JP7367100B2 - 磁場勾配センサを備えた電流変換器 - Google Patents

Description

開示の内容

本発明は、導体を流れる電流を測定するための磁場勾配センサを備えた電流変換器に関する。

導体を流れる電流を測定するための磁場勾配センサを備えた電流変換器は、米国特許第６０４０６９０号および米国特許第６６３６０２９号に記載されている。このような変換器では、電流を搬送する導体は、間隙によって分離された２つの平行なセクションに分割され、これらの平行な導体はそれぞれ、全電流の約半分を搬送する。これは、別個の導体を用いて、または導体バスバーに穴もしくはスロットを形成することによって、行うことができる。図１ａを参照すると、測定される一次電流Ｉ_Ｐによって間隙３内に生成される磁場は、一次電流Ｉ_Ｐに比例するが、空間的に不均質であり、電流がｚ方向に流れると仮定すると、２つの直交方向ｄＢｙ／ｄｘおよびｄＢｘ／ｄｙに沿って実質的に一定の勾配を有するという特性を有する。この勾配は、いくらか距離をあけて配置された２つの磁気センサ４ａ、４ｂによって測定することができ、それらのそれぞれの感度軸Ｘａ、Ｘｂは互いに反対方向に向けられており、その出力は、加算増幅器によって合算されると、測定される電流に比例する信号を提供する。

前述した既知の電流変換器の第１の欠点は、その周波数応答および応答時間が制限されていて、変動することである。既知の変換器の感度は、磁場センサへの一次電流の磁気結合によって決まる。周波数が増加するにつれて、表皮および近接効果は、一次導体内の電流の分布を変化させ、その結果、磁気結合が変化し、感度が低下する。この効果は、磁気定数ｍｕ０およびバスバー抵抗率によって決まる。銅の場合、抵抗率は、典型的な動作温度範囲にわたって４０％を超えて変化する場合がある。変換器の周波数応答も、温度に応じて変化し、単純な信号処理方法によってこのような周波数応答変動を補償することが非実用的となる。

前述した既知の電流変換器の第２の欠点は、外部磁場勾配に対する、その感度である。

既知の電流変換器装置が均質な磁場内に置かれる場合、均質な摂動磁場と電流によって生成される勾配磁場との和が局所的に磁気センサの線形範囲を超えない限り、摂動磁場は、各磁場センサ出力に等しいが互いに反対の寄与を加え、したがって、これらは、合計されたときに互いに相殺する。しかしながら、均質な外部磁場は通常、標準というよりむしろ例外であり、ほとんどの適用において、ケーブル、インダクタ、または変圧器は、強力で不均質な磁場を生成する。前述の電流変換器で使用される一対の磁場センサの位置でこれらの供給源によって生成される磁場勾配は、測定される電流によって生成される磁場勾配と区別できない。外部の不均質な磁場は、電流変換器の出力に誤差をもたらす。

例えば、米国特許第６，６３６，０２９号またはＷＯ２００８０３０１２９に記載されているように、所与の一次電流に対して磁場勾配センサ内の磁束密度を増加させるための磁気回路を提供することが知られている。

米国特許第６，６３６，０２９号において、磁気回路は、一次導体のセクションを囲む本質的にＣ字形のコアを有し、各Ｃ字形のコアは、磁気勾配センサが位置付けられるスロット内の一次電流によって生成される磁束を集中させるエアギャップを形成する。Ｃ字形のコアは、コアおよびその一次導体への組み立ての相対的な複雑さのためだけでなく、飽和することなく一次電流によって生成される磁束密度を搬送することができるようにコア材料の必要な厚さも考慮に入れると、コアを有さない変換器と比較して、変換器のコストおよび体積を増加させる。磁気コアはまた、材料を通る磁束通路の長さ、および動作中の磁束偏位（flux excursion）のために、非線形性および磁気オフセットを増大させることができる。

ＷＯ２００８０３０１２９には、より単純な磁気回路を有する変換器が記載されているが、必要とされるコア材料の量および非線形性の問題が存在する。また、勾配センサは、一次導体バーの両側に取り付けられた２つの別個の磁場検出器を含み、これは、一次導体のスロット内に配置された単一の磁場勾配センサと比較して、外部磁場への勾配センサの露出を増大させ、一次導体の異なる側における温度または他の環境条件の差による問題を増大させる。

さらに、米国特許第６，６３６，０２９号またはＷＯ２００８０３０１２９の両方では、広い周波数範囲にわたって電流を測定する能力は制限される。

一般に、米国特許第６，３６６，０７６号に記載されているように、ロゴスキーコイルからの測定と、一次導体の周囲に位置付けられた複数の別個の磁場検出器とを組み合わせた電流変換器を提供することが知られている。しかしながら、複数の別個の検出器は、異なるオフセットおよび一次導体の周りの温度または他の環境条件の差の問題につながる可能性があり、その結果、複数の検出器からの信号の組み合わせによって形成される測定信号は、悪影響を受ける。

上記に鑑み、本発明の目的は、正確で、信頼性があり、測定範囲が広い、導体を流れる電流を測定するための電流変換器を提供することである。

さまざまな熱および環境条件において正確な電流変換器を提供することが有利である。

広い周波数範囲にわたって正確に電流を測定することができる電流変換器を提供することが有利である。

外部磁場に反応しない電流変換器を提供することが有利である。

小型で製造コスト効率のよい電流変換器を提供することが有利である。

本発明のさまざまな目的は、請求項１に記載の電流変換器を提供することによって、達成されている。

本発明のさまざまな目的は、請求項１２に記載の電流変換器を提供することによって、達成されている。

本発明のさまざまな目的は、請求項１９に記載の電流変換器を提供することによって、達成されている。

一次導体のセクションと、一次導体を流れる一次電流（Ｉ_Ｐ）の測定を可能にする、前記一次電流（Ｉ_Ｐ）の流れの方向（Ｚ）を横切る勾配測定方向（Ｙ、Ｘ）における磁場勾配を測定するように構成された、一次導体の近傍に取り付けられた磁場勾配センサと、を含む、電流変換器が、本明細書に開示される。

本発明の第１の態様によれば、電流変換器は、一次導体の第１の外側面に隣接して取り付けられた第１の横方向磁気シムと、第１の外側面の反対側の、一次導体の第２の外側面に隣接して取り付けられた第２の横方向磁気シムと、磁場勾配センサに面し、電流が流れる方向（Ｚ）に本質的に平行に延在する第１および第２の磁気シムの主要内部表面と、をさらに含み、電流変換器は、第１の横方向シムと第２の横方向シムとの間に延在する、一次導体の第３の外側面に隣接して取り付けられたロゴスキーコイルの第１の分岐と、第１の横方向シムと第２の横方向シムとの間に延在する、一次導体の第３の外側面の反対側の第４の外側面に隣接して取り付けられたロゴスキーコイルの第２の分岐と、をさらに含む。

本発明の第２の態様によれば、電流変換器は、下方周波数範囲で一次導体を流れる一次電流を測定するように構成された第１の磁場感知システムと、下方周波数範囲よりも高い周波数を有する、上方周波数範囲で前記一次電流を測定するように構成された前記一次導体を取り囲むロゴスキーコイルと、を含み、前記第１の磁場感知システムは、一次導体の前記セクションの２つの部分の中間のスロット内に取り付けられた磁場勾配センサを含み、前記磁場勾配センサは、一次電流（Ｉ_Ｐ）の流れの方向（Ｚ）を横切る勾配測定方向（Ｙ）の磁場勾配を測定するように構成される。

前述した２つの態様では、電流変換器におけるロゴスキーコイルと磁場勾配センサとの組み合わせは、驚くべきことに、複数の磁場検出器を有する従来の変換器または勾配センサを有する従来の変換器のいずれと比較しても、線形性が改善され、より安定し、正確な測定を行う小型で費用効果の高い変換器を提供しながら、大きな振幅および周波数測定範囲を得るのに有利である。

有利な実施形態では、磁場勾配センサは、一次導体の前記セクションの２つの部分の中間のスロット内に位置付けられる。

別の実施形態では、少なくとも第１および第２の磁場検出器は、一次導体の前記セクションの両側に位置付けられ得る。

本発明の第３の態様によれば、電流変換器の磁場勾配センサは、一次導体の前記セクションの２つの部分の中間のスロット内に取り付けられ、変換器は、一次導体の第１の外側面に隣接して取り付けられた第１の横方向磁気シムと、第１の外側面の反対側の、一次導体の第２の外側面に隣接して取り付けられた第２の横方向磁気シムと、磁場勾配センサに面し、電流が流れる方向（Ｚ）に本質的に平行に延在する第１および第２の磁気シムの主要内部表面と、をさらに含み、第１および第２の横方向磁気シムは実質的に平行であり、これらの磁気シムは、スロット内で一次電流によって生成される磁束密度を増大させることなく、外部磁場勾配の影響を減衰させるように配置される。

前述した発明では、磁気勾配センサ上の一次電流によって生成される磁束密度を（実質的に）増大させることなく、外部磁場の影響を減衰させるように配置された磁気シムを有する態様は、磁場センサ上で一次導体の磁束を集中させる働きをする磁気回路を備える従来の変換器と比較して、たとえそのような回路も外部磁場を減衰させ得るとしても、外部磁場の存在下で精度および性能を改善し、同時に変換器の複雑さを低減する。前述した従来の変換器の問題の１つは、一次電流によって生成される磁束を飽和させることなく搬送することができ、エアギャップを提供するデザインを有する、磁気回路が必要なことであり、したがってコストおよび複雑さの増大につながる。さらに、磁束集中磁気回路は、外部磁場の影響を主にまたは単に減衰させる働きをする磁気シムと比較して、材料を通る磁束通路の長さ、および動作中の磁束偏位のために、非線形性および磁気オフセットの増大につながる可能性がある。

本発明の前述した態様の有利な実施形態では、磁場勾配センサは、一次電流Ｉ_Ｐの流れの方向（Ｚ）を横切る第１の磁場方向（Ｘａ）において磁束を感知するように方向付けられた第１の磁場検出器と、第１の磁場方向に平行であるが逆である第２の磁場方向（Ｘｂ）において磁束を感知するように方向付けられた第２の磁場検出器と、を含み、第１および第２の磁場検出器は、勾配測定方向（Ｙ）に沿って非ゼロ距離だけ離れている。

本発明の前述した態様の有利な実施形態では、磁気シムは、実質的に平面であってもよい。

本発明の前述した態様の有利な実施形態では、磁気シムは、前記勾配測定方向（Ｙ）に実質的に平行に配列される。

本発明の前述した態様の有利な実施形態では、一次導体のセクションは、電流変換器に組み込まれたソリッドバスバーのセクションの形態である。

本発明の前述した態様の有利な実施形態では、ソリッドバスバーのセクションは、相対する前記第１の外側面と第２の外側面との間の幅Ｗと、相対する前記第３の外側面と第４の外側面との間の高さＨと、を画定する非円形の形状を有し、高さは、幅よりも小さく、Ｈ＜Ｗである。

本発明の前述した態様の有利な実施形態では、ソリッドバスバーのセクションは、実質的に長方形の形状を有する。

本発明の前述した態様の有利な実施形態では、磁場勾配センサは、一次導体の前記セクションの２つの部分の中間のスロット内に位置付けられ、前記スロットは、前記第１の側面と第２の側面との間に延びる。

本発明の前述した態様の有利な実施形態では、第１および第２の磁場検出器は、単一の構成要素、例えば単一のＡＳＩＣ内に形成される。この特徴は、コストを低減するだけでなく、種々の温度、電場または磁場、および複数のセンサ配置に影響を及ぼす種々の場所における他の要因の悪影響も低減する。

あるいは、特定の実施形態では、前記少なくとも第１および第２の磁場検出器は、スロットの内側にはなく、一次導体の前記セクションの外側で、一次導体の第１および第２の外側面に隣接して位置付けられた別個の構成要素である。

本発明の前述した態様の有利な実施形態では、磁気シムの高さ（Ｈｍ）は、勾配方向Ｙで測定された一次導体のソリッドバスバーのセクションの高さ（Ｈ）の少なくとも１．５倍、好ましくは少なくとも２倍である。この特徴は、有利には、外部磁場の良好な減衰を確実にし、一次導体のレベル、特に磁場勾配センサのレベルでシム間の磁場の均一性のあらゆる歪みを低減する。

本発明のさらなる目的および有利な態様は、特許請求の範囲、以下の詳細な説明、および図面から明らかとなるであろう。

図面を参照すると、本発明による電流変換器１は、例えばバスバーの形態の、一次導体２のセクションと、一次導体に近接して取り付けられた磁場勾配センサ４、４ａ、４ｂと、を含む。磁場センサは、一次導体２を流れる一次電流Ｉ_Ｐの測定を可能にする、一次導体に対する特定の方向の磁場勾配を測定するように構成される。

典型的には、磁場勾配センサは、前記特定の方向に離間した位置に少なくとも２つの磁場検出器を含み、２つの位置間の磁場の差を測定する。既知の構成の一例が図１ａに示されており、ここでは２つの磁場検出器４ａ、４ｂが一次導体の２つの部分２ａ、２ｂの間のスロット３内に位置付けられている。図１ｂに示す別の既知の例では、２つの磁場検出器４ａ、４ｂは一次導体２の両側に位置付けられている。しかしながら、勾配を測定することができる他の磁場センサ構成も知られている。外部磁場が存在しない場合、一次導体の近傍における磁場の勾配は、一次電流Ｉ_Ｐ（すなわち、測定される電流）に比例する。

磁場勾配測定を用いて導体を流れる一次電流を測定する原理は、それ自体が周知であり、ここでは詳細に説明しない。

一次導体に接続するため電気変換器に組み込まれた導電性バスバーを設けることも、それ自体が周知であり、それによって、変換器におけるバスバーの接続端部および取り付けの詳細は、従来技術においてそれ自体が既知であるさまざまな形状および構成をとることができ、本明細書でさらに説明する必要はない。

本発明のある実施形態を示す図２ａおよび図２ｂを参照すると、磁場勾配センサは、例えば電流変換器に組み込まれたソリッドバスバーのセクションの形態であってもよい一次導体２の２つの好ましくは本質的に同一の部分２ａ、２ｂの中間のスロット３内に位置付けられた、第１の磁場検出器４ａおよび第２の磁場検出器４ｂを含む。磁場検出器２ａ、２ｂのそれぞれの感度方向Ｘａ、Ｘｂは両方とも、Ｘ軸に沿って、しかしそれぞれ反対方向に、方向付けられている。これらは磁束密度ＢのＸ成分を感知する。２つの感知素子はＹ方向に沿ってわずかな距離だけ離れている。センサの電気出力が合算されると、結果はｄＢｘ／ｄｙに比例する。

電流変換器は、一次導体２の外側面に取り付けられた磁気シム６をさらに含む。図示の実施形態では、磁気シムは、一次導体の第１の部分２ａの外側面に隣接して取り付けられた第１の横方向磁気シム６ａと、一次導体の第２の部分２ｂの外側面に隣接して取り付けられた第２の横方向磁気シム６ｂと、を含む。磁場検出器４ａ、４ｂに面する磁気シム６ａ、６ｂの主要内部表面１０は、一次電流Ｉ_Ｐの流れの方向に対応する一次導体２の部分２ａ、２ｂに本質的に平行に延びる。磁気シムは、高透磁率および低磁気抵抗を有する材料、例えば、シム間で外部磁場を方向転換するように構成された、軟鉄、フェライトまたはパーマロイなどの高透磁率軟磁性材料から作製される。磁気シムは、外部磁場に対して低抵抗の通路を提供するので、対向する一対の磁気シムの間で方向転換される外部磁場は、図８ｂおよび図８ｄに最も良く示されるように均質化される。しかしながら、図７ａおよび図７ｂに最も良く示されているように、一次導体の部分２ａ、２ｂの間のスロット３内で一次導体によって生成される内部磁場に対しては改善された効果がある。図７ｃおよび図７ｄでは、磁場勾配センサが取り付けられているスロット３内で（座標Ｘ＝０で）、磁場勾配ｄＢｘ／ｄｙはいくらか増幅されているが、図７ａに示す磁気シムのない既知のシステムの磁場勾配と同様に、一次電流に比例したままであることが分かる。さらに、（図９ａおよび図９ｂに関連して）図８ｂおよび図８ｃに示すように、外部磁場は、図８ａと比較して図８ｂに見られるように減衰されるか、かつ／または（図９ａおよび図９ｂに関連して）図８ｃと比較して図８ｄに見られるように、ｙ軸に沿った勾配を低減するように均質化されるかのいずれかである。より具体的には、図８ａは、それぞれが同じ電流Ｉ_Ｐ／２を搬送する２つのスクエアバスバー導体部分の周りの力線を示す。２つの導体部分の間のスロット内の垂直線は、勾配センサを形成する磁場センサが位置する軸を示し、その上で図８ｃおよび図８ｄの線プロットに示される値が取られる。図８ｂは、図８ａに示す状況にシムを追加する効果を示す。図８ｃは、両方の構成について、スロットの中心におけるｙ軸に沿った磁束密度ｘ成分を示す。図８ｄは、同じ軸に沿ったｄＢｘ／ｄｙを示す。図８ａの構成と図８ｂの構成との間には、わずかな感度の差しかない。軸の中心の周りにおいて、一次近似では、磁場勾配は本質的に位置に依存しない。

図８に示される特定の例では、ゼロ電流を搬送するバスバーが示され、隣接する電流搬送導体は、２つの角度位置において、１１ａおよび１１ｂで０°、１１ｃおよび１１ｄで９０°で示される、電流変換器組立体の中心から１５ｍｍの距離に位置付けられる。ＢのＸ成分に対する均質化効果が見られる。

図９ａは、スロット軸に沿ったＢのＸ成分を示す。コモンモードレベルは、シムあり、９０°近傍の外部電流で最高であるが、シムありの両方の場合において、軸に沿ったＢｘの値は、シムなしの場合よりも一定である。これは、ｄＢｘ／ｄｙを示す図９ｂではっきりと見えるようになる。シムありでは、例示的な場合では、不均質な外部磁場の排除は、従来のシステムに比べ約５～１０倍程度改善することができる。

したがって、図２ａ、図２ｂの実施形態では、軟磁性部品６ａ、６ｂは、それらの内部表面１０に本質的に磁気的な等電位を有し、平行な内向き表面１０間の体積は、実質的に均質な磁場によって占められる。ｄＢｘ／ｄｙ勾配は、磁気シム６ａ、６ｂによって形成される軟磁性磁束形成器（soft magnetic flux shapers）がない場合よりも低くてもよいが、Ｂｘの値は、シムがない場合よりもわずかに高くてよい。この実施形態における軟磁性シムの目的は、磁束密度分布をより均一にするように成形することであり、通常の意味で磁気センサを遮蔽または遮断することではなく、遮蔽された体積は、周囲と比較して磁束密度の大きさが低下することが理解される。

有利な実施形態では、磁気シムの高さＨｍは、磁場勾配の方向Ｙで測定された、一次導体のソリッドバスバーのセクションの高さＨの、好ましくは少なくとも１．５倍（Ｈｍ＞１．５Ｈ）、好ましくは２倍（Ｈｍ＞２Ｈ）である。好ましくは、一次導体および磁場勾配センサは、高さＨｍを画定する磁気シムの端部の実質的に中間に位置付けられる。これは、有利には、外部磁場の良好な減衰を保証し、一次導体のレベル、特に磁場勾配センサのレベルでシム間の磁場均一性のあらゆる歪みを低減する。

ここで図３ａおよび図３ｂを参照すると、本発明による電流変換器の別の実施形態が示されている。この実施形態では、磁場勾配センサは、例えば電流変換器に組み込まれたソリッドバスバーのセクションの形態とすることができる一次導体２の２つの本質的に同一の部分２ａ、２ｂの中間のスロット３内に位置付けられた、第１の磁場検出器４ａおよび第２の磁場検出器４ｂを含む。磁場検出器２ａ、２ｂのそれぞれの感度方向Ｘａ、Ｘｂは両方とも、Ｘ軸に沿って、しかしそれぞれ反対方向に、方向付けられている。これらは磁束密度ＢのＸ成分を感知する。２つの感知素子はＹ方向に沿ってわずかな距離だけ離れている。センサの電気出力が合算されると、結果はｄＢｘ／ｄｙに比例する。電流変換器は、一次導体２の外側面の周りに取り付けられたロゴスキーコイルをさらに含む。磁場勾配センサ４ａ、４ｂの測定範囲は、導体バー内の電流密度の分布が周波数と共に変化するので（表皮効果）、その周波数応答が制限される。電流分布は、とりわけ、導体の形状、温度、および材料特性に依存し、したがって、ある周波数を超えて磁気勾配測定の挙動を補償することが困難になる。しかしながら、ロゴスキーコイルは、より高い周波数範囲で一次導体２ａ、２ｂを流れる一次電流Ｉ_Ｐを測定するように良好に適合され、磁場勾配センサを十分に補完する。したがって、この実施形態では、磁場勾配センサ４ａ、４ｂは、ＤＣから第１の閾値周波数までの一次電流を測定し、それを超えると精度はもはや受け入れられないが、ロゴスキーコイルは、第２の閾値周波数から変換器の上限カットオフ周波数まで受け入れ可能な感度で一次電流を測定するように構成される。勾配センサの第１の閾値周波数は、ロゴスキーコイルが使用可能になる第２の閾値周波数よりも高い。これにより、２つの信号源間の遷移が、その間に位置する遷移周波数で起こる。測定信号処理回路は、遷移周波数より下のロゴスキーコイルの信号をそれぞれ遮断するか、または遷移周波数より上の磁場勾配センサ４ａ、４ｂの信号を遮断するように構成され得る。

ロゴスキーコイルの出力と磁場勾配センサとを組み合わせるさまざまな他の方法が、本発明の範囲内で想定され得る。例：
・別個の出力を提供し、周波数範囲の重複部分を追加の機能のために使用する：例えば、電流変換器が電流を制御するために使用され、電流がスイッチングによって生成され、その後にフィルタリングが続く場合、リップルが常に存在し、スペクトルの重複領域に位置することができる。同じ信号が両方のチャネルによって測定されるので、２つのチャネルのうち、より安定したものを使用して、他方のチャネルの温度または感度の他のドリフトを補償することができる。
・前述したものと同じ原理を使用して、リップルのような既に利用可能な信号を使用するか、または擬似ランダムシーケンスのようなテスト信号を注入し、両方のチャネルにおけるテスト信号の存在を検出することによって、変換器の機能を監視することもできる。
・ｄｉ／ｄｔが必要とされ、数値導出がｄｉ／ｄｔを直接感知するよりも低いＳＮＲを有する、センサレス位置推定のような適用のためにｄｉ／ｄｔ出力を提供する。

図３ｂの実施形態と同様の図４の変形例では、ロゴスキーコイルの分岐８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを結ぶコーナーに軟磁性コーナー要素１２が設けられている。軟磁性コーナー要素１２は、ロゴスキーコイルの通路を一次導体バスバー２、２ａ、２ｂの外側輪郭に適合させるために存在するコーナーによって形成されるロゴスキーコイルの巻線の不連続部を磁気的に短絡する。これは、外部磁場に対するより良好な耐性をもたらす。

磁場勾配センサは、磁場勾配センサがスロット内に位置付けられる実施形態では、有利には、単一の構成要素、例えば、単一のＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）構成要素とすることができる。

単一の磁場勾配センサの使用は、変換器のコストを低減するために有利であるだけでなく、複数のセンサが位置する種々の位置における温度もしくは他の環境条件の起こり得る差、または各センサのわずかに異なる特性および公差に起因して、測定信号を出力するために複数のセンサからの信号を結合することに関連する問題も低減する。

ここで図５ａおよび図５ｂを参照すると、本発明による電流変換器の別の実施形態が示されている。この実施形態では、スロット３を有する一次導体セクション２、２ａ、２ｂ、磁場勾配センサ４ａ、４ｂ、および磁気シム６ａ、６ｂが、図２ａ、図２ｂの実施形態と同様の構成で設けられる。さらに、ロゴスキーコイルは、磁気シム６ａ、６ｂの間に延在する２つのロゴスキーコイル分岐８ａ、８ｂを含む。ロゴスキーコイル分岐は、第１の磁気シム６ａから他方の横方向磁気シム６ｂまで完全に延びて、シム間に本質的に中断のないブリッジを形成する。図２ａ、図２ｂに関連して前述したように、外部磁場を均質化することに加えて、磁気シム６ａ、６ｂは、ロゴスキーコイル８ａ、８ｂに磁気短絡を提供する役割も果たし、その結果、外部磁場に対してより良好な耐性が得られる。

ロゴスキーコイル８は、上方周波数範囲を測定するのに役立ち、磁場勾配センサは、図３ａ、図３ｂに関連して前述したのと本質的に同じ方法で下方周波数範囲を測定するのに役立ち、一方、外部磁場の影響は、図２ａ、図２ｂに関連して前述したのと本質的に同じ方法で磁気シム６ａ、６ｂによって均質化され、減衰される。

次に図６を参照すると、本発明による電流変換器の別の実施形態が示されている。この実施形態では、磁場勾配センサ４ａ、４ｂは、一次導体セクション２の両側に位置付けられ、磁気シム６ａ、６ｂは、図２ａ、図２ｂおよび図５ａ、図５ｂの実施形態と同様の構成で設けられる。さらに、ロゴスキーコイルは、図５ａ、図５ｂの実施形態と同様に、磁気シム６ａ、６ｂの間に延在する２つのロゴスキーコイル分岐８ａ、８ｂを含む。ロゴスキーコイル分岐は、第１の磁気シム６ａから他方の横方向磁気シム６ｂまで完全に延びて、シム間に本質的に中断のないブリッジを形成する。図５ａ、図５ｂに関連して前述したように、外部磁場を均質化することに加えて、磁気シム６ａ、６ｂは、ロゴスキーコイル８ａ、８ｂに磁気短絡を提供する役割も果たし、その結果、外部磁場に対してより良好な耐性が得られる。

図５ａ、図５ｂに関連して前述したように、ロゴスキーコイル８は、上方周波数範囲を測定するのに役立ち、磁場勾配センサは、下方周波数範囲を測定するのに役立ち、一方、外部磁場の影響は、磁気シム６ａ、６ｂによって均質化され、減衰される。

本開示におけるｄＢｘ／ｄｙに基づく説明は、ｄＢｙ／ｄｘにも当てはまることに留意されたい（関心領域においてＲｏｔ（Ｂ）＝ＪおよびＪ＝０であるためである）。したがって、ある実施形態によれば、変換器は、代替的にまたは追加的に、一次電流の流れに対しても横方向である磁場勾配ｄＢｙ／ｄｘを測定するように構成され得る。

〔実施の態様〕
（１） 電流変換器において、
一次導体（２）のセクションと、
前記一次導体を流れる一次電流（Ｉ_Ｐ）の測定を可能にする、前記一次電流（Ｉ_Ｐ）の電流が流れる方向（Ｚ）を横切る勾配測定方向（Ｙ）における磁場勾配を測定するように構成された、前記一次導体の近傍に取り付けられた磁場勾配センサ（４）と、
前記一次導体の第１の外側面に隣接して取り付けられた第１の横方向磁気シム（６ａ）と、
前記第１の外側面の反対側の、前記一次導体の第２の外側面に隣接して取り付けられた第２の横方向磁気シム（６ｂ）と、
前記磁場勾配センサに面し、前記電流が流れる方向（Ｚ）に本質的に平行に延在する、前記第１および第２の磁気シムの主要内部表面（１０）と、
を含み、
前記電流変換器は、
前記第１の横方向シムと前記第２の横方向シムとの間に延在する、前記一次導体の第３の外側面に隣接して取り付けられたロゴスキーコイルの第１の分岐と、
前記第１の横方向シムと前記第２の横方向シムとの間に延在する、前記一次導体の前記第３の外側面の反対側の第４の外側面に隣接して取り付けられたロゴスキーコイルの第２の分岐と、
をさらに含むことを特徴とする、電流変換器。
（２） 実施態様１に記載の電流変換器において、
前記磁気シムは、実質的に平面である、電流変換器。
（３） 実施態様１または２に記載の電流変換器において、
前記磁気シムは、前記勾配測定方向（Ｙ）に実質的に平行に配列されている、電流変換器。
（４） 実施態様１から３のいずれかに記載の電流変換器において、
前記一次導体のセクションは、前記電流変換器に組み込まれたソリッドバスバーのセクションの形態である、電流変換器。
（５） 実施態様１から４のいずれかに記載の電流変換器において、
前記ソリッドバスバーの前記セクションは、相対する前記第１の外側面と前記第２の外側面との間の幅Ｗと、相対する前記第３の外側面と前記第４の外側面との間の高さＨと、を画定する非円形の形状を有し、前記高さは、前記幅よりも小さく、Ｈ＜Ｗである、電流変換器。

（６） 実施態様１から５のいずれかに記載の電流変換器において、
前記ソリッドバスバーの前記セクションは、実質的に長方形の形状を有する、電流変換器。
（７） 実施態様１から６のいずれかに記載の電流変換器において、
前記磁場勾配センサは、前記電流が流れる方向（Ｚ）を横切る第１の磁場方向（Ｘａ）において磁束を感知するように方向付けられた第１の磁場検出器（４ａ）と、前記第１の磁場方向に平行であるが逆である第２の磁場方向（Ｘｂ）において磁束を感知するように方向付けられた第２の磁場検出器（４ｂ）と、を含み、前記第１および第２の磁場検出器は、前記勾配測定方向（Ｙ）に沿って非ゼロ距離だけ離れている、電流変換器。
（８） 実施態様７に記載の電流変換器において、
前記少なくとも第１および第２の磁場検出器（４ａ、４ｂ）は、前記一次導体の前記セクションの相対する第１および第２の外側面に位置付けられている、電流変換器。
（９） 実施態様１から８のいずれかに記載の電流変換器において、
前記磁場勾配センサは、前記一次導体の前記セクションの２つの部分（２ａ、２ｂ）の中間のスロット（３）内に位置付けられ、前記スロットは、前記第１の側面と前記第２の側面との間に延在する、電流変換器。
（１０） 実施態様９に記載の電流変換器において、
前記第１および第２の磁場検出器は、単一の構成要素、例えば単一のＡＳＩＣ内に形成されている、電流変換器。

（１１） 実施態様１から１０のいずれかに記載の電流変換器において、
前記磁気シムの高さ（Ｈｍ）が、前記一次導体のソリッドバスバーの前記セクションの高さ（Ｈ）の少なくとも２倍である、電流変換器。
（１２） 電流変換器において、
一次導体（２）のセクションと、
下方周波数範囲で前記一次導体を流れる一次電流を測定するように構成された第１の磁場感知システムと、
前記下方周波数範囲よりも高い周波数を有する、上方周波数範囲で前記一次電流を測定するように構成された前記一次導体を取り囲むロゴスキーコイルと、
を含み、
前記第１の磁場感知システムは、前記一次導体の前記セクションの２つの部分（２ａ、２ｂ）の中間のスロット（３）内に取り付けられた磁場勾配センサ（４）を含み、
前記磁場勾配センサは、前記一次電流（Ｉ_Ｐ）の流れの方向（Ｚ）を横切る勾配測定方向（Ｙ）における磁場勾配を測定するように構成されていることを特徴とする、電流変換器。
（１３） 実施態様１２に記載の電流変換器において、
前記一次導体のセクションは、前記電流変換器に組み込まれたソリッドバスバーのセクションの形態である、電流変換器。
（１４） 実施態様１３に記載の電流変換器において、
前記ソリッドバスバーの前記セクションは、相対する前記第１の外側面と前記第２の外側面との間の幅Ｗと、相対する前記第３の外側面と前記第４の外側面との間の高さＨと、を画定する非円形の形状を有し、前記高さは、前記幅よりも小さく、Ｈ＜Ｗである、電流変換器。
（１５） 実施態様１４に記載の電流変換器において、
前記ソリッドバスバーの前記セクションは、実質的に長方形の形状を有する、電流変換器。

（１６） 実施態様１２から１５のいずれかに記載の電流変換器において、
前記磁場勾配センサは、前記電流が流れる方向（Ｚ）を横切る第１の磁場方向（Ｘａ）において磁束を感知するように方向付けられた第１の磁場検出器（４ａ）と、前記第１の磁場方向に平行であるが逆である第２の磁場方向（Ｘｂ）において磁束を感知するように方向付けられた第２の磁場検出器（４ｂ）と、を含み、前記第１および第２の磁場検出器は、前記勾配測定方向（Ｙ）に沿って非ゼロ距離だけ離れている、電流変換器。
（１７） 実施態様１２から１６のいずれかに記載の電流変換器において、
前記磁場勾配センサは、単一の構成要素、例えば単一のＡＳＩＣ内に形成されている、電流変換器。
（１８） 実施態様１２から１７のいずれかに記載の電流変換器において、
前記磁気シムの高さ（Ｈｍ）が、前記一次導体のソリッドバスバーの前記セクションの高さ（Ｈ）の少なくとも２倍である、電流変換器。
（１９） 電流変換器において、
一次導体（２）のセクションと、
前記一次導体を流れる一次電流（Ｉ_Ｐ）の測定を可能にする、前記一次電流（Ｉ_Ｐ）の流れの方向（Ｚ）を横切る勾配測定方向（Ｙ）における磁場勾配を測定するように構成された、前記一次導体の前記セクションの２つの部分（２ａ、２ｂ）の中間のスロット（３）内に取り付けられた磁場勾配センサ（４）と、
前記一次導体の第１の外側面に隣接して取り付けられた第１の横方向磁気シム（６ａ）と、
前記第１の外側面の反対側の、前記一次導体の第２の外側面に隣接して取り付けられた第２の横方向磁気シム（６ｂ）と、
前記磁場勾配センサに面し、前記電流が流れる方向（Ｚ）に本質的に平行に延在する、前記第１および第２の磁気シムの主要内部表面（１０）と、
を含み、
前記第１および第２の横方向磁気シムは実質的に平行であり、
前記磁気シムは、前記スロット内の前記一次電流によって生成される磁束密度を増大させることなく外部磁場勾配の影響を減衰させるように配列されている、電流変換器。
（２０） 実施態様１９に記載の電流変換器において、
前記磁気シムは、本質的に平面である、電流変換器。

（２１） 実施態様１９または２０に記載の電流変換器において、
前記一次導体のセクションは、前記電流変換器に組み込まれたソリッドバスバーのセクションの形態である、電流変換器。
（２２） 実施態様２１に記載の電流変換器において、
前記ソリッドバスバーの前記セクションは、相対する前記第１の外側面と前記第２の外側面との間の幅Ｗと、相対する前記第３の外側面と前記第４の外側面との間の高さＨと、を画定する非円形の形状を有し、前記高さは、前記幅よりも小さく、Ｈ＜Ｗである、電流変換器。
（２３） 実施態様２２に記載の電流変換器において、
前記ソリッドバスバーの前記セクションは、実質的に長方形の形状を有する、電流変換器。
（２４） 実施態様１９から２３のいずれかに記載の電流変換器において、
前記磁場勾配センサは、前記電流が流れる方向（Ｚ）を横切る第１の磁場方向（Ｘａ）において磁束を感知するように方向付けられた第１の磁場検出器（４ａ）と、前記第１の磁場方向に平行であるが逆である第２の磁場方向（Ｘｂ）において磁束を感知するように方向付けられた第２の磁場検出器（４ｂ）と、を含む、電流変換器。
（２５） 実施態様２４に記載の電流変換器において、
前記第１および第２の磁場検出器は、前記勾配測定方向（Ｙ）に沿って非ゼロ距離だけ離れている、電流変換器。

（２６） 実施態様１９から２５のいずれかに記載の電流変換器において、
前記磁場勾配センサは、単一の構成要素、例えば単一のＡＳＩＣの形態である、電流変換器。
（２７） 実施態様１９から２６のいずれかに記載の電流変換器において、
前記磁気シムの高さ（Ｈｍ）が、前記一次導体のソリッドバスバーの前記セクションの高さ（Ｈ）の少なくとも２倍である、電流変換器。

従来のデザインの一次導体および磁場勾配センサの簡略断面図である。 従来のデザインの一次導体および磁場勾配センサの簡略断面図である。 本発明のある実施形態による、磁場勾配センサを有する、一次導体および電流変換器の簡略図である。 図２ａの線ＩＩｂ－ＩＩｂを通る断面図である。 本発明の別の実施形態による、磁場勾配センサを有する、一次導体および電流変換器の簡略図である。 図３ａの線ＩＩＩｂ－ＩＩＩｂを通る断面図である。 図３ｂの変形例による、磁場勾配センサを有する、一次導体および電流変換器の断面図である。 本発明の別の実施形態による、磁場勾配センサを有する、一次導体および電流変換器の簡略図である。 図５ａの線Ｖｂ－Ｖｂを通る断面図である。 本発明の別の実施形態による、磁場勾配センサを有する、一次導体および電流変換器の簡略断面図である。 図７ａは、（従来技術による）間隙によって分離された２つのセクションを有する一次導体の周りの磁力線を示し、図７ｂは、本発明のある実施形態による間隙によって分離された２つのセクションを有する一次導体の周りの磁力線の同様の図であり、図７ｃおよび図７ｂは、図７ａおよび図７ｃの一次導体の間隙の中心におけるｙ軸に沿った位置に対する磁束密度（図７ｃ）またはｄＢｘ／ｄｙ（図７ｄ）のグラフである。 図８ａおよび図８ｃは、外部導体の磁力線と、図７ａの従来の配置に対するその効果とを示し、図８ｂおよび図８ｄは、外部導体の磁力線と、図７ｂの本発明のある実施形態による配置に対するその効果とを示す。 図９ａおよび図９ｂは、図８ａ～図８ｄの一次導体の間隙の中心におけるｙ軸に沿った位置に対する磁束密度（図９ａ）またはｄＢｘ／ｄｙ（図９ｂ）のグラフである。

Claims (17)

1. 電流変換器において、
   一次導体のセクションと、
   下方周波数範囲で前記一次導体を流れる一次電流を測定するように構成された第１の磁場感知システムと、
   前記下方周波数範囲よりも高い周波数を有する、上方周波数範囲で前記一次電流を測定するように構成された前記一次導体を取り囲むロゴスキーコイルと、
   を含み、
   前記第１の磁場感知システムは、前記一次導体の前記セクションの２つの部分の中間のスロット内に取り付けられた磁場勾配センサを含み、
   前記磁場勾配センサは、前記一次電流の流れの方向を横切る勾配測定方向における磁場勾配を測定するように構成されており、
   前記下方周波数範囲と、前記上方周波数範囲が、遷移周波数範囲で重なっており、
   前記遷移周波数範囲より下の前記ロゴスキーコイルの信号を遮断するか、または前記遷移周波数範囲より上の前記磁場勾配センサの信号を遮断するように構成された測定信号処理回路を備える、電流変換器。
2. 請求項１に記載の電流変換器において、
   前記一次導体のセクションは、前記電流変換器に組み込まれたソリッドバスバーのセクションの形態である、電流変換器。
3. 請求項２に記載の電流変換器において、
   前記ソリッドバスバーの前記セクションは、相対する第１の外側面と第２の外側面との間の幅Ｗと、相対する第３の外側面と第４の外側面との間の高さＨと、を画定する非円形の形状を有し、前記高さは、前記幅よりも小さく、Ｈ＜Ｗである、電流変換器。
4. 請求項３に記載の電流変換器において、
   前記ソリッドバスバーの前記セクションは、実質的に長方形の形状を有する、電流変換器。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電流変換器において、
   前記磁場勾配センサは、前記一次電流が流れる方向を横切る第１の磁場方向において磁束を感知するように方向付けられた第１の磁場検出器と、前記第１の磁場方向に平行であるが逆である第２の磁場方向において磁束を感知するように方向付けられた第２の磁場検出器と、を含み、前記第１および第２の磁場検出器は、前記勾配測定方向に沿って非ゼロ距離だけ離れている、電流変換器。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電流変換器において、
   前記磁場勾配センサは、単一の構成要素、例えば単一のＡＳＩＣ内に形成されている、電流変換器。
7. 電流変換器において、
   一次導体のセクションと、
   下方周波数範囲で前記一次導体を流れる一次電流を測定するように構成された第１の磁場感知システムと、
   前記下方周波数範囲よりも高い周波数を有する、上方周波数範囲で前記一次電流を測定するように構成された前記一次導体を取り囲むロゴスキーコイルと、
   前記一次導体の第１の外側面に隣接して取り付けられた第１の横方向磁気シムと、
   前記第１の外側面の反対側の、前記一次導体の第２の外側面に隣接して取り付けられた第２の横方向磁気シムと、
   を含み、
   前記第１の磁場感知システムは、前記一次導体の前記セクションの２つの部分の中間のスロット内に取り付けられた磁場勾配センサを含み、
   前記磁場勾配センサは、前記一次電流の流れの方向を横切る勾配測定方向における磁場勾配を測定するように構成されており、
   前記第１および第２の横方向磁気シムの高さが、前記一次導体のソリッドバスバーの前記セクションの高さの少なくとも１．５倍である、電流変換器。
8. 前記第１および第２の横方向磁気シムの高さが、前記一次導体のソリッドバスバーの前記セクションの高さの少なくとも２倍である、請求項７に記載の、電流変換器。
9. 電流変換器において、
   一次導体のセクションと、
   前記一次導体を流れる一次電流の測定を可能にする、前記一次電流の流れの方向を横切る勾配測定方向における磁場勾配を測定するように構成された、前記一次導体の前記セクションの２つの部分の中間のスロット内に取り付けられた磁場勾配センサと、
   前記一次導体の第１の外側面に隣接して取り付けられた第１の横方向磁気シムと、
   前記第１の外側面の反対側の、前記一次導体の第２の外側面に隣接して取り付けられた第２の横方向磁気シムと、
   前記磁場勾配センサに面し、前記一次電流が流れる方向に本質的に平行に延在する、前記第１および第２の横方向磁気シムの主要内部表面と、
   を含み、
   前記第１および第２の横方向磁気シムは実質的に平行であり、
   前記第１および第２の横方向磁気シムは、前記スロット内の前記一次電流によって生成される磁束密度を増大させることなく外部磁場勾配の影響を減衰させるように配列されている、電流変換器。
10. 請求項９に記載の電流変換器において、
    前記第１および第２の横方向磁気シムは、本質的に平面である、電流変換器。
11. 請求項９または１０に記載の電流変換器において、
    前記一次導体のセクションは、前記電流変換器に組み込まれたソリッドバスバーのセクションの形態である、電流変換器。
12. 請求項１１に記載の電流変換器において、
    前記ソリッドバスバーの前記セクションは、相対する前記第１の外側面と前記第２の外側面との間の幅Ｗと、相対する第３の外側面と第４の外側面との間の高さＨと、を画定する非円形の形状を有し、前記高さは、前記幅よりも小さく、Ｈ＜Ｗである、電流変換器。
13. 請求項１２に記載の電流変換器において、
    前記ソリッドバスバーの前記セクションは、実質的に長方形の形状を有する、電流変換器。
14. 請求項９から１３のいずれか一項に記載の電流変換器において、
    前記磁場勾配センサは、前記一次電流が流れる方向を横切る第１の磁場方向において磁束を感知するように方向付けられた第１の磁場検出器と、前記第１の磁場方向に平行であるが逆である第２の磁場方向において磁束を感知するように方向付けられた第２の磁場検出器と、を含む、電流変換器。
15. 請求項１４に記載の電流変換器において、
    前記第１および第２の磁場検出器は、前記勾配測定方向に沿って非ゼロ距離だけ離れている、電流変換器。
16. 請求項９から１５のいずれか一項に記載の電流変換器において、
    前記磁場勾配センサは、単一の構成要素、例えば単一のＡＳＩＣの形態である、電流変換器。
17. 請求項９から１６のいずれか一項に記載の電流変換器において、
    前記第１および第２の横方向磁気シムの高さが、前記一次導体のソリッドバスバーの前記セクションの高さの少なくとも２倍である、電流変換器。

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