KR100211395B1

KR100211395B1 - 직류 전류 센서

Info

Publication number: KR100211395B1
Application number: KR1019940038717A
Authority: KR
Inventors: 마코토 가와카미
Original assignee: 오카모토 유지; 스미토모 도큐슈 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 1993-12-29
Filing date: 1994-12-29
Publication date: 1999-08-02
Also published as: EP0661547A1; JP3286446B2; CN1111753A; KR950020819A; CA2138822C; EP0661547B1; DE69423867T2; TW312748B; CA2138822A1; DE69423867D1; CN1052302C; JPH07198754A; US5517104A

Abstract

본 발명의 직류전류 센서는 단순한 구성을 갖는 직류 누설 전류 차단기등에 대한 양호한 검출 능력을 갖는, 특히 미세한 전류 변화에도 양호한 검출 능력을 갖는 민감한 직류전류 센서로서, 이 직류 전류 센서에서는 환상의 연자성 재료로 구성되는 검출 코어(51)를 통해 원주 방향으로 교통하는 공동부(52)가 형성되고, 원주 방향으로 감겨지는 여자 코일 (53)이 상기 공동부(52)에 배치되고, 검출 코어(51) 둘레에 토로이달 형태로 감겨지는 검출 코어(54)가 배치됨으로서 검출 코어(51)는 매우 양호한 효율을 갖도록 구성될 수 있고, 여자 코일(53)과 검출 코일(54)의 효과적인 배열에 의해 검출 코어(51)를 구성하는 연자성 재료 특유의 보자력에 의한 효과와 여자 코일(53)로부터의 누설 자속 효과가 현저히 감소될 수 있어 예컨대 약 5㎃ 또는 그 이하의 미세한 전류도 매우 민감하게 검출될 수 있다.

Description

직류 전류 센서

제1도는 본 발명의 직류 전류 센서의 일실시예의 개략을 도시하는 부분 단면 사시도.

제2도는 제1도의 직류 전류 센서의 A-A선을 따라 취한 종단면도.

제3도는 제1도의 직류 전류 센서의 부분 종단면 상세도.

제4도는 본 발명의 직류 전류 센서의 다른 실시예의 개략을 도시하는 부분단면 사시도.

제5도는 제1도의 직류 전류 센서의 검출 코어를 구성하는 검출 코어 부재와 여자 코일이 감겨진 코일 보빈의 종단면도.

제6도는 피검출 도선에 흐르는 직류 전류(미소 영역)와 제1도의 직류 전류 센서의 출력간의 관계를 도시하는 선형 그래프.

제7도는 본 발명의 직류 전류 센서를 발명하기까지 개발된 직류 전류 센서의 개략을 도시하는 사시도.

제8도는 제7도의 직류 전류 센서 구조에 인가된 주파수의 관계를 도시하며, 여기서 (a)는 주파수 여자 전류간의 관계를 도시하고, (b)는 검출 코어를 통과하는 자속과 주파수의 관계를 나타내며, (c)는 검출 코일의 기전력과 주파수간의 관계를 도시하는 그래프.

제9도는 제7도의 직류 전류 센서 구조에 인가된 주파수의 관계를 도시하며, 여기서 A는 주파수 여자 전류간의 관계를 도시하고, B는 검출 코어를 통과하는 자속과 주파수의 관계를 나타내며, (c)는 검출 코일의 기전력과 주파수간의 관계를 도시하는 그래프.

제10도는 제7도의 직류 전류 센서에 접속되는 전기 회로의 일실시예.

제11도는 본 발명의 직류 전류 센서를 발명하기까지 개발된 직류 전류 센서의 개략을 도시하는 사시도.

제12(a)도는 본 발명의 직류 전류 센서의 분해 사시도이며, 제12(b)도는 이것의 윗면도.

제13도는 본 발명의 의한 분할형 직류 전류 센서의 분해 사시도이며, (a)는 코어, (b)는 여자 코일, (a)는 전체를 나타내는 사시도.

제14(a),(b) 및 (c)도는 본 발명의 직류 전류 센서에 대한 분해 사시도.

제15(a),(b) 및 (c)도는 본 발명의 직류 전류 센서에 대한 분해 사시도.

제16도는 본 발명의 직류 전류 센서의 외형을 도시하는 사시도.

제17도는 본 발명의 직류 전류 센서의 초미소 영역에서의 출력과 검출 전류간의 관계를 도시하는 선형 그래프.

제18(a),(b)도는 본 발명의 직류 전류 센서에 접속되는 전기 회로의 실시예에 대한 개략을 도시하는 회로도.

제19도는 검출 코일 출력의 듀티비(정방향과 부방향의 시간비)의 변화를 도시하는 그래프.

제20도는 제19도에서의 검출 코일의 기전력에 대한 표시 방법을 정의하는 그래프.

제21도는 검출 코일 출력의 듀티비에 대한 변화를 도시하는 그래프.

제22도는 검출 코어에서의 자속 듀티비의 변화를 도시하는 그래프.

제23(a)도는 실시에의 사간차(T₁-T₂)와 전기 전류간의 관계를 도시하고, 제23(b)는 펄스 카운트 수에 의해 T₁-T₂를 판독한 판독값과 통과 전류의 관계를 도시하는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 피검출 도선 2,51,62,70 : 검출 코어

3,54,87 : 검출 코일 4,4a,4b : 여자 코어

5,53 : 여자 코일 10 : 교류 전류 공급 수단

43 : 변조 코일

본 발명은 태양 전지 및 연료 전지 발전 시스템 등과 같은 직류 발전 장치의 누전 검출, 발전소, 변전소나 대형 공업 플랜트용 배전반의 직류 제어 회로의 누전 검출, 또한 여러 직류 기기의 절연 열화에 수반되는 누전 검출에 의한 설비의 예방 보전 등 광범위한 분야에 사용되는 직류 전류 센서에 관한 것으로, 특히 미세 전류 변화 검출 성능이 우수하고 구조가 간단한 직류 전류 센서에 관한 것이다.

최근에, 직류 전류를 이용하는 장비가 폭넓게 사용되고 있지만, 이들 장비를 원활하게 작동시키기 위한 보수 관리에 있어서, 예컨대 직류 모터의 부하를 검출하고 필요한 제어를 행하기 위한 센서나 직류 전류 누설 차단기 등에 사용되는 직류 전류 센서에 대한 필요성이 증가되고 있다.

이러한 직류 전류 센서로서는 자기 증폭기형, 자기 멀티바이브레이터형(일본국 특개소 47-1644, 특개소 53-31176, 특개소 49-46859), 홀(Hall) 소자형 등으로 구성된 직류 전류 센서가 공지되어 있다.

자기 증폭기형과 자기 멀티바이브레이터형은 모두 검출 코일을 토로이달 형상으로 감아서 구성되는 연자성 재료의 코어를 사용하며, 이 코어 안쪽에 피검출 도선을 관통시켜 상기 피검출 도선을 통하여 흐르는 직류 전류에 의해 연자성 재료의 코어를 포화 자속 밀도(Bs) 내에서 직류 자기 편향시킴으로써, 코어에 감겨 있는 코일에 교류 전류를 인가함에 의해 생성된 교번 자속은 정방향과 부방향으로 포화되는 시간에 불균형을 나타내며, 이 변화를 검출 코일에 의해 검출하는 방식이다.

자기 증폭기형에서는, 자속 변화가 코어 내에 미리 제공되기 때문에, 코어에 여자 코일을 감음으로써 소정값의 교류 전류를 인가하는 구조가 채택된다. 자기 멀티바이브레이터형은 검출 코일에 접속된 회로에서 반도체 등의 작용에 의해 자기 여자(self-excitation)가 발생하도록 하여, 이 피검출 전류에 따라서 듀티비(dutyratio)를 변경하여 발진하는 구조로 되어 있다.

또한, 홀 소자형은 피검출 도선이 홀 소자를 배치하는 갭을 부분적으로 갖는 연자성 재료의 코어에 직접 피검출 도선을 토로이달 형상으로 감고, 피검출 도선을 통하여 흐르는 직류 전류의 변화에 응답하는 코어의 자속 변화는 홀 소자에 의해 직접 검출된다.

그러나 상술된 유형의 직류 전류 센서는 실제로 다음과 같은 이유에 의하여, 직류 누설 차단기 등의 미세한 전류 변화에 대응할 수 있는 구성이라고 보기는 어렵고, 고감도의 직류 전류 센서로서 실용화되지는 못한 것이 현재 실정이다.

상술한 바와 같은 자기 증폭기형과 자기 멀티바이브레이터형에서, 피검출 도선에 흐르는 직규 전류에 의해서 연자성 재료의 코어를 거의 포화 자속 밀도(Bs)까지 직류 자기 편향시키는 것이 필요하며 검출 감도가 낮아진다. 그리고, 상기 코어에 퍼멀로이 등의 널리 공지된 연자성 재료를 사용하는 경우, 피검출 도선을 통하여 흐르는 전류가 수십 ㎃로 검출되는 때에, 피검출 도선이 수십 내지 수백의 권선수 또는 그 이상으로 연자성 재료에 감겨져 있어야 하고, 피검출 도선이 1회의 권선수로 요구되는 곳에 누설 차단기 등을 위한 직류 전류 센서로서 사용하기는 곤란하다.

또한, 홀 소자형에서도 검출 성능은 홀 소자의 톡성에 의해 결정되므로 현재

공지된 홀 소자가 사용되는 경우 예컨대, 피검출 도선을 통하여 흐르는 전류가 수십 ㎃인 경우, 피검출 도선은 수백 내지 수천의 권선수로 연자성 재료의 코어에 감겨져야만 한다. 따라서 상술된 자기 증폭기형 및 자기 멀티바이브레이터형과 마찬가지로 피검출 도선이 1회의 권선수를 요구하는 곳에 누설 차단기 등의 직류 전류 센서로 사용하기에는 곤란하다.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하고, 직류 누설 차단기 등에서 특히 미세한 전류 변화에 대하여 우수한 검출 성능을 갖는 간단한 구조로 된 고감도의 직류 전류 센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 민감한 직류 전류 센서를 제공하는 것으로, 특히 직류 전류 센서를 구성하는 검출 코어의 형상이 간단하고 생산성이 높은 고감도의 직류 전류 센서를 제공하는 것이다.

검출 코일이 토로이달 형상으로 감겨진 연자성 재료의 검출 코어의 안쪽에 피검출 도선을 관통시켜 배치하고 상기 도선에 직류 전류를 흘리면, 이 직류 전류 방향에 대하여 시계 방향의 자장이 검출 코어에 자속( ₀)이 발생되지만, 피검출 도선을 통하여 흐르는 전류가 직류 전류이므로 자속( ₀)은 일정하고 기전력은 검출 코일에 생성되지 않는다. 따라서 자기 갭을 검출 코어에 부분적으로 형성하고 이 부분을 자생체로 개폐함으로써 자기 수위치를 구성하고, 상기 자기 수위치에 의해 자속( ₀)을 시간적으로 변화(ON-OFF)시킴으로써 상기 검출 코어에 기전력을 발생시키는 방법을 본 발명자가 연구하였다.

또한, 본 발명자는 상술 구조를 더 확실하게 실현하기 위해 여러 가지를 검토한 결과, 기계적인 자기 스위치를 대신하여, 피검출 도선에 흐르는 직류 전류로 인해 검출 코어에서 원주 방향으로 생성된 자속에 대해 수직 방향으로 생성되는 자속데 대하여 검출 코어의 일부분에 주기적으로 자기 갭을 형성하는 수단을 배치하고 상기 자기 스위치와 실질적으로 동일한 작용을 실현함으로써 본 발명의 목적을 달성할 수 있다는 것을 확인하였다.

구체적인 구성으로서는, 검출 코어의 원주 방향에 수직으로 접속하는 환상 연자성 재료로 구성되는 여자 코어는 검출 코어의 일부분에 일체형을 배치되고, 검출 코일은 토로이달 형상으로 상기 검출 코어의 감겨지며, 여자 코일은 상기 검출 코어에 원주 방향으로 감겨지고, 상기 여자 코일에 교류 전류를 인가함으로써 검출 코어의 원주 방향에 대하여 수직으로 여자 코어를 여자하며, 상기 여자 코어와 검출 코어의 수직 교차부를 주기적으로 자기 포화시킴으로써, 이 자기 포화된 수직 교차부를 실질적인 자기 갭으로 하는 구성이 가능하다.

즉, 검출 코어의 작 포화 교차부의 상대 투자율(μ)이 끝없이 1로 접근하기 때문에, 자기적으로 포화된 영역은 자기 갭과 유사한 기능을 하며, 검출 코어의 자속( ₀)은 일정 주기동안 감소하고, 이 자속의 변화에 따라서 기전력이 검출 코일에 서 발생될 수 있다.

상술된 기본 구조를 갖는 직류 전류 센서에 대한 각종 개선이 이루어져 왔으며, 특히 연자성 재료로 구성되는 코어의 형태는 대량 생산에 적합하도록 가능한 한 단순하게 제조되고, 여자 코일과 검출 코일은 검출 감도를 개선하기 위해 코어 형태와 효과적으로 조화되도록 배치된다.

즉, 본 발명은 원주 방향으로 소통하는 공동부(hollow portion)가 환상 연자성 재료로 구성되는 검출 코에에 형성되고, 원주 방향으로 감겨진 여자 코일이 상기 공동부에 배치되며, 상기 검출 코어에 토로이달 형상으로 감겨진 검출 코일이 배치되고, 검출 코어의 안쪽에 비접촉 검출을 위한 직류 전류가 흐르는 피검출 도선이 검출 코어를 관통하여 배치되는 직류 전류 센서에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상술 구조에서 피검출 도선이 코어를 관통하여 배치되도록할 때에 상기 코어가 적어도 한 위치에서 원주 방향으로 분할될 수 있도록 구성된 직류 전류 센서를 제공한다.

본 발명의 직류 전류 센서는, 환상 연자성 재료로 이루어진 검출 코어에 원주 방향으로지나가는 공동부를 형성시키고, 이 공동부에 원주 방향으로 감겨진 여자 코일을 배치하며, 상기 검출 코어에 토로이달 형상으로 감겨진 검출 코일을 배치시킴으로써, 생산성이 뛰어난 검출 코어를 얻을 수 있다.

또한, 검출 코어의 구성외에도 여자 코일과 검출 코일을 효과적으로 배치함으로써, 검출 코어를 구성하는 연자성 재료의 특유한 보자력의 영향 및 여자 코일의 누설 자속은 현저히 감소되고, 예컨대 약 5㎃ 이하의 미세 전류를 검출할 수 있는 직류 전류 센서가 실현될 수 있다.

따라서, 직류 누설 차단기 등에 사용된 경우, 검출 코어를 관통하도록 피검출 도선을 배치함으로써 원하는 감도의 검출이 가능하며, 구조가 단순하기 때문에 직류 전류 센서를 더욱 소형으로 제조 가능하고, 피검출 도선을 통하여 흐르는 직류 전류의 절대값뿐만 아니라 직류 전류의 방향도 검출할 수 있으므로 사용 범위가 확장될 것이다.

이하, 본 발명의 직류 전류 센서의 동작에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 직류 전류 센서는 검출 코어의 일부분에 검출 코어의 원주 방향에 대해 수직 방향으로 접속된 환상 연자성 재료로 이루어진 여자 코어가 일체형으로 배치된 코어 형상을 기본 구조로 하고, 여러 가지 개량을 통해 완성된 것이지만, 동작 원리는 상술한 기본 구조를 갖는 직류 전류 센서의 경우와 동일하다. 따라서, 이하의 설명에서는 먼저 상술한 구조를 갖는 직류 전류 센서에 기초하여 동작 원리를 설명하고, 추가로 본 발명의 직류 전류 센서의 특징이 보다 명확히 드러나도록 본 발명을 완성한 과정에 대해 상세히 설명할 것이다.

제7도는 본 발명의 직류 전류 센서의 기본 동작 원리를 설명하는 사시도이다. 제8도와 제9도는 여자 전류와 검출 코어를 통과하는 자속을 도시하고, 상기 구성에서 검출 코일에서 생성된 기전력과의 관계를 도시하고 있다.

제7도에서 피검출 도선(1)은 환상 연자성 재료로 이루어진 검출 코어(2)의 안쪽을 관통한다. 검출 코일(3)은 검출 코어(2)의 소정 위치 둘레에 토로이달 형상으로 감기며, 피검출 도선(1)과 전기적으로 절연되어 소정의 검출 회로(도시되지 않음)에 접속된다.

여자 코어(4)는 환상 연자성 재료로 구성되고 검출 코어(2)의 원주 방향에 대해 수직 방향으로 검출 코어(2)의 원주 부분에 접속된다. 이하에 설명될 동작에 의해 사선으로 표시된 검출 코어(2)와 여자 코일(4)의 코어 교차부(6)에서 자기적으로 포화된 부분이 형성된다. 여자 코일(5)는 검출 코일(2) 둘레에 원주 방향으로감겨 있다.

도면에서, 변조 코일(43)은 검출 코어(2)를 구성하는 연자성 재료의 자기 특성(보자력)의 영향에 의해 생길 출력 특성의 히스테리시스를 감소시키기 위해 피검출 도선(1)과 동일 방향으로 감긴다.

제7도의 구성에서 직류 전류 I가 피검출 도선(1)에 흐르면, 직류 전류 I방향에 대해 시계 방향으로 회전하는 자계가 검출 코어(2) 내에 생성되어 검출 코어에 자속 ₀이 발생된다. 이 때 소정의 교류 전류가 여자 코일(5)에 인가되어 도면중 α방향으로 주기적으로 변하는 자속이 여자 코일(4)에 생성되고, 여자 코어를 주기적으로 자기 포화시킬 경우, 검출 코어(2)의 원주부인 코어 교차부(6)(도면에서 사선으로 표시됨)의 상대 투자율 μ가 낮아져서 1에 가까운 소위 자기 갭이 되어 검출 코어의 자속 ₀을 ₁로 감소시킨다.

이때 여자 코일(5)에 인가된 교류 전류를 주파수fo으로 하고 전류의 피크치 근처에서 여자 코어(4)가 포화되도록 하면, 여자 코어(4)는 여자 전류 I의 한 주기에 대해 2번 포화하는데, 즉 제8도에 도시한 것처럼 피검출 도선(1)에 흐르는 직류 전류 I가 정방향(도면에서 위쪽)인 경우에 한 번 제9도에 도시한 것처럼 피검출 도선(1)에 흐르는 직류 전류 I가 부방향(도면에서 아래쪽)인 경우에 한번, 총 2번 포화된다.

피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류 I가 제8도에 도시된 것처럼 정방향(도면에서 위쪽)에 있는 경우에는, 이러한 포화에 의해 검출 코어(2)에서 생성된 피검출 도선(1)에 흐르는 직류 전류 I에 의해 생성되는 자속 ₀은 제8(b)도에 도시된 것처럼 주파수 2fo에서 ₁로 감소된다. 즉, 2fo에서 변조가 일어나는 것으로 된다. 따라서, 자속이 상기와 같이 변활 때 검출 코일(3)에는 주파수 2fo의 전압V_DET이 생성된다

또한, 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류 I가 제9도에 도시된 것처럼 부방향(도면에서 아랫 방향)인 경우에도 그 동작이 직류 전류 I가 정방향(도면에서 윗방향)에 있는 경우와 실질적으로 동일하지만, 직류 전류 I의 방향이 반대이기 때문에, 검출 코어(2)에서 생성된 자속의 방향 또한 반대이고, 검출 코일(3)에서 생성된 주파수 2fo의 전압 V_DET와의 위상차는 180℃가 된다.

그러나 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류의 방향에 관계없이 어느 쪽의 경우에도, 자속 ₀∝ 직류 전류 I, 전압 V_DET∝ 자속 ₀및 전압 V_DET∝ 직류 전류 I의 관계가 성립되고, 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류 I에 비례하는 기전력을 검출 코일(3)에 의해 검출할 수 있고, 피검출 도선(1)을 흐르는 직류 전류 I의 절대값을 알 수 있다.

상술한 구성을 가진 직류 전류 센서에 있어서 특히 미세 전류계의 측정으로 종래 구성과 비교해 볼 때 비교적 간단한 구성으로 직류 전류가 검출될 수 있지만, 검출 코어(2)의 보자력에 의한 출력 전압의 히스테리시스 현상으로 인해 측정의 기준 레벨이 변하게 되고 측정값이 제7도에 도시된 것처럼 매 시간마다 변하여 정확한 값이 얻어질 수 없기 때문에, 피검출 도선(1)과 동일 방향으로 감긴 변조 코일(43)을 검출 코어(2)에 배치하였다. 즉, 상술한 구성을 가진 직류 전류 센서에서는 여자 코일(5)이 검출 코어(2) 둘레에 감겨 있기 때문에, 여자 코일(5)을 통해 흐르는 여자 전류(교류 전류)에 의해 검출 코어(2) 그 자체가 자기 소거(demagndtization)된다. 이러한 자기 소거 효과와 함께, 변조 코일(43)에서 생성된 교류 자계가 검출 코어(2)에 중첩되도록 함으로써, 코어의 잔류 자속으로 인한 히스테리시스 출력 특성을 감소시킬 수 있다.

따라서, 검출 코어(2)의 보자력 이상으 자계를 생성하는 데 필요한 교류 전류를 변조 코일(43)에 흘리면, 코어 재료의 보자력으로 인한 잔류 자속의 의해 생성되는 히스테리시스 특성은 제거되고, 검출 회로에서 중첩된 교류 성분을 제거함으로써 미세 전류에 의한 검출 감도를 높일 수 있다.

제7도에 도시된 것처럼, 변조 코일(43)은 검출 코어(2)를 피검출 도선과 동일 방향으로 통과하도록 하여 1회의 권선수의 변조 코일(43)을 검출 코어(2)에 감는 것 이외에도 요구되는 교번 자계의 강도에 따라 피검출 도선과 동일 방향으로 검출 코어(2) 둘레에 복수 권선수의 변조 코일(43)을 감는데, 특히 복수의 권선수인 경우에는 검출 코일(3)과 실질적으로 동일하게 토로이달 형태로 검출 코어(2) 둘레에 감긴다.

또한 제7도에서 알 수 있는 것처럼, 변조 코일(43)은 토로이달 형태로 감겨있는 검출 코일(3)과 동일 위치에서 동일 방향으로 검출 코어(2) 둘레에 감겨 있기 때문에, 이것은 일반적으로 검출 코어(2)과 공용으로 사용될 수 있다.

즉, 검출 코일(3)을 통해 흐르는 전류와 변조 코일(43)을 통해 흐르는 전류는 매우 상이한 주파수를 가지므로 이들이 공통으로 사용되는 경우에도, 각각의 기능을 실현하는 주파수를 갖는 전류를 통과시키는 필터를 적절히 배치함으로써 전기 신호를 쉽게 분리할 수 있으며 변조 코일(43)과 검출 코일(3)을 일체화한 구성을 채택해도 출력 특성의 히스테리시스가 감소될 수 있게 된다.

또한, 피검출 도선(1)을 통해 흐르는직류 전류 I의 방향에 따라 검출 코일(3)에서 생성된 주파수 2fo를 가진 전압 V_DET의 위상치가 제8도 및 제9도에 도시된 것처럼 180°이므로, 미리 발진기에서 여자 전류의 2배의 주파수로 발진된 여자 전류의 주파수를 ½로 주파수 분할한 상태의 여자 전류를 상기 여자 코일(5)에 인가하고, 위상 비교 회로에 의해 발진기의 출력과 검출 코일(3)의 출력간의 위상차를 검출함으로써 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류의 방향뿐만 아니라 절대값까지도 쉽게 검출할 수 있다.

즉, 여자 코일(5)에 접속되는 발진기에서 발진되는 여자 전류의 주파수와 검출 코일(3)에서 나오는 출력V_DET의 주파수는 여자 코일(5)에 마지막으로 인가된 여자 전류의 2배인 주파수 2fo가 되기 때문에, 이들의 위상차를 쉽게 비교할 수 있고 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류의 절대값 뿐만 아니라 그 방향까지도 검출될 수 있다.

예를 들어, 제10도에 도시된 전기 회로를 각각 여자 코일(5) 및 검출 코일(3)에 접속함으로써 상술한 동작이 실현될 수 있다.

즉, 제10도에 도시된 것처럼, 여자 코일(5)은 교류 전류 인가 수단(10)에 접속된다. 교류 전류 인가 수단(10)은 여자 코일(5)에 마지막으로 인가되는 여자 전류의 2배인 주파수 2fo의 여자 전류를 발진하는 OSC(발진 회로)(11)와, 여전류 주파수를 절반으로 분할하는 T-FF(트리거-플립플롭; 12)를 배치하고, 또한 일단 주파수가 2fo에서 fo 분할된 교류 전류를 LPF(저역 필터; 13)와 버퍼 증폭기(14)를 거쳐 여자 코일(5)에 접속시킨다.

소정 방향의 직류 전류 I가 피검출 도선(1)에 인가될 경우(제7도 참조), 상술한 기전력을 생성하는 메커니즘과 동일하게 주파수 fo가 절반으로 분할되어 여자 코일(5)에 인가되는 여자 전류에 의해 검출 코일(2)에 생성된 자속을 변조하고, 피검출 도선을 통해 흐르는 직류 전류 I에 비례하는 여자 전류의 2배의 주파수 2fo의 기전력을 검출 코일(3)에 출력시킬 수 있다. 그 결과,피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류 I의 절대값을 알 수 있다.

제8도와 제9도에서 설명한 것처럼, 검출 코일(3)에서 생성된 주파수 2fo의 전압 V_DET의 위상차는 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류 I의 방향에 좌우되며 180°이다.

이러한 방식으로 검출 코일(3)에서 생성된 주파수 2fo의 출력(기전력)은 제10도에 도시된 것처럼 위상 비교 회로(20)로 입력된다.

한편, 교류 전류 인가 수단(10)을 구성하는 OSC(11)에서 발진된 주파수 2fo의 여자 전류의 일부는 T-FF(12) 등을 여자 코일(5)에 접속되지 않고, LPF(저역 필터; 3), 위상 변환기(32), 슈미트 트리거(33) 등을 통해 주파수 2fo를 유지하면서 제10도에 도시된 위상 비교 회로(20)에 입력된다.

위상 변환기(32)에 사용되는 부품은 그 상수가 fosc =1/2πRc를 만족하도록 배치되는 것이 바람직하다.

위상 비교 회로(20)는 이 회로(20)에 입력되는 OSC(11)의 출력과 검출 코일(3)의 출력간의 위상차를 검출하여, 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류 I의 방향에 대응하는 방향뿐만 아니라 아날로그 상태의 직류 전류 I의 절대값을 나타내는 출력 전압 Vout을 최종적으로 출력한다.

또한, 방향 및 세기가 시간에 따라 주기적으로 선형으로 변화는 전류, 예컨대, 삼각파형으로 변하는 전류를 검출 코일(3)에 인가함으로써, 편향 자계가 검출 코어(2)에 발생하더라도, 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류의 절대값 및 방향을 쉽게 검출할 수 있다.

즉, 피검출 도선(1)을 통해 직류 전류가 흐르는 있는 상태에서 검출 코일(3)에 삼각파형으로 변하는 전류가 인가될 경우, 검출 코일(3)에는 삼각파형 전류에 의해 생성된 자속과 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류에 의해 생성된 자속은 중첩된다. 그에 따라서, 검출 코일(3)에서 생성된 기전력의 파고를 제한하고 그 출력을 위상 검파한 다음, 정측(+)의 출력 시간과 부측(-)의 출력 시간과의 시간비(듀티비)를 검출함으로써, 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류의 절대값 및 방향을 검출할 수 있다. 특히, 검출 코일(3)에 인가된 전류의 최대값이 검출 코어(2) 재료의 보자력(±Hc) 이상의 자계를 생성할 정도로 충분히 높게 설정될 경우, 실질적으로 검출 코어(2) 재료의 히스테리시스로 인한 출력 특성 히스테리시스까지도 줄일 수 있다.

또한, 여러 가지 공지된 전기 회로를 효과적으로 조합합으로서, 제7도에 도시된 것처럼 구성된 직류 전류 센서의 필수적인 장점들을 보다 유용하게 활용할 수 있다.

한편, 제7도에 구성을 기본적인 구성으로 채택하고, 특히, 검출 코어 및 여자 코어의 구성을 개선함으로써 직류 전류 센서에서의 전자기적인 불균형 등이 감소되고, 잡음 저하, S/N비 향상 등이 가능하게 된다.

예를 들어, 제11도에 도시된 것처럼 구성된 직류 전류 센서는 상술한 효과들을 포함하며, 안정한 측정을 실현하는 데 있어서 효과적이다.

즉, 제7도에 도시된 구성의 경우, 하나의 여자 코어(4)가 검출 코어(2)에 접속되기 때문에, 검출 코일(3), 여자 코일(5) 및 변조 코일(43)은 각각 한 곳에 배치되어서 비록 도시된 직류 전류 센서와 같이 전자기적으로 균형을 이루기가 어렵기는 하지만, 제11도에 도시된 직류 전류 센서는 여자 코일(4), 검출 코일(3), 여자 코일(4) 및 변조 코일(43)의 전자기적 균형을 고려하여 구성되어 있다.

제11도에서, 피검출 도선(1)은 직사각형 프레임 형상의 검출 코일(2)의 안쪽 중앙부를 관통하고 있다. 직사각형-프레임 형상 검출 코어(2)의 각각 마주보는 장변(직사각형의 긴쪽)에는 한쌍의 여자 코어(4a, 4b)가 일체로 배치되어 장방형 원통 형상을 형성한다. 한편, 여자 코일(5)은 직사각형 프레임 형상 검출 코어(2) 둘레에 원주 방향으로 감긴다.

직사각형 프레임 형상 검출 코어(2)의 각각 마주보는 단변에는 한쌍의 검출 코일(3a, 3b)이 토로이달 형태로 감겨 있고 전기적으로 서로 접속되어 있다. 또한, 한쌍의 코일(43a, 43b)은 동일한 위치에서 피검출 도선(1)과 동일 방향으로 감겨 있으며 소정의 수단에 의해 전기적으로 직렬 접속되어 있다.

이러한 구성에서 직류 전류 I가 피검출 도선에 흐르면, 직류 전류 I의 방향에 대해 시계 방향인 자계가 검출 코어(2)에 생성되어 검출 코어 내에 자속이 생성된다.

이 때, 소정의 교류 전류가 여자 코일(5)에 인가되어 도면에서 α방향으로 주기적으로 변하는 자속이 한쌍의 여자 코어(4a, 4b)에 생성되고 여자 코어(4a, 4b)를 주기적으로 자기 포화시킬 경우, 직사각형 프레임 형상 검출 코어(2)의 원주 부분인 장변부의 코어 직교부(6)는 상대 투자율 μ가 1에 매우 근접하는 소위 자기 갭을 형성하고, 검출 코어에서의 자속 ₀은 ₁로 감소된다.

따라서, 상술한 직류 전류 센서에 있어서, 한쌍의 검출 코일(3a, 3b)에 대해 기전력을 생성하는 매커니즘은 제7도에 도시된 구성과 동일하며, 이 매커니즘에 따른 효과 또한 유사한 방식으로 얻어진다. 더구나 이러한 구성에서는 전체적인 구성이 피검출 도선(1)에 대해 대칭이기 때문에, 전자기 균형 효과를 비롯하여 한쌍의 변조 코일(43a, 43b)의 배치 효과는 검출 코어(2)의 자기 경로 길이에 대한 여자 코일(4)의 접속의 폭 d(제7도 참조)의 비율을 증가시킴으로써 얻어진 반자성(demagnetic)효과에 따라 검출 코어(2)에서의 잔류 자속 밀도를 감소시키는 효과가 있다. 따라서, 코어 재료가 갖는 보자력의 영향은 더욱 감소시킬 수 있다.

제11도에 도시된 것처럼 구성된 직류 전류 센서에 의해, 종래에 알려진 자기 증폭기형, 자기 멀티바이브레이터형 또는 홀 장치형 등으로 구성된 직류 전류 센서와 비교해 볼 때 구성면에서 비교적 간단하고 미세한 전류를 고감도로 검출할 수 있는 직류 전류 센서를 제공할 수 있기는 하지만, 산업 규모면에서 대량 생산시에 생산성을 높이기 위해서는 직류 전류 센서의 전체 구성은 더욱 단순해져야 하며 특히, 코어의 형상이 개선되어야 한다.

제11도의 구성에 있어서, 검출 코어(2)와 여자 코어(4a, 4b)를 구성하는 연자성 재료의 특유한 비선형 자기 특성에 의해 생성되는 여자 신호의 제2 고조파는 검출 코일(3a)로 혼합되고, 이외에도 제2 고조파와 검출 신호(검출 코일(3a)의 기전력)가 동일 주파수를 갖기 때문에 이들을 전기적으로 분별하는 것이 불가능하다.

따라서, 이것 이상으로 S/N비가 높은 직류 전류 센서를 제공하기가 어려웠다.

여기에 제시된 여러 가지 개선 경위에 대한 상세한 설명을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 직류 전류 센서는 제7도에 도시된 구성을 기본 구성으로 하고, 이어서 전자기적 균형을 고려하고 단점을 개선한 제11도에 도시된 구성이 개발되었고, 상술한 문제점들을 해결하기 위한 개선이 이루어져 왔다. 즉, 본 발명의 직류 전류 센서는 주로 코어의 형상을 연구하고, 환상 연자성 재료로 이루어진 검출 코어 내부에 원주 방향으로 지나가는 공동부를 형성하며, 원주 방향으로 감긴 여자 코일을 공동부에 배치하고, 검출 코어 둘레에 트로이달 형상으로 감긴 검출 코일을 배치함으로써 개발되었다. 이러한 구체적인 구성에 대해서는 이하의 실시예와 관련하여 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명의 직류 전류 센서의 일실시예를 보여주는 부분 단면도이고, 제2도는 제1도의 a-a 선을 따라 취한 종단면도이며, 제3도는 제1도의 부분 상세 종단면도이다.

도면에서, 피검출 도선(1)은 전체적으로 환상 검출 코어(51)의 안쪽을 통과하도록 배치되어 있다. 검출 코어(51)에는 이하에 설명될 복수의 검출 코어 부재를 조합함으로써 원주 방향으로 지나가는 공동부(52)가 제공되며, 소위 관(管) 모양으로 형성되어 있다.

도면에서, 참조 부호(53)는 검출 코어(51)의 공동부에 원주 방향으로 감겨 있는 여자 코일을 나타내고, 참조 부호'54'는 검출 코어(51) 둘레에 토로이달 형상으로 감겨 있는 검출 코일을 나타낸다.

본 발명의 직류 전류 센서에 있어서는 제7도 및 제11도에 도시된 구성처럼 검출 코어 및 여자 코어의 부품을 명확히 구별하기가 어려우며, 이하에 설명되는 것처럼 검출 코어(51)는 제7도 및 제11도에 도시된 구성을 갖는 검출 코어(2)와 여자 코어(4)의 기능을 함께 발휘한다.

상기 구성에서 직류 전류 I가 피검출 도선(1)에 인가될 경우, 제3도에 도시된 것처럼 자속 ₀ ₀ ₀

즉, 상술한 제7도 및 제11도에 도시된 것처럼 구성된 직류 전류 센서와 기본적으로 동일한 기전력을 생성하는 메커니즘에 의해 검출 코일(54)에 원하는 출력을 얻을 수 있다.

그러나 이러한 현상 즉, 원주 방향의 자속 ₀에 의해 자기 경로를 주기적으로 차단하는 현상이 상술한 제7도 및 제11도의 구성에서는 검출 코어(2)의 일부분(각 도면에서 참조 부호'6'으로 표시된 부분)에 발생되지만, 본 발명의 직류 전류 센서에서는 검출 코어(51)에 전체적으로 발생한다.

따라서, 여자 코일(53)에 인가되는 여자 전류(교류 전류)에 의한 검출 코어(51)의 자기 소거 효과는 크게 개선되며, 또한 상술한 변조 코일(제7도 및 제11도 참조)을 공통으로 사용함으로써 검출 코어(51)의 특유한 보자력에 의한 출력 특성 히스테리시스는 크게 감소되고, 미세 전류의 검출시에 고감도 측정이 달성될 수 있다.

즉, 여자 코일(53)에 인가된 여자 전류에 의해 검출 코어(51)의 원주 방향 및 수직 방향(도면에서 α방향)주위에서 자기 포화가 주기적으로 발생하기 때문에, 원주 방향(도면에서 ₀

또한, 검출 코어(51)의 공동부(52)내에 여자 코일(53)이 배치되기 때문에, 여자 코일(53)은 실질적으로 연자성 재료에 의해 애워싸이게 되어 여자 코일(53)을 통해 흐르는 여자 전류에 의해 발생되는 자속의 누설은 매우 작으며, 여자 신호가 검출 코일(54)로 혼합되는 정도를 아주 작게 만들 수 있다. 그 결과 검출 코일(54)에 생성된 잔류 신호는 적어지고 검출 신호의 S/N 비는 크게 향상될 수 있다.

한편, 이하에 설명될 실시예에 도시된 것처럼 단순한 구성으로 이루어진 검출 코어 부재를 조립하여 일체화하면, 검출 코어(51)가 얻어질 수 있기 때문에, 예를 들어 검출 코어 부재를 프레스 성형으로 간단히 얻을 수 있으므로 대량 생산에 매우 효과적이다.

제4도는 본 발명의 직류 전류 센서의 또 다른 실시예를 보여주는 부분 단면도이다. 여기서, 기본 구성은 검출 코어(51)의 형상을 제외하고는 제1도에 도시된 구성과 동일하다. 즉, 제1도에 도시된 구성에서는 검출 코어(51)가 전체적으로 원통 형상으로 되어 있으나, 제4도에 도시된 구성에서는 검출 코어(51)가 전체적으로 사각통 형태로 되어 있다. 이들 구성은 직류 전류 센서가 설치되는 위치와 생산성을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.

본 발명의 직류 전류 센서는 제1도와 제4도에 도시된 구성으로만 제한되는 것이 아니라 첨부된 특허 청구의 범위 내에서 여러 가지 구성이 채택될 수 있다.

예를 들어, 제1도와 제4도의 구성에서는 제7도와 제11도의 구성으로 배치된 변조 코일(43)의 위치가 도시되어 있지 않지만, 제1도와 제4도에 도시된 어느 구성에서나 변조 코일(43)을 배치함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있고, 변조 코일(43)과 검출 코일(54)이 공통적으로 일체화하여 사용할 때에도 출력 특성의 히스테리시스를 줄일 수 있다.

또한, 피검출 도선(1)을 통해 흐르는 직류 전류의 절대값 및 방향을 제7도 및 제11도의 구성과 동일하게 검출하기 위해서는, 여자 전류의 2배 주파수로 발진기에서 발진된 여자 전류의 주파수가 미리 절반으로 분할된 상태에 있는 여자 전류를 여자 코일(53)에 인가하거나, 위상 비교 회로에 의해 발진기의 출력과 검출 코일의 출력간의 위상차를 검출하는 수단을 채택하거나, 시간에 따라 주기적으로 방향과 크기가 선형적으로 변하는 전류, 예컨대 삼각파형으로 변하는 전류를 검출 코일(54)에 인가하고, 검출 코어에 편향 자계를 제공하는 수단을 채택할 수 있고, 공지된 여러 전기 회로들을 효과적으로 조합함으로써 본 발명의 직류 전류 센서의 필수 장점들을 더욱 효과적으로 이용할 수 있다.

본 발명의 직류 전류 센서에 있어서, 검출 코어(51)를 구성하는 환상 연자성 재료로서는 피검출 도선을 통해 흐르는 전류의 세기, 즉 센서에 요구되는 검출 감도에 따라서 연자성 재료를 선택하는 것이 바람직하다.

일반적으로, 자기 특성 및 가공성을 고려할 때 퍼멀로이가 바람직하기는 하지만, 규소 강판, 비정질, 전자기 연철, 연성 페라이트 등과 같은 다른 공지된 연자성 재료를 개별적으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.

환상 연자성 재료는 반드시 소위 링(ring) 형이 될 필요는 없으며, 전자기 폐쇄 회로를 형성하도록 연자성 재료를 접속하면 되고, 특히 검출 코어의 내부에 원주 방향으로 지나가는 공동 부분을 형성하고 이 공동 부분에 원주 방향으로 감긴 여자 코일을 배치하도록 구성되어 있기만 하다면, 원통형, 사각통 모양 등의 여러 구성이 채택될 수 있다.

자성 재료의 재질과 상술한 검출 코어의 최종 형상을 고려하여 검출 코어를 구성하는 부재의 수량과 가공 방법을 선택하면 생산성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 퍼멀로이 등과 같은 금속 재료의 경우에는 프레스 가공 또는 선반 가공 등의 기계적 가공을 적절히 조합할 수 있고, 연성 페라이트의 경우에는 프레스 성형을 채택하여 원하는 형상의 검출 코어 부재를 쉽게 얻을 수 있다.

본 발명의 직류 전류 센서에 있어서, 검출 코어(51)의 자기 포화에 관하여는, 예컨대, 검출 코어(51) 전체에 걸쳐 완전한 포화가 이루어지지 않더라도 거의 포화 상태로 할 수 있다면 목적으로 하는 검출이 달성될 수 있다.

따라서, 연자성 재료의 모양과 크기, 검출 코일과 여자 코일의 권선수 및 연자성 재료의 재질을 최적 조건으로 선택함으로써 보다 실용성이 높은 센서를 제공할 수 있다.

또한, 퍼멀로이, 무방향성 규소 강판 등으로 이루어진 차폐 케이스로 본 발명의 직류 전류 센서를 에워쌈으로써 외부 유도 잡음을 방지할 수 있과 보다 안정된 검출을 할 수 있다.

상술한 구성 중 어느 구성에서도 검출 코어 안쪽을 관통하는 피검출 도선은 하나로만 제한되지는 않으며, 요구되는 센서의 크기에 따라 복수의 도선이 사용될 수 있다. 그러나 본 발명의 직류 전류 센서의 효과는 하나의 피검출 도선을 이용함으로써 가장 효율적으로 실현될 수 있다.

또한, 이미 배선이 완료된 피검출 도선에 쉽게 부착될 수 있는 범용성이 높은 직류 전류 센서의 구성으로는 피검출 도선이 코어를 통과할 때 원주 방향의 적어도 한 위치에서 분할될 수 있는 직류 전류 센서를 생각할 수 있다.

제12도에 도시된 실시예는 링형 검출 코어(62)가 반으로 분할되는 예로서, 다음과 같이 구성된다. 연자성 재료 블록으로부터 깎아낸 검출 코어(62)의 몸체를 형성하는 반원형 검출 코어 부재(62a, 62b)내에 권선수가 하나인 여자 코일을 형성한다. 예를 들어, Cu 블록 재료를 가공하여 형성된 반원형 여자 코일 부재(65a, 65b)(여기서, '65'만이 도시 생략)를 삽입한 다음, 검출 코어(62)의 내표면을 형성하는 연자성 재료의 반원형 판(66a, 66b)을 설치하여 링형으로 조립한 후 코어의 외표면과 접촉하고 있는 결속 밴드(67)로 결속한다. 또한 반원형 여자 코일 부재(65a, 65b)의 한쪽면에 조임용 돌출부(68a, 68b)를 설치하고 이것을 볼트에 의해 단단히 조여지도록 하고, 다른쪽 면에는 코어의 외측(검출 코어 부재(62a)내에 개방된 나사 구멍(62c)을 참조)으로부터 삽입되는 나사(69)로 반원형 여자 코일 부재(65a,65b)를 단단히 조여서, 한쌍의 반원형 여자 코일 부재(65a, 65b)가 단단히 고정되게 한다.

검출 코어(62)의 구성 부재(62a, 62b,66a, 66b)와 반원형의 여자 코일 부재(65a, 65b)사이를 확실히 절연시키기 위해, 예컨대 코일 부재(65a, 65b)의 맞댐 접촉부 사이에 절연판(68c)을 삽입하는 것 이외에도 이 맞댐 접촉부를 제외한 코일 부재(65a, 65b)의 표면에 절연 물질을 코팅할 수 있다.

조립된 반원형의 검출 코어 주위에 검출 코일(63a, 63b)이 감겨지고 단단히 고정된 돌출부(68a, 68b)사이에서 여자 코일이 여자된다.

이같은 구성에 의하면, 여자 코일은 권선수가 실질적으로 1회이기 때문에, 임피던스 정합 변압기를 통해 돌출부(68a, 68b) 부근을 여자시킴으로써 제1도의 구성과 동일한 동작효과를 얻을수 있다.

제12도의 구성에서는, 비록 여자 코일을 구성하는 반원형 여자 코일 부재(65a, 65b)의 접촉 면적이 충분히 크고, 요구되는 여자 작용을 실현할 수 있지만, 검출 코어(62)를 구성하는 검출 코어 부재(62a, 62b)와의 접촉 면적이 작기 때문에 자기 저항을 줄이는 것이 어렵게되어 검출감도가 저하되기 쉽다. 제12도에 도시된 구성를 개량한 구성르로서, 제13도에 도시된 직류 전류 센서가 제안된다.

제13도에 도시된 구성예는 둘로 분할된 원통형 코어를 사용하여 구성된다. 검출 코어(70)는 말발굽 모양의 검출 코어 부재(71, 72)를 결합하여 타원 모양으로 형성되는데, 도면의 좌측에 있는 말발굽 모양의 검출 코어 부재(71)는 분리판에 의해 상부 섹션과 하부 섹션으로 나누어진 한쌍의 말발굽 모양의 원통을 수직으로 적층하여 구성된 일체형 검출 코어 부재이다. 비록 이 검출 코어 부재는 그 단면이 U자형인 재료와 분리판으로 형성되지만 제13(b)도에 도시된 바와 같이 타원형 코일을 절곡시켜 형성한 여자 코일(73)이 그 안에 들어간다.

또 다른 말발굽 모양의 검출 코어 부재(72)는 그 사이에 소정의 갭이 형성된 한쌍의 말발굽 모양의 원통에 의해 구성된 분리형 검출 코어 부재이다. 도면에서 덮개 판재와 단면이 U자인 홈(groove) 부재로 형성된 한쌍의 검출 코어 부재(72a, 72b)가 병렬로 배치되고, 내부에는 제13(b)도에 도시된 바와 같이 타원형 코일을 절곡하여 이 절곡부가 조립시 검출 코어(70)의 외측부에 위치하도록 형성된 여자 코일 부재(74)가 들어가 있고, 말발굽 모양의 검출 코어 부재(71)에 맞대어 일체화할 때 이 검출 코어 부재가 한쌍의 검출 코어 부재(72a, 72b)에 의해 고정되도록 구성한다.

도면에서, 검출 코일부(75)는 일체형 검출 코어 부재(71) 주위에 토로이달 형태로 감기고, 참조 번호'76'은 분리형 검출 코어 부재(72) 주위에 토로이달 형태로 감겨지는 검출 코일부를 나타낸다.

말발굽 모양의 검출 코어 부재(71)의 한쌍의 U자형 재료 및 분리판의 경우, 이 분리판의 두께는 U자형 재료의 약 두배가 되는 것이 바람직하다. 검출 코어 부재(72a, 72b)사이에 소정 크기로 구성되는 비자성 유지 부재(도시 생략)를 배치함으로써 검출 코어 부재(71)와의 일체가 용이해지며 보다 편리하게 취급할 수 있다.

분리된 검출 코어에 여자 코일을 배치하지 않고 여자 코일이 독립적으로 감겨지는 구성을 채용함으로써 일체구성을 위해 검출 코어의 여자 코일을 접속할 필요가 없다.

즉, 분리된 검출 코어 부재(71)의 공동부를 코어와 동일한 재료로 2 또는 그 이상의 섹션으로 분리하고, 분리된 공동부 속에 여자 코일(73)을 감음으로써 제1도에 도시된 여자 코일(53)과 같이 검출 코어 부재(71)는 길이 방향의 수직방향과 원주 방향에 걸쳐 주기적으로 자기적으로 포화된다.

또한, 검출 코어부재(72a, 72b)에 있어서도, 공동부에 감겨있는 여자 코일(74)에 의해, 코어부재(72a, 72b)는 검출 코어 부재(71)와 같이 그 전체가 주기적으로 자기적으로 포화될 수 있다.

한편, 이러한 구성에서 다른 검출 코어 부재(72a, 72b)사이에 검출 코어 부재(71)를 삽입하고 수직으로 단단히 결합하여 일체화함으로써 접합부의 자기 저항을 줄일 수 있다.

즉, 검출 코어 부재(72, 72)의 중첩 및 접촉 영역을 증가시킬 수 없고, 제12도의 구성에 비해 접촉부에서의 자기저항이 상당히 줄어들고 제1도에 도시된 일체형 코어를 이용한 경우와 거의 동일한 수준의 검출 감도를 달성할 수 있다.

상기 도시된 분리형 직류 전류 센서는 매우 간단하여 이미 배선 완료된 피검출 도선에 장착 가능하고 다양한 용도로 사용할 수 있다. 따라서 전술한 일체형가 동일한 동작 효과가 달성되며 전술한 구성과는 다른 코어 분리형 구성을 적절하게 채용할 수도 있다.

[실시예 1]

제5(a)도와 제5(c)도에 도시된 검출 코어 부재(51a, 51b)는 퍼멀로이 C(78% Ni-5%Mo-4%Cu-Ba/Fe)로 구성된 블록재로부터 절삭하여 성형하였다. 그 결과 검출 코어 부재(51a, 51b)의 두께는 1.0mm이었다.

검출 코어 부재(51a)는 검출 코어(51)의 바깥쪽 원통부를 구성하며 바닥이 형성된 원통형상을 이루고 있고 바닥 중앙에 관통 구멍이 뚫려 있다. 검출 코어부재(51c)는 검출 코어(51)의 안쪽 원통부를 구성하고 원통의 한쪽 부분 주위에 칼라(collar)를 갖는다. 각 요소의 대략적인 크기는 다음과 같다. 검출 코어 부재(51a)는 외경 D₁= 20mm, 내경D₂= 10mm, 높이H₁= 9mm이며, 검출 코어 부재(51c)는 외경D₄= 20mm, 내경 D₅= 10mm, 높이 H₁= 9mm이다.

검출 코어 부재(51a, 51b)를 1100℃의 수소 가스 분위기에서 3시간 동안 열처리한 후 600℃~400℃에서 100℃/시간으로 다단계 냉각 처리를 하는 열처리를 실시하였다.

제5(b)도에 도시된 외경 D₃= 15mm이고 높이H₁= 7mm인 플라스틱 보빈(51b) 주위에 외경이 0.2mm인 에나멜선으로 구성된 여자 코일(53)을 100회 감은 후 검출 코어 부재(51c) 주위에 플라스틱 보빈(51b)을 끼우고 검출 검출 코어 부재(51a)를 덮어 일체화하였다. 즉, 여자 코일(53)이 감긴 플라스틱 보빈(51b)을 포함하는 검출코어(51)는 검출 코어 부재(51a)와 검출 코어 부재(51c)에 의해 구성 되었다.

플라스틱 케이스(도시생략) 내에 검출코어(51)를 넣어서 확실히 전기절연 시킨후, 제1도에 도시된 바와 같이 플라스틱 케이스(검출 코어 51) 주위에 0.1mm외경의 에나멜선으로 구성된 검출 코일(54)을 토로이달 형태로 300회 감았고 8mm외경의 비닐 피복으로 이루어진 피검출 도선(1)을 검출 코어(51)의 안쪽을 관통하도록 하여 제1도에 도시된 본 발명의 직류 전류 센서를 완성하였다.

이와 같이 구성된 본원 발명의 직류 전류 센서에서, fo=500Hz이고 1Vrms인 교류 신호를 여자 코일(53)에 인가하였을 때 0.1Arms의 여자 전류가 생성되었다. 이때 ±5㎃의 미세 전류를 피검출 도선에 인가하여 검출 코일(54)에 발생하는 f=1000Hz (f=2fo)의 교류 전류를 측정하였을 때 제6도에 도시된 검출 결과를 얻었다.

제5도에 도시된 구성은 처리용 불록재로부터 형성되었기 때문에, 코어 두께, 즉 단면적이 크고 코어 내의 자속이 증가하여 출력이 커지는 효과가 있다.

[실시예 2]

실시예 1의 직류 전류 센서를 이용하고 여자 코일(53)에 최종적으로 인가된 여자 전류의 두배 주파수의 여자 전류를 생성하는 발진기를 갖는 교류 전류 인가 수단과 위상 비교 회로를 여자 코일(53)과 검출 코일(54) 상에 배치하고 제1 실시예와 동일한 여자 신호를 상기 발진지에서 여자 코일(53)로 인가함과 동시에, 30㎐, 0.1㎃(피크값)의 사인파 교류 전류를 인가함으로써, 검출 코일(54)이 여자 코일의 역할을 하도록 만들고, 다시 피검출 도선(1)에 ±50㎃ 범위의 직류 전류 I를 흘렸을 때, 위상 비교 회로를 통해 출력되는 검출 코일(3)의 유도 기전력(출력)으로부터 30㎐의 교류 성분을 저역 필터에 의해 제거한 후의 출력 변화값을 측정하였다. 그 결과, 1㎃를 10이상의 S/N 비로 검출할 수 있음이 확인되었다.

본 발명의 직류 전류 센서에 따른 상기 측정 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 검출 코어(51)의 구성이 매우 간단함에도 불구하고, 왕복 전류로 인한 오차 출력은 매우 작으며, 1㎃의 미세 전류인 경우에도 오차 출력이 10배 이상의 S/N 비로 측정될 수 있다. 따라서 매우 고감도의 검출이 가능해진다.

「실시예 3」

제14(a)도와 제14(c)도에 도시된 바와 같이, 0.35mm 두께의 퍼멀로이 C(78Ni-3.5Mo-4.5Cu-Fe)로 이루어진 판재의 한쪽끝을 프레스 성형하여 안쪽과 바깥쪽을 구부려서 함께 조립되면 원통을 형성하는 내부 원통(80)과 외부 원통(81)을 제조하고, 조립된 원통을 트리클린(triclene)으로 세척한 후 자기 특성을 갖도록 열처리한 다음, 1000℃에서 H₂가스로 3시간 동안 가열하고 600℃~400℃에서 100℃/시간으로 냉각하였다.

또한, 제14(b)도에 도시된 바와 같이, 내경이 25.5mm이고, 두께가 0.2mm이며, 길이가 7mm인 솔레노이드 방식의 플라스틱 보빈(82) 둘레에 0.18mm 직경의 에나멜선을 100회 감아, 상업적으로 입수가능한 순간 접착제를 주입하여 권선을 견고히 함으로써 여자 코일(83)을 제조하였다.

제14도에 도시된 바와 같이 내부 원통(80)과 외부 원통(81)을 결합을 목적으로 상하에서 여자 코일(83)에 삽입하여 제15(B)도에 도시된 바와 같이 여자 코일(83)을 내장한 검출 코어(84)를 제조하였다.

내부 원통(80)과 외부 원통(81)의 접촉부는 시판되는 순간 접착제에 의해 고착화된다.

또한, 제15도(b)도의 검출 코어(84)의 변형을 방지하기 위해 제15(a)도와 제15(c)도에 도시된 플라스틱 케이스(85, 86)로 검출 코어(84)를 덮은 후에 변조 코일 겸용으로 사용되는 검출 코일(87)로서 0.18mm직경의 에나멜선을 토로이달 형상으로 300회 감아 제16도에 나타낸 본 발명에 의한 직류 전류 센서를 제작하였다.

발진기를 직류 전류 센서의 여자 코일에 접속하였고, 광대역 교류 전압계를 공진 주파수 fo = 7㎑, Q = 5의 대역통과 필터를 통해 변조 코일 겸용 검출 코일에 접속하고, 직류 전원에 접속되는 도선을 검출 코어 안쪽을 통과하도록 배치하였다. 3.5㎑와 10Vrms의 교류 신호를 여자 코일에 하였을 때 25㎃rms의 전류가 발생되었다. 코어를 자화 소거한 후 출력 전압을 측정하였을 때, 이것은 제17도의 점 P(약 10㎷rms)로 나타났고, 관통전류를 공급했을 때 출력 전압은 P로부터 Q까지의 거의 선형적으로 증가하였다.

관통 전류 I가 10㎃일 때, 출력 전압은 200㎷이었다. 관통 전류를 1A로 증가 시킨 후 다시 10㎃의 관통 전류를 공급했을 때, 출력 전압이 2~3㎷ 만큼 증가하지만 대략 초기값과 동일한 값을 나타냈다.

그 후, 전류를 줄이면, QO'의 궤적이 얻어지고, O'때의 잔류 출력이 약 25㎷이므로 전류의 방향이 반전되면 I = -1㎃에서 최소값(약 10㎷) 이 취해지고, 지점 R을 지난 다음, 출력은 다시 증가한다. (I = -10㎃에서 200㎷rms), 그 후, 전류를 -10㎃에서 +10㎃로 변환시키면, 출력은 경로 SO'TQ를 따라 변한다.

따라서, 본 발명의 직류 전류 센서에 따르면, 검출 코어(2) 재료의 히스테리시스의 영향이 일정하고 출력 특성이 피검출 도선에 흐르는 전류 I와 거의 선형적으로 비례함으로써 직류 전류의 검출능력이 우수함을 알 수 있다.

[실시예 4]

실시예 3과 동일한 방법으로 0.1mm 직경의 에나멜선을 3.5mm 높이의 종이 보빈 둘레에 100회 감아서 여자 코일을 만들고, 이 여자 코일을 0.25mm 두께의 퍼멀로이 재료 C로 구성되는 높이 5mm, 내경 25mm 및 외경 31mm의 검출 코어에 집어 넣고, 다시 이것을 플라스틱 케이스에 넣은후 0.1mm 직경의 에나멜선을 300회감아 변조 코일 겸용 검출 코일을 형성하여, 높이 8mm, 내경 22mm 및 외경 34mm의 직류 전류 센서를 얻었다.

다음에, 직류 전류 센서의 여자 코일과 검출 코일을 제18도에 도시된 회로로 구성되는 검출회로에 접속하고, 직류 전원에 접속된 도선을 검출 코어 내를 관통하도록 배치하였다.

구체적으로 설명하면, 10㎑의 직사각형 파가 ½분할 회로, LPF(저역 통과 필터), 위상 시프터(PS) 및 전력 증폭기(PA)를 통해 발진기(G)로부터 여자 코일에 입력되고, 5㎑ 및 7Vrms의 교류 전류를 여자 코일에 인가하였을 때 20㎃rms의 전류가 발생하였다. 또한, 10Hz의 삼각파가 함수 발생기(FG)로부터 변조 코일 겸용 검출 코일에 공급되고, 이때 삼각파 전류의 피크값은 0.5㎃이고, 그리고 검출 코일의 출력(Vout)이 다이오드 리미터, 대역 통과 필터(BPF) 및 위상 검파기를 통해 카운터(U/D·C)에 입력되어 디스플레이(D) 사에 숫자로 표시되는 구성이다.

이하에서 상기 설명된 바와 같이 구성된 직류 전류 센서의 동작원리를 도면을 참고로 설명한다.

제19도는 피검출 도선(1)에 전류 I가 흐르지 않는 상태에서 검출 코일에서 발생되는 출력의 설명도이다.

방향 및 강도가 선형적 및 주기적으로 변하는 삼각파형 전류를 검출 코일에 공급하면, 제19(a)도에 도시된 바와 같은 자속 ( ₃)이 검출 코어에 발생되고, 제19(b)도에 도시된 바와 같은 기전력이 검출 코일에 발생된다. 도면에서, 화살표의 방향은 기전력의 위상을 나타내고, 제19(b)도에서 a-b와 b-c 간의 위상차는 180°이다. 본 발명의 동작 원리를 이해하기 쉽도록, 제20(a)도에 도시된 바와 같은 위상차를 갖는 기전력으 위상방향도 제20(b)도에 도시된 바와 같이 화살표로 표시된다 (제21도의 설명에서도 동일하다)

제19(b)도에 도시된 기전력을 리미터를 통과시켜 파고 제한을 가한 경우 제19(c)도에도시된 바와 같이 출력이 얻어지고, 이 출력을 위상 검파함으로써 제19(d)도에 도시된 바와 같은 출력이 얻어진다.

제19(d)도에서, 정측(+)의 출력 시간(T₁)과 부측(-)의 출력 시간(T₂)을 측정하고 이들의 시간비(듀티비)를 검출한다.

전류 I가 피검출 도선(1)에 흐르지 않는 상태에서 제19(d)도에 도시된 바와 같이 정측(+) 출력 시간(T₁)과 부측(-)의 출력 시간(T₂)이 동일하므로 그들의 차(T₁-T₂)는 0이다.

제20도는 피검출 도선(1)에 전류 I가 흐르는 상태에서 검출 코일에서 발생되는 출력을 설명하는 도면이다.

주기적으로 방향과 강도가 선형적으로 변하는 삼각파형 전류가 검출 코일에 공급되면, 제21(a)도에 도시된 바와 같은 자속( ₄)이 검출 코어(2)에 발생되고, 제21도(b)도에 도시된 바와 같은 기전력이 검출 코일에 발생된다. 즉, 삼각파형 전류에 의해 발생되는 자속과 피검출 도선(1)에 의해 발생되는 자속은 중첩된다( ₄= ₃+ ₀).

제21(b)도에 도시된 바와 같은 기전력을 리미터에 통과시켜 파고를 제한한 경우, 제21(c)도에 도시된 바와 같은 출력이 얻어지고, 이 출력의 위상 검파함으로써 제21(d)도에 도시된 바와 같은 출력이 얻어진다.

제21(d)도에서, 정측(+)출력 시간(T₁)과 부측(-)의 출력 시간(T₂)을 측정하고 시간비(듀티비)를 검출한다.

전류 I가 피검출 도선(1)에 흐르는 경우에는 제21(d)도에 도시된 바와 같이 정측(+)의 출력 시간(T₁)과 부측(-)의 출력 시간(T₂)보다 더 길어져 그들의 차(T₁-T₂)는 정(T₁-T₂＞ 0)이다.

이 차(T₁-T₂)는 피검출 도선을 통해 흐르는 전류 I에 비례하기 때문에, 전류 I의 절대값은 검출값과 앞서의 전류 I의 상관 관계를 측정함으로써 알 수 있다.

또한, 상기 차(T₁-T₂)는 정(T₁-T₂＞ 0)인지 부(T₁-T₂＞ 0)인지 그리고 앞서 피검출 도선을 통해 흐르는 전류 I의 방향을 확인하고 설정함으로써 전류 I의 방향과 절대값을 동시에 검출할 수 있다.

또한, 검출 코일에 공급된 전류의 최대값이 검출 코어 재료의 보자력 (±HC)을 초과하는 자계를 발생시키기에 충분하도록 설정되면, 검출 코어(2) 재료의 히스테리시스에 의해 발생되는 출력특성 히스테리시스를 줄일 수 있다.

즉, 제19도와 제20도를 참조로 설명한 동작 원리에 다시 검출 코어(2) 재료의 보자력을 고려하여 검토하면, 검출 코어에서 발생되는 자속은 직사각형 파형을 나타내고, 검출 코어에서 최종적으로 발생되는 출력도 동일한 특성을 나타낸다.

전류 I가 피검출 도선(1)에 흐르지 않고, 삼각파형 전류가 검출 코일에 공급되면, 제22(b)도에 도시된 H₃과 같은 자계가 검출 코어(2)에 인가된다. 이 때, 검출 코어(2)에서 발생되는 자속은 제22(a)도에 도시된 바와 같은 검출 코어(2)의 히스테리시스에 의해 제22(c)도에 도시된 바와 같이 시간의 변화에 따라 그것의 방향이 변하는 (반전하는)그러한 것이다.

이 경우에, 정측(+)의 자속의 발생 시간(T₁)과 부측(-)의 자속의 발생 시간(T₂)은 동일하고, 그 차 (T₁-T₂)는 0이다.

한편, 전류 I가 피검출 도선(1)에 흐르고, 삼각파형 전류를 검출 코일에 흘리면, 제22(b)도에 도시된 H4와 같은 자계가 검출 코어에 공급된다. 이 때, 검출 코어에서 발생되는 자속은 제22(a)도에 도시된 바와 같은 검출 코어의 히스테리시스에 의해 제22(d)도에 도시된 바와 같이 시간의 변화에 따라 그것의 방향이 변화하는(반전하는) 그러한 것이다.

이 경우에, 정측(+)의 자속의 발생 시간(T₁)과 부측(-)의 자속의 발생 시간(T₂)보다 길어서 차(T₁-T₂)는 정(T₁-T₂＞ 9)이 된다.

제19도와 제20도의 설명으로부터 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 제22(c)도와 제22(d)도에 도시된 자속에 의해 검출 코일에 발생된 기전력을 파고치 억제용 리미터를 통과시킨 후 위상 검출함으로써 얻어지는 출력 특성을 제22(c)도와 제22(d)도에 도시하면, 동일한 출력 시간 특성을 나타낸다.

따라서, 검출 코일에 공급되는 전류의 최대값을 검출 코어 재료의 보자력을 초과하는 자계를 발생시킬 정도로 크게 설정함으로써 검출 코어 재료의 히스테리시스의 영향은 일정하게 되고 (항상 동일한 히스테리시스 루프를 따라감), 그리고 그 차(T₁-T₂)가 피검출 도선을 통해 흐르는 전류I에 비례하기 때문에 최종적으로 얻어지는 출력 특성은 선형적이다.

제18도에 도시된 상기한 검출 회로에 의해 그차(T₁-T₂)를 측정했을 때, 제23(a)도에 도시된 바와 같은 특성이 얻어졌다. 이제, 출력(Vout)에 의해 업다운 카운터를 동작시키고 15㎑의 펄스를 공급한 다음, 펄스 카운트 수에 의해 차(T₁-T₂)를 읽음으로서 얻어지는 판독값과 관통 전류간의 관계가 제23(b)도에 도시된다.

제23도에 도시된 바와 같이, 1㎃ 이하에서도 거의 선형적이고 오차가 ±0.1㎃이므로 미세 전류에서 매우 바람직한 측정 정확도가 얻어진다.

Claims

원주 방향으로 지나가는 공동부(52)가 내측에 형성된 환상의 연자성 재료로 구성되는 검출 코어(2, 51)와, 상기 공동부(52)에 원주 방향으로 감겨져 배치되는 여자 코일(5, 53)과, 상기 검출 코어 둘레에 토로이달(toroidal) 형태로 감겨있는 검출 코일(3, 54)과, 상기 검출 코어의 중앙을 통과하며 비접촉식 검출을 위한 직류 전류가 흐르는 피검출 도선(1)과, 원주 방향과 이 원주 방향의 수직 방향으로 상기 검출 코어 전체를 주기적으로 자기 포화시키기 위해 상기 여자 코일에 여자 전류를 공급하는 교류 전류 공급 수단을 구비하며, 상기 검출 코어에서 발생된 자속은 상기 피검출 도선을 통해 흐르는 직류 전류에 따라 변조되고, 상기 피검출 도선의 직류 전류는 상기 여자 코일에 여자됨에 따라 검출되며, 상기 검출 코일에는 상기 여자 전류보다 주파수가 2배 더 큰 기전력이 출력되어 상기 피검출 도선에 흐르는 직류 전류가 검출되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제1항에 있어서, 상기 교류 전류 공급 수단은 여자 전류의 2배의 주파수로 발진기로부터 출력되는 여자 전류의 주파수를 절반으로 분할하고 이 여자 전류를 이용하여 검출 코어를 원주 방향과 이 원주 방향의 수직 방향으로 주기적으로 자기 포화시키고, 피검출 도선을 통해 흐르는 직류 전류에 기초하여 검출 코어에서 발생된 자속을 변조하는 변조 수단과, 발진기의 출력과 여자 전류의 2배의 주파수를 갖는 기전력을 출력하는 검출 코일의 출력간의 위상차를 검출하는 위상 비교 수단을 추가로 구비하고, 피검출 도선을 통해 흐르는 직류 전류 절대값 및/또는 방향이 검출되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제1항에 있어서, 선형적 및 주기적으로 그 방향과 세기가 변하는 자속을 검출 코어에 공급하고, 피검출 도선에 흐르는 직류 전류에 기초하여 검출 코에에서 발생된 자속의 공급에 의해 변하는 검출 코일의 정측(+)의 출력 시간과 부측(-)의 출력 시간간의 차를 검출하는 검출 수단을 추가로 구비하고, 이에 의해 피검출 도선을 통해 흐르는 직류 전류 절대값 및/또는 방향이 검출되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제1항에 있어서, 피검출 도선과 동일한 방향으로 통과되는 변조 코일을 추가로 구비하고, 이에 의해 상기 변조 코일에 의해 발생되는 교번 자계가 검출 코일상에 중첩되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제4항에 있어서, 상기 변조 코일과 검출 코일은 일체형으로서 공통으로 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제1항에 있어서, 상기 검출 코어는 바닥이 있는 원통의 상기 바닥 중앙에 관통 구멍이 뚫린 외부 원통과 상기 원통의 한쪽끝 둘레에 칼라(collar)부를 갖는 내부 원통으로 형성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제1항에 있어서, 상기 검출 코어는 한쪽끝이 바깥쪽으로 구부러진 내부 원통과 한쪽끝이 안쪽으로 구부러진 외부 원통을 형성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제1항에 있어서, 상기 검출 코어는 한 종류 이상의 퍼멀로이, 규소 강판, 비정질, 전자기 연철 및 연성 페라이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제6항에 있어서, 상기 외부 원통의 바깥 부분은 퍼멀로이 또는 배향성이 없는 규소 강판으로 구성되는 차폐 케이스에 의해 둘러 싸여지는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제1항에 있어서, 상기 검출 코어는 피검출 도선이 검출 코어를 통과할 때 원주 방향의 적어도 한 위치에서 분할되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제10항에 있어서, 상기 여자 코일은 한쌍의 반원 구리(Cu) 블록 여자 코일 부재로 구성되고, 검출 코어는 상긱 여자 코일 부재를 둘러싸도록 배치되는 한쌍의 반원판과 한쌍의 반원 검출 코어 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제10항에 있어서, 상기 검출 코어는 한쌍의 말발굽 모양의 원통을 수직으로 적층하여 일체화함으로써 형성되는 일체형 검출 코어 부재와, 한쌍의 말발굽 모양의 원통이 소정의 갭을 형성하도록 배치되어 상기 일체형 검출 코어 부재를 그 사이에 고정시키는 분리형 검출 코어 부재로 형성되고, 여자 코일은 상기 일체형 검출 코어 부재와 분리형 검출 코어 부재를 구성하는 말발굽 모양의 원통을 통해 지나가도록 배치되고 구부러진 한쌍의 독립된 여자 코일부로 구성되고, 상기 검출 코일은 상기 일체형 검출 코어 부재와 분리형 검출 코어 부재 둘레에 토로이달 형태로 감겨지는 한쌍의 독립된 검출 코일부로 형성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.
제12항에 있어서, 일체형 검출 코어 부재는 단면이 U자형인 한쌍의 부재와 분할판으로 형성되고, 분리형 검출 코어 부재를 구성하는 말발굽 모양의 원통은 각각 단면이 U자형인 홈 부재와 덮개 판재에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 센서.