JP2012098205A - 電流測定方法、および磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の課題は、２線式ケーブルに流れる往復電流を、ケーブルの加工なしに、高効率・高精度で測定する方法を提供することにある。
【解決手段】
往復電流が流れる２本の導線の周囲に複数の磁気センサを配置し、前記複数の磁気センサ各々を、該磁気センサの磁界検出面が前記往復電流により誘起する磁界の方向と垂直になるよう角度調整し、前記磁界の強度を前記複数の磁気センサにより検出して前記往復電流の電流値を導出する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、往復電流が流れる２線式ケーブルの電流測定方法、および該電流測定方法に用いる磁気センサ装置に関する。

導線を流れる電流測定は、一般的に、被測定電流をＣ字型の磁性体コアで囲い込み（クランプし）、磁性体コアの空隙部（ギャップ）に挿入された磁気センサにより磁性体コア中に誘起する磁界（磁束密度）を検出し、検出した磁界から被測定電流を換算してなされる（磁性体クランプ型電流測定法）。被測定電流が誘起する磁界の強度は、被測定電流の大きさに比例し、被測定電流からの距離の二乗に反比例する。また、その磁界の向きは、被測定電流が流れる方向に対して右回りに生じる。

２線式のケーブルを介して電気機器に電力（電圧×電流）を供給する場合、ケーブルに含まれる２本の導線には、互いに逆向きでほぼ同じ大きさの電流（往復電流）が流れる。２線式ケーブルに流れる往復電流を磁性体クランプ型電流測定法にて測定する場合、磁性体コア中に誘起する磁界は、各電流が誘起する磁界により相殺されるため、非常に微弱なものとなる。したがって、磁性体コアのギャップに挿入された磁気センサにより磁界を検出し、往復電流を見積もることは困難である。

通常、２線式ケーブルに流れる往復電流の測定は、予め導線をケーブルから引き出して単線状態にする加工を行い、磁性体クランプ型電流測定法等により行う。しかし、予め導体をケーブルから引き出す加工は、手間であるばかりでなく、状況によっては不可能な場合もありうる。

近年では、２線式ケーブルの周囲に複数の磁気センサを近接して配置し、それら磁気センサから得られる磁界検出信号を積算して往復電流を見積もる電流測定方法が提案されている（磁気センサ配置型電流測定法、例えば特許文献１）。このような電流測定方法を用いれば、導線をケーブルから引き出すことなしに２線式ケーブルに流れる往復電流を測定することができる。

特開平０７−０５５８４５号公報

本発明の課題は、２線式ケーブルに流れる往復電流を、ケーブルの加工なしに、高効率・高精度で測定する方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、
往復電流が流れる２本の導線の周囲に複数の磁気センサを配置し、
前記複数の磁気センサ各々を、該磁気センサの磁界検出面が前記往復電流により誘起する磁界の方向と垂直になるよう角度調整し、
前記磁界の強度を前記複数の磁気センサにより検出し、
検出した前記磁界の強度から、前記往復電流の電流値を導出することを特徴とする電流測定方法、が提供される。

また、他の観点によれば、
２線式ケーブルに流れる往復電流により誘起する磁界を検出する磁気センサ装置であって、
ｎ個の磁気センサ素子と、
前記ｎ個の磁気センサ素子を環状に連結する連結体と、
を具備し、
前記ｎ個の磁気センサ素子各々は、前記２線式ケーブルに当接する面を有し、該磁気センサ素子の磁界検出面が前記磁界の方向と垂直になるよう配置される磁気センサ装置、が提供される。

２線式ケーブルに流れる往復電流を、ケーブルの加工なしに、高効率・高精度で測定することができる。

図１Ａおよび１Ｂは、往復電流が誘起する合成磁界のシミュレーションモデル、およびそのシミュレーション結果を示すダイアグラムである。 図２は、シミュレーションから得られた合成磁界強度の位置（角度）依存性を示すグラフである。 図３Ａ〜３Ｃは、シミュレーションから得られた合成磁界方向の位置（角度）依存性を示すグラフである。 図４は、往復電流が流れる２線式ケーブルの周囲に磁気センサを配置した様子を一部示す平面図である。 図５Ａおよび５Ｂは、磁気センサ装置を構成する磁気センサ素子を示す側面図である。 図６は、磁気センサ装置を構成する磁気センサ素子の配置例を示す平面図である。 図７Ａおよび７Ｂは、複数の磁気センサ素子を連結体により環状に連結した磁気センサ装置を示す平面図である。

本発明者らは、往復電流により誘起する合成磁界の強度および方向分布のシミュレーションを行った。

図１Ａおよび１Ｂは、シミュレーションを行った往復電流のモデル図、およびシミュレーションから得られた合成磁界を視覚的に表したダイアグラムである。図１Ａに示す座標系において、ｚ軸方向に延在する２本の導線Ｉ１，Ｉ２は、ｘ軸上にピッチ２Ｄｗで配置される。導線Ｉ１には図面奥から手前に向かって所定の電流が流れており、導線Ｉ２には図面手前から奥に向かって導線Ｉ１に流れる電流と同じ大きさの電流が流れている。２本の導線Ｉ１，Ｉ２の中点を直交座標系（ｘ，ｙ）、ないし極座標系（ａ，θ）の原点とする。往復電流が誘起する合成磁界Ｈの強度および方向（ｘ軸に対する角度α）は、電磁気学の法則から一義的に導出され、図１Ｂに示す空間分布となる。図１Ｂは、Ｄｗ＝８ｍｍのときの合成磁界の空間分布であり、図中に示す複数のラインは、それらの長さが合成磁界の強度に対応し、向きが合成磁界の方向に対応している。

図２は、シミュレーションにおける合成磁界強度（単位電流あたり磁束密度）の角度（θ）依存性を示すグラフである。図２に示す曲線ｃ１は原点から各導線までの距離Ｄｗと原点から観察位置までの距離ａの比ｄがｄ＝０．３（Ｄｗ＝２．４ｍｍ，ａ＝８．０ｍｍ）のときの合成磁界強度の角度依存特性であり、曲線ｃ２はｄ＝０．４（Ｄｗ＝３．２ｍｍ，ａ＝８．０ｍｍ）のときの合成磁界強度の角度依存特性であり、曲線ｃ３はｄ＝０．５（Ｄｗ＝４．０ｍｍ，ａ＝８．０ｍｍ）のときの合成磁界強度の角度依存特性である。なお、図中には参考として、ｚ軸上を流れる１本の電流が誘起する磁界の強度（ａ＝８．０ｍｍ）を直線ｃ０として示している。このグラフから、往復電流が誘起する合成磁界強度は、角度により変化し、θ＝０°，１８０°付近で最大を示し、θ＝９０°，２７０°（−９０°）付近で最小を示すことがわかる。また、原点から各導線までの距離Ｄｗと原点から観察位置までの距離ａの比ｄが小さくなると、合成磁界強度が全体的に低減していくことがわかる。

図３Ａ〜３Ｃは、シミュレーションにおける合成磁界方向（α）の角度（θ）依存性を示すグラフである。図３Ａのグラフは原点から各導線までの距離Ｄｗと原点から観察位置までの距離ａの比ｄが０．３（Ｄｗ＝１．３５ｍｍ，ａ＝４．５ｍｍ）のときの合成磁界方向の角度依存特性であり、図３Ｂのグラフはｄ＝０．４（Ｄｗ＝１．８ｍｍ，ａ＝４．５ｍｍ）のときの合成磁界方向の角度依存特性であり、図３Ｃのグラフはｄ＝０．５（Ｄｗ＝２．２５ｍｍ，ａ＝４．５ｍｍ）のときの合成磁界方向の角度依存特性である。本発明者らの検討によれば、ｄが小さいほど合成磁界方向（α）と観察位置の角度（θ）の関係がα＝２θ＋９０°に近づくことが確認されている。各グラフ上にα＝２θ＋９０°の直線を重畳させると、いずれのグラフにおいても概ねα＝２θ＋９０°に適合的であることがわかる。これらのグラフからｄ≦０．５では、所定の位置（角度θ）における合成磁界の方向αは、α＝２θ＋９０°として関係付けられることが認められる。

以上のシミュレーションから、往復電流が誘起する合成磁界の強度および方向がわかった。この結果を踏まえ、本発明者らは、磁気センサ配置型電流測定法を用いた実際の往復電流の測定において、合成磁界を効率よく検出するための磁気センサの配置について検討を行った。磁気センサ配置型電流測定法において、磁気センサは、ホール素子やＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、またはＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子などが用いられる。磁界を効率よく検出するためには、これら磁気センサの磁界検出面を磁界の方向に対して垂直に配置する、つまり磁気センサの磁界検出面の法線を磁界方向と一致させることが好ましい。

図４は、往復電流が流れる２線式ケーブルの周囲に磁気センサを配置した様子を一部示す平面図である。上述のシミュレーションによれば、２本の導線の中点を原点とし、かつ、２本の導線を結ぶ直線（ｘ軸）に対し角度θの位置の磁界方向は、２θ＋９０°として関係付けられる。例えば、図４に示すように、ｘ軸に対しθ＝３０°の位置の合成磁界Ｈ１は、ｘ軸に対し約１５０°の方向を向いている。磁界Ｈ１を効率よく検出するためには、図中の磁気センサＭｓ１の磁界検出面Ｄ１を磁界Ｈ１に対して垂直になるよう配置することが好ましく、つまりｘ軸に対する磁界検出面Ｄ１の角度φを２θ＝６０°傾けて配置することが好ましい。なお、磁気センサ自体が１８０°反転して配置されても、磁界検出効率に影響がないことは自明である。

実際の測定において、単一の磁気センサで検出できる合成磁界の強度は微弱である。このため、２線式ケーブルの周囲には複数の磁気センサを配置し、それぞれの磁気センサから得られる磁界検出信号を積算して、２線式ケーブルに流れる往復電流を見積もることが好ましい。例えば、図４に示すように、θ＝０°，４５°，６０°および９０°付近にも磁気センサを配置する場合には、磁界検出面をそれぞれφ＝２θ＝０°，９０°，１２０°および１８０°傾けて配置することが好ましい。積算された磁界検出信号からケーブルに流れる往復電流への換算には、用いるケーブルの条件（仕様）から電流―磁界の対応関係（換算係数）を算出しておく方法や、予め磁性体クランプ型電流測定法等により実測した電流値と磁気センサ配置型電流測定法で得られる磁界検出信号との対応関係（換算係数）を用意しておく方法等を採用することができる。

なお、本実施例では、θ＝０°〜９０°の位置に磁気センサを配置した例を示したが、本発明はこれらに限られず０°〜３６０°の位置に配置される磁気センサに適応可能である。また、ケーブル内の導線の位置を把握できず、所定の位置に配置される磁気センサの最適配置角の設定が困難であるような場合もあるであろう。このような場合には、磁気センサからの磁界検出信号と、上述のシミュレーションにより得られた合成磁界強度の角度依存特性とを参照しながら、ケーブル内の導線の位置を推定し、磁気センサの最適配置角度を調整することが望ましい。

このように、往復電流が流れる２線式ケーブルの周囲に複数の磁気センサを、それらの磁界検出面が往復電流により誘起する合成磁界の方向と垂直になるよう配置することにより、高効率・高精度で合成磁界の強度を検出することが可能となる。その際、往復電流を含む基準面に対し角度θに位置する磁気センサを、その磁界検出面が基準面に対し約２θとなるよう配置すれば、合成磁界は磁界検出面に対しほぼ垂直に入射することになるであろう。このような合成磁界の検出方法は、往復電流の測定において、導出される電流値の精度向上に寄与するであろう。

次に、本発明者らは、丸型２線式ケーブルの周囲に磁気センサを容易に最適配置できる磁気センサ装置について検討を行った。磁気センサ装置は、所定形状の筐体を備える複数の磁気センサ素子と、複数の磁気センサ素子を環状に連結する連結体と、から構成される。以下では一例として、磁気センサ素子を８個含む磁気センサ装置について説明する。

図５Ａおよび５Ｂは、磁気センサ装置を構成する磁気センサ素子を示す側面図である。図５Ａに示すように、磁気センサ素子Ｍｄは、磁界検出面Ｄｄを有し、さらに面Ｐ１〜Ｐ８を有する正八角柱の筐体を備える構造である。図面では、一例として、面Ｐ７が磁界検出面Ｄｄを兼ねる構造としている。正八角柱の筐体は、磁性／非磁性材料を問わず用いることが可能であり、例えば、磁性体であるフェライトやパーマロイ、非磁性体であるプラスチックなどで構成される。なお、磁気センサ素子は、図５Ｂに示すように、正八角柱状の支持具Ｓの内部に磁気センサＭｓを備える構造でもかまわない。図面では、一例として、磁気センサＭｓの磁界検出面Ｄと支持具Ｓの面Ｐ７とが平行になるように配置されている。このような磁気センサ素子を、本実施例では８個用意する。

図６は、８個の磁気センサ素子の配置例を示す平面図である。頂点Ｖ１〜Ｖ８が反時計回りに設定された正八角形を想定する。８個用意された磁気センサ素子Ｍｄ１〜Ｍｄ８は、仮想正八角形の頂点Ｖ１〜Ｖ８に反時計回りで順次配置される。同時に、磁気センサ素子Ｍｄ１〜Ｍｄ８は、その磁気センサ素子自体が反時計回りに回転するように順次配置される。つまり、磁気センサ素子Ｍｄ１〜Ｍｄ８は、磁気センサ素子の筐体の面Ｐ１〜Ｐ８が順次仮想正八角形の頂点Ｖ１〜Ｖ８に接するよう等間隔で配置される。図面では、磁気センサ素子Ｍｄ１は、その面Ｐ１が仮想正八角形の頂点Ｖ１に接するように配置され、同様に、磁気センサ素子Ｍｄ２は、その面Ｐ２が頂点Ｖ２に接するよう配置され、最終的に、磁気センサ素子Ｍｄ８は、その面Ｐ８が頂点Ｖ８に接するよう配置されている。

図７Ａおよび７Ｂは、８個の磁気センサ素子を連結体により環状に連結した磁気センサ装置を示す平面図である。図７Ａにおいて、連結体は弾性体であり、具体的には同じ長さおよび弾性定数を有する８個のバネにより構成される。このような磁気センサ装置を丸型ケーブルに取り付ければ、どのような太さのケーブルにおいても、磁気センサ素子の所定の面がケーブルに当接して定位し、複数の磁気センサ素子の相対的な位置、および磁界検出面の角度を一定に保持することが可能となる。図７Ｂにおいて、連結体はリング状の剛体であり、さらにネジ等により磁気センサ素子を動径方向に位置調整できる構造を備える。ネジ等により動径方向を調節して磁気センサ素子の所定の面を丸型ケーブルに当接させれば、図７Ａと同様にどのような太さのケーブルにおいても、複数の磁気センサ素子の相対的な位置、および磁界検出面の角度を一定に保持することが可能となる。なお、環状である連結体は、フック機構やクランプ・ヒンジ等を備え、容易に開閉できる構造を具備していてもかまわない。

このような磁気センサ装置を丸型２線式ケーブルに流れる往復電流の測定に用いることにより、どのような太さの丸型２線式ケーブルにおいても、容易に複数の磁気センサ素子の相対的な位置関係、および磁界検出面の角度を一定に保持することが可能となる。また、ケーブル内の導線の配置が把握できないような場合には、磁気センサ装置を回転させて、磁気センサ素子の磁界検出面と合成磁界の方向がほぼ垂直（φ＝２θ）になるよう容易に配置調整することが可能となる。

なお、実施例では磁気センサ素子を８個用いた磁気センサ装置について説明したが、この限りではない。ｎ個の磁気センサ素子を用いて丸型２線式ケーブルを流れる往復電流の測定を行う場合には、正ｎ角柱状の筐体を備える磁気センサ素子を用意し、それら磁気センサ素子の各面が仮想正ｎ角形のそれぞれの頂点に接するよう等間隔で配置・連結した磁気センサ装置を構成すればよい。より言えば、磁気センサ素子は、その磁界検出面が往復電流により誘起する合成磁界とほぼ垂直になるようケーブルに当接する面を有し、定位することができれば、どのような形状、配置関係にしてもかまわない。

以上、本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、実施例では、２本の平行導線に流れる往復電流を想定したが、ツイスト線等に流れる往復電流でも適応可能であろう。非平行導線に流れる往復電流を想定した場合でも、局所的には所定のピッチを有する２本の導線として近似可能であり、導線配設の違いは誤差として吸収可能であると考えられる。また、予めツイスト線等に対応した電流―磁界の対応関係・換算係数を用意しておけば、より高精度で往復電流の電流値を見積もることが可能であろう。その他種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

Ｈ 磁界、
Ｉ 導線、
Ｃａ ケーブル、
Ｍｓ 磁気センサ、
Ｍｄ 磁気センサ素子、
Ｄ 磁界検出面。

Claims (6)

1. 往復電流が流れる２本の導線の周囲に複数の磁気センサを配置し、
   前記複数の磁気センサ各々を、該磁気センサの磁界検出面が前記往復電流により誘起する磁界の方向と垂直になるよう角度調整し、
   前記磁界の強度を前記複数の磁気センサにより検出し、
   検出した前記磁界の強度から、前記往復電流の電流値を導出することを特徴とする電流測定方法。
2. 前記角度調整する際、前記２本の導線の中点を原点とし前記２本の導線を結ぶ直線上を角度方向の基準とする極座標系を想定したとき、所定の角度θに位置する前記磁気センサを、該磁気センサの磁界検出面が２θとなるよう配置する請求項１記載の電流測定方法。
3. ２線式ケーブルに流れる往復電流により誘起する磁界を検出する磁気センサ装置であって、
   ｎ個の磁気センサ素子と、
   前記ｎ個の磁気センサ素子を環状に連結する連結体と、
   を具備し、
   前記ｎ個の磁気センサ素子各々は、前記２線式ケーブルに当接する面を有し、該磁気センサ素子の磁界検出面が前記磁界の方向と垂直になるよう配置される磁気センサ装置。
4. 前記ｎ個の磁気センサ素子各々は、第１〜ｎの面を有する正ｎ角柱状であり、かつ、第１〜ｎの頂点を有する仮想正ｎ角形を想定したとき、前記第１〜ｎの面がそれぞれ前記第１〜ｎの頂点に接するよう配置される請求項３記載の磁気センサ装置。
5. 前記連結体は、弾性体である請求項３また４記載の磁気センサ装置。
6. 前記連結体は、環状に配置される前記ｎ個の磁気センサ素子各々を動径方向に移動可能な構造を備える請求項３または４記載の磁気センサ装置。