WO2017115623A1 - 電流センサ及びそれを用いた計測装置、計測方法 - Google Patents

電流センサ及びそれを用いた計測装置、計測方法 Download PDF

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遠藤　久
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株式会社日立製作所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices

Definitions

  • the present invention relates to a current sensor used for evaluation of a current related to an electric device or an electronic device, a measuring device using the same, and a measuring method.
  • a disk winding having a high mechanical strength has been widely used as a winding of an inner iron type static induction electric machine.
  • Disc windings are constructed by stacking disc coils with a small number of turns and a relatively small facing area. Therefore, the series capacitance between the coils is small, and the characteristics against shock voltage such as lightning surge are poor.
  • a CC shielded wire that inductively couples and adds a series capacitance between the coils by a shielded wire that does not allow a load current to flow in a remote coil has been invented. It is used.
  • Patent Document 1 In the configuration of the disk winding using the CC shielded wire described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-196237 (hereinafter referred to as Patent Document 1), the series capacitance between the coils is increased, and the impact voltage such as lightning surge is increased. The potential distribution characteristic with respect to is improved. However, in such a structure, when an impact voltage enters from the end of the line, a large voltage is generated between the even-numbered disk coils from the end of the line, and the insulation becomes severe.
  • Patent Document 1 In the conventional technique described in Patent Document 1, it is necessary to prepare a large number of sensors having different winding numbers, and there is a problem that it is difficult to adjust the sensitivity of the sensors.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an optical current sensor capable of adjusting the sensor sensitivity and a measuring device using the same.
  • the present invention provides a magnetic flux density along a magnetic path of the magnetic core in a current sensor that detects a current based on a magnetic field distribution by causing a magnetic core to act on a current line to be measured. And a magnetic flux density changing means for changing the current, and an optical current detecting means for detecting a current based on a polarization angle of light acting on the magneto-optical element by inserting a magneto-optical element into the magnetic core.
  • the current measurement range can be easily changed in an optical current sensor with high insulation.
  • Example 1 will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 1 is a functional block diagram schematically illustrating the overall configuration of the measurement apparatus according to the first embodiment.
  • a measurement apparatus 100 includes a measurement unit 1 that performs transmission / reception of light used for measurement and a measurement value calculation process, an input unit 2 that inputs various setting values and command signals to the measurement unit 1, and a measurement unit. 1 includes a display unit 3 that displays a measurement value that is a result of the calculation process 1 and a current sensor 40 that transmits transmission light 1a from the measurement unit 1 and transmits the transmission light 1b to the measurement unit 1 as reception light 1b. .
  • the measurement unit 1 generates light (transmission light 1 a) used for measurement and transmits it to the current sensor 40 via the connector 19, and light (reception light 1 b) from the current sensor 40 via the connector 29. And a calculation unit 30 that performs calculation processing based on the received light 1b received by the light reception unit 20.
  • the light source unit 10 generates a light used for measurement based on a command signal from the input unit 2, adjusts the wavelength of the light generated by the light emitting unit 11, and converts the light into a linearly polarized wave.
  • a transmission light adjusting unit 12 that transmits the current sensor 40 via the current sensor 40.
  • the light emitting unit 11 includes a white light source that emits visible light.
  • the transmission light adjustment unit 12 includes a wavelength selection unit such as a spectroscope and an interference filter that extracts a constant wavelength from the light generated by the light emitting unit 11, a conversion unit to linearly polarized waves, and the like. At least one wavelength of light can be generated. Note that a light emitting diode or a laser diode can be used for the light emitting unit 11 depending on the specifications of the light to be generated.
  • the light receiving unit 20 receives the received light 1b from the current sensor 40 via the connector 29, and selects and adjusts the received light 1b according to the wavelength and the polarization angle, and the received light adjusting unit 23 A light receiving element 22 that receives the light and converts it into an electrical signal, and a data converter 21 that converts the electrical signal obtained by the light receiving element 22 into received data.
  • the received light adjusting unit 23 has a wavelength selecting unit such as a spectroscope or an interference filter that extracts a certain wavelength from the received light 1b.
  • a wavelength selecting unit such as a spectroscope or an interference filter that extracts a certain wavelength from the received light 1b.
  • a photodiode or an avalanche diode is used as the light receiving element 22.
  • the data conversion unit 21 converts the electrical signal from the light receiving element 22 into reception data and transmits it to the calculation unit 30.
  • FIG. 10 shows an example of a functional block diagram schematically showing the configuration of the light emitting unit and the light receiving unit described above.
  • the transmission light adjustment unit 12 includes a light source unit 10A that employs a polarizer 12A
  • the reception light adjustment unit 23 includes a light reception unit 20A that employs an analyzer 23A.
  • FIG. 11 shows an example of a functional block diagram schematically showing structures of other light emitting units and light receiving units.
  • the light source unit 10B adopts the transmission light adjustment unit 12B as the transmission light adjustment unit 12
  • the light receiving unit 20B adopts the reception light adjustment unit 23B as the reception light adjustment unit 23.
  • the transmission light adjusting unit 12B is composed of a phase adjusting unit 12a and a quarter wavelength plate 12b, and performs wavelength adjustment and conversion to linearly polarized waves.
  • the received light adjusting unit 23B includes a coupler 23a, a coupler 23c, a polarizer 23b, and a quarter wavelength plate 23d, and selects and adjusts the received light 1b according to the wavelength and the polarization angle.
  • the calculation unit 30 includes a conversion unit 31 that converts received data from the light receiving unit 20 into a current value and a magnetic field strength, and a memory 32 that stores a conversion value used in the conversion unit 31.
  • received data and current, a relationship between received data and a magnetic field, and the like are empirically obtained in advance from results of experiments and simulations and stored as converted values.
  • the conversion unit 31 converts the received data into a current value, a magnetic field strength, and the like based on the converted value stored in the memory 32 and sends it to the display unit 3 as a measured value.
  • the current detection part adjusts the density of the magnetic flux generated from the current to be measured by the air gap by the optical current detection means for irradiating the magneto-optical element with light and the magnetic core, and applies the magnetic field to the magneto-optical element. Consists of magnetic flux density changing means.
  • FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views in a plane passing through the optical axis of the current sensor, and are diagrams showing magnetic flux lines distributed in the magnetic core constituting the current sensor.
  • FIG. 2 when the annular magnetic core has a structure in which the center positions of the outer diameter and the inner diameter are the same, the magnetic field distribution generated by the current line to be measured inserted in the inner diameter region does not tilt. Take a uniform magnetic field distribution.
  • FIG. 3 when the annular magnetic core has a structure in which the center positions of the outer diameter and the inner diameter are different, the magnetic field distribution generated by the current line of the measurement object inserted in the inner diameter region is the cross-sectional area of the magnetic core. Accordingly, the magnetic flux density is inclined. Therefore, the current measurement range can be changed by adopting a structure in which the magneto-optical element can be inserted and installing the magneto-optical element at the position of the magnetic core corresponding to the desired sensor sensitivity. This is the sensor provided in this embodiment.
  • the current sensor 40 has a magneto-optical element connected to an optical fiber.
  • the optical fibers 41 and 46 are made of quartz glass, lead-containing quartz glass, or the like.
  • the magnetic core 44 can be made of a transparent metal called garnet, and is made of yttrium, iron, garnet to which Bi is added, gadolinium, iron, garnet, which will be described later, or the like.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the relationship between the magnetic field acting on the magnetic material and the deflection angle of the light transmitted through the magnetic material
  • FIG. 5 shows the deflection of the light transmitted by the magnetic field caused by the current acting on the current sensor. It is a figure which shows a mode that an angle changes typically.
  • the polarization angle rotates and changes depending on the magnetization state of the magnetic body 202 due to the magneto-optic effect.
  • This is called the Faraday effect. That is, when the magnetization state changes due to the magnetic field (magnetic flux) acting on the magnetic body 202, the rotation amount of the deflection angle of the transmitted light 201 with respect to the incident light 200 generated by the light source 200a and incident on the magnetic body 202 is detected.
  • the magnetization state of the magnetic body 202 can be detected, and the strength of the magnetic field acting on the magnetic body 202 can be detected.
  • the current sensor 40 is arranged near the current line 110 through which the current to be measured flows, and the linearly polarized wave generated by the light source unit 10 is used as the transmission light 1a.
  • the magnetism of the detection unit 42 is detected.
  • the magnetization state of the body core 44 that is, the strength of the magnetic field acting on the magnetic core 44 can be detected.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the amount of rotation of the polarization angle of the light transmitted through the magnetic core and the magnetic field strength acting on the magnetic body 202, with the vertical axis representing the polarization angle (degrees) and the horizontal axis representing the magnetic field strength ( A / m) respectively.
  • the polarization angle changes in proportion to the magnetic field intensity. Also, since there is a proportional relationship between the magnetic field strength and the amount of current, the current can be measured from the information on the polarization angle by acquiring the relationship between the magnetic field strength and the polarization angle in advance as shown in FIG. it can.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the thickness of the magnetic body 202 in the optical axis direction and the polarization angle, where the vertical axis indicates the polarization angle (degrees) and the horizontal axis indicates the thickness (mm) of the magnetic core. Yes. As shown in FIG. 7, the magnetic body 202 exhibiting the Faraday effect increases in proportion to the thickness in the optical axis direction (that is, the optical path length of the optical path agency in the magnetic core).
  • the relationship between the rotation amount of the polarization angle of the transmitted light and the magnetic field strength acting on the detection unit is acquired in advance and stored in the memory 32, whereby there is a proportional relationship between the magnetic field and the current.
  • the current can be measured from the information on the polarization angle in the conversion unit 31.
  • the display unit 3 displays the current waveform calculated by the conversion unit.
  • the detection unit 42 of the current sensor 40 is disposed in the vicinity of the current line 110 through which the current to be measured flows. Subsequently, when a measurement instruction is given from the input unit 2, linearly polarized light is generated as the transmission light 1 a from the light source unit 10, enters the optical fiber 41 of the current sensor via the connector 19, and the optical fiber 41. Through the detector 42. At this time, the polarization angle of the light is rotated by the magnetization state of the magnetic core 44 due to the magnetic field generated by the current flowing through the current line 110.
  • the light receiving unit 20 data such as the amount of change in polarization angle obtained from the transmission light 1 a and the reception light 1 b is acquired and sent to the calculation unit 30.
  • the value of the current flowing through the current line 110 is calculated based on the amount of change in the polarization angle obtained from the transmission light 1a and the reception light 1b and the converted value stored in the memory 32 in advance, and the calculation result is displayed. Part 3 is displayed.
  • the sensitivity to the magnetic field is determined by the distance that light passes through the magnetized material, the Verde constant, and the like.
  • the sensor is changed to a sensor with a different sensitivity. Therefore, it is necessary to prepare a sensor corresponding to the sensitivity. For this reason, there are problems that the sensor installation area becomes large due to the installation of a plurality of sensors, or measurement cannot be performed with appropriate sensitivity, and measurement cannot be performed with high accuracy.
  • the sensitivity can be changed depending on the shape of the magnetic core 44 and the location where the magneto-optical detection element is inserted by providing the magnetic core 44 with a gap corresponding to the sensitivity.
  • An example in which this embodiment is applied to a three-phase motor will be described with reference to FIGS.
  • This embodiment shows a case where the number of current sensors is three and the current of each phase supplied to the three-phase motor 300 is measured simultaneously.
  • similar members are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the three-phase motor 300 is supplied with electric power from a three-phase power supply (not shown) through a U-phase power supply line 302, a V-phase power supply line 303, and a W-phase power supply line 304 drawn from the power supply terminal box 301.
  • Current sensors 40, 50, and 60 are installed in the U-phase power supply line 302, the V-phase power supply line 303, and the W-phase power supply line 304, respectively, and are connected to the measurement apparatus 100.
  • the current sensors 50 and 60 have the same configuration as the current sensor 40.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a current waveform obtained by measuring the current waveform of the three-phase motor shown in FIG. 12 with three current sensors 40, 50, and 60. As shown in FIG. In the case of the three-phase motor 300, the phase difference between the phases is 120 degrees, and the operation state can be monitored.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an output example when an abnormality occurs in the current of the V-phase power supply line of the three-phase motor.
  • an abnormality When such an abnormality occurs, it can be configured to detect an abnormality in amplitude balance from the measurement result and send an abnormality alarm, etc., to notify or stop equipment abnormality Can be used for
  • the current measurement range can be easily changed in the optical current sensor having high insulation.
  • Example 2 will be described with reference to FIGS. 15 and 16.
  • 15 and 16 are cross-sectional views in a plane passing through the optical axis of the current sensor, and are diagrams showing magnetic flux lines distributed in the magnetic core constituting the current sensor.
  • the difference from the first embodiment is that the shape is not a circle but a square.
  • the magnetic field distribution generated by the current line to be measured inserted in the inner diameter region is inclined. It takes no uniform magnetic field distribution.
  • the magnetic core 44b having a quadrangular shape has a structure in which the center positions of the outer diameter and the inner diameter are different, the magnetic field distribution generated by the current line to be measured inserted in the inner diameter region is the breaking of the magnetic core. Depending on the area, a gradient of magnetic flux density occurs. Therefore, the current measurement range can be changed by adopting a structure in which the magneto-optical element can be inserted and installing the magneto-optical element at the position of the magnetic core 44b according to the desired sensor sensitivity.
  • the current measurement range can be easily changed, and the arrangement can be made efficient because of the quadrangular shape.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view in a plane passing through the optical axis of the current sensor, and is a diagram displaying magnetic flux lines distributed in the magnetic core constituting the current sensor.
  • the magnetic core 44c is made of a material having a gap or a different magnetic permeability.
  • the annular magnetic core 44c has a structure in which the center positions of the outer diameter and the inner diameter are different, and a gap or a material having a different magnetic permeability is provided in a part of the magnetic core 44c.
  • the magnetic field distribution generated by the current line to be measured inserted in the inner diameter region has a magnetic flux density gradient according to the cross-sectional area of the magnetic core.
  • the magnetic flux gradient can be further changed by the air gap or the material 45 having a different magnetic permeability.
  • a structure that allows insertion of a magneto-optical element into the magnetic core 44c is adopted, and the current measurement range can be changed by installing the magneto-optical element at the position of the magnetic core corresponding to the desired sensor sensitivity. Make it possible.
  • the current measurement range can be changed arbitrarily and easily in the optical current sensor having high insulation.
  • FIG. 14 is a sectional view in a plane passing through the optical axis of the current sensor.
  • the magnetic core is different from that of the first embodiment in the thickness direction (perpendicular to the screen).
  • the annular magnetic core 44d is composed of magnetic cores 44d having different diameters in the thickness direction (perpendicular to the screen), and gaps for inserting fiber sensors are provided at different positions in the thickness direction. , Variation of sensitivity range can be increased.
  • the current measurement range can be changed by installing a magneto-optical element at the position of the magnetic core corresponding to the desired sensor sensitivity.
  • the current measurement range can be changed arbitrarily and easily in the optical current sensor having high insulation.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

センサ感度の調節が可能な光学式の電流センサ及びそれを用いた計測装置を提供することを目的とする。本発明は、測定対象の電流線に磁性体コア４４を作用させ、磁場分布に基づいて電流を検知する電流センサ４０において、前記磁性体コア４４による磁路に沿って磁束密度を変更する磁束密度変更手段と、前記磁性体コアに磁気光学素子４１を挿入し、前記磁気光学素子に作用した光の偏光角に基づき電流を検出する光学式電流検出手段と、を具備したことを特徴とする。

Description

電流センサ及びそれを用いた計測装置、計測方法
　本発明は、電気機器や電子機器に係る電流の評価に用いる電流センサ及びそれを用いた計測装置、計測方法に関する。
　従来から，内鉄型静止誘導電器の巻線として，機械的強度が大きい円板巻線が広く用いられている。円板巻線は，ターン数が少なく対向面積が比較的小さい円板コイルを積み重ねて構成されていることから，コイル間の直列静電容量が小さく雷サージ等の衝撃電圧に対する特性が悪いという欠点がある。これに対して，離れたコイルに負荷電流を流さないシールド線によって，静電的に結合してコイル間に直列静電容量を付加するＣＣシールド線が発明され，変圧器の高圧巻線等に用いられている。
　特開２００１－１９６２３７号公報（以下、特許文献１と呼ぶ）に記載されたＣＣシールド線を使用した円板巻線の構成では，コイル間の直列静電容量が増し，雷サージ等の衝撃電圧に対する電位分布特性が改善される。しかしながら，このような構造では，線路端から衝撃電圧が侵入した場合に，線路端から偶数番目の円板コイル間に大きな電圧が発生して絶縁的に厳しくなる。
特開２０００－１１１５８６号公報
　上記特許文献１に記載の従来技術では、巻数の異なるセンサを多数用意する必要があり、センサの感度を調整することが困難である問題点がある。
　そこで、本発明は上記に鑑みてなされたものであり、センサ感度の調節が可能な光学式の電流センサ及びそれを用いた計測装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、測定対象の電流線に磁性体コアを作用させ、磁場分布に基づいて電流を検知する電流センサにおいて、前記磁性体コアによる磁路に沿って磁束密度を変更する磁束密度変更手段と、前記磁性体コアに磁気光学素子を挿入し、前記磁気光学素子に作用した光の偏光角に基づき電流を検出する光学式電流検出手段と、を具備したことを特徴とする。
　本発明によれば、絶縁性の高い光学式の電流センサにおいて、電流計測範囲を容易に変更することができる。
計測装置の全体構成を模式的に示す機能ブロック図である。 電流センサの光軸を通る平面における断面図（ａ）と磁束密度分布の図（ｂ）である。 電流センサの光軸を通る平面における断面図（ａ）と磁束密度分布の図（ｂ）である。 電流センサの磁気光学素子に磁場が作用して透過する光の偏向角が変化する様子を模式的に示す図である。 電流が作る磁場が磁気光学素子に作用する様子を模式的に示す図である。 磁性体（磁気光学素子）の磁場強度と偏光角の関係を示す図である。 磁性体（磁気光学素子）の光軸方向の厚みと偏光角の関係を示す図である。 電流センサにおける光の偏光角の回転量と、検知部に作用する磁場強度の関係を示す図である。 電流の時間変化に対して，本実施例に示す電流センサにおける光の偏光角の時間変化を示す図である。 発光部と受光部の構成を模式的に示す機能ブロック図の一例である。 他の発光部と受光部の構造を模式的に示す機能ブロック図の一例である。 三相電動機と計測装置の配置を概略的に示す図である。 三相電動機の電流波形を３箇所の電流センサで測定した電流波形の一例を示す図である。 三相電動機のＶ相電源ラインの電流に異常が生じたときの出力例を示す図である。 他の電流センサの光軸を通る平面における断面図。 他の実施例である電流センサの光軸を通る平面における断面図。 他の実施例である電流センサの光軸を通る平面における断面図。 他の実施例である電流センサの光軸を通る平面における断面図。
　以下、図面を用いて、本発明を実施する上で好適となる実施例を説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、発明の内容が下記具体的態様に限定されるものではない。本発明は、下記態様を含めて種々の態様に変形することが無論可能である。
　実施例１を図１～図１０を参照しつつ説明する。
　図１は、実施例１に係る計測装置の全体構成を模式的に示す機能ブロック図である。
　図１において、計測装置１００は、測定に用いる光の送受信及び測定値の計算処理を行う測定部１と、測定部１への各種設定値や指令信号の入力を行う入力部２と、測定部１での計算処理の結果である測定値を表示する表示部３と、測定部１からの送信光１ａを透過して受信光１ｂとして測定部１に送る電流センサ４０とから概略構成されている。
　測定部１は、測定に用いる光（送信光１ａ）を生成し、コネクタ１９を介して電流センサ４０に送信する光源部１０と、電流センサ４０からの光（受信光１ｂ）をコネクタ２９を介して受信する受光部２０と、受光部２０で受信した受信光１ｂに基づいて計算処理を行う計算部３０とを備えている。
　光源部１０は、入力部２からの指令信号に基づいて測定に用いる光を生成する発光部１１と、発光部１１で生成された光の波長の調整や直線偏波への変換を行い、コネクタ１９を介して電流センサ４０に送信する送信光調整部１２とを備えている。発光部１１は、可視光を発する白色光源を備えている。また、送信光調整部１２は、発光部１１で生成された光から一定の波長を抽出する分光器や干渉フィルタなどの波長選択部や、直線偏波への変換部などを有しており、少なくとも１種類の波長の光を生成することができる。なお、発光部１１には、生成する光の仕様によって、発光ダイオードやレーザダイオードを用いることができる。
　受光部２０は、電流センサ４０からの受信光１ｂをコネクタ２９を介して受信し、受信光１ｂを波長や偏光角に応じて選択や調整する受信光調整部２３と、受信光調整部２３からの光を受光して電気信号に変換する受光素子２２と、受光素子２２で得られた電気信号を受信データに変換するデータ変換部２１とを備えている。
　受信光調整部２３は、受信光１ｂから一定の波長を抽出する分光器や干渉フィルタなどの波長選択部を有している。受光素子２２には、例えば、フォトダイオードやアバランシェダイオードなどが用いられる。データ変換部２１は、受光素子２２からの電気信号を受信データに変換して計算部３０に送信する。
　なお、図１０には上述した発光部と受光部の構成を模式的に示す機能ブロック図の一例を示した。送信光調整部１２として偏光子１２Ａを採用した光源部１０Ａと、受信光調整部２３として検光子２３Ａを採用した受光部２０Ａより構成されている。更に、図１１には他の発光部と受光部の構造を模式的に示す機能ブロック図の一例を示した。送信光調整部１２として送信光調整部１２Ｂを採用した光源部１０Ｂと、受信光調整部２３として受信光調整部２３Ｂを採用した受光部２０Ｂより構成されている。送信光調整部１２Ｂは位相調整部１２ａと１／４波長板１２ｂより構成され波長の調整や直線偏波への変換を行う。受信光調整部２３Ｂはカプラ２３ａ、カプラ２３ｃと偏光子２３ｂと１／４波長板２３ｄから構成され受信光１ｂを波長や偏光角に応じて選択や調整する。
　計算部３０は、受光部２０からの受信データを電流値や磁場の強さに換算する換算部３１と、換算部３１で用いる換算値を格納するメモリ３２とを備えている。換算部３１には、受信データと電流、受信データと磁場の関係などが実験やシミュレーション等の結果から予め経験的に求められ換算値として格納されている。換算部３１は、メモリ３２に格納された換算値に基づいて受信データを電流値や磁場の強さなどに換算し、測定値として表示部３に送る。
　電流を検知する部分は、磁気光学素子に光を照射する光学式電流検出手段と、磁性体コアによって、計測対象電流より発生する磁束の密度を空隙で調整し、磁気光学素子に磁場を作用させる磁束密度変更手段で構成される。
　図２及び図３は、電流センサの光軸を通る平面における断面図であり、電流センサを構成する磁性体コアの中に分布する磁束線を表示した図である。図２のように環状の磁性体コアで、外径と内径の中心位置が同じ位置となる構造をとると、内径領域に挿入された測定対象の電流線によって生じる磁場分布には傾斜が生じず均一の磁場分布をとる。図３のように環状の磁性体コアで、外径と内径の中心位置が異なる構造をとると、内径領域に挿入された測定対象の電流線によって生じる磁場分布は、磁性体コアの断面積に応じて、磁束密度の傾斜が生じる。そこで、前記磁気光学素子を挿入可能とする構造をとり、所望のセンサ感度に応じた前記磁性体コアの位置に磁気光学素子を設置することで、電流計測範囲の変更を可能とする。これが本実施例にて提供するセンサである。
　図１及び図２において、電流センサ４０は、光ファイバに磁気光学素子を接続したものである。光ファイバ４１，４６は、石英ガラス、鉛入りの石英ガラスなどで形成されている。磁性体コア４４は、透明性を有するガーネットと呼ばれる金属を用いることができ、Ｂｉを添加したイットリウム・鉄・ガーネットや、後述するガドリウム・鉄・ガーネットなどで形成されている。
　ここで、電流センサ４０における磁場検知の原理について図４～図９を参照しつつ説明する。
　図４は磁性体に作用する磁場と磁性体を透過する光の偏向角の関係を模式的に示す図であり、図５は電流センサに電流に起因する磁場が作用して透過する光の偏向角が変化する様子を模式的に示す図である。
　図４に示すように、磁性体２０２を直線偏光された光が通過するとき、磁気光学効果により、磁性体２０２の磁化状態に依存して偏光角が回転し変化する。これをファラデー効果という。すなわち、磁性体２０２に磁場（磁束）が作用することによって磁化状態が変化する場合、光源２００ａで生成されて磁性体２０２に入射する入射光２００に対する透過光２０１の偏向角の回転量を検出することにより、磁性体２０２の磁化状態を検知することができ、磁性体２０２に作用する磁場の強さを検知することが可能である。
　図５に示すように、本実施例においては、電流センサ４０を測定対象の電流が流れる電流ライン１１０の近傍に配置した状態で、光源部１０で生成した直線偏波を送信光１ａとして電流センサ４０に入射し、電流ライン１１０を流れる電流に起因する磁場（アンペールの法則に従って生じる磁場）の作用によって検知部４２で生じる偏光角の回転を受信光１ｂから検出することにより、検知部４２の磁性体コア４４の磁化状態、すなわち、磁性体コア４４に作用する磁場の強さを検知することができる。
　図６は、磁性体コアを透過する光の偏光角の回転量と磁性体２０２に作用する磁場強度の関係を示す図であり、縦軸に偏光角（度）を、横軸に磁場強度（Ａ／ｍ）をそれぞれ示している。
　図６に示すように、ファラデー効果を呈する磁性体（磁性薄膜など）２０２においては、磁場強度に比例して偏光角が変わる。また、磁場強度と電流量の間にも比例関係があるため、図６のように磁場強度と偏光角との関係を予め取得しておくことによって、偏光角の情報から電流を計測することができる。
　図７は、磁性体２０２の光軸方向の厚みと偏光角の関係を示す図であり、縦軸に偏光角（度）を、横軸に磁性体コアの厚さ（ｍｍ）をそれぞれ示している。図７に示すように、ファラデー効果を呈する磁性体２０２においては、その光軸方向の厚み（すなわち磁性体コア中の光路庁光路長）に比例して大きくなる。
　図８に示すように、透過光の偏光角の回転量と検知部に作用する磁場強度の関係を予め取得し、メモリ３２に格納しておくことにより、磁場と電流の間に比例関係があることを利用して、換算部３１において偏光角の情報から電流を計測することができる。表示部３では、図９に示すように、換算部で算出した電流の波形が表示される。
　以上のように構成した本実施例の動作を説明する。
　本実施例の計測装置１００では、まず、電流センサ４０の検知部４２を、測定対象の電流が流れる電流ライン１１０の近傍に配置する。続いて、入力部２から計測の指示がなされると、光源部１０から直線偏波の光が送信光１ａとして生成され、コネクタ１９を介して電流センサの光ファイバ４１に入射され、光ファイバ４１を介して検知部４２に入射される。このとき、電流ライン１１０を流れる電流によって生じる磁場による磁性体コア４４の磁化状態により、光の偏光角が回転される。
　受光部２０では、送信光１ａと受信光１ｂから得られる偏光角の変化量などのデータが取得されて計算部３０に送られる。計算部３０においては、送信光１ａと受信光１ｂから得られる偏光角の変化量と、予めメモリ３２に格納した換算値とに基づいて電流ライン１１０を流れる電流値が算出され、算出結果が表示部３に表示される。
　以上のように構成した本実施例における効果を説明する。
　測定対象の電流ラインにより生じる磁場を光ファイバに作用させ、光ファイバを通る光の偏向角の回転量を計測することによって磁場の強さ及び電流量を測定する場合、磁場に対する偏向角の回転量、すなわち、磁場に対する感度は、光の磁化材料に対する通過距離やベルデ定数などによって定まる。しかしながら、従来技術のように、ベルデ定数の高い磁性体コアを光ファイバに拡散させて、磁場の強さに対する偏光角、すなわち磁場に対する感度を変更しようとする場合には、感度の異なるセンサに変更するため、感度に応じたセンサを用意する必要があった。このため、複数センサの設置でセンサ設置領域が大きくなったり、適切な感度で計測できず、計測が精度よく実施できないという問題点がある。
　これに対して、本実施例においては、磁性体コア４４の形状と、磁性体コア４４に感度に応じた空隙を設けることで、磁気光検出素子を挿入する場所によって、感度を変更できる。
  本実施例を三相電動機に適用した例を図１２～図１４を参照しつつ説明する。
　本実施の形態は、電流センサの数を３つとし、三相電動機３００に供給される各相の電流を同時に測定する場合を示すものである。図中、同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。
　図１２において、三相電動機３００には、電源端子ボックス３０１から引き出されているＵ相電源ライン３０２、Ｖ相電源ライン３０３、Ｗ相電源ライン３０４により図示しない三相電源からの電力が供給されているＵ相電源ライン３０２、Ｖ相電源ライン３０３、Ｗ相電源ライン３０４にはそれぞれ電流センサ４０、５０、６０が設置されており、計測装置１００に接続されている。なお、電流センサ５０、６０は、電流センサ４０と同様の構成を有している。
　図１３は、図１２で示した三相電動機の電流波形を３箇所の電流センサ４０，５０，６０で、測定した電流波形の一例を示す図である。三相電動機３００の場合、相間の位相差は１２０度あり、動作状態を監視することができる。
　図１４は、三相電動機のＶ相電源ラインの電流に異常が生じたときの出力例を示す図である。このような異常が生じた場合には、振幅のバランスの異常を測定結果から感知するよう設定して異常アラーム等を発信するよう構成することができ、設備の異常を知らせたり、停止させたりするのに利用できる。
　以上、本実施例によれば、絶縁性の高い光学式の電流センサにおいて、電流計測範囲を容易に変更することができる。
　図１５及び図１６を用いて実施例２について説明する。
　図１５及び図１６は、電流センサの光軸を通る平面における断面図であり、電流センサを構成する磁性体コアの中に分布する磁束線を表示した図である。実施例１との違いは形状が丸ではなく、四角とした点である。
　図１５のように四角形状の磁性体コア４４ａで、外径と内径の中心位置が同じ位置となる構造をとると、内径領域に挿入された測定対象の電流線によって生じる磁場分布には傾斜が生じず均一の磁場分布をとる。図１６のように四角形状の磁性体コア４４ｂで、外径と内径の中心位置が異なる構造をとると、内径領域に挿入された測定対象の電流線によって生じる磁場分布は、磁性体コアの断面積に応じて、磁束密度の傾斜が生じる。そこで、前記磁気光学素子を挿入可能とする構造をとり、所望のセンサ感度に応じた前記磁性体コア４４ｂの位置に磁気光学素子を設置することで、電流計測範囲の変更を可能とする。
　以上、本実施例によれば、絶縁性の高い光学式の電流センサにおいて、電流計測範囲を容易に変更することができ、また四角形状のため配置の効率的化が図れる。
　図１７を用いて実施例３について説明する。
　図１７は、電流センサの光軸を通る平面における断面図であり、電流センサを構成する磁性体コアの中に分布する磁束線を表示した図である。実施例１との違いは空隙もしくは異なる透磁率の材料で磁性体コア４４ｃを構成した点である。
　図１７のように環状の磁性体コア４４ｃで、外径と内径の中心位置が異なる構造をとり、さらに磁性体コア４４ｃの一部に空隙もしくは異なる透磁率の材料を設けている。内径領域に挿入された測定対象の電流線によって生じる磁場分布は、磁性体コアの断面積に応じて、磁束密度の傾斜が生じるが、空隙もしくは異なる透磁率の材料４５により磁束勾配をさらに変更できる。その上で、磁性体コア４４ｃに磁気光学素子を挿入可能とする構造をとり、所望のセンサ感度に応じた前記磁性体コアの位置に磁気光学素子を設置することで、電流計測範囲の変更を可能とする。
　以上、本実施例によれば、絶縁性の高い光学式の電流センサにおいて、電流計測範囲をより任意に容易に変更することができる。
　図１８を用いて実施例４について説明する。
　図１４は、電流センサの光軸を通る平面における断面図である。実施例１との磁性体コアの厚み方向（画面に垂直方向）に異なる径の磁性体コアで構成する点である。
　図１８のように環状の磁性体コア４４ｄで、厚み方向（画面に垂直方向）に異なる径の磁性体コア４４ｄで構成し、厚み方向で、異なる位置にファイバセンサを挿入する空隙を設けることで、感度範囲のバリエーションを増やすことができる。所望のセンサ感度に応じた前記磁性体コアの位置に磁気光学素子を設置することで、電流計測範囲の変更を可能とする。
　以上、本実施例によれば、絶縁性の高い光学式の電流センサにおいて、電流計測範囲をより任意に容易に変更することができる。
　また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１：測定部
１ａ：送信光
１ｂ：受信光
２：入力部
３：表示部
１０：光源部
１０Ａ：光源部
１０Ｂ：光源部
１１：発光部
１２：送信光調整部
１２Ａ：偏光子
１２Ｂ：送信光調整部
１２ａ：位相調整部
１２ｂ：１／４波長板
１９：コネクタ
２０：受光部
２０Ａ：受光部
２０Ｂ：受光部
２１：データ変換部
２２：受光素子
２３：受信光調整部
２３Ａ：検光子
２３Ｂ：受信光調整部
２３ａ：カプラ
２３ｂ：偏光子
２３ｃ：カプラ
２３ｄ：１／４波長板
２９：コネクタ
３０：計算部
３１：換算部
３２：メモリ
４０：電流センサ
４１：光ファイバ
４２：検知部
４４：磁性体コア
４４ａ：磁性体コア
４４ｂ：磁性体コア
４４ｃ：磁性体コア
４４ｄ：磁性体コア
５０：電流センサ
１００：計測装置
１１０：電流ライン
２００：入射光
２００ａ：光源
２０１：透過光
２０２：磁性体
３００：三相電動機
３０１：電源端子ボックス
３０２：相電源ライン
３０３：相電源ライン
３０４：相電源ライン

Claims (8)

  1. 　測定対象の電流線に磁性体コアを作用させ、磁場分布に基づいて電流を検知する電流センサにおいて、
    　前記磁性体コアによる磁路に沿って磁束密度を変更する磁束密度変更手段と、
    　前記磁性体コアに磁気光学素子を挿入し、前記磁気光学素子に作用した光の偏光角に基づき電流を検出する光学式電流検出手段と、
    　を具備したことを特徴とする電流センサ。
  2. 　請求項１記載の電流センサにおいて、
    　磁束密度変更手段は、環状の磁性体コアで、外径と内径の中心位置が異なる構造と、磁場分布に応じた前記磁性体コアの位置に、前記磁気光学素子を挿入可能とする構造であることを特徴とする電流センサ。
  3. 　請求項１記載の電流センサにおいて、
    　磁束密度変更手段は、磁性体コアの内部に空隙を有した構造と、磁場分布に応じた前記磁性体コアの位置に、前記磁気光学素子挿入可能とする構造であることを特徴とする電流センサ。
  4. 　請求項１記載の電流センサにおいて、
    　磁束密度変更手段は、環状の磁性体コアで、厚み方向に異なる径となる構造と、磁場分布に応じた前記磁性体コアの位置に、前記磁気光学素子を挿入可能とする構造であることを特徴とする電流センサ。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、
    　前記光学式電流検出手段は、前記磁気光学素子に光ファイバを接続し、前記磁性体コアに挿入し、前記磁気光学素子に作用した照射光の偏光角に基づき電流を検出することを特徴とする電流センサ。
  6. 　請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、
    　前記光学式電流検出手段は、前記磁気光学素子を前記磁性体コアに挿入し、前記磁性体コアの外面から前記磁気光学素子に対して、外部から照射した照射光が到達する光路を有し、前記磁気光学素子に作用した照射光の偏光角に基づき電流を検出することを特徴とする電流センサ。
  7. 　測定対象の電流線に磁性体コアを作用させ、磁場分布に基づいて電流を検知する計測方法であって、
    　前記磁性体コアを非対称とした構造と、磁場分布に応じた前記磁性体コアの位置に、前記磁気光学素子挿入可能とする構造と、で前記磁性体コアによる磁路に沿って磁束密度を変更させ、
    　磁気光学素子を接続した光ファイバを前記磁性体コアに挿入し、
    　前記磁気光学素子に作用した照射光の偏光角に基づき電流を検出することを特徴とする計測方法。
  8. 　モータ又はインバータの電流線に磁性体コアを作用させ、磁場分布に基づいて電流を検知する計測装置であって、
    　前記磁性体コアを非対称とした構造と、磁場分布に応じた前記磁性体コアの位置に、磁気光学素子を挿入可能とする構造と、で前記磁性体コアによる磁路に沿って磁束密度を変更させる手段と、
    　磁気光学素子を接続した光ファイバを前記磁性体コアに挿入可能とする構造と、
    　前記磁気光学素子に作用した照射光の偏光角に基づき電流を検出し、モータ又はインバータの運転状態を評価する計算部からなることを特徴とする計測装置。
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