JP2017156160A - Current sensor magnetic core - Google Patents

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操 浪川
Misao Namikawa
操 浪川
勝司 笠井
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勝司 笠井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a current sensor using a core of a magnetic material, the current sensor having an increased measurement accuracy around the maximum value, which is a rated current, of a measurement target current, while maintaining a high S/N ratio, and having an increased measurement accuracy for an excess current larger than the rated current.SOLUTION: In the current sensor magnetic core, the respective lengths Ls and Lg of a first gap and a second gap, where a magnetic sensor is arranged to measure a magnetic flux, satisfy the relation of Lg≤Ls≤1.35 Lg.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、導体に流れる電流値を計測する際に、該計測対象の被計測電流によって磁性コアに発生する磁束量を該磁性コアに設けられたギャップに配置された磁束検出用センサーにて計測することによって電流値を求める、電流センサーにおける該磁性コアに関するものである。   In the present invention, when measuring the value of current flowing through a conductor, the amount of magnetic flux generated in a magnetic core by the current to be measured is measured by a magnetic flux detection sensor arranged in a gap provided in the magnetic core. The present invention relates to the magnetic core in the current sensor, in which the current value is obtained.

導体に流れる電流値を計測する方法には、電流の流路に直接抵抗を挿入して電流量に応じて該抵抗に生じる電圧値を測定することによって求める方法や、被計測電流が発生する磁界によって磁性材料からなるコアが磁化される時の磁化の大きさを何らかの手段で計測することによって求める方法などがある。   The method for measuring the current value flowing through a conductor includes a method of obtaining a resistance value by directly inserting a resistance into a current flow path and measuring a voltage value generated in the resistance according to the amount of current, or a magnetic field generated by a current to be measured. There is a method in which the magnitude of magnetization when a core made of a magnetic material is magnetized is measured by some means.

磁性材料からなるコアを用いる電流測定方法の一つに、磁性材料からなる環状コアの内径部に被計測電流線を貫通させ、コア中に発生した磁束を当該環状コアに設けたギャップ部に設置されたホール素子などの検出用センサーを用いて計測する方法がある。このようにして電流値を求める方法が、例えば特許文献1に記載されている。   One of the current measurement methods using a core made of magnetic material is to pass the current wire to be measured through the inner diameter of the annular core made of magnetic material and install the magnetic flux generated in the core in the gap provided in the annular core. There is a method of measurement using a detection sensor such as a hall element. A method for obtaining the current value in this way is described in Patent Document 1, for example.

磁性材料からなるコアを用いる電流測定方法では、磁性コアの磁気飽和が測定精度を悪化させる原因として指摘されている。ここでいう磁気飽和とは、電流が高くなってある閾値になると、それ以上磁性体の磁束密度が変化しなくなる現象である。つまり、電流によって生じる磁束密度に上限があるために、その上限以上の電流は測定できない。そして、磁気飽和となる時の磁束密度を、飽和磁束密度という。飽和磁束密度の大きさは、磁性材料の材質で決まる。
磁性コアの磁気飽和が発生する電流を大きくするには、該コアに設けたギャップ部の磁気抵抗を大きくすればよい。そのためには、該ギャップ部の長さを大きくすれば良いことが知られている。例えば、特許文献2には、コアに設けるギャップの個数を増やしてギャップ部の全長(総計)を大きくすることによって、磁気飽和に達する電流値を大きくできることが開示されている。特許文献2の図8の磁界−磁束密度の関係で示されるように、ギャップ部の全長が大きくなれば、磁界が大きくなっても磁束密度を小さくすることができる。磁界の大きさは電流に比例するから、計測対象の電流が大きくなっても、磁気飽和することなく電流測定が可能になる。
In a current measurement method using a core made of a magnetic material, magnetic saturation of the magnetic core has been pointed out as a cause of deterioration in measurement accuracy. The magnetic saturation here is a phenomenon in which the magnetic flux density of the magnetic substance does not change any more when the current becomes a certain threshold value. That is, since there is an upper limit to the magnetic flux density generated by the current, a current exceeding the upper limit cannot be measured. And the magnetic flux density when it becomes magnetic saturation is called saturation magnetic flux density. The magnitude of the saturation magnetic flux density is determined by the material of the magnetic material.
In order to increase the current at which magnetic saturation occurs in the magnetic core, the magnetic resistance of the gap provided in the core may be increased. For this purpose, it is known that the length of the gap portion may be increased. For example, Patent Document 2 discloses that the current value reaching magnetic saturation can be increased by increasing the number of gaps provided in the core and increasing the total length (total) of the gap portions. As shown by the relationship between magnetic field and magnetic flux density in FIG. 8 of Patent Document 2, if the total length of the gap portion is increased, the magnetic flux density can be reduced even if the magnetic field is increased. Since the magnitude of the magnetic field is proportional to the current, the current can be measured without magnetic saturation even when the current to be measured increases.

特許文献2に記載された方法のように、ギャップ部の全長を大きくして磁気抵抗を大きくすれば、コアが磁気飽和する時の電流は大きくなるが、特許文献2の図8から明らかなように、被計測電流が小さい場合は、センサーが検出するコアの磁束密度は小さな値となってしまう。被計測電流の大きさは一定とは限らず、変化している場合もある。
例えば、磁束密度検出用センサーとしてホール素子を使用する場合、ホール素子の出力電圧は実用上必ず増幅装置を必要とするほど微弱であって、ノイズの影響を受けやすい。検出するコアの磁束密度は小さいとホール素子の出力電圧も小さくなるため、場合によってはノイズに埋もれてしまって検出できなくなる。このようにホール素子などの磁束密度検出用センサーの検出感度を考えると、SN比(信号とノイズとの比)の観点からも、検出すべき信号の値、上記の例で言えばコアの磁束密度はセンサーの測定可能範囲において極力高くしなければならない。
If the total length of the gap portion is increased and the magnetic resistance is increased as in the method described in Patent Document 2, the current when the core is magnetically saturated increases, but as is apparent from FIG. 8 of Patent Document 2. In addition, when the current to be measured is small, the magnetic flux density of the core detected by the sensor becomes a small value. The magnitude of the current to be measured is not always constant and may vary.
For example, when a Hall element is used as the magnetic flux density detection sensor, the output voltage of the Hall element is so weak that an amplification device is required for practical use, and is susceptible to noise. If the magnetic flux density of the core to be detected is small, the output voltage of the Hall element is also small, so that in some cases it is buried in noise and cannot be detected. Considering the detection sensitivity of a magnetic flux density detection sensor such as a Hall element in this way, the value of the signal to be detected from the viewpoint of the SN ratio (ratio of signal to noise), in the above example, the magnetic flux of the core The density must be as high as possible in the measurable range of the sensor.

従って、上記したように磁性材料からなるコアを用いた電流測定では、コアが磁気飽和する電流をできるだけ大きくするようにし、かつセンサーが検出すべきコアの磁束密度が極力高い領域で測定を行う必要がある。そのために、被計測電流が大きくなってもコアが磁気飽和しないようにギャップ長さを調整する。このギャップ長を大きくしすぎると、測定される磁束密度が小さくなってしまうから、コアに設けるギャップ長を、設定可能な範囲の中で最も小さな値に設定することによって、コアの磁気飽和とSN比の問題を解決するのが一般的である。   Therefore, in the current measurement using the core made of a magnetic material as described above, it is necessary to perform the measurement in the region where the magnetic flux density of the core to be detected by the sensor is as high as possible while making the current at which the core is magnetically saturated as large as possible. There is. Therefore, the gap length is adjusted so that the core is not magnetically saturated even when the current to be measured increases. If this gap length is increased too much, the measured magnetic flux density will be reduced. Therefore, by setting the gap length provided in the core to the smallest value within the settable range, the magnetic saturation of the core and SN It is common to solve the ratio problem.

このような例として、例えば特許文献3には、複数の分割コア部材からなる環状磁性体コアの第1のギャップにホール素子を設置し、第2のギャップの内部に必要に応じて磁性体を挿入することで環状コアの磁気抵抗を調整してセンサーの測定精度の向上を図ることが開示されている。具体的には、特許文献3の段落[0037]から[0040]に詳述されているように、用意したコアの被測定電流とセンサー出力電圧との関係を示す直線の傾きが理想曲線よりも低い、すなわちギャップ長さが大きすぎる場合には、磁性板を挿入してギャップ部の全長を短くする。このようにして設定可能な範囲の中で最も小さな値に設定している。   As an example of this, for example, in Patent Document 3, a Hall element is installed in a first gap of an annular magnetic core composed of a plurality of divided core members, and a magnetic body is placed inside the second gap as necessary. It is disclosed that the measurement accuracy of the sensor is improved by inserting the magnetic resistance of the annular core by insertion. Specifically, as described in detail in paragraphs [0037] to [0040] of Patent Document 3, the slope of the straight line indicating the relationship between the measured current of the prepared core and the sensor output voltage is larger than the ideal curve. When it is low, that is, when the gap length is too large, a magnetic plate is inserted to shorten the entire length of the gap portion. In this way, the smallest value is set in the settable range.

図1は、コアの被測定電流と磁束密度との関係を示すグラフである。被測定電流と磁束密度との関係は、同図に点線で示すように、ある電流値まで比例関係にあるが、その後磁気飽和する。磁束検出用センサーとして用いる場合、測定の全範囲にわたって被測定電流と磁束密度とが比例関係にあることが理想的である。この点線を、以降理想曲線とも称する。磁気飽和した後は、電流値が大きくなっても、磁束密度は大きくならない。この、磁気飽和したときの磁束密度を、飽和磁束密度とも称する。理想曲線において被測定電流と磁束密度との関係が直線関係からずれはじめる、被測定電流値が当該磁性コアの測定可能な最大電流値Imax(理想)となる。   FIG. 1 is a graph showing the relationship between the measured current of the core and the magnetic flux density. The relationship between the current to be measured and the magnetic flux density is proportional to a certain current value as shown by the dotted line in FIG. When used as a magnetic flux detection sensor, it is ideal that the current to be measured and the magnetic flux density are in a proportional relationship over the entire measurement range. This dotted line is hereinafter also referred to as an ideal curve. After magnetic saturation, the magnetic flux density does not increase even if the current value increases. This magnetic flux density when magnetically saturated is also referred to as a saturated magnetic flux density. The measured current value at which the relationship between the measured current and the magnetic flux density begins to deviate from the linear relationship in the ideal curve is the maximum measurable current value Imax (ideal) of the magnetic core.

しかし、現実には、被測定電流と磁束密度との関係は、コア磁性材料の磁化特性が非線形性を有するため、図1に実線で示すようになるのが一般的である。すなわち、被測定電流がImax(理想)よりも低い値であるImax(実際)を超えると、被測定電流と磁束密度との関係が理想曲線から乖離しはじめる。この実線を、以降、測定電流―磁束密度曲線とも称する。   However, in reality, the relationship between the current to be measured and the magnetic flux density is generally shown by a solid line in FIG. 1 because the magnetization characteristics of the core magnetic material have nonlinearity. That is, when the measured current exceeds Imax (actual) which is lower than Imax (ideal), the relationship between the measured current and the magnetic flux density begins to deviate from the ideal curve. Hereinafter, this solid line is also referred to as a measured current-magnetic flux density curve.

実際の電流の測定においては、まずコアに発生している磁束の磁束密度を磁気センサーで測定して、その値から対応する電流値を算出する。被測定電流と磁束密度との関係は、図1の理想曲線の関係が成立していることが前提となっている。しかし、現実には、図1の測定電流―磁束密度曲線のようになっているから、被測定電流がImax(実際)を超えた範囲では、理想曲線と測定電流―磁束密度曲線とは乖離している。この乖離が、測定誤差となる。このため、現実の測定可能範囲はImax(実際)以下の電流範囲と定めるのが、一般的である。   In the actual measurement of current, first, the magnetic flux density of the magnetic flux generated in the core is measured with a magnetic sensor, and the corresponding current value is calculated from that value. The relationship between the current to be measured and the magnetic flux density is premised on the relationship of the ideal curve shown in FIG. However, since the measured current-magnetic flux density curve in FIG. 1 is actually used, the ideal curve differs from the measured current-magnetic flux density curve when the measured current exceeds Imax (actual). ing. This deviation becomes a measurement error. For this reason, the actual measurable range is generally determined to be a current range equal to or less than Imax (actual).

昨今の電気機器では、半導体スイッチ素子を使ったインバータが使われるようになっており、電流センサーを使った電流計測と計測結果を使った機器制御とが行われている。一方で、半導体スイッチ素子は電子ノイズの発生源ともなっていて、機器誤動作の原因となることがある。このようなノイズ要因の誤動作や急激な負荷変動など様々な要因によって、電気機器に定格電流以上の過電流が流れることがある。
電流センサーの測定精度として、定格電流以下の電流範囲に対しては高い精度が求められる。一方、電気機器に定格電流以上の過電流が流れることは頻度としては低いので、電流センサーの測定精度として定格電流以下の場合ほどの高精度が必要とされることは少なく、定格電流以上の電流が流れたことがわかるだけで良い場合が多かった。
しかし、上記のように電気機器がノイズ環境に晒される場合が増えてきているなか、電気機器の耐過電流対策が求められるようになってきており、電流センサーに対しては過電流時の精度もある程度有していることが求められてきている。
In recent electrical equipment, an inverter using a semiconductor switch element is used, and current measurement using a current sensor and equipment control using a measurement result are performed. On the other hand, the semiconductor switch element is also a source of electronic noise, which may cause malfunction of the equipment. An overcurrent exceeding the rated current may flow to the electrical equipment due to various factors such as a malfunction of the noise factor and a sudden load fluctuation.
As the measurement accuracy of the current sensor, high accuracy is required for a current range below the rated current. On the other hand, the frequency of overcurrent exceeding the rated current flowing to electrical equipment is low, so it is rarely required that the current sensor has a higher accuracy than the rated current. In many cases, it was only necessary to know that the
However, with the increasing number of cases where electrical devices are exposed to noise environments as described above, countermeasures against overcurrent resistance of electrical devices have been required, and the accuracy of overcurrent for current sensors has been increasing. However, it has been required to have a certain amount.

特開2013-246056号公報JP 2013-246056 特開2005-332851号公報JP 2005-332851 特開2012-154636号公報JP 2012-154636 A

過電流時の電流センサー測定精度を良くする方策の一つは、図2に示すように、コアのギャップ長を大きくとってギャップ部の磁気抵抗を大きくすることによって、大電流でも鉄心が磁気飽和しにくくすればよい。しかし、図2から明らかなように、ギャップ長を大きくすると被計測電流が小さいときの磁束密度は小さくなるので、ホール素子などの磁束密度検出用センサーの検出感度を考えると、SN比(信号とノイズとの比)が低下してしまい、被計測電流値が小さい場合のセンサー精度が悪くなる。   As shown in Fig. 2, one of the measures to improve the current sensor measurement accuracy at the time of overcurrent is to increase the magnetic resistance of the gap by increasing the gap length of the core, so that the iron core is magnetically saturated even at a large current. You can make it harder to do. However, as apparent from FIG. 2, when the gap length is increased, the magnetic flux density when the current to be measured is small becomes small. Therefore, considering the detection sensitivity of a magnetic flux density detection sensor such as a Hall element, the SN ratio (signal and The ratio with respect to noise is reduced, and the sensor accuracy is deteriorated when the measured current value is small.

特許文献3の段落[0039]、[0040]および図8には、環状コアの磁気抵抗を調整して最適化することによって、広範囲の被計測電流に対してセンサーの出力特性を目標のものに調整できることが記載されている。具体的には、段落[0039]および[0040]に記載されるように、環状コアの磁気抵抗を第2の空隙部に所定の厚みの磁性板を取り付けることによって最適化している。   In paragraphs [0039] and [0040] and FIG. 8 of Patent Document 3, by adjusting and optimizing the magnetic resistance of the annular core, the output characteristics of the sensor are targeted for a wide range of measured currents. It is described that it can be adjusted. Specifically, as described in paragraphs [0039] and [0040], the magnetic resistance of the annular core is optimized by attaching a magnetic plate having a predetermined thickness to the second gap.

しかし、この方法を用いて被計測電流が定格電流となる条件で磁気抵抗を最適化したとしても、特許文献3の図8に示されているように、被計測電流と出力電圧(磁束密度に相当)とが直線関係を示す電流範囲で最適化をしたに過ぎず、定格電流よりも大きな過電流が流れて被計測電流と出力電圧が直線関係から外れてしまうような、大電流域のことは全く考慮されていないため、過電流時の測定精度は全く保障されていない。   However, even if this method is used to optimize the magnetoresistance under the condition that the measured current becomes the rated current, as shown in FIG. Is equivalent to a current range that shows a linear relationship, and a large current region where an overcurrent larger than the rated current flows and the measured current and output voltage deviate from the linear relationship. Is not taken into account at all, so the measurement accuracy at the time of overcurrent is not guaranteed at all.

また、特許文献3の方法を用いて、被計測電流が過電流となる条件、すなわち被計測電流とセンサー出力電圧とが直線関係となる条件によって磁気抵抗を最適化したとしても、その場合は大電流でも鉄心が磁気飽和しにくいようにギャップ長を大きく取った上で、ギャップ長を微調整することになるため、上記と同様にSN比(信号とノイズとの比)が低下してしまい、被計測電流値が小さい場合の電流検出精度が確保できなくなる。
上記のように、従来技術(特許文献3)は、定格電流を被計測電流の最大値として被計測電流の最大値付近の測定精度を高めるとともに、被計測電流が小さいときのSN比を良くするように最適化することまでは可能である。しかしながら、さらに定格電流よりも大きな過電流に対して測定精度を高くすることは想定されていないし、当然、そのための方策も提示されていない。
Even if the method of Patent Document 3 is used to optimize the magnetic resistance according to the condition in which the measured current becomes an overcurrent, that is, the condition in which the measured current and the sensor output voltage have a linear relationship, Since the gap length is finely adjusted after making the gap length large so that the iron core is less likely to be magnetically saturated even with current, the SN ratio (ratio of signal to noise) decreases as in the above, Current detection accuracy when the measured current value is small cannot be secured.
As described above, the conventional technique (Patent Document 3) increases the measurement accuracy near the maximum value of the current to be measured with the rated current as the maximum value of the current to be measured, and improves the SN ratio when the current to be measured is small. It is possible to optimize it. However, it is not assumed that the measurement accuracy is further increased with respect to an overcurrent larger than the rated current, and of course, a measure for that is not presented.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、磁性材料からなるコアを用いる電流センサーにおいて、大きなSN比を有しつつ、定格電流を被計測電流の最大値として被計測電流の最大値付近の測定精度を高め、さらに定格電流よりも大きな過電流に対する測定精度を高めるための方策を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a current sensor that uses a core made of a magnetic material and has a large SN ratio and a rated current as a maximum value of a measured current. The object is to provide a measure for increasing the measurement accuracy near the maximum value of the measurement current and further increasing the measurement accuracy for an overcurrent larger than the rated current.

発明者らは、上記課題を解決する手法について鋭意究明した。
上記した従来の、定格電流値付近の測定精度を高くしかつ被計測電流が小さいときの測定精度も良くする手法は、結局技術的に、コアの全ギャップ長をある特定の値にすることによって実現されている。しかしながら、さらに定格電流よりも大きな過電流に対する測定精度をも良くするためには、コアのギャップ数を複数にして全ギャップ長は一定値に保ったまま各ギャップ長の配分比を変えることが有効であることを見出すに至った。特に、各ギャップ長の配分比を特定の値とすることによって高い過電流測定精度が得られること、を新たに知見するに至った。
本発明は、上記の知見に由来するものである。
The inventors diligently studied a method for solving the above problems.
The above-mentioned conventional method for improving the measurement accuracy near the rated current value and improving the measurement accuracy when the current to be measured is small is to technically make the total gap length of the core a specific value. It has been realized. However, in order to improve the measurement accuracy for overcurrents larger than the rated current, it is effective to change the distribution ratio of each gap length while keeping the total gap length constant with multiple core gaps. I came to find out. In particular, the inventors have newly found that high overcurrent measurement accuracy can be obtained by setting the distribution ratio of each gap length to a specific value.
The present invention is derived from the above findings.

すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
1.電流センサー用の磁性コアであって、
磁束を計測する磁気センサーを配置する第一のギャップおよび第二のギャップを有し、
前記第一のギャップの長さLsと第二のギャップの長さLgとが下記式(1)を満足する電流センサー用磁性コア。

Lg≦Ls≦1.35Lg …(1)
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
1. A magnetic core for a current sensor,
Having a first gap and a second gap for disposing a magnetic sensor for measuring magnetic flux;
The magnetic core for current sensors in which the length Ls of the first gap and the length Lg of the second gap satisfy the following formula (1).
Record
Lg ≦ Ls ≦ 1.35Lg (1)

2.前記第一のギャップの長さLsと第二のギャップの長さLgとが下記式(2)を満足する前記1に記載の電流センサー用磁性コア。

1.11Lg≦Ls≦1.22Lg …(2)
2. 2. The magnetic core for a current sensor according to 1, wherein the length Ls of the first gap and the length Lg of the second gap satisfy the following formula (2).
Record
1.11Lg ≦ Ls ≦ 1.22Lg (2)

3.U字形の複数枚の電磁鋼板を積層した積層体の対を、前記ギャップLsおよびLgの長さを隔てて相対配置した環状組立体である前記1または2に記載の電流センサー用磁性コア。 3. 3. The magnetic core for a current sensor according to 1 or 2 above, wherein the magnetic sensor core is an annular assembly in which a pair of laminated bodies each including a plurality of U-shaped electromagnetic steel plates are disposed with a gap between the gaps Ls and Lg.

本発明によれば、被計測電流の最大値付近の測定精度と被計測電流が小さい場合の測定精度を良くした上で、さらに被計測電流の最大値よりも大きな過電流においても高い測定精度を実現することができる。   According to the present invention, the measurement accuracy in the vicinity of the maximum value of the current to be measured and the measurement accuracy when the current to be measured is small are improved, and further, the measurement accuracy is high even at an overcurrent larger than the maximum value of the current to be measured. Can be realized.

被測定電流と磁束密度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between to-be-measured current and magnetic flux density. 被測定電流と磁束密度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between to-be-measured current and magnetic flux density. 磁性コアを示す図である。It is a figure which shows a magnetic core. 定格電流測定誤差およびSN比とギャップ全長との関係を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the relationship between a rated current measurement error, SN ratio, and a gap full length. 被測定電流と飽和磁束密度との関係をギャップ長の大小で比較した図である。It is the figure which compared the relationship between a to-be-measured electric current and saturation magnetic flux density by the size of gap length. 磁性コアのギャップの態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect of the gap of a magnetic core. 被計測電流を示す図である。It is a figure which shows a to-be-measured current.

磁性コアを用いる方式の電流センサー用コアにおいて、被計測電流が大電流である場合には当該コアの磁気飽和の影響のため、電流測定値の精度が著しく悪くなる。これを防止するためには、上述のとおりコアに磁路を分断するギャップを設けて磁気抵抗を大きくすれば良い。   In the current sensor core using the magnetic core, when the current to be measured is a large current, the accuracy of the current measurement value is significantly deteriorated due to the magnetic saturation of the core. In order to prevent this, as described above, a gap for dividing the magnetic path may be provided in the core to increase the magnetic resistance.

図3は、本発明による電流センサー1を示す図であり、同図(a)は斜視図、同図(b)は上面図である。電流センサー1は、磁性体からなるコア11に磁気センサー4を組み合わせたものである。
コア11は、略環状であり、これを分断するギャップ2および3が設けられている。コア11の内径側に、電流を測定する被計測電流線10が配置される。被計測電流線10に電流が流れると、その電流の大きさに見合った磁束がコア11に発生する。この磁束は、アンペールの法則に従って、前記電流線10を一周するように形成される。
この電流が大きくなれば、コア11内の磁束も大きくなる。しかし、電流が大きくなればやがて磁気飽和に至る。
3A and 3B are diagrams showing a current sensor 1 according to the present invention, where FIG. 3A is a perspective view and FIG. 3B is a top view. The current sensor 1 is a combination of a magnetic sensor 4 and a core 11 made of a magnetic material.
The core 11 has a substantially annular shape and is provided with gaps 2 and 3 for dividing the core 11. On the inner diameter side of the core 11, a measured current line 10 for measuring current is disposed. When a current flows through the current line 10 to be measured, a magnetic flux corresponding to the magnitude of the current is generated in the core 11. This magnetic flux is formed so as to go around the current line 10 according to Ampere's law.
If this current increases, the magnetic flux in the core 11 also increases. However, as the current increases, it eventually reaches magnetic saturation.

ここで、コア11を分断するギャップ2および3を2箇所に設けることによって、当該コア11の磁気抵抗を大きくする。そうすると、磁気飽和に至る電流値を大きくすることができる。このようなコアを用いる電流センサーでは、計測対象が大電流であっても電流測定が可能となる。
一方で、電流センサーは小さな電流値も計測できなければならない。コアの磁束密度検出用の磁気センサーの検出感度、磁気センサー出力を増幅する装置の入力感度、磁気センサーや増幅装置の設置環境によるノイズレベルなどを考慮して、被計測電流が最小であるときにもコアの磁束密度が必要な値以上となるように、ギャップ2および3の合計長さ(ギャップ全長)は必要な範囲で最も小さな値とする。
Here, the magnetic resistance of the core 11 is increased by providing the gaps 2 and 3 for dividing the core 11 at two locations. Then, the current value that leads to magnetic saturation can be increased. In a current sensor using such a core, current measurement is possible even if the measurement target is a large current.
On the other hand, current sensors must be able to measure small current values. When the current to be measured is minimum considering the detection sensitivity of the magnetic sensor for detecting the magnetic flux density of the core, the input sensitivity of the device that amplifies the magnetic sensor output, and the noise level depending on the installation environment of the magnetic sensor and amplification device In addition, the total length of the gaps 2 and 3 (the overall length of the gap) is set to the smallest value within the necessary range so that the magnetic flux density of the core is not less than the necessary value.

図4は、電流センサーにおける電流の検出精度(センサーの定格電流測定誤差およびSN比)とギャップ全長との関係を模式的に示す図である。定格電流測定誤差は、図2に示す定格電流値における理想曲線と測定電流―磁束密度曲線との差をいう。ここで、定格電流は、電流の測定可能範囲内の最大値を指す。本発明によるコアを用いた電流センサーでは、センサーの定格電流測定誤差(実線)およびSN比(点線)は、ギャップ全長に応じて変化する。すなわち、ギャップ全長が小さければ、定格電流測定誤差およびSN比はともに大きくなり、ギャップ全長が大きければ、定格電流測定誤差およびSN比はともに小さくなる。定格電流測定誤差は小さいほうがよく、一方SN比は大きいほうがよい。なお、図2では、定格電流測定誤差は無いように描かれているが、図2は模式的に描かれており、実際には定格電流測定誤差が存在する。   FIG. 4 is a diagram schematically illustrating the relationship between the current detection accuracy (rated current measurement error of the sensor and the SN ratio) and the entire gap length in the current sensor. The rated current measurement error refers to the difference between the ideal curve and the measured current-magnetic flux density curve at the rated current value shown in FIG. Here, the rated current indicates the maximum value within the measurable range of current. In the current sensor using the core according to the present invention, the rated current measurement error (solid line) and the SN ratio (dotted line) of the sensor change according to the total length of the gap. That is, if the gap overall length is small, both the rated current measurement error and the SN ratio are large, and if the gap overall length is large, both the rated current measurement error and the SN ratio are small. The rated current measurement error should be small, while the SN ratio should be large. In FIG. 2, the rated current measurement error is depicted so as not to exist, but FIG. 2 is schematically depicted, and actually there is a rated current measurement error.

ここで、SN比を大きくする理由は、被測定電流がImax(実際)以下であっても、測定精度が保障されているわけではないからである。図5は、このことを説明する図である。例えば、被測定電流が、実際の電流にオフセット電流Jが重なっていて実際に測定される電流値自体は大きいが振幅Aが小さい場合は、SN比が小さいと、電流の振幅Aを検出することができなくなる。該振幅Aを検出できなければ、測定される電流値は一定となり、適切な制御ができなくなる可能性がある。したがって、センサーのSN比を十分大きくする必要がある。なお、図5では、オフセット電流値が一定であり、かつ電流も正弦波に近いものとしたが、実際の使用環境においては、オフセット電流値は一定ではなく、電流の振幅や変化時間も時々刻々と変化しているため、SN比が十分大きくないと、電流の変化を検出できない。   Here, the reason why the SN ratio is increased is that the measurement accuracy is not guaranteed even if the current to be measured is equal to or less than Imax (actual). FIG. 5 is a diagram for explaining this. For example, if the current to be measured overlaps the actual current with the offset current J and the actually measured current value itself is large but the amplitude A is small, the amplitude A of the current is detected when the SN ratio is small. Can not be. If the amplitude A cannot be detected, the measured current value is constant, and there is a possibility that appropriate control cannot be performed. Therefore, it is necessary to sufficiently increase the SN ratio of the sensor. In FIG. 5, the offset current value is constant and the current is close to a sine wave. However, in an actual usage environment, the offset current value is not constant, and the current amplitude and change time are constantly changing. Therefore, a change in current cannot be detected unless the SN ratio is sufficiently large.

さらに、ギャップ長が大きいと、図5に示すように、電流の振幅Aに対する磁束密度の変化幅ΔBが小さくなってしまう。該ΔBが小さいと電流の検出感度が下がるため、適切な制御ができなくなる。
上記のように、電流を感度よく検出でき、定格電流測定誤差の要求仕様とSN比の要求仕様とを同時に満たすギャップ全長の最小値をギャップ2および3の合計長さとする。
Furthermore, if the gap length is large, as shown in FIG. 5, the change width ΔB of the magnetic flux density with respect to the amplitude A of the current becomes small. If ΔB is small, the current detection sensitivity is lowered, so that appropriate control cannot be performed.
As described above, the minimum value of the total length of the gap that can detect the current with high sensitivity and simultaneously satisfies the required specification of the rated current measurement error and the required specification of the SN ratio is defined as the total length of the gaps 2 and 3.

前述したように、コアにギャップを設けることにより、磁束密度を大きくすることができるが、ギャップ全長が大きくなると、図2に示したように、被測定電流が小さいときの磁束密度が小さくなる傾向があるから、ギャップ全長はできるだけ小さいほうが望ましい。さらに、図4に示すように、SN比および定格電流測定誤差の要求仕様を両方とも満たす範囲内(以下、設定範囲内とも称する)にギャップ全長は設定される。
要求されるSN比および被測定電流の最小値は、要求される仕様やセンサーが使用される環境によって異なるが、小さなSN比および被測定電流が小さくても所望の磁束密度が得られるように、前記設定範囲内でギャップ全長2L0を設定する。2L0はギャップ2および3の大きさの割合によらず一定である。
As described above, the magnetic flux density can be increased by providing a gap in the core. However, as the total length of the gap increases, as shown in FIG. 2, the magnetic flux density tends to decrease when the current to be measured is small. Therefore, it is desirable that the total gap length is as small as possible. Further, as shown in FIG. 4, the overall length of the gap is set within a range that satisfies both the required specifications of the SN ratio and the rated current measurement error (hereinafter also referred to as a set range).
The required SN ratio and minimum value of the measured current vary depending on the required specifications and the environment in which the sensor is used, but the desired magnetic flux density can be obtained even if the small SN ratio and measured current are small. A gap total length 2L0 is set within the setting range. 2L0 is constant regardless of the ratio of the sizes of gaps 2 and 3.

そして、ギャップ2および3のいずれかに、例えばホール素子などの磁束密度検出用の磁気センサー4を配置し、被計測電流によってコア11に発生する磁束密度を磁気センサー4にて測定し、該磁束密度に基づいて被計測電流を算出することになる。   Then, a magnetic sensor 4 for detecting magnetic flux density such as a Hall element is disposed in either of the gaps 2 and 3, and the magnetic flux density generated in the core 11 by the measured current is measured by the magnetic sensor 4, and the magnetic flux The measured current is calculated based on the density.

特に、上記のコア11において、磁気センサー4を設置する一方のギャップ2の長さをLs、他方のギャップ3の長さをLgとしたとき、Lg+Ls=2L0 であってかつLg≦Ls≦1.35Lg、より好ましくは1.11Lg≦Ls≦1.22Lgの関係にあることが肝要である。
例えば、上記した特許文献3に記載のコアでは、同文献の図3に示されるように、磁気センサーを設置していないギャップに磁性板を挿入して調整を行っている。この手法によれば、被計測電流がある値、例えば測定範囲の最大値付近であるときの電流センサーの精度を高くすることができるが、同時に最大値付近よりも高い被計測電流の測定精度は高い場合もあったが低くなる場合もあって、その精度は不安定であった。
In particular, in the core 11, when the length of one gap 2 where the magnetic sensor 4 is installed is Ls, and the length of the other gap 3 is Lg, Lg + Ls = 2L0 and Lg ≦ Ls ≦ 1.35Lg More preferably, it is important that the relationship is 1.11Lg ≦ Ls ≦ 1.22Lg.
For example, in the core described in Patent Document 3 described above, as shown in FIG. 3 of the same document, adjustment is performed by inserting a magnetic plate into a gap where no magnetic sensor is installed. According to this method, the accuracy of the current sensor can be increased when the measured current is near a certain value, for example, the maximum value of the measurement range, but at the same time the measurement accuracy of the measured current higher than the vicinity of the maximum value is The accuracy was unstable, although sometimes it was high but sometimes it was low.

そこで、被計測電流が最大値であるときの電流センサーの精度を良くした上で、さらに被計測電流が最大電流よりも高い時の測定精度を向上させ得る手段について検討した。その結果、コアのギャップ条件がLg≦Lsを満たす範囲においてさらにLs≦1.35Lgとする方が、被計測電流が最大電流の時の測定精度と、最大電流よりも高い時の測定精度も安定して良くできること、言い換えれば、Imax(理想)とImax(実際)の間の測定電流―磁束密度曲線を理想曲線に近づけることが可能であることを見出した。
すなわち、Lg≦Ls≦1.35Lg、より好ましくは1.11Lg≦Ls≦1.22Lg とすることによって、被計測電流が最大電流よりも大きな電流範囲においても測定電流―磁束密度曲線を理想曲線に近づけることが出来る。
Therefore, after improving the accuracy of the current sensor when the current to be measured is the maximum value, means for improving the measurement accuracy when the current to be measured is higher than the maximum current was studied. As a result, when the core gap condition satisfies Lg ≦ Ls, Ls ≦ 1.35Lg further stabilizes the measurement accuracy when the measured current is the maximum current and the measurement accuracy when the measured current is higher than the maximum current. In other words, it has been found that the measured current-magnetic flux density curve between Imax (ideal) and Imax (actual) can be made closer to the ideal curve.
That is, by setting Lg ≦ Ls ≦ 1.35Lg, more preferably 1.11Lg ≦ Ls ≦ 1.22Lg, the measured current-magnetic flux density curve can be made closer to the ideal curve even in the current range where the measured current is larger than the maximum current. I can do it.

このように全ギャップ長は一定値に保ったまま各ギャップ長の配分比を特定の範囲とすることによって、過電流に対する測定精度が改善する原因は定かではないが、次のように考えられる。すなわち、コアの磁束密度が飽和に近接した磁束密度域にあるときには、ギャップ部磁束のフリンジング(湾曲)による磁気センサー近傍磁束密度の均一性が、特定のギャップ配分比とすることで改善するためではないかと考えられる。   The reason why the measurement accuracy for the overcurrent is improved by setting the distribution ratio of each gap length within a specific range while keeping the total gap length constant is not clear, but can be considered as follows. That is, when the magnetic flux density of the core is in the magnetic flux density region close to saturation, the uniformity of the magnetic flux density in the vicinity of the magnetic sensor due to the fringing (curving) of the gap magnetic flux is improved by setting a specific gap distribution ratio. It is thought that.

また、上記したコアは、U字形の電磁鋼板を積層した積層体の対からなる環状組立体であることが好ましい。コアの材質は特に限定されないが、透磁率が大きい電磁鋼板を用いることが好ましい。
コアの作製方法も特に限定されないが、電磁鋼板を積層する方法が最も適している。たとえば、電磁鋼板の薄板を芯金に巻きつけて作製する巻きコアと呼ばれるコアがある。しかし巻きコアは、鋼板を芯金に巻きつけた後に歪取り焼鈍を行う必要があり、作製に余計な手間をかける必要がある。一方で、積層体であれば、所定の形状に鋼板を打ち抜き、それらを積み重ねればよいので、余計な手間がかからず、大量生産により適している。
ここで、形状は、U字形のほか略半円形であってもよく、環状の形態が形作られるものであればよい。
本発明によるコアの大きさは、特に限定されない。コアは、使用される環境や条件により、その直径または内径が0.5cm程度から、最大で30cm程度の大きさになる。また厚さも数mmから数cm程度である。本発明の効果は、磁性コアの大きさによる影響はないため、使用される環境や条件に応じて、適当な大きさを適宜選択すればよい。
Moreover, it is preferable that an above-described core is a cyclic | annular assembly which consists of a pair of laminated body which laminated | stacked the U-shaped electromagnetic steel plate. The material of the core is not particularly limited, but it is preferable to use an electromagnetic steel plate having a high magnetic permeability.
A method for producing the core is not particularly limited, but a method of laminating electromagnetic steel sheets is most suitable. For example, there is a core called a wound core that is manufactured by winding a thin magnetic steel sheet around a cored bar. However, the wound core needs to be subjected to strain relief annealing after the steel plate is wound around the core metal, and it is necessary to take extra time for production. On the other hand, in the case of a laminated body, it is only necessary to punch steel plates into a predetermined shape and stack them, so that it does not take extra time and is more suitable for mass production.
Here, the shape may be a substantially semicircular shape in addition to a U shape, and may be any shape as long as an annular shape is formed.
The size of the core according to the present invention is not particularly limited. The core has a diameter or an inner diameter of about 0.5 cm to a maximum of about 30 cm depending on the environment and conditions used. The thickness is also about several mm to several cm. Since the effect of the present invention is not affected by the size of the magnetic core, an appropriate size may be appropriately selected according to the environment and conditions used.

定格電流1000Aの電流センサーを作製した。この電流センサーの測定対象である被計測電流は、インバータで出力される。当該インバータはスイッチング周波数10kHzで動作するため、被計測電流には周波数10kHzの高周波電流が含まれ、当該電流センサーは周波数10kHzの高周波電流も正確に測定する必要がある。そして、要求性能として電流センサーの許容誤差は、定格電流1000Aのときは3%である。過電流条件は定格の130%であり、過電流1300Aのときの電流センサーの目標許容誤差は7%である。   A current sensor with a rated current of 1000 A was produced. The current to be measured which is a measurement target of this current sensor is output by an inverter. Since the inverter operates at a switching frequency of 10 kHz, the current to be measured includes a high-frequency current having a frequency of 10 kHz, and the current sensor needs to accurately measure a high-frequency current having a frequency of 10 kHz. As the required performance, the tolerance of the current sensor is 3% when the rated current is 1000 A. The overcurrent condition is 130% of the rating, and the target tolerance of the current sensor when the overcurrent is 1300A is 7%.

このような電流センサーに用いるコアは、U字型の電磁鋼板(Si含有量が6.5質量%である0.1mm厚の珪素鋼板)60枚を積層した積層体の対を組み合わせることによって、図6に示すように、その磁路中に2箇所のギャップ2および3を有するコアとし、一方のギャップ2に磁気センサー(ホール素子)を備える形式とする(磁気センサーは図示を省略)。そして、磁気センサーを備える一方のギャップ2の長さLsと、他方のギャップ3の長さLgとを図6(a)〜(c)に示すように変化させてコアを作製する。   The core used for such a current sensor is shown in FIG. 6 by combining a pair of laminated bodies in which 60 U-shaped electromagnetic steel sheets (0.1 mm thick silicon steel sheets with a Si content of 6.5 mass%) are stacked. As shown, a core having two gaps 2 and 3 in its magnetic path is provided, and a magnetic sensor (Hall element) is provided in one gap 2 (the magnetic sensor is not shown). And the length Ls of one gap 2 provided with a magnetic sensor and the length Lg of the other gap 3 are changed as shown to Fig.6 (a)-(c), and a core is produced.

コアの内径部を被計測電流線が貫通するようにコアを設置した。すなわち、計測される電流は一方向のみに流れる構成とした。ただし、前記電流線は、1芯でも、複数の芯で構成されるものでもよい。
前記電流センサーによる電流測定を行って、次のとおり測定誤差を評価した。
The core was installed so that the current wire to be measured penetrated the inner diameter part of the core. That is, the measured current flows in only one direction. However, the current line may be composed of one core or a plurality of cores.
Current measurement was performed by the current sensor, and measurement error was evaluated as follows.

すなわち、電流センサーの誤差評価方法は、以下のとおりである。はじめに、被計測電流として図7に示すように、周波数10kHz、振幅50Aの交流電流に直流電流がオフセット電流として重畳する電流を与えたときに、磁気センサー(ホール素子)を設置する方のギャップの中心位置における磁束密度を測定する。そして、被計測電流のオフセット電流がゼロのときの当該磁束密度をB0、オフセット電流1000Aのときの当該磁束密度をB1000、オフセット電流1300Aのときの当該磁束密度をB1300としたとき、
(電流1000Aのときの誤差)=(B1000―B0)/B0×100 (%)
(電流1300Aのときの誤差)=(B1300―B0)/B0×100 (%)
として評価する。
That is, the current sensor error evaluation method is as follows. First, as shown in FIG. 7 as a current to be measured, when a current in which a DC current is superimposed as an offset current on an AC current with a frequency of 10 kHz and an amplitude of 50 A is given, the gap of the one where the magnetic sensor (Hall element) is installed Measure the magnetic flux density at the center position. Then, when the magnetic flux density when the offset current of the measured current is zero is B0, the magnetic flux density when the offset current is 1000A is B1000, and the magnetic flux density when the offset current is 1300A is B1300,
(Error when current is 1000A) = (B1000-B0) / B0 x 100 (%)
(Error when current is 1300A) = (B1300-B0) / B0 x 100 (%)
Evaluate as

コアを作製するに当たり、まず、コアの磁束密度検出用の磁気センサーの検出感度、磁気センサー出力を増幅する装置の入力感度、磁気センサーや増幅装置の設置環境によるノイズレベルなどを考慮して、所望の最小電流検出精度を得るために被計測電流が50Aであるときのコア磁束密度が10mT以上であるようにし、かつ電流1000Aのときの誤差が3%以下となるように、コアの寸法とギャップ長を、磁界解析ソフトを用いて決定した。
このときのギャップの長さを、図6(a)に示すように、Ls=Lg=L0とする。
When preparing the core, first consider the detection sensitivity of the magnetic sensor for detecting the magnetic flux density of the core, the input sensitivity of the device that amplifies the magnetic sensor output, the noise level depending on the installation environment of the magnetic sensor and the amplification device, etc. In order to obtain the minimum current detection accuracy, the core size and gap should be set so that the core magnetic flux density is 10 mT or more when the measured current is 50 A, and the error is 3% or less when the current is 1000 A. The length was determined using magnetic field analysis software.
The length of the gap at this time is set to Ls = Lg = L0 as shown in FIG.

次に、図6(b)や(c)に示すようにU字型積層体の対からなるコアの外寸を一定として、コア全体の磁気抵抗を一定とするためギャップの長さを一定(Ls+Lg=2L0)にしたままギャップの各長さLsとLgの長さ配分比を変えて磁界解析を行い、上記定義の電流センサーの誤差を評価した。ここで、本発明による電流センサーが実際に使用される環境を考慮して、定格電流測定誤差よりもSN比を重視し、設定範囲内で2L0が最も小さくなるようにした。その評価結果を表1に示す。なお、表1の仕様達成状況において、適合は電流センサーの目標性能としての前記許容誤差、すなわち被計測電流1000Aのときは3%以下、被計測電流1300Aのときは7%以下を満足するもの、不適合は前記許容誤差を満足しないものを示している。   Next, as shown in FIGS. 6B and 6C, the outer dimension of the core made of a pair of U-shaped laminates is made constant, and the gap length is made constant in order to make the magnetic resistance of the entire core constant ( While maintaining Ls + Lg = 2L0), the magnetic field analysis was performed by changing the length distribution ratio of each length Ls and Lg of the gap, and the error of the current sensor defined above was evaluated. Here, in consideration of the environment where the current sensor according to the present invention is actually used, the S / N ratio is more important than the rated current measurement error, and 2L0 is minimized within the set range. The evaluation results are shown in Table 1. In addition, in the specification achievement status of Table 1, conformity satisfies the tolerance as the target performance of the current sensor, that is, 3% or less when the measured current is 1000A, and 7% or less when the measured current is 1300A, Nonconformity indicates that the tolerance is not satisfied.

本発明に従うギャップの長さ範囲とすることによって、被計測電流の最大電流時の測定精度を満たした上で、さらに被計測電流が最大電流よりも高い過電流時の測定精度も向上できることがわかる。とりわけ、Lsが1.11Lg〜1.22 Lgであるときに、過電流値での誤差が小さくなっていることがわかる。   By setting the gap length range according to the present invention, the measurement accuracy at the maximum current of the current to be measured can be satisfied, and further, the measurement accuracy at the time of overcurrent when the current to be measured is higher than the maximum current can be improved. . In particular, it can be seen that the error in the overcurrent value is small when Ls is 1.11 Lg to 1.22 Lg.

Figure 2017156160
Figure 2017156160

1 電流センサー
2 第一のギャップ
3 第二のギャップ
4 磁気センサー
10 被計測電流線
11 コア
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Current sensor 2 1st gap 3 2nd gap 4 Magnetic sensor 10 Current line to be measured
11 core

Claims (3)

電流センサー用の磁性コアであって、
磁束を計測する磁気センサーを配置する第一のギャップおよび第二のギャップを有し、
前記第一のギャップの長さLsと第二のギャップの長さLgとが下記式(1)を満足する電流センサー用磁性コア。

Lg≦Ls≦1.35Lg …(1)
A magnetic core for a current sensor,
Having a first gap and a second gap for disposing a magnetic sensor for measuring magnetic flux;
The magnetic core for current sensors in which the length Ls of the first gap and the length Lg of the second gap satisfy the following formula (1).
Record
Lg ≦ Ls ≦ 1.35Lg (1)
前記第一のギャップの長さLsと第二のギャップの長さLgとが下記式(2)を満足する請求項1に記載の電流センサー用磁性コア。

1.11Lg≦Ls≦1.22Lg …(2)
The magnetic core for a current sensor according to claim 1, wherein the length Ls of the first gap and the length Lg of the second gap satisfy the following formula (2).
Record
1.11Lg ≦ Ls ≦ 1.22Lg (2)
U字形の複数枚の電磁鋼板を積層した積層体の対を、前記ギャップLsおよびLgの長さを隔てて相対配置した環状組立体である請求項1または2に記載の電流センサー用磁性コア。   3. The magnetic core for a current sensor according to claim 1, wherein the magnetic sensor core is a ring-shaped assembly in which a pair of laminates in which a plurality of U-shaped electromagnetic steel plates are laminated is disposed relative to each other with the lengths of the gaps Ls and Lg.
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