JP2008532012A - 環状コイル（ｍａｇｎｅｔｉｃｔｏｒｏｉｄ）を備える電流センサ - Google Patents

Abstract

磁性材料から形成される環状体の第１の部分において少なくとも１つの巻線を形成する一次導体を含む、第一次源内の電流を検知するための電流センサ。信号電流を与える第二次源が、環状体の第２の部分において複数の巻線を形成する。出力リーダが、複数の巻線の中に流れる信号の瞬時負荷を第一次源の電流の関数として測定する。好ましい環状体は、材料の飽和保磁力よりもはるかに大きなヒステリシス飽和点を有するアモルファス磁心磁性材料から形成され、第一次源の電流はＡＣ電流又はＤＣ電流である。そのデバイスは、信号を受信するための増幅器を備え、複数の巻線上にＡＣ電圧又は電流を加え、結果として生成される電圧瞬時負荷又は電流瞬時負荷を測定するための抵抗をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明は電流センサに関する。より詳細には、本発明は、環状コイルを用いるセンサに関し、一次導体がコイルとして環状体の中に巻き付けられ、測定されるべき電流を伝導するものである。

工業上の用途において多数の電流センサが用いられている。その例には、モータ制御、無停電電源装置、変速駆動装置、溶接電源装置等がある。これらの電流センサは、小型化され、コストが下がる傾向にある。多数の設計において、外部磁界が用いられており、たとえば、米国特許第３，４６１，３８７号は、２つ以上のコイルを使用しており、それは、電流ではなく、外部磁界を検出するデバイスである。飽和磁心を使用することが、米国特許第５，２３９，２６４号に示されており、飽和磁心を用いることによって、コイル内に界磁電流が生成される。米国特許第５，８３１，４３２号は、一対の磁気インピーダンス素子を用いて、地球磁場のような均一な妨害磁界を相殺する。

米国特許第５，９９４，８９９号では、アモルファスワイヤを用いることが提案されている。外部からかけられる磁界に変化があると、電圧の振幅が非対称に変更される。同じように非対称な磁気インピーダンスを使用することが、ＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ０２／０６１４４５号において示されており、それは電流漏れ検出器として用いられる。

米国特許出願公開第２００３／０００６７６５号は、開磁心上にあるセンサコイルを開示しており、精度が高く、小型であることを主張している。米国特許第６，５１２，３７０号も、開磁心上にあるコイルを使用する。

従来のホール効果センサ及びＭＲ電流センサでは、磁心を用いて、センサ上に磁束を集中させると共に、漂遊磁界を部分的に遮蔽する。これらのセンサはギャップを有するので、外部漂遊磁界を完全に遮蔽することはできない。

コイルの負荷を用いて電流を検知するとき、漂遊磁界、温度、部品偏差等で、インピーダンスの大きさが変化する。したがって、インピーダンスの絶対値を基にして電流センサを構成することは実用的ではない。

デバイスによっては、精度を改善するために、フィードバックを用いる必要がある。しかしながら、フィードバック信号を与えるためにコイルを追加する必要があるので、これは良い解決策ではない。

概ね１０ミリメートル角のフットプリントの非常に小さな空間しか占有しない、小型で、安価なセンサを開発することができれば、当該技術分野において利益になるであろう。
ＤＣ及びＡＣの両方の電流を検知することができるセンサを提供できれば、さらに利益になるであろう。

センサのコストを上げると共に嵩を増やすことなく、電流センサの中にフィードバックコイルを設けることができれば、当該技術分野において別の進歩になるであろう。
他の利点は、後に明らかになるであろう。

ここで、本発明の上記及び他の利点が以下のようにして得られることがことがわかっている。具体的には、本発明は、迅速な応答時間を有し、高精度の応答を有し、小型であり、低コストであり、他の重要な特性を有する電流検知デバイスを提供する。

最も簡単な形態では、本発明は、２つの巻線を有する環状磁心を備える。第１の巻線は、対象となる一次電流を含む。この一次電流は、ＤＣ又はＡＣにすることができる。第２の巻線は、インピーダンス又はアドミタンスのいずれかとしての、その瞬時負荷が、第１の電流又は一次電流に対応するか、又はその関数であるように応答するＡＣ信号を含む。通常、対象となる一次電流を得るために、１巻の巻線ループしか必要とされない。二次巻線は複数のループであり、少なくとも２０巻から成ることが好ましい。デバイスは、３０回、１００回及び４００回の巻線を用いて形成されている。巻線の実際の巻数は設計変数であり、コスト及び大きさの制約、並びに要求される感度及び応答時間の程度による。

環状体は、アモルファス磁心材料のような磁性材料から形成される。材料の飽和保磁力よりもはるかに高いヒステリシス飽和点を有する磁性材料が好ましい。１つのそのような材料は、Metglas社から市販されるＭｅｔｇｌａｓ（登録商標）２７１４である。その材料は、コバルト系の超高透磁率磁性合金である。少なくともいくつかの形態のパーマロイのような他の材料も有用である。

本発明のデバイスは、ＡＣ信号を受信し、そのＡＣ信号を複数の巻線上に加えるための増幅器を備える。抵抗が、第１の巻線内の一次電流を表す、その信号の瞬時負荷を測定する。一実施の形態では、その回路はＡＣ電圧を巻線に印加し、抵抗が、それによって生成された電流を読み取る。別の実施の形態では、その回路は巻線にＡＣ電流を加え、抵抗が、それによって生成された電圧を読み取る。

センサの出力は、０を中心にして、正又は負の一次電流に対して対称であり、その出力の大きさが、温度、周波数、漂遊磁界、製造偏差、及び部品偏差と共に変化することがあっても、この対称性は、これらの条件が変化しても一定である。

本発明をさらに完全に理解するために、図面が参照される。

本発明は、小電流測定デバイスにおいて大きな改善を提供する。具体的には、本発明のデバイスは、環状磁心の磁気特性が、磁心の周囲に何回も巻き付けられたワイヤに加えられる電流と共に変化する様式に基づいて動作する。一次電流、又は検知される電流と呼ばれる電流が加えられるとき、磁界が生成され、磁心の中に捕らえられるようになる。この磁界は、磁心を飽和させ始める。飽和することによって、磁心のＡＣ損及びインダクタンスが変化する。この磁心特性の変化は、磁心の周囲に巻き付けられた第２のコイルを調べるときに、インピーダンスの変化として検出される。

従来技術のホール効果センサ及びＭＲ電流センサでは、磁心を用いて、センサ上に磁束を集中させると共に、漂遊磁界を部分的に遮蔽する。本発明では、加えられる電流と共に、磁心内のインピーダンス、又は逆にアドミタンスがいかに変化するかを観察することによって、磁心そのものがセンサになり、結果として、コストが削減される。さらに、ホール効果センサ又はＭＲセンサの場合のギャップを用いることなく、外部漂遊磁界が完全に遮蔽される。さらに、ギャップを用いない環状体は、環状体内にギャップを切り取るための工程ステップを取り除くので、コストを削減し、工程を簡単にする。

本発明の好ましい実施形態は、図１において、全体として回路図１０として示される。ＡＣ信号１１が、抵抗Ｒ１７を通して導入され、増幅器ＬＴ１３５８によって受信され、その増幅器によって、コイル１５にＡＣ電圧１３が印加される。Ｒ３４は、増幅器Ｕ１６Ｂの電流ドライブを制限することによって、増幅器ＬＴ１３５８を保護するための役割を果たす。抵抗Ｒ３４は演算増幅器ループ内に配置され、コイル内のアドミタンスが大きく変化するときに、抵抗Ｒ３４によって負荷が支配されないようにする。

コイル１５は、環状磁心１７の周囲にある複数（図１では４００）の巻線であり、この例では、Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）２７１４のようなアモルファス磁性材料から形成される。他の材料は、パーマロイ、スーパーマロイ、及び透磁率が高く、飽和保磁力が低い業界標準の他の環状体材料を含む。磁心は、非常に低い飽和保持力及び高い透磁率を有する。そのヒステリシス飽和点は、可能な限り高く、その材料の飽和保磁力の１６倍よりも大きいことが好ましい。Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）の場合、この比は少なくとも１６：１か、それより大きく、それゆえ動作マージンを増やす。

また、上記磁心１７の周囲に１巻きされる一次電流１９は、環状磁心１７を通り抜けている。電流１９は測定に求められる電流である。本発明のセンサは、ＤＣ電流から、最大で２００Ｈｚ以上のＡＣ電流までの一次電流で動作することができる。図１では、磁心１７に電圧１３が印加されるのに応じて、アドミタンスが検知され、抵抗Ｒ３２内の電流２１が測定され、出力信号２３が生成される。約４０Ｈｚよりも高い周波数の場合、二次コイルが、巻数比（二次側の巻数を一次側の巻数で割った値）で割った一次側の電流をミラーリングする変圧器としての役割を果たすであろう。変圧器帯域幅は、その下限では約４０Ｈｚに制限され、その上限では磁性環状体材料によって制限される。Ｍｅｔｇｌａｓ材料は、２００ＭＨｚを超えて応答する。その２つの成分は、２００ＭＨｚ＋までの全てのＤＣ周波数応答を与える。

図２は、出力信号２３を示す。アドミタンスは、一次電流１９が０の場合に０である。曲線２５及び２７は、二次コイル１５の巻数がそれぞれ３０及び１００である例を表す。温度、漂遊磁界、部品偏差、周波数又は他の環境又は製造上の影響が変化する場合には、この曲線の大きさ又は数が変化することがあるが、その対称性はそのままである。曲線２５及び２７は、異なる絶対値を有するが、いずれも０を中心にして対称である。本発明は、有害な条件の場合であっても、この対称性が確かであることを利用して、これらの影響を受けにくいセンサを形成する。したがって、そのセンサは、低コストであることに加えて、非常に正確である。

図３、図４及び図５はそれぞれ、アドミタンスに基づくセンサ回路を示しており、入力信号１１は、増幅器ＴＬ１３５８に種々の方法で加えられるＡＣ電流であり、結果として、これらの図には示されないが、環状体内の電流が一次電流に対応する。同様に、図６及び図７はそれぞれ、インダクタに基づくセンサ回路を示しており、入力信号１２は、増幅器ＴＬ１３５８に印加されるＡＣ電圧である。ＬＴ１３５８は、一般的に用いられる増幅器の１つのモデルであり、動作にとって特に重要ではない。所望により、他の演算増幅器を代わりに用いることができる。その増幅器は、この電圧に比例する電流を二次コイルに加える。コイルの両端にかかる二次電圧が、一次電流に対応する。

本発明の特定の実施形態が例示及び説明されてきたが、添付の特許請求の範囲によって規定される場合を除いて、本発明を制限することは意図していない。

本発明の一実施形態を示す回路図である。 環状体上に２つの異なる巻線又は２つの異なる回数の二次巻線がある場合の図１のデバイスからの結果の典型的なグラフである。 本発明の別のアドミタンス形式の回路図である。 本発明の別のアドミタンス形式の回路図である。 本発明の別のアドミタンス形式の回路図である。 本発明の別のインピーダンス形式の回路図である。 本発明の別のインピーダンス形式の回路図である。

Claims (12)

1. 第一次源（a primary source）内の電流を検知するための電流センサデバイスであって、
   電流の第一次源であって、該一次源の電流を伝導する一次導体を含む、第一次源と、
   磁性材料から形成される環状体であって、前記一次導体は、該環状体の第１の部分において少なくとも１つの巻線を形成する、環状体と、
   信号からの電気的誘導（electrical stimulation）のための第二次源（a secondary source）であって、該第二次源は信号を伝導する二次導体を含み、該二次導体は前記環状体の第２の部分に複数の巻線を形成する、第二次源と、
   前記複数の巻線の中に流れる前記信号に対する、前記二次導体上の瞬時応答を、前記第一次源の電流の大きさ及び極性の関数として測定する出力リーダと
   を備える、第一次源内の電流を検知するための電流センサデバイス。
2. 前記環状体は対称な磁気特性及び電磁気特性を有するアモルファス磁心磁性材料から形成され、前記第一次源の電流はＡＣ電流又はＤＣ電流である、請求項１に記載の第一次源内の電流を検知するための電流センサデバイス。
3. 前記アモルファス磁心磁性材料は、前記材料の飽和保磁力よりもはるかに大きなヒステリシス飽和点を有する、請求項２に記載の第一次源内の電流を検知するための電流センサデバイス。
4. 前記複数の巻線は少なくとも２０である、請求項１に記載の第一次源内の電流を検知するための電流センサデバイス。
5. 前記信号を受信するための増幅器をさらに備え、前記増幅器は前記複数の巻線上にＡＣ電圧を印加するようになっており、前記デバイスは、結果として生成される電流瞬時負荷を測定するための抵抗をさらに備える、請求項１に記載の第一次源内の電流を検知するための電流センサデバイス。
6. 前記信号を受信するための増幅器をさらに備え、前記増幅器は前記複数の巻線上にＡＣ電流を印加するように構成され、前記デバイスはさらに、結果として生成される電圧瞬時負荷を測定すると共に示す、請求項１に記載の第一次源内の電流を検知するための電流センサデバイス。
7. 第一次源内の電流を検知する方法であって、
   磁性材料から形成される環状体の第１の部分に少なくとも１つの巻線を形成することによって、前記第一次源の電流を伝導する一次導体から、該第一次源の電流を流すこと、
   信号からの電気的誘導のための第二次源の信号を前記環状体の第２の部分にある複数の巻線の中に流すこと、及び
   前記複数の巻線の中に流れる前記信号に対する、二次導体上の瞬時応答を、前記第一次源の電流の大きさ及び極性の関数として測定すること
   を含む、第一次源内の電流を検知する方法。
8. 前記環状体は対称な磁気特性及び電磁気特性を有するアモルファス磁心磁性材料から形成され、前記第一次源の電流はＡＣ電流又はＤＣ電流である、請求項７に記載の第一次源内の電流を検知する方法。
9. 前記アモルファス磁心磁性材料は、前記材料の飽和保磁力よりもはるかに大きなヒステリシス飽和点を有する、請求項８に記載の第一次源内の電流を検知する方法。
10. 前記複数の巻線は少なくとも２０である、請求項７に記載の第一次源内の電流を検知する方法。
11. 前記信号は増幅され、前記複数の巻線上にＡＣ電圧を加え、結果として生成される電流瞬時負荷が抵抗において測定される、請求項７に記載の第一次源内の電流を検知する方法。
12. 前記信号は増幅され、前記複数の巻線上にＡＣ電流を加え、結果として生成される電圧瞬時負荷が抵抗において測定される、請求項７に記載の第一次源内の電流を検知する方法。

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