JP2017102105A - 電流測定デバイス及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流測定デバイス、当該デバイスと組み合わせる補正回路、及び当該デバイスを用いて電流測定を改善する方法を提供する。
【解決手段】電流測定デバイスは、電流がその間で流れ方向に流れることができる２つの端面と、流れ方向と平行な少なくとも２つの平坦側面とを有する平坦側面の主導体と、磁性材料で形成され、主導体の第１の平坦側面に又はこれに隣接して配置される第１の場修正要素と、磁性材料で形成され、主導体の第２の平坦側面に又はこれに隣接して配置される第２の場修正要素と、主導体並びに第１の場修正要素及び第２の場修正要素において又はこれに隣接して、２つの平坦側面の平面の間に延びるコイル軸線を有する少なくとも１つの検知コイルと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流測定デバイス、当該デバイスと組み合わせる補正回路、及び当該デバイスを用いて電流測定を改善する方法に関する。さらに、本発明は、電流測定デバイスを用いて、主導体を流れる電流に対する検知コイルの誘導電磁場の比例関係を改善する方法、及び当該電流測定デバイスを用いて通電主導体中の電流を測定する際に検知コイル分解能を改善する方法に関する。

電磁誘導の古典的法則から、電線等の通電導体から電磁場が発生することが理解される。そのような電磁場は、隣接する検知コイル中に、測定可能な電圧信号を誘導することも知られている。検知コイルから出力可能な信号は、通電導体を流れる電流の大きさに少なくとも部分的に関連する。

検知コイルと通電導体との間の関連性を改善又は最適化できること、結果的に出力信号の所望の分解能又は精度に悪影響を及ぼすことなく、検知コイルのサイズを低減できることは有益である。このことは、検知コイルだけでなく、必要に応じて監視される通電導体のサイズの低減を結果的に可能にする。精度を低下させることなくサイズを低減できると材料コストの低減につながる。

従って、本発明は、上記の問題に対する解決法を提供しようとするものである。

本発明の第１の態様によれば、電流測定デバイスが提供され、電流測定デバイスは、電流がその間で流れ方向に流れることができる２つの端面と、流れ方向と平行な少なくとも２つの平坦側面とを有する平坦側面の主導体と、磁性材料で形成され、主導体の第１の平坦側面に又はこれに隣接して配置される第１の場修正要素と、磁性材料で形成され、主導体の第２の平坦側面に又はこれに隣接して配置される第２の場修正要素と、主導体並びに第１の場修正要素及び第２の場修正要素において又はこれに隣接して、２つの平坦側面の平面の間に延びるコイル軸線を有する少なくとも１つの検知コイルと、を備え、平坦側面の主導体を流れる電流によって形成された電磁場は、第１の場修正要素及び第２の場修正要素によって、検知コイルのコイル軸線と平行に又は実質的に平行にさらに広がるように修正され、これにより検知コイルの誘導ＥＭＦは、平坦側面の主導体を流れる電流との比例関係が改善される。

また、電流測定デバイスが提供され、電流測定デバイスは、電流がその間で流れ方向に流れることができる２つの端面と、流れ方向と平行な少なくとも２つの平坦側面とを有する主導体と、磁性材料で形成され、主導体の第１の平坦側面に又はこれに隣接して配置される第１の場修正要素と、磁性材料で形成され、主導体の第２の平坦側面に又はこれに隣接して配置される第２の場修正要素と、主導体並びに第１の場修正要素及び第２の場修正要素において又はこれに隣接して、２つの平坦側面の平面の間に又は実質的に平面の間に延びる少なくとも１つの検知デバイスと、を備え、平坦側面の主導体を流れる電流によって形成された電磁場は、第１の場修正要素及び第２の場修正要素によって、検知デバイスと平行に又は実質的に平行にさらに広がるように修正され、これにより検知デバイスの誘導ＥＭＦは、平坦側面の主導体を流れる電流との比例関係が改善される。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様による電流測定デバイスと組み合わせる補正回路が提供され、補正回路は、検知コイルからの又は検知コイルの各々からの誘導ＥＭＦに対応する出力信号を受け取るための入力と、オペアンプを有して出力信号の位相差を変更して主導体中の電流と同相に又は実質的に同相に変更された出力信号を形成することができる差動位相補正積分回路とを有する。

好ましくは、補正回路は、変更された出力信号を校正及びスケーリングするためのスケーリング校正回路を含み、スケーリング校正回路は別のオペアンプを含む。

本発明の第３の態様によれば、好ましくは本発明の第１の態様による電流測定デバイスを用いて電流測定を改善する方法が提供され、本方法は、導電主導体の対向する平坦側面と、関連する第１の場修正要素及び第２の場修正要素とを利用することによって、通電主導体によって形成される電磁場を修正するステップを含み、電磁場は、関連する検知コイルのコイル軸線に対してより平行に又は実質的に平行になり、平坦側面の主導体を流れる電流に対する、検知コイルの誘導ＥＭＦの比例関係を改善するようになっている。

本発明の第４の態様によれば、好ましくは本発明の第１の態様による電流測定デバイスを用いて、主導体を流れる電流に対する検知コイルの誘導ＥＭＦの比例関係を改善する方法が提供され、本方法は、主導体上に対向する平坦側面を提供するステップと、通電時に主導体によって形成される電磁場を、平坦側面と関連する第１の場修正要素及び第２の場修正要素を用いて修正するステップと、を含み、それにより電磁場は、関連する検知コイルのコイル軸線に対してより平行に又は実質的に平行になる。

本発明の第５の態様によれば、通電主導体を流れる電流を、本発明の第１の態様による電流測定デバイスを用いて測定する場合に検知コイルの精度を改善する方法が提供され、本方法は、通電主導体によって形成される電磁場を、通電主導体上の対向する平坦側面に関連する第１の場修正要素及び第２の場修正要素を用いて修正するステップを含み、それにより電磁場は、関連する検知コイルのコイル軸線に対してより平行に又は実質的に平行になる。

以下、本発明は、添付図面を参照して例示的に詳細に説明される。

本発明の第１の態様による電流測定デバイスの１つの実施形態を２つの検知コイルを取り外した状態で端面から見た概略図である。 図１に類似した概略図であり、検知コイルが取り付けられた電流測定デバイスを示す。 図２に示した電流測定デバイスの概略側面図である。 電流測定デバイスと組み合わせる補正回路の単純化した回路図である。

まず、図１から図３を参照すると、電流測定デバイス１０の１つの実施形態が示されており、電流測定デバイス１０は、主導体１２、第１の場修正（field modifying）要素１４、第２の場修正要素１６、及びこの場合は検知コイル１８ａ、１８ｂであることが好ましい２つの検知デバイス１８を備える。

主導体１２はバスバー（busbar）であることが好都合であるが、他の任意の適切な導電性要素とすることができる。バスバー又は他の適切な主導体１２は、この場合は剛性であるか又は少なくとも硬く、電気的断路スイッチ又は他の適切な種類の切換コネクタの一部を形成することが好ましい。バスバー１２は、細長くて、真鍮、鋼又は銅のような金属から形成することが好ましく、直線状、湾曲状、又はこれらの組合せとすることができる。

バスバー１２は、端面２０で始まりかつ終わる第１の寸法の長さＬ１と、第２の寸法の幅Ｗ１と、第３の寸法の高さＨとを有することが好ましい。幅Ｗ１及び高さＨは、互いに垂直であり、同様に長さＬ１に対しても垂直であることが好ましく、第１の寸法は、第２の寸法及び第３の寸法よりも大きく、第２の寸法は、第３の寸法よりも小さい。これにより、バスバー１２又は他の適切な主導体は、長手方向範囲の一部（少なくとも主要部分であることが好ましい）の側面でこれに沿った矩形又は実質的に矩形の断面を定めることが結果的に可能になる。

主導体は、矩形又は実質的に矩形であることが好ましいが、別の多角形又は実質的に多角形の断面とすることができる。しかしながら、矩形又は実質的に矩形の断面が最も有益であり、その理由は、断面は細長いので、対向する端面２０の間に又は長手方向範囲の少なくとも一部に沿って延びる、対向する平坦な又は平面状の小側面２２を提供するからである。この場合、平坦な小側面２２は、前述の幅Ｗ１を定める。

矩形又は実質的に矩形の断面の別の利点は、対向する平坦な又は平面状な大側面２４を定めることであり、大側面２４は、対向する端面２０の間又は長手方向範囲の少なくとも一部に沿って、好ましくは小側面２２に対して垂直に延びる。この場合、平坦な大側面２４は、前述の高さＨを定める。

第１の場修正要素及び第２の場修正要素１４、１６は、磁性材料で形成することが好都合であり、この場合、剛性であるか又は硬く、平面状の又は実質的に平面状のプレート１４ａ、１６ａであることが好ましい。プレート１４ａ、１６ａは、この場合、磁化可能な材料、すなわち鉄、コバルト、ニッケル、又は鋼のような軟質磁性材料から形成できる。しかしながら、プレート１４ａ、１６ａは、永久磁石のような硬質磁性材料から同様に形成することができ、永久磁石は、例えばネオジム鉄ホウ素磁石又はサマリウムコバルト磁石のような希土類磁石である。

連続的な又は切れ目がない、この場合は好ましくは矩形である平面プレート１４ａ、１６ａが示唆されるが、非平面プレートを利用して、又は少なくとも非平面部分を有して実現可能とすることができ、それにより電流が主導体１２を流れる際に誘導電磁場をさらに修正することが可能になる。これは、以下に詳細に説明する。

追加的に又は代替的に、プレートは、必要であれば、不連続とすること又は開口部を有することができる。前述の場合と同様に、発生電磁場をさらに調整できることが明らかになる。

第１の場修正要素及び第２の場修正要素１４、１６を主導体１２の平坦な小側面２２に又はこれに隣接して、さらに好ましくは平坦な小側面の幅Ｗ１にオーバーラップして又はこれを越えて好適に支持するために、上記２つの検知コイル１８ａ、１８ｂが設けられており、この場合、主導体１２に対して相隔たる関係でクリップ留めされることが好ましい。検知コイル１８ａ、１８ｂは、ボビン巻型２６を備え、その周りに導電性ワイヤ２８を複数ターン、通常は複数の重ね合わせターン又は行程で巻き付けてしっかり束ねる。

巻型２６の各端部は、第１の場修正要素及び第２の場修正要素１４、１６の端部又は側部を収容するための、好ましくは細長い保持体３２を備えることができる。一般に、保持体３２は、好都合には本体内に凹部３４を含むことができる。凹部３４は、スロット形状とすることができ、第１の場修正要素及び第２の場修正要素１４、１６の一方の一部を、相補的な嵌合いで収容するのに十分な大きさとすることができる。凹部３４の大きさにより、第１の場修正要素及び第２の場修正要素１４、１６それぞれに対する許容差又は緊密嵌合が可能となる。

第１の検知コイル及び第２の検知コイル１８ａ、１８ｂのそれぞれの端部にかみ合う第１の場修正要素及び第２の場修正要素１４、１６を用いて、次に、コイル１８ａ、１８ｂは、上述したようにクリップ又はブラケット３６ａの形態であることが有益なそれらのハンガー３６を用いて、主導体１２に対して物理的に又は機械的に直接連結される。

クリップ又はブラケット３６ａは、細長い剛性又は半剛性アーム３８の形態であり、巻型２６から一端が飛び出し、対向する検知コイル１８ａ、１８ｂに向かって突出する。各クリップ又はブラケット３６ａは、互いにオフセットしており、小側面２２の上に位置して、検知コイル１８ａ、１８ｂをそれぞれの大側面２４から相隔たる関係で保持する。

検知コイル１８ａ、１８ｂと主導体１２の大側面２４との間に空隙が存在するが、各検知コイルは、それぞれの大側面に直接取り付けることができる。この場合、電気絶縁層又は部材を設けて、各検知デバイスを主導体から電気的に絶縁して、直流が検知デバイスに流れるのを防止すること又は阻止することが好ましい。

ハンガー３６は、検知コイル１８ａ、１８ｂを主導体１２からこのように取り外し可能にできる点で有益である。しかしながら、必要に応じて、例えばブラケットの形態とすることができる恒久的な締結を考えることができ、ブラケットは、例えば溶着、接合、又は１又は２以上のねじ式ファスナによって、主導体１２に恒久的に取り付けられる。

２つの検知コイル１８ａ、１８ｂは、高い分解能をもたらすために好ましいが、唯一の検知コイル又は他の適切な検知デバイス又は手段を利用することができる。

図３で最も良く分かるように、各検知コイル１８ａ、１８ｂは幅Ｗ２であり、深さＤよりも大きいことが好ましい。検知コイル１８ａ、１８ｂ、従ってそれぞれのコイル軸線４０の長さＬ２は、小側面２２の平面４２へ又は実質的に平面４２へ延びる。従って、各検知コイル１８ａ、１８ｂの横方向の広がりは、多角形又は実質的に多角形であることが好ましく、矩形又は実質的に矩形であることがさらに好ましく、この場合は、コイル長さＬ２の少なくとも大部分に沿って一様であるか又は実質的に一様である。

第２の電導体４４は各コイル端部から延びており、本明細書において全体を通じて「ＥＭＦ」としても参照される誘導起電力に基づいて電圧信号を監視することを可能にする。

バスバー１２又は他の主導体の断面図が矩形又は実質的に矩形であることが示唆されているが、小側面を利用する場合は、必要に応じて、大側面は弓形又は部分的に弓形で実現できる。

使用時、平坦側面の主導体１２の各端面２０の間に流れ、結果的に流れ方向４６を定める電流を用いて、平坦側面の主導体１２の中の電流によって誘導された電磁場Ｆは、第１の場修正要素及び第２の場修正要素１４、１６によって修正される。図１及び図２から理解できるように、電磁場Ｆは、検知コイル１８ａ、１８ｂのコイル軸線４０と平行に又は実質的に平行にさらに広がるように変更又は再形成される。例示的に、検知コイル１８ａ、１８ｂを取り外した状態で電磁場Ｆを表わす図１を参照されたい。

検知コイル１８ａ、１８ｂを主導体１２に機械的に連結すると、誘導起電力がもたらされて電圧信号を出力することが可能になる。誘導起電力、従って関連する監視電圧は、主導体１２内を流れる電流との改善された比例関係を有するが、これは、主導体１２の矩形又は実質的に矩形の横断面と、好ましくは突出する第１の場修正要素及び第２の場修正要素１４、１６との組み合わせに起因し、第１及び第２の場修正要素１４、１６は、上述したように生成された電磁場を変更して、検知コイル１８ａ、１８ｂのコイル軸線４０と平行に又は実質的に平行にさらに広げる。こうして、主導体１２中を流れる電流に比例する監視電圧の高い分解能又は精度が実現される。

この結果として、電流又は現在監視される電圧の分解能又は精度を、実際には所望の用途に関して十分な又は適切とすることができるように維持するために、検知コイル１８ａ、１８ｂの容積又はサイズを実質的に低減することができる。こうして、同様の利点をもたらしながら、検知コイル１８ａ、１８ｂの製造時の材料、製造時間、及び費用低減だけでなく、主導体１２のサイズを低減することができる。

図４に示すように、補正回路４８は、前述の電流測定デバイス１０と組み合わせて利用できる。このことは、第２の電導体４４の出力信号が９０度遅延し、結果的に主導体１２で測定される又は監視される電流と位相が不一致になるので好都合である。

この目的のために、補正回路４８は、誘導電圧に対応して検知コイル１８ａ、１８ｂから出力信号を受け取るための信号入力部５０と、オペアンプとも呼ばれる第１の演算増幅器５４を有する差動位相補正積分回路５２と、第２の演算増幅器５８を有するスケーリング校正回路５６とを含むことが好ましい。

差動位相補正積分回路５２は、入力が第１の抵抗及び第２の抵抗６０、６２を介して検知コイル１８ａ、１８ｂの出力に接続された第１の演算増幅器５４を利用することが好ましい。検知コイル１８ａ、１８ｂは、差動的に接続されたインダクタで表される。第１の演算増幅器５４の負帰還ループには、第１のコンデンサ６６及び第３の抵抗６８を備えた第１の並列ＲＣ回路６４が設けられている。第２の並列ＲＣ回路７０は、第２のコンデンサ７２及び第４の抵抗７４を備え、接地と第１の演算増幅器５４の非反転入力との間に接続される。

第２の演算増幅器５８は、必要に応じてスケーリングを可能にするために、第５の抵抗７６を介して第１の演算増幅器５４の出力に接続された反転入力を有する。第２の演算増幅器５８の負帰還ループは、第７の抵抗８２及び第３のコンデンサ８４を含む直列ＲＣ回路８０と並列に接続された第６の抵抗７８を備える。回路構成要素の値は、所要のスケーリング校正に依存する。

場修正要素を主導体の平坦な小側面又は狭小側面に間隔を介した関係で保持することが示唆されているが、場修正要素は、例えば側面との間に配置された電気絶縁層を用いて、平坦側面に直接取り付けることも可能である。さらに、場修正要素は、平坦な小側面に又はこれに隣接して配置され、検知デバイスは、平坦な大側面の１又は２以上に隣接して配置されることが示唆されるが、必要であれば逆の構成とすることができる。

この場合は１又は２以上のコイルである検知手段は、巻型又はボビンの軸線に沿った非円形の横断面図を有することが好ましい。しかしながら、円形等の他の横断面の巻回形状を実現することができる。しかしながら、細長い巻回断面の利点は、大きな作動面積又は体積が得られる点にある。

従って、この場合はスイッチバスバーであることが好ましい通電導体によって形成された誘導磁場を良好に変更する電流測定デバイスをもたらすことができる。これは、少なくとも２つの対向する平坦側面を有し、この側面に又はこれに隣接して場修正要素を配置することで実現される。対向する平坦側面は、監視される電流が通過する主導体の小側面又は狭小側面であり、多角形、好ましくは矩形の断面部分を形成することが好ましい。電流測定デバイスは、より平行な電磁場の実現を可能とし、検知コイルの作動寸法内で、より正確な又はより分解能が高い電流測定センサが実現される。従って、使用する主導体の範囲内で電流測定の既存の分解能及び精度を維持しながら、必要に応じて検知コイルのサイズを低減することができる。さらに、取り外し可能又は脱着可能なクリップ留め構成で、好ましくは２つの検知コイルである少なくとも１つの検知デバイスを設けることができるので、電流測定デバイスの製造時に又は既存のバスバー又は他の主導体への遡及的な追加時に、簡単かつ時間効率の良い配置及び再配置が可能となる。平坦側面を有する主導体中を流れる電流に対する、検知コイルもしくは他の適切な誘導ＥＭＦ検知又は監視デバイスの誘導電圧の比例関係が改善されるので、追加的に電流測定、精度、監視、及び／又は分解能を高めることが可能である。

用語「備える／備えている」及び「有する／含む」は、本明細書において本発明に関して使用される場合、記載した特徴、完全体、ステップ、又は構成要素の存在を特定するために使用される、１又は２以上の他の特徴、完全体、ステップ、構成要素、又はそれらのグループの存在又は追加を排除しない。

また、明確化のために別個の実施形態との関連で記載された本発明の特定の特徴は、単一の実施形態の組み合わせで提示できることを理解されたい。対照的に、簡潔さのために単一の実施形態との関連で記載された本発明の種々の特徴は、別々に又は何らかの適切な部分的組み合わせで提示することができる。

前述の実施形態は例示的であり、当業者には、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲から逸脱することなく種々の他の変更が明らかである。

１０ 電流測定デバイス
１２ 主導体
１４ 第１の場修正要素
１４ａ プレート
１６ 第２の場修正要素
１６ａ プレート
１８ 検知デバイス
１８ａ 検知コイル
１８ｂ 検知コイル
２０ 端面
２２ 小側面
２４ 大側面
２６ ボビン巻型
２８ 電導性ワイヤ
３２ 保持体
３６ ハンガー
３６ａ クリップ又はブラケット
３８ アーム
４８ 補正回路
５２ 差動位相補正積分回路
５６ スケーリング校正回路
Ｗ１ 幅
Ｌ２ 長さ

Claims (10)

1. 電流がその間で流れ方向に流れることができる２つの端面と、前記流れ方向と平行な少なくとも２つの平坦側面とを有する、平坦側面の主導体と、
   磁性材料で形成され、前記主導体の前記第１の平坦側面に又はこれに隣接して配置される第１の場修正要素と、
   磁性材料で形成され、前記主導体の前記第２の平坦側面に又はこれに隣接して配置される第２の場修正要素と、
   前記主導体並びに前記第１の場修正要素及び前記第２の場修正要素において又はこれに隣接して、前記２つの平坦側面の平面の間に延びるコイル軸線を有する少なくとも１つの検知コイルと、
   を備える電流測定デバイスであって、
   前記平坦側面の主導体を流れる電流によって形成された電磁場は、前記第１の場修正要素及び前記第２の場修正要素によって、前記検知コイルの前記コイル軸線と平行に又は実質的に平行にさらに広がるように修正され、これにより前記検知コイルの誘導ＥＭＦは、前記平坦側面の主導体を流れる前記電流との比例関係が改善される、電流測定デバイス。
2. 前記平坦側面の主導体は、前記少なくとも１つの検知コイルにおける前記流れ方向の側方に位置する矩形の又は実質的に矩形の断面を有する、請求項１に記載の電流測定デバイス。
3. 前記平坦側面の主導体はバスバーであり、前記バスバーは、電気的断路スイッチの一部を形成する、請求項１又は２に記載の電流測定デバイス。
4. 前記第１の場修正要素及び前記第２の場修正要素は、磁化可能材料又は永久磁石材料から形成され、前記第１の場修正要素及び前記第２の場修正要素はプレートであり、前記平坦側面の主導体から離間している、請求項１から３のいずれかに記載の電流測定デバイス。
5. 前記主導体並びに前記第１の場修正要素及び前記第２の場修正要素における又はこれに隣接して、前記２つの平坦側面の平面の間に延びるコイル軸線を有する第２の検知コイルをさらに備え、前記第１の検知コイル及び前記第２の検知コイルは、前記平坦側面の主導体の両側に配置され、前記第１の検知コイル及び前記第２の検知コイルは互いに向かい合う、請求項１から４のいずれかに記載の電流測定デバイス。
6. 前記少なくとも１つの検知コイルは、前記コイル軸線の側方に位置する矩形の又は実質的に矩形の断面を有する、請求項１から５の何れか１つに記載の電流測定デバイス。
7. 前記少なくとも１つの検知コイルは、少なくとも１つのハンガーを含み、前記検知コイル又は前記検知コイルの各々は、前記ハンガーによって前記平坦側面の主導体と係合可能である、請求項１から６のいずれかに記載の電流測定デバイス。
8. 前記少なくとも１つの検知コイルは、前記第１の場修正要素及び前記第２の場修正要素を、前記平坦側面の主導体と相隔たる関係に保持するための保持体を含み、前記保持体は、前記少なくとも１つの検知コイルの端部の各々における凹部であり、前記第１の場修正要素及び前記第２の場修正要素のそれぞれの端部は前記凹部に収容可能である、請求項１から７のいずれかに記載の電流測定デバイス。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の電流測定デバイスと組み合わせる補正回路であって、前記補正回路は、前記検知コイル又は前記検知コイルの各々からの誘導ＥＭＦに対応する出力信号を受け取るための入力と、オペアンプを有して前記出力信号の位相差を変更して前記主導体中の電流と同相に又は実質的に同相に変更された出力信号を形成することができる差動位相補正積分回路とを有し、前記補正回路は、前記変更された出力信号を校正及びスケーリングするためのスケーリング校正回路を含み、前記スケーリング校正回路は、別のオペアンプを含む、補正回路。
10. 請求項１から８のいずれかに記載の電流測定デバイスを用いて電流測定を改善する方法であって、導電主導体の対向する平坦側面と、関連する第１の場修正要素及び第２の場修正要素とを利用することによって、前記通電主導体によって形成される電磁場を修正するステップを含み、前記電磁場は、関連する検知コイルのコイル軸線に対してより平行に又は実質的に平行になり、前記平坦側面の主導体を流れる電流に対する、前記検知コイルの誘導ＥＭＦの比例関係を改善するようになっている、方法。

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