JP5834292B2 - 電流センサ - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、電線に流れる電流値を検出するための電流センサに関する。
従来から電線を流れる電流値を検出する電流センサとして、電線から一定の距離を離して磁気センサ素子を配置し、その位置における磁場の強さを感知することで電線に流れる電流値を検出する電流センサが用いられている。
しかし、磁場の強さを感知する方法では電線の位置がずれて電線と電流センサとの距離が変動した場合、測定誤差が生じるという問題があった。
そこで、電線の位置ずれによる測定誤差を小さくするために、特許文献1に開示されるように、電線を挟んで一対の磁気センサ素子を電線から等距離に対向して配置したものが知られている。このように電線を挟んで一対の磁気センサ素子を対向配置しておけば、外部一定磁場の影響がある場合、または被測定電線の位置が多少ずれて各磁気センサ素子との距離が変わった場合でも、2つの磁気センサ素子による値の差分又は加算することで測定誤差を少なくすることができる。
特開2001−153895号公報
しかし、上記構成では、電線の位置ずれに対する影響は少なくすることができるものの、測定する電線とは異なる別の電線が近くにあるとその隣接した電線に流れる電流による磁場の影響を受けて正確に測定することができないという問題が発生する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、電線の位置ずれによる影響を少なくしつつ、外部磁場の影響も少なくできる電流センサを提供するところにある。
発明は、電線に流れる測定電流を測定するために前記電線の周囲に複数の磁気センサ素子を配置した電流センサにおいて、前記複数の磁気センサ素子は、前記電線の軸方向に垂直な平面上において、前記電線と前記平面との交点を始点として放射された複数の直線上において、前記電線からの距離が異なる2つの磁気センサ素子が配設され磁気センサ対をなすとともに、前記各磁気センサ対において2つの磁気センサ素子の出力値を所定の結合係数を用いて線形結合をし、複数組の前記線形結合した値を加算して前記測定電流を算出する電流センサであって、前記磁気センサ対の数は4であり、隣接電線と前記磁気センサ対の内の一つと被測定電線とを一直線に配置し、複数組の前記磁気センサ対の内、前記電線からの距離が近い方の各磁気センサは、前記電線からの距離が等しく、複数組の前記磁気センサ対の内、前記電線からの距離が遠い方の各磁気センサは、前記電線からの距離が等しく、前記所定の結合係数を数式10とし、前記各磁気センサ対において各磁気センサ素子の出力値を数式2に従い、線形結合した上で全磁気センサ対加算することを特徴とする。
Figure 0005834292
Figure 0005834292
ここで、θ 11 、θ 12 は最も前記隣接電線に近い前記磁気センサ対の内側および外側磁気センサ素子位置と前記隣接電線の中心C2との成す角度であり、θ 11 =θ 12 =0は、前記隣接電線と、最も前記隣接電線に近い磁気センサ対と、前記被測定電線とを一直線に配置したことを示し、jは前記各磁気センサ対の符号付けを示し、Sは前記各磁気センサ対jの線形結合出力を示し、前記結合係数をAとし、前記被測定電線の電流により生ずる規格化磁場をbとし、前記隣接電線の電流により生ずる規格化外部磁場をbnnとし、位置に依存しない一定外部磁場をbとし、esjを前記各磁気センサ対jの磁気感度単位ベクトルとし、ej1、ej2をそれぞれ前記各磁気センサ対jの前記電線に近い方のセンサ(以降内側磁気センサ素子)位置、前記電線から遠い方のセンサ(以降外側磁気センサ素子)位置における隣接電線磁場の単位ベクトルとし、被測定電線軸方向に垂直な断面における前記各磁気センサ対jの内側磁気センサ素子位置ベクトルおよび外側磁気センサ素子の位置ベクトルをそれぞれ、Yj1(絶対値はY)、Yj2(絶対値はY)とし、隣接電線位置ベクトルをR(絶対値はR)とし、前記被測定電線の位置ずれベクトルをΔX(絶対値はΔX)とした。
これにより、本発明は、各磁気センサ素子に対する外部磁場の影響が同程度の場合でも外部磁場の影響を少なくでき、かつ、電線の位置ずれによる影響も少なくでき、測定精度を高めることができる。
本発明は、電線に流れる測定電流を測定するために前記電線の周囲に複数の磁気センサ素子を配置した電流センサにおいて、前記複数の磁気センサ素子は、前記電線の軸方向に垂直な平面上において、前記電線と前記平面との交点を始点として放射された複数の直線上において、前記電線からの距離が異なる2つの磁気センサ素子が配設され磁気センサ対をなすとともに、前記各磁気センサ対において2つの磁気センサ素子の出力値を所定の結合係数を用いて線形結合をし、複数組の前記線形結合した値を加算して前記測定電流を算出する電流センサであって、前記各磁気センサ対において隣接する電線などの影響のため、各磁気センサ素子に対する外部磁場の影響が異なる場合、前記所定の結合係数は数式9とし、前記各磁気センサ対において各磁気センサ素子の出力値を数式2に従い、線形結合および全磁気センサ対加算することを特徴とする。

Figure 0005834292
Figure 0005834292
ここで、jは前記各磁気センサ対の符号付けを示し、Sは前記各磁気センサ対jの線形結合出力を示し、前記結合係数をAとし、被測定電線の電流により生ずる規格化磁場をbとし、隣接電線の電流により生ずる規格化外部磁場をbnnとし、位置に依存しない一定外部磁場をbとし、esjを前記各磁気センサ対jの磁気感度単位ベクトルとし、ej1、ej2をそれぞれ前記各磁気センサ対jの前記電線に近い方のセンサ(以降内側磁気センサ素子)、前記電線から遠い方のセンサ(以降外側磁気センサ素子)位置における隣接電線磁場の単位ベクトルとし、被測定電線軸方向に垂直な断面における前記各磁気センサ対jの内側磁気センサ素子の位置ベクトルおよび外側磁気センサ素子の位置ベクトルをそれぞれ、Yj1(絶対値はY)、Yj2(絶対値はY)とし、隣接電線位置ベクトルをR(絶対値はR)とし、前記被測定電線の位置ずれベクトルをΔX(絶対値はΔX)とした。
これにより、本発明は、各磁気センサ素子に対する外部磁場の影響が異なる場合でも外部磁場の影響を少なくでき、かつ、電線の位置ずれによる影響も少なくでき、測定精度を高めることができる。
また、本発明は、前記複数の磁気センサ素子を保持するための担持体が設けられており、その担持体には前記電線を保持するための保持部と前記保持部へ前記電線を導くための導入部が形成されていることに特徴を有する。
これにより、本発明は、クランプ式電流センサのように電線導入のためにセンサ装置を分割することがないため長期信頼性に優れた電流センサを提供することができる。
また、本発明は、前記電線を中心にした異なる半径を有する2つの円周上に各々前記各内側磁気センサおよび前記各外側磁気センサが複数組配置されていることを特徴とする。
これにより、本発明は、電線の位置ずれ及び外部磁場の影響を少なくして測定精度の高い電流センサを提供することができる。
また、本発明は、前記各磁気センサ対は等間隔で配置されていることに特徴を有する。
これにより、本発明は、電線の位置ずれ及び外部磁場の影響を少なくして測定精度の高い電流センサを提供することができる。
また、本発明は、前記各磁気センサ対が90°の等間隔で4組配置されていることに特徴を有する。
これにより、本発明は、電線の位置ずれ及び外部磁場の影響を少なくして測定精度の高い電流センサを提供することができる。
本発明によれば、磁気センサ素子を対向して磁気センサ対とし、その対となった磁気センサ素子の出力値を所定の結合係数を用いて線形結合することで外部磁場の影響を少なくでき、さらに、それぞれの磁気センサ対の線形結合した値を加算することで測定電流を算出するようにしたので電線の位置ずれによる影響も少なくすることができる。
本実施形態(第1実施形態)の被測定電線、磁気センサ素子の配置図である。 同実施形態(第1実施形態)の線形結合係数の決定方法を説明するための被測定電線、磁気センサと隣接電線の配置図である。 同実施形態(第1実施形態)の4素子対における電流測定誤差の隣接電線位置(角度)依存性を差動、非差動方式で比較した結果を示す図である。 同実施形態(第1実施形態)の素子対数2、3、4、5における電流測定誤差の隣接電線位置(角度)依存性を示す図である。 同実施形態(第1実施形態)の4素子対における、隣接電線電流の影響下での電流測定誤差の、被測定電線位置ずれ依存性を示す図である。
以下、本発明の電流センサを具体化した実施形態について図1乃至図5を参照して説明する。
本発明の電流センサは、図1に示すように正方形状の担持体10を備え、その担持体10には4辺に対応してそれぞれ内側面部10Aと外側面部10Bとが形成されている。また、担持体10の一つの角部は切り欠かれて電線導入部10Cを形成しており、測定するための被測定電線11を担持体10の中央へ導き入れることができるようになっている。電線導入部10Cは担持体10の中央部まで延出してその延出端部が電線保持部10Dを形成されており、導入された被測定電線11が担持体10の中央部に保持される。
各内側面部10Aと各外側面部10Bには、担持体10の中央部へ導き入れられた被測定電線11の軸線方向とは直交する方向に沿ってそれぞれ内側磁気センサ素子21と外側磁気センサ素子22が対向して配設されている。これら対向配置された内側磁気センサ素子21と外側磁気センサ素子22によって4対の磁気センサ対20が被測定電線11を中心にその周囲に90度の等間隔で配置される。
各内側磁気センサ素子21と各外側磁気センサ素子22は、磁気抵抗効果素子、例えば、GMR(Giant Magneto Resistive)素子が用いられ、被測定電線11に流れる電流による磁界の強さを検出する。また、各内側磁気センサ素子21と各外側磁気センサ素子22から出力される信号は図示しない増幅回路を経て信号処理装置に入力される。信号処理装置は、演算処理回路及びメモリ等を備え、各磁気センサ対20において内側磁気センサ素子21から出力される信号に基づく出力値と外側磁気センサ素子22から出力される信号に基づく出力値とを所定の線形結合係数を用いて線形結合するとともに各磁気センサ対20における線形結合した値を加算することで被測定電線11に流れる電流値を算出する。
次に、各磁気センサ対20における線形結合とその線形結合した値から電流値を算出する方法を具体的に説明する。
電流センサによる電流測定に影響を与える外部磁場としては、被測定電線11に隣接した他の電線(以下、隣接電線12)による規格化外部磁場bnnとその他外部機器等(図示せず)による一定外部磁場bを考える。また、図2に示すように、被測定電線11の中心C1と内側磁気センサ素子21との距離をY、被測定電線11の中心C1と外側磁気センサ素子22との距離をYとし、各内側磁気センサ素子21及び各外側磁気センサ素子22の感度軸はすべて各内側磁気センサ素子21及び各外側磁気センサ素子22の設置点における被測定電線11を中心とした円の接線と一致し方向は電流の流れる方向(図1中紙面垂直方向)を軸として反時計回り方向に設定されているものとする。
jを磁気センサ対の符号とする(図1にはj=1〜4の4磁気センサ対の場合を示す)。磁気センサ対jのセンサ出力Sは、内側、外側磁気センサ素子出力値の結合係数をAとすると、数式1で表わされる。
Figure 0005834292
ここで、被測定電線11の電流により生ずる規格化磁場をb、隣接電線12の電流により生ずる規格化外部磁場をbnn、位置に依存しない一定外部磁場をb、esjを磁気センサ対jの磁気感度単位ベクトル、ej1、ej2をそれぞれ磁気センサ対jの内側、外側磁気センサ素子位置における隣接電線磁場の単位ベクトルとした。また被測定電線軸方向に垂直な断面における磁気センサ対j内側および外側磁気センサ素子の位置ベクトルをそれぞれ、Yj1(絶対値はY)、Yj2(絶対値はY)、隣接電線位置ベクトルをR(絶対値はR)とした。また被測定電線の位置ずれベクトルをΔX(絶対値はΔX)とした。
また、各磁気センサ対の出力の総和は数式2で表わされる(Nは磁気センサ対の総数で今の例ではN=4)。
Figure 0005834292
被測定電流の測定誤差は、数式2における第2、3項の和と第1項の比で表わされ、数式3となる。
Figure 0005834292
数式2を被測定電線の位置ずれΔXについて展開すると数式4となる。
Figure 0005834292
ここでθj1、θj2はそれぞれ磁気センサ対jの内側および外側磁気センサ素子位置と隣接電線の中心C2との成す角度であり、被測定電線を中心にした異なる半径を有する2つの円周上に各々各内側磁気センサおよび各外側磁気センサが等角度間隔で配置されているので、数式5および数式6が成り立つ。ここで、添え字kは1または2をとり、θは定数である。
Figure 0005834292
Figure 0005834292
これらの結果を数式2に反映させると数式7が得られる。
Figure 0005834292
数式7より、被測定電線の位置ずれの影響は位置ずれΔXの2乗以上の高次微小量しか効いてこないことがわかる。すなわち被測定電線の位置ずれの影響は十分にキャンセルされる。
ここで、一定外部磁場の影響について議論する。前述したように、各内側磁気センサ素子21及び各外側磁気センサ素子22の感度軸はすべて各内側磁気センサ素子21及び各外側磁気センサ素子22の設置点における被測定電線11を中心とした円の接線と一致し方向は電流の流れる方向(図1中紙面垂直方向)を軸として反時計回り方向に設定されているので、数式8が成り立つ。すなわち、一定外部磁場の影響はキャンセルすることができる。
Figure 0005834292
次に線形結合係数Aの決定を行う。数式2においてbnnの係数項を0とおくと数式9が得られる。これによって隣接電線の影響はキャンセルされる。すなわち被測定電線の位置ずれと外部磁場(一定外部磁場と隣接電線による外部磁場の両方)の影響ともにキャンセルすることができる。
Figure 0005834292
本実施例においては磁気センサ対数N=4、隣接電線と磁気センサ対1および被測定電線が一直線に並んだ配置を選んでおり、この場合数式9から数式10が得られる。
Figure 0005834292
次に図2、図3を用いて、隣接電線電流の影響に対する本発明の効果を具体的に説明する。磁気センサ対の数は4対、図2において、R=8mm、Y=4mm、Y=5mm、被測定電線と隣接電線との距離Rを8mmに固定したまま、被測定電線を中心に隣接電線の位置を回転させて電流測定誤差を数式3より求めた。回転角θは被測定電線と、ある磁気センサ対を直線で結んだ方向の延長上に隣接電線が位置する場合を0°としている。前記磁気センサ素子出力の線形結合係数は0°の場合で、前述した方法により最適化しており、数式10より、A=−39/60となる。この最適化処理を行った場合を差動、最適化処理を行わずA=0として評価した場合を非差動とする。図3は隣接電線の位置をθが0°から45°まで変化させた場合の差動、非差動、両方式における電流測定誤差の結果を示す。非差動方式では電流測定誤差の最大が5%を超えるが、差動方式では最大誤差は2%以下に抑えられている。
続いて図4を用いて、隣接電線電流の影響による測定誤差が磁気センサ素子対の数でどのように変化するかを説明する。R=8mm、Y=4mm、Y=5mmとして、磁気センサ対の数を2、3、4、5の各々に対して、隣接電線の位置をθが0°から90°まで変化させた場合の電流測定誤差を数式3より求めた。前記磁気センサ対出力の線形結合係数は数式9を用いて各々の磁気センサ対数の場合で最適化してある。磁気センサ対の数が4対以上で測定誤差は2%以下に抑えることができた。
次に図5を用いて、隣接電線電流の影響下における、被測定電線の位置ずれによる電流測定誤差を磁気センサ素子対が4対の場合で説明する。隣接電線はθ=0°方向にあり、R=8mm、Y=4mm、Y=5mmとした。被測定電線をθ=0°に沿う直線上で、−1mmから+1mmまでずらした場合の電流測定誤差を数式3より求めた。この場合もA=−39/60として、線形結合係数は最適化してある。被測定電線の位置ずれ−1mmから+1mmにわたって、電流測定誤差は1%程度以下に抑えることができた。
このような上記構成により本実施形態では以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、内側磁気センサ素子21と外側磁気センサ素子22を対向して磁気センサ対20とし、それぞれの磁気センサ対を円周上に等角配置し、その対となった内側磁気センサ素子21の出力値と外側磁気センサ素子22の出力値を所定の線形結合係数Aを用いて線形結合することで位置依存する規格化外部磁場bnnと一定外部磁場bの影響を削除することができる。さらに、それぞれの磁気センサ対20の線形結合した値Sを加算し、その加算した全体値ΣSから測定電流を算出するようにしたので電線の位置ずれによる影響も少なくすることができる。すなわち、電流路の位置ずれ、外部磁場の変動要因が混在する場合においても、被測定電流の測定誤差を小さくすることができる。
また、磁気センサ対構成をとることによって、電線導入部スペースを容易に確保でき、使用目的に応じた磁気センサ総数の選択自由度が増すという効果を奏する。
また、クランプ式電流センサのように電線導入のためにセンサ装置を分割することがないため長期信頼性に優れた電流センサを提供できるという効果を奏する。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。
(1)上記実施形態では、内側磁気センサ素子21と外側磁気センサ素子22とからなる磁気センサ対20が被測定電線11の周りに90度の等角度間隔で4対配置された構成であったが、90度の等間隔である必要はなく、数式6が成り立つ配置であればよい。また、2対、3対等、4対以外の構成であっても同様に数式6が成り立つ配置であればよい。
(2)上記実施形態では、線形結合係数A=−39/60に設定し、被測定電線位置ずれ及び隣接電線による規格化外部磁場bnnによる影響を削除する方法について説明したが、外部磁場の発生源やその位置等に応じて線形結合係数の最適化を図り、内側磁気センサ素子の出力値と外側磁気センサ素子の出力値を線形結合して外部磁場の影響を消去するようにしてもよい。
(3)上記実施形態では、内側磁気センサ素子21又は外側磁気センサ素子22は、GMR素子であったが、MR素子やホール素子等、磁気検出できる素子であればよい。
その他、本発明は要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。
10 担持体
10A 内側面部
10B 外側面部
10C 被測定電線導入部
10D 被測定電線保持部
11 被測定電線
12 隣接電線
20 磁気センサ対
21 内側磁気センサ
22 外側磁気センサ
23 隣接電線位置(角度θ)
被測定電線と内側磁気センサとの距離
被測定電線と内側磁気センサとの距離
C1 被測定電線の中心
C2 隣接電線の中心

Claims (6)

  1. 電線に流れる測定電流を測定するために前記電線の周囲に複数の磁気センサ素子を配置した電流センサにおいて、前記複数の磁気センサ素子は、前記電線の軸方向に垂直な平面上において、前記電線と前記平面との交点を始点として放射された複数の直線上において、前記電線からの距離が異なる2つの磁気センサ素子が配設され磁気センサ対をなすとともに、前記各磁気センサ対において2つの磁気センサ素子の出力値を所定の結合係数を用いて線形結合をし、複数組の前記線形結合した値を加算して前記測定電流を算出する電流センサであって、
    前記磁気センサ対の数は4であり、隣接電線と前記磁気センサ対の内の一つと被測定電線とを一直線に配置し、
    複数組の前記磁気センサ対の内、前記電線からの距離が近い方の各磁気センサは、前記電線からの距離が等しく、複数組の前記磁気センサ対の内、前記電線からの距離が遠い方の各磁気センサは、前記電線からの距離が等しく、前記所定の結合係数を数式10とし、前記各磁気センサ対において各磁気センサ素子の出力値を数式2に従い、線形結合した上で全磁気センサ対加算することを特徴とする電流センサ。
    Figure 0005834292
    Figure 0005834292
    ここで、θ 11 、θ 12 は最も前記隣接電線に近い前記磁気センサ対の内側および外側磁気センサ素子位置と前記隣接電線の中心C2との成す角度であり、θ 11 =θ 12 =0は、前記隣接電線と、最も前記隣接電線に近い磁気センサ対と、前記被測定電線とを一直線に配置したことを示し、は前記各磁気センサ対の符号付けを示し、S は前記各磁気センサ対jの線形結合出力を示し、前記結合係数をAとし、前記被測定電線の電流により生ずる規格化磁場をb とし、前記隣接電線の電流により生ずる規格化外部磁場をb nn とし、位置に依存しない一定外部磁場をb とし、e sj を前記各磁気センサ対jの磁気感度単位ベクトルとし、e j1 、e j2 をそれぞれ前記各磁気センサ対jの前記電線に近い方のセンサ(以降内側磁気センサ素子)位置、前記電線から遠い方のセンサ(以降外側磁気センサ素子)位置における隣接電線磁場の単位ベクトルとし、被測定電線軸方向に垂直な断面における前記各磁気センサ対jの内側磁気センサ素子位置ベクトルおよび外側磁気センサ素子の位置ベクトルをそれぞれ、Y j1 (絶対値はY )、Y j2 (絶対値はY )とし、隣接電線位置ベクトルをR(絶対値はR)とし、前記被測定電線の位置ずれベクトルをΔX(絶対値はΔX)とした。
  2. 電線に流れる測定電流を測定するために前記電線の周囲に複数の磁気センサ素子を配置した電流センサにおいて、前記複数の磁気センサ素子は、前記電線の軸方向に垂直な平面上において、前記電線と前記平面との交点を始点として放射された複数の直線上において、前記電線からの距離が異なる2つの磁気センサ素子が配設され磁気センサ対をなすとともに、前記各磁気センサ対において2つの磁気センサ素子の出力値を所定の結合係数を用いて線形結合をし、複数組の前記線形結合した値を加算して前記測定電流を算出する電流センサであって、
    前記各磁気センサ対において隣接する電線などの影響のため、各磁気センサ素子に対する外部磁場の影響が異なる場合、前記所定の結合係数は数式9とし、前記各磁気センサ対において各磁気センサ素子の出力値を数式2に従い、線形結合および全磁気センサ対加算することを特徴とする電流センサ。

    Figure 0005834292
    Figure 0005834292
    ここで、jは前記各磁気センサ対の符号付けを示し、S は前記各磁気センサ対jの線形結合出力を示し、前記結合係数をAとし、被測定電線の電流により生ずる規格化磁場をb とし、隣接電線の電流により生ずる規格化外部磁場をb nn とし、位置に依存しない一定外部磁場をb とし、e sj を前記各磁気センサ対jの磁気感度単位ベクトルとし、e j1 、e j2 をそれぞれ前記各磁気センサ対jの前記電線に近い方のセンサ(以降内側磁気センサ素子)、前記電線から遠い方のセンサ(以降外側磁気センサ素子)位置における隣接電線磁場の単位ベクトルとし、被測定電線軸方向に垂直な断面における前記各磁気センサ対jの内側磁気センサ素子の位置ベクトルおよび外側磁気センサ素子の位置ベクトルをそれぞれ、Y j1 (絶対値はY )、Y j2 (絶対値はY )とし、隣接電線位置ベクトルをR(絶対値はR)とし、前記被測定電線の位置ずれベクトルをΔX(絶対値はΔX)とした。
  3. 前記複数の磁気センサ素子を保持するための担持体が設けられており、その担持体には前記電線を保持するための保持部と前記保持部へ前記電線を導くための導入部が形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電流センサ。
  4. 前記電線を中心にした異なる半径を有する2つの円周上に各々前記各内側磁気センサおよび前記各外側磁気センサが複数組配置されてい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。
  5. 前記各磁気センサ対は等間隔で配置されていることを特徴とする請求項4記載の電流センサ。
  6. 前記各磁気センサ対が90°の等間隔で4組配置されていることを特徴とする請求項5記載の電流センサ。

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