DE69920890T2

DE69920890T2 - Stromsensor

Info

Publication number: DE69920890T2
Application number: DE69920890T
Authority: DE
Inventors: Shiro Nakagawa; Kazuyuki Itoh; Katsuaki Tanaka; Katsumi Yabusaki
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2019-07-03
Also published as: EP1067391B1; CN1165770C; WO2000043795A1; DE69920890D1; EP1067391A1; JP3249810B2; EP1067391A4; US6411078B1; CN1346441A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromsensorvorrichtung, die für die kontaktlose Messung eines relativ großen elektrischen Stromes verwendet wird.
HINTERGRUND
Viele Arten von magnetischen Sensorvorrichtungen und kontaktlosen elektrischen Stromsensorvorrichtungen, die magnetische Sensorvorrichtungen verwenden, wurden seit langem entwickelt, da derartige Vorrichtungen in der Industrie nützlich sind. Ihre Anwendungsgebiete jedoch waren begrenzt und daher war der Marktanteil ebenfalls begrenzt. Folglich wurde bisher die Weiterentwicklung derartiger Vorrichtungen im Hinblick auf eine Kostenreduzierung noch nicht vollständig erreicht.
Jedoch hat die Emissionssteuerung, die aus der Notwendigkeit entsteht, Umweltprobleme zu lösen, die Entwicklung elektrischer Automobile und solarelektrischer Stromerzeugung beschleunigt. Da bei einem elektrischen Fahrzeug oder bei solarelektrischer Leistungserzeugung mit einem Gleichstrom von mehreren Kilowatt bis zu mehreren zehn Kilowatt umgegangen werden muss, ist eine kontaktlose Stromsensorvorrichtung zum Messen eines Gleichstromes von einigen zehn bis Hunderten von Ampere erforderlich. Der Bedarf für derartige Stromsensorvorrichtungen ist extrem hoch. Es ist daher schwierig, die Verbreitung von elektrischen Automobilen und solarelektrischer Stromerzeugung zu erhöhen, wenn nicht die Stromsensorvorrichtungen nicht nur ausgezeichnete Eigenschaften zeigen, sondern auch extrem billig sind. Zusätzlich wird eine Zuverlässigkeit für eine Zeitspanne von zehn Jahren oder mehr für Stromsensorvorrichtungen, die in den rauen Umweltbedingungen wie in einem elektrischen Fahrzeug betrieben werden, verlangt. Wie oben beschrieben, besteht daher das Bedürfnis Stromsensorvorrichtungen bereitzustellen, die preisgünstig sind und ausgezeichnete Eigenschaften sowie eine Langzeitzuverlässigkeit haben.
Für die kontaktlose Messung eines elektrischen Stromes wird eine Wechselstromkomponente leicht mittels der Verwendung des Prinzips eines Transformators gemessen. Es ist jedoch unmöglich, eine Gleichstromkomponente mittels dieses Verfahrens zu messen. Daher wird ein Verfahren verwendet, um ein magnetisches Feld zu messen, das von einem Strom erzeugt wird, der durch einen magnetischen Sensor zum Messen einer Gleichstromkomponente fließt. Ein Hall-Element wird verbreitet für einen derartig magnetischen Sensor verwendet. Ein magnetoresistives Element und ein Fluxgate-Element (auch als Förster-Sonde, Sättigungsmagnetometer oder Magnetfeldsonde bekannt, Anm. d. Übers.) werden in manchen Anwendungen ebenfalls verwendet.
Die folgenden Probleme wurden beispielsweise bei einer Stromsensorvorrichtung, die ein Hall-Element verwendet, das im Stand der Technik am weitesten entwickelt ist, gefunden.

(1) niedrige Sensitivität
(2) unbeständige Sensitivität
(3) schlechte thermische Eigenschaften
(4) Offsetspannung, die umständliche Handhabung erfordert.

Zusätzlich zu den oben genannten Problemen hat ein magnetoresistives Element das Problem ungenügender Linearität.
In der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Hei 7-218552 (1995) wird eine Technik zum Erhöhen des Strommessbereichs einer Stromsensorvorrichtung offenbart, die ein Hall-Element beinhaltet, indem zwei Spalte mit unterschiedlicher Länge an getrennten Enden eines ringförmigen Kerngliedes gebildet werden und ein Hall-Element in jeweils einem der beiden Spalte angeordnet wird.
Ein Beispiel einer Stromsensorvorrichtung, die ein magnetoresistives Element beinhaltet, ist in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Hei 10-26639 (1998) offenbart.
Einige Verfahren wurden entwickelt, um die Probleme eines Hall-Elementes zu lösen. Eines der Verfahren ist das sogenannte negative Rückkopplungsverfahren, d. h. man legt ein umgekehrtes magnetisches Feld, das proportional zu einem Ausgang des Ele mentes ist, an das Element an, um eine negative Rückkopplung vorzusehen, so dass der Ausgang des Elementes konstant gehalten wird. Stabilität der Sensitivität, die thermischen Eigenschaften und die Linearität werden dadurch verbessert.
Wenn jedoch das Verfahren der negativen Rückkopplung verwendet wird, ist es nötig, an das Element ein inverses magnetisches Feld anzulegen, das so groß ist wie das Feld, das gemessen werden soll. Wenn daher ein Strom so hoch wie Hunderte von Ampere in Anwendungen wie bei einem elektrischen Auto oder solarelektrischer Leistungserzeugung gemessen werden soll, erhält man einen Rückkopplungsstrom von mehreren Ampere, selbst wenn die Anzahl der Windungen der Spule zum Erzeugen des Rückkopplungsfeldes 100 ist. Daher ist eine Stromsensorvorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sehr groß und teuer.
Wenn das magnetische Sensorelement eine hohe Sensitivität hat, so ist es möglich, dass der Rückkopplungsstrom reduziert wird, indem nur ein Teil (wie ein Hundertstel) des Feldes, das gemessen werden soll, an das Feld angelegt wird. Für ein Hall-Element mit niedriger Sensitivität, wie es als magnetisches Sensorelement verwendet wird, ist dies jedoch schwierig.
Ein Fluxgate-Element wurde hauptsächlich für die Messung eines kleinen Magnetfeldes entwickelt, wohingegen nicht viele Entwicklungen in Techniken zur Messung eines großen Stromes gemacht wurden. Jedoch kann ein Fluxgate-Element mit einiger Modifikation als magnetische Detektionseinheit einer Stromsensorvorrichtung für einen großen Strom verwendet werden, da das Fluxgate-Element einen einfachen Aufbau und eine hohe Sensitivität hat.
Mit Bezug auf 17 wird nun das Funktionsprinzip eines Fluxgate-Elementes, das den einfachsten Aufbau aufweist, beschrieben. 17 ist eine grafische Darstellung, um die Beziehung zwischen der Induktivität einer Spule, die um einen magnetischen Kern gewickelt ist, und einem Spulenstrom zu zeigen. Da der Kern eine magnetische Sättigungseigenschaft aufweist, ist die effektive Permeabilität des Kerns reduziert und die Induktivität der Spule wird reduziert, wenn der Spulenstrom anwächst. Wenn daher ein vormagnetisierendes Feld B an den Kern mittels eines Magneten oder dergleichen angelegt wird, wird die Größe des externen Magnetfeldes H₀ als Änderung in der Induktivi tät der Spule gemessen, wenn das externe Feld H₀ dem Vormagnetisierungsfeld überlagert wird. Dies ist das Funktionsprinzip des einfachsten Fluxgate-Elementes. In 17 ist sowohl das Vormagnetisierungsfeld B als auch das externe Feld H₀ in der Größe in den Spulenstrom konvertiert dargestellt.
Bei diesem Verfahren ändert sich die Lage des Vormagnetisierungspunktes B mit Faktoren wie der Intensität des Magnetfeldes, das durch den Magneten erzeugt wird, oder der Position des Magneten und des Kerns in Bezug aufeinander. Es ist daher erforderlich, die Induktivität auf einem bestimmten Wert zu halten, wenn das externe Magnetfeld Null ist. Es ist jedoch extrem schwierig, die Instabilität des Induktivitätswertes infolge von Temperaturänderungen oder anderen äußeren Störungen zu kompensieren. Dieses Verfahren ist daher für praktische Anwendungen nicht geeignet.
Wenn ein stabförmiger magnetischer Kern verwendet wird, liegt ein offener magnetischer Kreis vor, so dass der Effekt der Hysterese im Allgemeinen sehr klein ist. Nimmt man an, dass die Hysterese des Kerns vernachlässigbar ist, ist die Kennlinie von Variationen der Induktivität dieselbe, wenn der Spulenstrom in positiver und in negativer Richtung fließt, weil die Sättigungscharakteristik des Kerns unabhängig von der Richtung des Spulenstroms ist. In 17 wird beispielsweise angenommen, dass der Punkt P₊ und der Punkt P_– den Spulenstrom in die positive Richtung bzw. den Spulenstrom in die negative Richtung repräsentieren, deren absolute Werte einander gleich sind. In der Nachbarschaft dieser Punkte ist die Kennlinie von Variationen der Induktivität im Hinblick auf Variationen im absoluten Wert des Spulenstroms gleich. Daher kann ein Wechselstrom an die Spule angelegt werden, so dass der Kern in einen Sättigungsbereich bei einem Spitzenwert getrieben wird, und der Unterschied im Betrag des Abnehmens der Induktivität gemessen werden kann, wenn positive und negative Spitzenwerte des Stroms erhalten werden. Demzufolge ist der Unterschied, der gemessen wird, immer Null, wenn das externe Magnetfeld Null ist, was immer der Fall ist, selbst wenn die Eigenschaften des Kerns sich infolge von Temperaturänderungen oder äußeren Störungen ändern. In der vorliegenden Patentanmeldung bedeutet ein Sättigungsbereich des magnetischen Kerns einen Bereich, in dem ein absoluter Wert des magnetischen Feldes größer ist als der absolute Wert des magnetischen Feldes, wenn die Permeabilität des Kerns maximal ist.
Man nimmt an, dass ein externes Magnetfeld an den Kern angelegt wird. Wenn ein externes Feld H₀ in positiver Richtung des Stromes angelegt wird, wie in 17 gezeigt, dann nimmt der Induktivitätswert bei dem positiven Spitzenwert des Stromes (Punkt Q₊ in 17, beispielsweise) ab und der Induktivitätswert nimmt bei dem negativen Spitzenwert des Stromes (Punkt Q_– in 17, beispielsweise) zu. Daher ist der Unterschied zwischen den Werten nicht gleich Null. Da der Unterschied in der Induktivität von dem äußeren magnetischen Feld abhängt, erhält man das äußere Feld durch Messen des Induktivitätsunterschieds.
Das oben beschriebene Verfahren wird in der vorliegenden Patentanmeldung ein Großamplitudenanregungsverfahren genannt, d. h. man legt einen Wechselstrom an die Spule an, so dass der Kern in einen Sättigungsbereich bei einem Spitzenwert gebracht wird, und man misst den Unterschied in den Größen der Induktivitätsabnahme, wenn positive und negative Spitzenwerte des Stroms erhalten werden.
Magnetische Sensorvorrichtungen, die ein derartiges Großamplitudenanregungsverfahren verwenden, sind offenbart in der veröffentlichten geprüften japanischen Patentanmeldung Sho 62-55111 (1987), der veröffentlichten geprüften japanischen Patentanmeldung Sho 63-52712 (1988) und beispielsweise in der nicht veröffentlichten geprüften japanischen Patentanmeldung Hei 9-61506 (1997). In der veröffentlichten geprüften japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Hei 7-23751 (1995) ist eine Technik offenbart, um eine Messung ähnlich dem Großamplitudenanregungsverfahren mittels der Verwendung von zwei Vormagnetisierungsmagneten zu erreichen.
Das Großamplitudenanregungsverfahren ist ein ausgezeichnetes Verfahren, da die Effekte von Temperaturänderungen und äußeren Störungen eliminiert werden. Es ist jedoch nicht so einfach, einen Wechselstrom anzulegen, der ausreicht, um den Kern in die Sättigung zu bringen. Demzufolge ist nach dem Stand der Technik das Großamplitudenanregungsverfahren auf eine magnetische Sensorvorrichtung zum Erfassen eines kleinen Magnetfeldes durch die Verwendung eines amorphen magnetischen Kerns und dergleichen, die ein geringes Sättigungsfeld haben, beschränkt.
Für die kontaktlose Messung eines Gleichstroms wird üblicherweise unter Verwendung eines magnetischen Sensorelementes ein Verfahren zum Detektieren eines Magnetfel des, das durch einen Strom erzeugt wird, eingesetzt. Bei diesem Verfahren ist beispielsweise ein magnetisches Joch mit einem Spalt um einen Strompfad vorgesehen und ein magnetisches Sensorelement wird in dem Spalt angeordnet. Das magnetische Feld in dem Spalt wird von dem Sensorelement gemessen. Die Intensität H des Feldes in dem Spalt ist I/g, wobei der Stromwert I ist und die Spaltlänge g. Der Strom I ergibt sich damit aus der Messung des magnetischen Feldes H mit einem magnetischen Sensorelement.
Die Verwendung eines Fluxgate-Elementes als ein magnetisches Sensorelement wird nun betrachtet. Ein Fluxgate-Element hat die Eigenschaft, dass die Länge in der Richtung, in der ein magnetisches Feld angelegt wird, relativ lang ist. Daher ist die Spaltlänge "g" relativ lang. Eine kürzeste Länge eines tatsächlichen Fluxgate-Elementes in der Richtung, in der ein Magnetfeld angelegt wird, beträgt ungefähr 1 bis 5 mm. Weiterhin ist eine lange Spaltlänge zulässig, da ein Fluxgate-Element eine hohe Sensitivität hat, so dass ein extrem hohes Magnetfeld nicht notwendig ist. Demzufolge ist die Spaltlänge des magnetischen Joches einer Stromsensorvorrichtung, die ein Fluxgate-Element beinhaltet, länger als die einer Sensorvorrichtung, die irgendeine andere Art von magnetischem Sensorelement, wie ein Hall-Element, beinhaltet. Bei einer tatsächlichen Anordnung ist die Spaltlänge einer Stromsensorvorrichtung für Ströme im 1000-Ampere-Bereich 5 bis 10 mm.
Das deutet darauf hin, dass, wenn die Lage des Strompfades, der von dem magnetischen Joch umgeben wird, nahe dem Spalt ist, das magnetische Feld innerhalb des Spaltes mit dem magnetischen Feld entsprechend dem magnetischen Fluss, der von dem Strompfad erzeugt wird und nicht durch das Joch hindurchdringt, variiert. Da das magnetische Feld in einer Entfernung mit dem Radius "r" von dem Strompfad I/2πr ist, ist das magnetische Feld, das dem Fluss entspricht, der nicht durch das Joch hindurchdringt, größer als das Feld, das dem Fluss entspricht, der durch das Joch hindurchdringt, wobei r < g/2π. Wie oben beschrieben, ist festzustellen, dass eine Änderung in der Lage des Strompfades einer der größten Faktoren, die Messfehler erzeugen, für ein Fluxgate-Element ist, obwohl eine derartige Variation in der Lage des Strompfades kein Problem darstellt, wenn die Spaltlänge "g" 1 bis 2 mm wie in einen Hall-Element beträgt.
Um das oben genannte Problem zu vermeiden, kann ein Verfahren verwendet werden, um den Strompfad zu fixieren oder um ein großes magnetisches Joch zu verwenden und den Abstand zwischen dem Strompfad und dem Spalt zu verringern. Das Verfahren, bei dem der Strompfad fixiert wird, opfert jedoch die Bequemlichkeit der Vorrichtung, bei der ein Strom dadurch gemessen werden kann, dass einfach nur ein elektrischer Draht durch den Raum innerhalb des magnetischen Joches hindurchführt. Das Verfahren, das ein großes magnetisches Joch verwendet, hat das Problem, dass die Sensorvorrichtung in Größe und Gewicht vergrößert wird.
Da nicht viele Forschungen in Bezug auf Stromsensorvorrichtungen durchgeführt wurden, die ein Fluxgate-Element beinhalten, wurde kein Beispiel im Stand der Technik dafür gefunden, die Messfehler zu reduzieren, die aus Variationen in der Lage des Strompfades resultieren. Eine Stromsensorvorrichtung, die ein Fluxgate-Element beinhaltet, hat jedoch viele Eigenschaften, wie Zuverlässigkeit, die besser sind als die von Stromsensorvorrichtungen, die andere magnetische Sensorelemente verwenden. Es ist in der Industrie deshalb sehr nützlich, die Messfehler zu reduzieren, die aus Veränderungen in der Position des Strompfades resultieren, dem einzigen Nachteil der Vorrichtung, die ein Fluxgate-Element verwendet.
In der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Hei 5-99953 (1993) ist eine Technik zum Vermindern von Fehlern in einem gemessenen Stromwert bekannt, die durch einen elektrischen Draht verursacht werden, der außerhalb des magnetischen Joches vorbeiführt. Es wird jedoch den Fehlern, die durch die Variation in der Lage eines elektrischen Drahtes, der durch den Raum innerhalb des Joches hindurchführt, verursacht werden, keine Beachtung geschenkt. In der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Hei 8-15322 (1996) ist eine Technik offenbart, um magnetische Einflüsse auf ein magnetisches Erfassungselement zu reduzieren, die von einem Magnetfeld herrühren, das von dem zu messenden Leiter erzeugt werden, oder von anderen äußeren Magnetfeldern. Bei dieser Technik wird ein magnetischer Kern in einen ringförmigen Kern aufgeteilt, auf dem keine Rückkopplungswindung angeordnet ist, und in einen H-förmigen Kern, auf dem eine Rückkopplungswindung angeordnet ist. Der H-förmige Kern detektiert einen Streufluss in einem Spalt des ringförmigen Kerns. Der H-förmige Kern ist zusammen mit dem magnetischen Erfassungselement, das in der Nähe des H-förmigen Kerns angeordnet ist, mit einem magnetischen Abschirmungsglied bedeckt. Diese Technik hat jedoch das Problem, dass die Anordnung kompliziert ist und die Stromsensorvorrichtung groß ist.
Das Großamplitudenanregungsverfahren ist ein ausgezeichnetes Verfahren, da die Einflüsse von Temperaturänderungen und äußeren Störungen eliminiert werden. Wenn das Großamplitudenanregungsverfahren zusammen mit einem negativen Rückkopplungsverfahren verwendet wird, können prinzipbedingt ausgezeichnete Eigenschaften erwartet werden. Beispiele, in denen das Verfahren der negativen Rückkopplung bei einer magnetischen Sensorvorrichtung, die ein Fluxgate-Element beinhaltet, angewendet wird, sind in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Sho 60-185179 (1985) und der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Hei 9-257835 (1997) offenbart.
Eine Fluxgate-Stromsensorvorrichtung, die ein Fluxgate-Element beinhaltet, bringt jedoch den folgenden Nachteil mit sich, der aus dem Messprinzip selbst herrührt. Da die Fluxgate-Stromsensorvorrichtung von einem Abtastsystem gebildet wird, ist das Frequenzband der Messung begrenzt. In anderen Worten darf im Hinblick auf die Fluxgate-Stromsensorvorrichtung das Ansprechfrequenzband, d. h. das Frequenzband, das auf Änderungen in dem zu messenden Strom antwortet, die Anregungsfrequenz, welche die Frequenz des Anregungsstromes ist, d. h. eines Wechselstromes, der an die Spule des Fluxgate-Elementes angelegt wird, infolge der Nyquistfrequenz, welche die Schwellenfrequenz der Antwort ist, nicht überschreiten. Im Hinblick auf die Fluxgate-Stromsensorvorrichtung ist die Abtastfrequenz zweimal die Anregungsfrequenz, da das Abtasten bei zwei Punkten im positiven und negativen Bereich in einem Zyklus des Anregungsstromes durchgeführt wird. Die Nyquistfrequenz ist die Hälfte der Abtastfrequenz.
Wenn weiterhin das Verfahren der negativen Rückkopplung bei der Fluxgate-Stromsensorvorrichtung angewendet wird, ist es nicht so einfach, das Band des negativen Rückkopplungssystems, das eine ausreichend große Schleifenverstärkung hat, zu erweitern, da es nötig ist, Maßnahmen gegen Oszillation und dergleichen ausreichend Beachtung zu schenken.
Wie oben beschrieben hat die Fluxgate-Stromsensorvorrichtung nach dem Stand der Technik das Problem, dass, auch wenn das Ansprechfrequenzband breit genug für herkömmliche Anwendungen ist, es dennoch schwierig ist, das Ansprechfrequenzband weiter zu verbreitern.
Wie in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Hei 1-265168 (1989) und in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Hei 4-93772 (1992) offenbart, ist beispielsweise ein Verfahren zum Erweitern des Ansprechfrequenzbandes einer Stromsensorvorrichtung im Allgemeinen bekannt, das nicht auf eine Fluxgate-Stromsensorvorrichtung begrenzt ist. Bei diesem Verfahren wird eine Hochfrequenzkomponente eines zu messenden Stromes mittels einer Spule detektiert, die durch den Wechselstrom und eine magnetische Kopplung mit dem Strompfad verbunden ist, durch welchen der zu messende Strom fließt. Andererseits wird eine niederfrequente Komponente des Stromes einschließlich einer Gleichstromkomponente von einem magnetischen Sensorelement detektiert. Diese zwei Messsignale werden kombiniert. Dieses Verfahren nennt man in der vorliegenden Patentanmeldung Wechselstrom (AC)-Kopplungsverfahren.
Bei der Stromsensorvorrichtung nach dem Stand der Technik, die das AC-Kopplungsverfahren verwendet, ist jedoch, wie in den oben erwähnten Veröffentlichungen offenbart, die Spule zum Detektieren der Hochfrequenzkomponente in dem magnetischen Joch selbst vorgesehen. Wenn ein Verfahren mit negativer Rückkopplung angewendet wird, arbeitet die Spule zum Detektieren einer Hochfrequenzkomponente als eine Spule, die in vielen Fällen auch ein Rückkopplungsmagnetfeld erzeugt. Demzufolge hat eine Stromsensorvorrichtung nach dem Stand der Technik, die das AC-Kopplungsverfahren verwendet, das Problem, dass die Herstellungskosten für die Vorrichtung sich erhöhen, da das Winden der Spule um das magnetische Joch schwierige Techniken verlangt und die große Anzahl von Windungen der Spule die Vorrichtung groß machen.
Weiterhin hat die Stromsensorvorrichtung nach dem Stand der Technik, die das AC-Kopplungsverfahren verwendet, das folgende wesentliche Problem. Die Techniken nach dem Stand der Technik, welche das AC-Kopplungsverfahren verwenden, wurden hauptsächlich für eine Stromsensorvorrichtung entwickelt, die ein Hall-Element als das mag netische Sensorelement beinhalten. In einer derartigen Vorrichtung ist es annehmbar, dass der Spalt des magnetischen Joches klein ist. Demgegenüber ist bei der Stromsensorvorrichtung, die ein Fluxgate-Element als magnetisches Sensorelement beinhaltet, der Spalt des Joches größer als der bei einer Vorrichtung, die ein Hall-Element beinhaltet. Demzufolge hat die Stromsensorvorrichtung, die ein Fluxgate-Element beinhaltet, das Problem, dass die Spule zum Detektieren der Hochfrequenzkomponente groß ist und dass die Vorrichtung teuer ist, und zwar aus dem folgenden Grund.
Die Induktivität L der Spule zum Detektieren einer Hochfrequenzkomponente, die um das magnetische Joch gewickelt ist, wird ausgedrückt als L = K·N², wobei der AL-Wert (der Induktivitätswert pro Windung der Spule) des magnetischen Joches K ist und die Anzahl der Windungen der Spule N ist.
Es wird angenommen, dass das magnetische Joch aus einem Ferrit-Material mit hoher Permeabilität und einer Querschnittsfläche von etwa 5 × 5 mm hergestellt ist. Wenn die Länge des Spaltes des Joches 1 mm beträgt, d. h. eine typische Länge für eine Stromsensorvorrichtung, die ein Hall-Element beinhaltet, dann ist der AL-Wert K des Joches etwa 1 μH/T. Wenn die Länge des Spaltes des Joches 10 mm beträgt, d. h. eine typische Länge für eine Stromsensorvorrichtung, die ein Fluxgate-Element beinhaltet, ist der AL-Wert K des Joches etwa 0,1 μH/T, was 1/10 des K-Wertes ist, der erhalten wird, wenn ein Hall-Element verwendet wird.
Wenn der Gleichstromwiderstand der Spule zum Detektieren einer Hochfrequenzkomponente "r" ist, dann ist die Grenzfrequenz "f" der Spule f = r/2πK·N². Daher ist es erforderlich, um dieselbe Grenzfrequenz zu erhalten, wenn ein Fluxgate-Element verwendet wird, das beispielsweise die Anzahl der Windungen der Spule etwa dreimal so groß ist, wie bei der Vorrichtung, die ein Hall-Elemente verwendet, und dass die Spule aus einem Draht hergestellt wird, der eine etwa dreimal größere Querschnittsfläche hat als bei einer Spule einer Vorrichtung, die ein Hall-Element verwendet.
Wie oben beschrieben, ist, wenn das AC-Kopplungsverfahren nach dem Stand der Technik direkt auf eine Stromsensorvorrichtung, die ein Fluxgate-Element beinhaltet, angewendet wird, die Spule zum Detektieren einer Hochfrequenzkomponente groß und die Vorrichtung ist teuer.
Zudem wird bei bekannten Techniken, die das AC-Kopplungsverfahren verwenden, der Grenzfrequenz und der Anregungsfrequenz der Spule zum Detektieren einer Hochfrequenzkomponente keine Beachtung geschenkt, weil dies Probleme sind, die spezifisch für ein Abtastsystem sind. Daher kann, wenn das bekannte AC-Kopplungsverfahren direkt bei einer Stromsensorvorrichtung angewendet wird, die ein Fluxgate-Element beinhaltet, eine Schwebung durch die Frequenz einer variierenden Komponente eines zu messenden Stromes und die Anregungsfrequenz verursacht werden.
Das vorveröffentlichte Dokument JP 3 162681 offenbart einen Stromsensor, der einen magnetischen Kern mit einem Spalt hat und einen weiteren magnetischen Kern, der eingefügt wird, um den Stromdetektor zu bilden. Der magnetische Fluss, der entsprechend einem Strom, der durch eine Messleitung fließt, erzeugt wird, dringt durch einen ersten magnetischen Pfad, wenn der Strom klein ist, aber wird auf einen zweiten magnetischen Pfad nebengeschlossen, der durch die Länge des Spaltes bestimmt wird, wenn der Strom groß ist. Daher werden ein Strom und eine Spannung, die in einer Spule induziert werden, dadurch unterdrückt, dass der Spalt und die magnetische Flussdichte der magnetischen Pfade geeignet eingestellt wird, um eine Hochspannung oder einen großen Strom, der von einem nacheilenden Detektionsschaltkreis erzeugt wird, zu unterdrücken.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Stromsensorvorrichtung anzugeben, welche ein Ansprechfrequenzband erweitert, während sie eine Schwebung, die von der Frequenz einer variierenden Komponente eines zu messenden Stromes und der Anregungsfrequenz erzeugt wird, unterdrückt und die Schwierigkeiten bei der Herstellung der Vorrichtung und die Größe der Vorrichtung reduziert.
Diese Aufgabe wird durch eine Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Eine erste Stromsensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst:
ein ringförmiges magnetisches Joch, durch welches ein magnetischer Fluss, der von einem elektrischen Strom, der durch einen elektrischen Strompfad fließt, erzeugt wird, fließt, wobei das Joch den Strompfad umgibt und ein Teil des Joches einen Spalt hat;
und ein magnetisches Sensorelement, das in dem Spalt des magnetischen Joches angeordnet ist, und dazu vorgesehen ist, ein magnetisches Feld in dem Spalt, das von dem Strom, der durch den Strompfad fließt, erzeugt wurde, zu detektieren. Ein magnetischer Pfad des Flusses, der durch das magnetische Joch fließt, schließt ein: einen ersten magnetischen Pfad, der hauptsächlich das magnetische Sensorelement durchdringt, durch welchen ein Teil des Flusses, der durch das magnetische Joch fließt, hindurchfließt; und einen zweiten magnetischen Pfad, durch den ein anderer Teil des Flusses, der durch das magnetische Joch fließt, hindurchdringt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfasst das magnetische Sensorelement das magnetische Feld in dem Spalt, das von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad fließt, auf der Basis des magnetischen Flusses, der durch den ersten magnetischen Pfad fließt. Der zweite magnetische Pfad kann für eine andere Funktion als das Detektieren eines Magnetfeldes durch das magnetische Sensorelement verwendet werden.
Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiterhin eine Hochfrequenzkomponentenerfassungsspule zum Erfassen einer Hochfrequenzkomponente des Stromes, der durch den Strompfad fließt, und die Erfassungsspule kann in dem zweiten magnetischen Pfad angeordnet werden.
Bei dieser Stromsensorvorrichtung detektiert das magnetische Sensorelement das Magnetfeld in dem Spalt, das durch den Strom, der durch den Strompfad fließt, erzeugt wird. Die Erfassungsspule erfasst eine Hochfrequenzkomponente des Stroms, der durch den Strompfad fließt. In der Vorrichtung sind das magnetische Sensorelement und die Erfassungsspule in unterschiedlichen magnetischen Pfaden angeordnet. Daher ist es möglich, die Grenzfrequenz und dergleichen für jedes magnetische Sensorelement und die Erfassungsspule unabhängig voneinander festzulegen.
Die Stromsensorvorrichtung kann einen magnetischen Feldunterbrecher umfassen, der zwischen dem Strompfad und dem Spalt angeordnet ist, um ein magnetisches Feld zu unterbrechen, das einem magnetischen Fluss entspricht, der von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad fließt und nicht das magnetische Joch durchdringt, so dass das magnetische Feld von dem magnetischen Sensorelement abgeschnitten ist. Zusätzlich kann der zweite magnetische Pfad durch den Feldunterbrecher gebildet sein. In dieser Stromsensorvorrichtung schneidet der Feldunterbrecher das magnetische Feld ab, das dem magnetischen Fluss entspricht, der von dem Strom, der durch den Strompfad fließt, erzeugt wird, und nicht durch das magnetische Joch von dem magnetischen Sensorelement hindurchdringt.
In der Stromsensorvorrichtung, die den Feldunterbrecher umfasst, kann der Feldunterbrecher von dem magnetischen Joch getrennt sein oder er kann in das magnetische Joch integriert sein. Ein Teil des Feldunterbrechers kann einen Spalt haben. Eine Mittellage des Spaltes des Feldunterbrechers kann außerhalb einer geraden Linie liegen, die man durch die Mitte des Strompfades und die Mitte des Spaltes des magnetischen Joches zieht. Der Feldunterbrecher kann aus einer magnetischen Substanz hergestellt sein. Das magnetische Sensorelement kann beispielsweise ein Fluxgate-Sensorelement sein.
Die Stromsensorvorrichtung, die die Hochfrequenzkomponentenfassungsspule aufweist, kann weiterhin Dämpfungsmittel umfassen, die in dem ersten magnetischen Pfad angeordnet sind, um eine Frequenzkomponente des magnetischen Flusses zu dämpfen, der durch den ersten magnetischen Pfad hindurchdringt und die höher als eine spezifische Grenzfrequenz ist.
In der Stromsensorvorrichtung, welche die Hochfrequenzkomponentenerfassungsspule umfasst, kann das magnetische Sensorelement einen magnetischen Kern aufweisen, der in dem ersten magnetischen Pfad angeordnet ist, und eine Sensorspule, die um den Kern gewickelt ist und die vorgesehen ist, um ein magnetisches Feld zu detektieren, das dem Fluss entspricht, der durch den ersten magnetischen Pfad hindurchdringt. In diesem Fall kann die Vorrichtung weiterhin umfassen: Treibermittel zum Treiben der Sensorspule durch Anlegen eines Wechselanregungsstromes, der den Kern in einen Sättigungsbereich bringt, an die Sensorspule; und Messmittel zum Messen des Stromes, der durch den Strompfad fließt, durch Erfassen von Induktivitätsänderungen der Sensorspule. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der magnetische Kern, der aus einer magnetischen Substanz hergestellt ist, die eine magnetische Sättigungseigenschaft hat, und auf den die Spule gewickelt ist. Die Sensorspule zu treiben, bedeutet einen alternierenden Strom an die Sensorspule anzulegen.
Die Stromsensorvorrichtung, welche die Treibermittel und die Messmittel umfasst, kann weiterhin Dämpfungsmittel aufweisen, die in dem ersten magnetischen Pfad angeordnet sind, zum Dämpfen einer Frequenzkomponente des magnetischen Flusses, die durch den ersten magnetischen Pfad fließt, die höher ist als eine spezifische Grenzfrequenz. Die Grenzfrequenz kann leicht oder kleiner der Nyquistfrequenz sein, die aus einer Frequenz des Anregungsstromes gewonnen wird. In der Stromsensorvorrichtung, welche die Treibermittel und die Messmittel umfasst, können die Treibermittel einen Serienresonanzkreis haben, der zum Teil durch die Sensorspule gebildet ist und der einen Resonanzstrom bereitstellt, der durch den Serienresonanzkreis als Anregungsstrom für die Sensorspule fließt. Die Stromsensorvorrichtung, welche die Treibermittel und die Messmittel umfasst, kann weiterhin Stromversorgungsmittel zum Bereitstellen eines elektrischen Stromes an die Sensorspule aufweisen, wobei der Strom einen Gleichstrom einschließt und eine Frequenz aufweist, die sich von einer Frequenz des Anregungsstromes unterscheidet. In diesem Fall können die Stromversorgungsmittel einen negativen Rückkopplungsstrom an die Sensorspule anlegen, um einen Ausgang der Messmittel negativ an die Sensorspule zurückzukoppeln. Die Hochfrequenzkomponentenerfassungsspule kann einen Pfad bilden, um den negativen Rückkopplungsstrom an die Sensorspule anzulegen.
In der Stromsensorvorrichtung, welche die Treibermittel und die Messmittel umfasst, können die Messmittel haben: ein induktives Element, das in Serie mit der Sensorspule geschaltet ist; und einen Differenziererschaltkreis zum Differenzieren einer Spannung, die über dem induktiven Element erzeugt wird, und zum Ausgeben eines Signals in Antwort auf den Strom, der in dem Strompfad fließt.
In der Stromsensorvorrichtung, welche die Hochfrequenzkomponentenerfassungsspule umfasst, kann der zweite magnetische Pfad einen Spalt einschließen.
In der Stromsensorvorrichtung, welche die Hochfrequenzkomponentenerfassungsspule aufweist, kann der zweite magnetische Pfad zwischen dem Strompfad und dem ersten magnetischen Pfad lokalisiert sein. In diesem Fall kann die Stromsensorvorrichtung wei terhin ein Magnetfeldunterbrechungsglied aufweisen, das aus einer magnetischen Substanz hergestellt ist und in dem zweiten magnetischen Pfad angeordnet ist, wobei das Glied ein magnetisches Feld unterbricht, welches einem magnetischen Fluss entspricht, der von dem Strom erzeugt wird, welcher durch den Strompfad fließt, und das nicht durch das magnetische Joch hindurchdringt, so dass das magnetische Feld von dem magnetischen Sensorelement abgeschnitten ist. Zusätzlich kann die Hochfrequenzkomponentenerfassungsspule um das Feldunterbrechungsglied gewickelt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine Stromsensorvorrichtung: ein ringförmiges magnetisches Joch, durch welches ein magnetischer Fluss fließt, der von einem elektrischen Strom erzeugt wird, der durch einen elektrischen Strompfad fließt, wobei das Joch den Strompfad umgibt, und wobei ein Teil des Joches einen Spalt hat; ein magnetisches Sensorelement, das in dem Spalt des magnetischen Joches angeordnet ist und das dazu vorgesehen ist, ein magnetisches Feld in dem Spalt zu erfassen, welches von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad fließt; und einen magnetischen Feldunterbrecher, der zwischen dem Strompfad und dem Spalt angeordnet ist, zum Unterbrechen eines magnetischen Feldes, welches einem magnetischen Fluss entspricht, der von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad fließt, und nicht durch das magnetische Joch hindurchdringt, so dass das magnetische Feld von dem magnetischen Sensorelement abgeschnitten ist.
Der Feldunterbrecher schneidet das magnetische Feld ab, welches dem magnetischen Fluss entspricht, der von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad fließt und welches nicht durch das magnetische Joch von dem magnetischen Sensorelement hindurchdringt.
Der Feldunterbrecher kann von dem magnetischen Joch getrennt sein oder kann in dem magnetischen Joch integriert sein. Ein Teil des Feldunterbrechers kann einen Spalt haben. Eine Mittellage des Spaltes dieses Feldunterbrechers kann außerhalb einer geraden Linie liegen, die durch den Mittelpunkt des Strompfades und den Mittelpunkt des Spaltes des magnetischen Joches gezogen wird. Der Feldunterbrecher kann aus einer magnetischen Substanz hergestellt sein. Das magnetische Sensorelement kann beispielsweise ein Fluxgate-Sensorelement sein.
Andere und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung noch deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Querschnitt durch eine Stromsensorvorrichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht der Stromsensorvorrichtung, die in 1 gezeigt ist.
3 ist ein Schaltplan eines Ersatzschaltbildes der Stromsensorvorrichtung, die in 1 gezeigt ist.
4 ist eine erklärende Ansicht zum Beschreiben der Bedingungen für eine Computersimulation zum Bestätigen des Effekts der ersten Ausführungsform der Erfindung.
5 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Computersimulation zum Bestätigen des Effekts der ersten Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Computersimulation zum Bestätigen des Effekts der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein Querschnitt einer Stromsensorvorrichtung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
8 ist ein Schaltplan, der eine Anordnung der Stromsensorvorrichtung einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
9 ist eine erklärende Ansicht, die die Anordnung einer Stromsensorvorrichtung einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
10 ist ein Querschnitt des Hauptteiles der Stromsensorvorrichtung, die in 9 gezeigt ist.
11 ist ein Schaltplan eines Ersatzschaltbildes des Hauptteiles der Stromsensorvorrichtung, die in 9 gezeigt ist.
12 ist ein Querschnitt des Hauptteiles einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein Querschnitt des Hauptteiles einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein Schaltplan, der die Anordnung einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ist ein Schaltplan, der die Anordnung einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließlich eines magnetischen Joches zeigt.
16 ist ein Schaltplan, der die Anordnung einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform ohne das magnetische Joch zeigt.
17 ist eine erklärende Ansicht zum Beschreiben des Funktionsprinzips eines Fluxgate-Elementes.
BESTE ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erklärt.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Querschnitt durch eine Stromsensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine perspektivische Ansicht der Stromsensorvorrichtung, die in 1 gezeigt ist. Die Stromsensorvorrichtung umfasst: ein ringförmiges magnetisches Joch 2, das einen Strompfad 1 umgibt, wobei ein Teil des Joches einen Spalt 3 hat; und ein magnetisches Sensorelement 4, das in dem Spalt 3 des magnetischen Joches 2 angeordnet ist. Das magnetische Sensorelement 4 erfasst ein magnetisches Feld in dem Spalt 3, das von einem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad 1 fließt, um den Strom, der durch den Strompfad 1 fließt, zu messen. Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiterhin einen Magnetfeldunterbrecher 5, der zwischen dem Strompfad 1 und dem Spalt 3 angeordnet ist, um ein magnetisches Feld zu unterbrechen, das einem magnetischen Fluss entspricht, der von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad 1 fließt, und das nicht durch das magnetische Joch 2 hindurchdringt, so dass das magnetische Feld von dem magnetischen Sensorelement 4 abgeschnitten ist.
Obwohl das magnetische Joch 2 die Gestalt eines abgerundeten rechteckigen Rings gemäß dieser Ausführungsform aufweist, ist es nicht auf diese Gestalt beschränkt. Der magnetische Feldunterbrecher 5 ist plattenförmig. Jedes Ende des Feldunterbrechers 5 liegt der inneren Oberfläche des magnetischen Joches 2 mit einer spezifischen Entfernung gegenüber und ist von dem Joch 2 getrennt. Das Joch 2 und der Feldunterbrecher 5 sind beide aus einer magnetischen Substanz hergestellt. Das magnetische Sensorelement 4 kann ein Fluxgate-Element sein, ist aber nicht auf das Fluxgate-Element beschränkt.
Die Funktionsweise der Stromsensorvorrichtung dieser Ausführungsform wird nun beschrieben. In der Vorrichtung erzeugt ein Strom, der durch den Strompfad 1 fließt, einen magnetischen Fluss, der durch das magnetische Joch 2 fließt. Das magnetische Sensorelement 4 erfasst ein magnetisches Feld innerhalb des Spaltes 3, das dem Strom entspricht. Der Wert des Stromes, der durch den Strompfad 1 fließt, wird von dem Ausgang des Sensorelementes 4 erhalten.
Der Feldunterbrecher 5 unterbricht ein magnetisches Feld, das einem magnetischen Fluss entspricht, der von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad 1 fließt, und nicht durch das Joch 2 hindurchdringt, so dass das magnetische Feld von dem Sensorelement 4 abgeschnitten ist. Demzufolge ist es möglich, Messfehler zu reduzieren, die aus Änderungen in der Lage des Strompfades 1, der durch den freien Raum innerhalb des Joches 2 hindurchfließt, resultieren.
Die Funktionsweise des Feldunterbrechers 5 wird nunmehr im Detail beschrieben. Wie in 1 gezeigt, schließt der magnetische Pfad des Flusses, der durch das Joch 2 fließt, ein: einen ersten magnetische Pfad, der hauptsächlich durch den Spalt 3 und das Sensorelement 4 fließt, durch welchen ein Teil des magnetischen Flusses, der durch das Joch 2 hindurchdringt, fließt, und einen zweiten magnetischen Pfad, der hauptsächlich durch den Feldunterbrecher hindurchfließt, durch den ein anderer Teil des magnetischen Flusses, der durch das Joch 2 fließt, hindurchdringt. Wein 1 gezeigt, wird der magnetische Widerstand des ersten magnetischen Pfades, d. h. der magnetische Widerstand des magnetischen Flusses, der durch den Spalt 3 fließt, von dem Fluss, der durch das Joch 2 fließt, durch Rg repräsentiert. Der magnetische Widerstand des zweiten magnetischen Pfades, d. h. der magnetische Widerstand des magnetischen Flusses, der durch den Unterbrecher 5 von dem magnetischen Fluss, der durch das Joch 2 fließt, fließt, wird durch Rs repräsentiert. Der magnetische Widerstand des Teiles des Joches 2, in welchem der magnetische Fluss fließt, der von dem Fluss gebildet wird, der durch den Spalt 3 fließt, und dem Fluss, der durch den Unterbrecher 5 fließt, wird durch R₀ repräsentiert.
Das Ersatzschaltbild für die Stromsensorvorrichtung, die in 1 gezeigt ist, ist dasjenige, das in 3 gezeigt ist, wobei die magnetomotorische Kraft, die von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad 1 fließt, F ist. In dem Ersatzschaltbild sind der magnetische Widerstand R₀ und ein Parallelschaltkreis aus dem magnetischen Widerstand Rg und dem magnetischen Widerstand Rs in Serie mit der Quelle der magnetomotorischen Kraft F geschaltet.
Wenn ein Strom, der zu messen ist, I (A) ist, wird die magnetomotorische Kraft F durch F = I (A/m) repräsentiert. Die magnetomotorische Kraft Fg, die an den Spalt 3 angelegt wird, in dem das Sensorelement 4 angeordnet ist, wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt. Fg = F·(Rg//Rs/Rg//Rs + R0)
Der magnetische Widerstand des Parallelschaltkreises, der durch den magnetischen Widerstand Rg und den magnetischen Widerstand Rs gebildet ist, wird durch Rg//Rs repräsentiert, wobei Rg//Rs = Rg·Rs/(Rg + Rs).
Wenn der magnetische Widerstand R₀ des Anteiles des Joches, in welchem der magnetische Fluss, der von dem Fluss gebildet wird, der durch den Spalt 3 fließt, und von dem Fluss, der durch den Unterbrecher 5 fließt, klein genug ist und wenn die Beziehung gilt, dass R₀ << Rg//Rs, dann ist Fg gleich F. Deshalb ist die magnetomotorische Kraft Fg, die an den Spalt 3 angelegt wird, in welchem das Sensorelement 4 angeordnet ist, unabhängig von dem magnetischen Widerstand Rs. Das heißt, wenn der magnetische Widerstand des magnetischen Pfades ausreichend viel größer ist als der magnetische Widerstand des Joches 2, dann beeinflusst der Feldunterbrecher 5, der zwischen dem Strompfad 1 und dem Spalt 3 angeordnet ist, die magnetomotorische Kraft, die an den Spalt 3 angelegt wird, in welchem das Sensorelement 4 angeordnet ist, nicht, d. h. das Magnetfeld, das an das Sensorelement 4 angelegt wird. Das bedeutet, dass der Feldunterbrecher 5, der zwischen dem Strompfad 1 und dem Spalt 3 angeordnet ist, unterbricht das magnetische Feld, das direkt an das Sensorelement 4 von dem Strompfad 1 angelegt werden könnte, ohne durch das Joch 2 zu fließen, ohne dabei das magnetische Feld, das an das Sensorelement 4 durch den Fluss angelegt wird, der durch das Joch 2 fließt, zu beeinflussen.
Nunmehr wird auf die 4 bis 6 Bezug genommen, um das Ergebnis einer Computersimulation zu beschreiben, die durchgeführt wurde, um den Effekt des Feldunterbrechers 5 zu bestätigen. Mit Bezug auf 4 werden die Bedingungen für die Simulation beschrieben. Das magnetische Sensorelement 4 wird in dem Spalt 3 des magnetischen Joches 2 angeordnet. Obgleich hier nicht dargestellt, ist der Strompfad in dem freien Raum innerhalb des Joches 2 angeordnet. Der Feldunterbrecher 5 wird zwischen dem Sensorelement 4 und dem Strompfad angeordnet. Der freie Raum innerhalb des Joches 2 hat einen rechteckförmigen Querschnitt mit einer Länge von 22 mm in der horizontalen Richtung der 4 und einer Länge von 12,5 mm in der vertikalen Richtung. Eine Position in dem freien Raum innerhalb des Joches 2 wird mit x- und y-Koordinaten dargestellt, wobei der Ursprung 0 die Position ist, die in der Mitte der horizontalen Richtung und in einem Abstand von 7,5 mm nach oben von dem Spalt 3 lokalisiert ist, und die x-Richtung ist die horizontale Richtung und die y-Richtung ist die vertikale Richtung. Für die x-Koordinaten ist die rechte Seite von dem Ursprung 0 aus gesehen positiv und die linke ist negativ. Für die y-Koordinaten ist die obere Seite mit Bezug auf den Ursprung 0 positiv und die untere Seite ist negativ. Die Länge des Spaltes 3 ist 5 mm und die Länge des Unterbrechers 5 ist 10 mm.
Die 5 und 6 sind Diagramme, die das Ergebnis der Simulation darstellen. 5 zeigt Variationen in der magnetischen Flussdichte im Mittelpunkt des Sensorelementes 4, die in Prozent angegeben sind, wobei nur die x-Koordinate der Position des Strompfades in Bezug auf die Position des Strompfades, der im Ursprung lokalisiert ist, verändert wurde. 6 zeigt Variationen in der Flussdichte im Mittelpunkt des Sensorelementes, die in Prozent angegeben sind, wobei nur die y-Koordinate der Position des Strompfades mit Bezug auf die Position des Strompfades, wenn er im Ursprung gelegen ist, verändert wurde. Das Sensorelement 4 hat einen trommelförmigen magnetischen Kern. Die Flussdichte im Mittelpunkt des Sensorelementes 4 ist die Flussdichte in dem Mittelteil des Kerns. In den 5 und 6 bedeuten die durchgezogenen Linien, dass der Feldunterbrecher 5 nicht vorgesehen ist und die gestrichelten Linien bedeuten, dass der Feldunterbrecher 5 vorgesehen ist. Wie dargestellt, sind Variationen in der Flussdichte, die aus Variationen in der Position des Strompfades resultieren, in dem Fall kleiner, in dem der Feldunterbrecher 5 vorgesehen ist, im Vergleich zu dem Fall, in dem der Feldunterbrecher 5 nicht vorgesehen ist. Demzufolge werden die Messfehler reduziert.
Gemäß der Stromsensorvorrichtung der soeben beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, Messfehler zu reduzieren, die aus Variationen in der Lage des Strompfades 1, der durch den freien Raum innerhalb des magnetischen Joches 2 hindurchführt, resultieren, ohne dabei die Bequemlichkeit der Verwendung der Vorrichtung zu verlieren, da ein Strom gemessen werden kann, indem einfach nur ein elektrischer Draht durch den freien Raum innerhalb des Joches 2 hindurchgeführt wird, und ohne die Größe und das Gewicht der Vorrichtung zu erhöhen.
Wenn in dieser Ausführungsform das magnetische Sensorelement 4 ein Fluxgate-Element ist, ist der Effekt des Reduzierens von Messfehlern, die aus Variationen in der Lage des Strompfades 1 resultieren, bemerkenswert und eine hervorragende Stromsensorvorrichtung entsteht dadurch.
Zweite Ausführungsform
7 ist ein Querschnitt einer Stromsensorvorrichtung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Stromsensorvorrichtung ist ein magnetischer Feldunterbrecher 10 anstelle des magnetischen Feldunterbrechers 5 gemäß der Stromsensorvorrichtung, die in 1 gezeigt ist, vorgesehen. Der Feldunterbrecher 10 ist in das magnetische Joch 2 integriert und aus demselben magnetischen Material wie das Joch 2 hergestellt. Der Feldunterbrecher 10 ist plattenförmig und seine beiden Enden sind mit der inneren Oberfläche des Joches 2 verbunden. Ein Teil des Feldunterbrechers 10 hat einen Spalt 10a. Der Spalt 10a ist in einer Position lokalisiert, die sich außerhalb der Mitte des Feldunterbrechers 10 befindet (in 7 nach unten verschoben) Gemäß dieser Ausführungsform ist der Spalt 3 des Joches 2 in einer Position außerhalb der Mitte der einen Seite des Joches 2 in die entgegengesetzte Richtung wie der Spalt 10a lokalisiert (in 7 nach oben verschoben). Deshalb befindet sich die Lage des Mittelpunktes des Spaltes 10a des Feldunterbrechers 10 außerhalb einer geraden Linie, die durch den Mittelpunkt des Strompfades 1 und den Mittelpunkt des Spaltes 3 des Joches 2 gezogen wird. Demzufolge ist der Effekt des Unterbrechens eines magnetischen Feldes im Vergleich zu dem Fall, in dem die Position des Mittelfeldes des Spaltes 10a auf der geraden Linie, die durch den Mittelpunkt des Strompfades und den Mittelpunkt des Spaltes 3 des Joches 2 gezogen wird, lokalisiert ist, größer. Um den Effekt des Unterbrechens eines magnetischen Feldes zu erhöhen, ist es vorzuziehen, dass der Grad der Verschiebung des Spaltes 10a des Feldunterbrechers 10 mit Bezug auf den Spalt 3 des Joches 2 größer ist.
In der Stromsensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ist der Feldunterbrecher 5 von dem Joch 2 getrennt. Deshalb ist einiger Aufwand notwendig, um den Feldunterbrecher 5 in der besonderen Position anzuordnen. Demgegenüber ist der Feldunterbrecher 10 in der zweiten Ausführungsform mit dem Joch 2 integriert. Demzufolge ist für die Einrichtung des Feldunterbrechers 10 kein Aufwand notwendig. Da außerdem das Joch 2 üblicherweise aus Ferrit hergestellt wird, können das Joch 2 und der Feldunterbrecher 10 gemäß dieser Ausführungsform leicht hergestellt werden.
Die übrigen Bestandteile dieser Anordnung, das Funktionsprinzip und die Effekte der beiden Ausführungsformen sind ähnlich wie die der ersten Ausführungsform.
In der veröffentlichten nicht geprüften japanischen Patentanmeldung Hei 8-15322 (1996) ist eine Stromsensorvorrichtung offenbart, in der ein magnetischer Kern in einen ringförmigen Kern, auf dem keine Rückkopplungswindung angeordnet ist, und in einen H-förmigen Kern, auf dem eine Rückkopplungswindung angeordnet ist, aufgeteilt ist. Der H-förmige Kern erfasst einen Leckfluss in einem Spalt des ringförmigen Kerns. Der H-förmige Kern ist zusammen mit einem magnetischen Erfassungselement, das in der Nähe des H-förmigen Kerns angeordnet ist, mit einem magnetischen Abschirmungsglied bedeckt. Die Position des horizontalen Teiles des H-förmigen Kerns und des magnetischen Erfassungselementes mit Bezug aufeinander, die in dieser Veröffentlichung offenbart ist, ist ähnlich der Lage des Feldunterbrechers 10 und des Sensorelementes 4 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Stromsensorvorrichtung, die in dieser Veröffentlichung offenbart ist, hat jedoch eine Anordnung, bei der der H-förmige Kern außerhalb des Spaltes des ringförmigen Kerns angeordnet ist, und bei der das magnetische Erfassungselement an dem Ende des H-förmigen Kerns angeordnet ist, welches dem ringförmigen Kern gegenüberliegt. Diese Anordnung ist völlig unterschiedlich zu der von der Stromsensorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Sensorelement 4 innerhalb des Spaltes 3 des Joches 2 angeordnet ist. Außerdem ist der horizontale Teil des H-förmigen Kerns dazu vorgesehen, einen magnetischen Pfad zu bilden, durch den der magnetische Fluss, der von der Rückkopplungswicklung erzeugt wird, hindurchdringt, und hat eine Funktion, die anders ist als die eines Feldunterbrechers 10 in dem Joch 2 gemäß der zweiten Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
Eine Stromsensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beschrieben. 8 ist ein Schaltbild einer Stromsensorvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform. Die Stromsensorvorrichtung ist ähnlich wie die Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform, außer, dass das magnetische Sensorelement 4 ein Fluxgate-Sensorelement ist, und dass die periphere Schaltung des Elementes 4 hinzugefügt ist.
In dieser Stromsensorvorrichtung ist das Fluxgate-Element, das einen magnetischen Kern 51 und eine Spule 52, die um den Kern 51 gewickelt ist, aufweist, in dem Spalt 3 des Joches 2 der Stromsensorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform angeordnet.
Die Schaltungsanordnung der Stromsensorvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform wird nunmehr beschrieben. Positive und negative Spannungsversorgungsschaltkreise für die Operationsverstärker sind, wie dies üblich ist, nicht dargestellt.
Ein Ende der Erfassungsspule 20 ist mit einem Ende der Spule 52 verbunden. Das andere Ende der Erfassungsspule 20 ist geerdet. Ein Ende der Spule 6 bildet einen Pfad zum Anlegen eines negativen Rückkopplungsstromes an die Spule, die später beschrieben wird und ist mit dem anderen Ende der Spule 52 verbunden. Das andere Ende der Spule 6 ist über einen Kondensator 7 geerdet.
Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiterhin: eine Treiberschaltung, die eine Serienresonanzschaltung hat, die teilweise durch die Spule 52 gebildet wird, und an die Spule 52 als einen alternierenden Strom zum Treiben des Kerns 51 in die Sättigung einen Resonanzstrom anlegt, der durch den Serienresonanzkreis fließt; und einen Erfassungs- und Rückkopplungsschaltkreis zum Erfassen eines magnetischen Feldes, das gemessen werden soll, indem Variationen in dem Resonanzstrom, der durch die Spule 52 fließt, erfasst werden, wobei das Magnetfeld Induktivitätsänderungen der Spule 52 entspricht, und zum Bereitstellen eines negativen Rückkopplungsstroms, der für das Verfahren der negativen Rückkopplung an die Spule 52 verwendet wird.
Die Treiberschaltung hat eine Oszillatorschaltung, die einen Serienresonanzkreis einschließt. Der Aufbau der Oszillatorschaltung ist wie folgt. Die Oszillatorschaltung beinhaltet einen Transistor 11. Die Basis des Transistors 11 ist mit dem anderen Ende der Spule 52 über einen Kondensator 12, der zur Resonanz verwendet wird, verbunden. Ein Ende eines Kondensators 13, der für die Rückkopplung verwendet wird, ist mit der Basis des Transistors 11 verbunden. Ein Ende des Kondensators 14, der für die Rückkopplung verwendet wird, und der Emitter des Transistors 11 sind mit dem anderen Ende des Kondensators 13 verbunden. Das andere Ende des Kondensators 14 liegt auf Masse. Der Emitter des Transistors 11 ist durch eine Lastspule 15 geerdet. Der Kollektor des Transistors 11 ist mit einem Leistungseingang 16 verbunden und mit der Basis durch einen Vorspannwiderstand 17. Die Struktur dieser Oszillatorschaltung ist die einer Clapp-Oszillatorschaltung, wobei Cs << Cb und Cs << Ce, und wobei die Kapazitäten der Kondensatoren 12, 13 und 14 jeweils Cs, Cb und Ce sind.
Die Struktur einer Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung ist wie folgt. Ein Ende eines Kondensators 21 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der Spule 52 und der Erfassungsspule 20 verbunden. Das andere Ende des Kondensators 21 ist über einen Widerstand 22 geerdet. Der Kondensator 21 und der Widerstand 22 bilden einen Differenziererschaltkreis zum Differenzieren der Spannung, die über der Spule 20 erzeugt wird und zum Ausgeben eines Signals, das dem zu messenden magnetischen Feld entspricht.
Die Anode einer Diode 23 und die Kathode einer Diode 25 sind mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 21 und dem Widerstand 22 verbunden. Die Kathode der Diode 23 ist über einen Kondensator 24 geerdet. Die Anode der Diode 25 liegt über dem Kondensator 26 auf Masse. Die Diode 23 und der Kondensator 24 bilden das Halteglied für den positiven Peak. Die Diode 25 und der Kondensator 26 bilden das Halteglied für den negativen Peak.
Ein Ende des Widerstandes 27 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 23 und dem Kondensator 24 verbunden. Ein Ende des Widerstandes 28 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 25 und dem Kondensator 26 verbunden. Das andere Ende eines jeden der Widerstände 27 und 28 ist mit einem Ende eines Widerstandes 31 verbunden. Die Widerstände 27 und 28 bilden die Widerstandsaddiererschaltung zum Addieren eines positiven Ausgangswertes, der von dem Halteglied für den positiven Peak gehalten wird, zu einem negativen Ausgangswert, der von dem Halteglied für den negativen Peak gehalten wird. Ein Erfassungssignal, das dem externen magnetischen Feld entspricht, ist an einem Ende des Widerstandes 31 vorhanden.
Das andere Ende des Widerstandes 31 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 32 liegt über einen Widerstand 33 auf Masse. Der Ausgang des Operationsverstärkers 32 ist mit dem invertierenden Eingang über einen Widerstand 34 verbunden. Der Verstärker 32 und die Widerstände 31, 33 und 34 bilden einen invertierenden Verstärker.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 32 ist mit einem Ende eines Widerstandes 35 verbunden, um einen Ausgang zu erfassen. Das andere Ende des Widerstandes 35 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der Spule 6 und einem Kondensator 7 verbunden. Das eine Ende des Widerstandes 35 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 38 über einen Widerstand 37 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 38 liegt über einem Widerstand 39 auf Masse. Der Ausgang des Verstärkers 38 ist mit dem invertierenden Eingang über einen Widerstand 40 und mit einem Erfassungsausgang 41 verbunden. Der Verstärker 38 und die Widerstände 36, 37, 39 und 40 bilden einen Differenzverstärker.
Die Erfassungsspule 28, die Spule 6 und der Kondensator 7 sind nicht nur Teil der Oszillatorschaltung als Treiberschaltung, sondern sind auch Teil des Erfassungs- und Rückkopplungsschaltkreises.
Die Funktionsweise der Stromsensorvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird nunmehr beschrieben. Ein Wechselstrom wird an die Spule 52 mittels der Oszillatorschaltung angelegt, so dass der Kern 51 in den Sättigungsbereich getrieben wird. Der Wechselstrom ist ein Resonanzstrom, der gleich dem Stromwert ist, welcher durch die Versorgungsspannung multipliziert mit dem Wert Q des Resonanzschaltkreises begrenzt wird. Ein Verfahren, das in dieser Ausführungsform verwirklicht wird, besteht darin, Variationen in der Schwingungsform des Resonanzstroms zu detektieren, als ein Verfahren zum Erfassen von Variationen in der Induktivität der Spule 52 als Ausgangssignal der Stormsensorvorrichtung. Um genau zu sein, wird die Spannung, die an der Serienschaltung aus der Erfassungsspule 20 und der Spule 52 abfällt und die einen großen Sättigungsstrom hat, in dem Differenziererschaltkreis, der aus dem Kondensator 21 und dem Widerstand 22 gebildet wird, differenziert. Ein positiver Ausgangswert an dem Ausgang der Differenziererschaltung wird in dem Halteglied für den positiven Peak, das durch die Diode 23 und den Kondensator 24 gebildet wird, gehalten. Ein negativer Ausgangswert des Ausgangs der Differenziererschaltung wird an dem Halteglied für den negativen Peak, das durch die Diode 25 und den Kondensator 26 gebildet wird, gehalten. Die positiven und negativen Ausgangswerte werden addiert in der Widerstandsad diererschaltung, die durch die Widerstände 27 und 28 gebildet ist. Man erhält auf diese Weise ein Erfassungssignal, das dem externen magnetischen Feld entspricht.
Wenn kein äußerliches Magnetfeld vorhanden ist, dann sind die positiven und negativen Anteile der differenziellen Schwingungsform der Spannung über der Erfassungsspule 20 symmetrisch und die Summe der positiven und negativen Spitzenwerte (die Differenz zwischen den Absolutwerten) der differenziellen Schwingungsform ist Null. Demgegenüber sind, wenn das äußere Feld an die Spule 52 angelegt wird, die positiven und negativen Teile der differenziellen Schwingungsform unsymmetrisch. Demzufolge ist die Summe der positiven und negativen Spitzenwerte (die Differenz zwischen den Absolutwerten) der differenziellen Schwingungsform von Null verschieden, was von dem externen Magnetfeld abhängt. Gemäß dieser Ausführungsform wird auf diese Art und Weise das externe magnetische Feld gemessen, indem man die Summe aus den positiven und negativen Peak-Werten (die Differenz zwischen den Absolutwerten) der differenziellen Schwingungsform erhält.
Wie oben beschrieben, erfasst die Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung das zu messende Magnetfeld, basierend auf einem Teil des Resonanzstromes, der durch die Spule 52 fließt und den Kern 51 in den Sättigungsbereich treibt. In anderen Worten erfasst die Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung das zu messende Magnetfeld, basierend auf unsymmetrischen positiven und negativen Komponenten des Resonanzstromes, der durch die Spule 52 fließt.
Das Erfassungssignal, das man an der Addiererschaltung, die durch den Widerstand 27 und 28 gebildet ist, erhält, wird von dem invertierenden Verstärker, der durch den Operationsverstärker 32 und die Widerstände 31, 33 und 34 gebildet ist, invertiert und verstärkt. Das Signal wird dann durch den Widerstand 35 transportiert und an den Verbindungspunkt zwischen der Spule 6 und dem Kondensator 7 angelegt. Ein negativer Rückkopplungsstrom wird auf diese Weise an die Spule 52 durch die Spule 6 angelegt und eine magnetomotorische Kraft in einer Richtung entgegengesetzt zu dem äußeren magnetischen Feld wird an die Spule 52 angelegt. In dieser Ausführungsform werden, da der invertierende Verstärker Ausgänge sowohl mit positiver wie auch mit negativer Polarität hat, negative und positive Rückkopplungsströme (wobei eine der Richtungen des äußeren Magnetfeldes als positiv definiert wird) entsprechend den positiven und negativen Polaritäten des äußeren Magnetfeldes von dem Ausgang des invertierenden Verstärkers an die Spule 52 angelegt. Deshalb ist das Ende des invertierenden Verstärkers auf der Seite der Spule 52 geerdet.
Das externe Magnetfeld wird wie folgt gemessen. Der negative Rückkopplungsstrom, d. h. der Strom, der dem externen Magnetfeld entspricht, wird durch den Widerstand 35 in eine Spannung umgewandelt. Die Spannung wird in dem Differenzverstärker, der von dem Operationsverstärker 38 und den Widerständen 35, 36, 39 und 40 gebildet ist, verstärkt und dann an den Erfassungsausgang 41 ausgegeben. Ein Erfassungsausgangssignal, das dem äußeren Feld entspricht, wird dann von dem Erfassungsausgang 41 ausgegeben.
Das Gleichgewicht zwischen dem externen Feld und der magnetomotorischen Kraft, die von dem negativen Rückkopplungsstrom erzeugt wird, würde sich nicht ändern, wenn sich nicht die Amperewindungszahl der Spule 52 ändert. Demzufolge erreicht die Stromsensorvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform reduzierte Variationen in der Sensitivität, eine ausgezeichnete Linearität und eine ausgezeichnete Stabilität gegenüber Änderungen in der Temperatur, der Versorgungsspannung und dergleichen. Darüber hinaus ist, weil das Verfahren der Anregung mit großer Amplitude verwendet wird, der Offset Null, entsprechend dem Grundprinzip, und es tritt keine Drift infolge von äußeren Störungen auf.
Ein spezielles Beispiel der Stromsensorvorrichtung, wie sie gegenwärtig hergestellt wird, soll nun beschrieben werden. In diesem Beispiel wird das Joch 2 aus einem Mn-Zn-basierten Ferrit hergestellt und hat eine Ringstruktur mit kürzeren Seiten (die Seiten entlang der horizontalen Richtung von 8), die 24 mm lang sind und längeren Seiten (den Seiten entlang der vertikalen Richtung von 8), die 32 mm lang sind, und hat eine Dicke von 4 mm. Der Spalt 3 des Joches 2 ist 6 mm und der Spalt 10a des Feldunterbrechers 10 ist 3 mm in der Länge. Der Querschnitt des freien Raumes innerhalb des Joches 2 durch welchen der Strompfad 11 hindurchführt, hat die Gestalt eines Rechtecks, dessen Seiten entlang der horizontalen Richtung von 8 16 mm lang sind, und dessen Seiten entlang der vertikalen Richtung der 8 14 mm lang sind.
Das magnetische Sensorelement ist ein Fluxgate-Element, das den stabförmigen Kern 51, der aus einem Ni-Cu-Zn-basierten Ferrit hergestellt ist und einen Durchmesser von 0,8 mm und eine Länge von 2,5 mm hat, sowie eine Spule 52, die aus 250 Windungen eines Urethan-beschichteten Leitungsdrahtes mit einem Durchmesser von 0,03 mm hergestellt ist, der um den Kern 51 gewickelt ist, beinhaltet.
In diesem Beispiel sind die Abweichungen im Ausgang der Stromsensorvorrichtung 1 Prozent oder weniger, wenn die Position des Strompfades 1 von der vorbestimmten Position um ±2 mm in jeder Richtung abweicht, wobei der Strompfad 1 aus einem beschichteten Draht, der einen Durchmesser von 6 mm hat, hergestellt ist.
Gemäß der Stromsensorvorrichtung der oben beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, den Nachteil zu überwinden, dass Messfehler aus Variationen in der Position des Strompfades infolge des weiten Spaltes des magnetischen Jochs entstehen, was der einzige Nachteil der Stromsensorvorrichtung ist, die ein Fluxgate-Element beinhaltet, welches ausgezeichnete Merkmale als magnetisches Sensorelement einer Stromsensorvorrichtung hat. Die Vorrichtung ist daher sehr nützlich zum Messen eines Gleichstromes in einem elektrischen Fahrzeug oder bei solarelektrischer Leistungserzeugung.
Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Resonanzstrom der Resonanzschaltung an die Spule 52 angelegt. Demzufolge wird ein Wechselstrom, der den Kern 51 in den Sättigungsbereich treibt, leicht an die Spule 52 angelegt. Zusätzlich ist die Struktur der Vorrichtung einfach, weil es nicht notwendig ist, irgendeine Anregungsspule um den Kern 51 außer der Spule 52 zu wickeln.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der negative Rückkopplungsstrom, der für das Verfahren der negativen Rückkopplung genutzt wird, an die Spule 52 angelegt durch die Spule 6, die mit der Spule 52 wechselstrommäßig parallel geschaltet ist. Demzufolge kann der Rückkopplungsstrom leicht an die Spule 52 angelegt werden, ohne einen Verlust des Resonanzstromes zu verursachen.
Entsprechend dieser Ausführungsform erhält man leicht einen Erfassungsausgang in der Größenordnung von Volt, indem man die Erfassungsspule 20 in den Resonanzkreis einfügt, ohne dabei den Q-Wert des Resonanzkreises zu verschlechtern, d. h. ohne Ver luste in dem Resonanzstrom, der an die Spule 52 angelegt wird, zu verursachen. Zusätzlich wird die Spitzenwerthalteschaltung durch eine einfache und billige Schaltung realisiert, die eine Diode und einen Kondensator verwendet. Die Erfassungsspule 20 kann einen ausreichend großen Ausgang liefern, auch wenn ihr Induktivitätswert einige Prozent des Induktivitätswertes der Spule 52 beträgt. Da die Anzahl der Windungen der Erfassungsspule 20 klein ist und der Sättigungsstromwert im Allgemeinen ausreichend groß ist, wird deshalb die Erfassungsspule 20 nicht durch den Treiberstrom (Resonanzstrom) der Spule 52 gesättigt.
Durch diese Techniken sind das Verfahren der großen Amplitude und das Verfahren der negativen Rückkopplung anwendbar, während ein magnetischer Kern, wie ein Ferritkern, der einen großen Sättigungsbereich und eine große Nichtlinearität hat, verwendet wird. Es ist daher möglich, ein Fluxgate-Element zum Detektieren eines großen magnetischen Feldes oder eines großen elektrischen Stromes zu verwenden.
Die Eigenschaften der Stromsensorvorrichtung dieser Ausführungsform sind im Folgenden aufgelistet.

(1) Messfehler, die aus Variationen der Lage des Strompfades, durch den der zu messende Strom hindurchfließt, verursacht werden, sind gering.
(2) Da das Verfahren der negativen Rückkopplung verwendet wird, werden Sensitivitätsänderungen reduziert und die thermischen Charakteristiken werden automatisch verbessert.
(3) Daher ist keine Anpassung der Sensitivität und keine Kompensation der thermischen Charakteristik erforderlich.
(4) Keine Anpassung des Offsets ist erforderlich.
(5) Die Vorrichtung zeigt ausgezeichnete Eigenschaften, da das Verfahren der Anregung mit großer Amplitude verwendet wird.
(6) Es wird kein spezielles Verfahren zum Herstellen des Sensorteiles benötigt.
(7) Da ein Resonanzstrom verwendet wird, wird die Sensorspule mit einer geringen Versorgungsspannung und einer hohen Frequenz getrieben.
(8) Es wird kein besonderes Material oder Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung benötigt und die Schaltung ist sehr einfach. Demzufolge kann die Vorrichtung mit äußerst geringen Kosten hergestellt werden und es ist möglich, die große Nachfrage zu befriedigen.
(9) Die Vorrichtung hat eine ausgezeichnete Frequenzantwort.
(10) Der Leistungsverbrauch ist gering, da ein Resonanzstrom verwendet wird.
(11) Die Vorrichtung ist klein und leicht, da der Aufbau einfach ist.

Das magnetische Joch und der Feldunterbrecher 5 der ersten Ausführungsform können anstelle des magnetischen Jochs 2 und des Feldunterbrechers 10 der Stromsensorvorrichtung, die in 8 gezeigt ist, verwendet werden. In den ersten bis dritten Ausführungsformen ist das magnetische Sensorelement nicht auf ein Fluxgate-Element beschränkt, sondern kann auch ein anderes Element, wie beispielsweise ein Hall-Element sein.
Gemäß der Stromsensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die die ersten und dritten Ausführungsformen einschließt, ist der magnetische Feldunterbrecher zwischen dem Strompfad und dem Spalt des magnetischen Joches vorgesehen. Der Feldunterbrecher unterbricht ein magnetisches Feld, das einem magnetischen Fluss entspricht, der durch einen Strom verursacht wird, welcher durch den Strompfad fließt, und das nicht durch das magnetische Joch hindurchdringt, so dass das magnetische Feld von dem magnetischen Sensorelement abgeschnitten wird. Demzufolge ist es möglich, Messfehler zu verringern, die aus Variationen in der Lage des Strompfades, der durch den freien Raum innerhalb des magnetischen Joches hindurchführt, resultieren, ohne dabei die Bequemlichkeit der Verwendung der Vorrichtung zu verlieren und ohne die Größe und das Gewicht der Vorrichtung zu erhöhen.
Wenn der Feldunterbrecher in dem magnetischen Joch integriert wird und ein Teil des Feldunterbrechers einen Spalt hat, dann wird der Effekt des Unterbrechens eines magnetischen Feldes weiter bestärkt, wenn der Mittelpunkt des Spaltes des Unterbrechers außerhalb einer geraden Linie, die durch den Mittelpunkt des Strompfades und dem Mittelpunkt des Spaltes des Joches gezogen wird, liegt.
Wenn das magnetische Sensorelement ein Fluxgate-Element ist, dann ist der Effekt des Reduzierens von Messfehlern, die aus Variationen in der Position des Strompfades resultieren, bemerkenswert und es kann eine exzellente Stromsensorvorrichtung hergestellt werden.
Vierte Ausführungsform
9 ist eine erklärende Ansicht, die die Struktur einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. 10 ist ein Querschnitt des Hauptteiles der Stromsensorvorrichtung. Wie in 10 gezeigt, umfasst die Stromsensorvorrichtung ein ringförmiges magnetisches Joch 102, durch welches ein magnetischer Fluss hindurchtritt, wobei der Fluss von einem Strom erzeugt wird, der durch einen Strompfad 101 fließt. Das Joch 102 umgibt den Strompfad 101 und ein Teil des Joches 102 hat einen Spalt G. Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiterhin: einen sensormagnetischen Kern 103, der in dem Spalt G des Joches 102 angeordnet ist; und eine Sensorspule 104, die um den Kern 103 gewickelt ist. Der Kern 103 und die Spule 104 bilden ein Fluxgate-Sensorelement und erfassen ein Magnetfeld in dem Spalt G, das von dem zu messenden Strom, der durch den Strompfad 101 fließt, erzeugt wird, so dass der Strom, der zu messen ist und der durch den Strompfad 101 fließt, detektiert wird.
Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiterhin: einen magnetischen Kern 151, der zwischen dem Strompfad 101 und dem Kern 103 in einem Spalt G des Joches 102 angeordnet ist; und eine Erfassungsspule 152, die um den Kern 151 gewickelt ist, und dafür vorgesehen ist, eine Hochfrequenzkomponente des zu messenden Stromes, der durch den Strompfad 101 fließt, zu erfassen. Die Spule 152 ist mit dem Strompfad 101 über einen Wechselstrom und magnetisch über einen magnetischen Fluss, der durch die Spule 152 fließt, verbunden.
Wie oben beschrieben, sind die beiden magnetischen Kerne 103 und 151 parallel in dem Spalt G des Joches 102 angeordnet. Daher schließt der magnetische Pfad des Flusses, der durch das Joch 102 fließt, ein: einen ersten magnetischen Pfad 201, der hauptsächlich durch den Sensorkern 103 und die Sensorspule 104 hindurchdringt, durch welchen ein Teil des magnetischen Flusses, der durch das Joch 102 fließt, hindurchdringt; und einen zweiten magnetischen Pfad 202, der hauptsächlich durch den Kern 151 und die Erfassungsspule 152 führt, durch den ein anderer Teil des magnetischen Flusses, der durch das Joch 102 hindurchdringt, fließt. In anderen Worten sind der Sensorkern 103 und die Sensorspule 104 in dem ersten magnetischen Pfad 201 angeordnet. Die Spule 151 und die Erfassungsspule 152 sind in dem zweiten magnetischen Pfad angeordnet.
Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiterhin eine Nebenschlussspule 105, die in dem ersten magnetischen Pfad 201 in dem Spalt G des Joches 102 angeordnet ist. Die Nebenschlussspule 105 ist eine Spule mit einer einzigen Windung und ist vorgesehen um eine Frequenzkomponente des magnetischen Flusses, der durch den ersten magnetischen Pfad 201 hindurchdringt, zu dampfen, die eine spezifische Grenzfrequenz überschreitet.
Wie in 9 gezeigt, umfasst die Stromsensorvorrichtung weiterhin: eine Anregungsschaltung 106 zum Anlegen eines Anregungswechselstromes an die Sensorspule 104, um den Kern 103 in einen Sättigungsbereich zu treiben und die Sensorspule 104 zu treiben; und eine Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107 zum Erfassen eines zu messenden Stromes, der durch den Strompfad 1 fließt. Die Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107 detektiert einen Strom, der durch die Sensorspule 104 fließt, um Variationen in der Induktivität der Sensorspule 104 zu detektieren und gibt ein Signal aus, das den Induktivitätsänderungen entspricht, und erzeugt einen negativen Rückkopplungsstrom, der zum negativen Rückkoppeln dieses Signals an die Sensorspule 104 benützt wird, und legt den negativen Rückkopplungsstrom an die Sensorspule 104 an. Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiterhin eine Ausgangsschaltung 108 zum Erfassen des negativen Rückkopplungsstromes, der in der Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107 erzeugt wird, zum Erzeugen eines Erfassungssignals und zum Ausgeben eines Signals, das dem zu messenden Strom entspricht, auf der Basis des Erfassungs signals. Die Anregungsschaltung 106 entspricht Treibermitteln gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107 und die Ausgabeschaltung 108 entsprechen Messmitteln der vorliegenden Erfindung.
Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiterhin eine Nebenschlussschaltung 109, die mit der Nebenschlussschaltung 105 verbunden ist. Die Nebenschlussschaltung 109 ist vorgesehen, um die Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105 anzupassen. Die Nebenschlussschaltung 109 ist beispielsweise eine Schaltung, die die Enden der Nebenschlussspule 105 miteinander über einen Widerstand verbindet, der einen speziellen Widerstandswert, einschließlich Null hat. Wenn der Widerstand Null ist, wird ein Kurzschluss zwischen den Enden der Nebenschlussspule 105 hergestellt. Die Nebenschlussspule 105 und die Nebenschlussschaltung 109 entsprechen den Dämpfungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein Ende der Erfassungsspule 152 ist mit dem Ausgang der Ausgabeschaltung 108 verbunden. Ein Ausgang 154 ist mit dem anderen Ende der Erfassungsspule 152 verbunden. Ein Messsignal, das dem zu messenden Strom entspricht, wird von dem Ausgang 154 ausgegeben. Die Enden der Erfassungsspule 152 werden miteinander über einen Nebenschlusswiderstand (in 9 mit R bezeichnet) 153 verbunden. Der Nebenschlusswiderstand 153 ist vorgesehen, um die Grenzfrequenz und das Niveau des Erfassungssignals der Erfassungsspule 152 anzupassen. Eine Frequenzkomponente des Erfassungssignals der Erfassungsspule 152, die niedriger ist als die Grenzfrequenz, die von dem Nebenschlusswiderstand 153 definiert wird, wird gedämpft. Die Grenzfrequenz der Erfassungsspule 152 wird auf eine Frequenz festgesetzt, die gleich oder kleiner ist als die Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105 und kann auch gleich der Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105 sein.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105 auf eine Frequenz festgelegt, die gleich oder niedriger ist als die Nyquistfrequenz, die man aus der Frequenz des Anregungsstromes erhält. In der Stromsensorvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird eine Frequenzkomponente des zu messenden Stromes, die gleich oder niedriger ist als die Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105, an dem magnetischen Sensorelement, der Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107 und der Ausgabeschaltung 108 detektiert. Eine Frequenzkomponente des zu messenden Stromes, die höher ist als die Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105, wird an der Erfassungsspule 152 detektiert. Das Erfassungssignal der Ausgabeschaltung 108 und das Erfassungssignal der Erfassungsspule 152 werden addiert und das Ergebnis wird an dem Ausgang 154 als Messsignal ausgegeben.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der magnetische Pfad des Flusses, der durch das Joch 102 fließt, in einen ersten magnetischen Pfad 201 und einen zweiten magnetischen Pfad 202 unterteilt. Der Grund, warum es möglich ist, einen Strom zu messen, obwohl der magnetische Pfad als solcher geteilt ist, wird im Folgenden beschrieben. Der magnetische Pfad, durch den sowohl der Fluss, der durch den ersten magnetischen Pfad 201 fließt, als auch der Fluss, der durch den zweiten magnetischen Pfad 202 fließt, hindurchdringen, wird im Folgenden als gemeinsamer magnetischer Pfad bezeichnet. Der magnetische Widerstand des gemeinsamen magnetischen Pfades wird mit R0 bezeichnet. Der gemeinsame magnetische Pfad ist in dieser Ausführungsform das Joch 102. Der magnetische Widerstand des ersten magnetischen Pfades 201 ist R01. Der magnetische Widerstand des zweiten magnetischen Pfades 202 ist R02. Die magnetomotorische Kraft, die von dem Strom, der durch den Strompfad 101 fließt, erzeugt wird, ist F. Das Ersatzschaltbild des Hauptteiles der Stromsensorvorrichtung von 10 ist in 11 gezeigt. In dem Ersatzschaltbild sind der magnetische Widerstand R0 und eine Parallelschaltung des magnetischen Widerstandes R01 und des magnetischen Widerstandes R02 in Serie mit der Quelle der magnetomotorischen Kraft F geschaltet.
Wenn ein zu messender Strom I (A) ist, dann wird die magnetomotorische Kraft F dargestellt durch F = I (A/m). Die magnetomotorische Kraft F1, die an den ersten magnetischen Pfad 201 angelegt wird, und die magnetomotorische Kraft F2, die an den zweiten magnetischen Pfad 202 angelegt wird, werden durch die folgende Gleichung ausgedrückt. F1 = F2 = F·(R01//R02)/(R01//R02 + R0)
Der magnetische Widerstand der Parallelschaltung des magnetischen Widerstandes R01 und des magnetischen Widerstandes R02 wird durch R01//R02 dargestellt, wobei R01//R02 = R01·R02/(R01 + R02).
Wenn der magnetische Widerstand R0 des gemeinsamen magnetischen Pfades klein genug ist und wenn die Beziehung gilt, dass R0 << R01//R02, dann ist F1 = F2 = F. Das heißt, wenn der magnetische Widerstand R01 des ersten magnetischen Pfades und der magnetische Widerstand R02 des zweiten magnetischen Pfades ausreichend viel größer sind als der magnetische Widerstand R0 des gemeinsamen magnetischen Pfades, ist die magnetomotorische Kraft F1, die an den ersten magnetischen Pfad 201 angelegt wird, gleich der magnetomotorischen Kraft F2, die an den zweiten magnetischen Pfad 202 angelegt wird. Dies gilt in ähnlicher Weise für den Fall, in dem der magnetische Pfad in der Pfade oder mehr geteilt ist, unabhängig von der Anzahl der Pfade. In dieser Ausführungsform hat sowohl der erste magnetische Pfad 201 als auch der zweite magnetische Pfad 202 einen Spalt zwischen dem Joch 102 und jeweils einem der Kerne 103 und 151. Daher sind die magnetischen Widerstände R01 und R02 ausreichend viel größer als der magnetische Widerstand R0 des gemeinsamen magnetischen Pfades.
Demzufolge ist es, obwohl der magnetische Pfad des Flusses, der durch das Joch 102 hindurchdringt, in einen ersten magnetischen Pfad 201 und einen zweiten magnetischen Pfad 202 geteilt ist, möglich, einen Strom in jedem der Pfade 201 und 202 zu messen. Es ist möglich, Eigenschaften wie den AL-Wert eines jeden der Pfade 201 und 202 unabhängig voneinander zu bestimmen, solange der magnetische Widerstand in einer bestimmten Höhe aufrechterhalten wird.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Bestimmen der Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105 und der Grenzfrequenz der Erfassungsspule 152 beschrieben. Die Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105 wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt, wobei die Grenzfrequenz der Nebenspule 105 f1 ist, die Induktivität L1 ist, der Gleichstromwiderstand r1 ist und der Gleichstromwiderstand des Nebenschlusswiderstandes der Nebenschlussschaltung 109 R1 ist. f1 = (r1 + R1)/2π·L1
Folglich ist beispielsweise f1 8 kHz, wenn L1 = 0,1 μH, r1 = 5 mΩ und R1 = 0. Es ist nicht schwierig eine Spule herzustellen, die eine Induktivität von 0,1 μH mit einem Gleichstromwiderstand von 5 mΩ hat, wenn man eine Kupferfolie für den Leiter verwendet.
Die Grenzfrequenz der Erfassungsspule 152 wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt, wenn die Grenzfrequenz der Erfassungsspule 152 f2 ist, die Induktivität L2 ist, der Gleichstromwiderstand r2 ist und der Gleichstromwiderstand des Nebenschlusswiderstandes 153 R2 ist. f2 = (r2 + R2)/2π·L2
Wenn f2 in Übereinstimmung mit der Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105 8 kHz ist, ist es erforderlich, dass (r2 + R2) gleich 5 Ω ist, wenn L2 100 μH ist. Da es einfach ist eine Spule herzustellen, die eine Induktivität von 100 μH und einen Gleichstromwiderstand von 1 Ω oder weniger aufweist, ist es möglich R2 zu etwa 4 Ω zu definieren.
Das Folgende ist eine Beschreibung des Grundes, warum es möglich ist, dass das Erfassungssignal der Ausgabeschaltung 108 und das Erfassungssignal der Erfassungsspule 152 addiert werden. Um die Argumentation zu vereinfachen, beträgt der Kopplungskoeffizient zwischen dem Strom I, der durch den Strompfad 101 fließt, und der Erfassungsspule 152 1. Die Anzahl der Windungen der Erfassungsspule 152 ist N. Die Ausgangsspannung E der Erfassungsspule 152 wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt. E = {I·(r2 + R2)/N2}·R2/(r2 + R2) = I·R2/N2
Wenn I = 100 (A), R2 = 4 Ω und N = 10, dann ist E = 4 (V). Daher ist es möglich, dass die Ausgangsspannung E der Erfassungsspule 152 direkt zu dem Ausgang der Ausgabeschaltung 108 hinzugezählt wird.
Da es erforderlich ist, dass der AL-Wert des zweiten magnetischen Pfades 202, der durch die Erfassungsspule 152 hindurchführt, 1 μH/T ist, ist die Länge des Spaltes zwischen dem Kern 151 und dem Joch 102 etwa 1 mm.
Die Funktionsweise der Stromsensorvorrichtung dieser Ausführungsform wird nunmehr beschrieben. In der Vorrichtung erzeugt ein Strom, der durch den Strompfad 101 fließt, einen magnetischen Fluss, der durch das magnetische Joch 102 hindurchdringt. Ein Teil des Flusses, der durch das Joch 102 fließt, fließt durch den ersten magnetischen Pfad 201. Ein anderer Teil des Flusses fließt durch den zweiten magnetischen Pfad 202.
Das magnetische Sensorelement umfasst den sensormagnetischen Kern 103 und die Sensorspule 104, die in dem ersten magnetischen Pfad 201 vorgesehen sind. Um einen Strom zu messen, der durch den Strompfad 101 fließt, detektiert das magnetische Sensorelement ein magnetisches Feld in dem Spalt G, das durch den Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad 101 fließt. Um genau zu sein, legt die Anregungsschaltung 106 einen Anregungswechselstrom, der den Kern 103 in einen Sättigungsbereich treibt, an die Sensorspule 104 an. Die Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107 erfasst den Strom, der durch die Sensorspule 104 fließt, um Variationen in der Induktivität der Sensorspule 104 zu detektierten, und gibt ein Signal aus, das den Variationen der Induktivität entspricht. Die Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107 erzeugt außerdem einen negativen Rückkopplungsstrom, der für eine negative Rückkopplung des Signals an die Sensorspule 104 verwendet wird, und legt den negativen Rückkopplungsstrom an die Sensorspule 104 an. Die Ausgabeschaltung 108 erzeugt ein Signal, entsprechend dem zu messenden Strom auf der Basis des Erfassungssignals der Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107. Auf diese Weise wird der Strom gemessen unter Verwendung eines magnetischen Sensorelementes, das in dem ersten magnetischen Pfad 201 vorgesehen ist, wobei sowohl ein Verfahren der Anregung mit großer Amplitude, wie auch ein Verfahren mit negativer Rückkopplung verwendet werden.
Die Nebenschlussspule 105, die in dem ersten magnetischen Pfad 201 vorgesehen ist, dämpft eine Frequenzkomponente des magnetischen Flusses, der durch den ersten magnetischen Pfad fließt, welche die bestimmte Grenzfrequenz überschreitet. Daher entspricht das Ausgangssignal der Ausgabeschaltung 108 der Frequenzkomponente des zu messenden Stromes, die kleiner oder gleich ist der Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105.
Die Grenzfrequenz der Nebenschlussspule 105 wird auf eine Frequenz festgelegt, die gleich oder kleiner ist als die Nyquistfrequenz, die man aus dem Anregungsstrom erhält. Demzufolge ist es möglich zu verhindern, dass ein magnetisches Feld angelegt wird, das eine Frequenz hat, die höher ist als die Nyquistfrequenz und die eine Schwebung auf die Sensorspule 102 verursachen könnte.
Durch die AC-Kopplungsmethode erfasst die Erfassungsspule 152, die in dem zweiten magnetischen Pfad 202 angeordnet ist, eine Frequenzkomponente in dem zu messenden Strom, der durch den Strompfad 101 fließt, welche die Grenzfrequenz überschreitet. Das Erfassungssignal der Ausgabeschaltung 108 und das Erfassungssignal der Erfassungsspule 152 werden dann addiert und das Ergebnis wird von dem Ausgang 154 als Messsignal ausgegeben.
Gemäß der Stromsensorvorrichtung der eben beschriebenen Ausführungsform wird der Strom durch eine Kombination des magnetischen Sensors einschließlich des Kerns 103 und der Sensorspule 104 und der Erfassungsspule 152 gemessen. Demzufolge wird das Ansprechfrequenzband erweitert.
In der Stromsensorvorrichtung nach dem Stand der Technik, welche die AC-Kopplungsmethode verwendet, sind das magnetische Sensorelement und die Spule zum Detektieren einer Hochfrequenzkomponente in einem magnetischen Pfad angeordnet. Demzufolge entsteht das Problem, dass es unmöglich ist, eine Hochfrequenzkomponente zu messen, wenn ein Mittel zum Dämpfen der Hochfrequenzkomponente in dem magnetischen Pfad vorgesehen wird, um das Erzeugen einer Schwebung infolge der Frequenz einer variierender Komponente des zu messenden Stromes und der Anregungsfrequenz zu verhindern.
Demgegenüber sind in der Stromsensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform das magnetische Sensorelement und die Erfassungsspule 152 in unterschiedlichen magnetischen Pfaden angeordnet. Folglich ist es möglich, die Grenzfrequenz und dergleichen unabhängig voneinander für die jeweiligen magnetischen Pfade festzulegen. Es ist daher sowohl möglich, das Ansprechfrequenzband zu erweitern, als auch, die Erzeugung von Schwebungen infolge der Frequenz einer variierenden Komponente des zu messenden Stromes und der Anregungsfrequenz zu verhindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind, da das magnetische Sensorelement und die Erfassungsspule 152 in unterschiedlichen magnetischen Pfaden angeordnet werden, die Freiheitsgrade für die Herstellung und Anordnung der Erfassungsspule 152 erhöht und es ist einfach, die Stromsensorvorrichtung unter Verwendung der AC-Kopplungsmethode herzustellen.
Da das magnetische Sensorelement und die Erfassungsspule 152 in unterschiedlichen magnetischen Pfaden angeordnet sind, kann gemäß der vorliegenden Erfindung der AL-Wert des zweiten magnetischen Pfades 202, in welchem die Erfassungsspule 152 angeordnet ist, unabhängig von dem AL-Wert des ersten magnetischen Pfades 201, in welchem das magnetische Sensorelement angeordnet ist, bestimmt werden. Demzufolge ist es möglich, eine Zunahme der Größe und des Preises der Stromsensorvorrichtung zu verhindern.
Gemäß der Stromsensorvorrichtung der oben beschriebenen Ausführungsform ist das Ansprechfrequenzband erweitert, während es möglich ist, die Erzeugung einer Schwebung infolge der Frequenz einer variierenden Komponente des zu messenden Stromes und der Anregungsfrequenz zu verhindern, Schwierigkeiten bei der Herstellung der Vorrichtung zu reduzieren und eine Größenzunahme zu vermeiden. Eine derartige Stromsensorvorrichtung ist sehr effektiv, um einen großen Gleichstrom in einem elektrischen Fahrzeug oder bei einer Vorrichtung zur Sonnenenergieherstellung oder dergleichen zu messen oder zu steuern, und liefert einen großen Beitrag zum Begegnen sozialer Fragestellungen wie dem Bedürfnis Umweltprobleme zu lösen.
Fünfte Ausführungsform
12 ist ein Querschnitt eines Hauptteiles einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Vorrichtung ist die Erfassungsspule 152 nicht in dem Spalt des magnetischen Joches 102, in dem nur das magnetische Sensorelement mit dem Kern 103 und der Sensorspule 104 angeordnet sind, angeordnet.
Die Stromsensorvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform umfasst ein magnetisches Feldunterbrechungsglied 161, das zwischen dem Strompfad 101 und dem Spalt des Joches 102 angeordnet ist. Das Feldunterbrechungsglied 161 unterbricht ein magnetisches Feld, das einem magnetischen Fluss entspricht, welcher von einem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad 101 fließt und nicht durch das Joch 102 hindurch dringt, so dass das magnetische Feld von dem magnetischen Sensorelement abgeschnitten ist. Ein Spalt, der eine spezifische Länge hat, ist zwischen der inneren Oberfläche des Joches 102 und einem jeden der Enden des Feldunterbrechungsgliedes 161 vorgesehen. Das Feldunterbrechungsglied 161 ist aus einer magnetischen Substanz hergestellt. In der Stromsensorvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird die Erfassungsspule 152 um das Feldunterbrechungsglied 161 gewickelt.
In dieser Ausführungsform ist der magnetische Pfad des Flusses, der durch den Teil des Joches 102 hindurchfließt, der näher bei dem Strompfad 101 liegt als das Glied 161 (das heißt die linke Seite von 12) in die folgenden Bestandteile aufgeteilt: den ersten magnetischen Pfad 201, der durch das magnetische Sensorelement, welches den Kern 102 und die Sensorspule 104 einschließt, führt; und den zweiten magnetischen Pfad 202, der durch das Feldunterbrechungsglied 161 führt. Der erste magnetische Pfad 201 schließt den Teil des Joches 102 ein, der näher an dem magnetischen Sensorelement liegt als das Glied 161 (d. h. die rechte Seite der 12).
In dieser Ausführungsform ist die Nebenschlussspule 105 um den Teil des Joches 102 gewickelt, der dem magnetischen Sensorelement näher ist als das Glied 161. Auf diese Art und Weise ist die Nebenschlussspule 105 in dem ersten magnetischen Pfad 201 angeordnet.
In einer Stromsensorvorrichtung, in der das Joch 102 um den Strompfad 101 herum angeordnet ist, und das magnetische Sensorelement in dem Spalt des Joches 102 angeordnet ist, ändert sich der Einfluss des magnetischen Feldes, das dem Fluss entspricht, der von dem Strom, welcher durch den Strompfad 101 fließt, erzeugt wird, und das nicht durch das Joch 102 fließt, auf das magnetische Sensorelement, wenn sich die Position des Strompfades 101 ändert. Daher hat die Stromsensorvorrichtung mit einer derartigen Struktur das Problem, dass Messfehler durch Variationen in der Position des Strompfades 101 verursacht werden.
Demgegenüber unterbricht gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Feldunterbrechungsglied 161 das magnetische Feld, das dem Fluss entspricht, der von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad 101 fließt, und das nicht durch das Joch 102 fließt, so dass das Feld von dem magnetischen Sensorelement abgeschnitten ist.
Demzufolge ist es möglich, Messfehler, die aus Variationen in der Position des Strompfades 101, der durch den freien Raum innerhalb des Joches 102 hindurchführt, entstehen, zu reduzieren.
Gemäß der Stromsensorvorrichtung der oben beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, Messfehler zu reduzieren, die durch Variationen in der Lage des Strompfades 101, der durch den freien Raum innerhalb des magnetischen Joches 102 hindurchführt, entstehen, ohne dabei auf die Bequemlichkeit der Verwendung der Vorrichtung zu verzichten, dass der Strom dadurch gemessen werden kann, dass lediglich ein elektrischer Draht durch den freien Raum innerhalb des Joches 102 hindurchgeführt wird, und ohne dabei Größe und Gewicht der Vorrichtung zu erhöhen.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die Erfassungsspule 152 und die Nebenschlussspule 105 zusätzlich in der Stromsensorvorrichtung vorgesehen, die das Feldunterbrechungsglied 161 umfasst. Zur Folge kann das Ansprechfrequenzband leicht durch die Verwendung des AC-Kopplungsverfahrens erweitert werden.
Die übrigen Teile der Struktur, Funktionsweise und Effekte der fünften Ausführungsform sind ähnlich denen der vierten Ausführungsform.
Sechste Ausführungsform
13 ist ein Querschnitt eines Hauptteiles einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Vorrichtung ist, wie in der fünften Ausführungsform, die Erfassungsspule 152 nicht in dem Spalt des magnetischen Joches 102 angeordnet, in welchem das magnetische Sensorelement, das den Kern 103 und die Sensorspule 104 umfasst, alleine angeordnet ist.
In der vorliegenden Stromsensorvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist ein magnetischer Kern 162 zwischen dem Strompfad 101 und dem Spalt des Joches 102 vorgesehen. Die Erfassungsspule 152 ist um den Kern 162 gewickelt. Ein Spalt, der eine spezifizierte Länge hat, ist zwischen der inneren Oberfläche des Joches 102 und einem jeden der Enden des Kerns 162 vorgesehen.
Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiterhin ein magnetisches Feldunterbrechungsglied 163, das zwischen dem Strompfad 101 und der Erfassungsspule 152 angeordnet ist. Das Feldunterbrechungsglied 163 unterbricht ein magnetisches Feld, das einem magnetischen Fluss entspricht, der von einem Strom erzeugt wird, welcher durch einen Strompfad 101 fließt, und das nicht durch das Joch 102 hindurchdringt, so dass das magnetische Feld von der Erfassungsspule 152 abgeschnitten ist. Ein Spalt, der eine spezifizierte Länge hat, ist zwischen der inneren Oberfläche des Joches 102 und einem jeden der Enden des Feldunterbrechungsgliedes 163 vorgesehen. Das Feldunterbrechungsglied 163 ist aus einer magnetischen Substanz hergestellt.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der magnetische Pfad des Flusses, der durch einen Teil des Joches 102 fließt, der dem Strompfad 101 näher ist als das Glied 163 (d. h. die linke Seite der 13), in die folgenden Bestandteile geteilt: einen ersten magnetischen Pfad, der durch das magnetische Sensorelement, das den Kern 103 und die Sensorspule 104 umfasst, hindurchtritt; einen zweiten magnetischen Pfad, der durch den Kern 162 und die Erfassungsspule 152 hindurchtritt; und einen dritten magnetischen Pfad, der durch das Feldunterbrechungsglied 163 hindurchtritt. Der erste magnetische Pfad umfasst den Teil des Joches 102, der den magnetischen Sensorelementen näher ist, als der Kern 162 (d. h. die rechte Seite der 13).
In dieser Ausführungsform unterbricht das Feldunterbrechungsglied 163 das magnetische Feld, das dem Fluss entspricht, der von dem Strom erzeugt wird, welcher durch den Strompfad 101 fließt, und das nicht durch das Joch 102 hindurchtritt, so dass das Feld von der Erfassungsspule 152 und dem magnetischen Sensorelement abgeschnitten ist. Demzufolge ist es möglich, Messfehler zu reduzieren, die von Variationen in der Position des Strompfades 101, der durch den freien Raum innerhalb Joches 102 führt, verursacht werden.
In dieser Ausführungsform ist das Joch 102 teilbar in einen Teil 102A, der nahe bei dem Strompfad 101 liegt, und Teile 102B und 102C, die nahe bei dem Spalt bei den Einschnitten 171 und 172 liegen. Demzufolge ist es leicht, den Hauptteil der Stromsensorvorrichtung, die in 13 gezeigt ist, zu assemblieren.
Die Einschnitte 171 und 172 sind in einem Teil vorgesehen, der dem magnetischen Sensorelement näher ist als der Kern 162, d. h. in dem ersten magnetischen Pfad. Da der Spalt in dem ersten magnetischen Pfad größer ist als sowohl im zweiten wie auch im dritten Teil, ist der magnetische Widerstand des ersten Pfades größer als sowohl der des ersten wie auch der des zweiten Teiles. Deshalb werden, wenn die Einschnitte 171 und 172, wie in dieser Ausführungsform in dem ersten magnetischen Pfad vorgesehen werden, Variationen des magnetischen Widerstandes des ersten magnetischen Pfades, in dem das magnetische Sensorelement angeordnet ist, kleiner gemacht, selbst wenn der Spalt in den Einschnitten 171 und 172 variiert, im Vergleich zu dem Fall, in dem die Einschnitte 171 und 172 in den anderen magnetischen Pfaden vorgesehen werden.
Das Feldunterbrechungsglied 163, das ähnlich dem der sechsten Ausführungsform ist, kann ebenfalls zwischen der Erfassungsspule 152 und dem Strompfad 101 in der vierten und fünften Ausführungsform vorgesehen werden.
Die übrigen Teile der Struktur, Funktionsweise und Effekte der sechsten Ausführungsform sind ähnlich denen der vierten Ausführungsform.
Siebte Ausführungsform
Eine Stromsensorvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beschrieben. 14 ist ein Schaltplan der Stromsensorvorrichtung. Die Anordnung des Joches 102, des Kerns 103, der Sensorspule 104, der Nebenschlussspule 105, des Kerns 162, der Erfassungsspule 152 und des Unterbrechungsgliedes 163 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich der gemäß der sechsten Ausführungsform, außer, dass das Joch 102 nicht teilbar ist.
Die Schaltungsanordnung der Stromsensorvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform wird nunmehr beschrieben. Positive und negative Spannungsversorgungsschaltungen für Operationsverstärker sind, wie dies üblich ist, nicht dargestellt.
Die Anregungsschaltung 106 hat einen Serienresonanzkreis, der zum Teil von der Sensorspule 104 gebildet ist und legt einen Resonanzstrom, der durch den Serienresonanzkreis fließt, als einen Anregungsstrom zum Treiben des Kerns 103 in einen Sättigungs bereich an die Sensorspule 104 an. Die Struktur der Anregungsschaltung 106 ist wie folgt. Die Anregungsschaltung 106 beinhaltet den Transistor 11. Die Basis des Transistors 11 ist mit einem Ende der Sensorspule 104 über den Kondensator 12, der zur Resonanz verwendet wird, verbunden. Ein Ende des Kondensators 13, der für die Rückkopplung verwendet wird, ist mit der Basis des Transistors 11 verbunden. Ein Ende des Transistors 14, der für die Rückkopplung verwendet wird, und der Emitter des Transistors 11, sind mit dem anderen Ende des Kondensators 13 verbunden. Das andere Ende des Kondensators 14 liegt auf Masse. Der Emitter des Transistors 11 liegt über die Lastspule 15 auf Masse. Der Kollektor des Transistors 11 ist mit dem Leistungseingang 16 und mit der Basis durch den Vorspannwiderstand 17 verbunden. Diese Struktur ist die einer Clapp-Oszillatorschaltung, bei der Cs << Cb und Cs << Ce, wobei die Kapazität von jedem der Kondensatoren 12, 13 und 14 jeweils Cs, Cb und Ce entspricht.
Die Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107 hat die folgende Struktur. Die Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107 hat die Erfassungsspule 20, deren eines Ende mit dem anderen Ende der Sensorspule 104 verbunden ist. Das andere Ende der Erfassungsspule 20 liegt auf Masse. Die Erfassungsspule 20 entspricht einem Induktivitätselement gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Ende einer Spule 81, die einen Pfad zum Anlegen eines negativen Rückkopplungsstromes an die Sensorspule 104 bildet, ist mit dem einen Ende der Sensorspule 104 verbunden. Das andere Ende der Spule 81 ist durch den Kondensator 82 geerdet.
Ein Ende des Kondensators 21 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der Sensorspule 104 und der Erfassungsspule 20 verbunden. Das andere Ende des Kondensators 21 liegt über den Widerstand 22 auf Masse. Der Kondensator 21 und der Widerstand 22 bilden einen Differenziererschaltkreis zum Differenzieren der Spannung, die über der Spule 20 abfällt, und zum Ausgeben eines Signals, das dem zu messenden Strom, der durch den Strompfad 101 fließt, entspricht.
Die Anode der Diode 23 und die Kathode der Diode 25 sind mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 21 und den Widerstand 22 verbunden. Die Kathode der Diode 23 liegt über dem Kondensator 24 auf Masse. Die Anode der Diode 25 liegt über den Kondensator 26 auf Masse. Die Diode 23 und der Kondensator 24 bilden ein Halte glied für positive Spitzen. Die Diode 25 und der Kondensator 26 bilden ein Halteglied für negative Spitzen.
Ein Ende des Widerstandes 27 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 23 und dem Kondensator 24 verbunden. Ein Ende des Widerstandes 28 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 25 und dem Kondensator 26 verbunden. Die jeweils anderen Enden der Widerstände 27 und 28 sind mit einem Ende des Widerstandes 31 verbunden. Die Widerstände 27 und 28 bilden die Widerstandsaddierschaltung zum Addieren eines positiven Ausgangswertes, der an dem Halteglied für positive Spitzen gehalten wird, zu einem negativen Ausgangswert, der an dem Halteglied für negative Spitzen gehalten wird. Ein Erfassungssignal, das dem zu messenden Strom entspricht, liegt an einem Ende des Widerstandes 31 an.
Das andere Ende des Widerstandes 31 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 32 ist über den Widerstand 33 geerdet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 33 ist mit dem invertierenden Eingang durch den Widerstand 34 verbunden. Der Verstärker 32 und die Widerstände 31, 33 und 34 bilden einen invertierenden Verstärker.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 32 ist mit einem Ende des Widerstandes 35 zum Erfassen eines Ausgangs verbunden. Das andere Ende des Widerstandes 35 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der Spule 81 und einem Kondensator 82 verbunden.
Die Erfassungsspule 20, die Spule 81 und der Kondensator 82 sind auch Teil der Anregungsschaltung 106.
Die Struktur der Ausgabeschaltung 108 ist wie folgt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 35 und dem Ausgang des Verstärkers 32 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 38 über den Widerstand 36 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 35 und der Spule 81 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 38 über den Widerstand 37 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 38 ist über den Widerstand 39 geerdet. Der Ausgang des Verstärkers 38 ist mit dem invertierenden Eingang durch den Widerstand 40 und mit einem Ende des Nebenschlusswiderstandes 153 verbunden. Der Verstärker 38 und die Widerstände 36, 37, 39 und 40 bilden einen Differenzverstärker. Der Widerstand 35 ist auch ein Teil der Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107.
Die Funktionsweise der Stromsensorvorrichtung dieser Ausführungsform wird nunmehr beschrieben. Ein Anregungswechselstrom wird an die Sensorspule 104 mittels der Anregungsschaltung 106 angelegt, so dass der Kern 103 in den Sättigungsbereich getrieben wird. Der Anregungsstrom ist ein Resonanzstrom, der gleich dem Stromwert ist, welcher durch die Versorgungsspannung multipliziert mit dem Wert Q des Resonanzkreises begrenzt ist. Ein Verfahren, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, besteht darin, Variationen in der Schwingungsform des Resonanzstromes zu detektieren als ein Verfahren zum Erfassen von Variationen in der Induktivität der Sensorspule 104 als ein Erfassungssignal der Stromsensorvorrichtung. Um genau zu sein, wird die Spannung, die über eine Serienschaltung aus der Erfassungsspule 20 und der Sensorspule 104 abfällt und einen großen Sättigungsstrom hat, in dem Differenziererschaltkreis differenziert, der durch den Kondensator 21 und den Widerstand 22 gebildet ist. Ein positiver Ausgangswert eines Ausgangs der Differenziererschaltung wird durch das Halteglied für die positiven Spitzen, welches durch die Diode 23 von dem Kondensator 24 gebildet ist, gehalten. Ein negativer Ausgangswert des Ausgangs der Differenziererschaltung wird durch ein Halteglied für negative Spitzen, das durch die Diode 25 von dem Kondensator 26 gebildet ist, gehalten. Die positiven und negativen Ausgangswerte werden in der Widerstandsaddiererschaltung, die durch die Widerstände 27 und 28 gebildet ist, addiert. Man erhält so ein Erfassungssignal, das dem zu messenden Strom entspricht.
Wenn kein äußeres Magnetfeld, das durch den zu messenden Strom erzeugt wird, vorhanden ist, sind die positiven und negativen Anteile der differenziellen Schwingungsform der Spannung über der Erfassungsspule 20 symmetrisch, und die Summe der positiven und negativen Spitzenwerte (die Differenz zwischen den absoluten Werten) der differenziellen Schwingungsform ist Null. Demgegenüber sind, wenn das äußere Feld, das von dem zu messenden Strom erzeugt wird, an die Sensorspule 104 angelegt wird, die positiven und negativen Teile der differenziellen Schwingungsform unsymmetrisch. Demzufolge ist die Summe der positiven und negativen Spitzenwerte (die Differenz zwischen den absoluten Werten) der differenziellen Schwingungsform von Null verschieden, was von dem äußeren Magnetfeld abhängt. Die unsymmetrischen Komponenten der diffe renziellen Schwingungsformen werden als ein Spannungssignal detektiert, indem die Anregungsstromschwingungsform zweimal durch die Erfassungsspule 20 und den Differenziererschaltkreis differenziert wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird auf diese Weise der Strom gemessen, indem man die Summe der positiven und negativen Spitzenwerte (die Differenz zwischen den absoluten Werten) der differenziellen Schwingungsform erhält.
Wie oben beschrieben, erfasst die Erfassungs- und Rückkopplungsschaltung 107 den zu messenden Strom auf der Basis des Anteiles des Resonanzstromes, der durch die Sensorspule 104 fließt, und den Kern 103 in den Sättigungsbereich treibt.
Das Erfassungssignal, das man an dem Addiererschaltkreis erhält, der durch die Widerstände 27 und 28 gebildet ist, wird invertiert und verstärkt durch den invertierenden Verstärker, der durch den Operationsverstärker 32 und die Widerstände 31, 33 und 34 gebildet ist. Das Signal wird dann durch den Widerstand 35 transportiert und an den Verbindungspunkt zwischen die Spule 81 und dem Kondensator 82 angelegt. Dadurch wird ein negativer Rückkopplungsstrom an die Sensorspule 104 durch die Spule 81 angelegt, und eine magnetomotorische Kraft wird in einer Richtung, die dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt ist, an die Sensorspule 104 angelegt.
Der Strom wird wie folgt gemessen. Der negative Rückkopplungsstrom, d. h. der Strom, der dem externen Feld entspricht, wird durch den Widerstand 35 in eine Spannung umgewandelt. Die Spannung wird an dem Differenzverstärker, der durch den Operationsverstärker 38 und die Widerstände 35, 36, 39 und 40 gebildet ist, verstärkt und dann als Erfassungssignal von der Ausgabeschaltung 108 ausgegeben. Das Erfassungssignal der Ausgabeschaltung 108 wird zu dem Erfassungssignal der Erfassungsspule 152 addiert und von dem Ausgang 54 als Messsignal ausgegeben.
Im Folgenden wird nun ein spezielles Beispiel der Stromsensorvorrichtung, wie sie gegenwärtig hergestellt wird, beschrieben. In diesem Beispiel haben das Joch 102 und der Kern 162 jeweils einen Querschnitt von 5 mm mal 5 mm. Das Feldunterbrechungsglied 163 hat einen Querschnitt von 5 mm mal 3 mm. Das Joch 102, der Kern 162 und das Feldunterbrechungsglied 163 sind alle aus Mn-Zn-basiertem Ferrit hergestellt. Die Gesamtlänge der Spalte zwischen dem Joch 102 und einem jeden der Enden des Kerns 162 beträgt 1 mm. Die Gesamtlänge der Spalte zwischen dem Joch 102 und einem jeden der Enden des Feldunterbrechungsgliedes 163 beträgt ebenfalls 1 mm. Die Spule 152 ist aus zehn Windungen eines Urethan-beschichteten Leitungsdrahtes gebildet, der einen Durchmesser von 0,3 mm hat. Der Widerstand des Nebenschlusswiderstands 153 ist 4 Ω. Die Nebenschlussspule 105 ist bei einem Widerstand von Null kurzgeschlossen.
Der Kern 103 ist aus einem Ni-Cu-Zn-basierten Ferrit hergestellt und ist ein trommelförmiger Kern mit einem Durchmesser von 0,8 mm und einer Länge von 1,5 mm und einem Rand von 2 mm Durchmesser und einer Dicke von 0,5 mm. Die Sensorspule 104 besteht aus 180 Windungen eines Urethan-beschichteten Leitungsdrahtes mit einem Durchmesser von 0,03 mm.
In diesem Beispiel beträgt die Anregungsfrequenz der Sensorspule 104 200 kHz. Die Grenzfrequenz sowohl der Nebenschlussspule 105 als auch der Erfassungsspule 152 beträgt 8 kHz. Eine Frequenzkomponente des Ausgangssignals der Sensorspule 104, wobei die Hochfrequenzkomponente von der Nebenschlussspule 105 abgeschnitten wird, die höher ist als die Grenzfrequenz von 8 kHz, welche ausreichend niedriger ist als die Nyquistfrequenz, wird gedämpft. Demzufolge wird die Erzeugung einer Schwebung infolge der Frequenz einer variierenden Komponente des zu messenden Stromes und der Anregungsfrequenz verhindert. In diesem Beispiel ist das Ansprechfrequenzband des Messsignals, das von dem Ausgang 54 ausgegeben wird, 0 bis 100 kHz. Die obere Grenze der Ansprechfrequenz resultiert aus dem Wirbelstromverlust, der von dem niedrigen Widerstand des magnetischen Joches 102 verursacht wird.
Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Resonanzstrom der Resonanzschaltung an die Sensorspule 104 angelegt. Demzufolge wird ein Anregungswechselstrom, der den Kern 103 in den Sättigungsbereich treibt, leicht an die Sensorspule 104 angelegt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der negative Rückkopplungsstrom, der für das Verfahren der negativen Rückkopplung verwendet wird, an die Sensorspule 104 über die Spule 81, die wechselstrommäßig parallel zu der Sensorspule 104 geschaltet ist, angelegt. Demzufolge kann der Rückkopplungsstrom leicht an die Spule 104 angelegt werden, ohne dabei einen Verlust des Resonanzstromes zu verursachen.
Gemäß dieser Ausführungsform erhält man leicht einen Erfassungsausgang in der Größenordnung von Volt, indem man die Erfassungsspule 20 in den Resonanzkreis einfügt, ohne dabei den Q-Wert des Resonanzkreises zu verschlechtern, d. h. ohne dabei einen ungenügenden Resonanzstrom, der an die Sensorspule 104 angelegt wird, zu verursachen. Zusätzlich wird die Spitzenwerthalteschaltung durch die einfache und billige Schaltung implementiert, die die Diode und den Kondensator verwendet. Die Erfassungsspule 20 kann einen ausreichend großen Ausgang liefern, auch wenn ihr Induktivitätswert ein paar Prozent des Induktivitätswertes der Spule 104 beträgt. Deshalb wird, da die Anzahl der Windungen der Erfassungsspule 20 klein ist und der Sättigungsstromwert im Allgemeinen ausreichend groß ist, die Erfassungsspule 20 nicht durch den Treiberstrom (Resonanzstrom) zu der Spule 104 gesättigt.
Durch diese Techniken sind das Verfahren der großen Amplitude und das Verfahren der negativen Rückkopplung anwendbar, während ein magnetischer Kern, wie ein Ferrit-Kern, der ein großes Sättigungsfeld und eine große Nichtlinearität hat, verwendet wird. Es ist deshalb möglich, ein Fluxgate-Element dazu zu verwenden, ein großes magnetisches Feld oder einen großen elektrischen Strom zu erfassen.
Die Merkmale der Stromsensorvorrichtung dieser Ausführungsform sind untenstehend aufgelistet.

(1) Messfehler, die aus Variationen in der Position des Strompfades, durch den der zu messende Strom fließt, entstehen, sind klein.
(2) Da das Verfahren der negativen Rückkopplung verwendet wird, werden Variationen in der Sensitivität reduziert und die thermischen Eigenschaften werden automatisch verbessert.
(3) Daher ist keine Sensitivitätsanpassung oder Kompensation der thermischen Eigenschaften erforderlich.
(4) Keine Offset-Anpassung ist erforderlich.
(5) Die Vorrichtung zeigt ausgezeichnete Eigenschaften, da das Verfahren der Anregung mit großer Amplitude verwendet wird.
(6) Kein spezielles Verfahren zur Herstellung des Sensorteiles ist erforderlich.
(7) Da der Resonanzstrom verwendet wird, wird die Sensorspule mit einer niedrigen Versorgungsspannung und einer hohen Frequenz betrieben.
(8) Für die Herstellung der Vorrichtung ist weder ein besonderes Material noch ein besonderes Verfahren erforderlich und die Schaltung ist sehr einfach. Demzufolge kann die Vorrichtung mit extrem niedrigen Kosten hergestellt werden und es ist möglich, die große Nachfrage zu befriedigen.
(9) Die Vorrichtung hat ein ausgezeichnetes Frequenzansprechverhalten.
(10) Der Leistungsverbrauch ist niedrig, weil Resonanzstrom verwendet wird.
(11) Die Vorrichtung ist klein und leicht, da die Anordnung einfach ist.

Die übrigen Teile der Struktur, des Funktionsprinzips und der Effekte der siebten Ausführungsform sind ähnlich denen der vierten oder sechsten Ausführungsform.
Achte Ausführungsform
Eine Stromsensorvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beschrieben. 15 ist ein Schaltplan, der die Struktur der Stromsensorvorrichtung einschließlich des magnetischen Joches darstellt. 16 ist ein Schaltbild, das die Struktur der Stromsensorvorrichtung ohne das magnetische Joch darstellt. In der Vorrichtung gemäß der achten Ausführungsform ist die Anordnung des Joches 102, des Kerns 103, der Sensorspule 104, der Nebenschlussspule 105, des Kerns 162 und des Feldunterbrechungsgliedes 163, ähnlich zu der gemäß der siebten Ausführungsform.
Die Schaltungsanordnung der Stromsensorvorrichtung gemäß der achten Ausführungsform wird nunmehr beschrieben. In dieser Ausführungsform sind die Erfassungsspule 152 und der Nebenschlusswiderstand 153 gemäß der siebten Ausführungsform nicht vorgesehen. Der Ausgang 54 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 38 verbunden.
In dieser Ausführungsform ist eine Spule 181, die einen Pfad zum Anlegen eines negativen Rückkopplungsstroms an die Sensorspule 104 bildet, um den Kern 162 gewickelt, anstelle der Spule 152 gemäß der siebten Ausführungsform. Ein Ende der Spule 181 ist mit einem Ende der Sensorspule 104 verbunden. Das andere Ende der Spule 181 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 35 und 37 der Ausgabeschaltung 108 verbunden.
Gemäß der achten Ausführungsform ist die Spule 181 in dem zweiten magnetischen Pfad angeordnet. Deshalb wird in der Spule 181 ein Hochfrequenzstrom induziert, der einer Hochfrequenzkomponente des zu messenden Stromes, der durch den Strompfad 101 fließt, entspricht. Das heißt, die Spule 181 dieser Ausführungsform arbeitet auch als eine Spule zum Detektieren einer Hochfrequenzkomponente. Wie in 16 gezeigt, ist, von dem Serienschaltkreis der Sensorspule 104 und der Spule 181 aus gesehen, die Spule 181 so angeordnet, dass die Polarität eines Stromes, der in der Spule 181 durch das äußere Magnetfeld induziert wird, gleich der Polarität eines Stromes ist, der durch das externe magnetische Feld in der Sensorspule 104 induziert wird. Das heißt, eine Hochfrequenzkomponente des Stromes, der in der Spule 181 induziert wird, wird zu einer Hochfrequenzkomponente des Stromes, der in der Sensorspule 104 induziert wird, in dem Serienschaltkreis aus der Sensorspule 104 und der Spule 181 addiert.
Die Spule 181 ist mit dem Widerstand 35 der Ausgabeschaltung 108 verbunden. Deshalb verursacht der Hochfrequenzstrom, der in der Spule 181 induziert wird, ein Potenzial, das über dem Widerstand 35 abfällt. Das Potenzial entspricht der Hochfrequenzkomponente des zu messenden Stromes. In der Ausgabeschaltung 108 wird daher das Erfassungssignal des Fluxgate-Sensorelementes zu dem Signal addiert, das der Hochfrequenzkomponente des zu messenden Stromes entspricht, und das Ergebnis wird als das Messsignal an dem Ausgang 54 ausgegeben.
Entsprechend dieser Ausführungsform arbeitet die Spule 181 auch als die Spule zum Erfassen einer Frequenzkomponente. Demzufolge wird das Ansprechfrequenzband erweitert, während die Struktur der Vorrichtung einfach ist und das Verfahren der negativen Rückkopplung verwendet wird.
Die übrigen Elemente der Struktur, der Funktionsweise und der Effekte der achten Ausführungsform sind ähnlich denen der siebten Ausführungsform.
Gemäß der Stromsensorvorrichtung der Erfindung einschließlich der vierten bis achten Ausführungsformen sind das magnetische Sensorelement und die Spule zum Detektieren der Hochfrequenzkomponente in unterschiedlichen ersten und zweiten magnetischen Pfaden angeordnet. Demzufolge ist es möglich, die Grenzfrequenz und dergleichen für das magnetische Sensorelement und die Spule zum Detektieren einer Hochfrequenzkomponente unabhängig voneinander festzulegen. Es ist daher möglich, das Ansprechfrequenzband zu erweitern und gleichzeitig die Erzeugung einer Schwebung infolge der Frequenz einer variierenden Komponente des zu messenden Stromes und der Anregungsfrequenz zu verhindern, und Schwierigkeiten bei der Herstellung der Vorrichtung und eine Zunahme der Größe werden reduziert.
Wenn die Dämpfungsmittel zum Dämpfen einer Frequenzkomponente, die eine spezifische Grenzfrequenz des magnetischen Flusses, der durch den ersten magnetischen Pfad hindurchtritt, überschreitet, vorgesehen werden, ist es möglich, das Anlegen eines magnetischen Feldes zu verhindern, welches eine Frequenz hat, die eine Schwebung in dem magnetischen Sensorelement erzeugen könnte.
Das magnetische Sensorelement, das den magnetischen Kern und die Sensorspule, welche um den Kern gewickelt ist, aufweist, kann verwendet werden und die Dämpfungsmittel können vorgesehen sein, um eine Frequenzkomponente zu dämpfen, die eine spezifische Grenzfrequenz des magnetischen Flusses, welcher durch den ersten magnetischen Pfad hindurchfließt, überschreitet, wobei die Grenzfrequenz gleich oder geringer ist als die Nyquistfrequenz, die man aus der Frequenz des Anregungsstromes der Sensorspule erhält. In diesem Fall ist es möglich, zu verhindern, dass an das magnetische Sensorelement ein magnetisches Feld angelegt wird, welches eine Frequenz hat, die höher ist als die Nyquistfrequenz und eine Schwebung erzeugen könnte.
Der zweite magnetische Pfad kann zwischen dem Strompfad und dem ersten magnetischen Pfad angeordnet werden und das Feldunterbrechungsglied kann in dem zweiten magnetischen Pfad, um den die Spule zum Erfassen einer Hochfrequenzkomponente gewickelt ist, angeordnet werden. In diesem Fall ist es möglich, das Magnetfeld zu unterbrechen, welches dem Fluss entspricht, der von dem Strom, der durch den Strompfad fließt, erzeugt wird, und das nicht durch das magnetische Joch fließt. Es ist daher möglich, Messfehler zu reduzieren, die aus Variationen in der Position des Strompfades, der durch den freien Raum innerhalb des Joches hindurchführt, entstehen.
Der Pfad zum Anlegen des negativen Rückkopplungsstromes an die Sensorspule kann gebildet sein und die Spule zum Erfassen einer Hochfrequenzkomponente des zu messenden Stromes kann in dem zweiten magnetischen Pfad angeordnet sein. In diesem Fall wird das Ansprechfrequenzband erweitert, während die Struktur der Vorrichtung einfach ist und das Verfahren der negativen Rückkopplung eingesetzt wird.
Gemäß der Stromsensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung einschließlich der ersten bis achten Ausführungsformen umfasst der magnetische Pfad des Flusses, der durch das Joch hindurchdringt: den ersten magnetischen Pfad, der hauptsächlich durch das magnetische Sensorelement führt, durch den ein Teil des magnetischen Flusses, der durch das Joch hindurchdringt, fließt; und den zweiten magnetischen Pfad, durch den ein anderer Teil des magnetischen Flusses, der durch das Joch führt, hindurchdringt. Demzufolge ist es durch die Verwendung des zweiten magnetischen Pfades möglich, andere Funktionen, wie das Unterbrechen des Feldes entsprechend dem Fluss, der nicht durch das Joch fließt, zu erreichen, so dass das Feld von dem magnetischen Sensorelement abgeschnitten ist, oder aber die Hochfrequenzkomponente des Stromes detektiert wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auch in noch anderen Varianten durchgeführt werden. Beispielsweise ist die Erfindung nicht auf eine Stromsensorvorrichtung begrenzt, die ein Fluxgate-Element als magnetisches Sensorelement beinhaltet, sondern kann auch auf eine Stromsensorvorrichtung angewendet werden, die jedes andere Element, wie beispielsweise ein Hall-Element, als das magnetische Sensorelement verwendet.
Obwohl in den vorangegangenen Ausführungsformen die Clapp-Oszillatorschaltung als Beispiel der Oszillatorschaltung verwendet wird, ist die Erfindung nicht auf diese Schaltung beschränkt, sondern kann auch in Fällen angewendet werden, in denen andere Oszillatorschaltungen, beispielsweise Copitts-Oszillatorschaltungen oder eine Hartley-Oszillatorschaltung verwendet wird.
Offensichtlich sind im Lichte der obigen Lehre viele Veränderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es ist daher klar, dass innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche die Erfindung anders als hier speziell beschrieben ausgeführt werden kann.

Claims

Eine Stromsensorvorrichtung, umfassend: ein ringförmiges magnetisches Joch (102), durch welches ein magnetischer Fluss, der von einem elektrischen Strom, der durch einen elektrischen Strompfad (101) fließt, erzeugt wird, wobei das Joch (102) den Strompfad (101) umgibt, und ein Teil des Jochs (102) einen Spalt (G) hat; und ein magnetisches Sensorelement (104), das in dem Spalt (G) des magnetischen Jochs (102) angeordnet ist, und dazu vorgesehen ist, ein magnetisches Feld in dem Spalt (G), das von dem Strom, der durch den Strompfad (101) fließt, erzeugt wurde, zu detektieren; wobei ein magnetischer Pfad des Flusses, der durch das magnetische Joch fließt, einschließt: einen ersten magnetischen Pfad (201), der hauptsächlich das magnetische Sensorelement (104) durchdringt, durch welchen ein Teil des Flusses, der durch das magnetische Joch (102) fließt, hindurchfließt; und einen zweiten magnetischen Pfad (202), durch den ein anderer Teil des Flusses, der durch das magnetische Joch fließt, hindurchdringt, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsensorvorrichtung weiterhin eine Hochfrequenzkomponentenerfassungsspule (152) zum Erfassen einer Hochfrequenzkomponente des Stroms, der durch den Strompfad (101) fließt, aufweist, und dass die Erfassungsspule (152) in dem zweiten magnetischen Pfad (202) angeordnet ist.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen magnetischen Feldunterbrecher (163), der zwischen dem Strompfad (101) und dem Spalt (G) angeordnet ist, um das magnetische Feld, das einem magnetischen Fluss entspricht, der von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfad (101) fließt und nicht das magnetische Joch (102) durchdringt, zu unterbrechen, sodass das magnetische Feld von dem magnetischen Sensorelement (104) abgeschnitten ist.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Feldunterbrecher (163) von dem magnetischen Joch (102) getrennt ist.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Feldunterbrecher (163) aus einer magnetischen Substanz hergestellt ist.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das magnetische Sensorelement (104) ein magnetisches Sensorelement einer Magnetfeldsonde ist.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend Dämpfungsmittel, die in dem ersten magnetischen Pfad (201) angeordnet sind, um eine Frequenzkomponente des magnetischen Flusses, der durch den ersten magnetischen Pfad dringt, zu dämpfen, die höher als eine spezifische Grenzfrequenz ist.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das magnetische Sensorelement einen magnetischen Kern (103) hat, der in dem ersten magnetischen Pfad (201) angeordnet ist, und eine Sensorspule (104), die um den Kern gewickelt ist, und die dafür vorgesehen ist, ein Magnetfeld zu erfassen, das dem Fluss entspricht, der durch den ersten magnetischen Pfad (201) hindurchdringt.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 7, weiterhin umfassend: Treibermittel (106) zum Treiben der Sensorspule (104) durch Anlegen eines Wechselanregungsstroms an die Sensorspule, der den Kern in einen Sättigungsbereich bringt; und Messmittel zum Messen des Stromes, der durch den Strompfad fließt, durch Erfassen von Induktivitätsänderungen der Sensorspule.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin umfassend Dämpfungsmittel (105), die in dem ersten magnetischen Pfad (201) angeordnet sind, zum Dämpfen einer Frequenzkomponente des magnetischen Flusses, der durch den ersten magnetischen Pfad (201) fließt, die höher ist als eine spezifische Grenzfrequenz, wobei die Grenzfrequenz kleiner gleich einer Nyquistfrequenz ist, die aus einer Frequenz des Anregungsstroms gewonnen wird.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Treibermittel (106) einen Serienresonanzkreis haben, der zum Teil durch die Sensorspule (104) gebildet ist und der einen Resonanzstrom bereitstellt, der durch den Serienresonanzkreis als Anregungsstrom für die Sensorspule (104) fließt.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin umfassend Stromversorgungsmittel zum Bereitstellen eines elektrischen Stromes an die Sensorspule (104), wobei der Strom einen Gleichstrom einschließt und eine Frequenz aufweist, die sich von einer Frequenz des Anregungsstroms unterscheidet.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Stromversorgungsmittel einen negativen Rückkopplungsstrom an die Sensorspule (104) bereitstellen, um einen Ausgang der Messmittel an die Sensorspule (104) negativ zurückzukoppeln.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Hochfrequenzkomponentenerfassungsspule (152) einen Pfad zum Bereitstellen des negativen Rückkopplungsstroms an die Sensorspule (104) bildet.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Messmittel aufweisen: Ein induktives Element (20), das in Serie mit der Sensorspule (104) verbunden ist; und einen Differenziererschaltkreis (21, 22) zum Differenzieren einer Spannung, die über dem induktiven Element (20) erzeugt wird, und zum Ausgeben eines Signals in Antwort auf den Strom, der durch den Strompfad fließt.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite magnetische Pfad (202) einen Spalt einschließt.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite magnetische Pfad (202) zwischen dem Strompfad (101) und dem ersten magnetischen Pfad (201) angeordnet ist.
Die Stromsensorvorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein magnetisches Feldunterbrechungsglied (161), das aus einer magnetischen Substanz hergestellt ist und in dem zweiten magnetischen Pfad angeordnet ist, wobei das Glied ein magnetisches Feld entsprechend dem magnetischen Fluss, der von dem Strom, der durch den Strompfad (101) fließt, erzeugt ist, und nicht durch das magnetische Joch (102) hindurchdringt, unterbricht, sodass das magnetische Feld von dem magnetischen Sensorelement abgeschnitten ist; wobei die Hochfrequenzkomponentenerfassungsspule (152) um das Feldunterbrechungsglied gewickelt ist.