Vergleichsbeispiels, bei dem der erste Spalt G1 in 9 weggelassen ist;
11 zeigt ein Kennliniendiagramm, das Schwankungen eines rdg-Fehlers für einen gemessenen Strom I für Stromsensoren 1 darstellt, die aus einer Kombination aus einer zweiten Kerneinheit 3 und mehreren ersten Kerneinheiten 2 konstruiert sind; und
12 zeigt ein Kennliniendiagramm, das Schwankungen eines rdg-Fehlers für einen gemessenen Strom I für einen Stromsensor darstellt, der aus einer Kombination aus einer zweiten Kerneinheit 3 und mehreren ersten Kerneinheiten mit einer herkömmlichen Konfiguration konstruiert ist.
Beste Technik zum Implementieren der Erfindung
Nachstehend werden Ausführungsformen eines Stromsensors und einer Messvorrichtung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Zunächst wird die Konfiguration eines Stromsensors 1 beschrieben. Wie beispielsweise in 1 dargestellt ist, weist der Stromsensor 1 eine erste Kerneinheit 2 und eine zweite Kerneinheit 3 auf, die durch einen nicht dargestellten Öffnungs-/Schließmechanismus derart gehalten wird, dass die erste Kerneinheit 2 geöffnet und geschlossen werden kann, und ist derart konfiguriert, dass ein gemessener elektrischer Pfad 5, der in einem in der ersten Kerneinheit 2 ausgebildeten konkaven Kanal (oder ”Fenster”) 4 ausgebildet worden ist, durch die Kerneinheiten 2 und 3 umschlossen (umklammert) wird. Hierbei ist es, wie in 2 dargestellt ist, möglich, die zweite Kerneinheit 3 bezüglich der ersten Kerneinheit 2 durch einen Öffnungs-/Schließmechanismus zu verschieben (linear zu bewegen), und, wie in 3 dargestellt ist, auch möglich, die zweite Kerneinheit 3 bezüglich der ersten Kerneinheit 2 durch einen Öffnungs-/Schließmechanismus um eine Drehachse L zu drehen.
Als ein Beispiel weist, wie in 8 dargestellt ist, der Stromsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen magnetoelektrischen Wandler (ein Hall-Element oder ein Fluxgate-Magnetometer) 15, der in einem zweiten Spalt G2 angeordnet ist, der in einem ringförmigen Magnetkern CR vorgesehen ist, und Spulen (Gegenkopplungsspulen) 16 auf, die auf dem Magnetkern CR ausgebildet (d. h. um den Magnetkern gewickelt) sind. Außerdem wird, wie später beschrieben wird, obgleich der zweite Spalt G2 in einem geschlossenen magnetischen Kreis ausgebildet ist, der durch den Magnetkern CR gebildet wird (ein geschlossener magnetischer Kreis für den magnetischen Fluss, der in der Umgebung des gemessenen elektrischen Pfades 5 durch einen auf dem gemessenen elektrischen Pfad 5 fließenden gemessenen Strom I erzeugt wird) und eine Funktion zum Erhöhen des Magnetowiderstands eines derartigen geschlossenen magnetischen Kreises hat, angenommen, dass die in dem geschlossenen magnetischen Kreis vorgesehenen Spalte, einschließlich eines später beschriebenen ersten Spalts G1, eine Breite von etwa einigen Millimeter haben, so dass eine starke magnetische Kopplung zwischen Endflächen der magnetischen Körper aufrechterhalten wird, die über die Spalte einander gegenüberliegen.
Wie in 8 dargestellt ist, arbeitet der Stromsensor 1, indem er mit einem Verstärker 92 und einer Strom-Spannungs-Wandlereinheit (als ein Beispiel ein Widerstand) 93 kombiniert wird, als eine Stromerfassungsvorrichtung 91 als ein Beispiel einer ”Messvorrichtung”. Genauer gesagt führt der Stromsensor 1 in der Stromerfassungsvorrichtung 91 dem Verstärker 92 ein elektrisches Signal (Spannungssignal) zu, das von dem magnetoelektrischen Wandler 15 mit einer Amplitude ausgegeben wird, die der Größe des magnetischen Flusses im Inneren des Magnetkerns CR entspricht, wobei der Verstärker 92 dieses Spannungssignal in ein Stromsignal (oder ”Gegenkopplungsstrom”) umwandelt, das einem Ende der Spulen 16 zugeführt wird, und dieses Stromsignal wird durch den zwischen dem anderen Ende der Spulen 16 und Masse geschalteten Widerstand 93 in eine Spannung umgewandelt.
Hierbei erfasst der magnetoelektrische Wandler 15 einen kombinierten magnetischen Fluss (φ1 – φ2) aus einem ersten magnetischen Fluss φ1, der in dem Magnetkern CR aufgrund des gemessenen Stroms I erzeugt wird, der auf dem gemessenen elektrischen Pfad 5 fließt, der durch den Magnetkern CR (der Magnetkern, der einen geschlossenen magnetischen Kreis für den in der Umgebung des gemessenen elektrischen Pfades 5 erzeugten magnetischen Fluss bildet) umschlossen ist, und einem zweiten magnetischen Fluss φ2 (d. h. einen magnetischen Fluss in einer Richtung, in der der erste magnetische Fluss kompensiert wird), der in dem Magnetkern CR über die Spulen 16 durch das Stromsignal vom Verstärker 92 erzeugt wird, und gibt ein Spannungssignal mit einer der Größe des kombinierten magnetischen Flusses (φ1 – φ2) entsprechenden Amplitude aus. Basierend auf dem vom magnetoelektrischen Wandler 15 ausgegebenen Spannungssignal erzeugt der Verstärker 92 ein Stromsignal derart, dass der durch den magnetoelektrischen Wandler 15 erfasste kombinierte magnetische Fluss (φ1 – φ2) null wird, und führt das Stromsignal den Spulen 16 zu. Mit einer Null-Fluss-Schaltungskonfiguration (auch als ”magnetische Gleichgewichts-” (oder geschlossene Schleifen)konfiguration bezeichnet), wird, weil das Stromsignal vom Verstärker 92 dem gemessenen Strom I proportional ist, der gemessene Strom I durch Messen der durch den Widerstand 93 erzeugt umgewandelten Spannung gemessen.
Wie in 4 dargestellt ist, weist die erste Kerneinheit 2 beispielsweise ein erstes äußeres Abschirmelement 11, erste Halter 12, ein erstes inneres Abschirmelement 13, ein erstes Kernelement 14, den magnetoelektrischen Wandler 15, die Spulen 16 und einen ersten Fensterrahmen 17 auf.
Das erste äußere Abschirmelement 11 ist unter Verwendung eines hochpermeablen magnetischen Materials, wie beispielsweise Permalloy, in einer rechteckigen Kastenform ausgebildet, wobei eine Seite, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt ist (die obere Fläche in 4), offen ist. Genauer gesagt weist das erste äußere Abschirmelement 11 eine Bodenwand 21, die von oben betrachtet rechteckig ist, ein Paar Seitenwände 22 und 23, die von einem Paar Kanten (längsseitige Kanten) auf gegenüberliegenden Seiten der Bodenwand 21 aufrecht emporstehen, so dass sie sich parallel zueinander erstrecken, und ein Paar Seitenwände 24 und 25 auf, die von einem Paar anderen Kanten (querseitigen Kanten) auf gegenüberliegenden Seiten der Bodenwand 21 aufrecht emporstehen, so dass sie sich parallel erstrecken, um die vorstehend erwähnte Kastenform zu bilden.
Ausschnittabschnitte 26, deren Formen von vorne betrachtet der vorderen Form des konkaven Kanals 4 entsprechen, sind in dem Paar Seitenwänden 22 und 23 derart ausgebildet, dass Öffnungen in den Kanten des Paars Seitenwände 22 und 23 gebildet werden, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt sind (den oberen Kanten in 4). Da die Ausschnittabschnitte 26 in den Seitenwänden 22 und 23 ausgebildet sind, ist die vordere Form des ersten äußeren Abschirmelements 11 (d. h. die Form, betrachtet aus der Richtung des Pfeils A in 4) ungefähr U-förmig ausgebildet, so dass es in der Lage ist, das gesamte erste Kernelement 14 abzudecken, dessen Vorderseite ebenfalls U-förmig ausgebildet ist, wie später beschrieben wird. In der Seitenwand 25 des ersten äußeren Abschirmelements 11 ist ein Durchgangsloch 27 ausgebildet, an dem eine nicht dargestellte Leiterplatte für eine nicht dargestellte Leitungsverdrahtung für den magnetoelektrischen Wandler 15 befestigt ist.
Die ersten Halter 12 sind, wie später beschrieben wird, innerhalb des ersten äußeren Abschirmelements 11 zusammen mit dem ersten inneren Abschirmelement 13 aufgenommen und halten das erste innere Abschirmelement 13 bezüglich des ersten äußeren Abschirmelements 11 in einem Zustand (oder ”kontaktfreien Zustand”), in dem die Abschirmelemente 11 und 13 nicht direkt miteinander in Kontakt stehen. Die ersten Halter 12 sind aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet. D. h., dass die Abschirmelemente 11 und 13 in einem Zustand gehalten werden, in dem die magnetische Kopplung zwischen den Abschirmelementen extrem gering ist.
Das erste innere Abschirmelement 13 ist unter Verwendung des gleichen hochpermeablen magnetischen Materials wie dasjenige des ersten äußeren Abschirmelements 11 in der Form eines rechteckigen Kastens ausgebildet, dessen Oberfläche (die obere Fläche in 4), die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt ist, offen ist. Insbesondere weist das erste innere Abschirmelement 13 eine Bodenwand 31, die von oben betrachtet rechteckig ist, ein Paar Seitenwände 32 und 33, die von einem Paar Kanten (längsseitige Kanten) auf gegenüberliegenden Seiten der Bodenwand 31 aufrecht emporstehen, so dass sie sich parallel zueinander erstrecken, und eine Seitenwand 34 auf, die von einer Kante des Paars anderer Kanten (querseitige Kanten) der Bodenwand 31 aufrecht emporsteht, um die vorstehend beschriebene Kastenform zu bilden.
Auf diese Weise wird für das erste innere Abschirmelement 13 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration verwendet, bei der keine Seitenwand an der anderen Kante des Paars anderer gegenüberliegender Kanten (querseitige Kanten) der Bodenwand 31 ausgebildet ist, wobei die vorstehend beschriebene Verdrahtung für den magnetoelektrischen Wandler 15 von diesem Teil zu der Außenseite des ersten inneren Abschirmelements 13 geführt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass es in gleicher Weise wie für das erste äußere Abschirmelement 11 auch möglich ist, eine Konfiguration zu verwenden, bei der an dieser anderen Kante des Paars Kanten (querseitige Kanten) auch eine Seitenwand vorgesehen ist und in dieser Seitenwand ein Durchgangsloch zum Herausführen der vorstehend beschriebenen Verdrahtung für den magnetoelektrischen Wandler 15 ausgebildet ist.
Außerdem sind Ausschnittabschnitte 36, deren Formen von vorne betrachtet der vorderen Form des konkaven Kanals 4 entsprechen (d. h. der Form der Ausschnittabschnitte 26 gleichen), in dem Paar Seitenwänden 32 und 33 ausgebildet, um Öffnungen in den Kanten des Paars Seitenwände 32 und 33 auszubilden, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt sind (die oberen Kanten in 4). Da die Ausschnittabschnitte 36 in den Seitenwänden 32 und 33 ausgebildet sind, ist die vordere Form des ersten inneren Abschirmelements 13 ungefähr in U-Form ausgebildet, so dass es das gesamte erste Kernelement 14 abdecken kann, dessen Vorderseite ebenfalls U-förmig ausgebildet ist.
Das erste Kernelement 14 ist unter Verwendung eines hochpermeablen magnetischen Materials, wie beispielsweise Ferrit (ein magnetisches Material mit einer niedrigeren Permeabilität als diejenige von Permalloy, das für die Abschirmelemente in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird), ausgebildet, so dass es von vorne betrachtet U-förmig ist. Die Spulen 16 sind an zwei Abschnitten 14a (nachfolgend jeweils als ”Schenkelabschnitte 14a” bezeichnet) angeordnet, die den parallelen Seiten der U-Form des ersten Kernelements 14 entsprechen. Der zweite Spalt G2 (vergl. 8) ist zwischen einem Verbindungsabschnitt 14b des ersten Kernelements 14, der die Schenkelabschnitte 14a verbindet, und einem Schenkelabschnitt 14a unter den Schenkelabschnitten 14a ausgebildet (in einem Beispiel in der vorliegenden Ausführungsform von vorne betrachtet dem rechten Schenkelabschnitt 14a), wobei der magnetoelektrische Wandler 15 innerhalb dieses zweiten Spalts 02 angeordnet ist.
Unter dem ersten äußeren Abschirmelement 11, den ersten Halter 12, dem ersten inneren Abschirmelement 13 und dem ersten Kernelement 14 (das erste Kernelement 14, auf dem der magnetoelektrische Wandler 15 und die Spule 16 wie vorstehend beschrieben angeordnet sind, und das mit der Leiterplatte und der Verdrahtung verbunden worden ist (keines dieser Elemente ist dargestellt), die am Durchgangsloch 27 befestigt ist) der ersten Kerneinheit 2 werden zunächst das erste innere Abschirmelement 13 und das Paar erste Halter 12 innerhalb des ersten äußeren Abschirmelements 11 in einem Zustand befestigt, in dem die Bodenwand 31, die Seitenwand 32 und die Seitenwand 34 des ersten inneren Abschirmelements 13 fest an einem der ersten Halter 12 befestigt sind und die Bodenwand 31, die Seitenwand 33 und die Seitenwand 34 des ersten inneren Abschirmelements 13 fest am anderen ersten Halter 12 befestigt sind.
Als nächstes wird das erste Kernelement 14 innerhalb des ersten inneren Abschirmelements 13 in einem Zustand befestigt, in dem ein nicht dargestellter Halter dazwischen angeordnet ist und eine Leiterplatte am Durchgangsloch 27 des ersten äußeren Abschirmelements 11 befestigt ist. Danach wird durch Einpassen des ersten Fensterrahmens 17 in die im ersten äußeren Abschirmelement 11 ausgebildeten Ausschnittabschnitte 26 und die im ersten inneren Abschirmelement 13 ausgebildeten Ausschnittabschnitte 36 der erste Fensterrahmen 17 zwischen den Schenkelabschnitten 14a des ersten Kernelements 14 bereitgestellt. Schließlich werden durch Füllen des ersten äußeren Abschirmelements 11 mit einem nicht dargestellten Vergussmaterial, wie beispielsweise Epoxidharz, und Aushärten des Vergussmaterials das erste äußere Abschirmelement 11, der erste Halter 12, das erste innere Abschirmelement 13, das erste Kernelement 14 und der erste Fensterrahmen 17 integriert. Auf diese Weise wird die erste Kerneinheit 2 mit der in 5 dargestellten Konfiguration fertiggestellt.
Mit der derart konstruierten ersten Kerneinheit 2, wie in den 5 und 8 dargestellt ist, sind Kanten der Seitenwände 22, 23, 24 und 25 des ersten äußeren Abschirmelements 11, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt sind (die oberen Kanten in den 5 und 8), Kanten der Seitenwände 32, 33 und 34 des ersten inneren Abschirmelements 13, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt sind (die oberen Kanten in den 5 und 8), und Endflächen der Schenkelabschnitte 14a des ersten Kernelements 14, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt sind (die oberen Flächen in den 5 und 8) auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die sich parallel zur Bodenwand 21 des ersten äußeren Abschirmelements 11 und zur Bodenwand 31 des ersten inneren Abschirmelements 13 erstreckt.
Wie in 4 dargestellt ist, weist die zweite Kerneinheit 3 beispielsweise ein zweites äußeres Abschirmelement 41, zweite Halter 42, ein zweites inneres Abschirmelement 43, ein zweites Kernelement 44 und einen zweiten Fensterrahmen 45 auf.
Zusammen mit dem ersten äußeren Abschirmelement 11 bildet das zweite äußere Abschirmelement 41 ein äußeres Abschirmelement SH1. Das zweite äußere Abschirmelement 41 ist unter Verwendung des gleichen hochpermeablen magnetischen Materials wie dasjenige des ersten äußeren Abschirmelements 11 in einer rechteckigen Kastenform ausgebildet, wobei eine Seite, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt ist (die untere Fläche in 4), offen ist. Genauer gesagt weist das zweite äußere Abschirmelement 41 eine Bodenwand 51, die von oben betrachtet die gleiche Form wie die Bodenwand 21 des ersten äußeren Abschirmelements 11 hat, ein Paar Seitenwände 52 und 53, die von einem Paar Kanten (längsseitige Kanten) auf gegenüberliegenden Seiten der Bodenwand 51 aufrecht emporstehen, so dass sie sich parallel zueinander erstrecken, und ein Paar Seitenwände 54 und 55 auf, die von einem Paar anderen Kanten (querseitigen Kanten) auf gegenüberliegenden Seiten der Bodenwand 51 aufrecht emporstehen, so dass sie sich parallel zueinander erstrecken, um die vorstehend erwähnte Kastenform zu bilden.
Obwohl die Ausschnittabschnitte 56, in die der zweite Fensterrahmen 45 eingepasst ist, in dem Paar Seitenwänden 54 und 55 ausgebildet sind, sind die Ausschnittabschnitte 56 derart ausgebildet, dass sie flach sind. Dies bedeutet, dass das zweite äußere Abschirmelement 41 derart ausgebildet ist, dass es von vorne betrachtet im Wesentlichen rechteckig ist.
Die zweiten Halter 42 sind zusammen mit dem zweiten inneren Abschirmelement 43 innerhalb des zweiten äußeren Abschirmelements 41 aufgenommen, wie später beschrieben wird, und halten das zweite innere Abschirmelement 43 bezüglich des zweiten äußeren Abschirmelements 41 in einem Zustand (kontaktfreien Zustand), in dem die Abschirmelemente 41 und 43 nicht direkt miteinander in Kontakt stehen. Die zweiten Halter 42 sind aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet. D. h., dass die Abschirmelemente 41 und 43 in einem Zustand gehalten werden, in dem die magnetische Kopplung zwischen den Abschirmelementen extrem gering ist.
Zusammen mit dem ersten inneren Abschirmelement 13 bildet das zweite innere Abschirmelement 43 ein inneres Abschirmelement SH2. Das zweite innere Abschirmelement 43 ist unter Verwendung des gleichen hochpermeablen magnetischen Materials wie dasjenige des ersten äußeren Abschirmelements 11 in einer rechteckigen Kastenform ausgebildet, wobei eine Seite, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt ist (die untere Fläche in 4), offen ist. Insbesondere weist das zweite innere Abschirmelement 43 eine Bodenwand 61, die von oben betrachtet die gleiche Form hat wie die Bodenwand 31 des ersten inneren Abschirmelements 13, ein Paar Seitenwände 62 und 63, die von dem Paar Kanten (längsseitige Kanten) auf gegenüberliegenden Seiten der Bodenwand 61 aufrecht emporstehen, so dass sie sich parallel zueinander erstrecken, und ein Paar Seitenwände 64 und 65 auf, die von einem Paar anderen Kanten (querseitige Kanten) auf gegenüberliegenden Seiten der Bodenwand 61 aufrecht emporstehen, so dass sie sich parallel zueinander erstrecken, um die vorstehend erwähnte Kastenform zu bilden.
Obwohl in dem Paar Seitenwänden 62 und 63 Ausschnittabschnitte 66 ausgebildet sind, in die der zweite Fensterrahmen 45 eingepasst ist, sind die Ausschnittabschnitte 66 derart ausgebildet, dass sie flach sind. Dies bedeutet, dass das zweite innere Abschirmelement 43 derart ausgebildet ist, dass es von vorne betrachtet im Wesentlichen rechteckig ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die der Seitenwand 65 zugewandten Abschnitte B1 der Seitenwände 62 und 63 (die sich zu den Ausschnittabschnitten 66 erstrecken) derart ausgebildet sind, dass ihre Höhe von der Bodenwand 61 um den ersten Spalt G1 (als ein Beispiel in der vorliegenden Ausführungsform 500 μm) niedriger ist als diejenige der der Seitenwand 64 zugewandten Abschnitte B2 der Seitenwände 62 und 63 (die sich zu den Ausschnittabschnitten 66 erstrecken).
Das zweite Kernelement 44 ist als ein rechteckiger Körper ausgebildet, in dem das gleiche hochpermeable magnetische Material wie dasjenige des ersten Kernelement 14 verwendet wird, und bildet zusammen mit dem ersten Kernelement 14 den magnetischen Kern CR. Außerdem ist, obwohl ein konkaver Kanal 44a, in den der zweite Fensterrahmen 45 eingepasst ist, in einer Seite des zweiten Kernelements 44 ausgebildet ist, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt ist (die untere Fläche in 4), die Tiefe des konkaven Kanals 44a flach und in der gleichen Tiefe ausgebildet wie die vorstehend beschriebenen Ausschnittabschnitte 56 und 66. D. h., dass das zweite Kernelement 44 von vorne betrachtet in einer U-Form ausgebildet ist.
Unter dem zweiten äußeren Abschirmelement 41, den zweiten Halter 42, dem zweiten inneren Abschirmelement 43 und dem zweiten Kernelement 44 der zweiten Kerneinheit 3, wie vorstehend beschrieben, sind das zweite innere Abschirmelement 43 und das Paar zweite Halter 42 im Inneren des zweiten äußeren Abschirmelements 41 in einem Zustand befestigt, in dem die Bodenwand 61, die Seitenwand 62 und die Seitenwand 64 des zweiten inneren Abschirmungselements 43 fest an einem der zweiten Halter 42 und der Bodenwand 61 befestigt sind und die Seitenwand 63 und die Seitenwand 64 des zweiten inneren Abschirmelements 43 fest am anderen zweiten Halter 42 befestigt sind.
Als nächstes wird das zweite Kernelement 44 innerhalb des zweiten inneren Abschirmelements 43 mit einem dazwischen angeordneten, nicht dargestellten Halter befestigt. Danach wird der zweite Fensterrahmen 45 in die im zweiten äußeren Abschirmelement 41 ausgebildeten Ausschnittabschnitte 56, die im zweiten inneren Abschirmelement 43 ausgebildeten Ausschnittabschnitte 66 und den im zweiten Kernelement 44 ausgebildeten konkaven Kanal 44a eingepasst. Schließlich werden durch Füllen des zweiten äußeren Abschirmelements 41 mit einem nicht dargestellten Vergussmaterial, wie beispielsweise Epoxidharz, und Aushärten des Vergussmaterials das zweite äußere Abschirmelement 41, die zweiten Halter 42, das zweite innere Abschirmelements 43, das zweite Kernelement 44 und der zweite Fensterrahmen 45 integriert. Auf diese Weise wird die zweite Kerneinheit 3 mit der in 6 dargestellten Konfiguration fertiggestellt.
Mit der derart konstruierten zweiten Kerneinheit 3, wie in den 6 und 8 dargestellt ist, werden Kanten der Seitenwände 52, 53, 54 und 55 des zweiten äußeren Abschirmelements 41, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt sind (die oberen Kanten in 6 und die unteren Kanten in 8), die Kanten des Abschnitts B2 der Seitenwände 62 und 63 des zweiten inneren Abschirmelements 43, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt sind (die oberen Kanten in 6 und die unteren Kanten in 8), die Kante der Seitenwand 64 des zweiten inneren Abschirmelements 43, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt ist (die obere Kante in 6 und die untere Kante in 8), und ein Teil einer Endfläche (die obere Kante in 6 und die untere Kante in 8) des zweiten Kernelements 14, der der ersten Kerneinheit 2 neben dem konkaven Kanal 44a zugewandt ist, auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die sich parallel zur Bodenwand 51 des zweiten äußeren Abschirmelements 41 und zur Bodenwand 61 des zweiten inneren Abschirmelements 43 erstreckt.
Andererseits werden Kanten des Abschnitts B1 der Seitenwände 62 und 63 des zweiten inneren Abschirmelements 43 (die oberen Kanten in 6, die unteren Kanten in 8), die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt sind, und eine Kante der Seitenwand 65 des zweiten inneren Abschirmelements 43, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt ist (die obere Kante in 6, die untere Kante in 8), auf einer anderen Ebene angeordnet (einer Ebene, die um den ersten Spalt G1 näher an der Bodenfläche 51 liegt), die sich parallel zur vorstehend beschriebenen Ebene erstreckt, wo die Kanten der Seitenwände 52, 53, 54 und 55, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt sind, und dergleichen angeordnet sind.
Als nächstes wird die Funktionsweise der Stromerfassungsvorrichtung 91 beschrieben, die den Stromsensor 1 aufweist.
Zunächst wird, wie in den 2 und 3 dargestellt ist, durch Bewegen der zweiten Kerneinheit 3 bezüglich der ersten Kerneinheit 2 der Stromsensor 1 im offenen Zustand angeordnet und der gemessene elektrische Pfad 5 innerhalb des konkaven Kanals 4 aufgenommen. Danach wird durch Bewegen der zweiten Kerneinheit 3 bezüglich der ersten Kerneinheit 2 der Stromsensor 1 in dem in den 1 und 7 dargestellten geschlossenen Zustand angeordnet (es wird darauf hingewiesen, dass der gemessene elektrische Pfad in 7 weggelassen ist).
Wenn sich der Stromsensor 1 im geschlossenen Zustand befindet, stimmt die Ebene, in der die Kanten der Seitenwände 22, 23, 24 und 25 des ersten äußeren Abschirmelements 11 der ersten Kerneinheit 2, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt sind, und dergleichen angeordnet sind, mit der Ebene überein, in der die Kanten der Seitenwände 52, 53, 54 und 55 des zweiten äußeren Abschirmelements 41, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt sind, und dergleichen angeordnet sind.
D. h., dass die Kanten der Seitenwände 22, 23, 24 und 25 des ersten äußeren Abschirmelements 11, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt sind, und die entsprechenden Kanten der Seitenwände 52, 53, 54 und 55 des zweiten äußeren Abschirmelements 41, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt sind (vergl. 8), miteinander in Kontakt stehen. Außerdem stehen die Kante der Trennwand 34 des ersten inneren Abschirmelements 13, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt ist, und die Kante der Seitenwand 64 des zweiten inneren Abschirmelements 43, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt sind, miteinander in Kontakt (vergl. 8). Die Endflächen der Schenkelabschnitte 14a des ersten Kernelements 14, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt sind, und die Endfläche des ersten Kernelements 14, die der ersten Kerneinheit 2 zugewandt ist (die Endfläche neben dem konkaven Kanal 44a), stehen ebenfalls miteinander in Kontakt (vergl. 8).
Andererseits werden für die Kanten der Seitenwände 32 und 33 des ersten inneren Abschirmelements 13, die der zweiten Kerneinheit 3 zugewandt sind, obwohl Teile der Kanten der Seitenwände 32 und 33, die dem Abschnitt B2 der Seitenwände 62 und 63 des zweiten inneren Abschirmelements 43 zugewandt sind, mit den Kanten dieses Abschnitts B2 in Kontakt stehen, Abschnitte der Kanten der Seitenwände 32 und 33, die dem Abschnitt B1 der Seitenwände 62 und 63 des zweiten inneren Abschirmungselements 43 zugewandt sind, durch den ersten Spalt G1 von den Kanten dieses Abschnitts B1 getrennt (vergl. 8).
In diesem geschlossenen Zustand bildet beim Stromsensor 1 der Magnetkern CR, der durch das erste Kernelement 14 und das zweite Kernelement 44 konstruiert ist, einen geschlossenen magnetischen Kreis, der den gemessenen elektrischen Pfad 5 umschließt, und das durch das erste innere Abschirmelement 13 und das zweite innere Abschirmelement 43 konstruierte innere Abschirmelement SH2 bildet ebenfalls einen geschlossenen magnetischen Kreis, der den gemessenen elektrischen Pfad 5 umschließt. Es wird darauf hingewiesen, dass, weil nahezu der gesamte magnetische Fluss, der in der Umgebung des gemessenen elektrischen Pfades 5 erzeugt wird, das Innere des Magnetkerns CR und das innere Abschirmelement SH2 durchfließt, das äußere Abschirmelement SH1, das aus dem ersten äußeren Abschirmelement 11 und dem zweiten äußeren Abschirmelement 41 konstruiert ist und im Wesentlichen das gesamte innere Abschirmelement SH2 in einem Zustand abdeckt, in dem es nicht mit dem inneren Abschirmelement SH2 in Kontakt steht, keinen effektiven geschlossenen magnetischen Kreis bildet, der den gemessenen elektrischen Pfad 5 umschließt.
Andererseits bildet das innere Abschirmelement SH2, das den Magnetkern CR direkt abdeckt, einen geschlossenen magnetischen Kreis in einem Zustand, in dem der erste Spalt G1 als ein Spalt zwischen dem ersten inneren Abschirmelement 13 und dem zweiten inneren Abschirmelement 43 ausgebildet ist, d. h. in einem Zustand mit großem Magnetowiderstand. D. h., dass der geschlossene magnetische Kreis, der über das gesamte innere Abschirmelement SH2 gebildet wird (d. h. der geschlossene magnetische Kreis, der derart ausgebildet ist, dass er den konkaven Kanal 4 umgibt), das zusammen mit dem Magnetkern CR direkt durch den in der Umgebung des gemessenen elektrischen Pfades 5 erzeugten magnetischen Flusses beeinflusst wird, im Vergleich zu einer herkömmlichen Konfiguration, bei der der erste Spalt G1 nicht ausgebildet ist, nicht anfällig ist für eine magnetische Sättigung, auch wenn der Stromwert des auf dem gemessenen elektrischen Pfad 5 fließenden gemessenen Stroms I erhöht wird.
Außerdem wird, wie im Abschnitt ”Stand der Technik” beschrieben ist, weil der Magnetowiderstand im Stromsensor 1 an Teilen des Magnetkerns CR, wo die Spulen 16 ausgebildet sind, erhöht ist, wie in 8 dargestellt ist, an diesen Positionen, wo die Spulen ausgebildet sind, ein Streufluss φ3 erzeugt, der in Richtung zum inneren Abschirmelement SH2 entweicht. Da in der vorliegenden Ausführungsform die Spulen 16 an beiden Schenkelabschnitten 14a des ersten Kernelements 14 ausgebildet sind, wie in 8 dargestellt ist, wird der Streu- bzw. Leckfluss φ3 an beiden Schenkelabschnitten 14a erzeugt.
Hier wird, wie in den 8 und 9 dargestellt ist, der geschlossene magnetische Kreis für den Streufluss φ3 an einer Position unter den beiden Positionen mit Streufluss φ3 (der Streufluss φ3 auf der rechten Seite in 8) auf einem Pfad gebildet, der sich von einem der Schenkelabschnitte 14a über ein Ende unter den beiden Enden des zweiten Kernelements 44, das mit diesem Schenkelabschnitt 14a in Kontakt steht, einen Teil des inneren Abschirmelements SH2, der in der Nähe dieses Schenkelabschnitts 14a angeordnet ist (Teile des ersten inneren Abschirmelements 13 und des zweiten inneren Abschirmelements 43 in der Nähe dieses Schenkelabschnitts 14a), ein Ende unter den beiden Enden des Verbindungsabschnitts 14b, das mit diesem Schenkelabschnitt 14a in Kontakt steht, und den zweiten Spalt G2 (der im zweiten Spalt G2 angeordnete magnetoelektrische Wandler) erstreckt und den Schenkelabschnitt 14a erreicht. Der geschlossene magnetische Kreis für den anderen Streufluss φ3 (der Streufluss φ3 auf der linken Seite in 8) ist auf einem Pfad ausgebildet, der den anderen der Schenkelabschnitte 14a erreicht ausgehend von diesem Schenkelabschnitt 14a über das Ende unter den beiden Enden des Verbindungsabschnitts 14b, das mit diesem anderen Schenkelabschnitt 14a in Kontakt steht, den in der Nähe dieses anderen Schenkelabschnitts 14a angeordneten Abschnitt des inneren Abschirmelements SH2 und das Ende des zweiten Kernelements 44, das mit diesem anderen Schenkelabschnitt 14a in Kontakt steht.
Hierbei besteht bei dem Stromsensor 1, weil der geschlossene magnetische Kreis für den anderen Streufluss φ3 auf der linken Seite in 8 keinen magnetischen Spalt aufweist, die Gefahr einer magnetischen Sättigung, wenn der Stromwert des gemessenen Stroms I erhöht ist. Wie in 9 dargestellt ist, weist jedoch das innere Abschirmelement SH2, das einen Teil des geschlossenen magnetischen Kreises für den Streufluss φ3 auf der rechten Seite in 8 bildet (d. h. des geschlossenen magnetischen Kreises, wo der magnetoelektrische Wandler 15 angeordnet ist), den ersten Spalt G1 auf, der den Magnetowiderstand des geschlossenen magnetischer Kreises erhöht. D. h., dass der Magnetowiderstand des in 9 dargestellten geschlossenen magnetischen Kreises im Vergleich zum Magnetowiderstand eines geschlossenen magnetischen Kreises für den Streufluss φ3 (die in 10 dargestellte Konfiguration) groß ist, die derart konfiguriert ist, dass bei der in 9 dargestellten Konfiguration der erste Spalt G1 nicht vorgesehen ist. Auf diese Weise tritt in gleicher Weise wie bei dem geschlossenen magnetischen Kreis für den in der Umgebung des gemessenen elektrischen Pfades 5 erzeugten magnetischen Fluss, wie vorstehend beschrieben, eine magnetische Sättigung im anderen geschlossenen magnetischen Kreis für den Streufluss φ3 (d. h., den geschlossenen magnetischen Kreis, wo der magnetoelektrische Wandler 15 angeordnet ist) kaum auf, auch wenn der Stromwert des gemessenen Stroms I zugenommen hat.
Bei der Stromerfassungsvorrichtung 91, die den Stromsensor 1 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration aufweist, erfasst der magnetoelektrische Wandler 15 den kombinierten magnetischen Fluss (φ1 – φ2) innerhalb des vorstehend beschriebenen Magnetkerns CR und gibt ein dem kombinierten magnetischen Fluss (φ1 – φ2) entsprechendes Spannungssignal aus. Basierend auf dem vom magnetoelektrischen Wandler 15 ausgegebenen Spannungssignal erzeugt der Verstärker 92 ein Stromsignal derart, dass der Pegel des Spannungssignals null wird (d. h., derart, dass der durch den magnetoelektrischen Wandler 15 erfasste kombinierte magnetische Fluss (φ1 – φ2) null wird) und führt das Stromsignal den Spulen 16 zu.
Wenn also der Stromwert des gemessenen Stroms I, der auf dem im Magnetkern CR eingeschlossenen gemessenen elektrischen Pfad 5 fließt, zugenommen hat, nimmt auch die Größe des in der Umgebung des gemessenen elektrischen Pfades 5 erzeugten magnetischem Flusses zu. Obgleich der erste magnetische Fluss φ1 innerhalb des Magnetkerns CR zu diesem Zeitpunkt ebenfalls zunimmt, nimmt in der Stromerfassungsvorrichtung 91 der zweite magnetische Fluss φ2 gemäß dem Anstieg des ersten magnetischen Flusses φ1 zu, so dass der kombinierte magnetische Fluss (φ1 – φ2) innerhalb des Magnetkerns CR im Wesentlichen bei null gehalten wird. Daher wird der Magnetkern CR in einem nichtmagnetisch gesättigten Zustand gehalten.
Andererseits nimmt für das innere Abschirmelement SH2, das einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, der den gemessenen elektrischen Pfad 5 auf die gleiche Weise umschließt wie der Magnetkern CR, die Größe des magnetischen Flusses des geschlossenen magnetischer Kreises gemäß einer Zunahme der Größe des in der Umgebung des gemessenen elektrischen Pfades 5 erzeugten magnetischen Flusses zu. Außerdem nimmt gemäß der Zunahme der Größe des magnetischen Flusses die Größe des Streuflusses φ3 (magnetischer Fluss in Richtung zum in der Nähe der Spulen 16 angeordneten inneren Abschirmelement SH2) an den Abschnitten des Magnetkerns CR, wo die jeweiligen Spulen 16 ausgebildet sind, ebenfalls zu.
Hierbei nimmt, nachdem aufgrund der Zunahme der Größe des magnetischen Flusses eine magnetische Sättigung des inneren Abschirmelements SH2 aufgetreten ist, weil die Größe des magnetischen Flusses innerhalb des inneren Abschirmelements SH2 auf eine bestimmte Größe begrenzt ist, die Größe des magnetischen Flusses innerhalb des Magnetkerns CR zu (d. h. um eine Größe des magnetischem Flusses, um die der magnetische Fluss des inneren Abschirmelements SH2 ansteigen würde, wenn keine magnetische Sättigung aufträte). D. h., dass für eine Stromerfassungsvorrichtung, die mit einem derartigen Stromsensor ausgestattet ist, weil der Stromwert des Stromsignals (Gegenkopplungsstrom), der den Spulen zugeführt wird, über den Stromwert (oder ”geeigneten Stromwert”) hinaus ansteigt, wenn die magnetische Sättigung für das innere Abschirmelement SH2 nicht aufgetreten ist, sich die Erfassungsempfindlichkeit erhöht (d. h., es tritt eine Verschlechterung der Linearität auf).
Wie vorstehend beschrieben ist, ist jedoch der Stromsensor 1 derart konfiguriert, dass für den geschlossenen magnetischen Kreis für den in der Umgebung des gemessenen elektrischen Pfades 5 erzeugten magnetischen Fluss oder für den geschlossenen magnetischen Kreis für einen der Streuflüsse φ3 (d. h., der geschlossene magnetische Kreis, in dem der magnetoelektrische Wandler 15 angeordnet ist) kaum eine magnetische Sättigung auftritt, auch wenn der Stromwert des gemessenen Stroms I zugenommen hat (d. h., wenn die Größe des magnetischen Flusses des geschlossenen magnetischen Kreises zugenommen hat). Daher ist, weil ein Zustand, in dem das innere Abschirmelement SH2 nicht magnetisch gesättigt ist, auch dann aufrechterhalten wird, wenn der Stromwert des gemessenen Stroms I angestiegen ist, die mit diesem Stromsensor 1 ausgestattete Stromerfassungsvorrichtung 91 in der Lage, den Stromwert des gemessenen Stroms I in einem Zustand zu erfassen, in dem die Erfassungsempfindlichkeit im Wesentlichen konstant ist (d. h. in einem Zustand geeigneter Linearität). Diese Operation der Stromerfassungsvorrichtung 91 wurde, wie nachstehend dargestellt ist, auf der Grundlage experimenteller Ergebnisse verifiziert.
In den Experimenten wurde jeder Stromsensor 1, der aus einer Kombination aus mehreren ersten Kerneinheiten 2, die mit der gleichen Spezifikation hergestellt sind, und einer zweiten Kerneinheit 3 bestand, wie vorstehend beschrieben mit dem Verstärker 92 und der Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit (z. B. einem Widerstand) 93 kombiniert, um mehrere (d. h. eine der Anzahl der ersten Kerneinheiten 2 entsprechende Anzahl) Stromerfassungsvorrichtungen 91 zu erzeugen, wobei der Stromwert (oder ”Standardstromwert”) des auf dem gemessenen Pfad 5 fließenden gemessenen Stroms I exakt variiert wurde und Schwankungen des rdg-Fehlers (Messfehlers) im Stromwert gemessen wurden, der durch jede Stromerfassungsvorrichtung 91 für jeden Standardstromwert tatsächlich gemessen wurde. Die experimentellen Ergebnisse sind in 11 dargestellt. Hierbei bedeutet der Ausdruck ”rdg-Fehler”, dass der tatsächlich gemessene Stromwert für den Standardstromwert X (in Ampere) mit einem rdg-Fehler von Y (%) durch ”X + X × Y/100” dargestellt ist.
In 11 (und in 12, wie nachstehend beschrieben ist) ist der rdg-Fehler für einen Standardstromwert von 1 A als ein Standard-rdg-Fehler von Null gesetzt, und die rdg-Fehler für andere Standardstromwerte (oder ”Differenzen zum Standard-rdg-Fehler”) sind für jeden durch die Stromerfassungsvorrichtung 91 gemessenen Stromwert angegeben. Wenn als ein Beispiel der rdg-Fehler für den Standardstromwert 0,1 A des durch eine Stromerfassungsvorrichtung gemessenen Stromwertes 2,851% beträgt, beträgt der rdg-Fehler für 0,5 A 2,822%, beträgt der rdg-Fehler für 1,0 A 2,8446%, und beträgt der rdg-Fehler für 5,0 A 2,954%, wobei in 11 der rdg-Fehler für den Standardstromwert 0,1 A durch 0,0064 (= 2,851 – 2,8446), der rdg-Fehler für den Standardstromwert 0,5 A durch –0,0226 (= 2,822 – 2,8446), der rdg-Fehler für den Standardstromwert 1,0 A durch 0 (= 2,8446 – 2,8446) und der rdg-Fehler für den Standardstromwert 5,0 A durch 0,1094 (= 2,954 – 2,8446) dargestellt ist.
In 11 zeigt der diagonal schraffierte Bereich einen Bereich an, in dem die rdg-Fehler des durch die jeweiligen Stromerfassungsvorrichtungen 91 bei jedem Standardstromwert gemessenen Stromwerts liegen, wobei die Breite des diagonal schraffierten Bereichs bei jedem Standardstromwert im rdg-Wert des gemessenen Stromwerts vorhandene Schwankungen anzeigt. Als ein Beispiel liegen in 11, wenn der Standardstromwert 5A beträgt, wo die Breite der Schwankungen des rdg-Fehlers am größten ist, die rdg-Fehler des durch die jeweiligen Stromerfassungsvorrichtungen tatsächlich gemessenen Stromwertes in einem Bereich mit der Breite C1 (einem Bereich mit einem Minimalwert von 0,04 und einen Maximalwert von 0,11), was anzeigt, dass eine Schwankung mit einer Breite C1 von 0,07 (= 0,11 – 0,04) vorliegt.
Außerdem zeigt in 11 die Größe der Differenz zwischen dem größten Wert unter den Maximalwerten der rdg-Fehler bei den Standardstromwerten und dem kleinsten Wert unter den Minimalwerten der rdg-Fehler bei den Standardstromwerten die Linearität der Strommessung durch die Stromerfassungsvorrichtung 91 an. D. h., dass die Linearität der mit dem Stromsensor 1 ausgestatteten Stromerfassungsvorrichtung 91 verglichen mit einem Vergleichsbeispiel einer später beschriebenen Stromerfassungsvorrichtung (vergl. 12) eine ausreichend vorteilhafte Linearität in einem Bereich aufrechterhält, in dem der Standardstromwert im Bereich von 0,1 A bis 5 A liegt.
Andererseits wurde als Vergleichsbeispiel eine zweite Kerneinheit mit der gleichen Spezifikation wie diejenige der zweiten Kerneinheit 3 des vorstehend beschriebenen Stromsensors 1 für eine Konfiguration (die in 10 dargestellte Konfiguration) hergestellt, bei der der erste Spalt G1 des inneren Abschirmelements SH2 eliminiert ist (d. h. auf null gesetzt ist), und die gleichen Experimente wurden unter Verwendung dieser zweiten Kerneinheit durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse sind in 12 dargestellt. In 12 zeigt der diagonal schraffierte Bereich einen Bereich an, in dem der rdg-Fehler in dem durch jede Stromerfassungsvorrichtung bei jedem Standardstromwert gemessene Stromwert liegt, wobei die Breite des diagonal schraffierten Bereichs bei jedem Standardstromwert im rdg-Wert des gemessenen Stromwerts vorhandene Schwankungen anzeigt. Als ein Beispiel liegen in 12, wenn der Standardstromwert 5 A beträgt, wo die Breite der Schwankung des rdg-Fehlers am größten ist, die rdg-Fehler des durch die jeweiligen Stromerfassungsvorrichtungen tatsächlich gemessenen Stromwertes in einem Bereich mit der Breite C2 (ein Bereich mit einem Minimalwert von 0,24 und einem Maximalwert von 0,53), was anzeigt, dass eine Schwankung mit einer Breite C2 von 0,29 (= 0,53 – 0,24) vorliegt.
In 12 zeigt in gleicher Weise wie in Verbindung mit 11 beschrieben wurde die Größe der Differenz zwischen dem größten Wert unter den Maximalwerten der rdg-Fehler bei den Standardstromwerten und dem kleinsten Wert unter den Minimalwerten der rdg-Fehler bei den Standardstromwerten die Linearität der Strommessung durch die Stromerfassungsvorrichtung an. D. h., dass bestätigt wurde, dass die Linearität der mit diesem Stromsensor (d. h. einem Stromsensor, der ohne einen ersten Spalt G1 konfiguriert ist) ausgestatteten Stromerfassungsvorrichtung in dem Bereich, in dem der Standardstromwert 0,1 A bis 5 A beträgt, wesentlich schlechter ist als bei der Stromerfassungsvorrichtung 91, deren Kennlinie in 11 dargestellt ist.
Auf diese Weise wird gemäß dem Stromsensor 1 und der mit dem Stromsensor 1 ausgestatteten Stromerfassungsvorrichtung 91 durch Bereitstellen des inneren Abschirmelements SH2 mit dem ersten Spalt G1, der den Magnetowiderstand des geschlossenen magnetischer Kreises erhöht, der den magnetoelektrischen Wandler 15 aufweist und der geschlossene magnetische Kreis für den Streufluss φ3 ist, ermöglicht, eine extrem vorteilhafte Linearität für einen Bereich niedrigen Stroms (in der vorliegenden Ausführungsform der Bereich von 0,1 A bis 1 A) für den Standardstromwert bereitzustellen, in dem die Linearität für eine Stromerfassungsvorrichtung etwas schlechter ist, die den Stromsensor gemäß dem Vergleichsbeispiel verwendet, und eine ausreichend vorteilhafte Linearität aufgrund der Vermeidung einer magnetischen Sättigung des geschlossenen magnetischen Kreises auch in einem Bereich hohen Stroms aufrechtzuerhalten, in dem der Standardstromwert hoch ist (in der vorliegenden Ausführungsform der Bereich von 1 A bis 5 A), wo eine erhebliche Verschlechterung der Linearität für eine Stromerfassungsvorrichtung vorliegt, die den Stromsensor gemäß dem Vergleichsbeispiel verwendet.
Gemäß dem Stromsensor 1 und der Stromerfassungsvorrichtung 91 ist es im Vergleich zur Stromerfassungsvorrichtung, die den Stromsensor gemäß dem Vergleichsbeispiel verwendet, möglich, die Schwankung des rdg-Fehlers über einen gesamten Bereich von einem niedrigen Strom bis zu einem hohen Strom wesentlich zu reduzieren. Außerdem tritt mit dem Stromsensor 1 und der Stromerfassungsvorrichtung 91, wie in 11 dargestellt, eine starke Verminderung der Schwankung des rdg-Fehlers mit einer Konfiguration auf, die eine Kombination aus einer zweiten Kerneinheit 3 und mehreren ersten Kerneinheiten 2 ist, die mit der gleichen Spezifikation hergestellt sind, aber mechanische Schwankungen innerhalb von Toleranzbereichen für die Bearbeitungsgenauigkeit und die Montagegenauigkeit zwischen den Komponenten aufweisen. Daher ist es gemäß dem Stromsensor 1 und der Stromerfassungsvorrichtung 91, auch wenn die Kerneinheiten 2 und 3 mechanisch versetzt werden, wenn eine zweite Kerneinheit 3 auf einer ersten Kerneinheit 2 geöffnet und geschlossen wird, möglich, Schwankungen des Stromwertes des gemessenen Stroms I wesentlich zu reduzieren, die durch derartige mechanischen Schwankungen verursacht wird (d. h., es ist möglich, die Reproduzierbarkeit der Messung zu verbessern).
Gemäß dem Stromsensor 1 und der Stromerfassungsvorrichtung 91 ist es, weil das innere Abschirmelement SH2 in einer Form ausgebildet ist, die im geschlossenen Zustand im Wesentlichen den gesamten Magnetkern CR, den magnetoelektrischen Wandler 15 und die Spulen 16 abdeckt, möglich, den Stromwert des auf dem gemessenen elektrischen Pfad 5 fließenden gemessenen Stroms I in einem Zustand zu messen, in dem die Wirkung externer Magnetfelder auf den Magnetkern CR, den magnetoelektrischen Wandler 15 und die Spulen 16 ausreichend reduziert worden ist.
Außerdem ist es gemäß dem Stromsensor 1 und der Stromerfassungsvorrichtung 91 unter Verwendung einer doppelt abgeschirmten Konstruktion, bei der das äußere Abschirmelement SH1, das im geschlossenen Zustand das innere Abschirmelement SH2 fast vollständig abdeckt, außerhalb des inneren Abschirmelements SH2 angeordnet ist, möglich, die Wirkung externer Magnetfelder auf den Magnetkern CR, den magnetoelektrischen Wandler 15 und die Spulen 16 durch das äußere Abschirmelement SH1 drastisch zu reduzieren, während der erste Spalt G1, wie vorstehend beschrieben, im inneren Abschirmelement SH2 bereitgestellt wird, um eine vorteilhafte Linearität aufrechtzuerhalten. Daher ist es gemäß dem Stromsensor 1 und der Stromerfassungsvorrichtung 91 möglich, den Stromwert des auf dem gemessenen elektrischen Pfad 5 fließenden gemessenen Stroms I mit einer wesentlich höheren Genauigkeit zu messen.
Es wird darauf hingewiesen, dass, obgleich in der vorstehenden Beschreibung aufgrund einer leichten Herstellung der erste Spalt G1 an einem Kopplungsabschnitt in der Nähe des magnetoelektrischen Wandlers 15 unter dem Kopplungsabschnitt (d. h. dem magnetisch gekoppelten Abschnitt) des ersten inneren Abschirmelements 13 und des zweiten inneren Abschirmelements 43 ausgebildet ist, die das innere Abschirmelement SH2 bilden, die Ausbildungsposition des ersten Spaltes G1 nicht auf diese Position beschränkt, und solange die Ausbildungsposition eine Stelle ist, an der es möglich ist, den Magnetowiderstand des geschlossenen magnetischen Kreises für den Streufluss φ3 zu erhöhen (d. h. des geschlossenen magnetischen Kreis, der den magnetoelektrischen Wandler 15 enthält), ist es möglich, eine Konfiguration zu verwenden, bei der das erste innere Abschirmelement 13 geteilt ist und der erste Spalt G1 im ersten inneren Abschirmelement 13 ausgebildet ist, und/oder bei der das zweite innere Abschirmelement 43 geteilt ist und/oder bei der das zweite innere Abschirmelement 43 geteilt ist und der erste Spalt G1 im zweiten inneren Abschirmelement 43 ausgebildet ist. Außerdem ist, obgleich die Anzahl der ersten Spalte G1 im vorstehend beschriebenen Beispiel eins beträgt, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern es können mehrere erste Spalte G1 vorgesehen sein.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann allgemein auf Stromsensoren mit einem ringförmigen Magnetkern angewendet werden, der einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, der einen gemessenen elektrischen Pfad umschließt, und auf mit einem derartigen Stromsensor ausgestattete Messvorrichtungen.
Bezugszeichenliste

1: Stromsensor
5: Gemessener elektrischer Pfad
15: Magnetoelektrischer Wandler
16: Spule
CR: Magnetkern
G1: Erster Spalt
SH1: Äußeres Abschirmelement
SH2: Inneres Abschirmelement

Claims

Stromsensor mit: einem ringförmigen Magnetkern, der einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, der einen gemessenen elektrischen Pfad umschließt; einem magnetoelektrischen Wandler, der einen magnetischen Fluss innerhalb des Magnetkerns erfasst und ein elektrisches Signal mit einer der Größe des magnetischen Flusses entsprechenden Amplitude ausgibt; einer Spule, die auf dem Magnetkern ausgebildet ist und der ein basierend auf dem elektrischen Signal erzeugter Gegenkopplungsstrom zugeführt wird; und einem Abschirmelement, das mindestens in der Nähe des magnetoelektrischen Wandlers und der Spule angeordnet ist, wobei ein Spalt, der einen Magnetowiderstand eines geschlossenen magnetischen Kreises erhöht, der ein geschlossener magnetischer Kreis für einen magnetischen Fluss ist, der aus dem Magnetkern entweicht, und das Abschirmelement, einen Teil des Magnetkerns, in dem die Spule ausgebildet ist, und den magnetoelektrischen Wandler enthält, im Abschirmelement ausgebildet ist.
Stromsensor nach Anspruch 1, wobei das Abschirmelement in einer Form ausgebildet ist, die im Wesentlichen den gesamten Magnetkern, den magnetoelektrischen Wandler und die Spule abdeckt.
Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Abschirmelement ein inneres Abschirmelement, das derart konstruiert ist, dass es im Wesentlichen den gesamten Magnetkern, den magnetoelektrischen Wandler und die Spule abdeckt, und ein äußeres Abschirmelement aufweist, das im Wesentlichen das gesamte innere Abschirmelement abdeckt, ohne mit dem inneren Abschirmelement in Kontakt zu kommen, und der Spalt nur im inneren Abschirmelement ausgebildet ist.
Messvorrichtung mit: dem Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3; einem Verstärker, der den Gegenkopplungsstrom basierend auf dem elektrischen Signal erzeugt und den Gegenkopplungsstrom einem Ende der Spule zuführt; und einer Strom-Spannungs-Wandlereinheit, die mit einem anderen Ende der Spule verbunden ist und den Gegenkopplungsstrom in ein Spannungssignal umwandelt.