KR200367061Y1 - 자기 브리지형 전류센서 - Google Patents

Abstract

본 고안은 자기 브리지형 전류센서에 관한 것으로서, 검출감도가 향상되고 피검출전류값의 범위가 광대역의 선형구간을 지니는 우수한 검출특성의 자기 브리지형 전류센서를 제공한다.

본 고안에 의하면, 양단을 지니는 중각 자기회로와 상기 중각 자기회로의 상기 양단에 각 양단이 연결되는 두개의 외각 자기회로로 구성되고, 상기 중각 자기회로에는 여자수단이, 상기 외각 자기회로에는 자속검출수단이 각각 배설되며, 상기 중각 자기회로 및 상기 외각 자기회로에 의해 포위되어 형성되는 창부를 관통하도록 피검출도선을 배치하여 상기 자속검출수단으로 피검출전류를 검출하는 자기 브리지형 전류센서에 있어서, 상기 중각 자기회로에 공기층 등으로 되는 홀 형상의 플럭스 배리어(Flux Barrier)를 형성한다. 이로써, 상기 여자수단에 의한 여자자속이 크게 감소되어 상기 피검출전류에 의한 자속에 따른 변화에 대한 민감도가 크게 향상된다.

Description

자기 브리지형 전류센서 {MAGNETIC BRIDGE TYPE CURRENT SENSOR}

본 고안은 자기 브리지형 전류센서에 관한 것으로, 특히 플럭스 배리어(Flux Barrier)가 형성된 자기 브리지형 전류센서에 관한 것이다.

일반적으로 도선에 흐르는 교류전류를 측정하기 위해서는 통상의 변류기(CT: Current Transformer)가 전류센서로서 자주 사용된다.

이러한 변류기는 피검출 도선을 절연상태로 유지하면서, 즉 비접촉 상태를 유지하면서 피검출 도선에 흐르는 전류를 측정하므로, 상당히 편리하다는 장점을 가진다. 그러나, 변류기는 직류는 물론이고, 거의 "0"값인 주파수를 가지는 교류전류, 또는 직류와 교류가 중첩되는 맥류전류(Pulsating Current) 등의 검출은 불가능하다는 단점이 있다.

따라서, 이러한 변류기를 대체하기 위한 센서로서 홀 소자형, 자기앰프형, 자기 멀티바이브레이터 형, 자속반전 시간차 형 등의 센서가 제안되었으나, 모두 피검출 도선의 1 권회수당 전류 검출감도가 나쁘거나, 또는 구조가 매우 복잡하여 실용화가 어렵다는 문제점들을 가졌다.

이에, 최근 개발된 자기 브리지(Magnetic Bridge)형 전류센서는 자기 브리지 작용을 이용하여 피검출 전류의 미약한 자계로써 브리지의 평형상태를 깨뜨려 전류를 검출하는 방법을 이용하여 전류검출의 고감도 특성을 달성함으로써 상기와 같은 문제점을 해결하였다.

상기 자기 브리지형 전류센서는 고감도이므로, 미약한 전류에도 고정밀의 측정이 가능하고, 직류 또는 교류가 중첩되어 있는 경우에도 개별적으로 또는 종합적으로 측정할 수 있다. 또한, 노이즈의 영향이 없고 클램프 식으로의 제작이 가능하며, 전선이외의 분야에도 응용이 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 종래 자기 브리지형 전류센서에 있어서 자기 브리지의 사시도이며, 도 1b는 그 등가회로도이다.

종래의 자기 브리지는 중각(中脚) 자기회로(1)와, 상기 중각 자기회로(1)의 양 끝단이 접속되는 외각(外脚) 자기회로(2a, 2b)와, 상기 외각 자기회로(2a, 2b)에 배설되는 여자코일(3a, 3b)과, 이를 구동하기 위한 구동수단(미도시)과, 자속 검출코일(4)과, 검출회로(미도시)와, 평형복원코일(5) 및 이를 구동하기 위한 구동수단(미도시)로 구성된다. 그리고, 상기 중각 자기회로(1) 및 외각 자기회로(2a, 2b)는 페라이트, 규소동판, 아몰퍼스, 퍼머로이 등의 자성재료로서 형성된다.

도 1b는 종래 자기 브리지형 전류센서에 있어서 자기브리지의 등가회로를 나타낸 것으로서, 상기 외각 자기회로(2a, 2b)를 각각 2개의 자기회로(21a, 21b, 22a, 22b)로 나누고, 각각의 자기저항 R_ma및 R_mb를 R_ma＝R_{ma 1}＋R_{ma 2}및 R_mb＝R_{mb 1}＋R_{mb 2}로나누어 표기한 것이다.

그럼, 상기 자기 브리지의 동작을 간략히 설명하면 다음과 같다.

먼저 여자코일(3a)에 의하여 외각 자기회로(2a)를 여자하면, 상기 외각 자기회로(2a)로부터 중각 자기회로(1)에 유입되는 교류자속(이하, "제 1 여자자속"이라 한다)이 발생된다. 그리고, 마찬가지로 여자코일(3b)에 의하여 외각 자기회로(2b)를 여자하면, 상기 외각 자기회로(2b)로부터 중각 자기회로(1)에 유입되는 교류자속(이하, "제 2 여자자속"이라 한다)이 발생된다.

이 때, 상기 제 1, 2 여자자속을 동일한 크기를 지니면서도 반대방향으로 되도록 상기 여자코일(3a, 3b)의 기자력을 결정하여 여자하면, 결국 상기 중각 자기회로(1)에 유입되는 총 자속의 값은 "0"으로 되어, 상기 중각 자기회로(1) 내에는 자속이 존재하지 않는 소위 자기평형상태로 된다.

그러나, 피검출 도선(6)이 도 1에서 도시하는 바와 같이 각각의 중각 및 외각 자기회로(1, 2a, 2b)가 형성하는 각각의 창부를 관통하도록 배치되면, 상기 피검출 도선(6)에 흐르는 피검출 전류에 의하여 자기 브리지에 새로운 직류자속이 발생하게 된다.

즉, 자기평형상태를 이루고 있는 자기 브리지에 있어서 외각 자기회로(2a, 2b)에 시계방향으로 자속이 흐르는 경우에는 외각 자기회로(2a)에서는 상기 피검출 전류에 의한 자속과 여자코일(3a)의 여자자속이 동일한 방향으로 되어 자속이 증대된다. 또한, 다른 한 편의 외각 자기회로(2b)에서는 상기 피검출 전류에 의한 자속과 여자코일(3b)의 여자자속이 역방향으로 되어 자속이 감소한다. 따라서, 자기평형상태가 붕괴되어 결국 중각 자기회로(1)에는 자속이 발생된다.

이 때, 평형복원코일(5)은 피검출 도선(6)을 권회한 위치의 자기회로에서 자속을 발생시키는 여자수단으로서 자기평형상태를 재현하게 된다. 즉, 상기 평형복원코일(5)에 평형복원전류를 흐르게 할 때, 만일 상기 평형복원전류에 의해서 발생되는 자속의 크기가 피검출 전류에 의한 자속과 동일하고, 자속의 방향이 피검출 전류에 의한 자속과 반대로 되면, 결국 자기 브리지는 다시 원래의 자기평형상태로 되돌아가게 된다.

이 때, 평형복원코일(5) 및 피검출 도선(6)의 권회수는 이미 알고 있는 것이므로, 자기평형상태의 재현 시 상기 평형복원코일(5)에 흐르는 평형복원전류를 검출하면, 결국 피검출 전류값을 측정할 수 있게 된다. 즉, 측정되는 피검출 전류값은 상기 평형복원전류를 평형복원코일(5)과 피검출도선(6)의 권선비에 곱한 값으로 된다.

도 2a는 종래 자기 브리지형 전류센서에 있어서 피검출전류가 20mA일 때 자속검출코일에 유기되는 역기전력 특성을 나타내고, 도 2b는 여자전류가 1mA일 때 피검출전류의 변화에 따른 역기전력 특성을 나타낸다.

이를 보면, 종래의 자기 브리지형 전류센서는 검출감도가 낮으며, 또한 검출이 가능한 영역에 있어서도 피검출 전류에 따라 출력되는 역기전력 특성이 선형으로 되는 구간의 범위가 작다는 단점을 가짐을 알 수 있다. 즉, 선형적으로 검출이 가능한 피검출 전류값의 범위가 50 내지 300mA에 불과하여 좁은 범위내의 피검출 전류값만이 안정되게 측정이 가능하므로, 실용화에 제약이 따른다는 문제점이 있어이에 대한 개선이 필요하다.

이에, 본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 검출감도가 향상되고 피검출전류값의 범위가 광대역의 선형구간을 지니는 우수한 검출특성의 자기 브리지형 전류센서의 구조를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 자기 브리지형 전류센서에 있어서 자기 브리지의 사시도.

도 1b는 그 등가회로도.

도 2a는 종래 자기 브리지형 전류센서에 있어서 피검출전류가 20mA일 때 자속검출코일에 유기되는 역기전력 특성을 나타내는 그래프.

도 2b는 종래 자기 브리지형 전류센서에 있어서 여자전류가 1mA일 때 피검출전류의 변화에 따른 역기전력 특성을 나타내는 그래프.

도 3a는 본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서의 사시도.

도 3b는 그 평면도.

도 4는 본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서의 자속의 흐름을 설명하기 위한 개략도.

도 5a는 본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서에 있어서 피검출전류가 20mA일 때 자속검출코일에 유기되는 역기전력 특성을 나타내는 그래프.

도 5b는 본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서에 있어서 여자전류가 1mA일 때 피검출전류의 변화에 따른 역기전력 특성을 나타내는 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호설명

10: 자기 브리지형 전류센서 11: 외각 자기회로

12: 중각 자기회로 13: 여자코일

14: 자속검출코일 15: 평형복원코일

16: 피검출도선 17: 플럭스 배리어(Flux Barrier)

121a, 121b, 122a, 122b: 자기회로

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 특징으로서, 본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서는 양단을 지니는 중각 자기회로와, 상기 중각 자기회로의 양단에 각 양단이 연결되는 두개의 외각 자기회로로 구성되고, 상기 중각 자기회로에는 여자수단이 배설됨과 동시에 상기 외각 자기회로에는 자속검출수단이 배설되며, 상기 중각 자기회로 및 상기 두개의 외각 자기회로에 의해 포위되어 형성되는 창부를 관통하도록 피검출도선을 배치하여 상기 자속검출수단으로써 피검출전류를 검출하는 자기 브리지형 전류센서로서, 상기 중각 자기회로는 상기 자기회로를 이루는 재질보다 낮은 투자율을 가지는 재질로 되는 플럭스 배리어(Flux Barrier)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 고안의 다른 특징으로서, 상기 플럭스 배리어는 홀(Hall)의 형상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 고안의 다른 특징으로서, 상기 플럭스 배리어는 공기층으로 되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3a는 본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서의 사시도이고, 도 3b는 그 평면도이다.

먼저, 본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서(10)는 앞서 설명한 도 1b의 등가회로에 따라 구성하여, 각각의 브리지로 이루어지는 자기회로(121a, 121b, 122a, 122b)와, 중각 자기회로(12)를 권회하는 여자코일(13)과, 외각 자기회로(11)를 권회하는 자속검출코일(14) 및 평형복원코일(15)로 구성되며, 피검출도선(16)에 흐르는 직류인 피검출전류를 검출하기 위해 상기 피검출도선(16)은 자기회로(121a, 122b, 11)에 의해 형성되는 창부와, 자기회로(121b, 122a, 11)에 의해 형성되는 창부 중 적어도 어느 하나의 창부를 관통하도록 위치되어진다. 이 때, 상기 외각 자기회로(11)는 그 양 단이 분리가 가능하여, 상기 피검출도선(6)을 상기와 같이 관통하도록 먼저 분리한 후 다시 클램프 결합되어지므로, 상기 피검출도선(6)에 대한 별다른 조작 없이도 비접촉식으로 측정이 가능하다.

이 때, 본 고안의 특징적인 것으로서 상기 여자코일(13)이 권회되는 중각 자기회로(12)에는 홀(Hall) 형상의 플럭스 배리어(Flux Barrier)를 형성하여 공기 저항층을 형성하며, 상기 플럭스 배리어의 길이는 상기 중각 자기회로(12)의 길이를 초과하지 않도록 설계된다. 물론 상기 플럭스 배리어의 폭은 상기 중각 자기회로(12)의 폭에 의하여 제한된다.

또한, 일반적인 장비로서 상기 여자코일(13)을 구동하기 위한 여자구동수단(미도시)과 상기 피검출전류를 측정하기 위한 검출회로(미도시) 및 평형복원코일(15)에 평형복원전류를 흐르게 하는 구동수단(미도시) 등이 별도로 구비되며, 이는통상적으로 관용화된 수단이면 모두 적용 가능하다.

본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서(10)의 동작을 상세히 설명하면, 먼저 브리지로 되는 자기회로(121a, 121b, 122a, 122b)의 자기저항값을 조절하여 여자코일(13)에 의해 발생한 여자자속이 외각 자기회로(11)에 존재하지 않게 되는 소위 자기평형상태를 형성하도록 한다. 즉, 앞서 설명하였듯이 자기 브리지에 있어서 여자코일(13)에 의하여 발생되는 여자자속은 외각 자기회로(11)에서 동일한 크기로서 상호 반대방향으로 중첩되어 결국 외각 자기회로(11)에 흐르는 총 자속값은 "0"으로 되는 소위 자기평형상태가 된다. 이는 도 1b 및 도 3b를 참조하여 자기회로(121a, 121b, 122a, 122b)의 자기저항에 따른 자기평형상태로서 더욱 상세히 설명한다.

도 1b에 있어서 만일 자기 브리지가 자기평형상태가 되었다면, 이 때 각 자기회로(121a, 121b, 122a, 122b)의 자기저항값(R_{ma 1}, R_{ma 2}, R_{mb 1}, R_{mb 2})의 관계식은 R_{ma 1}×R_ma2＝R_mb1×R_mb2를 만족한다. 또한 각 자기저항값은 각 자기회로의 길이(L₁, L₂) 및 폭(W₁, W₂)과의 관계에 있어서 R_{ma 1}∝L₁/W₂, R_{mb 1}∝L₁/W₁, R_{ma 2}∝L₂/W₁, R_{mb 2}∝L_2/W₂를 만족하므로, 이를 종합하면,

(L₁/W₂)×(L₂/W₁)＝(L₁/W₁)×(L₂/W₂)가 되어, 결국에는

(L₁×L₂)/(W₂×W₁)＝(L₁×L₂)/(W₁×W₂)가 성립된다. (식 1)

즉, 이는 자기 브리지에 있어서 코어 재료를 동일하게 한다면, 각 자기회로의 길이 및 폭인 L₁, L₂, W₂, W₁을 "0"이 아닌 어떠한 값으로 하여도 상기 식 1의 좌변값과 우변값은 항상 동일하게되므로, 결국에는 자기평형상태가 성립되는 것을 의미한다.

또한, A및 B영역의 자기저항은 자기회로(121a, 121b, 122a, 122b)의 자기저항값(R_ma1, R_{ma 2}, R_{mb 1}, R_{mb 2})에 비하여 상당히 작으므로, 그 영향은 무시된다.

그 다음, 피검출도선(16)에 흐르는 피검출전류를 측정하기 위하여 자기회로(121a, 122b, 11)에 의해 형성되는 창부와, 자기회로(121b, 122a, 11)에 의해 형성되는 창부 중 적어도 어느 하나의 창부를 피검출도선(16)이 관통하도록 배치한다.

그러면, 상기 피검출도선(16)에 흐르는 직류인 피검출전류에 의하여 발생되는 자속이 상기 여자코일(13)에 의해 발생되는 여자자속과 중첩됨에 따라, 상기 자기회로(121a, 122a, 121b, 122b)의 적어도 어느 하나 이상의 자기회로에 있어서의 자기저항값이 변화되므로, 결국 외각 자기회로(11)에서는 자기평형상태가 붕괴되어 자속이 발생하게 된다. 이 때, 상기 자속에 의해 자속검출코일(14)에 흐르는 전류를 검출함으로써 상기 피검출전류를 측정할 수 있게 된다.

또한, 다른 검출방법으로서 상기 피검출전류에 의하여 형성되는 자속과 동일한 크기를 가지면서도 반대방향으로 되는 자속을 발생시키도록 하는 평형복원전류를 평형복원코일(15)에 흘려 상기 붕괴되었던 자기평형상태를 다시 원상 복귀시키고, 이 때 상기 평형복원코일(15)에 흐르는 평형복원전류를 검출함으로써 피검출전류값을 측정할 수도 있다.

이 때, 본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서(10)는 앞서 기재한 바와 같이 여자코일(13)이 권회된 중각 자기회로(12)에 플럭스 배리어(17)를 형성함으로 인하여 자속밀도를 증가시켜 검출특성을 향상시키게 된다. 이는 도 4를 통하여 더욱 상세히 설명한다.

도 4는 본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서의 자속의 흐름을 설명하기 위한 도 3의 평면도이다.

본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서(10)는 여자코일(13)이 권회되는 중각 자기회로에 공기층으로 되는 홀 형상의 플럭스 배리어(17)를 지니는 중각 자기회로(12)를 형성한다.

그러면, 상기 중각 자기회로(12)는 상대적으로 투자율이 낮은 상기 플럭스 배리어(17)로 인하여 자체 내의 자기저항값이 증가하게 되며, 결국 상기 중각 자기회로(12)를 권회하는 여자코일(13)에 의해 발생하는 교류전류에 의한 자속(Φ_ac)은 증가된 자기저항으로 인하여 종래의 자기 브리지형 센서의 경우보다 그 값이 훨씬 감소하게 된다.

반면에, 피검출도선(16)에 흐르는 직류인 피검출전류에 의하여 발생되는 자속(Φ_dc)은 항상 일정하므로, 상기 직류전류에 의한 자속(Φ_dc)이 교류전류에 의한 자속(Φ_ac)과 중첩되어 외각 자기회로(11)의 자기평형상태가 붕괴될 때, 이미 크게 감소된 교류전류에 의한 자속(Φ_ac)으로 인하여 직류전류에 의한 자속(Φ_dc)에 따른 변화값은 크게 증가하게 된다. 따라서, 상기 자속검출코일(14) 또는 상기 평형복원코일(15)에 의해 검출되는 전류값의 크기가 커지므로, 검출 시 민감도가 훨씬 향상되어진다.

이 때, 상기 플럭스 배리어(17)는 상기 중각 자기회로(12)의 자기저항값을 증가시키기만 하면 되므로, 상기와 같이 공기 이외에도 자기회로의 코어 재질보다 낮은 투자율 값을 가지는 재료를 사용하여 상기 플럭스 배리어를 형성함으로써 자기저항값을 증가시킬 수 있다.

도 5a는 본 고안에 의한 자기 브리지형 전류센서에 있어서 피검출전류가 20mA일 때 자속검출코일에 유기되는 역기전력 특성을 나타내고, 도 5b는 여자전류가 1mA일 때 피검출전류의 변화에 따른 역기전력 특성을 나타낸다.

이를 도 2a 및 도 2b와 비교하여 보면, 종래의 구조에서 여자전류가 1.0mA일 때 유기전압의 피크값은 약 8mV였으나, 본 고안에 의한 구조에서는 16mV로서 종래보다 감도가 훨씬 증가하였음을 알 수 있다. 또한, 본 고안에서는 400 내지 800mA의 범위에서 피검출 전류값의 범위가 우수한 선형성을 가져 광대역의 선형영역을 지님을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 의하면, 종래의 자기 브리지형 전류센서에 있어서 여자코일이 권회되는 중각 자기회로에 플럭스 배리어를 형성함으로써, 자기저항을 증가시키고 여자자속을 크게 감소시켜 피검출전류의 검출감도가 크게 향상되고, 그 피검출전류값의 검출범위가 광대역의 선형구간을 지니는 우수한 검출특성을 가진다.

Claims (3)

1. 양단을 지니는 중각 자기회로와, 상기 중각 자기회로의 양단에 각 양단이 연결되는 두개의 외각 자기회로로 구성되고, 상기 중각 자기회로에는 여자수단이 배설됨과 동시에 상기 외각 자기회로에는 자속검출수단이 배설되며, 상기 중각 자기회로 및 상기 두개의 외각 자기회로에 의해 포위되어 형성되는 창부를 관통하도록 피검출도선을 배치하여 상기 자속검출수단으로써 피검출전류를 검출하는 자기 브리지형 전류센서에 있어서,

   상기 중각 자기회로는 상기 자기회로를 이루는 재질보다 낮은 투자율을 가지는 재질로 되는 플럭스 배리어(Flux Barrier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 브리지형 전류센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 플럭스 배리어는 홀(Hall)의 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 브리지형 전류센서.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 플럭스 배리어는 공기층으로 되는 것을 특징으로 하는 자기 브리지형 전류센서.