JP6583228B2 - 電流センサー用磁性コアの設計方法 - Google Patents

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の設計方法に関するものである。

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。

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。

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。

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、磁束密度検出用センサーが検出するコアの磁束密度は小さな値となる。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が小さいとホール素子の出力電圧も小さくなるので、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、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。

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、コアが磁気飽和をきたす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のであるが、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、コアが磁気飽和を抑制できる設定範囲の中において可能な限り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。

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明細書［０００８］から［０００９］項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。

図１は、被測定電流とコアの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、理想的に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。磁束検出用コアとして用いる場合、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比例関係でなくな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。

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。さらに、被測定電流が小さいと、SN比等の問題で、電流の測定精度が悪くなる領域が存在する。この実線を、以降測定電流―磁束密度曲線とも称する。

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、磁性板の挿入によって全ギャップ長を変化させるので、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（過電流）の測定精度は保障されているわけではない。

実際の電流の測定では、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―磁束密度曲線は乖離していて、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。

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さまざまな要因によって、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もかつては多かった。
しかし、上記のように電気機器がノイズ環境にさらされる場合が増えてきているので、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測定精度もよくすることが求められてきている。

特開2013-246056号公報 特開2005-332851号公報

過電流時の電流センサー測定精度を確保する方策の一つは、図２に示した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で、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値が小さいときの磁束密度の値が小さくなるので、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測定精度が得られなくなる。

例えば特許文献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］に記載されたように、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。

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る大電流域のことは全く考慮されていないので、過電流時の測定精度は全く保障されない。
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が直線関係となる条件で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ので、上記と同じ理由により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得られなくなる。
上記のように、従来技術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の測定精度をよくするとともに、被計測電流が小さいときのSN比が大きくなるように最適化することまでは出来るが、その上に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確保することは想定していないし、その方策も提示されていない。

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ついて、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の測定精度をよくするとともに被計測電流が小さいときにも良好なSN比を得ることに加えて、定格電流よりも大きな過電流に対する測定精度も同時に良くすることを実現するための、コアの設計手法を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決する手法について鋭意探求した。
上記した従来の定格電流値の測定精度を良くするとともに、被計測電流値が小さいときの測定精度をも良くするような最適化手法では、技術的には、コアの全ギャップ長をある特定の値にすることで、定格電流値と被計測電流値が小さいときの測定精度を両立させていることが分かった。そこで、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良くするために、コアのギャップ数を複数化する一方で、全ギャップ長は一定値とし、各ギャップ長の配分比を変えることで定格電流値と被計測電流値が小さいときの測定精度を保ったまま過電流に対する測定精度を変えることが出来、その配分比を特定の値とすることで高い過電流測定精度を得ることができることを新たに知見するに到った。本発明は、上記の知見に由来するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．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と、第二のギャップとを有する電流センサー用磁性コアの設計方法であって、
前記電流センサーの被計測電流範囲の最小値電流および最大値電流における、前記電流センサーの設定測定精度に応じて、前記磁性コアの寸法と、前記第一のギャップの長さＬｓおよび前記第二のギャップの長さＬｇの合計である全ギャップ長とを決定する工程および、
前記被計測電流範囲の最大値電流を超える過電流値での前記電流センサーの設定測定精度に応じて、前記全ギャップ長における、前記第一のギャップの長さＬｓおよび第二のギャップの長さＬｇの配分比を調整する工程、
を有する電流センサー用磁性コアの設計方法。

２．前記電流センサー用磁性コアは、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に記載の電流センサー用磁性コアの設計方法。

ここで、上記した電流センサーの被計測電流範囲とは、該電流センサーが所定の測定精度によって通常測定する電流の測定範囲のことである。
また、該被計測電流範囲の最小値電流とは、所定の測定精度が担保される電流域の最小値である。同最大値電流とは、所定の測定精度が担保される電流域の最大値である。さらに、上記の電流センサーの設定測定精度とは、該電流センサーの仕様等によって予め決められる測定精度で、任意の電流値に対して設定することができる。

本発明によれば、被計測電流の最大値の測定精度と計測電流値が小さい場合の測定精度を満足した上で、さらに被計測電流の最大値よりも大きな過電流に対しても高い測定精度を実現するための設計手法を提供することができる。

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を示すグラフである。 磁性コアを示す図である。 測定可能範囲の電流の最大値および最小値に対する測定精度に応じた全ギャップ長を示すグラフの一例である。 磁性コアのギャップの態様を示す図である。 被計測電流を示す図である。

さて、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。

図３は、本発明が対象とする電流センサー１の典型例を示す図であり、同図(a)は斜視図、同図(b)は上面図である。この電流センサー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。
この電流センサー用コア１１（以下、単にコアと示す）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。電流センサー１は、コア１１の内径側に、電流を測定する被計測電流線１０が配置されて使用に供される。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ことになる。
ここで、前記電流線１０は、単芯または複数芯で構成されており、特に限定されない。

そこで、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ノイズレベルなどを考慮して決定される最小値電流の検出精度を得るために、被計測電流が当該最小値電流であるときのコア磁束が必要な値以上となるように、ギャップ２および３の各長さの合計である全長を、必要な範囲で最も小さな値とする。このときの全ギャップ長を2L0とする。

一般に、磁性コアに用いられる材質、寸法や電流測定時の磁束密度等の仕様が決まると、全ギャップ長を求めることができる。この全ギャップ長と被測定電流の測定誤差との間には、測定可能範囲の電流の最大値および最小値で、相反する関係がある。具体的には、図４に一例を示すように、電流が最小値の時は、全ギャップ長と測定誤差には正の相関があり、電流が最大値の時は、全ギャップ長と測定誤差には、基本的に負の相関がある。
最大値電流および最小値電流に対する測定誤差あるいは測定精度(設定測定精度)が、図４に示すspec.1およびspec.2のようにそれぞれ与えられると、前記設定測定精度に応じた全ギャップ長がそれぞれ決定される。つまり、最大値電流および最小値電流に対する設定測定精度から、その磁性コアが取り得る全ギャップ長が、或る幅をもって決定される。その幅の最小値を2L0とする。
なお、全ギャップ長は、磁界解析ソフトを用いるなど、通常行われている手法で求めることができる。

また、磁性コアの寸法とは、当該コアの外形寸法に加えて内径寸法、すなわち縦および横の長さ並びに、厚さ等を指す。そして、この寸法は磁性センサーとしての特性(被測定電流と磁束密度との関係等)に加えて、磁性コアが設置される空間、電流線の直径等の物理的な制約やコスト等の経済的な制約などを考慮して決められる。そして、一旦決められた磁性コアの寸法に対して、全ギャップ長を求めることになる。ここでの計算結果によっては、全ギャップ長が求められないことがないわけではないので、その時は、仕様を満たように、適切に寸法を再決定する。

以上に従ってコアの寸法および全ギャップ長が決定されたコアは、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にて測定すれば、該磁束密度に基づいて被計測電流を算出することができる。

さらに、前記被計測電流範囲の最大値電流を超える過電流に対しても高精度の測定を実現するために、以下に示す設計手法を適用する。
すなわち、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 と全ギャップ長を一定としたままで２つのギャップ長の配分比を調整することが、被計測電流の最大値付近の測定精度と計測電流値が小さい場合の測定精度を確保しつつ、被計測電流の最大値よりも大きな過電流に対する測定精度を確保するために大切である。

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、ギャップ２および３を２箇所に設けることによって高くした上で、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安定して向上させ得る設計手法について検討した。その結果、ギャップ長の配分比を調整してみるとコアのギャップ条件が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の時の測定精度と、最大電流よりも高い時の測定精度を安定して向上することができることを知見するに到った。

コアの寸法は、前記したように、条件によって変わりうる。しかし、コアの寸法に対して、全ギャップ長は計算等で求めることができる。そして、求められた全ギャップ長について、ギャップ条件がLg≦Ls≦1.35Lg、より好ましくは1.11Lg≦Ls≦1.22Lgを満たすように各ギャップを配分すれば、被計測電流が最小電流の時、および最大電流の時の測定精度を保った上で、最大電流よりも高い時の測定精度をさらに良くすることができる。

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調整することによって過電流に対する設定測定精度を高水準に引き上げられる理由は必ずしも明確ではないが、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）量減少による磁気センサー近傍の磁束密度の均一性が当該ギャップ配分比を調整することで改善するためではないかと考えられる。

なお、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、透磁率が大きくかつ価格も安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。

定格電流1000Ａの電流センサーを作製するに当たり、コアの設計を以下の通りに行った。なお、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、設定測定精度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。
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５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とが図５（ａ）〜（ｃ）に示す関係にあるコアを設計する。

コアを設計するに当たり、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のノイズレベルなどを考慮し、被計測電流が50Ａであるときのコア磁束密度が10ｍT以上であること、かつ電流1000Ａのときの誤差が３％以下であること、を設定測定精度とした。

次に、図５（ａ）〜（ｃ）に典型例を示すように、ギャップ長LsおよびLgの配分比が種々に異なるコアを作製した。LsおよびLgの具体的な配分比は、表１に示されるとおりである。

かくして得られたコアを、コアの内径部を被計測電流線が貫通するように設置した。
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。
はじめに、被計測電流として図６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。

上記の定義に従って電流センサーの誤差を評価した結果を表１のＢ〜Ｋに併記する。
なお、表１の仕様達成状況において、○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、×は前記許容誤差を満足しないものを示している。

本発明に従って設計した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。

Claims (3)

1. 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と、第二のギャップとを有する電流センサー用磁性コアの設計方法であって、
   前記第一のギャップと前記第二のギャップとは環状のコアの相互に対向する位置に存在し、
   前記電流センサーの被計測電流範囲の最小値電流および最大値電流における、前記電流センサーの設定測定精度に応じて、前記磁性コアの外形、内径および厚さと、前記第一のギャップの長さＬｓおよび前記第二のギャップの長さＬｇの合計である全ギャップ長を決定する工程および、
   前記被計測電流範囲の最大値電流を超える過電流値での前記電流センサーの設定測定精度に応じて、前記全ギャップ長における、前記第一のギャップの長さＬｓおよび第二のギャップの長さＬｇの配分比をＬｇ≦Ｌｓ≦１．３５Ｌｇに調整する工程、
   を有する電流センサー用磁性コアの設計方法。
2. 前記第一のギャップの長さＬｓおよび前記第二のギャップの長さＬｇの配分比を調整する工程において、前記配分比を１．１１Ｌｇ≦Ｌｓ≦１．２２Ｌｇとする、請求項１に記載の電流センサー用磁性コアの設計方法。
3. 前記電流センサー用磁性コアは、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に記載の電流センサー用磁性コアの設計方法。

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