JP2010533856A - 改良された電流センサー - Google Patents

Abstract

【課題】航空電子機器の分野において電源装置を従属装置として作動させる絶縁電流センサーを製造するために、測定される電流が通過する要素（２０２）が貫く磁心（２０１）が使用される。
【解決手段】前記磁心は、発振器（２０４）がその両端に接続される二次巻線と、測定装置（２０５）とを備える。発振器と測定装置の協力によって、電流センサーのすべての従来のずれを回避することが可能になる。
【選択図】 図２

Description

本発明は改良された絶縁電流センサーに関するものであり、搭載航空電子機器の電源用電子装置を従属装置として作動させるように構成される。

本発明の分野は電流センサーの分野である。より詳細には、本発明の分野は、主に航空、自動車、鉄道、およびエネルギー産業において発展している電源用電子装置を従属装置として作動させたり、制御したりする分野である。この種の電子装置では、物理量「電流」の大きさの測定は有効に当該装置を制御するために測定される制御変数である。

本発明の目的は、航空環境用のセンサー、特に温度の重大な変化を裏付けるセンサーを提供することである。

本発明の別の目的は、広範囲の用途を有するセンサーを提供することである。

本発明の別の目的は、良好な直線性を有するセンサーを提供することである。

先行技術では、電流を測定するために使用され、そして電子装置の制御ループに組み込まれるいくつかの装置がある。

電流を測定する最も当たり前の方法は分流抵抗器の方法であり、これは、小さい値の抵抗を並列接続で用いることと、電圧を両端子で測定することを含む。見掛けは単純であるが、この方法はすべてが満足というわけではない。

測定される電流は高電圧（数百ボルト）の導体を通って流れ、そしてこの測量を取り出して電気接地に戻すことは容易ではない。

絶縁増幅器がしばしば必要とされる。そのとき関連する電子機器は急速に複雑になる（導体の電位を基準とする二次電源、変圧器）。

抵抗は高熱放散部品である。電流を測定するために、低い値の電流が放散による損失を最小にするために通常選ばれるが、これはまた、非常に低い電圧レベル（約数ミリボルト）を低い電流に対して測定する必要があるので、欠点にもなり、精度の大きな損失を引き起こす。そのとき精度と測定抵抗に因る損失の間に妥協を見つけることが必要になる。この解決法によって、測定装置を用途ごとに調整する必要がある。

先行技術による別の解決法は、閉ループ・ホール・センサー方法によって電流を測定することである。図１はこの解決法を示す。

すなわち、主導体１０１を測定される電流Ｉ_ｐｒｉｍが通る。主導体１０１は磁心１０２を貫通し、磁心の役割は、電流Ｉ_ｐｒｉｍを、主導体１０１を通過させることによって生じる磁力線を集めることである。

ホール効果チップ１０３は磁気回路の空隙に含まれる。ホール効果チップは、磁束密度Ｂ、電流Ｉ_ｃ、およびホール定数と呼ばれる定数に比例する電圧Ｖ_ｈを発生する。この電圧Ｖ_ｈは増幅器１０４によって増幅されて、比例電流Ｉ_ｓに変換される。

Ｎ_ｓ回巻の２次コイル１０５は電流Ｉ_ｓを受け取る。これは補償コイルと呼ばれる。なぜならば電流Ｉ_ｓが通って、それは、Ｎ_ｓ ^＊Ｉ_ｓ−Ｎ_ｐｒｉｍ ^＊Ｉ_ｐｒｉｍ＝０にするために、主導体によって磁心に生じるアンペア回数に対向するからである。

測定抵抗１０６の両端で測定され、そしてＩ_ｐｒｉｍ量に基づいている最終Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}式は次のようである。

しかしながら、これらのホール効果センサーは、いくつかの環境においてその使用を複雑にするという制約を有する。これらの制約のいくつかは次を含む。
−過電流の場合の磁気オフセットの危険性。この過負荷は磁気材料からの残留磁場に因る偶発的飽和を引き起こすことがある。これはセンサーの精度に悪影響を及ぼす。その結果、それは消磁されなければならない。従って、このための頻繁なメンテナンスが必要である。
−通常、センサーは温度変化に対して非常に敏感である。ホール効果セルの電圧Ｖ_ｈに対する磁界Ｂに関連する計算定数は温度によって変化する。セルもまたオフセット電圧を引き起こして、ゼロ電流の近くで不正確を引き起こす。

本発明では、我々は、部分的に巻かれた磁心を備える装置を供給することによって、これらの問題を解決する。このコイルの巻線は発振器によって給電される。図２は本発明の包括的な実施形態を示す。

図２は、その幾何学的寸法、その有効長Ｌ_ｅ、およびその有効面積Ａ_ｅによって特徴付けられる磁心２０１を示す。磁心はまた、そのヒステリシス・サイクルＢ＝ｆ_ｃｔ（Ｈ）によって表されるその磁気特性によっても特徴付けられる。Ｂは磁気材料の磁束密度であり、そしてＨは磁界である。

図２はまた、Ｉ_ｐｒｉｍ電流が流れる一次導体２０２を示す。導体は磁心の周りにＮ_ｐｒｉｍ回巻きを実行する。図２の実施例では、Ｎ_ｐｒｉｍは１に等しい。

励磁コイルと呼ばれる二次導体２０３は、Ｉ_ｓｅｃ電流を測定するために矩形波信号発生器２０４および抵抗２０５（Ｒ_{ｓｅｎｓｅ}値）の両方に接続している。このコイルはＮ_ｓｅｃ回（通常は約千回）の巻きを有する。

矩形波信号発生器２０４は、電圧＋Ｅと−Ｅの間で切り換わる矩形波電圧Ｖ_ｏｓｃを供給する。発生器の役割は、周波数Ｆ_ｏｓｃに応じて磁気材料に＋Ｂ_ｓａｔと−Ｂ_ｓａｔの飽和（または磁束密度ＤＢの振れさえ）を二者択一的にもたらすことである。

これらの状態下で、観測される電流Ｉ_ｓｅｃは電圧Ｖ_ｏｓｃの変化に、遅れて、既知の曲線に沿って追従する。

一次導体を流れる電流が無い場合は、電流は完全にゼロ電流に中心がある。

また一方、一次導体を流れる電流が有る場合は、不均衡がヒステリシス・サイクルに生じて、飽和が不均衡の側により早く起こる。この不均衡は、平均電流の出現によって、二次電流に現れる。

平均電流は一次電流の反映である。その値は変換方程式の結果である。

本発明では、平均電流は抽出されて、測定される電流Ｉ_ｓｅｃの値を推定することを可能にする。抽出は電流Ｉ_ｓｅｃを積分することによって実行される。

従って本発明は電流センサー装置に関するものであり、それは、
−磁心と、
−測定される電流が流れ、そして磁心に巻かれる一次コイルと、
−磁心に巻かれる二次コイルと、
−電気接地と二次コイルの第１端子の間に接続される電子発振器と、
−電気接地と励磁回路を経由して二次コイルの第２端子の間に接続される測定抵抗と、
を備えることを特徴とする。

本発明の一変形では、本発明による装置はまた、磁心が約１ミクロンの薄さであることを特徴とする。

一変形では、本発明による装置はまた、一次コイルの巻き回数が１に等しく、これはそれが磁心を横切る単一ワイヤーであることを意味することを特徴とする。

一変形では、本発明による装置はまた、一次コイルの巻き回数が完全に１より大きいことを特徴とする。

一変形では、本発明による装置はまた、一次コイルの巻き回数が約千であることを特徴とする。

一変形では、本発明による装置はまた、励磁回路が積分回路であり、その入力は電気接地および二次コイルの端子であり、二次コイルに測定抵抗が接続され、積分回路の出力は二次コイルに接続していない測定抵抗の端子に接続していることを特徴とする。

本発明は、次の説明を読み、それに伴う図を検討するとより良く理解される。図は例示するために提供され、本発明を制限しない。

先行技術によるセンサーの説明図である。 本発明による汎用センサーの説明図である。 本発明によるセンサーの実際の実施の説明図である。 本発明による磁心の物理的実現の説明図である。 Ｖ_ｏｓｃ、Ｖ_ｓｅｃ、Ｉ_ｐｒｉｍ、およびＶ_ｉｎｔ信号の経時変化の相関説明図である。

図３は、一次導体３０２、例えば任意のサイズのワイヤーまたは電子回路トラックを示す。導体は磁心３０１を貫通して、磁心３０１の周りにＮ_ｐｒｉｍ＝１回巻きのループを形成する。この導体は、測定する必要がある電流Ｉ_ｐｒｉｍが通過する一次コイルである。

本発明の一実施では、磁心３０１は数十ミクロンのマイクロメートル部分である。図４はこの種の磁心を例示する。

いくつかの図において、一致する数字は同一の要素を指す。

図４は中央開口部によって矩形断面機械的磁心４０１を横切る導体３０２を示す。実際には、この断面は別の形状、例えば円形または長方形でもよい。磁心４０１は開口部４０３によって中央をくりぬかれている。

磁心４０１はいくつかの要素から成る。磁心４０１は非磁性かつ非導電性の基板に形成される支持材４０２を含む。従って支持材４０２は冠部分を有する。

磁心４０１はまた、その面のうちの少なくとも１つに、開口部４０３の近くに、マイクロメートルの大きさ、実際には数十ミクロンの閉磁気ループ４０４を有する。このループ４０４は、マイクロメートルのスクリーン印刷方法を用いて支持材４０２に置かれる電磁材料から作られ、これらの方法の最も大きい共通点は、
−電気化学、
−吹き付け、そして
−フェライトが使用される場合は、吹き付けおよび熱処理である。

磁心４０１はまた、ループ４０４に、厚さが数ミクロン〜数十ミクロンである絶縁層４０５を有する。この絶縁層はマイクロメートルのスクリーン印刷プロセスを用いて作られ、この作業の最も大きい共通点は、
−ポリマー絶縁体のためのフォトリソグラフィー、あるいは
−金属酸化物、例えばＳ_ｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３の沈殿物である。

磁心４０１は、最終的に、磁心４０４に巻かれた、本発明の二次コイルに相当する巻数を有するコイル４０６を含み、それ自体もまた磁心４０４を作るために用いられるものと同じマイクロメートルのスクリーン印刷方法を用いて作られる。コイル４０６は本発明によるセンサーの他の要素が接続される２つの端部４０７および４０８を有する。

磁心４０２、４０４、４０５、および４０６のセットは保護成形品４０９によって覆われて、それにより前記成形品は、開口部４０３を開けたままにしておくことによって、そして本発明の他の端子がそれに接続できるように端部４０７および４０８を接続可能なままにしておくことによって前記磁心を絶縁する。

この接続により、値を測定しなければならない回路と測定回路自体との間に良好な絶縁を実現することが可能になる。したがって絶縁電流センサーが存在することになる。

図３はＮ_ｓｅｃ＝１０００回巻きの二次コイル４０６を示す。

図３は、端部４０７が発振回路３０３に接続していること、そして端部４０８が積分回路３０４に接続していることを示す。

図３は、発振回路３０３が演算増幅器３０５を有することを示す。この演算増幅器３０５は、
−非反転入力３０６、
−反転入力３０７、
−正帰還入力３０８、
−負帰還入力３０９、および
−出力電圧Ｖ_ｏｓｃを供給する出力３１０を備える。

入力３０６は抵抗Ｒ１を経由して電気接地３１１に接続している。

入力３０６は抵抗Ｒ２を経由して出力３１０に接続している。

入力３０７は端部４０８に直接接続している。

入力３０８は電位＋Ｅに接続している。

入力３０９は電位―Ｅに接続している。

出力３１０は端部４０７に接続している。

図３は、積分回路３０４が演算増幅器３１２を有することを示す。この演算増幅器３１２は、
−非反転入力３１３、
−反転入力３１４、および
−出力電圧Ｖ_ｉｎｔを供給する出力３１５を備える。

入力３１１は電気接地３１１に接続している。

入力３１４は抵抗Ｒ_ｉｎｔを経由して出力４０８に接続している。

入力３１４はコンデンサＣ_ｉｎｔを経由して出力３１５に接続している。

出力３１５は、測定抵抗である抵抗Ｒ_{ｓｅｎｓｅ}を経由して端部４０８に接続している。

これらの回路３０３および３０４の場合は、部品の値は用途に応じて大いに変化する。約１０キロオームのＲ１、Ｒ２、およびＲ_ｉｎｔ、約１００オームのＲ_{ｓｅｎｓｅ}、ならびに約１０ｎＦのＣ_ｉｎｔを有するセンサーは容易に作ることができる。

動作中、回路３０３は独立した電圧を有する発振器である。それは反転入力３０７および非反転入力３０６がＥと−Ｅの間で変動する比較器である。装置の正応答は、閉回路で出力を利得Ｇ＜１によって非反転入力に戻すことによって確実にされる。このアセンブリの場合は、利得ＧはＲ１／（Ｒ１＋Ｒ２）である。

従って、電圧発振器は、出力電圧が＋Ｅと−Ｅの間で変化することができる比較器である。この電圧によって電流Ｉ_ｓｅｃがコイル４０６を流れる。この電流は磁心を飽和させる。電圧Ｖ_ｓｅｃが必要に応じて次式の電圧に達するまで、それは増大する。

この時、比較器は切り換わって、Ｖ_ｏｓｃが周波数Ｆ_ｏｓｃの矩形電圧であることを示す図５によって示すように、飽和は反対方向で生じる。

発振周波数（Ｆ_ｏｓｃ）は磁心が飽和する速度によって決定される。この周波数はファラデーの法則によって与えられる。

図５はまたＶ_ｏｓｃの変化に基づく電圧Ｖ_ｓｅｃを例示する。電圧Ｖ_ｓｅｃは電圧Ｖ_ｏｓｃに追従し、磁心に因って変形する。導体３０２に電流変化がある場合を除いて、電圧Ｖ_ｏｓｃはゼロの平均値を有する。この場合、電圧Ｖ_ｓｅｃは崩壊し、そして積分回路３０４の作用によってその安定な形に戻される。

動作中、回路３０４は、利得Ｋ_ｉを有する比較器および「積分器」機能から成るループ系であって、電流Ｉ_ｐｒｉｍまたは電位Ｖ_ｉｎｔの平均値の像が抽出されることを可能にする。この電圧はＲ_{ｓｅｎｓｅ}にフィードバックされ、これは、一次電流のアンペア回数によって生じる不均衡をオフセットすることによって、ヒステリシス・サイクルの中間で発振にスレーブする。このアセンブリの場合は、利得Ｋ_ｉは１／（Ｒ_ｉｎｔ ^＊Ｃ_ｉｎｔ）に等しい。

電流が導体Ｎ_ｐｒｉｍを流れるとき（Ｔ０）、Ｖ_ｓｅｃの平均電圧に差がある。この電圧は０ボルトの設定値と比較される。この比較の結果は積分器によってオフセットされる。出力Ｖ_ｉｎｔはＲ_{ｓｅｎｓｅ}にフィードバックされて、平均成分をキャンセルする。

図５の線図５０２および５０３は、電流ステッピングＩ_ｓｔｅｐのＶ_ｓｅｃに及ぼす影響を示す。補償ループが反応し、そして電圧Ｖ_ｉｎｔを導入することによってＶ_ｓｅｃの平均値を０ボルトにリセットする（Ｔ１）まで、平均値は変化する。そのときＶ_ｉｎｔの値は基本的に測定される電流Ｉ_ｐｒｉｍの直接像である。

従って、Ｖ_ｉｎｔの測定により、我々はＩ_ｐｒｉｍを見出して、装置を制御する値を得ることができる。

その物理的構成によって、一次導体３０２と本発明による測定回路の間に間隔がある。従って数千ボルトの電気的分離を容易に得ることができる。

本発明によるセンサーは他の測定法より高い精度を達成することができる。測定の精度は抵抗Ｒ_{ｓｅｎｓｅ}の精度に本質的に結合している。これは低電力抵抗であり、約０．１％の精度で容易に見つけることが可能であり、温度状態に対して低感受性である。

アンペア回数を積分器でオフセットするという方式は、ゼロ誤差で抽出し、測定することを可能にする。アンペア回数自体（それの像ではない）は、誤差を引き起こす中間センサーによってオフセットされる。

センサーの力学はヒステリシス・サイクルの速度に関連する。ファラデーの法則は、厚さが数十ミクロンである磁心を必要とする。これは磁気スクリーン印刷回路によって可能になる。このようにして帯域幅＞１００Ｋｈｚを得ることができる。

動作原理によって、磁心が常に飽和しているので、磁気オフセット問題は無い。それは各発振で磁化され、そして消磁される。

変換効果は良好な直線性を保証する。

積分器は、ゼロ電流の近くにオフセットが無いことを確かにする。

従って本発明によるセンサーは所望の利点のすべてを有する。

従って宇宙空間のような厳しい工業環境で本発明によるセンサーを使用することが可能である。可能な現場使用は次を含む。
−永久磁石を有する同期自己制御機械（「ブラシレス」エンジン）を組み込む電気アクチュエータ（ＥＭＡ、ＥＡＢＳ電気ブレーキなど）
−パワー・エレクトロニクスと関連する「ブラシレス」自己制御磁石を組み込む電気「ポンプ」装置（ＦＵＥＬ ＰＵＭＰ装置、ＥＨＡポンプ）
−パワー・スイッチ用の保護装置（ＧＦＩブレーカー、ＳＥＰＤＳ、ＳＳＰＣなど）
−次世代航空機の電力系統の電力変換装置、例えば、連続高電圧ネットワーク用のＤＣ／ＤＣ変換器または正弦波吸収（ＰＦＣ）
−スイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）

１０１ 主導体
１０２ 磁心
１０３ ホール効果チップ
１０４ 増幅器
１０５ ２次コイル
１０６ 測定抵抗
２０１ 磁心
２０２ 一次導体
２０３ 二次導体
２０４ 矩形波信号発生器
２０５ 抵抗
３０１ 磁心
３０２ 一次導体
３０３ 発振回路
３０４ 積分回路
３０５ 演算増幅器
３０６ 非反転入力
３０７ 反転入力
３０８ 正帰還入力
３０９ 負帰還入力
３１０ 出力
３１１ 電気接地
３１２ 演算増幅器
３１３ 非反転入力
３１４ 反転入力
３１５ 出力
４０１ 磁心
４０２ 支持材
４０３ 開口部
４０４ 閉磁気ループ
４０５ 絶縁層
４０６ コイル
４０７ 端部
４０８ 出力
４０９ 保護成形品
Ａ_ｅ 有効面積
Ｂ 磁束密度
Ｃ_ｉｎｔ コンデンサ
ＤＢ 磁束密度
Ｆ_ｏｓｃ 周波数
Ｇ 利得
Ｈ 磁界
Ｉ_ｃ 電流
Ｉ_ｐｒｉｍ 電流
Ｉ_ｓ 電流
Ｉ_ｓｅｃ 電流
Ｋ_ｉ 利得
Ｌ_ｅ 有効長
Ｎ_ｐｒｉｍ 巻き回数
Ｎ_ｓ 巻き回数
Ｎ_ｓｅｃ 巻き回数
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ_ｉｎｔ 抵抗
Ｒ_{ｓｅｎｓｅ} 抵抗
Ｖ_ｈ 電圧
Ｖ_ｉｎｔ 出力電圧
Ｖ_ｏｓｃ 矩形波電圧
Ｖ_ｓｅｃ 電圧
Ｖ_{ｓｅｎｓｅ} 電圧

Claims (6)

1. −磁心（３０１）と、
   −測定される電流が流れ、そして前記磁心に巻きつく一次コイル（３０２）と、
   −前記磁心に巻きつく二次コイル（４０６）と、
   −電気接地（３１１）と前記二次コイルの第１端子（４０７）の間に接続される電子発振器（３０３）と、
   −前記電気接地と励磁回路（３０４）を経由して前記二次コイルの第２端子（４０８）の間に接続される測定抵抗（Ｒ_{ｓｅｎｓｅ}）と、
   を備えることを特徴とする電流センサー装置。
2. 前記磁心が約１ミクロンの薄さであることを特徴とする請求項１に記載の電流センサー装置。
3. 前記一次コイルの巻き回数が０に等しく、これはそれが前記磁心を横切る単一ワイヤーであることを意味することを特徴とする請求項１に記載の電流センサー装置。
4. 前記一次コイルの巻き回数が完全に１より大きいことを特徴とする請求項１に記載の電流センサー装置。
5. 前記二次コイルの巻き回数が約千であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサー装置。
6. 前記励磁回路が積分回路であり、その入力は前記電気接地および前記二次コイルの端子であり、前記二次コイルに前記測定抵抗が接続され、前記積分回路の出力が前記二次コイルに接続していない前記測定抵抗の端子に接続していることを特徴とする請求項１に記載の電流センサー装置。

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