JP6317443B2 - 電流が貫流する一次導体における電流強度を測定するための装置、配置構造、および方法 - Google Patents

Description

本発明は、電流が貫流する一次導体における電流強度を測定するための装置に関する。さらに本発明は、電流を測定するための配置構造、および方法に関する。

電流測定用には、抵抗性、誘導性、および磁性を用いた方法が知られている。抵抗性を用いた方法は、大きな測定範囲が小さな電流での高い測定精度と組み合わされていることを特徴とするが、しかしながら面倒な信号処理によってのみ、電気的に分離して行うことができ、場合によってはピーク負荷での電圧降下のために乱され得る。誘導性を用いた方法は、たとえばいわゆるロゴスキーコイルまたは電流トランスにおける誘導の原理を利用しており、またこれによって面倒な組込回路無しに、交流電流のみが測定可能である。磁性を用いた電流センサでは、電流が貫流している導体によって生成される磁界の磁界強度が測定される。こうしてこれらの方法は交流電流および直流電流が測定可能である。

磁気センサとしては、具体的にはホールセンサ類、ＡＭＲセンサ類（ＡＭＲ，“anisotropic magnetoresistance”、あるいは「異方性磁気抵抗」）およびフラックスゲートセンサ類が使用される。測定部位での磁界を増強するため、および外場からシールドするために、基本的に強磁性体コアが使用されるが、しかしながらこの強磁性体コアは、そのヒステリシスのためにいわゆるオープンループ法では、その材料における残留磁化のために、小さい電流での測定精度は制限されている。いわゆるクローズドループ方式においては、上記の磁気センサは、フィードバック回路および上記のコアを周回する追加のコイルを用いてこのコアにおける磁化をゼロとするのに用いられる。これにより小さな電流での測定精度が改善される。磁界強度を検知する感度の高いＡＭＲ素子およびＧＭＲ素子の使用の際には、この素子の飽和のために広いダイナミックレンジに渡る測定には使用されないので、オープンループ構成で唯１回の測定が限定された電流領域で行われる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の課題は、電流が貫流している一次導体における電流強度を測定するための装置を提供することであり、この装置は広い測定領域に渡って高い電流精度を特徴とする。さらに本発明のいくつかの実施形態での解決すべき課題は、電流強度の測定用の配置構造および方法を提供することである。

これらの課題は、独立請求項に記載の物、配置構造および方法によって解決される。本発明の有利な実施形態および変形実施例は、従属項および以下の記載と図から示される。

少なくとも１つの実施形態によれば、電流が貫流している一次導体における電流強度を測定するための装置は、基準磁界を発生する１つの磁界発生素子と、磁界角を検知する１つの素子とを備える。この磁界角を検知する素子は、空間における全磁界の方向を測定する。この全磁界は、上記の基準磁界と、上記の電流が貫流している一次導体から発生される一次磁界との重ね合わせによって生成される。好ましくは、この磁界角検知素子の部位におけるこれらの一次磁界および基準磁界は互いに平行となっていない。換言すれば、この一次磁界の磁力線は、上記の磁界角を検知する素子の位置において、好ましくは上記の基準磁界の磁力線に対して平行と成っていない。空間におけるこの全磁界の方向から、上記の一次導体に流れる電流の電流強度を求めることができる。具体的には上記の磁界角を検知する素子は、たとえば１つの評価装置と接続されていてよく、この評価装置は、空間における全磁界の方向を測定し、これらによりこの一次導体を貫流する電流の電流強度を決定することができる。

ここでこの磁界角検知素子は、上記の磁界強度または磁束密度の大きさの測定のためでなく、むしろ上記の全磁界の磁界強度および／または磁束密度の方向の測定のために設けられている。ここでこの磁界角を検知する素子が、上記の一次磁界と上記の基準磁界との重ね合わせから成る上記の全磁界の方向を測定するように、上記の磁界発生素子は、好ましくは、上記の磁界角検知素子の場所で上記の一次磁界と上記の基準磁界とは互いに１つの角度を成すように配設されている。

上記の基準磁界の大きさが既知であれば、これより測定された磁界角は、上記の一次磁界の磁界強度および上述の電流が貫流している一次導体を流れる電流に対する１つの評価基準となる。

有利な点は非常に高い精度での磁界角の測定が可能であることであり、こうして本発明による装置は、広い測定領域に渡って高い電流測定精度を備える。本発明による装置のもう１つの利点は、この装置の測定領域が、上記の磁界発生素子によって生成される基準磁界の磁界強度を変更することによって、課された条件に容易に適合することができることである。

もう１つの実施形態によれば、上記の磁界角検知素子は、少なくとも２つのホール素子を備える。とりわけ好ましい１つの実施形態によれば、この磁界角を検知する素子は、丁度２つのホール素子を備える。さらにこの磁界角検知素子が、２つのホール素子から成ることも可能である。有利な点は、これらの２つのホール素子がそれぞれ１つのセンサ軸を備え、ここでこれらの２つのホール素子が１つの平面に配設され、かつそれらのセンサ軸が互いに直角に配設されていることである。この磁界角検知素子は、３つのホール素子を備えてもよく、これらはそれぞれのセンサ軸が互いに直行して配設されている。

もう１つの実施形態によれば、上記の磁界角検知素子は、１つ以上のＡＭＲブリッジ（ＡＭＲ、“anisotropic magnetoresistance”）を備え、または１つ以上のＡＭＲブリッジから成っている。たとえばこのＡＭＲブリッジは、複数のＡＭＲストリップを備えてよく、これらは１つ以上のホイートストンブリッジの抵抗を形成してよい。さらに上記の磁界角検知素子は、１つ以上のＧＭＲブリッジ（ＧＭＲ，“giant magnetoresistance”）および／または１つ以上のＴＭＲブリッジ（ＴＭＲ，“tunnel magnetoresistance”）を備えるかまたはこれから成っていることが可能である。

もう１つの実施形態によれば、上記の磁界角検知素子は、１つ以上のスピンバルブＧＭＲブリッジおよび／または１つ以上のスピンバルブＴＭＲブリッジを備える。さらに上記の磁界角検知素子は、１つ以上のスピンバルブＧＭＲブリッジおよび／または１つ以上のスピンバルブＴＭＲブリッジから成っていてよい。

もう１つの実施形態によれば、上記の磁界発生素子は、１つの永久磁石を備える。この永久磁石は要求仕様により１つの棒形状、リング形状、または他の幾何学的形状を備えてよい。この磁界発生素子が、１つの永久磁石から成ることも可能である。

もう１つの実施形態によれば、上記の磁界発生素子は、１つのコイルを備えるか、または１つのコイルから成っていてよい。たとえば上記の磁界角検知素子が、この磁界発生素子内に、たとえばこのコイル内に配設されていてよい。これによって有利なことは、一次磁界および基準磁界が、この磁界角検知素子の場所で互いに平行となっていないことを実現できることである。

もう１つの実施形態によれば、上記の基準磁界は、その大きさが最大電流Ｉ_maxでの一次磁界の大きさに相当し、かつその方向がこの一次磁界に対し垂直に配置されているように設定することができる。以上により、測定されるＩ＝−Ｉ_max〜Ｉ＝Ｉ_maxの一次電流の角度範囲は−４５°〜４５°にある。

ここに記載する、電流が貫流している一次導体における電流強度を測定するための装置は、多くの利点を備える。たとえば最近のスピンバルブに基づいた磁気ブリッジを用いた角度測定は、０．１°の角度精度が可能である。こうして他のノイズ等を無視すれば、０．２５％・Ｉ_maxより小さい測定精度で電流を測定することができる。ここに記載する装置は、特に電流測定のための磁界角測定の高い精度を利用することを特徴とする。さらに利点としては、特にＡＭＲ，ＧＭＲ，またはＴＭＲの磁界角検知素子の利用でのダイナミックレンジの増大がある。さらに加えて、上記の磁界発生素子の変化によって測定レンジの切替が可能である。

もう１つの実施形態によれば、本発明による装置は、上記の一次導体および／または上記の磁界発生素子を少なくとも部分的に包囲する硬磁性部材を備える。 この硬磁性部材は、たとえば硬磁性材料から成る磁気コアであってよく、上記の磁界角検知素子の磁気シールドに用いられる。この磁気シールドによって、上記の磁界角検知素子および／または上記の磁界発生素子に作用しかねない磁界を、少なくとも部分的にシールドあるいは少なくとも減衰され得ることを達成することができる。

もう１つの実施形態によれば、上記の硬磁性部材は、１つの空隙によって開かれたリングコアを形成している。このリングコアは、好ましくは上記の一次導体を少なくとも部分的に包囲している。上記の磁界角検知素子は、たとえばこの開かれたリングコアの空隙に配設されていてよい。

もう１つの実施形態によれば、上記の硬磁性部材は、外部磁界をシールドするために、上記の磁界発生素子および上記の磁界角検知素子を少なくとも部分的に包囲している。たとえば上記の硬磁性部材は、Ｕ字形状に形成されていてよく、かつ上記の一次導体に対して、上記の硬磁性部材および上記の一次導体が上記の磁界発生素子および上記の磁界角検知素子を完全に包囲するように配設されていてよい。

さらに本発明は、電流強度を測定するための装置の配置構造を提供し、ここでこの装置は、1つ以上の上述の実施形態の特徴を有する装置を備え、電流が貫流している一次導体に対して、空間における、この一次導体によって発生される一次磁界の基準磁界との重ね合わせによって生成される全磁界の方向の検出によって、この一次導体を流れる電流の電流強度の測定が行われるように、配設されている。

さらに本発明は、電流が貫流している一次導体における電流強度を測定するための方法を提供する。この際たとえば、上述の実施形態の１つ以上の特徴を有する装置を使用することができる。こうして以上および以下に記載する実施形態は、電流強度の測定のための装置にも有効であり、またこの電流強度の測定のための方法にも同様に有効である。

もう１つの実施形態によれば、一次磁界を発生する、電流が貫流している一次導体が準備される。さらに基準磁界を発生する磁界発生素子および磁界角検知素子を備える装置が準備される。この装置は、磁界角検知素子がこの一次磁界の基準磁界との重ね合わせによって生成される全磁界の方向を空間で測定するように、この一次導体に対して配設される。ここで好ましくは、この磁界角検知素子の場所におけるこれらの一次磁界および基準磁界は互いに平行となっていない。空間におけるこの全磁界の方向から、上記の一次導体に流れる電流の電流強度が求められる。

もう１つの実施形態によれば、上記の基準磁界の磁界強度は、上記の装置の測定レンジを調整するために変化される。

もう１つの実施形態によれば、上記の基準磁界は、測定される全磁界の方向を一定に維持するため、電子機器を用いて再調整される。

もう１つの実施形態によれば、上記の基準磁界の磁界強度の大きさは、最大電流での一次磁界の磁界強度に相当するように設定される。

電流が貫流している一次導体における電流強度の測定のための装置の更なる有利点および有利な実施形態が、以下で図１乃至５を参照して記載される実施形態から明らかになる。

１つの実施形態例による、電流が貫流している一次導体における電流強度の測定のための装置の概略図である。 もう１つの実施形態例による、電流強度の測定のための装置の概略断面図である。 もう１つの実施形態例による、シールドに用いられる硬磁性部材を有する、電流が貫流する一次導体における電流強度の測定のための装置の概略図である。 もう１つの実施形態例による、シールドに用いられる硬磁性部材を有する、電流が貫流する一次導体における電流強度の測定のための装置の概略図である。 もう１つの実施形態例による、電流が貫流している一次導体における電流強度の測定のための方法を示す図である。

これらの実施形態例および図において、同等の、または同等に機能する構成要素には同じ参照符号が付されている。図示されている要素及びそれら相互の大きさの関係は、基本的に寸法通りとはなっていない。むしろ、例えば部品や領域のような個々の要素は、より見易くするため、および／またはよりよく理解されるように、誇張した厚みや大きさで表されている場合がある。

図１は、１つの実施形態例による、電流強度の測定のための装置１００の概略図を示す。この装置１００は、磁界発生素子２を備え、概略的に示されている基準磁界２０を発生する。この磁界発生素子２は、この実施形態例においてはコイル５として形成されている。代替としてこの磁界発生素子２は、たとえば永久磁石として実装されていてよい。さらにこの装置１００は、１つの磁界角検知素子３を備える。この磁界角検知素子３は、ここに示す実施形態例においては、コイル５内に配設されている。参照番号９を用いて示されている電流方向９に流れる一次導体１を貫流する電流Ｉ_pによって一次磁界１０が発生し、この電流によって概略的に示されている一次磁界１０が発生し、この装置１００は、これらの一次磁界１０と基準磁界２０とが、磁界角検知素子３の場所で互いに平行とならないように構成されている。磁界角検知素子３は、一次磁界１０と基準磁界２０との重ね合わせによって生成される全磁界の方向を測定する。空間におけるこの全磁界の方向から、一次導体１に流れる電流の電流強度Ｉ_pを検出することができる。

具体的には磁界角検知素子３を用いて測定された上記の全磁界の磁界角は、一次磁界１０の磁界強度の指標となり、またこれより一次導体１を貫流して流れる電流Ｉ_pの指標となる。

本発明による装置は、電気的に分離された構造を備え、交流および直流の測定に適している。磁気角測定は非常に高い精度で行うことが可能であるので、この装置は特に広い測定レンジに渡る高い電流測定精度を特徴とする。

図２は、装置１００の概略断面図を示す。この磁界発生素子２は、コイル５として実装されている。磁界角検知素子３は、この実施形態例においては、２つのホール素子４を備え、これらはコイル５内に配設されている。これらのホール素子４は、それぞれ１つのセンサ軸４１を備え、これらのセンサ軸はそれぞれ互いに直行して配設されている。さらに各々のセンサ軸４１に対し複数の互いに平行に配設されているホール素子４が設けられ、これらのホール素子４の測定信号を平均することも可能であでる。これらの複数のホール素子４の代替として、磁界角検知素子３は、１つのＡＭＲブリッジ、１つのＴＭＲブリッジ、１つのＧＭＲブリッジ、１つのスピンバルブＧＭＲブリッジ、および／または１つのスピンバルブＴＭＲブリッジを備えるかまたはこれから成っていてよい。

図３は、もう１つの実施形態例による、電流が貫流している一次導体１における電流強度の測定のための装置１００を示す。この装置１００は、基準磁界２０を発生する磁界発生素子２、コイルとして形成されている磁界角検知素子３、および一次導体１を包囲する硬磁性部材６を備える。ここでこの硬磁性部材６は、空隙８を備えるリングコア７として形成されており、この空隙に上記の磁界発生素子２および磁界角検知素子３が配設されている。この硬磁性部材７は、外部磁界のシールドに用いられている。この硬磁性部材６によって、上記の磁界角検知素子３および／または上記の磁界発生素子２に作用しかねない磁界が、少なくとも部分的にシールドあるいは少なくとも減衰され得ることを達成することができる。

図４は電流が貫流している一次導体１における電流強度の測定のための装置１００を示し、この装置は１つの磁界発生素子２、１つの磁界角検知素子３、および１つの硬磁性部材６を備える。この硬磁性部材６は、Ｕ字型に形成されており、２つの対向する脚部およびこれらの２つの脚部を接続する部分を備える。上記の装置は、硬磁性部材６および一次導体１が磁界発生素子２および磁界角検知素子３を全体的に包囲し、こうして外部磁界がシールドされ得るように、この一次導体１に対して配設されている。換言すれば、硬磁性部材６の対向している脚部の露出された端部が一次導体１に対し直近に隣接して配設され、かつ磁界発生素子２および磁界角検知素子３がこの配置構造内に存在するように、この硬磁性部材６が一次導体１に配設されている。

図５は１つの実施形態例による、電流が貫流している一次導体１における電流強度の測定のための方法を示す。この方法では、第１の方法ステップＡにおいて、一次磁界１０を発生する、電流が貫流する一次導体１、および磁界発生素子２と磁界角検知素子３とを備える装置１００が準備される。次の方法ステップＢにおいて、磁界角検知素子３が、一次導体１によって発生される一次磁界１０と基準磁界２０との重ね合わせによって生成される全磁界の方向を空間で測定するように、装置１００がこの一次導体に対して配設される。この際この一次磁界１０およびと基準磁界２０は、磁界角検知素子３の場所で互いに平行となっていない。次のステップＣにおいて、一次導体１を通って流れる電流の電流強度が、空間における全磁界の方向から求められる。

上記の図に示された実施例においては、代替としてまたは追加的に発明の概要に記載された実施例による他の特徴を備えてよい。本発明は、実施例を参照した説明によってこれらの実施例に限定されているのではなく、すべての新規な特徴及び特徴のすべての組み合わせを包含する。これは具体的には請求項（複数）中の特徴のすべての組み合わせを含み、この特徴ないしこの組み合わせ自体が請求項（複数）ないし実施例（複数）中に明示されていない場合も含む。

１ ： 一次導体
２ ： 磁界発生素子
３ ： 磁界角検知素子
４ ： ホール素子
５ ： コイル
６ ： 硬磁性部材
７ ： リングコア
８ ： 空隙
９ ： 一次導体を通って流れる電流Ｉ_Pの流れ方向
１０ ： 一次磁界
２０ ： 基準磁界
４１ ： センサ軸
１００ ： 装置
Ａ，Ｂ，Ｃ ： 方法ステップ

Claims (7)

1. 電流が貫流している一次導体（１）における電流強度を測定するための方法であって、
   一次磁界（１０）を発生する、電流が貫流する一次導体（１）を準備するステップと、
   電流が貫流している前記一次導体（１）における電流強度を測定するための装置（１００）を準備するステップと、
   を備え、
   前記装置は、基準磁界（２０）を発生する、磁界発生素子（２）と、前記一次磁界（１０）と前記基準磁界（２０）との重ね合わせによって生成される全磁界の方向を空間で測定する磁界角検知素子（３）と、を備え、
   前記装置は、前記磁界角検知素子（３）が前記一次磁界（１０）と前記基準磁界（２０）とが互いに平行となっていない場所において、前記空間における前記全磁界の方向から、前記一次導体（１）に流れる電流の電流強度を求めるように構成されており、
   前記方法は、さらに、
   前記磁界角検知素子（３）が、前記一次磁界（１０）と前記基準磁界（２０）との重ね合わせによって生成される全磁界の方向を空間で測定するように、前記装置（１００）を前記一次導体（１）に対して配設するステップであって、ここで前記一次磁界（１０）および前記基準磁界（２０）が、前記磁界角検知素子（３）で、互いに平行となっていない場所に、前記装置（１００）を配設するステップと、
   前記一次導体（１）を通って流れる電流の電流強度を、前記空間における前記全磁界の方向から求めるステップと、
   を備え、
   前記基準磁界（２０）の磁界強度の大きさが、最大電流での前記一次磁界（２０）の磁界強度に相当するように設定される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記磁界角検知素子（３）は、２つのホール素子（４）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記磁界角検知素子（３）は、１つのＡＭＲブリッジ、１つのＴＭＲブリッジ、および／または１つのＧＭＲブリッジを備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記磁界角検知素子（３）は、１つのスピンバルブＧＭＲブリッジ、および／または１つのスピンバルブＴＭＲブリッジを備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記磁界発生素子（２）は、１つの永久磁石を備えることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記磁界発生素子は、１つのコイル（５）を備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記磁界角検知素子（３）は、前記磁界発生素子（２）内に配設されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
   

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