JP2006047111A

JP2006047111A - 電流計測用シャント

Info

Publication number: JP2006047111A
Application number: JP2004228390A
Authority: JP
Inventors: Shigemi Kinoshita; 茂己木下
Original assignee: CLT KK
Current assignee: CLT KK
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】直流電流及び交流電流を測定するシャントであって、高周波であっても電流測定が可能で、過渡応答性のよい電流計測用シャントを提供する。
【解決手段】同一長さ、同一線径の細い素線１１を複数並列に接続し、並列に接続された素線１１の一つに電流センサー１５が設けられ、更に、各素線１１は絶縁導線であって、途中で折り返され、かつ縒られている。素線１１は通常はエナメル銅線等の絶縁導線であって、電気抵抗の小さい材料によって構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流領域の他、高周波の交流でも（即ち、広帯域で）電流を測定可能な電流計測用シャントに関する。

電流を測定する器具としてシャント（分流器）が知られているが、一般的なシャントは、熱に対して電気抵抗が変化しにくい板状金属の両端に端子を設け、両端子から電流を流してその両端の電圧降下から電流を測定する器具（シャント）が使用されている。
また、例えば、特許文献１に記載するように内外に円筒状の筒状導体を備えた電流測定用同軸シャントも知られている。

特開２００３−３１５３７１号公報（図１、図３、図４）

しかしながら、前記した板状のシャントを用いて高周波電流を測定すると、表皮効果によって板状金属の表面側に電流が集中して流れ、更に、自身のインダクタンスのために、導体インピーダンスが大きくなり、高周波領域では測定が困難となり、更には直流領域で測定しても過渡応答性が悪いという問題があった。
一方、特許文献１に記載の同軸シャントは、内外の円筒体を流れる電流の方向が逆になっているので、発生する磁束が打ち消し合い、この結果インダクタンスは小さいが、周波数が高くなることによって発生する表皮効果をキャンセルすることはできず、測定精度が十分でないという問題があった。

更には、従来のシャントは端子間の電圧降下を測定するので、導体の抵抗によって電圧降下が異なり、測定結果に大きな影響があるという問題があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、高周波であっても電流測定が可能で、過渡応答性のよい電流計測用シャントを提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る電流計測用シャントは、同一長さ、同一線径の細い素線を複数並列に接続している。各素線は細い導体からなっているので、表皮効果の発生を防止している。そして、各素線は同一長さ、同一直径であるので、各素線を流れる電流は素線の数をｎとすると、１／ｎとなる。そこで、一本の素線を流れる電流Ｐ（アンペア）を測定すると、この電流計測用シャントを流れる電流は、Ｐ×ｎとして求めることができる。
ここで、素線の電流を測定する機器としては、例えば、磁気センサーや電流変流器（ＣＴ）等があるが、素線を通過する電流を測定できるものであれば、直接電流を測定するものの他、間接的に通過する電流を測定するものであっても適用可能である。

また、本発明に係る電流計測用シャントにおいて、各素線は絶縁導線であって、途中で折り返され、更に折り返された素線は縒られているのが好ましい。これによって、素線によって発生するインダクタンスがキャンセルされ、高周波領域でも一定したインピーダンスを有することになる。
更に、本発明に係る電流計測用シャントにおいて、各素線は、電気抵抗の小さい材料によって構成されているのが、電気回路の消費電力を少なくし、更にこの電流計測用シャントの発熱を防止するのに好ましい。なお、各素線の温度上昇があっても、各素線の温度が同一温度で上昇するので、電流測定時の誤差は極めて少ない。

そして、本発明の電流計測用シャントにおいて、各素線は、温度変化に対する電気抵抗変化の小さい材料によって構成されているものであってもよい。この場合、この電流計測用シャントを通常のシャントと同じように電圧降下から電流を測定するようにすることもできる。

本発明に係る電流計測用シャントは以上の説明からも明らかなように、同一長さ、同一線径の細い素線を複数並列に接続しているので、表皮効果が減少し、高周波電流の測定精度及び過渡電流応答性を向上させることができる。
そして、各素線を折り返して捩じることによって回路のインダクタンスもキャンセルできるので、更に精度よく過渡電流及び高周波電流を測定できる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の第１の実施の形態に係る電流計測用シャントの斜視図、図２は本発明の第２の実施の形態に係る電流計測用シャントの斜視図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る電流計測用シャント１０は、同一長さかつ同一線径の複数の素線１１と、各素線１１の両端が纏めて接続される接続端子１２、１３とを有している。素線１１の本数は２本以上であれば何本であってもよいが、素線１１の直径をより細くする意味から多数本（例えば、１０〜１００本程度）であるのがよい。
また、素線１１の直径は細い程好ましく、この実施の形態では、０．１〜１ｍｍの間で選択されるが、本発明においては、素線の断面形状（例えば、断面矩形、断面円形）、その直径、その断面積、その本数によって限定されるものではない。また、この実施の形態では、素線１１として表面にエナメルの絶縁皮膜を有するエナメル銅線（絶縁導線の一例）を使用したが、他の絶縁被覆線であってもよい。

図１に示す電流計測用シャント１０においては、素線１１は全長が１５〜４５ｃｍ（より好ましくは、２０〜４０ｃｍ）であって、中央で２つに折り返され、１〜４回／ｃｍ（好ましくは１．５〜３回／ｃｍ）の割合で縒られている（即ち、捩じられている）。そして、捩じられたこの素線１１の両端部の絶縁皮膜を剥がして、それぞれの素線１１が並列に接続されるように、接続端子（圧着端子）１２、１３に接続されている。
そして、各素線１１の折り返された部分には小さい折り曲げ空間１４が形成され、ここを跨ぐように電流センサー１５が設けられている。電流センサー１５はコイルを用いる小型の電流変成器、ホール素子を利用したホール素子センサー、又は半導体磁気抵抗素子等を利用したセンサー等があるが、電流を直接又は間接的に測定できるものであれば、その他のセンサーであってもよい。ただし、各素子１１のバランスを崩さないようにするために、出来るだけ小型であるのがよい。

なお、電流センサー１５は、必ずしも素線１１の折り返された折り曲げ空間１４を利用して取付ける必要はなく、素線１１の任意の所でよい。電流センサー１５は一つの素線１１に取付ければ十分であるが、複数の素線１１に取付けてもよい。一つの素線１１に電流センサー１５を取付けた場合には、測定された電流をＰとし、素線１１の数をｎとすると、実際に電流計測用シャント１０に流れる電流はｎＰとなる。なお、ｍ個の素線１１に電流センサーを取付けた場合には、各電流センサーの測定電流の合計をＱ（アンペア）とすると、Ｑ×ｎ／ｍとなる。

続いて、この電流計測用シャント１０の使用方法について説明すると、接続端子１２、１３を測定しようとする回路に直列に接続する。この実施の形態では、電流センサー１５は一つで素線１１の数はｎであるので、前述のように、電流センサー１５で測定された電流値Ｐをｎ倍することによって、実際の電流が測定できる。長時間使用すると、電流計測用シャント１０の各素線１０に電流が流れるので徐々に発熱し温度上昇するが、この場合、各素線１１は同一温度になるので、各素線１１のインピーダンスは同一となり、結果として、シャントを通過する電流の１／ｎに相当する電流が各素線１１に流れる。従って、従来のシャントと異なり、温度上昇によって影響されにくいことが分かる。

なお、従来のシャントと同様に、電流センサー１５を用いず、接続端子１２、１３間の電圧Ｖを測定して、電流計測用シャント１０の全体の抵抗Ｒから電流を求める方法もある。この場合、素線１１の温度上昇によって測定値がばらつくので、素線１１の温度を測定し、測定温度による素線１１の抵抗を予め計算又は測定しておき、実際の抵抗（Ｒ）と電圧（Ｖ）から、流れている電流を測定することもできる。この場合、素線１１はできる限り温度変化に対して抵抗が変化しない材料でかつ電気抵抗の小さい材料を使用するのがよい。なお、図１において符号１５ａ、１５ｂは電流センサー１５の出力端子線を示し、図示しない制御部に接続されて素線１１を通過する電流を測定できるようになっている。

続いて、図２に示す本発明の第２の実施の形態に係る電流計測用シャント１８について説明するが、第１の実施の形態に係る電流計測用シャント１０と同一の構成要素については同一の番号を付してその詳しい説明を省略する。
図２に示すように、第２の実施の形態に係る電流計測用シャント１８は、複数の素線１１と、各素線１１の端部がそれぞれ接続される接続端子１９、２０とを有している。接続端子１９、２０は長板状となって、長さ方向中央側の一部に突出して端子部２１、２２がそれぞれ設けられている。端子部２１、２２は貫通孔２３、２４がそれぞれ設けられ、図示しないボルト及びナットによって測定しようとする回路にこの電流計測用シャント１８が直列に接続できる構造となっている。なお、この実施の形態では接続端子１９、２０にそれぞれ設けた端子部２１、２２はそれぞれ１つであるが、接続端子が長くなる場合には、それぞれ複数の端子部を設けるのが好ましい。また、素線１１の端部と接続端子１９、２０の接続は、例えば鑞付け又は溶接等、正確かつ確実に固定するものを採用するのがよい。また、縒り線の終端部から別れて接続端子１９、２０に接続される部分はできるだけ短いのが好ましく、１ｃｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下とするのがよい。

折り返されて捩じられた素線１１の上端部には折り曲げ空間１４が形成され、この部分に電流センサー１５が設けられている。実際に測定しようとする回路に端子部２１、２２を接続して、電流センサー１５で電流を測定して電流がＧアンペアとし、素線１１の数がｎであるとすると、回路電流はｎＧアンペアとなる。
この実施の形態において、折り返し空間１４が一定の面積を有するが、インダクタンスが形成されるので、できる限り折り返し空間１４は小面積とするのがよい。

続いて、本発明の作用及び効果を確認するために行った実施例について説明する。
図３に示すように、従来のシャント及び本発明のシャントについて、周波数とそのインピーダンス（実際には同一電流を流した場合の両端の電圧）の関係を示す。図３のａには従来のシャントと同じく平面状の銅板をシャントとして使用すると、その周波数特性は数百Ｈｚのところから悪くなる。これは表皮効果と自己インダクタンスの影響と思われる。また、この銅板を２つ折りにすると、図３のｂに示す通りとなり多少周波数特性が改善される。図３のｃは、直径が０．５ｍｍでエナメル銅線（素線の一例）を中央で折り返して１．５回／ｃｍで縒ったもの（即ち、捩じったもの）で折り返し長さが２０ｃｍのものを４８本用意し、図２に示すように接続端子１９、２０に半田付けしたものであるが、１０ｋＨｚ程度でも表皮効果及び自己インダクタンスによるインピーダンスの上昇は殆ど無いことが分かる。従って、図３のｃに示す構成のシャントは、高周波特性及び過渡応答性がよいことになる。

図４（ａ）〜（ｃ）は、更に、折り返しかつ縒った素線を使用することを前提として、素線の直径、折り返し長さ、及び縒り程度によって、シャントの特性（周波数とインピーダンス）がどのように変わるかを調べたものである。なお、素線として全てエナメル被覆導線を用いた。
図４（ａ）のｄは、素線の直径０．８ｍｍ、折り返し長さ１５ｃｍ、縒り回数２回／ｃｍであり、図４（ａ）のｅは素線の直径０．６ｍｍ、折り返し長さ１５ｃｍ、縒り回数２回／ｃｍであり、素線の直径が小さい程周波数特性がよいことが分かる。この理由は、素線の直径が小さい程表皮効果の程度が少ないと考えられるからである。また、図４（ａ）のｆは、素線の直径０．６ｍｍ、折り返し長さ１５ｃｍ、縒り回数１．５回／ｃｍである。ｅとｆを比較すると使用できる領域では殆ど差がない。

図４（ｂ）のｇは、素線の直径０．６ｍｍ、折り返し長さ２０ｃｍ、縒り回数２回／ｃｍで、素線の折り返し長さを長くした場合を示し、また、図４（ｃ）のｈは素線の直径０．６ｍｍ、折り返し長さ１０ｃｍ、縒り回数１．５回／ｃｍで、図４（ｃ）のｉは素線の直径０．５ｍｍ、折り返し長さ１０ｃｍ、縒り回数１．５回／ｃｍの場合を示すが、ｇ及びｈは殆ど変わらない、また、素線の直径が小さい程よいことが分かる。
従って、以上の結果から、素線の直径は細い程、縒り回数は１〜４回／ｃｍの範囲では特性に大きな相違がないこと、素線の折り返し長さは周波数特性に大きな影響はないことになるが、通常は７．５〜２０ｃｍの範囲で使用するとコンパクトに納まることが分かる。素線の並列数は素線の直径に対する発熱を考慮した許容電流（通常は、１〜３アンペア／ｍｍ² ）で、測定最大電流に合わせてその本数を決定することになる。

以上の実施の形態及び実施例において、本発明を数字及び形状を用いて具体的に説明したが、本発明はこれらの数字や形状には限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲での改良例又は変形例であっても本発明は適用される。即ち、高周波に対しては表皮効果の影響が大きいので、各素線の断面積を小さくし、複数の分割した素線によってシャントを構成する場合、各素線が更に直径の細い絶縁電線の縒り線である場合であってもよい。
また、各素線は共通のケースに入れて又は樹脂封止して使用するのが好ましくは、これによって温度上昇も均一になり、より精度が向上する。

本発明の電流計測用シャントによって、直流を含めて高周波交流の電流が測定でき、過渡応答性のよいシャントを提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る電流計測用シャントの斜視図である。本発明の第２の実施の形態に係る電流計測用シャントの斜視図である。本発明の作用効果を確認するために行った各シャントの周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。（ａ）〜（ｃ）は本発明の作用効果を確認するために行った実施例であって、各状態の素線の周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１０：電流計測用シャント、１１：素線、１２、１３：接続端子、１４：折り曲げ空間、１５：電流センサー、１５ａ、１５ｂ：出力端子線、１８：電流計測用シャント、１９、２０：接続端子、２１、２２：端子部、２３、２４：貫通孔

Claims

同一長さ、同一線径の細い素線を複数並列に接続したことを特徴とする電流計測用シャント。
請求項１記載の電流計測用シャントにおいて、並列に接続された前記素線の一つに電流センサーが設けられていることを特徴とする電流計測用シャント。
請求項１及び２のいずれか１項に記載の電流計測用シャントにおいて、前記各素線は絶縁導線であって、途中で折り返され、更に折り返された前記素線は縒られていることを特徴とする電流計測用シャント。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流計測用シャントにおいて、前記各素線は、電気抵抗の小さい材料によって構成されていることを特徴とする電流計測用シャント。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流計測用シャントにおいて、前記各素線は、温度変化に対する電気抵抗変化の小さい材料によって構成されていることを特徴とする電流計測用シャント。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電流計測用シャントにおいて、対となる接続端子を備え、前記各素線の両端は、それぞれ前記対となる接続端子に共通に接続されていることを特徴とする電流計測用シャント。