JP2003519385A - 直流電流の測定センサ及び測定方法 - Google Patents

直流電流の測定センサ及び測定方法

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JP2003519385A JP2001550039A JP2001550039A JP2003519385A JP 2003519385 A JP2003519385 A JP 2003519385A JP 2001550039 A JP2001550039 A JP 2001550039A JP 2001550039 A JP2001550039 A JP 2001550039A JP 2003519385 A JP2003519385 A JP 2003519385A
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Abstract

(57)【要約】 リング状に閉じられた軟磁性コアに基づく誘導性センサが提案される。このセンサでは測定すべき電流がリング状に閉じられた磁気回路の内部で誘導性の変化を引き起こし、この変化はコアの周囲に巻かれた測定巻線（ＭＷ）を介して取り出される。広範な測定領域内で線形の特性を得るために、リング状に閉じられたコアはコア領域（ＫＢ）を有し、このコア領域（ＫＢ）は磁気粉末結合材料、また例えばフェライトポリマ複合材料（ＦＰＣ）を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 例えばDE 31 30 277 A1から直流電流を測定するセンサが公知であり、この
センサはスリットが入った軟磁性のコアを使用し、このコアではコアダクトにホ
ールセンサが配置されている。測定すべき電流が導体に案内され、この導体は巻
線として軟磁性のコアの周囲に固定されているか、エアギャップを除きリング状
に閉じられたコアを通過して案内されている。
【０００２】 しかしながらこれらのセンサは、複雑かつ繁雑な評価電子機構でしか実現する
ことができない。何故ならば、得られる測定値と決定すべき測定量の関係が非線
形だからである。さらには、測定結果は隙間の大きさ及び使用されるホールセン
サに依存し、その結果公知のセンサはまた高度の精度で設計されなければならな
い。
【０００３】 別の公知の電流センサは実質的に軟磁性のリングコアから構成されており、こ
のリングコアを通過する導体に測定すべき電流が伝導される。コアの周囲には測
定巻線（二次巻線）が巻かれ、この測定巻線に交流電流が印加される。DE 36 13
991 A1から公知のセンサでは測定巻線において電圧が測定され、この電圧から
時間的な導関数が形成され、この導関数の正及び負の半波の持続時間が測定すべ
き直流電流の量及び方向を評価するために使用される。DE-OS 2 300 802から公
知の直流電流測定器では、測定巻線は駆動制御可能な電流源でもって動作され、
この電流源はコアの磁気的な飽和が達成されるまで、線形に上昇または下降する
ポンプ電流を形成する。このことは付加的な測定巻線において確定される。ポン
プ電流の時間的な平均値は、測定すべき電流に対する量と見なされる。DE 22 28
867 B2から直流電流センサが公知であり、この直流電流センサでは測定巻線に
矩形の半波電流が供給され、この半波電流はコアの周期的な磁束の変化が一定で
あるように制御される。DE 38 27 758 C2からは、交流電流の電流強度を監視す
るためのセンサが公知である。
【０００４】 本発明の課題は、直流電流を測定するセンサを提供することであり、このセン
サは可能な限り広範な電流強度領域において、測定すべき電流強度に対して可能
な限り線形の関係を有する測定値を供給し、その結果測定値は要求される測定領
域内全体において測定すべき電流に比例する。
【０００５】 この課題は本発明によれば請求項１記載の特徴を有するセンサによって解決さ
れる。本発明の測定方法並びに本発明の有利な実施形態はその他の請求項に記載
されている。
【０００６】 本発明のセンサは１つの軟磁性コアを有し、このコアは例えばリング状に閉じ
られている、ないしはコアの内部に閉じられた磁界を形成できるように構成され
ている。コアの周囲には少なくとも１つの測定巻線が巻かれている。測定巻線は
インピーダンス及び／又はインダクタンスをこの測定巻線において測定するため
に適している装置と接続されている。測定すべき電流を案内する導線は、閉じら
れているコアの開口部に通され、その結果磁界を導線の周りで閉じることができ
る。
【０００７】 （従来のように）軟磁性材料から成る磁気的に閉じられたコアは１つのコア領
域を有し、このコア領域は断面では少なくとも部分的に、または断面全体にわた
って磁気粉末複合材料から形成されている。軟磁性特性を有するそれ自体は公知
の材料はマトリクス、例えばポリママトリクスからなり、このマトリクスには金
属または金属酸化物からなる従来の軟磁性粒子が埋め込まれている。他の材料、
また例えばセメントの様な無機材料もマトリクスに適している。粉末複合材料の
磁性特性は軟磁性の粒子、例えばマトリクス内の粒子の数量ないし密度、粒度及
び軟磁性の粒子の材料選択によって決定される。マトリクスは、必要な機械的結
合を付与し、またセンサの許容される動作条件の範囲で定常でありかつ粉末複合
材料の磁性特性に悪影響を及ぼさないように選定されているマトリクスを表して
いるだけである。
【０００８】 有利な粉末複合材料はフェライトポリマ複合材料であり、以下では省略してＦ
ＰＣと記す。
【０００９】 先ず本発明のセンサは、例えばＦＰＣから成るこのコア領域を用いることによ
って、電流強度を広範な電流強度領域にわたって確実に決定するために、必要な
特性曲線を得る。このことは本発明のセンサでは、測定すべき電流強度の測定量
、インピーダンス（Ｚ）またはインダクタンス（Ｌ）と測定すべき電流強度との
ほぼ線形な関係によって可能となる。
【００１０】 これに対して、完全に従来の軟磁性材料から成るコアがセンサに使用されるこ
とになれば、相応のセンサは本発明に比べ制限された測定領域でしか使用できな
いであろう。
【００１１】 隙間のない従来の軟磁性コアを用いる相応のセンサでは、測定すべき電流が小
さい場合には測定量ＺないしＬは非線形の特性を示す。すでに電流が比較的小さ
い場合には、測定量の急激な降下が見られる。測定すべき電流に対して測定量を
確実に対応付けることは、制限された測定領域においてのみ可能である。
【００１２】 隙間を有する従来の軟磁性コアを用いる相応のセンサは、電流が小さい場合に
は測定量の一定の特性を示し、電流が大きいときに初めて非直線の降下を示す。
ここでもまた測定領域は制限される。
【００１３】 磁気粉末複合材料、例えばＦＰＣからなるコア領域を有する本発明の電流セン
サは、以下のようにして簡単なやり方でこの欠点を調整する。すなわち、ＦＰＣ
コア領域の特性曲線が従来の軟磁性からなる残りのコアの特性と重畳され、重畳
された直流電流に依存する、広範な測定領域にわたる測定量Ｌ及びＺの線形の特
性が生じる。
【００１４】 本発明のセンサのさらなる利点は、コアの形状、コアの大きさ、材料の選択及
びＦＰＣの割合のような簡単なパラメータが変えられることによって、センサを
種々の電流測定領域に簡単なやり方で適応させることができるということである
。この適応の際にも、測定すべき直流電流と測定量との十分な線形の関係は保た
れたままである。
【００１５】 本発明のセンサは、スリットが入りこのスリットにホールセンサが取り付けら
れている軟磁性のコアからなる公知の電流センサに比べて、製造許容差が明らか
に高められているので簡単に製造することができる。
【００１６】 インピーダンスＺまたはインダクタンスＬを測定するための装置は十分に公知
のものであり、簡単な手段で実施することができる。測定値Ｚ、Ｌと測定すべき
量Ｉとはほぼ線形の関係にあるので、繁雑な評価電子機構は必要なく、その結果
適切な評価回路は複雑ではなく、また僅かな手間で製造することができる。
【００１７】 測定すべき直流電流にベース直流電流を重畳した場合には、測定値の変化から
電流の極性を決定することができる。
【００１８】 以下本発明を、実施例及び付属の４つの図に基づき詳細に説明する。ここで図
１は、リング状のコアを用いる本発明のセンサの概略図である。図２は、Ｅコア
を用いるセンサである。図３は、Uコアを用いるセンサである。図４は、測定値
Ｌと測定量Ｉの関係を示すグラフである。
【００１９】 図１は、本発明のセンサの構造を概略図で表したものである。軟磁性のコアＫ
はリング状に閉じられており、ＦＰＣから形成されている少なくとも１つのコア
領域ＫＢを有する。図にはＦＰＣからなる２つのコア領域ＫＢが図示されている
。このことは簡単に加工できるという利点を有し、何故ならば同一の２つの部分
コアＫ１及びＫ２を相応の位置に向かい合わせて、２つの部分コアＫ１及びＫ２
の「端部」間の隙間にＦＰＣを充填することができる。リング状のコアＫを通過
して導線ＳＬが延在しており、この導線ＳＬに測定すべき電流Ｉが流れる。コア
Ｋに巻かれている測定巻線ＭＷは、測定値ＺないしＬを検出するために使用され
る。これらの測定値は評価ユニットＡＥにおいて決定され、この評価ユニットＡ
Ｅは端子ＡＫを介して測定巻線ＭＷと接続されている。評価ユニットＡＥは測定
値、インピーダンスＺまたはインダクタンスＬを決定するそれ自体は公知の回路
を有し、これらの測定値は測定巻線ＭＷの端子ＡＫにおいて取り出される。これ
らの測定値を例えば計算機に供給することができるか、選択的にディスプレイＤ
上に表示することができる。検出すべき測定量を表す電流強度Ｉもディスプレイ
上に表すことができる。
【００２０】 ここでは簡潔に円形状に表されているコアＫの幾何学的配置は、任意に変える
ことができる。同様にコアの断面も任意であり、例えば円形、楕円、矩形または
多角形である。または任意の形状も採用できる。
【００２１】 さらにはコアＫ全体における、ＦＰＣを含むコア領域ＫＢの割合も変えること
ができる。本発明の実施形態ではコアＫ全体がＦＰＣから構成されている。
【００２２】 適当なＦＰＣ材料の構成として、例えばＳｉｅｍｅｎｓ Ｍａｔｓｕｓｈｉｔ
ａ部品データシート「Ｆｅｒｒｉｔｅｓ ａｎｄ Ａｃｃｅｓｓｏｒｉｅｓ」１
９９９、４２頁に記載されている。適当なＦＰＣはそこでは識別番号Ｃ３０２、
Ｃ３５０及びＣ３５１で表されている。Ｃ３５１のＦＰＣの構成は、２００℃ま
での範囲においてセンサに使用するために殊に適しており、何故ならばＦＰＣ材
料は相応の耐熱性を有するからである。
【００２３】 ＦＰＣを含むコア領域ＫＢの幾何学的配置も任意に変えることができる。実施
形態ではコア領域ＫＢは中空ではなく、完全にＦＰＣから構成されておりまた残
りのコアＫと同じ断面を有する。しかしながらコア領域の断面を残りのコアの断
面とは異ならせ、また例えば空洞を残しておくことも可能である。そのような断
面は簡単なやり方でＦＰＣフィルムを使用することにより製造される。そのよう
なＦＰＣフィルムはポリマから合成されており、このポリマは所望の動作条件で
は十分にフレキシブルであり、フィルムを任意に形作り、折り曲げまた例えば巻
くことができる。残りのコアＫの材料は従来の軟磁性材料、例えばフェライトで
ある。材料の選択は透磁率及び所望の温度特性に関して行われる。透磁率に関し
ては、所定のやり方で検出すべき測定領域を調整することができ、ここで透磁率
が高いということは電流が少ない場合でも飽和になり、その結果他のパラメータ
が変わらない場合には、透磁率が比較的高いコア材料は透磁率が比較的低い材料
よりも僅かな電流を測定するのに適している。
【００２４】 本発明のセンサの測定領域を調整する別の手段は測定巻線の巻数を変えること
である。ＦＰＣを含むコア領域ＫＢの割合も変えることができるか、またはその
他のパラメータが変わらない場合には、ＦＰＣで充填された隙間の量を変えるこ
ともできる。顧慮すべき別の量は測定巻線ＭＷに加えられる測定電流の周波数で
ある。適切な周波数は例えば１から１００ＭＨｚの範囲内である。
【００２５】 本発明のセンサの別の実施形態では、ＦＰＣを含むコア領域ＫＢの個数と位置
が変えられる。本発明の別の実施形態では、このコア領域の個数を任意に増すこ
とができる。
【００２６】 ＦＰＣを含むコア領域ＫＢの個数及び大きさに応じて、コアＫ上での測定巻線
の位置も変えることができる。
【００２７】 図２は、ダブルＥコアを基礎とする本発明の別のセンサである。図ではＦＰＣ
を含むコア領域が中央の脚（中央の突き合わせ部）の領域に示されている。測定
巻線ＭＷも中央の突き合わせ部、有利にはＦＰＣを含むコア領域ＫＢの範囲に巻
き付けらる。導線ＳＬは有利には、同様に中央の突き合わせ部の周囲に１回巻き
付けられた巻線として案内されている。ダブルＥコアの残りの２つの境界接合部
Ｆ１及びＦ２では、２つのコアの半分の部分がエアギャップなしで相互に突き合
わされている。しかしながらこれら２つの接合部の位置Ｆ１及びＦ２の領域に、
ＦＰＣを含むコア領域をさらに設けることも可能である。
【００２８】 ダブルＥコアの場合でも、コアの材料、ＦＰＣ、コアの断面、大きさ及び残り
のコアに相対的なコア領域の割合に関しては任意に変えることができる。
【００２９】 本発明のセンサの別の実施形態が図３に示されている。ここではそれぞれＵ状
であるコアが２つ使用されており、このコアは有利には、２つのＵ状であるコア
の半分の部分が相互に突き合わせられている２つの接合部において、ＦＰＣを含
むコア領域を有する。その他の点では、この実施形態は図１に図示したコアの形
状の変形である。
【００３０】 図４では本発明のセンサの実施形態に関して、決定すべき測定量Ｉに対する測
定値（ここではＬ）が示されており、この測定量Ｉは検定を目的として、先ず従
来の電流測定装置を用いて決定される。測定量Ｉに対する測定値Ｌの対応関係は
実際には直線であり、この直線は測定値Ｌと測定量Ｉのほぼ線形の関係に相当す
る。直線性が高度であるので、決定すべき測定量Ｉも非常に簡単、正確かつ明瞭
に対応付けることができ、したがって決定することができる。測定値自体は、図
３に相応するＵ状の２つのコアを有するセンサを用いて得る。約４０ｍｍである
脚の全長のうち、ＦＰＣから構成されたコア領域は約１４ｍｍである。これによ
り図４から分かるように、約０から１０００アンペアの測定領域を検出すること
ができる。可変のパラメータを相応に適応させることによって、この測定領域を
任意に上方または下方に拡張ないしはずらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 リング状のコアを用いる本発明のセンサの概略図である。
【図２】 Ｅコアを用いるセンサである。
【図３】 Ｕコアを用いるセンサである。
【図４】 測定量Ｉと測定値Ｌの関係をグラフで示したものである。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直流電流の測定センサにおいて、 リング状に閉じられた磁界を形成する、所定の断面の軟磁性コア（Ｋ）を備え
    、該コアは磁気性の粉末複合材料を含むコア領域（ＫＢ）を有し、 該コア（Ｋ）の周囲に測定巻線（ＭＷ）を備え、 該コアを通過して案内されており、かつ測定すべき電流が流れる導体（ＳＬ）
    を備え、 該コアのインピーダンスまたはインダクタンスを前記測定巻線（ＭＷ）と接続
    された測定回路（ＡＥ）を用いて測定値として検出し、コアにおける所定の線形
    の関係に応じて該測定値を直流電流の強度に対応付ける装置を備えることを特徴
    とする、直流電流の測定センサ。
  2. 【請求項２】 磁気粉末複合材料はフェライトポリマ複合材料（ＦＰＣ）で
    ある、請求項１記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 前記コア（Ｋ）の形状は、該コアが閉じられた磁気回路を形
    成するように選定される、請求項１または２記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 前記コア（Ｋ）は前記コア領域（ＫＢ）を除いてフェライト
    から構成されている、請求項１から３のいずれか１項記載のセンサ。
  5. 【請求項５】 部分的または断面全体にわたり完全にＦＰＣで充填されてい
    る、２つまたはそれ以上のコア領域（ＫＢ）を前記コア（Ｋ）に有する、請求項
    １から４のいずれか１項記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 前記コア（Ｋ）は２つに折れるように構成されており、２つ
    の境界位置（Ｆ）はそれぞれ前記ＦＰＣを含むコア領域（ＫＢ）にある、請求項
    ５記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 前記コア（Ｋ）全体がＦＰＣから構成されている、請求項１
    から６のいずれか１項記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 ＦＰＣから成るコア領域（ＫＢ）を有するリング状に閉じら
    れた軟磁性コア（Ｋ）を通過して案内されている導線（ＳＬ）内の直流電流の測
    定方法において、 該コアのインピーダンスまたはインダクタンスを、該コアの周囲に巻かれた測
    定巻線（ＭＷ）を介して、該測定巻線（ＭＷ）と接続された測定回路（ＡＥ）を
    用いて測定値として検出し、直流電流の電流強度に対応付けることを特徴とする
    、直流電流の測定方法。
  9. 【請求項９】 比較的高い電流強度を測定するためにＦＰＣから構成される
    前記コア領域（ＫＢ）の割合を高め及び／又はコア材料の透磁率を下げる、請求
    項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 測定すべき電流をベース直流電流に重畳させ、測定値の変
    化から電流の極性を決定する、請求項８または９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記コア（Ｋ）の設計仕様、コアの材料選択及びＦＰＣ、
    またはＦＰＣから構成されたコア領域（ＫＢ）の相対的な割合を、測定すべき電
    流が測定値と電流強度との線形の関係の領域内にあるように選定する、請求項８
    から１０のいずれか１項記載の方法。
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