JP2017194376A - 電流センサー - Google Patents

Abstract

【課題】屋外での使用に耐え、かつ寸法や重量を抑えた電流センサーを提供する。【解決手段】本発明の一観点に係る電流センサーは、ホール素子を用いた磁気センサーである近接センサーと、近接センサーを収納する筐体と、測定対象の電線に発生した磁束を収集するための鉄芯とを有する。鉄芯は、電流計測対象の導線の周囲に巻きつけられ、その両端が筐体の異なる場所に固定された構成をとることで、電流センサーは導線に固定される。鉄芯の両端のうち、一方の端部は近接センサーに接触するように配置され、近接センサーに接触している端の幅は、もう一方の端よりも幅が狭くなるように構成されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は電流センサーに関する。

従来より、磁気を応用して電流の有無を検出することは一般に行われていた。例えば特許文献１に示されるように、磁性体コアと磁電変換素子とを備えた電流センサーがある。磁性体コアは、両端がギャップ部を介して対向し、中空部の周囲を囲んで一連に形成された概ねリング状の磁性体である。磁性体の中空部は、被検出電流が通過する電線を通す空間である

また、磁電変換素子は、磁性体コアのギャップ部に配置され、中空部を貫通して配置されたバスバーを流れる電流に応じて変化する磁束を検出し、磁束の検出信号を電気信号として出力する素子である。磁電変換素子としては、通常、ホール素子が採用される。

磁気方式の電流センサーにおいて、磁性体コアのギャップ部の幅、即ち、磁性体コアの両端面の間隔が広すぎると、電流センサーの測定感度が低下する。そのため、磁性体コアに設けられるギャップ部の間隔を極力狭くして、電流センサーの測定感度の低下を避けるようにしている。

特開２０１４−２１９２２１公報

従来からある電流センサーは、磁性体コア等の寸法や重量が大きい点が問題であった。また屋外での使用を想定していないため、センサーの構造を屋外での使用に耐えうるものにしようとすると、更に寸法や質量が増加する問題点があった。

本発明の一観点に係る電流センサーは、ホール素子を用いた磁気センサーと、磁気収集用鉄芯と、磁気センサーを収容する筐体とを有する。鉄芯は、電流計測対象の導線の周囲に巻回され、その両端は筐体の異なる場所に固定された構成をとることで、電流センサーは導線に固定される。

本発明の一観点に係る電流センサーは、上記構成を採ることにより、コンパクトで屋外の使用を可能にする。

電流センサーを、電流測定対象の電線に取り付けた状態の斜視図である。 電流センサーの上面図である。 電流センサーの前面図である。 電流センサーを背面から見た時の斜視図である。 カバーを除去した状態の電流センサーの背面図である。 カバーを除去した状態の電流センサーを上面から見た図である。 近接センサーを除去した状態のセンサー収容筐体を左面から見た図である。 カバーを除去した状態の電流センサーを左面から見た図である。 鉄芯の構造を模式的に示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施例の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

以下に説明する実施例において、電流センサーを構成する各構成物（部品）を説明する際、各部品に付された参照番号を用いて説明を行う。なお、“ａ”や“ｂ”等のｓｕｆｆｉｘが付された参照番号が用いられることがある。ｓｕｆｆｉｘが異なり参照番号が同一の部品は、同じ種類の部品であることを意味する。また、同種の部品に共通の事項を説明する場合、ｓｕｆｆｉｘを略した参照番号を用いて部品を特定することがある。

図１は、本実施例に係る電流センサー１を、電流測定対象の電線６に取り付けた状態を示す斜視図である。図２は、電流センサー１を図１の矢印Ａの方向（上面）から見た図で、図３は電流センサー１を、電線６の取り付けられる面（前面）から見た時の図である。

電流センサー１は、センサー収容筐体２、２本の鉄芯３（３ａ，３ｂ）、取付け用バンド（タイラップ）４を備える。６は電流センサー１による電流測定対象の電線で、例えば鉄道における架線である。センサー収容筐体２は直方体形状の箱で、近接センサー４１を紫外線などから保護し、また鉄芯３を取り付けるための筐体である。またセンサー収容筐体２は、タイラップ４の取り付け部１０を有する。

電流センサー１により電線６に流れる電流の測定を行う場合、タイラップ４を用いて電流センサー１を電線６に取り付ける。図３に示されているように、取付け部１０は２つの穴（１１ａ，１１ｂ）を有し、電線６の外周に巻き付けられたタイラップはこの２つの穴（１１ａ，１１ｂ）に通されることで、電線６を電流センサー１に固定する。さらに、鉄芯３ａ，３ｂの一端をそれぞれボルト７ａ，７ｂ（７ｂは図１では非図示）でセンサー収容筐体２に固定し、鉄芯３ａ，３ｂを電線６の外周に巻き回し、また鉄芯３ａ，３ｂのもう一端は、それぞれボルト８ａ，８ｂでセンサー収容筐体２に固定してから、測定を行う。

鉄芯３ａ，３ｂは電線６に巻き回される必要があるため、その長さは電線６の外周よりも長い必要がある。また電線６に巻き回すための曲げ加工が容易になるよう、鉄芯３ａ，３ｂにはあまり厚みのないもの（一例として厚さ０．５ｍｍ程度のもの）が用いられる。なお本実施例では、電線６のうち表面に絶縁体の被覆が施されている場所に鉄芯３ａ，３ｂを巻きつける。

本明細書では、センサー収容筐体２の各面のうち、電線６に向かい合い、ボルト７ａ，７ｂが取り付けられる面を前面と呼び、前面に対向する面のことを背面と呼ぶ。また、ボルト８，９の取り付けられる面を左面と呼ぶこととする。

図４は、本実施例に係る電流センサー１を、センサー収容筐体２の背面から見た時の斜視図である。センサー収容筐体２の背面部分は、取り外し可能なカバー２１となっており、カバー２１はボルト２２によって、センサー収容筐体２に固定される。

図５は、カバー２１を除去した状態の電流センサー１を背面から見た図である。図６は、カバー２１を除去した状態の電流センサー１を上面から見た図である。また図７は、近接センサー４１（４１ａ，４１ｂ）を除去した状態でセンサー収容筐体２を左面から見た図である。

センサー収容筐体２は、フレーム２３とセンサー固定部２４から構成される。フレーム２３の前面には、タイラップの取付け部１０が取り付けられ、背面にはセンサー固定部２４が取り付けられている。センサー収容筐体２内には、２つの近接センサー４１（４１ａ，４１ｂ）が収容される。

本実施例に係る電流センサー１で用いられる近接センサー４１は、円筒形状のもので、センサー固定部２４の取り付け穴２４１（２４１ａ，２４１ｂ）の位置に固定される。近接センサー４１の表面のうちセンサー固定部２４に取り付けられる部分には、ねじ山が形成されており、近接センサー４１は２つのナット２５によって、センサー固定部２４に固定される。近接センサー４１は、その上端部分がちょうどセンサー収容筐体２の側表面に位置するように、センサー収容筐体２に取り付けられる。

なお本実施例では、近接センサー４１の右側の、鉄芯３と接する部分を、近接センサー４１の「上端」と呼び、そして近接センサーの左側の、リード線４２の接続されている部分のことを、近接センサー４１の「下端」と呼ぶ。

近接センサー４１は、近接センサー４１の上端部分に磁気センサーを有する。磁気センサーは一例として、ホール素子等の磁電変換素子を用いたセンサーである。磁気センサーは、その垂直方向（図６に記載の矢印Ｂの方向）に発生した磁束を検出する。そのため本実施例における電流センサー１では、近接センサー４１の上端部分に位置する鉄芯３を、近接センサー４１に対して直交するように配置して、磁気センサーに対して垂直に磁界が加わるようにしている。

電線６に電流が流れると、電線６の周りに磁束が発生する。発生した磁束は鉄芯３（３ａ，３ｂ）を通って磁気センサー付近に導かれる。磁気センサーを通過した磁束はセンサー収容筐体２の下端の方へ導かれる。そのため磁束が磁気センサーを通過する際、磁気センサーを直交する形で通過することになる。

磁気センサーが磁束を検出すると（つまり磁束が磁気センサーを通過すると）、磁気センサーに電圧が発生する。近接センサー４１はその発生した電圧を検出信号としてリード線４２に出力する。センサー収容筐体２の下端付近には、鉄芯３がボルト７（７ａ，７ｂ）で固定されているため、磁気センサーを通過した磁束は鉄芯３へと導かれる。

なお、電流センサー１が２つの近接センサー４１（４１ａ，４１ｂ）を備えている理由は、耐障害性を高めるためである。たとえば一方の近接センサー４１が故障して、磁界を検出できなくなった場合でも、もう一方の近接センサー４１が正常であれば、検出信号を出力することができる。

電線６に電流が流れることで発生する磁束を近接センサー４１に効率良く導くために、鉄芯３（３ａ，３ｂ）には高透磁率の金属、たとえばパーマロイが用いられる。本実施例に係る電流センサー１は、電線６に２０Ａ（アンペア）〜３０００Ａという広い範囲の電流が流れる環境に用いられることを想定したものである。そのため鉄芯３には、小さな電流が電線６に流れた時でも電流検知を可能にするために透磁率が高いこと、かつ大電流が電線６に流れた後、鉄芯３に残る磁束（残留磁束）が殆どないこと、が求められる。たとえば鉄芯３に純鉄を用いた場合、透磁率は高いが、大電流を流した後に残留磁束が保持されてしまうため、それ以降の電流の検知ができなくなる。

本願発明者は、鉄芯３に用いるべき素材として何種類かの金属を用いて、電流検知性能と残留磁束の調査を行った。その結果、ニッケル含有率７８％のパーマロイが高透磁率を維持しつつ、残留磁束も少ないという事を発見した。さらにパーマロイを水素雰囲気中で焼きなまし処理することで、残留磁束をほぼ０にすることができることを発見した。

また、本実施例に係る電流センサー１は、屋外で用いられ、かつ鉄芯３を電線に巻きつけることで設置されなければならない。そのため鉄芯３は、屋外で使用しても錆が生じにくく、かつ電線６への巻き付けを容易にするために変形させやすい（可撓性があり曲げ加工が容易である）素材であることが求められる。パーマロイは錆が生じにくく曲げ加工も容易である点でも、鉄芯３としての用途に適しているため、本実施例に係る電流センサー１では、鉄芯３に、水素雰囲気中で焼きなまし処理を施したパーマロイを用いている。

図８は、カバー２１を除去した状態の電流センサー１の左面の構造を表している。また図９は、鉄芯３ａ，３ｂの構造を表した図である。鉄芯３は検知用鉄芯３２と磁束誘導用鉄芯３１の２つで構成される。検知用鉄芯３２と磁束誘導用鉄芯３１の材質はいずれも同じである。また、磁束誘導用鉄芯３１ａと３１ｂの形状は同じである。そして検知用鉄芯３２ａと３２ｂは、上下対称の形状である。磁束誘導用鉄芯３１には、ボルト８を通すための穴３１１が設けられ、また検知用鉄芯３２には、ボルト８を通すための穴３２２（３２２ａ，３２２ｂ）とボルト９を通すための穴３２１（３２１ａ，３２１ｂ）の、２つの穴が設けられている。

電流センサー１を電線６に取り付ける際に、鉄芯３（検知用鉄芯３２）の位置がずれて、磁気センサーから離れると、適切に磁束を検出できなくなる。そのため、検知用鉄芯３２の左端が近接センサー４１の上端に接触した状態が保たれるように、検知用鉄芯３２はあらかじめ（電流センサー１を電線６に取り付ける前の段階において）、ボルト９によってセンサー収容筐体２に固定されている。また検知用鉄芯３２をセンサー収容筐体２に固定する際、検知用鉄芯３２の上にプレート１２ｂを重ねてから、ボルト９で検知用鉄芯３２をセンサー収容筐体２に固定する。電流センサー１を電線６に取り付ける際には、磁束誘導用鉄芯３１を検知用鉄芯３２の上に重ね、さらにその上にプレート１２ｂを重ねてから、ボルト８で磁束誘導用鉄芯３１を固定する。

また、電線６で発生した磁束を確実に検知するために、磁束誘導用鉄芯３１と検知用鉄芯３２はある程度の幅を持ったものが用いられる。一例として磁束誘導用鉄芯３１と検知用鉄芯３２の幅は１５ｍｍである。そして鉄芯３に流れる磁束を適切に磁気センサーに導くため、検知用鉄芯３２は、先端、つまり磁気センサーに接する部分に近づくにつれ、幅が狭くなるような形状をとる。検知用鉄芯３２の、磁気センサーに接する部分の幅は、一例として５ｍｍである。これにより、鉄芯（磁束誘導用鉄芯３１）に流れる磁束を集約し、磁束が確実に磁気センサーに導かれるようにしている。

以上が本発明の一実施形態の説明である。本実施形態に係る電流センサー１は、上で説明したような構造をとっているため、例えば電線が既に施設に設置済みの状態にあっても、電流センサー１を容易に取り付けることができ、屋外での使用も可能である。なお、ここで説明した電流センサーの構造は、本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施例にのみ限定する趣旨ではなく、種々の変形を加えることも可能である。たとえばタイラップを用いずに、鉄芯３ａ，３ｂを電流検出対象の電線６に巻きつけることで、電流センサーを電線に固定するようにしてもよい。

１：電流センサー
２：センサー収容筐体
３ａ，３ｂ：鉄芯
４：取付け用バンド（タイラップ）
５：電線管
６：電線
７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ：ボルト
２１：カバー
２２：ボルト
２３：フレーム
２４：センサー固定部
４１ａ，４１ｂ：近接センサー
４２：リード線

Claims (5)

1. 電流検出対象である導線の外周に巻き回される鉄芯と、
   先端部分に磁気センサーを有する近接センサーと、
   前記近接センサーを収容する筐体と、を有し、
   前記近接センサーは、該近接センサーの先端部分が前記筐体の表面に露出する状態で、前記筐体内部で固定され、
   前記鉄芯は前記導線の外周に巻き回された状態の時、一端が前記筐体に固定され、他端が前記近接センサーの前記先端部分に接触した状態で固定される、
   電流センサー。
2. 前記鉄芯の端部のうち、前記近接センサーの前記先端部分に固定される端部の幅は、前記鉄芯の他の部分の幅よりも狭い、
   請求項１に記載の電流センサー。
3. 前記鉄芯には、パーマロイが用いられる、
   請求項１または請求項２に記載の電流センサー。
4. 前記鉄芯は、前記導線の外周に巻き回される磁束誘導用鉄芯と、前記近接センサーの前記先端付近に固定される検知用鉄芯と、から構成され、
   前記検知用鉄芯の一端はあらかじめ、前記近接センサーの前記先端部分に接触した状態で固定されており、
   前記検知用鉄芯の他端は、前記磁束誘導用鉄芯が前記導線の外周に巻き回された後、前記磁束誘導用鉄芯の一端と、ボルトにより接合される、
   請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の電流センサー。
5. 前記電流センサーは、前記近接センサーと前記鉄芯を複数有することを特徴とする、
   請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の電流センサー。

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