JP7439424B2

JP7439424B2 - 電流センサ及び電力量計

Info

Publication number: JP7439424B2
Application number: JP2019165446A
Authority: JP
Inventors: 芳准山内; 晋栗原; 和裕小泉
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2024-02-28
Anticipated expiration: 2039-09-11
Also published as: JP2021043071A

Description

本発明は、製造が容易であり、外部磁界の影響を受けにくく、広範囲で電流検出特性の直線性が良い電流センサ及び電力量計に関する。

従来、用いられている電流センサとしては、変流器（カレントトランス：ＣＴ）や、集磁コアのギャップ部にホール素子などの磁電変換素子を配置した構成や、集磁コアのギャップ部に、巻線コイルや誘電体基板上にコイルパターンを形成した素子をもつ構成などがある。特に、集磁コアのギャップ部に、基板上にホール素子などの磁電変換素子やコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、測定対象である一次電流が流れる回路とは電気的に分離されているため、一次電流側の回路に影響を与えることなく、精度よく電流を計測可能な点で優れている。さらにコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、直線性および温度特性に優れ、部品点数が少なく製造が容易となる特徴を有する（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された電流センサは、環状の集磁コアの中央開口部に電流バーを通し、集磁コアのギャップ部にコイルパターンが施された基板を配置するものである。電流バーに電流が流れると、電流路の周辺には、電流バーに流れる電流の大きさに比例する磁束が発生する。発生した磁束は、集磁コアによって集磁される。電流が周期的電流である場合、その周期に応じて発生する磁束も周期的に変化する。これにより、コイルパターンをもつ検出コイルには、電流の大きさ及び周波数に応じた誘導電圧が発生し、この誘導電圧を電流バーに流れる電流の検出信号として用いている。

特開２０１０－４８７５５号公報

ところで、集磁コアのギャップ部に磁気変換素子を配置する電流センサでは、ギャップ部に発生する磁束が集磁コアの磁気特性とギャップ部の形状とにより決定される。このギャップ部の距離を数ｍｍとすることで比較的直線性の良い電流検出特性を得ることができるが、集磁コアで用いられている磁性体の磁界に対する非線形性によって電流検出特性の直線性が悪くなる場合があるという問題がある。

具体的には、電流バーに大電流が流れた場合、集磁コアで用いられている磁性体の磁気飽和により透磁率が低下し、それに伴ってギャップ部に発生する磁束も低下するため、測定電流に対して発生する磁束が理想的な比例関係ではなくなり、直線性が悪化する。

また、一般的に磁性体の透磁率は材質に応じて所定の磁界で透磁率が最も大きくなり、初透磁率は最大透磁率に対して小さい。したがって、小さな電流が流れた場合も透磁率が低いことが原因で、発生する磁束が低下し、測定電流に対して発生する磁束が理想的な比例関係ではなくなり、電流検出特性の直線性が悪化する。

なお、これらの問題が無い電流センサとしてロゴスキーコイルなどのように、電流バーの周囲に空芯コイルを配置して磁束の変化に応じて発生する誘導電圧を測定する方法がある。しかし、ロゴスキーコイルを用いると、電流バーの周囲を囲うようにコイルを形成する必要があり、コイル形状、コイル寸法に応じた専用の巻線機、巻線治具が必要となり、電流センサの製造が容易ではないという問題がある。

また、ロゴスキーコイルの巻線に巻ムラがあると電流バーの位置ずれの影響を受けやすくなるという問題が生じ、精度の良い電流センサを製作するのは容易ではないという問題がある。さらに、ロゴスキーコイルを配置する場合、環状コイルの一端を分割して電流バーの周囲を囲うように配置する方法がとられる。しかしながら、できるだけ巻きムラを低減するため、空芯コイルは環状コイルの一端を分割しない方法が好ましく、分割しない場合は電流バーを中心の空洞に通す必要があり、電流バーの形状の制約による設計裕度が低くなり、組立性が悪いといった問題が生じる。

なお、一般に電流センサは、電流バーを流れる電流によって生成される磁場以外の外部磁場の影響を受けないことが、電流計測の精度向上のために必要となる。

また、上記に記載した各種電流センサは、電流バー、磁性体、磁気変換素子、コイルなど数種の部品を精度よく配置して固定する筐体が必要であり、構成要素が多いほど部品点数が多くなり、組立性が悪いという問題が生じる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、製造が容易であり、外部磁界の影響を受けにくく、広範囲で電流検出特性の直線性が良い電流センサ及び電力量計を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電流センサは、電流を流す電流バーの周囲に形成される磁界を測定して前記電流バーに流れる電流信号を検出する電流センサであって、表面に金属膜で形成されたコイルパターンを有する樹脂成形品が前記電流バーを覆うように配置されることを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記コイルパターンは、同一形状であり、前記電流バーの軸に対して対称に配置された一対のコイルパターンであることを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記一対のコイルパターンが形成される一対のコイルパターン部を複数配置したことを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記コイルパターンに発生する誘起電圧を加算するように前記コイルパターンを直列接続する接続線を、前記樹脂成形品の表面に金属膜で形成したことを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記コイルパターンが形成されたコイルパターン面は、前記電流バーが生成する磁束に対して垂直であることを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記コイルパターンを順次直列接続する接続線の終端部側からの戻り線は、前記接続線に沿わせて前記接続線の始端部側まで配置されることを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明のいずれか一つに記載した電流センサを複数配置し、各電流センサに発生する誘起電圧を加算するように直列接続したことを特徴とする。

また、本発明にかかる電力量計は、上記の発明のいずれか一つに記載した電流センサが検出した電流信号と電圧センサが検出した電圧信号とをもとに前記電流バーを流れる電力量を算出することを特徴とする。

本発明によれば、製造が容易であり、外部磁界の影響を受けにくく、広範囲で電流検出特性の直線性が良い電流センサ及び電力量計を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態である電流センサの概要構成を示す斜視図である。図２は、図１に示した電流センサのＡ－Ａ線断面図である。図３は、図１に示した電流センサのＢ－Ｂ線断面図である。図４は、図２に示した電流センサのＡ矢視図である。図５は、図１に示した電流センサのコイルパターン部に形成されるコイルパターンを示す説明図である。図６は、コイルパターン部の２つのコイルパターン面を説明する説明図である。図７は、コイルパターン部の２つのコイルパターン面に形成されるコイルパターンとその接続関係とを説明する説明図である。図８は、変形例にかかる電流センサの組み立てを説明する説明図である。図９は、変形例にかかる電流センサのコイルパターン部の配置状態を示す図である。図１０は、変形例にかかる電流センサの概要構成を示す斜視図である。図１１は、実施の形態で示した電流センサを用いた電力量計の一例を示すブロック図である。図１２は、三相電流及び三相電圧間のベクトル図である。図１３は、台座部に形成される切り欠きの他の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態である電流センサ２の概要構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した電流センサ２のＡ－Ａ線断面図である。さらに、図３は、図１に示した電流センサ２のＢ－Ｂ線断面図である。また、図４は、図２に示した電流センサ２のＡ矢視図である。さらに、図５は、図１に示した電流センサ２のコイルパターン部２ｂに形成されるコイルパターンＰ１を示す説明図である。また、図６は、コイルパターン部２ｂのコイルパターン面２ｂ１，２ｂ２を説明する説明図である。さらに、図７は、コイルパターン部２ｂの一面であるコイルパターン面２ｂ１、及び、裏面であるコイルパターン面２ｂ２に形成されるコイルパターンＰ１，Ｐ１´とその接続関係とを説明する説明図である。図１～図７において、電流センサ２は、電流を流す電流バー１の周囲に形成される磁界を測定して電流バー１に流れる電流信号を検出する。

電流センサ２は、樹脂成形により、コイルパターン部２ａ～２ｄと、コイルパターン部２ａ～２ｄを固定する台座部２０とが一体形成されている。コイルパターン部２ａ～２ｄは、台座部２０に対して垂直に立設された状態となっている。また、台座部２０には、切り欠き２１が形成され、切り欠き２１に電流バー１が配置される。切り欠き２１は、電流バー１が奥まで差し込まれた状態において、電流バー１の中心の軸Ｃがコイルパターン部２ａ～２ｄの配置の中心となる深さに形成される。

この樹脂成形品の表面に金属膜により、コイルパターンＰ１を形成する技術は、一般に、ＭＩＤ（ＭｅｃｈａｔｏｒｏｎｉｃｓＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＤｅｖｉｃｅ）と呼ばれ、これにより、樹脂成形品に電気回路、電極、パターンを形成する。具体的には、樹脂成形品に対してレーザー加工によりパターニングを行い、後段のめっき工程によって銅、ニッケル、金などによって回路を形成する。この際、各工法や部品実装のためのリフロー条件などにより、各種の樹脂材料が選択される。本実施の形態では、例えば、耐熱があり、温度による熱膨張率の低いＬＣＰ（液晶ポリマー）やＰＰＡなどのポリアミド系の材料を用いて、温度変形による計測誤差に与える影響を小さくしている。

なお、樹脂材料はこれらに限らず、温度影響を許容したグレードの低い材料、例えば、ＰＣやＡＢＳなどを用いて、低コストの電流センサ２の構成とするなど、用途に応じて任意に選択してもよい。このように、樹脂成形品に対し、直接、コイルパターンＰ１などの部品を形成するようにしているので、既に一体形成されたコイルパターン部２ａ～２ｄや台座部２０などを含む立体的な樹脂成形品上に、コイルパターンＰ１などの部品を精度よく配置することができ、電流センサ２の製作や組立が容易となる。

図１～図５に示すように、電流センサ２は、同一のコイルパターンＰ１が形成された２つの一対のコイルパターン部２ａ，２ｃ、２ｂ，２ｄがそれぞれ電流バー１の軸Ｃに対して対称に配置される。４つのコイルパターン部２ａ～２ｄは、それぞれ電流バー１の周囲に等角度間隔で、電流バー１の軸Ｃを中心に９０度間隔で設けられる。コイルパターン部２ａ～２ｄは、コイルパターンＰ１が形成されるコイルパターン面と、測定対象の磁束φ１との角度θ１が直角になるように設けられる。

図６に示すように、コイルパターン部２ａは、方向Ｆ１からみた一面であるコイルパターン面２ｂ１と、方向Ｆ２からみた裏面であるコイルパターン面２ｂ２と有し、各コイルパターン面２ｂ１，２ｂ２にはそれぞれコイルパターンＰ１，Ｐ１´が形成される。

図７に示すように、各コイルパターン面２ｂ１，２ｂ２に形成される２つのコイルパターンＰ１，Ｐ１´は、金属膜で形成されたビアＴ２３を介して接続される。また、各コイルパターンＰ１の巻き方向ＷＡは、電流バー１を流れる電流により発生する磁束φ１によりコイルパターンＰ１に発生する誘導電圧が加算される向きとなる。すなわち、方向Ｆ１，Ｆ２からみたコイルパターンＰ１，Ｐ１´の巻き方向ＷＡは、逆方向になる。

各コイルパターンＰ１の端子Ｔ２１，Ｔ２２は、図２に示すように、接続線ＴＡにより接続される。接続線ＴＡは、各コイルパターン部２ａ～２ｄの各コイルパターンＰ１，Ｐ１´に発生する誘導電圧を加算するように接続する。例えば、コイルパターン部２ｂのコイルパターンＰ１側の端子Ｔ２１は、コイルパターン部２ａのコイルパターンＰ１´側の端子Ｔ２２に接続され、コイルパターン部２ｂのコイルパターンＰ１´側の端子Ｔ２２は、コイルパターン部２ｃのコイルパターンＰ１側の端子Ｔ２１に接続される。

図２及び図３に示すように、端子ＴＴａ（始端部）から延びる接続線ＴＡは、金属膜で形成されたビアＴＢ（終端部）を介して戻り線ＴＣに接続される。戻り線ＴＣは、台座部２０の反対面の接続線ＴＡに沿うように形成されている。なお、戻り線ＴＣは、ビアＴＤを介して台座部２０の反対面に接続され、端子ＴＴｂに接続される。したがって、端子ＴＴａ，ＴＴｂは、同一面に形成される。これにより、接続線ＴＡ及び戻り線ＴＣは、電流バー１を周回せず、しかも、それぞれが沿って配置されるため、接続線ＴＡ及び戻り線ＴＣが形成するループの領域が小さく、このループを鎖交する磁束も少なく、外部磁場の影響を受けにくくしている。これにより、端子ＴＴａ，ＴＴｂ間において、電流バー１に流れる電流により発生する磁束φ１に比例した誘導電圧を得ることからできる。

なお、図２に示すように、外部磁場の磁束φ２に対し、コイルパターン部２ｂ，２ｄの各巻き方向ＷＡは逆であるため、コイルパターン部２ｂ，２ｄの外部磁場の磁束φ２による誘起電圧は打ち消される。一方、コイルパターン部２ａ，２ｃは、外部磁場の磁束φ２に感度を持たない。この結果、電流センサ２は、外部磁場の磁束φ２の影響を受けない。

同様に、外部磁場の磁束φ２に直交する外部磁場の磁束φ３に対し、コイルパターン部２ａ，２ｃの各巻き方向ＷＡは逆であるため、コイルパターン部２ａ，２ｃの外部磁場の磁束φ３による誘起電圧は打ち消される。一方、コイルパターン部２ｂ，２ｄは、外部磁場の磁束φ３に感度を持たない。この結果、電流センサ２は、外部磁場の磁束φ３の影響を受けない。

また、外部磁場の磁束φ２，φ３に直交する外部磁場の磁束φ４に対し、コイルパターン部２ａ～２ｄは、感度を持たない。さらに、接続線ＴＡに沿った戻り線ＴＣを設けているので、接続線ＴＡに沿った戻り線ＴＣと接続線ＴＡとが形成するループに外部磁場の磁束φ４が鎖交する領域が小さいため、外部磁場の磁束φ４による発生する誘起電圧を小さくすることができる。このため、電流センサ２は、外部磁場の磁束φ４による影響を受けにくい。

したがって、電流センサ２は、すべての方向の外部磁場の磁束φ２，φ３，φ４による影響を受けにくい構造となる。

本発明の実施の形態によれば、同一のコイルパターンが形成された一対のコイルパターン部を電流バーの軸に対して対称に配置したので、ロゴスキーコイルに比して製造が容易であり、外部磁界の影響を受けにくく、磁性材料を用いていないので磁気飽和することがなく、広範囲で電流検出特性の直線性が良い電流センサを実現できる。さらに、コイルパターン及び各コイルを接続する接続線を樹脂成形品表面に回路形成することで部品点数を削減でき、製造が容易となる。

＜変形例＞
上記の実施の形態による樹脂成形品上に金属膜を形成する方式では、レーザー加工によりパターン形成を行うため、パターンを施す部分は、レーザー光の照射が他の部分により遮られないようにする必要がある。そのため、製造上、１つの電流センサ２に対して、コイルパターン部２ａ～２ｄは、電流バー１の周囲に９０度間隔で配置されることが好ましい。一方、コイルパターン部は多いほど、大きな誘起電圧を得ることができ、電磁ノイズなどの外乱要因に強くなるため、多く配置することが望ましい。

本変形例では、図８に示すように、電流センサ２と同様にコイルパターン部が９０度間隔で配置された電流センサ３を、電流センサ２のコイルパターン部と向い合せて配置する。この際、図９に示すように、電流センサ２のコイルパターン部２ａ～２ｄと、電流センサ３のコイルパターン部３ａ～３ｄとが干渉しないように組み合わせ、電流バー１の軸Ｃに対して異なる角度となるように配置する。

これにより、図１０に示すように、電流センサ２，３からなる電流センサ４の幅Ｗ１を小さくすることができ、限られたスペースに、より多くのコイルパターンを配置することができる。例えば、幅Ｗ１は、電流センサ２のコイルパターン部２ａ～２ｄの軸Ｃ方向の幅Ｗ２と、電流センサ３のコイルパターン部３ａ～３ｄの軸Ｃ方向の幅Ｗ３との大きい方の値となる。

また、電流センサ２と電流センサ３とは、電流バー１を流れる電流により発生する磁界による誘導電圧が加算されるように接続される。これにより、電流センサ２あるいは電流センサ３を１つのみ用いた場合に比べ、大きな誘起電圧を得ることができる。この場合、電流センサ４は、外乱となる外部磁界に対しては、電流センサ２，３を１つ用いた場合と同様に感度を持たないので、誘起電圧が大きく、外部磁界による外乱影響を受けにくい構造となる。

なお、コイルパターン部２ａ～２ｄ，３ａ～３ｄの位置が切り欠き２１に干渉する位置となる場合には、干渉する一対のコイルパターン部の角度をずらして配置する。もしくは、図１３に示すように、コイルパターン部３a～３ｄに干渉しない位置から電流バー１が導入できるように切り欠き３１を形成する。電流センサ２´の切り欠き３１は、例えばコイルパターン部３ａ，３ｄの間に設けられる。台座部２０´は、電流バー１を切り欠き３１に導入する場合、電流バー１の軸Ｃに対して斜めにし、その後電流バー１に対して垂直にする。

＜電力量計＞
図１１は、実施の形態で示した２つの電流センサ２（１０２ａ，１０２ｂ）を用いた電力量計２００の一例を示すブロック図である。なお、電流センサ１０２ａ，１０２ｂは、電流センサ４であってもよい。この電力量計２００は、電源ＳＰと負荷ＬＤとの間の三相電力量を計測するものであり、２電力計法により求めている。なお、図１２は、三相電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ及び三相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ間のベクトル図を示している。

図１１に示すように、電力量計２００は、実施の形態で示した２つの電流センサ２に対応する電流センサ１０２ａ，１０２ｂ、電圧センサ２０１ａ，２０１ｂ、電力量算出部２０２、出力部２０３を有する。電流センサ１０２ａは、Ｒ相の電流信号を検出する。電流センサ１０２ｂは、Ｔ相の電流信号を検出する。また、電圧センサ２０１ａは、Ｒ相とＳ相との間の電圧信号を検出する。電圧センサ２０１ｂは、Ｔ相とＳ相との間の電圧信号を検出する。

電力量算出部２０２は、電流センサ１０２ａの電流信号と電圧センサ２０１ａの電圧信号とを乗算して瞬時電力信号を生成し、これをローパスフィルタで平滑した有効電力を求めるとともに、電流センサ１０２ｂの電流信号と電圧センサ２０１ｂの電圧信号とを乗算して瞬時電力信号を生成し、これをローパスフィルタで平滑した有効電力を求め、各有効電力を加算した有効電力を電力量として算出する。出力部２０３は、この算出された電力量を表示出力あるいは外部出力する。

なお、２電力計法で求める三相電力Ｐは、
Ｐ＝ＶＲＳ・ＩＲ＋ＶＴＳ・ＩＴ
＝（ＶＲ－ＶＳ）・ＩＲ＋（ＶＴ－ＶＳ）・ＩＴ
＝ＶＲ・ＩＲ＋ＶＳ・（－ＩＲ－ＩＴ）＋ＶＴ・ＩＴ
＝ＶＲ・ＩＲ＋ＶＳ・ＩＳ＋ＶＴ・ＩＴ
となり、各相の電力を合計した電力を求めたことと同じになる。

また、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

１電流バー
２，２´，３，４，１０２ａ，１０２ｂ電流センサ
２ａ～２ｄ，３ａ～３ｄコイルパターン部
２ｂ１，２ｂ２コイルパターン面
２０，２０´ 台座部
２１，３１切り欠き
２００電力量計
２０１ａ，２０１ｂ電圧センサ
２０２電力量算出部
２０３出力部
Ｃ軸
Ｆ１，Ｆ２方向
ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ三相電流
ＬＤ負荷
Ｐ１，Ｐ１´ コイルパターン
ＳＰ電源
Ｔ２１，Ｔ２２，ＴＴａ，ＴＴｂ端子
Ｔ２３，ＴＢ，ＴＤビア
ＴＡ接続線
ＴＣ戻り線
ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ三相電圧
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３幅
ＷＡ巻き方向
θ１角度
φ１～φ４磁束

Claims

電流を流す電流バーの周囲に形成される磁界を測定して前記電流バーに流れる電流信号を検出する電流センサであって、
前記電流バーの断面形状は矩形であり、
表面に金属膜で形成された同一形状のコイルパターンを有する一対以上の平板状のコイルパターン部と該コイルパターン部を垂直に立設する平板状の台座部とが樹脂成形品により一体成形され、
一対の前記コイルパターン部は、前記電流バーの中心軸に対して対称配置されるとともに、前記コイルパターンが形成されたコイルパターン面を、前記電流バーが生成する磁束に対して垂直となるように配置し、
前記台座部は、前記電流バーが差し込まれる矩形の切り欠きが形成されて前記電流バーに対して直交配置され、前記電流バーの一短辺側の側面が前記切り欠きの最深部側に向けて差し込まれて前記切り欠きの最深部の短辺に当接した状態のとき、前記電流バーの中心軸が各一対の前記コイルパターン部の中心となる深さに形成されて配置されるとともに、前記電流バーの一短辺側の側面及び該側面に隣接する側面が前記切り欠きに密に接した状態となり前記電流バーの中心軸回りの回転動作が拘束されて配置されることを特徴とする電流センサ。
前記コイルパターン部は、前記電流バーの中心軸に対し、等角度間隔で配置されることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記コイルパターン部は、二対であることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
前記コイルパターン部と前記台座部とが一体形成された樹脂成形品を複数設け、
各樹脂成形品の各コイルパターン部が互いに干渉しないように向かい合わせて配置されることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の電流センサ。
前記コイルパターンに発生する誘起電圧を加算するように前記コイルパターンを直列接続する接続線を、前記樹脂成形品の表面に金属膜で形成したことを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の電流センサ。
前記コイルパターンを順次直列接続する接続線の終端部側からの戻り線は、前記接続線に沿わせて前記接続線の始端部側まで配置されることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の電流センサ。
請求項１～６のいずれか一つに記載の電流センサを複数配置し、
各電流センサに発生する誘起電圧を加算するように直列接続したことを特徴とする電流センサ。
負荷に対する複数相の交流電流を流す複数の前記電流バーのうち、１つ少ない１以上の電流バーに流れる電流信号を検出する、請求項１～７のいずれか一つに記載した１以上の電流センサと、
前記電流センサが配置される１以上の電流バーと前記電流センサが配置されない１つの電流バーとの間の電圧信号を検出する１以上の電圧センサと、
前記電流センサが検出した電流信号と前記電圧センサが検出した電圧信号とをもとに前記複数相の電力量を算出する電力量算出部と、
を備えたことを特徴とする電力量計。