JP2016200568A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数特性の悪化を回避しつつ検出感度を高める。
【解決手段】巻芯１１に電線２１ａ〜２１ｃが巻回されて全体として環状体に形成されたロゴスキーコイル２と、ロゴスキーコイル２の両端間に発生する誘導起電圧Ｖａ〜Ｖｃに基づいて、ロゴスキーコイル２の内側を貫通する検出対象６１に流れる電流Ｉの振幅に応じた振幅の検出電圧Ｖｉを出力する信号処理部３とを備えて、ロゴスキーコイル２は、３本の電線２１ａ〜２１ｃが重ね巻きされて単層構造に形成されると共に、この３本の電線２１ａ〜２１ｃの一方の端部同士が巻き戻し線１３に接続されて同電位に規定され、信号処理部３は、この一方の端部の電位を基準として各電線２１ａ〜２１ｃの他方の端部から出力される各誘導起電圧Ｖａ〜Ｖｃを加算して検出電圧Ｖｉとして出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻芯に電線が巻回されて全体として環状体に形成されたコイルの両端間に発生する誘導起電圧に基づいて、このコイルの内側を貫通する検出対象に流れる電流を検出する電流検出装置に関するものである。

この種の電流検出装置の一例として、下記の特許文献１に開示された電流検出器が知られている。この電流検出器は、ロゴスキーコイルの原理による検出部を備えて、被測定電流線に流れる電流を検出する。この電流検出器について図３を参照して説明する。同図に示す電流検出装置５１は、芯部（巻芯）５２、コイル（巻線）５３および導電線（巻き戻し線）５４を備えて構成されている。この場合、芯部５２は、絶縁性および可撓性を有するチューブで構成されている。コイル５３は、この芯部５２の外周面に絶縁被覆を有する１本の電線が螺旋状に巻回されて構成されている。導電線５４は、芯部５２の中心部を貫通して配設されて、その一方の端部はコイル５３の一方の端部と接続部（不図示）で接続されている。

また、コイル５３の他方の端部と導電線５４の他方の端部は共に出力線５５，５６として外部に引き出されている。また、この電流検出装置５１では、一例として、コイル５３の外周にシールド層（例えば静電シールド層）を含む外被層５７が形成されている。また、出力線５５，５６には信号処理部５８が接続されて、この信号処理部５８が、出力線５５，５６からの出力信号（誘導起電圧Ｖ１）を処理することで、コイル５３の内側を貫通する検出対象（被測定電流線）６１に流れる電流Ｉの振幅に応じた（具体的には比例した）振幅の検出電圧Ｖｉを検出して出力したり、さらにはこの検出電圧Ｖｉに基づいて電流Ｉの電流値を検出して出力したりする。

特開２００６−３２９８２６号公報（第３−４頁、第１，３図）

ところで、上記した電流検出装置において、電流検出装置５１での検出感度（検出度）を高めようとするときには、上記の特許文献１に記載されているように１本の電線を巻芯に、より密に（より狭いピッチ（間隔）で）巻回したり、また１本の電線を多層に巻回したりすることでコイルのターン数（巻回数）を増加させる必要がある。しかしながら、上記した電流検出装置では、このいずれの構成においても、コイルを形成する電線間の静電容量（線間容量や層間容量）が増加し、これにより、コイルの共振点が低下することから、周波数特性が悪化するという解決すべき課題が存在する。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、周波数特性の悪化を回避しつつ検出感度を高め得る電流検出装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の電流検出装置は、巻芯に電線が巻回されて全体として環状体に形成されたコイルと、当該コイルの両端間に発生する誘導起電圧に基づいて、当該コイルの内側を貫通する検出対象に流れる電流の振幅に応じた振幅の検出電圧を出力する信号処理部とを備えている電流検出装置であって、前記コイルは、複数本の電線が重ね巻きされて単層構造に形成されると共に、当該複数本の電線における巻始め端部および巻き終わり端部のうちの一方の端部同士が同電位に規定され、前記信号処理部は、前記一方の端部の電位を基準として前記巻始め端部および前記巻き終わり端部のうちの他方の端部から出力される各誘導起電圧を加算して前記検出電圧として出力する。

請求項２記載の電流検出装置は、請求項１記載の電流検出装置において、前記複数本の電線は、外周面に絶縁被覆が形成された複数の素線を撚り合わせて形成されたリッツ線の当該素線で構成されている。

請求項１記載の電流検出装置によれば、検出対象に流れる電流の振幅に応じた振幅の検出電圧を、各電線から出力される誘導起電圧を加算することで検出感度を高めた状態で、しかも各電線間に分布して存在している静電容量の影響を殆ど受けることなく周波数特性の良好な状態で検出して出力することができる。

請求項２記載の電流検出装置によれば、電線としての素線が撚り合わされて構成されたリッツ線を用いて巻線を形成したことにより、複数の電線を撚り合わせる手間を省くことができるため、巻線の形成作業の効率化を図ることができる。

電流検出装置１の構成図である。 図１のロゴスキーコイル２を等価回路で表記した電流検出装置１の構成図である。 従来の電流検出装置５１の構成図である。

以下、電流検出装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、電流検出装置の各構成について、図面を参照して説明する。

まず、図１に示す電流検出装置としての電流検出装置１の構成について説明する。なお、本例では一例として、電流検出装置の一部を構成するコイルがロゴスキーコイルとして構成されている場合について説明する。

電流検出装置１は、コイルとしてのロゴスキーコイル２および信号処理部３を備え、ロゴスキーコイル２の内側を貫通する検出対象６１に流れる電流Ｉの振幅に応じた（具体的には比例した）振幅の検出電圧Ｖｉを出力する。

ロゴスキーコイル２は、一例として、図１に示すように、巻芯１１、巻線１２、巻き戻し線１３、外被層１４、１組の出力電線１５，１６および保持部１７を備えて構成されている。なお、図１においては、発明の理解を容易にするため、保持部１７については破線で図示している。

巻芯１１は、絶縁性および可撓性を有する非磁性材料（例えば、シリコーンゴムなど）を用いて棒状に形成されて、図１に示すように、両端部が近接する環状に曲がること（環状体に変化すること）が可能となっている。なお、巻芯１１の断面形状は、円形、四角形などの多角形、または楕円形などの種々の形状とすることができる。

巻線１２は、複数本の電線（本例では一例として図１に示すように３本の電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃ。以下、特に区別しないときには「電線２１」ともいう）が巻芯１１の外周面にほぼ均等なピッチ（隙間が均等に空いた粗な状態）で、巻芯１１の一端部（同図中の右端部）から他端部（同図中の左端部）に亘って（つまり、巻芯１１全体に亘って）螺旋状に、かつ単層構造で巻回（重ね巻き（いわゆるマルチファイラ巻））されて形成されている。また、各電線２１は、それぞれの表面が絶縁被覆で覆われているため、後述するようにして巻き戻し線１３の他端部（同図中の左端部）に接続される他端部（同図中の左端部）を除いて、相互間の電気的絶縁性が確保されている。ここで、「単層構造で巻回する」とは、巻芯１１の外周面に巻回した電線２１に対してさらに電線２１を重ねて巻回しないようにすることを意味する。

また、巻線１２を構成する各電線２１は、上記したように重ね巻き（マルチファイラ巻）されていることから、図１に示すように、互いに密着（近接）した状態（例えば、束ねられたり、撚り合わされたり、編まれたり、互いに密着する状態で並べられたりして、あたかも１本の電線のように集合した状態）で巻回されている。本例では一例として、巻線１２は、電線２１としての素線が撚り合わされて構成されたリッツ線を用いて形成されている。これにより、各電線２１間には、図１，２に示すように、ある程度の容量値（無視し得ない容量値）の静電容量（電線間容量）Ｃ１が長さ方向の全域に亘って均一に分布した状態になっている。

一方、巻線１２全体としては、上記したように、ほぼ均等なピッチで、具体的には、図１に示すように、巻線１２の対向する部位間に形成される静電容量Ｃ２の容量値が極めて小さくなる（ほぼ無視できる）程度の均等な隙間がこの部位間に形成された粗な状態で形成されている。

巻き戻し線１３は、電線で構成されて、図１に示すように、巻芯１１の中心部に巻芯１１を貫通した状態で配設されている。また、巻き戻し線１３は、一例として、同図に示すように、巻芯１１の他端部（同図中の左端部）から突出する他端部（同図中の左端部）が、巻線１２を構成するすべての電線２１の他端部（同図中の左端部。巻線１２の巻始め端部および巻き終わり端部のうちの一方の端部）と電気的に接続されている。これにより、すべての電線２１の他端部（一方の端部）は同電位に規定される。

外被層１４は、図示はしないが、例えば筒状の平編み銅線を用いて構成されたシールド層（内側層）と、シールド層の外面を覆う絶縁層（外側層）とで構成されて、図１に示すように巻芯１１の一端部から他端部に亘って、巻線１２を覆うようにして配設されている。

１組の出力電線１５，１６を構成する一方の出力電線１５は、図１に示すように、各電線２１と同じ本数の出力電線（本例では３本の出力電線１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）を備えて構成されている。この場合、出力電線１５ａは、一端部が各電線２１のうちの対応する１本の電線２１ａの一端部（巻線１２の巻始め端部および巻き終わり端部のうちの他方の端部となる端部。同図中の右端部）に電気的に接続されると共に、他端部側が外被層１４の外部に引き出されている。また、出力電線１５ｂは、一端部が各電線２１のうちの対応する１本の電線２１ｂの一端部（巻線１２の巻始め端部および巻き終わり端部のうちの他方の端部となる端部。同図中の右端部）に電気的に接続されると共に、他端部側が外被層１４の外部に引き出されている。また、出力電線１５ｃは、一端部が各電線２１のうちの対応する１本の電線２１ｃの一端部（巻線１２の巻始め端部および巻き終わり端部のうちの他方の端部となる端部。同図中の右端部）に電気的に接続されると共に、他端部側が外被層１４の外部に引き出されている。

一方、１組の出力電線１５，１６を構成する他方の出力電線１６は、図１に示すように、一端部が巻き戻し線１３の一端部（同図中の右端部）に電気的に接続されると共に、他端部側が外被層１４の外部に引き出されている。

保持部１７は、図１に示すように、絶縁性を有する材料で筒体に形成されて、外被層１４で覆われた巻芯１１の一端部側に、この一端部側が一方の開口部側（同図中における保持部１７の右側の開口部側）から内部に挿入された状態で取り付けられている。また、保持部１７は、他方の開口部側（同図中における保持部１７の左側の開口部側）から、外被層１４で覆われた巻芯１１の他端部側を内部に挿着可能に構成されている。また、保持部１７は、外被層１４で覆われた巻芯１１の他端部側が内部に挿着された状態において、巻芯１１の各端部の端面同士が対向し、巻線１２の各端部同士が電気的に接続されない状態で、巻芯１１の他端部側を着脱自在に保持する機能を備えている。この構成により、ロゴスキーコイル２は、検出対象６１に対して着脱自在に取り付け可能となっている。

信号処理部３は、図１，２に示すように、巻線１２を構成する１つの電線２１ａのその一方の端部の電位を基準としてその他方の端部から出力される誘導起電圧Ｖａ（つまり、出力電線１５ａおよび出力電線１６間から出力される電圧）と、巻線１２を構成する１つの電線２１ｂのその一方の端部の電位を基準としてその他方の端部から出力される誘導起電圧Ｖｂ（つまり、出力電線１５ｂおよび出力電線１６間から出力される電圧）と、巻線１２を構成する１つの電線２１ｃのその一方の端部の電位を基準としてその他方の端部から出力される誘導起電圧Ｖｃ（つまり、出力電線１５ｃおよび出力電線１６間から出力される電圧）とを加算して検出電圧Ｖｉとして出力する。

本例では、信号処理部３は、一例として、演算増幅器３１、帰還回路３２、および巻線１２を構成する電線２１と同数の入力抵抗３３（本例では３つの入力抵抗３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）で構成された増幅回路３ａを備えている。

この場合、演算増幅器３１は、その非反転入力端子が、電流検出装置１の基準電位（グランドＧの電位）に規定されると共に出力電線１６の他端部に接続されている。また、演算増幅器３１の反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還回路３２は、帰還抵抗３２ａと、帰還抵抗３２ａに並列接続されたコンデンサ３２ｂとを備えている。また、入力抵抗３３ａは、一端が出力電線１５ａに接続されると共に、他端が演算増幅器３１の反転入力端子に接続されている。また、入力抵抗３３ｂは、一端が出力電線１５ｂに接続されると共に、他端が演算増幅器３１の反転入力端子に接続されている。また、入力抵抗３３ｃは、一端が出力電線１５ｃに接続されると共に、他端が演算増幅器３１の反転入力端子に接続されている。以上の構成により、本例の増幅回路３ａは、各出力電線１５ａ〜１５ｃから出力される各誘導起電圧Ｖａ〜Ｖｃを加算すると共に積分して検出電圧Ｖｉを出力する反転増幅器として機能する。

なお、この信号処理部３では、上記したように、１つの増幅回路３ａが、積分機能と加算機能の双方を備えているが、図示はしないが、誘導起電圧Ｖａ〜Ｖｃを加算する１つの加算器と、この加算器の出力を積分して検出電圧Ｖｉを出力する１つの積分器とで増幅回路を構成したり、誘導起電圧Ｖａ〜Ｖｃを個別に積分する３つの積分器と、各積分器の出力を加算して検出電圧Ｖｉを出力する１つの加算器とで増幅回路を構成したりすることもできる。

次に、電流検出装置１の動作について説明する。

この電流検出装置１では、図１に示すように、ロゴスキーコイル２が検出対象６１に取り付けられた状態（環状に形成されたロゴスキーコイル２の内側を検出対象６１が貫通する状態）において、巻線１２が検出対象６１に電流Ｉが流れることに起因して検出対象６１の周囲に発生する磁界（不図示）を検出する。

この場合、巻線１２を構成する重ね巻きされた各電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃは巻回数が同一であるため、各電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃには、振幅が同じで、かつ位相も同じ状態の誘導起電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃが発生する。信号処理部３では、増幅回路３ａが、各誘導起電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを積分すると共に加算して、検出電圧Ｖｉを出力する。

この構成により、この電流検出装置１では、信号処理部３が、巻線１２が１本の電線で形成されている構成において出力される検出電圧Ｖｉの振幅と比較して、その３倍（巻線１２を構成する各電線２１の本数倍）の振幅で検出電圧Ｖｉを出力すること（つまり、検出感度が高められた状態で検出電圧Ｖｉを出力すること）が可能になっている。

また、巻線１２を構成する各電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、上記したように重ね巻き（マルチファイラ巻）されて、上記したようにそれぞれの一端部に振幅が同じで、かつ位相も同じ誘導起電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃが発生する。このため、図２に示すように、巻き戻し線１３の他端部（図２中の左端部）と接続されて同じ電位となっている電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃの各他端部（同図中の左端部）から同じ距離Ｌに位置する電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃの各部位には、電圧Ｖｗａ，Ｖｗｂ，Ｖｗｃが、常に同じ振幅で、かつ常に同じ位相の状態で発生する。つまり、同じ距離Ｌに位置する電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃの各部位間の電位差がほぼゼロボルトの状態に維持されている。これにより、重ね巻き（マルチファイラ巻）されることに起因して各電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃ間に分布している静電容量Ｃ１には殆ど電流が流れない状態に維持される。さらに、上記したように、巻線１２の対向する部位間に形成される静電容量Ｃ２の容量値は極めて小さい状態になっている。

この構成により、この電流検出装置１では、ロゴスキーコイル２が、各電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃ間に存在している静電容量Ｃ１の影響を殆ど受けることなく、検出対象６１の周囲に発生する磁界を周波数特性の良好な状態で検出して誘導起電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを出力することが可能であり、その結果として、信号処理部３が周波数特性の良好な状態で検出電圧Ｖｉを出力することが可能になっている。

このように、この電流検出装置１によれば、検出対象６１に流れる電流Ｉの振幅に応じた（比例した）振幅の検出電圧Ｖｉを、各電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃから出力される誘導起電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを加算することで検出感度を高めた状態で、しかも各電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃ間に分布して存在している静電容量Ｃ１の影響を殆ど受けることなく周波数特性の良好な状態で検出して出力することができる。

また、この電流検出装置１によれば、電線２１としての素線が撚り合わされて構成されたリッツ線を用いて巻線１２を形成したことにより、複数の電線２１を撚り合わせる手間を省くことができるため、巻線１２の形成作業の効率化を図ることができる。

なお、上記の例では、信号処理部３が、増幅回路３ａを備えて、検出電圧Ｖｉを出力する構成を採用しているが、図示はしないが、増幅回路３ａに加えて、例えば、検出電圧Ｖｉを増幅するアンプ、およびアンプで増幅された信号に基づいて指針が駆動されるメータ部を備えて、信号処理部３が検出電圧Ｖｉの電圧値（つまり、電流Ｉの電流値）を出力する構成を採用することもできる。また、信号処理部３が、増幅回路３ａに加えて、例えば、検出電圧ＶｉをＡ／Ｄ変換してデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換器、およびこのデジタル値に基づいて電流Ｉの電流値を算出して出力するコンピュータを備える構成を採用することもできる。

また、上記の例では、巻線１２を複数本の電線２１の一例として３本の電線２１ａ，２１ｂ，２１ｃで構成しているが、巻線１２を構成する電線２１の本数は２本であってもよいし、４本以上であってもよい。その場合、増幅回路３ａでは、電線２１の本数に合わせた数の入力抵抗３３を設けて加算するようにする。

また、上記の例では、巻芯１１が非磁性材料で形成され、かつ巻線１２と共に巻き戻し線１３を備えることで、コイルがロゴスキーコイル２として形成されているが、巻芯１１を磁性材料（例えば、フェライトなどの磁性材料）を用いて磁性コアとして形成し、かつ巻き戻し線１３を使用しないで巻線１２のみで構成することで、コイルをロゴスキーコイル以外の形態のコイルに形成することもできる。この場合、磁気コアについては、検出対象６１をクランプし得る構成であれば、分割型および非分割型のいずれの構成も採用することができる。

１ 電流検出装置
２ コイル（ロゴスキーコイル）
３ 信号処理部
１１ 巻芯
１２ 巻線
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 電線
６１ 検出対象
Ｉ 電流
Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ 誘導起電圧
Ｖｉ 検出電圧

Claims (2)

1. 巻芯に電線が巻回されて全体として環状体に形成されたコイルと、
   当該コイルの両端間に発生する誘導起電圧に基づいて、当該コイルの内側を貫通する検出対象に流れる電流の振幅に応じた振幅の検出電圧を出力する信号処理部とを備えている電流検出装置であって、
   前記コイルは、複数本の電線が重ね巻きされて単層構造に形成されると共に、当該複数本の電線における巻始め端部および巻き終わり端部のうちの一方の端部同士が同電位に規定され、
   前記信号処理部は、前記一方の端部の電位を基準として前記巻始め端部および前記巻き終わり端部のうちの他方の端部から出力される各誘導起電圧を加算して前記検出電圧として出力する電流検出装置。
2. 前記複数本の電線は、外周面に絶縁被覆が形成された複数の素線を撚り合わせて形成されたリッツ線の当該素線で構成されている請求項１記載の電流検出装置。

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