TW202401018A - 電流測定裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明的課題係提供可進行小電流到大電流之廣範圍的電流測定的電流測定裝置。 解決手段係具備：聚磁鐵心(3)，係以包圍供測定電流流通之導體(2)的周圍之方式配置，對導體(2)的周圍所產生的磁場進行聚磁而誘導，並且於被誘導的磁場通過的部分至少設置1個間隙(G)；空心線圈(4)，係設置於間隙(G)，檢測出被誘導的磁場所致之感應電壓；線圈架，係捲繞空心線圈(4)，將空心線圈(4)固定於間隙(G)；及積分電路(5)，係以藉由空心線圈(4)所檢測出的感應電壓為基準而運算出測定電流。

Description

電流測定裝置
本發明係關於可進行小電流到大電流之廣範圍的電流測定的電流測定裝置。
先前，作為電流測定裝置，例如有使用羅氏線圈來測定廣電流範圍者(參照專利文獻1)。羅氏線圈亦為環狀的空心線圈，檢測出起因於藉由流通於貫穿空心線圈之電流線的電流所產生的磁通之感應電壓。因為該感應電壓係電流的頻率越高則越高，為了修正該頻率特性，使用頻率越高則損失越大的積分電路來進行修正，使檢測出之感應電壓整體的頻率特性成為平緩。
又，公知藉由以電性絕緣而磁性結合於包圍流通被測定電流的導線的磁芯之方式捲繞的線圈，比流器型式的電流測定裝置。該電流測定裝置係對於測定電流的感度高，故適合小電流的測定。另一方面，使用羅氏線圈的電流測定裝置係對於測定電流的感度低，故適合大電流的測定，可進行廣範圍的電流測定。
再者，專利文獻2揭示使用對於測定電流的感度高之磁性感測器的電流測定裝置。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2000-310654號公報 [專利文獻2]日本特開2020-85906號公報
[發明所欲解決之課題]
然而，使用羅氏線圈的電流測定裝置係對於測定電流的感度低，故雖然可進行到大電流為止之廣範圍的電流測定，但無法高精度地進行小電流的測定。另一方面，如上所述，使用比流器類型的電流測定裝置及磁性感測器的電流測定裝置係對於測定電流的感度高，故雖然可進行小電流的電流測定，但無法進行到大電流為止之廣範圍的電流測定。
本發明係有鑑於前述問題所發明者，目的為提供可進行小電流到大電流之廣範圍的電流測定的電流測定裝置。 [用以解決課題之手段]
為了解決上述的課題，達成目的，本發明的特徵為具備：聚磁鐵心，係以包圍供測定電流流通之導體的周圍之方式配置，對前述導體的周圍所產生的磁場進行聚磁而誘導，並且於被誘導的磁場通過的部分至少設置1個間隙；空心線圈，係設置於前述間隙，檢測出被誘導的磁場所致之感應電壓；線圈架，係捲繞前述空心線圈，將前述空心線圈固定於前述間隙；及積分電路，係以藉由前述空心線圈所檢測出的感應電壓為基準而運算出前述測定電流。
又，本發明的特徵為具備：聚磁鐵心，係以包圍供測定電流流通之導體的周圍之方式配置，對前述導體的周圍所產生的磁場進行聚磁而誘導，並且於被誘導的磁場通過的部分至少設置1個間隙；空心線圈，係設置於前述間隙，檢測出被誘導的磁場所致之感應電壓；線圈架，係捲繞前述空心線圈，將前述空心線圈固定於前述間隙；積分電路，係以藉由前述空心線圈所檢測出的感應電壓為基準而運算出前述測定電流；磁性感測器，係配置於前述線圈架的內部，檢測出被誘導的磁場所致之感應電壓；及放大電路，係以藉由前述磁性感測器所檢測出的感應電壓為基準而運算出前述測定電流。
又，本發明的特徵係於前述的發明中，藉由前述磁性感測器測定小電流區域的測定電流，藉由前述空心線圈測定超過前述小電流區域之大電流區域的測定電流。
又，本發明的特徵係於前述的發明中，前述磁性感測器為應用穿隧磁阻效應的磁性感測器。
又，本發明的特徵係於前述的發明中，前述聚磁鐵心為ㄈ字型。 [發明的效果]
依據本發明，可利用小尺寸，進行小電流到大電流之廣範圍的電流測定。
以下，參照添附圖式，針對用以實施本發明的形態進行說明。
[實施形態1] 圖1係揭示本發明的實施形態1之電流測定裝置1的構造的示意圖。又，圖2係揭示本發明的實施形態1之電流測定裝置1的構造的立體圖。如圖1及圖2所示，電流測定裝置1係具有聚磁鐵心3、空心線圈4、線圈架8、積分電路5及電路基板9。聚磁鐵心3係以包圍供測定電流流通之導體2的周圍之方式配置，對導體2的周圍所產生的磁場進行聚磁而誘導，並且於被誘導的磁場通過的部分至少設置1個間隙G。聚磁鐵心3係例如由軟磁材料形成，作為ㄈ字形狀。聚磁鐵心3的形狀並不限於ㄈ字形狀，例如作為具有間隙G的圓形形狀或橢圓形形狀亦可。聚磁鐵心3透過層積或一體形成。聚磁鐵心3係隔著間隙G，形成對於聚磁的磁場之磁通7的迴環。
空心線圈4係設置於間隙G，檢測出被誘導的磁場(磁通)所致之感應電壓。空心線圈4也可說是配製成環狀的羅氏線圈的一部分。線圈架8係捲繞空心線圈4，將空心線圈4定位於間隙G而固定於聚磁鐵心3。再者，間隙G係位於ㄈ字形狀之聚磁鐵心3的開放端側(-Z方向側)的端部，且磁通7通過的部分。圖1所示的間隙G係於±Y方向為直線性，空心線圈4也成為直線性的線圈。
積分電路5係連接於空心線圈4，以藉由空心線圈4所檢測出的感應電壓為基準而運算出流通於導體2的測定電流，作為對應測定電流的輸出電壓，從輸出端子T1輸出。在此，積分電路5係將檢測出之感應電壓的頻率特性轉換成平緩，作為對應測定電流的輸出電壓輸出。電路基板9係連接線圈架8與積分電路5而安裝的基板。
圖3係揭示對於測定電流之積分電路5的輸出電壓的關係的圖。於圖3中，特性曲線L1係揭示對於本實施形態1所致之測定電流I的輸出電壓Vout的關係。又，特性曲線L100係揭示對於不設置聚磁鐵心3的僅空心線圈4所致之測定電流I的輸出電壓Vout的關係。再者，輸出電壓Vout成為積分電路5的電源電壓Vmax以下之值。如圖3所示，在本實施形態1的電流測定裝置1中，相較於不設置聚磁鐵心3之僅空心線圈4的電流測定裝置，對於測定電流I之輸出電壓out的感度變高，伴隨此狀況，可測定的電流範圍往小電流區域側擴散，可進行廣範圍的電流測定。此係因為聚磁鐵心3內的磁通7與構成聚磁鐵心3之磁性材料的磁導率的大小成比例地增加，相較於不設置聚磁鐵心3之僅空心線圈4的狀況，對於測定電流的感度提升之故。
在本實施形態1中，為了誘發產生於流通測定電流之導體2的周圍的磁場，設置具有以包圍導體2之方式配置的間隙G的聚磁鐵心3，對產生於該間隙G的磁場藉由空心線圈4檢測感應電壓，所以，可通過小尺寸的空心線圈進行廣範圍的電流測定。
[實施形態2] 在本實施形態2中，相對於實施形態1的構造，於空心線圈4內設置磁性感測器11，同時使用空心線圈4與磁性感測器11，藉由磁性感測器11更擴張小電流區域側的電流測定範圍。圖4係揭示本發明的實施形態2之電流測定裝置10的構造的示意圖。又，圖5係揭示圖4所示之線圈架8的構造的立體圖。進而，圖6係揭示將圖4所示之磁性感測器11配置於線圈架8內之狀態的剖面圖。
如圖4～圖6所示，電流測定裝置10係相對於電流測定裝置1的構造，更具有磁性感測器11及放大電路12。磁性感測器11係配置於線圈架8的中心附近之捲繞空心線圈4的中空圓筒20內，檢測出藉由聚磁鐵心3聚磁的磁通所致之感應電壓。磁性感測器11係安裝於被固定配置在中空圓筒20內的電路基板13上。放大電路12係設置於電路基板9上，透過電路基板13連接於磁性感測器11，放大磁性感測器11所檢測出的感應電壓，作為對應測定電流的輸出電壓，從輸出端子T2輸出。
圖7係揭示對於測定電流之積分電路5及放大電路12的輸出電壓的關係的圖。於圖7中，特性曲線L1係揭示對於本實施形態2的空心線圈4所致之測定電流I的輸出電壓Vout的關係。又，特性曲線L10係揭示對於磁性感測器11所致之測定電流I的輸出電壓Vout的關係。
如特性曲線L10所示，磁性感測器11係相較於空心線圈4，對於磁場的感度較高，故於測定電流包含0的測定電流小的小電流區域EA中可獲得大輸出電壓，但是，在超過小電流區域EA的大電流區域EB中，輸出電壓Vout會飽和。另一方面，如特性曲線L1所示，空心線圈4所致之輸出電壓係從小電流區域EA的途中到大電流區域EB為止不會飽和而成為線性的輸出。所以，藉由進行組合磁性感測器11與空心線圈4的電流測量，可利用小尺寸，進行廣範圍的測定電流的電流測量。再者，磁性感測器11所致之電流測量設為至少到輸出電壓飽和的飽和電流I1為止。亦即，到飽和電流I1為止使用磁性感測器11所致之電流測量結果，在超過飽和電流I1時，使用空心線圈4所致之電流測量結果為佳。
圖8係揭示對於溫度變化之TMR磁性感測器(磁性感測器11)與霍爾元件(磁性感測器11´)的輸出電壓之變化的圖。作為磁性感測器11，有利用霍爾效應者(霍爾元件)、利用磁阻抗效應(MI效果)者等。在本實施形態2中，作為磁性感測器11，使用應用穿隧磁阻效應(TMR效應)的TMR磁性感測器。TMR磁性感測器係為透過2張磁性模夾住數奈米級的極薄之非磁性的絕緣膜的構造，相較於一般的磁性感測器，比較小型且對於磁場的感度高。
如圖8所示，TMR磁性感測器係相較於霍爾元件，難受到溫度變化的影響，對於溫度變化之輸出電壓的變化小，故可進行高精度的電流測定。
再者，前述實施形態圖示的各構造係為功能概略性者，不一定需要物理性構成圖示的構造。亦即，各裝置及構成要素的分散、統合的形態並不限於圖示者，將其全部或一部分因應各種使用狀況等，可透過任意單位功能性或物理性分散、統合來構成。
1,10:電流測定裝置 2:導體 3:聚磁鐵心 4:空心線圈 5:積分電路 7:磁通 8:線圈架 9,13:電路基板 11,11´:磁性感測器 12:放大電路 20:中空圓筒 EA:小電流區域 EB:大電流區域 G:間隙 I:測定電流 I1:飽和電流 L1,L10,L100:特性曲線 T1,T2:輸出端子 Vmax:電源電壓 Vout:輸出電壓
[圖1]圖1係揭示本發明的實施形態1之電流測定裝置的構造的示意圖。 [圖2]圖2係揭示本發明的實施形態1之電流測定裝置的構造的立體圖。 [圖3]圖3係揭示對於測定電流之積分電路的輸出電壓的關係的圖。 [圖4]圖4係揭示本發明的實施形態2之電流測定裝置的構造的示意圖。 [圖5]圖5係揭示圖4所示之線圈架的構造的立體圖。 [圖6]圖6係揭示將圖4所示之磁性感測器配置於線圈架內之狀態的剖面圖。 [圖7]圖7係揭示對於測定電流之積分電路及放大電路的輸出電壓的關係的圖。 [圖8]圖8係揭示對於溫度變化之TMR磁性感測器與霍爾元件的輸出電壓之變化的圖。
1:電流測定裝置
2:導體
3:聚磁鐵心
4:空心線圈
5:積分電路
7:磁通
G:間隙
T1:輸出端子

Claims (5)

  1. 一種電流測定裝置，其特徵為具備： 聚磁鐵心，係以包圍供測定電流流通之導體的周圍之方式配置，對前述導體的周圍所產生的磁場進行聚磁而誘導，並且於被誘導的磁場通過的部分至少設置1個間隙； 空心線圈，係設置於前述間隙，檢測出被誘導的磁場所致之感應電壓； 線圈架，係捲繞前述空心線圈，將前述空心線圈固定於前述間隙；及 積分電路，係以藉由前述空心線圈所檢測出的感應電壓為基準而運算出前述測定電流。
  2. 一種電流測定裝置，其特徵為具備： 聚磁鐵心，係以包圍供測定電流流通之導體的周圍之方式配置，對前述導體的周圍所產生的磁場進行聚磁而誘導，並且於被誘導的磁場通過的部分至少設置1個間隙； 空心線圈，係設置於前述間隙，檢測出被誘導的磁場所致之感應電壓； 線圈架，係捲繞前述空心線圈，將前述空心線圈固定於前述間隙； 積分電路，係以藉由前述空心線圈所檢測出的感應電壓為基準而運算出前述測定電流； 磁性感測器，係配置於前述線圈架的內部，檢測出被誘導的磁場所致之感應電壓；及 放大電路，係以藉由前述磁性感測器所檢測出的感應電壓為基準而運算出前述測定電流。
  3. 如請求項2所記載之電流測定裝置，其中， 藉由前述磁性感測器測定小電流區域的測定電流，藉由前述空心線圈測定超過前述小電流區域之大電流區域的測定電流。
  4. 如請求項2或3所記載之電流測定裝置，其中， 前述磁性感測器為應用穿隧磁阻效應的磁性感測器。
  5. 如請求項1至3中任一項所記載之電流測定裝置，其中， 前述聚磁鐵心為ㄈ字型。
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