JP5713744B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、導体に流れる電流を測定する電流センサに関する。

従来の電流センサでは、被測定対象電流が大きくなると鉄心が磁気飽和してしまい、電流値を正確に測定することができなくなる。そのため、大電流を測定するためには、鉄心が磁気飽和しないように、鉄心の体積や磁束が通過する断面積を大きくする必要があるが、電流センサが大型化し重量も増加してしまう。

こうした大電流計測用の電流センサを小型軽量化するために、鉄心が磁気飽和しないように、鉄心を分割して、鉄心を貫通する磁束を減らして磁気飽和を抑制する方法が考えられる。例えば、鉄心部を鉄系の粉末と非磁性系の粉末を混成して硬化させたものを用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。また、鉄の部分と非磁性の部分を均一に配置する形状にすることにより、計測精度を確保することが提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２００６−２４８４４号公報（図２） 特許第４４９９７０７号公報（図１）

特許文献１のような電流センサは、磁性材と非磁性材の混合磁心を使用しているが、鉄の箇所と非磁性体の箇所が不定なので、磁束密度が局所的に増大するなどして均一にならない。その結果、場所により巻線を鎖交する磁束の本数が変わってしまうため、一部は磁気飽和し他の箇所は磁気飽和しないという現象が起こる。そのため、被測定対象電流線に対する直線性の精度が低下する。また、鉄心の飽和特性が一周にわたって均一で、かつ、巻線が一周すべてにわたって一様に巻かれていれば、外乱磁界が生じた場合でもその影響をキャンセルすることができるが、鉄心の飽和特性が場所により異なればキャンセルできず、計測精度が低下するという問題がある。

また、特許文献２のような電流センサは、鉄心を均一に配置できるため、計測精度は確保できるものの、鉄心と非磁性体の位置を精度良く配置しようとすると、製造コストが高くなる傾向がある。

本発明の目的は、電流測定時における磁気飽和の抑制によって測定精度を確保でき、小型化、低コスト化が図られる電流センサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、円環状に形成され、その中心部を貫通して配置された一次導体を流れる一次電流にて発生した磁束を集磁する鉄心部と、
鉄心部に対しポロイダル方向に巻回され、鉄心部内の磁束変化を検出するための巻線とを備え、
巻線の出力から一次電流を測定するための電流センサであって、
鉄心部は、溝がトロイダル方向に沿って複数配置されたコア分割領域と、トロイダル方向に連結したコア連結領域とを含み、
鉄心部のコア分割領域において、径方向断面における鉄心部の断面積と溝の断面積との比がトロイダル全周に渡って一定であり、
コア連結領域は、複数の溝が交差指状に配置された折り返し線の形状を有することを特徴とする。
また本発明は、円環状に形成され、その中心部を貫通して配置された一次導体を流れる一次電流にて発生した磁束を集磁する鉄心部と、
鉄心部に対しポロイダル方向に巻回され、鉄心部内の磁束変化を検出するための巻線とを備え、
巻線の出力から一次電流を測定するための電流センサであって、
鉄心部は、溝がトロイダル方向に沿って複数配置されたコア分割領域と、トロイダル方向に連結したコア連結領域とを含み、
鉄心部のコア分割領域において、径方向断面における鉄心部の断面積と溝の断面積との比がトロイダル全周に渡って一定であり、
鉄心部に対してトロイダル方向のバイアス磁界を印加するためのバイアス磁界印加機構をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電流測定時においてコア連結領域で磁気飽和が生ずると、主にコア分割領域が鉄心として機能するようになる。そのため鉄心内の磁束密度が低減し、磁気飽和を生じさせる一次電流を大きくでき、かつ、巻線断面内の磁束密度が均一化され、測定精度を確保できる。また、鉄心部は、単一部材として形成した場合、製作が容易になり、高精度な電流センサを低コストで実現できる。

本発明の実施の形態１による電流センサを示す斜視図である。 図１に示した電流センサの平面図である。 図１に示した鉄心部の平面図である。 図３中のＡ部の拡大図である。 鉄心部内の磁束の様子を模式的に表した説明図である。 鉄心部内の磁束の様子を模式的に表した説明図である。 電流センサについて被測定電流に対する出力特性の一例を示すグラフである。 鉄心部形状の他の例を示す平面図である。 鉄心部形状のさらに他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態２による電流センサの鉄心部を示す部分平面図である。 本発明の実施の形態３による電流センサを示す斜視図である。 バイアス磁界印加機構の他の例を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電流センサ１を示す斜視図である。電流センサ１は、鉄心部１０２と、巻線１０３などを備える。鉄心部１０２は、円環状に形成された磁性材料で構成され、その径方向断面は、例えば、矩形状または隅丸矩形状である。鉄心部１０２の中心部を貫通するように、被測定電流線１０１が一次導体として配置される。被測定電流線１０１に一次電流が流れると、その周囲に磁束１０４を発生し、鉄心部１０２は、発生した磁束１０４を集磁する。

巻線１０３は、円環状の鉄心部１０２に対しポロイダル方向に巻回され、二次巻線として鉄心部１０２内の磁束変化を検出する機能を有する。巻線１０３の両端には、例えば、負担抵抗１０５が接続されており、被測定電流線１０１に流れる交流電流により磁束１０４が時間変化すると、それに伴い巻線１０３に誘導電流が生ずる。そこで、外部測定器を用いて負担抵抗１０５の両端電圧を計測することにより、被測定電流線１０１に流れる一次電流の振幅、周波数および位相を測定することができる。こうした電流センサ１は、例えば、変流器（ＣＴ）として動作可能である。

図２は、図１に示した電流センサ１の平面図である。図３は、図１に示した鉄心部１０２の平面図である。図４は、図３中のＡ部の拡大図である。被測定電流線１０１は、紙面垂直方向に延びており、円環状の鉄心部１０２の中心を貫通している。巻線１０３は、円環状の鉄心部１０２に対しポロイダル方向に巻回されている。

鉄心部１０２は、溝１０７がトロイダル方向に沿って複数配置されたコア分割領域Ｋｍと、トロイダル方向に連結したコア連結領域Ｋｓとを含む。コア分割領域Ｋｍにおいて、溝１０７は、鉄心部１０２の径方向と斜めに交差するように、鉄心部１０２の外側から内側へ向かって切れ目状に形成され、隣接する鉄部１０６の間のエアギャップとして機能する。一方、コア連結領域Ｋｓでは、溝１０７が存在せず、鉄部１０６同士が一体的に連結されている。

ここで、図４に示すように、ある溝１０７に着目して、径方向断面においてコア分割領域Ｋｍの内側エッジから溝１０７の内側エッジまでの距離をｃ１、溝１０７のギャップ長をｇ、溝１０７の外側エッジからコア分割領域Ｋｍの外側エッジまでまでの距離をｃ２とする。また、別の溝１０７に着目して、径方向断面においてコア分割領域Ｋｍの内側エッジから溝１０７の内側エッジまでの距離をｃ１’、溝１０７のギャップ長をｇ’、溝１０７の外側エッジからコア分割領域Ｋｍの外側エッジまでまでの距離をｃ２’とする。このとき、ｇ：（ｃ１＋ｃ２）＝ｇ’：（ｃ１’＋ｃ２’）が成立する。

換言すると、鉄心部１０２のコア分割領域Ｋｍにおいて、径方向断面における鉄心部１０２の断面積と溝１０７の断面積との比が、トロイダル全周に渡って一定である。こうした部品形状は、例えば、板状の鉄材をプレス加工などにより一度に形成することができるので、高い寸法精度を低い製造コストで実現することができる。

次に、電流センサ１の動作について説明する。被測定電流線１０１に電流が流れると、鉄心部１０２の内部では磁束がトロイダル方向に通過する。

図５および図６は、鉄心部１０２内の磁束の様子を模式的に表した説明図である。ここで、矢印の密度が磁束密度に対応する。被測定電流線１０１を流れる電流が少ないときは、図５に示すように、磁束は内側の一体化されたコア連結領域Ｋｓを主に流れる。このとき磁束が低いため、磁気飽和は起こっていない。従って、通常の変流器の動作と同様に、鉄心部１０２を貫く磁束変化がそのまま巻線１０３の誘導電流として出力される。

次に、被測定電流線１０１の電流値が大きくなると、図６（ａ）に示すように、鉄心部１０２を貫く磁束の大部分は、内側の一体化されたコア連結領域Ｋｓをさらに貫くようになり、このコア連結領域Ｋｓだけが磁気飽和するようになる。磁気飽和した箇所は、透磁率が低下し、完全に飽和すると透磁率はほぼ空気と同等になる。その結果、透磁率の高い領域、すなわち実効的な鉄心領域は、図６（ｂ）に示すように、コア連結領域Ｋｓを除いた、コア分割領域Ｋｍだけになる。この状態は、すなわち高い寸法精度で位置決めされた分割鉄心と同等である。この状態になれば、被測定電流が大きくなったとしても、実効的な鉄心領域は、分割された鉄心と同様に機能するため、エアギャップによる磁気飽和の抑制が可能になり、大電流でも精度良く測定することができる。

図７は、電流センサ１について被測定電流に対する出力特性の一例を示すグラフである。被測定電流がゼロからスタートして、コア連結領域Ｋｓが磁気飽和する電流値Ｉ１までの小さな電流範囲では、非線形特性を示している。一方、電流値がＩ１を超えると、コア分割領域Ｋｍが分割鉄心として機能するため、広い電流範囲に渡って線形性が確保されていることが判る。従って、電流センサ１の測定範囲を、電流値Ｉ１からコア分割領域Ｋｍ自体が磁気飽和を示す電流値Ｉ２までの範囲に設定することにより、十分実用に耐えられる高い測定精度を確保できる。また、鉄心部１０２の鉄部１０５は、プレス加工などにより低コストで良好な寸法精度が得られるので、出力の線形性は高く、また、外乱磁界に対する耐性も高い。

コア連結領域Ｋｓは、磁気飽和を容易にするために、磁束が通過するエリアの幅や断面積は可能な限り小さい方が望ましい。図４に示すように、径方向断面においてコア連結領域Ｋｓの幅をａ、コア分割領域Ｋｍの幅をｂとして、幅ａは幅ｂの１０％以下（０＜ａ／ｂ≦０．１）であることが好ましい。また、磁束が通過する断面積に換算すると、径方向断面においてコア連結領域Ｋｓの断面積Ｓａは、コア分割領域Ｋｍの断面積Ｓｂの１０％以下（０＜Ｓａ／Ｓｂ≦０．１）であることが好ましい。これにより、被測定電流が小さくても磁気飽和し易くなり、図７のグラフにおいて電流値Ｉ１をより小さくできるため、電流の計測範囲を拡大することができる。

本実施形態では、図２〜図４に示したように、鉄心部１０２の内側にコア連結領域Ｋｓを配置し、鉄心部１０２の外側にコア分割領域Ｋｍを配置した場合を例示している。代替として、図８に示すように、鉄心部１０２の内側にコア分割領域Ｋｍを配置し、鉄心部１０２の外側にコア連結領域Ｋｓを配置しても構わない。また、図９に示すように、鉄心部１０２の内側および外側にコア連結領域Ｋｓをそれぞれ配置し、２つのコア連結領域Ｋｓの間にコア分割領域Ｋｍを配置しても構わない。また、図示していないが、鉄心部１０２の内側および外側にコア分割領域Ｋｍをそれぞれ配置し、２つのコア分割領域Ｋｍの間にコア連結領域Ｋｓを配置しても構わない。

本実施形態によれば、電流測定時においてコア連結領域Ｋｓで磁気飽和が生ずると、コア分割領域Ｋｍが分割鉄心として機能するようになる。そのため鉄心内の磁束密度が低減し、磁気飽和を生じさせる一次電流を大きくでき、かつ、巻線断面内の磁束密度が均一化され、測定精度を確保できる。また、鉄心部１０２は、単一部材として形成した場合、製作が容易になり、製造工程が簡略化され、高精度な電流センサを低コストで実現できる。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２による電流センサ１の鉄心部１０２を示す部分平面図である。本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有するが、コア連結領域Ｋｓにおいて、磁路を長くし磁気抵抗を増大させている点が相違する。

コア連結領域Ｋｓは、複数の溝１０７が交差指状に配置され、折り返し線（いわゆるミアンダライン）１０８の形状を有する。こうした構造により、磁束がコア連結領域Ｋｓを通過する際、実施の形態１と比べて、磁束が通過する断面積が小さくなり、しかも磁束が通過する距離が増加するため、コア連結領域Ｋｓでの磁気飽和レベルが低くなる。その結果、被測定電流が小さくても飽和し易くなり、図７のグラフにおいて電流値Ｉ１をより小さくできるため、電流の計測範囲を拡大でき、ワイドレンジな電流センサを実現できる。

実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３による電流センサ１を示す斜視図である。本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有するが、鉄心部１０２に対してトロイダル方向のバイアス磁界を印加するためのバイアス磁界印加機構が設けられている点で相違する。

図１１において、バイアス磁界印加機構として、被測定電流線１０１とは別個の電流線１０９を被測定電流線１０１と平行に配置している。電流線１０９の両端は電流源（不図示）に接続されており、電流線１０９に所定の直流電流が流れることによって、鉄心部１０２のトロイダル方向に直流バイアス磁界が発生する。これにより鉄心部１０２の内部では、被測定電流線１０１による磁界に対して電流線１０９によるバイアス磁界が重畳することになる。その結果、鉄心部１０２のコア連結領域Ｋｓが磁気飽和に達する磁界が小さくなる。換言すると、コア連結領域Ｋｓは、被測定電流線１０１の電流値が小さくても容易に磁気飽和することになる。その結果、被測定電流が小さくても飽和し易くなり、図７のグラフにおいて電流値Ｉ１をより小さくできるため、電流の計測範囲を拡大でき、ワイドレンジな電流センサを実現できる。

図１２は、バイアス磁界印加機構の他の例を示す斜視図である。バイアス磁界印加機構として、巻線１０３とは別個の巻線１１０を、円環状の鉄心部１０２に対しポロイダル方向に巻回している。巻線１１０の両端は電流源１１１に接続されており、巻線１１０に所定の直流電流が流れることによって、図１１と同様に、鉄心部１０２のトロイダル方向に直流バイアス磁界が発生する。その結果、鉄心部１０２のコア連結領域Ｋｓが磁気飽和に達する磁界が小さくなり、図７のグラフにおいて電流値Ｉ１をより小さくできるため、電流の計測範囲を拡大でき、ワイドレンジな電流センサを実現できる。

なお、図１１と図１２では、電流線の追加設置によるバイアス磁界の重畳について説明したが、代替として、電磁石や永久磁石の追加設置によってトロイダル方向のバイアス磁界を重畳するように構成してもよい。

また、バイアス磁界の印加方向は、図１１や図１２のように、鉄心部１０２のトロイダル方向が望ましいが、これに限ることはなく、コア連結領域Ｋｓが磁気飽和すれば足りるため、バイアス磁界方向について特に制限は無い。

１ 電流センサ、 １０１ 被測定電流線、 １０２ 鉄心部、 １０３ 巻線、
１０４ 磁束、 １０５ 負担抵抗、 １０６ 鉄部、 １０７ 溝、
１０８ 折り返し線、 １０９ バイアス磁界印加用電流線、
１１０ バイアス磁界印加用巻線、 １１１ 電流源、 Ｋｍ コア分割領域、
Ｋｓ コア連結領域。

Claims (4)

1. 円環状に形成され、その中心部を貫通して配置された一次導体を流れる一次電流にて発生した磁束を集磁する鉄心部と、
   鉄心部に対しポロイダル方向に巻回され、鉄心部内の磁束変化を検出するための巻線とを備え、
   巻線の出力から一次電流を測定するための電流センサであって、
   鉄心部は、溝がトロイダル方向に沿って複数配置されたコア分割領域と、トロイダル方向に連結したコア連結領域とを含み、
   鉄心部のコア分割領域において、径方向断面における鉄心部の断面積と溝の断面積との比がトロイダル全周に渡って一定であり、
   コア連結領域は、複数の溝が交差指状に配置された折り返し線の形状を有することを特徴とする電流センサ。
2. 円環状に形成され、その中心部を貫通して配置された一次導体を流れる一次電流にて発生した磁束を集磁する鉄心部と、
   鉄心部に対しポロイダル方向に巻回され、鉄心部内の磁束変化を検出するための巻線とを備え、
   巻線の出力から一次電流を測定するための電流センサであって、
   鉄心部は、溝がトロイダル方向に沿って複数配置されたコア分割領域と、トロイダル方向に連結したコア連結領域とを含み、
   鉄心部のコア分割領域において、径方向断面における鉄心部の断面積と溝の断面積との比がトロイダル全周に渡って一定であり、
   鉄心部に対してトロイダル方向のバイアス磁界を印加するためのバイアス磁界印加機構をさらに備えたことを特徴とする電流センサ。
3. コア連結領域は、鉄心部の内側および外側のいずれか一方または両方に配置されることを特徴とする請求項１または２記載の電流センサ。
4. 径方向断面において、コア連結領域の断面積は、コア分割領域の断面積の１０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電流センサ。

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