JP2009058451A - 電流センサ用磁気コアおよびこれを用いた電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、電流センサに用いる磁気コアの性質は、飽和磁束密度が大きく、かつ、磁性体内に生じる磁束の起磁界の変化に対する線形性の良いことが望まれている。
【解決手段】 電流センサ用磁気コア１１は、被測定電流線１２を囲んで曲げられて、両端部間にエアギャップ１３が形成されている。この磁性体１１は、線形性は高いが、飽和磁束密度が小さいＰＣ材からなる第１の磁性体１１ａと、線形性は低いが飽和磁束密度は大きいＰＢ材からなる第２の磁性体１１ｂとが重ね合わされて構成されている。従って、磁気コア１１は、第１の磁性体１１ａが有する線形性の高い特性、および第２の磁性体１１ｂが有する飽和磁束密度が大きい特性を呈するようになる。このため、線形性が高く、しかも飽和磁束密度が高い電流センサ用磁気コア１１およびこれを用いた電流センサ１０が提供される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定電流線を流れる電流を検出するための電流センサ用磁気コアおよびこれを用いた電流センサに関するものである。

従来、この種の電流センサ用磁気コアおよびこれを用いた電流センサとしては、特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１に開示された電流センサは、コの字形をした磁気コア、この磁気コアの平行な一対の脚部の間のギャップ内に配置されたホール効果センサ、および測定する電流が流れる電導体から構成される。

磁気コアは、電導体を通る電流によってその内部に磁束が誘導される。誘導された磁束はホール効果センサによって検出され、磁束に比例した大きさを有する出力信号をホール効果センサが発生することにより、電導体を流れる電流が計測される。

磁気コアの材料としては、一般に、フェイライト、鋼、鉄成分およびパーマロイ等があり、これらの材料から、磁気コアに必要な飽和磁束密度等の物理的要因に基づいて選択される。
特表２００６−５００５６１号公報

しかしながら、飽和磁束密度が大きい磁気コア材料を電流センサを構成する磁気コアの材料として選択した場合、電流センサによって測定することが出来る最大の電流値は大きくなるが、線形性は良くなく、電導体を流れる電流に正比例した出力信号が得られない。また、線形性が良い磁気コア材料を電流センサを構成する磁気コアの材料として選択した場合、線形性は良くなるが、磁気コアの飽和磁束密度が小さいため、電流センサによって測定することが出来る最大の電流値は小さくなる。

従って、飽和磁束密度が大きく、かつ線形性の良い性質を呈する磁気コアが望まれる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
被測定電流線を囲んで曲げられて両端部間にエアギャップが形成された磁性体から構成される電流センサ用磁気コアにおいて、磁性体は、被測定電流線を流れる電流が起こす起磁界によって磁性体内に生じる磁束の、起磁界の変化に対する線形性は高いが、起磁界によって磁性体内に生じる磁束の、起磁界の増加に対する飽和値が小さい第１の磁性体と、線形性は低いが飽和値は大きい第２の磁性体とが少なくとも重ね合わされて構成されていることを特徴とする。

本構成によれば、電流センサ用磁気コアは、第１の磁性体が有する、磁性体内に生じる磁束の起磁界の変化に対する線形性が高く、第２の磁性体が有する、磁性体内に生じる磁束の起磁界の増加に対する飽和値が大きい特性を呈するようになる。このため、線形性が高く、しかも飽和値が高い電流センサ用磁気コアが提供される。

また、本発明は、磁性体が、第１の磁性体が外側に、第２の磁性体が内側に重ね合わされて構成されており、第１の磁性体の両端部間に形成されるエアギャップの長さが第２の磁性体の両端部間に形成されるエアギャップの長さより長いことを特徴とする。

本構成によれば、飽和値が小さい第１の磁性体の両端部間に形成されたエアギャップの長さが長く構成されているため、エアギャップにおける磁気抵抗は高くなる。従って、第１の磁性体内に生じる磁束は小さくなって、この磁束の起磁界の増加に対する飽和値は大きくなる。このため、線形性の高い第１の磁性体は飽和値も大きくなり、この第１の磁性体に、飽和値の大きい第２の磁性体が重ね合わされて構成される磁気コアは、飽和値がより大きく、しかも線形性が高いものとなる。

また、本発明は、第１の磁性体がニッケル含有量が多いパーマロイ、第２の磁性体がニッケル含有量が少ないパーマロイであることを特徴とする。

本構成によれば、電流センサ用磁気コアは、ニッケル含有量の多いパーマロイ、例えばＪＩＳ(日本工業規格)で規定されるニッケル含有量が７０％〜８５％のＰＣ材からなる第１の磁性体と、ニッケル含有量の少ないパーマロイ、例えばＪＩＳで規定されるニッケル含有量が４１％〜５１％のＰＢ材からなる第２の磁性体とが、重ね合わされて構成される。

また、本発明は、上記のいずれかの電流センサ用磁気コアと、磁性体の両端部間に形成されたエアギャップに設置され、磁性体内に生じる磁束を検出する磁気センサとから、この磁気センサの検出出力から被測定電流線を流れる電流を検出する電流センサを構成した。

本構成によれば、線形性が高く、しかも飽和値の大きい電流センサ用磁気コアが用いられて電流センサが構成されるため、磁気センサの検出出力から計測される電流は被測定電流線を流れる電流の変化に対して高い線形性を示し、また、被測定電流線を流れる電流が増加することによって磁気センサの検出出力から計測される電流が飽和するまでの値は、大きくなる。この結果、精度よく、しかも、被測定電流線を流れる広い範囲の電流を測定することが可能な電流センサが提供される。

本発明によれば、上記のように、線形性が高く、しかも飽和値が高い電流センサ用磁気コアが提供される。また、本発明によれば、上記のように、精度よく、しかも、被測定電流線を流れる広い範囲の電流を測定することが可能な電流センサが提供される。

次に、本発明の最良の実施の形態による電流センサ用磁気コアおよび電流センサについて説明する。

図１および図２は、この最良の実施の形態による磁気コア１１、およびこれを用いた電流センサ１０の構成の概略を示す斜視図および側面図である。

電流センサ１０は、磁気コア１１とホール素子１４とから構成される。磁気コア１１は、被測定電流線１２を囲んでコの字形に曲げられて、両端部間にエアギャップ１３が形成された第１の磁性体１１ａおよび第２の磁性体１１ｂから構成される。また、ホール素子１４は、磁気コア１１の両端部間に形成されたエアギャップ１３に設置された、磁気コア１１内に生じる磁束を検出する磁気センサを構成している。電流センサ１０は、このホール素子１４の検出出力から被測定電流線１２を流れる電流を計測する。

磁気コア１１は、第１の磁性体１１ａが外側に、第２の磁性体１１ｂが内側に重ね合わされて構成されている。また、磁気コア１１は、第１の磁性体１１ａの両端部間に形成されるエアギャップ１３の長さＡが、第２の磁性体１１ｂの両端部間に形成されるエアギャップ１３の長さＢより長く構成されている。第１の磁性体１１ａは、ニッケル含有量が７０％〜８５％でニッケル含有量が多いＰＣ材のパーマロイからなり、被測定電流線１２を流れる電流が起こす起磁界によってその磁性体内に生じる磁束の、起磁界の変化に対する線形性は高いが、起磁界によってその磁性体内に生じる磁束の、起磁界の増加に対する飽和値（飽和磁束密度）が小さい。また、第２の磁性体１１ｂは、ニッケル含有量が４１％〜５１％でニッケル含有量が少ないＰＢ材のパーマロイからなり、線形性は低いが飽和磁束密度は大きい。ＰＣ材のパーマロイの初透磁率は約６万、最大透磁率は約１８万、飽和磁束密度は約０．６５［Ｔ］であり、ＰＢ材のパーマロイの初透磁率は約４千５百、最大透磁率は約４万５千、飽和磁束密度は約１．５０［Ｔ］である。

次に、上述した構成を持つ本実施形態による電流センサ用磁気コア１１、およびこれを用いた電流センサ１０の動作について説明する。

被測定電流線１２に電流が流れると、被測定電流線１２の周りに起磁界が発生し、この起磁界により、磁気コア１１内に磁束が誘導されて発生する。この磁束はエアギャップ１３に配置されたホール素子１４によって検出され、ホール素子１４は、この磁束に比例した電圧を出力する。ホール素子１４に接続されている図示しない電気回路は、ホール素子１４の出力電圧に基づいて、被測定電流線１２を流れる電流の値を計測する。

このような本実施形態による磁気コア１１および電流センサ１０によれば、磁気コア１１は、第１の磁性体１１ａが有する、磁性体内に生じる磁束の起磁界の変化に対する線形性が高く、第２の磁性体１１ｂが有する、磁性体内に生じる磁束の起磁界の増加に対する飽和磁束密度が大きい特性を呈するようになる。このため、線形性が高く、しかも飽和磁束密度が大きい電流センサ用磁気コア１１が提供される。

また、本実施形態では、飽和磁束密度が小さい第１の磁性体１１ａの両端部間に形成されたエアギャップ１３の長さＡが長く構成されているため、エアギャップ１３における磁気抵抗は高くなる。従って、第１の磁性体１１ａ内に生じる磁束は小さくなって、この磁束の起磁界の増加に対する飽和磁束密度は大きくなる。このため、線形性の高い第１の磁性体１１ａは飽和磁束密度も大きくなり、この第１の磁性体１１ａに、飽和磁束密度の大きい第２の磁性体１１ｂが重ね合わされて構成される磁気コア１１は、飽和磁束密度がより大きく、しかも線形性が高いものとなる。

また、本実施形態では、線形性が高く、しかも飽和磁密度の大きい磁気コア１１が用いられて電流センサ１０が構成されるため、磁気センサ１４の検出出力から計測される電流は被測定電流線１２を流れる電流の変化に対して高い線形性を示し、また、被測定電流線１２を流れる電流が増加することによって磁気センサ１４の検出出力から計測される電流が飽和するまでの値は、大きくなる。この結果、精度よく、しかも、被測定電流線１２を流れる広い範囲の電流を測定することが可能な電流センサ１０が提供される。

なお、上記実施形態では、磁気コア１１が、ニッケル含有量の多いＰＣ材からなる第１の磁性体１１ａ、およびニッケル含有量の少ないＰＢ材からなる第２の磁性体１１ｂから構成される場合について説明した。しかし、ＪＩＳで規定される、ＰＣ材およびＰＢ材以外の様々なニッケル含有量のＰＣＳ材、ＰＤ材およびＰＥ材のパーマロイを用いて、ニッケル含有量の多いパーマロイからなる第１の磁性体と、ニッケル含有量の少ないパーマロイからなる第２の磁性体とから、磁気コアを構成してもよい。

また、上記実施形態では、磁気コア１１の形状がコの字形であった場合について説明したが、Ｕ字状等や他の形状であってもよい。

また、上記実施形態では、磁気コア１１が第１の磁性体１１ａと第２の磁性体１１ｂの２層からなる場合について説明したが、必ずしも、これらの２層である必要はなく、少なくともこれらの２層を含んでいればよい。

また、上記実施形態では、磁気コア１１の両端部間に形成されたエアギャップ１３に設置する磁気センサとしてホール素子１４を用いた場合について説明した。しかし、磁気抵抗素子や、異方性磁気抵抗(ＡＭＲ)、巨大磁気抵抗(ＧＭＲ)などを磁気センサとして用いることもできる。

上記のいずれの構成によっても、上記実施形態と同様な作用・効果が奏される。

上記実施形態の電流センサ１０は、電流計測が必要となる電子式電力量計や、電子式電力計、電子式電流計などに利用することが可能である。例えば、電流センサ１０を２５０Ａ計測用の電子式電力量計に用いた場合、定格の２％〜１００％の範囲、つまり５[Ａ]〜２５０[Ａ]の範囲で精度を保証する必要がある。

この場合、電流センサ１０の検出電流の飽和値を大きくするため、線形性は高いが飽和磁束密度が小さいＰＣ材のパーマロイを磁気コアの外側と内側で２層に構成することが考えられる。しかし、この構成の場合、被測定電流線１２を流れる電流と、電流センサ１０が計測した電流との間の精度保証範囲におけるリニアリティは０.４％程度、電子式電力量計によって測定することが出来る最大の電流値(飽和電流値)は２７０[Ａ]程度であった。ここで、リニアリティとは、精度保証範囲における計測電流の非線形最大誤差分、つまり、線形性を示す値からの最大ずれ分を百分率で表したもの(非線形最大誤差/真電流値×100)である。従って、計測電流の直線性は良いが、飽和電流値は十分でない。

また、線形性は低いが飽和磁束密度が大きいＰＢ材のパーマロイを１層で磁気コアを構成することも考えられる。しかし、この構成の場合、上記構成と同じ２７０[Ａ]程度の飽和電流値が得られるが、リニアリティは０.８％程度と劣った。

一方、本実施形態において説明した、ＰＣ材のパーマロイからなる第１の磁性体１１ａが外側に、ＰＢ材のパーマロイからなる第２の磁性体１１ｂが内側に重ね合わされた磁気コア１１を用いた場合、リニアリティは０.４％程度、飽和電流値は３００[Ａ]程度となった。つまり、磁気コア１１は、計測電流の線形性が高い第１の磁性体１１ａの特性、および飽和磁束密度の大きい第２の磁性体１１ｂの特性を合わせ持つようになった。

本発明の最良の実施形態による電流センサ用磁気コアおよび電流センサの構成の概略を示す斜視図である。 図１に示す電流センサ用磁気コアおよび電流センサの構成の概略を示す側面図である。

符号の説明

１０…電流センサ
１１…磁気コア
１１ａ…第１の磁性体
１１ｂ…第２の磁性体
１２…被測定電流線
１３…エアギャップ
１４…ホール素子

Claims (4)

1. 被測定電流線を囲んで曲げられて両端部間にエアギャップが形成された磁性体から構成される電流センサ用磁気コアにおいて、
   前記磁性体は、前記被測定電流線を流れる電流が起こす起磁界によって前記磁性体内に生じる磁束の、前記起磁界の変化に対する線形性は高いが、前記起磁界によって前記磁性体内に生じる磁束の、前記起磁界の増加に対する飽和値が小さい第１の磁性体と、前記線形性は低いが前記飽和値は大きい第２の磁性体とが少なくとも重ね合わされて構成されていることを特徴とする電流センサ用磁気コア。
2. 前記磁性体は、前記第１の磁性体が外側に、前記第２の磁性体が内側に重ね合わされて構成されており、
   前記第１の磁性体の両端部間に形成されるエアギャップの長さが前記第２の磁性体の両端部間に形成されるエアギャップの長さより長いことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ用磁気コア。
3. 前記第１の磁性体はニッケル含有量が多いパーマロイ、前記第２の磁性体はニッケル含有量が少ないパーマロイであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ用磁気コア。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電流センサ用磁気コアと、前記磁性体の両端部間に形成されたエアギャップに設置され、前記磁性体内に生じる磁束を検出する磁気センサとから構成され、
   この磁気センサの検出出力から前記被測定電流線を流れる電流を計測する電流センサ。

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