JP6712455B2

JP6712455B2 - 電流測定装置及び方法

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Publication number: JP6712455B2
Application number: JP2015207012A
Authority: JP
Inventors: ポール・アンドリュー・リングスラッド
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Filing date: 2015-10-21
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Description

本発明は、導体を流れる電流を測定する装置及び方法に関する。

直流（ＤＣ）を測定できる典型的な非接触電流センサは、測定のために電気部品の周囲で位置決め可能な硬質クランプを有するクランプ形又は顎形（クリップ形）センサを用いている。モータは、クランプの顎を開閉し、顎を整列させる。有効な測定には、正確な顎の整列が必要である。

顎を開くには、大きな物理的空間が必要である。さらに、電気パネル又は他の狭い空間内で電気部品の周辺にクランプ・センサを配置することは、技能者にとって不便であったり扱いにくかったりするし、被測定電気部品又は近傍の部品に損傷を与えるかもしれない。近傍の重機からの振動がこれら問題に悪影響を及ぼすかもしれない。顎は、鉄の大きな断片と、顎の開閉及び整列のためのモータとを含んでいるので、クランプ形センサは、標準の測定ツールよりも典型的には重い。

ロゴスキー・コイルは、クランプ形電流センサよりも軽く且つ柔軟性のある電流センサである。ロゴスキー・コイルは、ほとんどのクランプ形センサよりも狭い空間で容易に用いることができるが、ロゴスキー・コイルは、ＤＣ電流の測定には適さない。

特開特開２００４−２５７９０５号公報特開特開２０１１−１７４７６９号公報

そこで、クランプ形メータ（電流計）よりも重さが軽く、硬質形態ではなく、ＤＣ電流を測定できる装置が望まれている。

課題を解決するための手段としての本発明の態様は、以下の通りである。
（１）導体を流れる電流を測定する装置であって；複数のストランドを含む磁気的伝導ループと、上記複数のストランドの端部の近傍に配置された磁界センサとを備え；上記複数のストランドの各ストランドが磁気的伝導材料を備え；上記複数のストランドが上記磁界センサに磁界を通過させるように構成された電流測定装置。
（２）上記複数のストランドによって上記磁界センサに通過させられた上記磁界は、上記導体を流れる電流を示す態様１の電流測定装置。
（３）上記磁界センサが測定した上記磁界の大きさに基づいて、上記導体を流れる電流を示す信号を出力するように上記磁界センサが構成された態様１の電流測定装置。
（４）上記ループの周囲に巻回されたコイルと；上記コイル及び上記磁界センサに結合されたドライバ回路とを更に備え；上記磁界をほぼ無効にする電流を発生するように上記ドライバ回路が構成され；上記ドライバ回路が発生した上記電流は、上記導体を流れる電流を示す態様１の電流測定装置。
（５）上記複数のストランド内のストランドは、上記磁気的伝導材料の周囲に絶縁材料の外側層を有する態様１の電流測定装置。
（６）上記複数のストランドがストランドの束を含み；上記複数のストランド内の上記ストランドが上記磁気的伝導ループの長さにわたって少なくとも１回上記ストランドの束の内側部分及び外側部分を通過するように上記ストランドが配置された態様１の電流測定装置。
（７）上記複数のストランド内の上記ストランドが上記ストランドの束の上記内側部分及び上記外側部分で交互になるように上記ストランドが配置され；上記磁気的伝導ループに対して上記ストランドが上記束の上記外側部分内にあるのとほぼ同じ長さだけ上記内側部分にある態様６の電流測定装置。
（８）上記複数のストランド内の上記ストランドが上記ストランドの束の長さに対して上記ストランドの束の上記内側部分及び上記外側部分に平均でほぼ同じ量だけ設置されるように上記ストランドが配置された態様６の電流測定装置。
（９）上記複数のストランド内の上記ストランドが捩られた態様１の電流測定装置。
（１０）上記磁気的伝送ループを開閉するように構成された締結装置を更に備えた態様１の電流測定装置。
（１１）上記複数のストランドの端部が上記磁界センサの感知要素と重なって位置決めされるように上記締結装置が構成された態様１０の電流測定装置。
（１２）上記複数のストランドが第１の複数のストランドであり；上記電流測定装置が第２の複数のストランドを更に備え；上記第１及び第２の複数のストランドの端部が上記磁界センサの感知要素と重なって位置決めされるように上記締結装置が構成された態様１０の電流測定装置。
（１３）上記磁界センサが第１磁界センサであり；上記磁気的伝導ループが第２磁界センサを更に備え；上記第１磁界センサ及び上記第２磁界センサが上記磁気的伝導ループと互いに交差するように配置された態様１の電流測定装置。
（１４）上記複数のストランド内の上記ストランドの上記内側層は、透磁率が少なくとも５×１０^−３Ｈ／ｍの鉄ニッケル系合金である態様１の電流測定装置。
（１５）上記複数のストランド内のストランドがミューメタルである態様１４の電流測定装置。
（１６）上記磁界センサは、ホール効果センサ、フラックス・ゲート、異方性磁気抵抗センサ、巨大磁気抵抗センサの少なくとも１つである態様１の電流測定装置。
（１７）上記複数のストランドに柔軟性がある態様１の電流測定装置。
（１８）上記導体を流れる上記電流が直流である態様１の電流測定装置。
（１９）上記磁気的伝導ループを取り囲むように構成されたトロイダル形状のコイルを更に備えて、上記磁界センサ及び上記磁気的伝導ループの少なくとも一方の非線形性を低減させる態様１の電流測定装置。
（２０）導体を流れる電流を測定する方法であって；磁気的伝導ループの複数の磁気的伝導ストランドの端部から、上記複数の磁気的伝導ストランドの上記端部の近傍に配置された磁界センサに磁界を通過させる電流測定方法。
（２１）上記複数の磁気的伝導ストランドの上記端部から上記磁界センサに通過する上記磁界の大きさに基づいて、上記導体を流れる上記電流を示す上記磁界センサからの信号を出力することを更に備える態様２０の電流測定方法。
（２２）上記磁気的伝導ループの周囲に巻回されたコイルを通過する電流を発生して上記磁界をほぼ無効にすることを更に備え；上記磁界をほぼ無効にするように発生した電流は、上記導体を流れる電流を示す態様２０の電流測定方法。
（２３）上記磁界が上記磁界センサを通過する前に、締結装置により上記磁気的伝導ループを閉じて、上記導体の周囲に上記磁気的伝導ループを位置決めし、上記複数の磁気的伝送ストランドの上記端部を上記磁界センサの感知要素に整列させることを更に備える態様２０の電流測定方法。
（２４）導体を流れる電流を測定するシステムであって；態様１の装置に結合可能な測定装置とロゴスキー・コイルとを備え；態様１の上記装置及び上記ロゴスキー・コイルの一方から受けた信号に基づいて、上記導体を流れる電流の測定電流値を出力するように上記測定装置が構成された電流測定システム。

図１は、本発明の１つ以上の実施例により、開いたループを有する電流測定システムの例を示す図である。図２は、本発明の１つ以上の実施例により、導体の周囲でループが閉じ、導体を流れる電流を測定する図１の電流測定システムの例を示す図である。図３は、本発明の１つ以上の実施例により、磁気的伝導部分及びコイルの間に配置された磁界センサを含むループを有する電流センサのブロック図である。図４は、本発明の１つ以上の実施例により、少なくとも２つの磁界センサ及び２つの分離した磁気的伝導部分を含むループを有する電流センサのブロック図である。図５は、本発明の１つ以上の実施例により、束に沿った異なる長さ方向の位置での磁気的伝導ストランドの束を示す２つの断面図である。図６は、本発明の１つ以上の実施例により、互いに捩られた磁気的伝導ストランドの束を示す図である。図７は、本発明の１つ以上の実施例により、捩られたストランドの複数の束を含む磁気的伝導ストランドの束を示す図である。

以下の記載は、簡略化した形式で本発明の概念を説明するが、更なる詳細を実施例の欄にて説明する。以下の記載は、本発明の重要な特徴を特定することを意図したものではなく、また、本発明の範囲を決定することに用いるものでもない。

本発明の１つ以上の概念において、電流測定装置は、導体を流れる電流を測定する。この装置は、第１の複数のストランド及び第１の磁気センサを有する磁気的伝導ループを含む。第１の複数のストランド内のストランドは、磁気的伝導材料を含む。複数のストランド内のストランドは、絶縁材料を含む磁気的伝導層の外側層を有してもよい。これらストランドは、第１の複数のストランドの端部の近傍に位置決めされた第１磁界センサに磁界を通過させるように構成されている。ストランドを通過した磁界は、導体を流れる電流を示す。いくつかの実施例において、第１磁界センサは、この第１磁界センサが測定した磁界の大きさに基づいて、導体を流れる電流を表す信号を出力するように構成されている。

いくつかの実施例において、本発明の装置は、ループの周囲に巻回されたコイルと、このコイル及び磁界センサに結合されたドライバ回路とを更に備えている。ドライバ回路は、第１磁界をほぼ無効にする電流を発生するように構成されている。ここで、ドライバ回路が発生する電流は、導体を流れる電流を示す。

いくつかの実施例において、第１磁界センサは、この第１磁界センサが感知した磁界の大きさに基づいて、導体を流れる電流を示す信号を出力するように構成されている。いくつかの実施例において、ストランドの第１束は、第１の複数のストランドを含んでおり、これら第１の複数のストランドは、磁気的伝導ループの長さにわたって少なくとも１回だけ、第１束の内側部分及び外側部分を介して通過するように構成されている。いくつかの実施例において、これらストランドは、第１束の長さに対して内側部分及び外側部分に平均でほぼ同じ量だけ配置されている。これらストランドは、第１束の外側部分にあるストランドとほぼ同じ長さだけ内側部分にあるように、第１束の内側部分及び外側部分にて交互になっている。いくつかの実施例において、第１の複数のストランドは、捩られている。

いくつかの実施例において、電流の流れを測定する装置は、磁気的伝導ループを開閉するように構成された締結装置を含んでもよい。締結装置は、第１の複数のストランドを第１磁界センサの感知要素と重なって位置決めするように構成されている。いくつかの実施例において、この装置は、ストランドの第２束を含む第２の複数のストランドを含んでもよい。締結装置は、ストランドの第１及び第２束の端部を第１磁界センサの感知要素と重なって位置決めするように構成されてもよい。磁気的伝導ループは、第２磁界センサを更に含んでもよい。ここで、第１磁界センサ及び第２磁界センサは、磁気的伝導ループと互いに交差して位置決めされる。

いくつかの実施例において、第１の複数のストランドの内側部分は、透磁率が少なくとも５．０×１０^−３Ｈ／ｍの鉄ニッケル系合金を含んでいる。いくつかの実施例において、第１の複数のストランドの内側部分は、ミューメタル（mu-metal）を含んでいる。ミューメタルの透磁率は、少なくとも２．５×１０^−３Ｈ／ｍでもよい。第１磁界センサは、ホール効果センサ、フレックス・ゲート、異方性磁気抵抗センサ、及び巨大磁気抵抗センサの少なくとも１つを含んでもよい。いくつかの実施例において、第１の複数のストランドには、柔軟性がある。導体を流れる電流は、直流でもよい。いくつかの実施例において、電流測定装置は、磁気的伝導ループの周囲に配置されるように構成されたトロイダル形状コイルを更に含んでいる。

他の概念において、本発明は、導体を流れる電流を測定する方法を提供する。この方法は、磁気的伝導ループの複数の磁気的伝導ストランドの端部から、この複数の磁気的伝導ストランドの端部の近傍に位置決めされた磁界センサに磁界を通過させることを含む。この方法は、磁界センサが感知した磁界の大きさに基づいて、導体を流れる電流を示す磁界センサからの信号を出力することを含んでもよい。この方法は、第１磁界をほぼ無効にするために、磁気的伝導ループの周囲に巻回されたコイルに流れる電流を発生することを更に含んでもよい。ここで、第１磁界をほぼ無効にするためにドライバ回路が発生した電流は、導体を流れる電流を示す。いくつかの実施例において、磁気的伝導ストランド内のストランドは、絶縁材料の外側層を有する。

いくつかの実施例において、この方法は、磁界センサに磁界を通過させる前に、締結装置によって磁気的伝導ループを閉じることによって、磁気的伝導ループを導体の周囲に配置し、複数の絶縁された磁気的伝導ストランドの端部を磁界センサの感知要素に整列させることをさらに含む。

本発明の更に別の概念において、導体を流れる電流を測定するシステムを提供する。このシステムは、導体を流れる電流を測定する測定器とロゴスキー・コイルに結合可能な測定装置を含む。この測定装置は、測定器及びロゴスキー・コイルの一方からの測定電流値を出力するように構成されている。

本発明の上述の概念及び多くの付随する利点は、添付図を参照した以下の詳細な説明から、容易に明らかになると共に、良好に理解できよう。

以下の詳細な記述は、添付図を参照して説明しており、同様な要素を同じ参照符号で示す。ここでは、本発明の種々の実施例を説明するが、本発明をこれら実施例のみに限定しようとするものではない。本明細書で説明する各実施例は、例又は説明を単に示すのみであり、好ましいものとして又は他の実施例の利点までを解釈するものではない。ここで説明する図示の例は、本発明の要旨を開示したものに厳格に限定しようとするものでもない。

以下の記述は、導体に接触することなく、この導体に流れる電流を測定できる柔軟な電流センサに関するシステム、装置及び方法の例を説明するものである。種々の実施例において、柔軟な電流センサは、ロゴスキー・コイルの柔軟なループと類似の大きさ、形状及び外観を有してもよい。しかし、ロゴスキー・コイルと異なり、ここで述べる電流センサは、直流（ＤＣ）を感知できる。いくつかの実施例において、電流センサは、更に、交流（ＡＣ）を感知できてもよい。電流センサは、クランプ形又は顎形電流センサと同様な方法で電流の流れを感知できるが、異なる磁気コアを用いている。

図１は、電流センサ（電流測定装置）１０２及び測定器１９０を有する電流測定システム１００を示す。電流センサ１０２は、柔軟な部分を有するループ１１０を含む。このループ１１０は、磁気的伝導材料（magnetically conductive material）又は「磁気コア」を含んでいる。この磁気的伝導材料は、複数の磁気的伝導ストランドを含む。ストランド、即ち、ループ１１０は、柔軟性があるか、又は折り曲げ可能である。ストランドは、ストランドを互いに絶縁することを助ける絶縁材料の外側層を含んでもよい。モータにより開閉する重く硬い顎を用いるのではなく、電流センサ１０２は、ループ１１０を用いて、導体内の電流の流れを感知する。いくつかの実施例において、電流を中断することなく、ループが開閉できるので、電流の流れる導体の周囲にループを配置できる。

更に詳細に説明するように、ループ１１０における複数の柔軟な磁気的伝導ストランドは、織ったものでも、編んだものでも、捩ったものでも、又は、パターンに整えたものでもよい。ループ１１０は、少なくとも１つの磁界センサと、柔軟な部分を含む信号ケーブル１１６も含んでいる。信号ケーブル１１６は、１つ以上の磁界センサの如きループ１１０の１つ以上のコンポーネントに結合される。

磁気的伝導材料の間のギャップ内に磁界センサを配置できる。種々の形式の磁界センサを使用できる。例えば、磁界センサは、ホール効果センサを含んでもよい。ループ１１０は、磁界センサを包含するペンダント１１４を含んでもよい。ペンダント１１４は、磁界センサを保護する。

電流センサ１０２は、測定器１９０に結合されるか、結合可能である。信号ケーブル１１６は、ループ１１０から延びており、測定器１９０のハウジング１９２に入力する結合器１５０を含んでもよい。測定器１９０は、電流センサ１０２が提供する出力を受信でき、電流値を計算でき、計算した電流値をユーザに提示できる測定回路を含んでいる。測定器１９０の測定回路は、他のセンサからの入力を受信し、測定値を計算する如く、同様な他の機能にも用いてよい。測定器１９０は、例えば、マルチメータの如き種々の電気測定装置として実現できる。電流センサ１０２が感知した電流の流れを示す測定値は、測定器１９０の表示器１９８上に表示される。

電流センサ１０２に結合又は結合可能な他に、測定器１９０は、ロゴスキー・コイル又は他のセンサに結合してもよいし、結合可能でもよい。例えば、結合器１５０は、ロゴスキー・コイルからの結合器とほぼ同じでもよいし、電流センサ１０２又はロゴスキー・コイルの何れかを測定器１９０のハウジング１９２内のポート１９６に入力してもよい。いくつかの実施例において、測定器１９０は、多数の入力ポートを有してもよい。いくつかの実施例において、測定器１９０は、ロゴスキー・コイル及び電流センサ１０２に同時に結合可能であってもよいし、結合されてもよい。測定器１９０は、測定器１９０のユーザ入力に応答して、電流センサ１０２又はロゴスキー・コイルの何れかから入力する測定値を選択的に表示するように構成してもよい。かかる実施例によって、技能者は、各センサ用の分離した測定器を運搬するのではなく、測定器１９０を運搬し、これを電流センサ１０２及び他のセンサと共に用いることができる。例えば、技能者は、測定器１９０をロゴスキー・コイルと共に用いてＡＣ電流を測定し、電流センサ１０２と共に用いてＡＣ電流を夫々測定してもよい。これによって、技能者が現場の周囲を搬送しなければならない機器のサイズ及び重さを軽減でき、測定器を交換するために現場を行き来する回数を減らすこともできる。

更に図１を参照する。電流センサ１０２のループ１１０は、締結（ファスナー）要素１１８を有する第１端部１２８を含んでいる。ループ１１０は、このループ１１０の第２端部１２９に、又はその近くに取り付けられた締結受け部１２０を有する。締結装置、即ち、締結要素１１８及び締結受け部１２０は、互いに一致するように構成されている。例えば、締結要素１１８及び締結受け部１２０は、クォーター（４分の１）回転形締結具と、それと両立する締結受け部とを夫々備えてもよい。第１端部１２８及び第２端部１２９の一方に少なくとも１つの磁界センサを位置決めしてもよいし、第１端部１２８及び第２端部１２９の他方に磁気的伝導材料を位置決めしてもよい。

磁気的伝導材料は、少なくとも１つの磁界センサの感知要素に磁界を提供できる。いくつかの実施例において、ストランドの如くループ１１０内の磁気的伝導材料の複数のストランドの端部は、第１端部１２８及び第２端部１２９の一方に位置決めされ、磁気的伝導材料の複数のストランドの端部によって磁界が磁界センサに提供される。磁界センサ及び磁気的伝導材料の間にギャップが存在してもよく、磁気的伝導材料からの磁界がギャップを通過してもよい。

ループ１１０及び磁界センサの一致した正確な位置決めによって、正確且つ信頼性のある測定の実行を援助する。いくつかの実施例において、磁気的伝導材料及び磁界センサの間のギャップは、最小にされる。このギャップを最小にすることによって、磁界損失と、外部場からの干渉を低減できる。いくつかの実施例において、締結要素１１８及び締結受け部１２０の一致により、磁気的伝導材料を磁界センサと自動的に位置決め又は整列させるので、磁界が磁界センサに集中する。締結要素１１８及び締結受け部１２０の間の一致により、第１端部１２８及び第２端部１２９を互いに位置決めでき、ストランド及び磁界センサが提供する磁界を整列でき、及び／又は、磁気的伝導材料及び磁界センサの間のギャップを最小にできる。

図２は、動作状態の電流センサ１０２を示す。電流センサ１０２は、信号ケーブル１１６を介して、測定器１９０に接続される。ループ１１０を閉じて、ＤＣ電流が流れる導体Ｃの周囲に配置する。締結要素１１８及び締結受け部１２０が一致して、ストランドの如き磁気的伝導材料と磁界センサとが一致によって整列する。図２の場合、０．２ｍＡの測定電流値が表示器１９８に表示される。

図３は、磁界センサ３１４と、「磁気コア」と呼ぶ磁気的伝導部分３０４とを含むループ３１０を有する電流センサ（電流測定装置）３００のブロック図を示す。電流センサ３００は、図１に示すシステム１００と用いるのに適する。図３に示す如く、電流センサ３００が閉じている。磁気的伝導部分３０４は、第１端部３１８及び第２端部３１９を有する。磁気的伝導部分３０４は、磁気的伝導材料の複数のストランドを含む。いくつかの実施例において、磁気的伝導材料のストランドは、ループ３１０内にて、第１端部３１８から第２端部３１９に延びる。ループ３１０は、信号ケーブル３１６を介して測定器１９０に結合される。ギャップ３０２は、磁気的伝導部分３０４内で定義され、ループ３１０は閉じた位置にある。

磁界センサ３１４は、ギャップ３０２内に配置され、第１端部３１８及び第２端部３１９の一方に取り付けられてもよい。第１端部３１８及び第２端部３１９の他方は、磁界センサ３１４の近傍に配置される。磁界センサ３１４は、第１端部３１８及び第２端部３１９の他方からの磁界を受けるように構成されている。磁界は、磁気的伝導部分３０４によって集中又は焦点を結ぶ。電流センサ３００は、「開いたループ」センサとして構成される。磁界センサ３１４は、（例えば、図２に示す如く）ループ３１０で取り囲まれたワイヤ又は他の導体の如き回路コンポーネントを介して流れる電流を示す出力信号を提供する。例えば、磁界センサ３１４は、ホール効果センサでもよく、このセンサのホール電圧を測定器への出力信号として提供できる。

いくつかの実施例において、電流センサ３００は、延びて磁気的伝導部分３０４の周囲を包むトロイダル形状のコイル３６０を含む。コイル３６０は、導電性があり、信号ケーブル３１６に結合される。コイル３６０は、増幅器回路（ドライバ回路）によって駆動されるので、電流がコイル３６０を流れる。コイル３６０を流れる電流は、例えば、測定器１９０に含まれる又は取り付けられた信号源によって提供できる。いくつかの実施例において、電流センサ３００は、「閉じたループ」である。電流センサ３００は、増幅器回路を用いて、コイル３６０を流れる電流を発生する。これは、導体の電流からの磁界と反対方向でほぼ同じ大きさの磁束を発生することによって、ループ３１０の導体の電流からの磁界をほぼ無効にする。コイル３６０を流れる電流は、磁気コア及び磁界センサに対して同じ動作点を提供し、センサ又はコアの非線形性からの望ましくない効果を低減できる。コイル３６０を流れる電流は、被測定導体を流れる電流に比例する。増幅器回路が発生した電流は、導体を流れる電流を示す。

図４は、ループ４１０、第１磁界センサ４１４及び第２磁界センサ４１５を有する電流センサ（電流測定装置）４００のブロック図である。この電流センサ４００は、図１に示す電流測定システム１００と共に用いるのに適する。電流センサ４００は、単一の磁界センサではなく２つの磁界センサを有する点を除いて、電流センサ３００に類似する。ループ４１０は、第１磁気的伝導部分４０４と、第２磁気的伝導部分４０５とを含む。第１磁気的伝導部分４０４及び第２磁気的伝導部分４０５の少なくとも一方は、磁気的伝導材料の複数のストランドを含む。ループ４１０は、第１ギャップ４０２と第２ギャップ４０３を含む。よって、第１磁気的伝導部分４０４及び第２磁気的伝導部分４０５は、互いに分離している。第１磁気的伝導部分４０４の第１端部４１８及び第２磁気的伝導部分４０５の第１端部４３８は、第１ギャップ４０２を限定する。

第１磁界センサ４１４は、第１ギャップ４０２内に配置され、第１磁気的伝導部分４０４及び第２磁気的伝導部分４０５が提供した磁界を感知するように構成されている。第１磁気的伝導部分４０４の第２端部４１９及び第２磁気的伝導部分４０５の第２端部４３９は、第２ギャップ４０３を限定する。第２磁界センサ４１５が第２ギャップ４０３内に配置される。磁界損失と外部磁界からの干渉とを低減するために、磁界センサ４１４及び４１５と、ループ４１０の端部４１８、４１９，４３８及び４３９との間の空間を夫々最小にする。例えば、端部４１９及び４３９は、動作期間中、第２磁界センサ４１５に近接して位置決めするか、又は第２磁界センサ４１５に取り付けるべきである。ループの内部空間４７０と互いに交差して位置決めされた２つの磁界センサを用いると、外部磁界を補償できる。外部空間からの磁気作用の影響をキャンセル又は低減することによって、コイル３６０は、測定の不確定性を低減することを援助できる。電流センサ４００は、開いたループでも閉じたループでもよい。例えば、図示しないが、図３に示す如きトロイダル形状コイル３６０を介して駆動される電流を電流センサ４００と共に用いて、ループ４１０内の非線形性を低減できる。

ループ４１０は、絶縁材料層を含んでもよい。第１磁気的伝導部分４０４と、第１磁界センサ４１４と、第２磁気的伝導部分４０５と、第２磁界センサ４１５とを、絶縁材料層により覆ってもよい。第１磁気的伝導部分４０４の長さと、第２磁気的伝導部分４０５の長さとは、ほぼ同じでもよい。いくつかの実施例において、第１磁界センサ４１４及び第２磁界センサ４１５は、内部空間４７０で互いに交差するように配置されてもよい。ループ４１０は、開いても閉じてもよく、被測定電気部品又は導体の周囲又はこれらを取り囲むように配置できる。第２磁界センサ４１５は、ケーブル４１７を介して信号ケーブル４１６に結合されてもよい。

他の実施例も可能である。例えば、第１磁気的伝導部分４０４及び第２磁気的伝導部分４０５に加えて、ループ４１０は、磁気的伝導材料の１つ以上の追加の分離部分を含んでもよい。追加の磁界センサは、磁気的伝導材料の複数部分の間のギャップ内に配置されてもよい。いくつかの実施例において、電流センサ１０２又は４００は、図３に示すコイル３６０に類似のコイルを含んでいる。また、電流センサ１０２，３００及び４００は、異なる磁界センサを用いてもよい。例えば、磁界センサは、ホール効果センサ、フラックス・ゲート、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサの１つ以上を含んでもよい。磁界センサは、ギャップ内の磁界の強さを測定できる他の装置を含んでもよい。

図５は、第１位置５０１と、この第１位置から長さ方向の距離に配置された第２位置５０２とにおける磁気的伝導ストランドの束５００の断面図を示す。この束５００は、図１に示すシステム１００と共に用いるのに適する。束５００は、ストランド５２１、５２２、５２３、５３１、５３２及び５４４を含む。これらストランドは、お互いの相対位置が束の長さにわたって変化するように配置されている。これらストランドは、磁気的伝導材料を含む内側部分５０４を備えている。ストランドは、これらストランドを互いに絶縁する絶縁材料を有する外側部分５０６を含んでもよい。ストランドは、絶縁材料の外側部分を有するか有さないに関わらず、電流センサ１０２、３００及び４００の如き本明細書の種々の実施例に適する。センサ内に電流を形成し、センサを加熱し、磁界の測定能力を制限する渦効果は、多数のストランドを用いることによって最小にされる。また、多数のストランドを用いることによって、電流クランプ形装置よりも、磁気的伝導部分を一層柔軟に又は折り曲げ可能にできる。

束５００は、例えば、円形の又は環状の断面形状を有してもよい。いくつかの実施例において、束の形状は、磁界センサの感知要素の形状に適合する。整列すると、この束からのかなりの磁界が磁界センサに提供される。一実施例において、異なる量のストランドを用いるが、束５００は、約２０個のストランドを含む。ストランドが図４に示す第１ギャップ４０２の如きギャップと交差する磁界を提供するように、これらストランドを配置する。干渉又は損傷からストランドを保護するための絶縁材料を含む外側層５１２を束５００が含んでもよい。

図５に示すように、束５００は、線５２０の外側にあるストランドの外側部分と、線５２０の内側にあるストランドの内側部分とを有する。第１位置５０１にて、ストランド５２１、５２２及び５２３が外側部分にあり、ストランド５３１、５３２及び５３３が束５００の内側部分にある。図示の如く、ストランドの位置は、束５００の長さに沿って互いに変化する。例えば、第２位置５０２にて、ストランド５２１、５２２及び５２３が内側部分にあり、ストランド５３１、５３２及び５３３が束５００の外側部分にある。いくつかの実施例において、ストランドは、束５００の外側部分及び内側部分の間で交互になるので、ストランドは、束５００の長さにわたって、この束の内側部分及び外側部分を通過する。いくつかの実施例において、ストランドは、束５００の長さにわたって、束５００の外側部分及び内側部分の間を、多数回、交互になる。

いくつかの実施例において、ストランドが束の内側部分及び外側部分にあるように交互になるので、ストランドが内側にある長さ方向の量は、ストランドが外側にある束の長さ方向の量とほぼ同じである。いくつかの実施例において、ストランドが束の長さ方向で内側部分に配置される量は、外側部分に配置される量とで平均として同じである。種々のパターンを用いて、ストランドを配列してもよい。いくつかの実施例において、各ストランドが束の外側部分にある全体的な長さに対する割合は、ほぼ同じである。いくつかの実施例において、各ストランドが束の内側部分にある全体的な長さに対する割合は、ほぼ同じである。これらのパターンは、電気的及び機械的な利点を提供するので、ここで記載した如く、電流センサ内のループには、耐久性及び柔軟性がある。ストランドを配列する種々のパターン及び／又はストランドのサイズによって、束に弾力性ができる。いくつかのパターンによって、ループが柔軟になると共に、弾力的になる。かかる特性は、既存のクランプ形電流センサよりも顕著な特徴を呈する。

図３に関連して上述したように、１つ以上の磁界センサに対して、磁気的伝導材料の正確且つ一貫した位置決めは、正確且つ一貫した測定値を提供するのに重要である。ストランドの端部と磁界センサとの間の距離を最小にでき、ストランドを磁界センサと整列できる。いくつかの磁気的伝導材料は、典型的な導電材料のようには柔軟性がなく、いくつかのストランドは、時間及び利用に応じて硬化及び／又は破損するので、寸法が１インチ（２．５４ｃｍ）の数千の１だけ変化する。磁界センサに対するストランドの位置のかかる変化は、一貫した測定とならない。いくつかの実施例において、端部を磨くことによって、ストランド及び磁界センサの間の正確な距離を達成する。いくつかの実施例において、ストランドの端部をエポキシ樹脂で密閉して、ストランドが曲がった後のストランドの長さを一貫して維持することを援助する。

図６は、捩られたストランド６０２の束６００を示す。捩られたストランドは、真っ直ぐなストランドと比較して、柔軟性及び弾力性の特性が改善される。図６に示すように、ストランドが捻られているので、これらの位置は、束の長さ方向に沿って変化する。束６００は、絶縁材料を含む外側層６１０を有する。

図７は、ストランド６０２の複数の束６００で構成される束７００を示す。図示の如く、束６００は、束７００の長さ方向に沿って捩られている。いくつかの実施例において、束６００は、互いに織られてもよい。束６００は、ここで説明したように類似のパターンで配列してもよい。束７００は、絶縁材料を含む外側層７１０を有してもよい。外側層７１０は、短絡又は外部干渉の影響から保護するのを援助する。

ストランド及び束のパターンの種々の組合せを、ここで説明した電流センサの実施例と共に用いてもよい。種々の巻回技術によって、ストランド及び／又はストランドの束を用意できる。いくつかの実施例において、リッツ巻回技術を用いて、ストランドをリッツ・パターンに配列できる。例えば、ストランドは、磁気的伝導材料を含んでもよく、ニューイングランド・ワイヤ・テクノロジーズによるラウンド・タイプ２のワイヤと同様に配置してもよい。

束５００、６００及び７００の全体的な寸法は、変化させてもよい。束の端部が磁界センサの感知要素と重なるように、束のサイズ及び構成を調整できる。例えば、束に含まれるストランドの数及び束の形状は、感知要素の大きさと、束の内側部分及び外側部分を含むストランドの断面領域とに基づいて決定できる。例えば、磁界センサの感知要素と重なる束の端部において、束内のストランドからの磁界を磁界センサが感知できるようにするため、束の端部の断面積が磁界センサの感知要素の領域よりも大きくなるように感知要素の表面積及び寸法を決定する。

本明細書の実施例における磁気的伝導材料の透磁率は、少なくとも５．０×１０^−３Ｈ／ｍである。かかる透磁率の材料は、この材料の近くの磁界を増加させ、これは、磁界センサを含むギャップと交差するように磁界が焦点を結ぶのを助ける。ストランドの内側部分５０４及び外側部分５０６に、異なる磁気的伝導材料及び絶縁材料を夫々用いてもよい。ストランドの透磁率が増加すると、電流センサ１０２、３００又は４００の如き電流センサの感度も増加する。例えば、ストランドの内側部分５０４内の磁気的伝導材料は、電磁鋼板の如き鉄ニッケル系合金を含んでもよい。

いくつかの実施例において、ストランドの磁気的伝導材料は、ミューメタルを含んでいる。このミューメタルの透磁率は、少なくとも２．５×１０^−２Ｈ／ｍである。市販で入手可能なミューメタルの例には、ＭｕＭＥＴＡＬ、Ｍｕｍｅｔａｌ１及びＭｕｍｅｔａｌ２がある。ミューメタルは、薄いワイヤに形成できる。ストランドは、延性があり加工できる材料で構成されることが望ましい。被試験電気部品又は導体の周囲に配置されたとき、束５００が永久的に降伏又は撓まないように良好な弾力性を有するストランド用の透磁率材料は、顕著な利点を呈する。ミューメタル・ストランドは、有利な弾力特性を有し、他の鉄ニッケル系合金よりも良好な延性及び加工性がある。電磁鋼板の如き低い損失正接の材料を用いてもよい。低い損失正接の材料を用いると、精度及び再現性が改善される。

動作において、磁気的伝導ループの複数の絶縁された磁気的伝導ストランドの端部から、複数の絶縁された磁気的伝導ストランドの他端の近傍に位置決めされた磁界センサに磁界が通過する。電流センサが出力する信号は、複数のストランドの端部から通過した磁界に基づいて、被試験電気部品又は導体を流れる電流を表す。

いくつかの実施例において、磁界が磁界センサを通過する前に、磁気的伝導ループを導体の周囲に位置決めする。締結装置によって磁気的伝導ループを閉じることにより、複数の絶縁された磁気的伝導ストランドの端部を磁界センサの感知要素に整列させる。

束５００、６００及び７００の如き種々の磁気的伝導ストランド、束、配列のパターンは、図１及び２におけるループ１１０の磁気的伝導部分、図３の磁気的伝導部分３０４、図４の第１磁気的伝導部分４０４及び第２磁気的伝導部分４０５に用いるのに適することが明らかであろう。

これらパターンには、多くの代替が可能である。図１の電流測定システム１００の如き電流測定システムに用いる際、ストランドの編み、織り、捩り、及び他のパターン又は配列は、機械的且つ電気的な利点を提供でき、また、望ましい磁気特性を提供できる。編み又は織りによって、ループ１１０に柔軟性があるように、個別のストランド及び束の長さを固定できる。これにより、ストランドを端部にて均一にできる一方、ループ１１０を曲げられる。端部が均一でないと、測定精度が低下する。曲げられた際に複数のストランドの第１端部３１８が一致していないと、曲げられた際にストランド又は束のいくつかが磁界センサ３１４から離れてしまう。図５、６及び７に示す配置の如く、ストランドの種々の配置を用いることができる。上述の如く、いくつかの実施例において、リッツ巻回方法を用いてストランドを巻回することによって束を形成する。

束におけるストランドの数、ストランドの寸法、ストランドの磁気的伝導材料、ストランドの他の特徴を変更してもよい。いくつかの実施例において、複数の束５００を互いに織ってもよい。ストランドを織ること又は編むことによって、利点を提供できる。例えば、束５００のストランドは、真っ直ぐなワイヤよりも、柔軟となり、耐久性が増し、振動に耐えられる。ストランドの多数の束５００を互いに編んでもよい。

上述において、多くの細部について説明し、本発明の１つ以上の実施例を完全に理解できるようにした。しかし、これら細部のいくつか又は全部によらなくても、本発明の多くの実施例を実現できることが当業者には明らかであろう。本発明の要旨及び範囲を逸脱することなく、種々の実施例において変更できることが理解できよう。したがって、本明細書の実施例は、ここで述べた特徴の任意の組合せを用いていることが理解できよう。

１００電流測定システム
１０２電流センサ（電流測定装置）
１１０ループ
１１４ペンダント
１１６信号ケーブル
１１８締結要素（締結装置）
１２０締結受け部（締結装置）
１２８第１端部
１２９第２端部
１５０第１端部
１９０測定器
１９２ハウジング
１９６ポート
１９８表示器
３００電流センサ
３０２ギャップ
３０４磁気的伝導部分
３１０ループ
３１４磁界センサ
３１６信号ケーブル
３１８第１端部
３１９第２端部
３６０コイル
３７０内部空間
３８０外部空間
４００電流センサ
４０２第１ギャップ
４０３第２ギャップ
４０４第１磁気的伝導部分
４０５第２磁気的伝導部分
４１０ループ
４１４第１磁界センサ
４１５第２磁界センサ
４１６信号ケーブル
４１８第１端部
４１９第２端部
４３８第１端部
４３９第２端部
４７０内部空間
５００束
５０１第１位置
５０２第２位置
５０４内側部分
５０６外側部分
５１２外側層
５２０線
５２１、５２２、５２３、５３１、５３２、５３３ストランド
６００束
６０２ストランド
６１０外側層
７００束
７１０外側層
Ｃ導体

Claims

導体を流れる電流を測定する装置であって、
電流が測定される導体の周囲に配置可能であって、複数のストランドを含むストランドの束からなる磁気的伝導ループと、
磁界を感知するように上記複数のストランドの端部の近傍に配置された磁界センサとを備え、
上記複数のストランドの各ストランドが磁気的伝導材料を備え、上記複数のストランド内の上記ストランドが上記磁気的伝導ループの長さにわたって少なくとも１回上記ストランドの束の内側部分及び上記ストランドの束の外側部分を通過するように上記ストランドが配置され、
上記複数のストランドが、上記導体を流れる上記電流を示す磁界を上記磁界センサに通過させるように構成され、且つ、
上記磁界センサが感知した磁界の大きさに基づいて上記導体を流れる上記電流を示す信号を出力するように上記磁界センサが構成された電流測定装置。
上記磁気的伝導ループの周囲に巻回されたコイルと、
上記コイル及び上記磁界センサに結合されたドライバ回路とを更に備え、
上記コイルを流れ、上記磁界をほぼ無効にする電流を発生するように上記ドライバ回路が構成され、
上記ドライバ回路が発生した上記電流は、上記導体を流れる電流を示す請求項１の電流測定装置。
上記複数のストランド内の１つ以上のストランドは、上記磁気的伝導材料の周囲に絶縁材料の外側層を有する請求項１の電流測定装置。
上記複数のストランド内の上記ストランドが上記ストランドの束の上記内側部分及び上
記ストランドの束の上記外側部分で交互になるように上記ストランドが配置され、
上記磁気的伝導ループに対して上記ストランドがストランドの上記束の上記外側部分内にあるのとほぼ同じ長さだけ上記ストランドの束の上記内側部分にある請求項１の電流測定装置。
上記複数のストランド内の上記ストランドが上記ストランドの束の長さに対して上記ストランドの束の上記内側部分及び上記ストランドの束の上記外側部分に平均でほぼ同じ長さだけ設置されるように上記ストランドが配置された請求項１の電流測定装置。
上記複数のストランド内の上記ストランドが捩られた請求項１の電流測定装置。
上記磁気的伝導ループを開閉するように構成された締結装置を更に備えた請求項１の電流測定装置。
上記複数のストランドの端部が上記磁界センサの感知要素と重なって位置決めされるように上記締結装置が構成された請求項７の電流測定装置。
上記複数のストランドが第１の複数のストランドであり、
上記電流測定装置が第２の複数のストランドを更に備え、
上記第１及び第２の複数のストランドの端部が上記磁界センサの感知要素と重なって位置決めされるように上記締結装置が構成された請求項７の電流測定装置。
上記磁界センサが第１磁界センサであり、
上記磁気的伝導ループが磁界を感知するように上記複数のストランドの端部の近傍に配置された第２磁界センサを更に備え、
上記第１磁界センサ及び上記第２磁界センサが上記磁気的伝導ループと互いに交差するように配置された請求項１の電流測定装置。
上記複数のストランド内の上記ストランドの内側層は、透磁率が少なくとも５×１０ ^―３Ｈ／ｍの鉄ニッケル系合金である請求項１の電流測定装置。
上記複数のストランド内のストランドがミューメタルである請求項１１の電流測定装置。
上記磁界センサは、ホール効果センサ、フラックス・ゲート、異方性磁気抵抗センサ、巨大磁気抵抗センサの少なくとも１つである請求項１の電流測定装置。
上記複数のストランドに柔軟性がある請求項１の電流測定装置。
上記複数のストランドが上記導体を流れる直流の電流を示す磁界を上記磁界センサに通過させるように構成されている請求項１の電流測定装置。
上記磁気的伝導ループを取り囲むように構成されたトロイダル形状のコイルを更に備えて、上記磁界センサ及び上記磁気的伝導ループの少なくとも一方の非線形性を低減させる請求項１の電流測定装置。
導体を流れる電流を測定する方法であって、
磁界センサの近傍に配置された端部を有する複数の磁気的伝導ストランドを含むストランドの束からなる磁気的伝導ループを導体の周囲に配置させ、
上記複数のストランド内の上記ストランドが上記磁気的伝導ループの長さにわたって少なくとも１回上記ストランドの束の内側部分及び上記ストランドの束の外側部分を通過するように上記ストランドが配置され、且つ、
上記複数の磁気的伝導ストランドの上記端部から、上記磁界センサが感知した磁界であって上記導体を流れる電流を示す磁界を上記磁界センサに通過させる電流測定方法。
上記複数の磁気的伝導ストランドの上記端部から上記磁界センサに通過する上記磁界の大きさに基づいて、上記導体を流れる上記電流を示す上記磁界センサからの信号を出力することを更に備える請求項１７の電流測定方法。
上記磁気的伝導ループの周囲に巻回されたコイルを通過する電流を発生して上記磁界をほぼ無効にすることを更に備え、
上記磁界をほぼ無効にするように発生した電流は、上記導体を流れる電流を示す請求項１７の電流測定方法。
上記磁界を上記磁界センサに通過させる前に、締結装置により上記磁気的伝導ループを閉じて、上記複数の磁気的伝導ストランドの上記端部を上記磁界センサの感知要素に整列させることを更に備える請求項１７の電流測定方法。
導体を流れる電流を測定するシステムであって、
請求項１の装置と請求項１の該装置及びロゴスキー・コイルに結合可能な測定装置とを備え、
請求項１の上記装置及び上記ロゴスキー・コイルの一方から受けた信号に基づいて、上記導体を流れる電流を示す電流測定を出力するように上記測定装置が構成された電流測定システム。