JP2004523909A - 電流検出器用変成器 - Google Patents

Abstract

軟磁性材料からなる閉磁路型プローブ鉄心（２）と、少なくとも一部がプローブ鉄心（２）に巻回されたプローブ巻線（３）と、軟磁性材料からなる閉磁路型補償鉄心（１）と、少なくとも一部がプローブ鉄心（２）及び補償鉄心（１）に巻回された補償巻線（４）とを備えた電流検出用変成器に関する。プローブ鉄心（２）及び補償鉄心（１）を相対的に、被測定電流を流す導体（５）がプローブ鉄心（２）及び補償鉄心（１）を貫通して案内されるように配置する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は電流検出器用変成器に関する。
【０００２】
変成器として、一般に一次導体に磁気的に結合され、電子検出回路に電気的に接続された磁気装置が考えられる。そのような構成で、一次導体を流れる電流を検出する電流検出器が形成される。その場合、直流電流及び交流電流の検出が同様にして可能である。
【０００３】
例えば空隙付の環状鉄心を備えた、所謂補償型電流検出器が知られている。鉄心は二次巻線（補償巻線）を備えている。一次導体、即ち被測定電流を流す導体は鉄心の中心を貫通して導かれる。鉄心の空隙には鉄心中の磁束を検知する磁気センサが設けられる。磁気センサの検知信号は、一次導体によって誘導される磁束が常に零に補償されるように増幅回路を経て二次巻線（補償巻線）に供給される。そのために必要な二次電流は被測定一次電流に厳密に比例する。直線状の一次導体の場合、比例係数は二次巻線（補償巻線）の巻数によって定まる。今日、磁気センサとしては、ホール効果の原理によって動作するセンサ、特にそれを含む集積回路が用いられる。この種のホール型センサの場合、空隙は絶対必要なものである。何故なら、磁気感度が相対的に低いからである。制御回路の十分な感度を保証するために、鉄心による磁界の収束も必要である。
【０００４】
ホール型センサはオフセットを示す欠点を持っている。これは、磁界が零の場合でも出力電圧が零からシフトすることを意味する。更にこのオフセットは顕著な温度依存性を持つ。このことは顕著な温度依存性を有する明白なオフセットに導くことになる。
【０００５】
更に、例えば欧州特許出願公開第０２９４５９０号明細書から、軟磁性型磁界センサを有する補償型電流センサが公知である。この解決策では、閉磁路型鉄心を用いる。鉄心と共に指示巻線を備えたアモルファス軟磁性材料からなる少なくとも一つの帯状素子が配置される。その場合、この素子が磁気センサとして用いられる。検出のために指示巻線を用いてパルス状に双極に磁化され、電流又は電圧振幅の非対称性が誤調整の検出及び評価のために利用される。この装置はホール型センサを有する装置に対して、センサのヒステリシスが非常に少ないという利点を示す。このことは補償型電流センサにおいて、オフセットを非常に小さいものとする。更にこの種のセンサの温度ドリフトは、多くの場合に無視できる程度であり、従ってオフセットも温度に対して安定している。
【０００６】
しかし最後に述べた装置は、磁気センサが一次導体の磁界、即ち空間磁界を検出するという欠点を持っている。鉄心による磁束集中は生じない。磁気センサでは帯状の素子を用いるので、センサの鉄心の実効パーミアンスは磁気回路の強度なシェールングのために比較的僅かである。これは全体として磁気センサの感度を低下する。しかし磁気センサの低い感度は制御回路の初段における増幅度を低下させ、その結果、関与する増幅器のオフセットが電流センサ全体のオフセットとして認識できるようにする。
【０００７】
この欠点を除去するために、欧州特許出願公開第０２９４５９０号明細書では鉄心に空隙を設けている。この空隙はセンサ設置箇所の磁束集中に役立ち、その結果装置全体を高感度にする。それによってこの装置の第１の欠点が除去される。
【０００８】
しかし、この装置の第２の欠点は一定の外部磁界に感応することにある。１個又は複数の磁気センサが、一次導体の磁界と補償巻線の磁界と同様に、外部磁界をも検出する。２つの磁気センサを用い、両磁気センサを逆極性に接続することで外部磁界を補償できる。しかし、それは外部磁界が完全に均等化された場合のことである。そのような磁界は事実上極めて稀にしか存在しない。何故なら、外部磁界が著しく非均質的な磁界を放射する、隣接した電流導体又は例えば変圧器から発せられるからである。
【０００９】
欧州特許出願公開第０２９４５９０号明細書に開示された装置の第３の欠点は、一次導体の位置に依存することである。この装置は、理想化された無限長の導体を、鉄心を貫通してその軸心に正確に配置することで初めて高度の正確性を発揮できる。複数のセンサを鉄心等に全く同様に配置できて初めて、二次電流と一次電流との間に厳密な比例性が得られる。例えば一次導体が鉄心の環状片上にループを形成している場合、その部分の鉄心には非常に大きな磁束が供給される。一方、センサの配置箇所のＨ磁界は一次導体の軸方向貫通構造におけるより明らかに少ない。その場合、センサは常に電流に一次比例する出力信号を発生するが、その勾配は最適設計におけるより大分少ないものであり、その測定範囲は鉄心の飽和効果のために相当狭い箇所に制限される。
【００１０】
これらの欠点は、他の従来技術による対策により補償される。その対策として、センサストリップの特殊な巻回（欧州特許出願公開第０５３８５７８号明細書等）、積層鉄心の特殊形状（欧州特許出願公開第０５１０３７６号明細書等）、湾曲鉄心の使用（独国特許出願公開第１９７２００１０．９号明細書等）、更には一次側と二次側との間の緊密結合（独国特許出願公開第１９７０５７７０．８号明細書等）を挙げることができる。
【００１１】
欧州特許出願公開第０２９４５９０号明細書に記載の装置から出発して、以下の考慮に対し単一の磁気センサが前提とされる。磁気センサの十分な感度を保証すべく空隙が備えられる。しかし磁気センサは鉄心の空隙内又は鉄心のポケット内に設けられる。そうすることで、一方では鉄心が遮蔽作用を果たすので外部磁界に対する感度が大幅に低減してしまう。他方では一次導体の位置の依存性が回避される。なぜなら、一次導体により鉄心内に誘導される磁束が夫々磁気センサを貫通せねばならないからである。従来技術による、低コストで製造可能な電流センサは、次のような特性によって特徴付けられる。
１．ホール型磁気センサを有する比較可能な電流センサよりオフセットが明白に少ない。 何故なら、磁気プローブはヒステリシスを持っていないからである。
２．外部磁界に対する感度が低い。
３．一次導体の配置に関する依存性が非常に少ない。
４．センサを非常に低コストで作れる。何故なら、鉄心が打ち抜き部分と湾曲部分の２つ の部分からなり、補償コイルが単純な箱型巻線からなっているからである。
【００１２】
しかし他方において、この種の実施形態は欠点にもつながる。即ち、磁気プローブは鉄心の空隙内に配置される。このため鉄心の残留磁気の影響を受けることになる。低コストで製作可能なニッケル／鉄材料からなる鉄心は、一方では残留磁束を外部制御なしでも導く所定の抗磁力を持っている。空隙内の鉄心の両端面は磁極面のように作用する。即ち、それは制御なしでも磁気プローブに影響を与える一定の磁界が存在することを意味する。これは電流センサをオフセットに導く。このオフセットは明らかにホール型磁気プローブを有する電流センサにおけるより少ない。しかし、それはある用途においては常に擾乱要素として現れる。一次電流に関してそれはほぼ５０〜１００ｍＡのオーダーにある。このようなオフセットは測定範囲を下方に制限することを意味する。何故なら、オフセットのオーダーにある電流を正確に検出することはもはやできないからである。
【００１３】
公知の装置の更なる欠点は、二次コイルが磁気プローブの範囲内で鉄心のセクタにのみ設けられるという事実から生じる。二次コイルの磁束はもっぱら鉄心を経て通流するばかりでなく、空間内に漏洩磁束としても漏洩する。この漏洩磁束は一次導体によって誘導される磁束の補償のための補償コイルの外部鉄心領域内には存在しない。そのため補償コイルの外部では、鉄心は一次電流の大きさに比例して制御される。所定の一次電流から鉄心の飽和磁束密度に達すると鉄心は部分的に飽和する。この点から電流センサの直線性は大きくくずれる。即ち、この飽和効果は電流センサの測定範囲の上限を規定する。
【００１４】
従って本発明の課題は、一方で上述の飽和問題を回避し、他方で極めて僅かなオフセットしか示さない電流センサを提供することである。
【００１５】
この課題は請求項１に記載の変成器によって解決される。本発明の更なる構成や構造は下位の請求項に示す。
【００１６】
本発明による変成器は、極めて大きな測定範囲を特徴とする。それにも係わらず、本発明の電流センサは小型であり、その構造的形態に伴い簡単かつ低コストにできる。この変成器は特にホール型磁気プローブを有する比較対象の電流センサより明らかに少ないオフセットしか示さない。なぜなら、磁気プローブはヒステリシスを持たないからである。更にこの変成器は外部磁界感度が低く、一次導体の姿勢に対する依存性も非常に少ない。最後に、このセンサは非常に低コストで作れる。何故なら、鉄心を打ち抜き部分と湾曲部分の２つの部分から構成し、補償コイルを単純な箱型巻線で形成できるからである。
【００１７】
このことは、詳細には、軟磁性材料からなる閉磁路型プローブ鉄心と、少なくとも一部がプローブ鉄心に巻回されるプローブ巻線と、軟磁性材料からなる閉磁路型補償鉄心と、少なくとも一部がプローブ鉄心及び補償鉄心に巻回された補償巻線とを備えた変成器によって達成される。その場合、プローブ鉄心及び補償鉄心は相対的に、被測定電流を流す導体がプローブ鉄心及び補償鉄心を貫通して案内され得るように配置する。プローブ巻線及び補償巻線の少なくとも一方はその一部又は全部が鉄心の全周にわたって巻回する。完全な巻回によって、対称で漏洩磁束の少ない磁界分布が達成される。
【００１８】
更にまた軟磁性材料として、特にプローブ鉄心において、更には補償鉄心又は両鉄心においても、アモルファス材料又はナノクリスタル材料を用いることができる。
【００１９】
好ましくは、プローブ鉄心及び補償鉄心は（丸い）環状鉄心として構成する。その際、プローブ鉄心と補償鉄心は同心配置する。更にプローブ鉄心は補償鉄心より相当小さい断面積を持つものとする。
【００２０】
本発明の更なる構成においては、第２の閉磁路型補償鉄心を設け、プローブ巻線は少なくとも一部をプローブ鉄心に巻回し、補償巻線は少なくとも一部をプローブ鉄心及び両補償鉄心に巻回する。その際、プローブ鉄心は特に両補償巻線間に配置する。かくして補償鉄心と補償巻線の最適遮蔽、それに伴い漏洩磁束からの更なる遮蔽を達成できる。
【００２１】
次に図面に示す実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２２】
図１の適用例では、本発明による変成器は閉磁路型補償鉄心１と閉磁路型プローブ鉄心２を備える。両鉄心は任意の閉磁路形態（正方形、長方形、長円形等）をとり得るが、好ましくは環状（円形）とする。その理由は、非常に簡単に作成でき、それに関連して最適な特性を備えるからでる。その場合、プローブ鉄心２は補償鉄心１より小さい直径とし、補償鉄心１の内側に配置する。同様にしてプローブ鉄心は補償鉄心の外側又は補償鉄心の上に配置することも可能であるが、プローブ鉄心２を外部漏洩磁界から遮蔽することとの関係で内側に配置するのが好ましい。
【００２３】
プローブ鉄心２の全周にわたりプローブ巻線３を巻回している。プローブ鉄心２の全周巻回は、装置の感度がプローブ鉄心２及びプローブ巻線３の位置に無関係になるという利点を持つ。更に同じ理由から補償鉄心１とプローブ鉄心２を取り囲んでそれらの全周にわたり巻回した補償巻線４を設ける。プローブ鉄心２の内側、即ち補償鉄心１の内側に、被測定一次電流を流す電流導体５が存在する。プローブ鉄心２及び補償鉄心１の閉磁路構成並びに特に両鉄心の特殊配置に伴い、被測定磁界、即ち被測定電流がプローブ鉄心２及び補償鉄心１の内側空間における電流導体５の位置に依存しないようにできる。
【００２４】
図１に実施例として概略的に示す評価検出回路は、対称段６とその出力側に配置した増幅段７を備える。対称段６の入力側はプローブ巻線３に接続している。プローブ鉄心２は対称段６を経て双極的に磁化される。電流又は電圧の時間的な推移の非対称性から対称段６に出力信号が生じ、それが増幅段７で増幅されて補償巻線４の制御に用いられる。
【００２５】
増幅段７の出力電流は、例えばアース電位１０に導く抵抗８を経て補償巻線４に供給される。制御状態において、この電流による磁界は補償鉄心１及びプローブ鉄心２内で一次電流導体５による磁束を補償する。その場合、増幅段７の出力電流、即ち抵抗８の電圧降下は一次電流導体５に流れる一次電流に比例する。
【００２６】
図２は、図１に示した本発明による変成器の構造を縦断面図で示す。同図から、補償鉄心１とプローブ鉄心２が異なる断面積を持つことが解る。補償鉄心１とプローブ鉄心２との間の空間には、プローブ巻線３の一部を設けている。更に補償鉄心１、プローブ鉄心２及びプローブ巻線３を取り囲んで、補償巻線４を巻回している。
【００２７】
本発明による変成器の他の実施例を、詳細な検出回路と共に図３に示す。図１の実施例に対し図３の変成器は、プローブ鉄心２の内側、即ち補償鉄心１の内側に第２の補償鉄心１１を配置した点で異なっている。第２の補償鉄心１１をプローブ鉄心２と電流導体５との間に配置している。他方、プローブ巻線２は図１の実施例と変わりが無く、補償巻線４はプローブ鉄心２、プローブ巻線３及び両補償鉄心１、１１を取り囲んで巻回している。
【００２８】
後続の検出回路は対称段１２とその出力側に接続されたパルス幅増幅器１３を備える。対称段１２は入力側がプローブ巻線３に接続されている。この対称段１２を経てプローブ鉄心２が双極的に磁化される。この対称段１２で電流又は電圧の時間的な推移の非対称性に応じて出力信号を生じ、該信号が次段のパルス幅増幅器１３を制御する。パルス幅増幅器１３の対称出力信号が２つの駆動段１４、１５、（対称）フィルタ段１６、及び抵抗１７の中間回路の下で補償巻線４の制御のために用いられる。ここでも制御状態において電流による磁界は補償鉄心１及びプローブ鉄心２内で一次電流導体５の磁束を補償する。その場合、パルス幅増幅器１３によって生じた出力電流、即ち抵抗１７の電圧降下は一次電流導体５に流れる一次電流に比例する。
【００２９】
対称段１２は、例えば対称入力部と対称出力部を有するシュミットトリガを備えることができる。その際、出力部はプローブ巻線の制御のために設ける。シュミットトリガの出力部によってプローブ巻線３に生じる電圧はプローブ巻線３に電流を生じさせるが、それは補償巻線４及び一次電流導体５により発生するプローブ鉄心２の付加的な磁束の影響を受ける。この電流はシュミットトリガの入力端で抵抗１８により検知される。その場合、対称段１２の出力端のパルス幅変調された信号がシュミットトリガの入力信号と出力信号との間、即ちプローブ巻線３の電流と電圧との間に非対称性を与える。このパルス幅信号はパルス幅増幅器１３によって検出される。そのためパルス幅増幅器１３は外部クロック信号源１９により分周器２０を経て同期化される。
【００３０】
最後に一次電流導体を流れる電流に比例する抵抗１７の電圧が差動増幅器２１によって取り出され、出力電圧又は電流として使用される。
【００３１】
図１の実施例ではプローブ鉄心２用の鉄心材料としてナノクリスタル材料を用いるのに対し、図２の実施例ではアモルファス材料を用いる（その逆もまた可）。それに対し補償鉄心４用の鉄心材料としては、両方の場合ともＮｉＦｅ材料を用いる。
【００３２】
図４は、図３の変成器の一部縦断面を示す。両補償鉄心１、１１はプローブ鉄心２をこれら３つの鉄心の放射方向において両側から挟み込んでいる。ここでプローブ鉄心２の断面積は両補償鉄心１、１１の各断面積より小さい。本実施例では、両補償鉄心１、１１は同一断面積を持つ。更にプローブ鉄心２の高さは両補償鉄心１、１１の高さより低い。
【００３３】
またプローブ巻線３は、両補償鉄心１、１１の高さと最大限等しくなるよう配置する。補償巻線４は補償鉄心１、１１、プローブ鉄心２及びプローブ巻線３を包囲して巻回される。右半分の断面は左半分の断面に等しいので、図は変成器のほぼ左半分のみを示す。
【００３４】
磁気プローブとして、図示の実施例ではアモルファス又はナノクリスタル材料からなる閉磁路型の、好ましくは環状の鉄心を用いている。この鉄心は、好ましくは鉄心全体を対称的に取り囲む巻線を備える。この巻線により、鉄心は周期的に、又はパルス状に双極的に磁化され、電流振幅又は電圧振幅の非対称性が誤平衡の検出のために利用される。
【００３５】
閉磁路型の、好ましくは環状の第２の補償鉄心１１は、プローブ鉄心２の平面内に好ましくはプローブ鉄心２に同心的に配置される。プローブ鉄心の巻線及び両鉄心には二次巻線が巻回される。一次電流導体５は両鉄心の開口を貫通して導かれる。評価検出回路によって補償巻線に、両鉄心内で各瞬時に一次電流導体の磁束を補償する電流が供給される。従って補償電流は一次電流に比例する。
【００３６】
図１又は３に示す実施例のような装置では、一次電流を補償電流の生成なしでも補償巻線を経て測定できる。一次電流が小さい場合、対応して設計した対称段を用い、制御信号を経て駆動段（増幅段）を高抵抗で接続すれば、殆どオフセットのない比例出力信号を得られる。従って、この電流検出器は電流測定範囲切り替えの可能性を提供する。
【００３７】
小電流の場合、対称段の大きなリニア増幅作用により、この対称段は出力信号を非常に正確に測定できる。一次電流が所定の閾値を超過した場合は、増幅段、例えば増幅段７を投入できる。その場合、検出器は補償型電流検出器として非常に大きな一次電流を測定する。このような電流検出器は極度に大きな動作範囲を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による変成器の第１の実施例を示す図である。
【図２】図１の変成器の縦断面図である。
【図３】本発明による変成器の第２の実施例を示す図である。
【図４】図３の変成器の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１、１１ 補償鉄心、２ プローブ鉄心、３ プローブ巻線、４ 補償巻線、５ 一次電流導体、６、１２ 対称段、７ 増幅段、８、１７、１８ 抵抗、１３ パルス幅増幅器、１４、１５ 駆動段、１６ フィルタ段、１９ 外部クロック信号源、２０ 分周器、２１ 差動増幅器

Claims (9)

1. 軟磁性材料からなる閉磁路型プローブ鉄心（２）と、
   少なくとも一部が前記プローブ鉄心（２）に巻回されたプローブ巻線（３）と、
   軟磁性材料からなる閉磁路型補償鉄心（１）と、
   少なくとも一部が前記プローブ鉄心（２）及び補償鉄心（１）に巻回された補償巻線（ ４）と、
   を備え、前記プローブ鉄心（２）及び補償鉄心（１）は相対的に、被測定電流を流す導体（５）が前記プローブ鉄心（２）及び補償鉄心（１）を貫通して案内されるように配置された電流検出器用変成器。
2. 前記プローブ巻線（３）が前記プローブ鉄心（２）の全周にわたって一様に巻回された請求項１記載の変成器。
3. 前記補償巻線（４）が前記プローブ鉄心（２）及び補償鉄心（１）の全周にわたって一様に巻回された請求項１又は２記載の変成器。
4. 前記プローブ鉄心（２）の軟磁性材料としてアモルファス材料が用いられた請求項１から３の１つに記載の変成器。
5. 前記プローブ鉄心（２）の軟磁性材料としてナノクリスタル材料が用いられた請求項１から３の１つに記載の変成器。
6. 前記プローブ鉄心（２）と補償鉄心（１）が環状鉄心として形成され、前記プローブ鉄心（２）と補償鉄心（１）が同心配置された請求項１から５の１つに記載の変成器。
7. 前記プローブ鉄心（２）が前記補償鉄心（１）より小さい断面積を持つ請求項１から６の１つに記載の変成器。
8. 第２の閉磁路型補償鉄心（１１）が設けられ、前記プローブ巻線（３）が少なくとも一部が前記プローブ鉄心（２）に巻回され、前記補償巻線（４）の少なくとも一部が前記プローブ鉄心（２）及び両補償鉄心（１、１１）に巻回された請求項１から７の１つに記載の変成器。
9. 前記プローブ鉄心（２）が前記両補償巻線（１、１１）間に配置された請求項８記載の変成器。