JP2014163828A - 補助部材、及び、該補助部材を有する電流センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電流の密度分布の変動を抑制することで、交流電流の流動によって生じる磁界の変動を抑制する補助部材、及び、該補助部材を有する電流センサ装置を提供する。
【解決手段】交流電流の流れる導体（９０）に設けられる補助部材であって、導体は、交流電流の流れ方向に延び、流れ方向に直交する横方向と縦方向とによって規定される規定平面の断面形状が、縦方向よりも横方向に長い形状を成し、空気よりも透磁率が高く、絶縁性を有する磁性材料から成り、導体における横方向の２つの端部をそれぞれ独立して覆う２つの覆い部（１１，１２）を有しており、２つの覆い部それぞれは、導体における横方向の端部と接触、若しくは、導体における横方向の端部のインピーダンスが高まる程度に近接している。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電流の流れる導体に設けられる補助部材、及び、該補助部材を有する電流センサ装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、被測定導体を流れる電流を測定する電流測定装置が記載されている。上記した被測定導体は扁平形状を成しており、流れる電流は、交流電流となっている。

特許第４７２６０９２号公報

上記したように、特許文献１に示される電流センサでは、被測定導体に交流電流が流れる。したがって、交流電流の周波数が高くなると、表皮効果のために、被測定導体の中央部の電流密度が低減し、端部の電流密度が増大する。この結果、交流電流の流動によって生じる磁束の密度分布も変動する。そのため、交流電流の流動によって生じる磁束に基づいて、交流電流の電流量を検出する場合、電流量の検出精度が低下する虞がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、交流電流の密度分布の変動を抑制することで、交流電流の流動によって生じる磁界の変動を抑制する補助部材、及び、該補助部材を有する電流センサ装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被測定対象である交流電流の流れる導体（９０）に設けられる補助部材であって、導体は、交流電流の流れ方向に延び、流れ方向に直交する横方向と縦方向とによって規定される規定平面の断面形状が、縦方向よりも横方向に長い形状を成し、空気よりも透磁率が高く、絶縁性を有する磁性材料から成り、導体における横方向の２つの端部をそれぞれ独立して覆う２つの覆い部（１１，１２）を有しており、２つの覆い部それぞれは、導体における横方向の端部と接触、若しくは、導体における横方向の端部のインピーダンスが高まる程度に近接していることを特徴とする。

これによれば、覆い部を有さない構成と比べて、導体（９０）における横方向の２つの端部（以下、単に端部と示す）それぞれのインピーダンスが高まる。したがって、交流電流の周波数が、導体（９０）に表皮効果が生じる程度に高まり、２つの端部それぞれの電流密度が、２つの端部の間の部位（中央部）よりも高まったとしても、導体（９０）全体の電流密度が偏在することが抑制される。これにより、交流電流の流動によって生じる磁界（被測定磁界）の変動が抑制される。したがって、被測定磁界を電気信号に変換する磁電変換素子によって、交流電流の電流量を検出する場合、電流量の検出精度の低下が抑制される。更に言えば、導体（９０）全体の電流密度の偏在が抑制されるので、電力損失も抑制（低減）される。

規定平面における導体の断面形状は、導体の幾何学的中心（ＧＣ）を縦方向に貫く基準線（ＢＬ）を介して、対称形状を成しており、規定平面における２つの覆い部それぞれの断面形状は、基準線を介して、対称形状を成す構成が良い。これによれば、規定平面における２つの覆い部それぞれの断面形状が、基準線を介して、非対称な形状を成す構成と比べて、２つの端部それぞれのインピーダンスの大きさを等しくすることができる。したがって、導体（９０）全体の電流密度の偏在が抑制される。

第１実施形態に係る電流センサ装置の概略構成を示す断面図である。 補助部材が無い場合のバスバーの電流密度を示す断面図である。 補助部材が無い場合の電流密度のｘ方向依存性を示すグラフ図である。 補助部材が無い場合の電流密度の周波数依存性を示すグラフである。 補助部材が有る場合のバスバーの電流密度を示す断面図である。 補助部材が有る場合の電流密度のｘ方向依存性を示すグラフ図である。 補助部材が有る場合の電流密度の周波数依存性を示すグラフである。 電流センサ装置の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の補助部材を有する電流センサ装置の実施の形態を、図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図７に基づいて、第１実施形態に係る電流センサ装置を説明する。以下においては、互いに直交する３方向をｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と示す。ちなみに、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向が、特許請求の範囲に記載の横方向、流れ方向、縦方向に相当する。

図１に示すように、電流センサ装置１００は、被測定対象である交流電流の流れる導体９０に設けられる補助部材１０と、交流電流の流動によって生じる磁界（以下、被測定磁界と示す）を電気信号に変換する磁電変換素子２０と、を有する。導体９０は、ｙ方向に延び、ｘ方向とｚ方向とによって規定される規定平面（以下、単に規定平面と示す）の断面形状が、ｚ方向よりもｘ方向に長い形状を成している。本実施形態に係る導体９０は、規定平面の断面形状が、導体９０の幾何学的中心ＧＣをｚ方向に貫く基準線ＢＬを介して対称な、長方形となっている。

補助部材１０は、導体９０におけるｘ方向の２つの端部（以下、単に端部と示す）をそれぞれ独立して覆う覆い部１１，１２を有する。覆い部１１，１２それぞれは、空気よりも透磁率が高く、絶縁性を有する磁性材料から成る。具体的に言えば、覆い部１１，１２それぞれは、フェライトから成る。そして、図１に示すように、２つの覆い部１１，１２それぞれの規定平面における断面形状は、基準線ＢＬを介して対称形状を成している。具体的に言えば、本実施形態に係る覆い部１１，１２それぞれの規定平面における断面形状は、Ｃ字状を成している。これにより、導体９０におけるｘ方向に直交する２つの第１面の全てと、ｚ方向に直交する２つの第２面の一部それぞれが、覆い部１１，１２によって覆われている。これにより、導体９０における２つの端部の間の部位（以下、中央部と示す）が、覆い部１１，１２から露出されている。本実施形態では、覆い部１１，１２と導体９０の端部とが接触しており、両者の相互インダクタンスによって、導体９０の端部のインピーダンスが高まっている。

図１に示すように、覆い部１１，１２との間には空隙がある。導体９０を交流電流が流動すると、それによって被測定磁界が覆い部１１，１２それぞれを透過する。覆い部１１，１２を透過する被測定磁界が増大し、覆い部１１，１２それぞれを透過する被測定磁界が飽和に達すると、磁電変換素子２０を透過する被測定磁界の量が、交流電流の電流量に応じ難くなる。そのため、覆い部１１，１２それぞれを透過する被測定磁界を外部空間に放出しなくてはならない。この外部空間への被測定磁界の放出を行うために、覆い部１１，１２が離反され、両者の間に空隙が設けられている。空隙の大きさは、覆い部１１，１２の間隔に相当するが、この間隔は、対象とする被測定磁界の大きさ（交流電流の電流量）によって決定される。覆い部１１，１２を透過した磁束は、空隙を介して互いに対向する覆い部１１，１２の端面それぞれから外部空間に放出される。

磁電変換素子２０は、ｘ方向に沿う被測定磁界のみを電気信号に変換するものである。具体的に言えば、磁電変換素子２０は、縦型ホール素子である。図１に示すように、磁電変換素子２０は、空隙における基準線ＢＬ上に位置しており、ｘ方向における、覆い部１１と磁電変換素子２０との間の距離、及び、覆い部１２と磁電変換素子２０との間の距離が等しくなっている。

次に、表皮効果による電流密度の変動と被測定磁界の変動を図２〜図４に基づいて説明する。図２では、電流密度をハッチングの粗密で示しているが、ハッチングが粗いほど、電流密度が濃いことを示し、ハッチングが密なほど、電流密度が薄いことを示している。そして、図３では、電流密度を実線と破線とで示しているが、実線は、交流電流によって導体９０に表皮効果が生じない場合の電流密度のｘ方向依存性を示しており、破線は、交流電流によって導体９０に表皮効果が生じる場合の電流密度のｘ方向依存性を示している。また、図３に示す一点鎖線は、幾何学的中心ＧＣのｘ方向での位置を示し、図４に示す一点鎖線は、導体９０に表皮効果が生じ始める交流電流の周波数を示している。なお、図３及び図４に示すグラフの単位は、任意単位である。

交流電流の周波数が、導体９０に表皮効果が生じない程度の場合、交流電流の流動によって生じる磁界（被測定磁界）は、周波数に対して変動しない。そのため、磁電変換素子２０を貫く被測定磁界は一定である。しかしながら、交流電流の周波数が、導体９０に表皮効果が生じるほどに高まると、被測定磁界は、周波数に対して変動する。電流センサ装置１００が、補助部材１０を有さない場合、導体９０に表皮効果が生じると、図２及び図３に示すように、導体９０の端部の電流密度が増大し、中央部の電流密度が減少する。このため磁電変換素子２０を貫く被測定磁界（磁電変換素子２０の出力信号）は、図４に示すように、導体９０に表皮効果が生じない場合、一定であるが、導体９０に表皮効果が生じる場合、周波数に依存して低減する。

次に、本実施形態に係る電流センサ装置１００の作用効果を図５〜図７に基づいて説明する。ちなみに、図５〜図７は、図２〜図４と対応関係にある。すなわち、図５に示すハッチングの粗密は電流密度を示し、図６に示す実線と破線は、電流密度のｘ方向依存性を示している。また、図６に示す一点鎖線は、幾何学的中心ＧＣのｘ方向での位置を示し、図７に示す一点鎖線は、導体９０に表皮効果が生じ始める交流電流の周波数を示している。もちろん、図６及び図７に示すグラフの単位は、任意単位である。

上記したように、電流センサ装置１００は、補助部材１０（覆い部１１，１２）を有しており、覆い部１１，１２と導体９０との相互インダクタンスによって、導体９０の端部のインピーダンスが高まっている。これにより、交流電流の周波数が、導体９０に表皮効果が生じる程度に高まり、２つの端部それぞれの電流密度が、中央部よりも高まったとしても、図５及び図６に示すように、導体９０全体の電流密度が変動（偏在）することが抑制される。このため、図７に示すように、磁電変換素子２０を透過する被測定磁界の変動が抑制される。この結果、交流電流の電流量の検出精度の低下が抑制される。更に言えば、導体９０全体の電流密度の偏在が抑制されるので、電力損失も抑制（低減）される。

導体９０は、規定平面の断面形状が、基準線ＢＬを介して対称形状（長方形）を成し、覆い部１１，１２それぞれの規定平面における断面形状は、基準線ＢＬを介して対称形状（Ｃ字状）を成している。これによれば、規定平面における２つの覆い部それぞれの断面形状が基準線を介して、非対称な形状を成す構成と比べて、２つの端部それぞれのインピーダンスの大きさを等しくすることができる。したがって、導体９０全体の電流密度の偏在が抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、補助部材１０を有する電流センサ装置１００を説明した。しかしながら、補助部材１０単体だけでも、導体９０全体の電流密度の偏在を抑制することができ、被測定磁界の変動を抑制することができる。したがって、補助部材１０単体だけでもよい。

本実施形態では、覆い部１１，１２それぞれと導体９０の端部とが接触している例を示した。しかしながら、図８に示すように、覆い部１１，１２と導体９０とが、離れて互いに対向する構成を採用することもできる。しかしながら、この場合、覆い部１１，１２それぞれは、相互インダクタンスによって、導体９０の端部のインピーダンスが高まる程度に、端部と近接される。ちなみに、図８に示す変形例では、覆い部１１，１２と導体９０との近接距離は、一定となっている。

本実施形態では、磁電変換素子２０がホール素子である例を示した。しかしながら、磁電変換素子２０としては、上記例に限定されず、トンネル磁気抵抗効果素子、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）、若しくは、ＡＭＲを採用することもできる。

本実施形態では、導体９０は、規定平面の断面形状が、導体９０の幾何学的中心ＧＣをｚ方向に貫く基準線ＢＬを介して対称な、長方形である例を示した。しかしながら、導体９０の規定平面における断面形状としては、上記例に限定されず、規定平面の断面形状が、ｚ方向よりもｘ方向に長い形状を成していればよい。例えば、表皮効果を緩和するために、本実施形態に記載の導体９０の角部にＲが設けられた構成を採用することもできる。

本実施形態では、覆い部１１，１２それぞれがフェライトである例を示した。しかしながら、覆い部１１，１２の材料としては、上記例に限定されず、空気よりも透磁率が高く、絶縁性を有する磁性材料であればよい。ちなみに、覆い部１１，１２としては、空気よりも透磁率が高く、導電性を有する磁性材料と、該磁性材料の表面を覆う絶縁膜と、を有する構成を採用することもできる。

本実施形態では、覆い部１１，１２それぞれの規定平面における断面形状が、基準線ＢＬを介して対称形状であり、Ｃ字状である例を示した。しかしながら、覆い部１１，１２それぞれの規定平面における断面形状としては、上記例に限定されず、導体９０の端部を覆うことができる形状であればよい。

本実施形態では、磁電変換素子２０は、空隙における基準線ＢＬ上に位置しており、ｘ方向における、覆い部１１と磁電変換素子２０との間の距離、及び、覆い部１２と磁電変換素子２０との間の距離が等しい例を示した。しかしながら、磁電変換素子２０の配置位置としては、上記例に限定されず、被測定磁界が印加される位置であれば、適宜採用することができる。例えば、導体９０によって覆い部１１，１２によって覆われた領域以外の領域（非覆い領域）と磁電変換素子２０とが対向配置された構成を採用することもできる。

１０・・・補助部材
１１，１２・・・覆い部
２０・・・磁電変換素子
９０・・・導体
１００・・・電流センサ装置

Claims (7)

1. 交流電流の流れる導体（９０）に設けられる補助部材であって、
   前記導体は、前記交流電流の流れ方向に延び、前記流れ方向に直交する横方向と縦方向とによって規定される規定平面の断面形状が、前記縦方向よりも前記横方向に長い形状を成し、
   空気よりも透磁率が高く、絶縁性を有する磁性材料から成り、前記導体における前記横方向の２つの端部をそれぞれ独立して覆う２つの覆い部（１１，１２）を有しており、
   ２つの前記覆い部それぞれは、前記導体における横方向の端部と接触、若しくは、前記導体における横方向の端部のインピーダンスが高まる程度に近接していることを特徴とする補助部材。
2. 前記規定平面における前記導体の断面形状は、前記導体の幾何学的中心（ＧＣ）を前記縦方向に貫く基準線（ＢＬ）を介して、対称形状を成しており、
   前記規定平面における２つの前記覆い部それぞれの断面形状は、前記基準線を介して、対称形状を成すことを特徴とする請求項１に記載の補助部材。
3. 前記規定平面における２つの前記覆い部それぞれの断面形状は、Ｃ字状を成し、前記導体における前記横方向の端部の全て、及び、前記縦方向の端部の一部それぞれが、前記２つの覆い部によって覆われていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の補助部材。
4. ２つの前記覆い部それぞれと前記導体とは、近接しており、
   ２つの前記覆い部それぞれと前記導体との近接距離は、一定となっていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の補助部材。
5. 請求項１〜４いずれか１項に記載の補助部材と、
   前記交流電流の流動によって生じる被測定磁界を電気信号に変換する磁電変換素子（２０）と、を有することを特徴とする電流センサ装置。
6. 前記導体の幾何学的中心（ＧＣ）を前記縦方向に貫く基準線上に、前記磁電変換素子が位置しており、
   前記横方向における、２つの前記覆い部の一方と前記磁電変換素子との間の距離、及び、２つの前記覆い部の他方と前記磁電変換素子との間の距離が等しいことを特徴とする請求項５に記載の電流センサ装置。
7. 前記磁電変換素子は、前記横方向に沿う被測定磁界のみを電気信号に変換することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の電流センサ装置。

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