JPH10300795A - 直流電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型軽量安価で、高精度、高応答性を有し、
外部磁界の影響を受け難く、広い温度範囲で安定に使用
できる、新たな構造の直流電流センサを提供すること。 【課題解決手段】 被測定電流が流れる導体の軸心から
等距離にある円周上の空間に、偶数個の、検出器軸方向
の局所的静止磁界を検出する可飽和コア型磁界検出器
を、検出器軸を同一周回方向に向けて等間隔に配置し、
これら各磁界検出器の出力電圧を直列に加算して出力す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は静止磁界検出型の直
流電流センサ、特に直流大電流計測用の軽量小型の直流
電流センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば電気鉄道用直流変電所では、送電
網から受電した高圧交流電力を変圧器で６００〜３００
０Ｖ程度に降圧し、シリコン整流器、水銀整流器等で直
流に変換して線路に供給する。直流供給回線には、負荷
量を計測するための直流電流センサ及び指示記録計器類
が設置される。

【０００３】上記のような用途に使用される直流電流セ
ンサには多くのタイプがあるが、中でもクレーマー型直
流変流器、及びホール素子等の磁電変換器を用いる電流
センサが従来から広く使用されている。両者とも直流電
流の回りに同心円状に生じる静止磁界の磁束密度を検出
することによりその電流の大きさを検出するものである
が、夫々の磁界検出の原理は異なる。

【０００４】クレーマー型直流変流器では直流導体の回
りに角形磁気特性を有する一対の環状磁心を設け、各磁
心に同一巻数の巻線を巻き、互に逆直列に接続した上で
交流電源で励磁する。被測定電流により偏磁されて飽和
している各磁心を交流で励磁することにより、各磁心の
飽和状態が半波ごとに打ち消されてリセットされ、その
間に等アンペアターンの法則に従って巻線に被測定電流
に比例した検出電流が流れる。この検出電流を全波整流
して、変流出力としての直流電流又は電圧を得る。

【０００５】ホール素子等を用いる電流センサでは、直
流導体の回りに環状磁心による導磁路を設け、磁路の一
部に空隙を設けてその中にホール素子又は磁気抵抗素子
を置く。被測定電流による導磁路の磁化は非飽和領域に
留められるから、空隙中の磁界の強さは被測定電流に比
例する。その磁界をホール素子等により電圧又は抵抗値
に変換する。

【０００６】上記クレーマー型直流変流器は、被測定電
流の向きが１方向に限定されると共に、電流が０から急
峻に立ち上がる場合、励磁巻線に高電圧が発生し絶縁破
壊を生じるおそれがあるという構造的弱点を有する。ま
た応答時間が０．５〜１秒と遅く、さらに測定精度が定
格値の±２．５％程度と低く、近時の高精度の要求に対
しては充分でない場合がある。

【０００７】ホール素子等を用いる電流センサでは、導
磁路の磁化を非飽和領域に限るため磁心が大型となり、
磁心にホール素子等を埋め込むため構造が複雑である。
またホール素子等半導体素子の耐久温度が高くないた
め、使用温度の上限が５０℃程度に限定される等の弱点
を有する。

【０００８】すなわちこれら従来の直流電流センサは、
いずれも大型の磁心を備えるので重くかつ外形が大き
く、直流導体とセンサ窓との位置関係が測定精度に影響
し、また地磁気等外部磁界にも配慮が必要であるため、
取付工事の際の取り扱いが不便である。総じてこれら従
来の直流電流センサが近年のマイクロエレクトロニクス
化の趨勢から取り残されていることは否めず、小型化、
高機能化が遅れており、しかも生産性を高めることが困
難な構造であるため、低価格化要求にも応え得ていな
い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従来
の電流センサが抱える上記問題点を解消するため、小型
軽量安価で高精度、高応答性を有し、外部磁界の影響を
受け難く、広い温度範囲で安定に使用できる、新たな構
造の直流電流センサを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、被測定電
流が流れる導体の軸心から等距離にある円周上の空間
に、偶数個の、センサ軸方向の局所的静止磁界を検出す
る可飽和コア型磁界検出器を、検出器軸を同一周回方向
に向けて等間隔に配置し、各磁界検出器の出力電圧を直
列に加算して出力すること、により達成される。

【００１１】本発明の直流電流センサ（以下、本センサ
という）は、大型の磁心を不要にした点が特徴の一つで
ある。従って、小型軽量で取り扱い容易である。そのよ
うな基本構造を可能にする鍵は、局所的静止磁界を検出
する可飽和コア型磁界検出器の採用にある。この磁界検
出器は、元来はマグネットと組合せる無接触位置センサ
として開発・使用されてきたものである（実開昭５１−
２４２６９号、特公平７−２１５３６号等参照）。本発
明者らはその静止磁界検出性能に着目し、本センサに使
用するためさらに改良を加え、本発明を完成するに至っ
た。

【００１２】可飽和コア型磁界検出器の構造及び動作原
理を図２を参照して説明する。図２（Ａ）は可飽和コア
型磁界検出器の簡略化した内部結線図、同（Ｂ）はコア
のＢ−Ｈ曲線である。

【００１３】図２（Ａ）において、同形同大かつ互いに
磁気遮蔽された２個１組の可飽和コアは、夫々が例えば
幅３ｍｍ×長さ５ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ程度の寸法を有
する。各コアの長辺方向には夫々コイルＬ１、Ｌ２が巻
かれ、１ＭＨｚ程度のパルス状電流Ｉ１、Ｉ２により励
磁される。各コアの励磁の向きは互いに逆向き、励磁磁
界の大きさは被検出磁界Ｈｅｘがない状態で飽和寸前の
大きさとする。図の右方から左方へ向かう被検出磁界Ｈ
ｅｘを、図中上下の位置に示す各コアの長辺方向に加え
ると、上辺のコアでは励磁による磁界と被検出磁界Ｈｅ
ｘとが同方向に作用するから加算され、下辺のコアでは
その逆に減算となる。

【００１４】この状態を図２（Ｂ）のＢ−Ｈ曲線で説明
する。上辺のコアは励磁磁界と被検出磁界Ｈｅｘとが加
算されて飽和磁化となり、励磁による磁化パルスの尖頭
が被検出磁界Ｈｅｘによる直流磁化相当分だけカットさ
れる。下辺のコアでは上記と逆に、励磁による磁化パル
スは被検出磁界Ｈｅｘによる直流磁化相当分を起点とし
てマイナス方向へ非飽和の範囲で振れる。各コアにおけ
るこのような磁化状態の違いは励磁コイルＬ１、Ｌ２の
インダクタンスに相違を生じる。説明した状態ではコイ
ルＬ１のインダクタンスはコイルＬ２のインダクタンス
より小さく、その差は被検出磁界Ｈｅｘの大きさに比例
する。従って図２（Ａ）に示すように、Ｌ１、Ｌ２を流
れる電流Ｉ１、Ｉ２を検波整流器Ｄ１、Ｄ２で検波し、
夫々同一の値を有する負荷コンデンサＣ１、Ｃ２及び抵
抗器Ｒ１、Ｒ２で終端すれば、夫々に生じる２つの直流
電圧Ｖ１、Ｖ２の差は被検出磁界Ｈｅｘの大きさに比例
する。

【００１５】なお、応答速度を速くするために、励磁パ
ルスとして１ＭＨｚ程度の高周波パルスを使用する場
合、各コアを上記のように飽和寸前の状態にまで励磁す
るには大きな励磁電流を与えなければならず、そのため
大容量の高周波パルス発振器が必要である。この点を改
良するため、各コアの短辺側に接して永久磁石を配設
し、夫々の励磁磁界の方向に予めバイアス磁界を与えて
おくことが考えられる。上記特公平７−２１５３６号は
そのような改良に関するものである。

【００１６】上の説明から分かるように、この可飽和コ
ア型磁界検出器は、励磁コイルを巻いた各コアの長辺方
向を検出器の軸方向として、この方向の被検出磁界にの
み感度を有し、また回路が対称なブリッジ型に構成され
ているから、逆向きの被検出磁界に対しては逆極性の応
答電圧を与える。さらにこの磁界検出器は１ＭＨｚ程度
の励磁パルスを使用するので応答時間が５ミリ秒程度と
速い。本センサはこのような特性を有する磁界検出器を
偶数個、被測定電流が流れる導体の軸心から等距離にあ
る円周上の空間に、検出器軸を同一周回方向に向けて等
間隔に配置し、各磁界検出器の出力電圧を直列に加算し
て全体の出力信号とするものである。

【００１７】以上のように構成される本センサは、前述
のように大型磁心が不要という特徴のほかに次の特徴を
有する。すなわち、被測定電流用導体の位置が上記の円
の中心から偏心しても、偶数個の磁界検出器が円周上に
等間隔に配置され、しかもそれらの出力を加算するので
影響が相殺されて軽減されること、また前記の円を横切
る地磁気や外部磁界の影響も同様の理由で軽減されるこ
と、したがって電流測定精度が定格値の±１％未満と従
来のものに比して高いこと、応答時間が従来のものに比
較して格段に早いこと、前記導体上の電流の向きが予定
と異なっても出力端子の接続極性を逆にするだけで対応
できること、及び、本センサの耐用温度が−１０℃〜＋
６０℃程度と従来のものより広いこと、である。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態として以
下の（イ）〜（ニ）を挙げることができる。 （イ）本センサを構成する磁界検出器の個数が少なくと
も４個、より好ましくは６個以上１２個以下であるこ
と。

【００１９】（ロ）本センサを構成する各磁界検出器の
先端に接して検出器軸と同軸に設けたテスト磁界発生用
コイルを備えること。

【００２０】（ハ）本センサを構成する磁界検出器の個
数に等しい辺数を有する正多角形の環状、又は円環状
の、非磁性体からなるヨークに各磁界検出器を固定し、
全体を絶縁物質で被覆すること。

【００２１】（ニ）本センサの全体が直径を境に２個の
対称な部分に分割可能であること。

【００２２】実施形態（イ）は本センサを構成する磁界
検出器の個数に関する。上述のように、被測定電流用導
体の位置が上記の円の中心から偏心した場合の影響、及
び外部磁界の影響が、各磁界検出器の出力電圧の相殺に
より軽減されるためには、磁界検出器の個数が４個以上
であることが望ましい。２個の場合は各磁界検出器を結
ぶ直径上での偏心に限っては相殺効果が有効に作用する
が、それ以外の偏心に対しては効果が少ない。外部磁界
の影響は、各磁界検出器における外部磁界がほぼ逆向き
で大きさもほぼ等しいので、２個の場合でも有効に相殺
される。

【００２３】磁界検出器の個数が２個の場合に比較して
４個以上の場合は、基準となる直径の数が多くなるので
導体位置の偏位に対する相殺効果がより確実になる。こ
れは外部磁気の影響の相殺についても同様である。この
観点からは磁界検出器の個数は偶数である限り多いほど
良く、最低でも４個、４個よりも６個の方が望ましいと
いえる。一方、磁界検出器には大きさがあるので上記の
円周上に収容可能な個数には限度がある。実際の本セン
サの上記の円の直径が１０〜２０ｃｍ程度であることを
考慮すれば、上限は１２個程度と考えられる。

【００２４】実施形態（ロ）はテスト磁界発生用コイル
の設置に関する。本センサを構成する各磁界検出器が常
時満足に機能していることを保証するためには、時折に
テストできることが望ましい。そのために、各磁界検出
器に個々にテスト磁界発生用コイルを設置しておき、一
定時間毎に各テストコイルに一斉に所定の電流を流し、
本センサの出力電圧をチェックすることが考えられる。

【００２５】実施形態（ハ）は本センサの外部構造に関
する。上述のように本センサは大型の磁心を持たず、各
磁界検出器は上記円周上の空間内に配置されるが、各磁
界検出器をこの空間内に支持するために非磁性体からな
る環状ヨークに固定し、直流の高電圧から各磁界検出器
を保護するために全体を絶縁物質で被覆する。非磁性体
としては例えばアルミニウム、絶縁物質としては例えば
ゴムが挙げられる。

【００２６】実施形態（ニ）は本センサを２つ割構造に
することに関する。本センサ設置の際は、被測定電流用
導体を本センサの中心孔に貫通させる必要があるが、本
センサが２つ割構造になっていれば、その作業を容易に
行うことができる。

【００２７】

【実施例】以下、本センサの好適な一実施例について添
付図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例たる定格
電流２０ＫＡの直流電流センサ（参照符号１００）の外
形及び設置状況を示す斜視図、図２はセンサ１００に用
いる可飽和コア型磁界検出器の簡略化した内部結線図
（Ａ）及び可飽和コアのＢ−Ｈ曲線を示す図（Ｂ）であ
る。

【００２８】図１において、参照符号１はヨーク、２は
可飽和コア型磁界検出器、３はリードワイヤ、４は回路
部、５はセンサ１００を対称な２つの部分に分割する分
割線、６は被測定電流が流れる導体としてのブスバー
（本発明外のため点線で表示）を示す。なお、センサ１
００全体を覆う絶縁物質からなるケーシングは図示を省
略する。また、図２の内容は既に上で説明したので、再
度の説明を省く。

【００２９】図１に示すように、偶数個（本実施例では
６個）の可飽和コア型磁界検出器２が、６角形をなすヨ
ーク１の溝内でブスバー６の軸芯から等距離にある円周
上の空間内に支持され、検出器軸を同一周回方向に向け
て等間隔に配置される。ブスバー６を流れる直流電流は
その周囲に同心円状の静止磁界を作り、各磁界検出器２
はこの静止磁界の強さに比例する電圧を出力する。ヨー
ク１は直径を通る分割線５において対称な２つの部分に
分割可能であるので、ブスバー６をヨーク１の中心孔に
貫通させる作業を容易に行うことができる。なお、各磁
界検出器２には図３に示すテスト磁界発生用コイルを設
けてもよい。

【００３０】各磁界検出器２はリードワイヤ３によって
回路部４に結ばれ、回路部４には図示しない加算演算回
路、電圧電流変換回路及び電源回路が設けられている。
加算演算回路は６個の磁界検出器２の出力電圧を加算
し、電圧電流変換回路は加算出力電圧に比例する電流を
発生させる。電源回路は前記加算演算回路、電圧電流変
換回路及び各磁界検出器２へ夫々必要な電源電圧を供給
する。

【００３１】図３は、各磁界検出器２の先端部分に設け
たテスト磁界発生用コイル７を示す。コイル７には外部
電源８からスイッチ９を経由して所用の電源電圧が供給
され、スイッチ９を閉じることによりコイル７がテスト
用磁界を発生する。このテスト用磁界を検出した各磁界
検出器２の出力は上記回路部４で処理された上、正常か
否かを検査される。なお、スイッチ９は手動又は自動と
することができ、自動スイッチとする場合は上記正常か
否かの検査も自動化して、これと自動スイッチとを連動
させてもよい。

【００３２】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、本センサでは
大型磁心が不要であるので、小型軽量かつ取り扱い容易
である。また、被測定電流用導体の位置が可飽和コア型
磁界検出器が配置された円の中心から偏心しても、その
影響が相殺されて軽減されること、また前記の円を横切
る地磁気や外部磁界の影響も同様に軽減されること、し
たがって高精度であること、応答時間が従来のものに比
較して格段に速いこと、導体中の電流の向きが予定と異
なっても出力端子の接続極性を逆にするだけで対応でき
ること、及び耐用温度を−１０℃〜＋６０℃程度と広く
することができるという特徴を有する。

【００３３】請求項２の発明によれば、本センサにおけ
る可飽和コア型磁界検出器の個数が４個以上の場合は、
被測定電流用導体の偏心に対する相殺効果、外部磁気の
影響の相殺効果が、個数がそれ未満の場合に比較してよ
り確実になり、しかも個数が多い程有利である。しか
し、上記の円周上に収容可能な磁界検出器の個数に限度
があることを考慮すれば、６個〜１２個という値は、本
センサにおける磁界検出器の実用的な個数の範囲を与え
る。

【００３４】請求項３の発明によれば、本センサ中の各
可飽和コア型磁界検出器ににテスト磁界発生用コイルを
設置して一定時間毎に短時間のテストを行うことによ
り、各磁界検出器が常時満足に機能していることを保証
することができる。

【００３５】請求項４の発明によれば、本センサ中の可
飽和コア型磁界検出器を非磁性体からなる環状ヨークに
支持させることにより、各磁界検出器を被測定電流用導
体の軸芯から等距離にある円周上の空間内に固定するこ
とができる。また、全体を絶縁物質で被覆することによ
り、各磁界検出器を直流の高電圧から保護することがで
きる。

【００３６】請求項５の発明によれば、本センサが２つ
割構造になっているので、本センサの設置に際して、被
測定電流用導体を本センサの中心孔に貫通させる作業を
容易に行うことができる。

【００３７】以上を総合して、本発明によれば、小型軽
量安価で高精度、高応答性を有し、外部磁界の影響を受
け難く、広い温度範囲で安定に使用できる、新たな構造
の直流電流センサが提供され、従来の電流センサが抱え
る多くの問題点を解消することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例としての直流電流センサの外形及び設置
状況を示す斜視図である。

【図２】可飽和コア型磁界検出器の簡略化した内部結線
図及び可飽和コアのＢ−Ｈ曲線を示す図である。

【図３】テスト磁界発生用コイルの設置状態を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…ヨーク ２…可飽和コア型磁界
検出器 ３…リードワイヤ ４…回路部 ５…分割線 ６…ブスバー（本発明
外） ７…テスト磁界発生用コイル ８…テスト磁界発生用
コイルの電源 ９…スイッチ Ｌ１、Ｌ２…コイル Ｉ１、Ｉ２…励磁電流 Ｄ１、Ｄ２…検波整流器 Ｒ１、Ｒ２…終端抵抗
器 Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ Ｖ１、Ｖ２…検波整流
器出力電圧 Ｐ…励磁用パルス電流源 Ａ…差動電圧増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 哲雄 神奈川県相模原市北里２−９−９ 昭和電 子工業株式会社内 (72)発明者 上垣 哲 神奈川県相模原市北里２−９−９ 昭和電 子工業株式会社内 (72)発明者 永田 強 東京都大田区西蒲田７−32−６ 株式会社 マコメ研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定電流が流れる導体の軸心から等距離
   にある円周上の空間に、偶数個の、検出器軸方向の局所
   的静止磁界を検出する可飽和コア型磁界検出器を、検出
   器軸を同一周回方向に向けて等間隔に配置し、前記各磁
   界検出器の出力電圧を直列に加算して出力することを特
   徴とする直流電流センサ。
2. 【請求項２】前記磁界検出器の個数が少なくとも４個、
   より好ましくは６個以上１２個以下である、請求項１記
   載の直流電流センサ。
3. 【請求項３】前記各磁界検出器の先端に接して検出器軸
   と同軸に設けたテスト磁界発生用コイルを備える、請求
   項１又は２記載の直流電流センサ。
4. 【請求項４】前記磁界検出器の個数に等しい辺数を有す
   る正多角形の環状、又は円環状の、非磁性体からなるヨ
   ークに前記各磁界検出器を固定し、全体を絶縁物質で被
   覆してなる、請求項１から３のいずれかに記載の直流電
   流センサ。
5. 【請求項５】前記センサの全体が、直径を境に２個の対
   称な部分に分割可能である、請求項１から４のいずれか
   に記載の直流電流センサ。