WO2020242208A1 - 전류센서 - Google Patents

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WO2020242208A1
WO2020242208A1 PCT/KR2020/006890 KR2020006890W WO2020242208A1 WO 2020242208 A1 WO2020242208 A1 WO 2020242208A1 KR 2020006890 W KR2020006890 W KR 2020006890W WO 2020242208 A1 WO2020242208 A1 WO 2020242208A1
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WO
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magnetic core
current
magnetic
sensor
gap
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/006890
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English (en)
French (fr)
Inventor
신정원
Original Assignee
신정원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 신정원 filed Critical 신정원
Priority claimed from KR1020200063999A external-priority patent/KR102330162B1/ko
Publication of WO2020242208A1 publication Critical patent/WO2020242208A1/ko

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/02—General constructional details
    • G01R1/04—Housings; Supporting members; Arrangements of terminals
    • 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
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices

Definitions

  • the present specification generally relates to a current sensor, and more specifically, a magnetic core provided with a magnetic core gap, a magnetic material provided to have a gap between the magnetic core, and a current sensor using a hall sensor provided in the magnetic core gap and the gap. It is about.
  • the current sensor is an electrical component that measures the current flowing through the conductor to be measured. Recently, current sensors have been used in various industrial fields such as industrial facilities, power facilities, and automotive current sensors.
  • a current sensor can be applied in the form of a watt-hour meter that can manage power produced in energy production facilities.
  • vehicles are increasingly equipped with various electric parts such as vehicle navigation systems.
  • Various electrical components attached to the vehicle increase power consumption in the vehicle battery. Accurate detection of battery current through a current sensor is required in order to stably supply power to electric parts mounted on a vehicle by appropriately controlling charging of a vehicle battery.
  • Control technology and protection technology incorporating IT not only monitors the amount of current, but system equipment and robots throughout the industry that perform preventive diagnosis, management, operation and service require application parts to check the exact amount of power due to the increase in power amount. Has become.
  • a current sensor In the case of a current sensor that has already been developed, it does not distinguish between AC and DC areas, has a wide frequency range, and has high reliability advantages, but in the case of a current sensor, the required area is measured by dividing the area to be measured. Individual parts that use multiple current sensors in accordance with the rating of the area to be measured because they are measured with an application part with a voltage output proportional to each rating of small, medium, and high current. It is used in the form of a device. Depending on the sensor, it is possible to measure from 1.5 to 3 times the rating, but there is a drawback of using multiple current sensors to accurately measure the current value of one device.
  • the technology disclosed in this specification is derived to solve the problems of the prior art, and is provided in the magnetic core provided with the magnetic core gap, the magnetic material provided to have a gap between the magnetic core, and the magnetic core gap and the gap.
  • the Hall sensor does not distinguish between AC and DC areas, and even for large currents, it is mounted on a system device or module in a smaller volume than a shunt to measure the amount of equipment current in real time. It is to provide a technology for a current sensor that can measure the current of
  • the technology disclosed in this specification is derived to solve the problems of the prior art, and has a magnetic core provided with a magnetic core gap, a housing surrounding the magnetic core, a magnetic core, or to have a void between the housing.
  • the current in a comprehensive range is utilized together with the magnetic force value of the magnetic field around the magnetic core. It is to provide a technology for a current sensor that can be measured, that is, a wide dynamic range current sensor.
  • the technology disclosed in this specification is used for a large busbar due to its small volume when the current sensor is installed and used in system equipment by structurally designing the housing in a clamp type and providing a magnetic material on the inner circumferential surface of the housing. It is to provide a technology for a current sensor that can solve the disadvantages that could not be done.
  • the current sensor includes a magnetic core having an opening through which a conductor through which a current to be measured flows can pass, a magnetic core gap provided in a predetermined portion of the magnetic core, a first Hall sensor provided in the magnetic core gap, and the magnetic core It includes a magnetic material provided to have a gap between and and a second Hall sensor provided in the gap.
  • the magnetic material may be provided in the opening, and the void may be provided between the inner surface of the magnetic core.
  • the current sensor may further include a housing surrounding the magnetic core.
  • the inner circumferential surface of the housing may be provided in the opening.
  • the magnetic material may be provided on the inner circumferential surface of the housing, and the void may be provided between the inner circumferential surface of the housing.
  • the magnetic permeability characteristics of the magnetic core may have characteristics different from those of the magnetic material.
  • the saturation magnetic flux density characteristics of the magnetic core may have characteristics different from those of the magnetic body.
  • the air gap may be provided to be spaced apart from the magnetic core gap by a predetermined distance based on the circumference of the magnetic core.
  • the current sensor disclosed in the present specification may further include a third Hall sensor.
  • a plurality of magnetic core gaps may be provided.
  • the first Hall sensor is provided in any one of the plurality of magnetic core gaps-hereinafter referred to as the first magnetic core gap-and the third Hall sensor is the other one of the plurality of magnetic core gaps-or less It may be provided in a second magnetic core gap. A distance between the first magnetic core gap and the second magnetic core gap may be different from each other.
  • the technology disclosed in this specification is a magnetic core provided with a magnetic core gap, a magnetic material provided to have a gap between the magnetic core, and a high current without distinguishing between the AC and DC regions through a Hall sensor provided in the magnetic core gap and the gap.
  • the shunt it is mounted on a system device or module in a smaller volume than the shunt, so that the current amount of equipment can be measured in real time, and it can provide an effect of measuring the current in a comprehensive area covering a high current area in a low current area.
  • the technology disclosed in the present specification includes a magnetic core provided with a magnetic core gap, a housing surrounding the magnetic core, a magnetic material provided to have a gap between the magnetic core or the housing, and a hall sensor provided in the magnetic core gap and the gap.
  • the magnetic force value of the magnetic field around the magnetic core can be used together to provide an effect of measuring the current in a comprehensive area.
  • a plurality of magnetic core gaps of the technology disclosed in the present specification may be provided.
  • a first magnetic core gap, which is one magnetic core gap of the plurality of magnetic core gaps, and a second magnetic core gap that is the other magnetic core gap may have different intervals.
  • Current sensors having different rated values may be implemented by providing a first Hall sensor and a third Hall sensor in the first magnetic core gap and the second magnetic core gap having different intervals, respectively. Through this, the current sensor disclosed in the present specification may provide an effect of measuring a current in a comprehensive area.
  • the technology disclosed in this specification is not used for large busbars due to its small volume when the current sensor is installed and used in system equipment by structurally designing the housing in a clamp type and providing a magnetic material on the inner peripheral surface of the housing. It can provide an effect that can solve the shortcomings that were not possible.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a current sensor disclosed in the present specification according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a driving principle of a current sensor including a Hall sensor.
  • FIG. 3 is a diagram showing a current sensor proposed in an experimental example.
  • FIG. 4 is a diagram showing a load measurement equipment system of a current sensor proposed in an experimental example.
  • FIG. 5 is a diagram showing an electromagnetic field shape and a magnetic flux distribution diagram of a current sensor proposed in an experimental example.
  • provision When one component is referred to as “provision" to another component, it may include a case where the one component is directly provided on the other component, as well as a case where an additional component is interposed therebetween.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a current sensor 100 disclosed in the present specification according to an exemplary embodiment.
  • 1A and 1B are views showing a front view and a perspective view of the current sensor 100, respectively.
  • the right side of (a) of FIG. 1 is a view showing the internal shape of the current sensor 100.
  • 2 is a diagram for explaining a driving principle of a current sensor including a Hall sensor.
  • 3 is a diagram showing a current sensor proposed in an experimental example.
  • Figure 3 (a) is a view showing the position of the air gap between sensor 1 and sensor 2
  • (b) is a 3D model of the proposed current sensor.
  • 4 is a diagram showing a load measurement equipment system of a current sensor proposed in an experimental example.
  • 5 is a diagram showing an electromagnetic field shape and a magnetic flux distribution diagram of a current sensor proposed in an experimental example.
  • 5A is a diagram showing a BH curve
  • (b) is a diagram showing a model shape
  • (c) is a diagram showing a magnetic flux distribution diagram at 50A
  • (d) is a magnetic flux distribution diagram at 2.0KA.
  • Is a diagram showing (e) is a diagram showing a magnetic flux distribution diagram at 2.5KA, (f) is a diagram showing a magnetic flux distribution diagram at 4.0KA, and (g) is a diagram showing a magnetic flux distribution diagram at 5.0KA.
  • 6 is a graph of the linearity of Experiment 1.
  • 6(a) is a graph of 4V output when sensor 1 is rated at 100A
  • (b) is a graph of 4V output when sensor 2 is rated at 4.0KA
  • 7 is a graph of the linearity of Experiment 2.
  • 7A is a graph of 4V output when sensor 1 is rated at 10KA
  • (b) is a graph of 4V output when sensor 2 is rated at 2.0KA.
  • 8 is a linear graph of an electromagnetic field analysis value.
  • Figure 8 (a) is a linear graph of the analysis value and the experimental value
  • (b) is a graph of the analysis value and the experimental value linear error.
  • the current sensor 100 includes a magnetic core 110, a first Hall sensor 120, a magnetic body 130, and a second Hall sensor 140. In some other embodiments, the current sensor 100 may optionally further include a housing 150. In some still other embodiments, the current sensor 100 may optionally further include a third Hall sensor (not shown).
  • the magnetic core 110 has an opening 114 through which a conductor through which a current to be measured flows can pass.
  • a square shape as the magnetic core 110 is shown as an example, but there is no limitation on the shape of the magnetic core 110 as long as it can perform the functions described later.
  • Various materials may be used as the material of the magnetic core 110.
  • a soft magnetic material having high permeability and low coercive force may be preferable.
  • the soft magnetic material may be, for example, silicon steel (Si-Fe), permalloy steel (Ni-Fe), ferrite (Mn-Zn), Co-based amorphous alloy, or Fe-based amorphous alloy.
  • the magnetic core gap 112 is provided in a predetermined portion of the magnetic core 110.
  • the magnetic core gap 112 provided in two portions of the magnetic core 110 is shown as an example, but at least one of the magnetic core gap 112 is sufficient.
  • the range of the current that can be measured through the first Hall sensor 120 that is, the rated value of the current that can be sensed, can be adjusted by adjusting the interval of the magnetic core gap 112.
  • the first Hall sensor 120 is provided in the magnetic core gap 112.
  • a conductor through which a current to be measured flows passes through the opening 114 of the magnetic core 110.
  • the current flowing through the conductor creates a magnetic field around it, and the magnetic field creates a magnetic flux density inside the magnetic core 110.
  • the generated magnetic flux density is transmitted to the first Hall sensor 120 disposed in the magnetic core gap 112, and the first Hall sensor 120 is based on the received magnetic flux density and the control current flowing through the first Hall sensor 120. By measuring the generated Hall voltage, the current flowing through the conductor may be sensed.
  • the first Hall sensor 120 when the first Hall sensor 120 is provided in the magnetic core gap 112 and a control current flows through a conductive wire made of a metal or a semiconductor of the first Hall sensor 120, the current of the control current
  • the carrier is subjected to Lorentz force by the magnetic flux density.
  • the Lorentz force can be expressed as a vector product of the charge (q) of the current carrier, the velocity (v) of the current carrier, and the magnetic flux density applied to the current carrier.
  • an electron as a current carrier will be mainly described.
  • the electrons are moved by the Lorentz force, and an electric field is formed at both ends of the wire through which the control current flows, and then the electric force and the Lorentz force received by the electron are balanced by the electric field.
  • Hall voltages are generated at both ends of the conductor through which the control current flows due to the movement of electrons by Lorentz force and the electric field formed by movement of electrons.
  • the Hall voltage is proportional to the control current and magnetic flux density, and has a characteristic inversely proportional to the thickness of the conductor.
  • the magnetic flux density provided to the magnetic core gap 112 is proportional to the current value to be measured flowing through the conductor and the magnetic permeability of the magnetic material constituting the magnetic core 110.
  • the Hall voltage shows characteristics proportional to the control current flowing through the first Hall sensor 120, the magnetic permeability of the magnetic body constituting the magnetic core 110, and the current value to be measured flowing through the conductor, and the first Hall sensor ( 120) It is inversely proportional to the thickness of the conductor through which the control current flows inside.
  • the magnetic field sensitivity of the first Hall sensor 120 is affected by the material properties of the magnetic material used as the material of the magnetic core 110.
  • a magnetic material with a high permeability exhibits saturation characteristics at a low magnetic flux density
  • a magnetic material with a low permeability exhibits saturation characteristics at a large magnetic flux density
  • the current sensor 100 using a magnetic material having a saturation characteristic at a low magnetic flux density as the magnetic core 110 has a saturation characteristic at a low Hall voltage
  • a magnetic material showing a saturation characteristic at a large magnetic flux density is used as the magnetic core 110.
  • the used current sensor 100 has a saturation characteristic at a large Hall voltage.
  • the current sensor 100 using the same magnetic material as the material of the magnetic core 110 has good sensitivity in a low current band but bad saturation characteristics, or poor sensitivity in a low current band but good saturation characteristics. Show a tendency. That is, with the current sensor 100 through the magnetic core 110 made of the same type of magnetic material, it is possible to implement a current sensor with good sensitivity in a low current band and good saturation characteristics in a high current band through which a relatively large current flows. There is a difficult problem.
  • the technology disclosed in this specification uses a magnetic body 130 provided to have a gap 132 between a magnetic core 110 and a second hall sensor 140 provided in the gap 132 to be described later.
  • the magnetic flux density generated by the magnetic body 130 by the magnetic field formed around it is transmitted to the second Hall sensor 140, and the second Hall sensor 140 includes the received magnetic flux density and the second Hall sensor 140.
  • Hall voltage generated from the control current flowing through can be measured.
  • the technology disclosed in the present specification measures the Hall voltage through the first Hall sensor 120 and the second Hall sensor 140, respectively, and senses the current flowing through the conductor. It can provide the effect of measuring the current.
  • the magnetic body 130 is provided to have a void 132 between the magnetic core 110 and the magnetic core 110.
  • the magnetic body 130 may be provided to be detachable.
  • the void 132 may be provided to be spaced apart from the magnetic core gap 112 by a predetermined distance based on the circumference of the magnetic core 110.
  • a straight shape as the magnetic body 130 is shown as an example, but there is no limitation on the shape of the magnetic core 110 as long as it can perform the functions described below.
  • Various materials may be used as the material of the magnetic body 130.
  • a soft magnetic material having high permeability and low coercive force may be preferable.
  • the soft magnetic material may be, for example, silicon steel (Si-Fe), permalloy steel (Ni-Fe), ferrite (Mn-Zn), Co-based amorphous alloy, or Fe-based amorphous alloy.
  • the magnetic body 130 may be provided in the opening 114, and the void 132 may be provided between the inner surface of the magnetic core 110.
  • the spacing of the voids 132 may be adjusted through adjustment of the length and position of the magnetic body 130.
  • the range of the current that can be measured through the second Hall sensor 140 that is, the rated value of the current that can be sensed, can be adjusted by adjusting the gap of the air gap 132.
  • the second Hall sensor 140 is provided in the void 132.
  • the magnetic body 130 provided to have a void 132 between the magnetic core 110 and the second Hall sensor 140 provided in the void 132 are used to prevent the magnetic field formed around the magnetic core 110.
  • the magnetic flux density generated by the magnetic body 130 is transmitted to the second Hall sensor 140, and the second Hall sensor 140 is a Hall voltage generated from the received magnetic flux density and the control current flowing through the second Hall sensor 140 Can be measured.
  • the distance between the magnetic body 130 and the conductor through which the current to be measured flows can be adjusted.
  • the magnetic body 130 is generated and transmitted to the second Hall sensor 140 by placing the magnetic body 130 close to the conductor, thereby increasing the magnetic flux density.
  • the second Hall sensor 140 provided in the air gap 132 of the magnetic body 130 can effectively detect even if a low current flows through the conductor.
  • the current sensor 100 disclosed in the present specification includes a magnetic body 130 and a void 132 provided to have a void 132 between the magnetic core 110 in addition to the magnetic core 110 and the first holder 120.
  • a technique using the second Hall sensor 140 provided in) is presented. Through this, the measurable range of the current flowing through the conductor by the current sensor 100 disclosed in the present specification can be extended to a comprehensive range ranging from a low current region to a high current region.
  • the housing 150 may surround the magnetic core 110.
  • the inner circumferential surface 154 of the housing 150 may be provided in the opening 114.
  • the magnetic body 130 may be provided on the inner circumferential surface 154 of the housing 150, and the void 132 may be provided between the inner circumferential surface 154 of the housing 150.
  • a rectangular housing 150 that surrounds the magnetic core 110 and has an opening therein is shown as an example, but the magnetic core 110 can be wrapped and the magnetic material 130 is disposed on the inner peripheral surface 154
  • the shape of the housing 150 is no limit to the shape of the housing 150 as long as it can be provided while having a void 132 between the inner circumferential surface 154 of 150.
  • the drawing shows a housing 150 having a clamp-type structure that is divided into two parts, and the lower part of each of the separated parts is rotatably connected to each other and the upper part is mutually fastened by a fastening part.
  • the magnetic core 110 may also be divided into two parts corresponding to the shape of the housing 150 divided into two parts. Separated magnetic cores 110 may be respectively positioned on separate portions of the housing 150. Both ends of the separated magnetic core 110 may face each other when the separated housing 150 is fastened to each other. A gap may be provided between the magnetic cores 110 separated in the opposite process, and the gap may serve as the magnetic core gap 112.
  • the starting current sensor 100 can be easily mounted.
  • a plurality of magnetic core gaps 112 of the technology disclosed in the present specification may be provided.
  • magnetic core gaps 112 provided in two portions of the magnetic core 110 are shown as an example, but three or more magnetic core gaps may be provided in the magnetic core 110.
  • a first magnetic core gap that is one magnetic core gap of the plurality of magnetic core gaps 112 and a second magnetic core gap that is another magnetic core gap may have different intervals.
  • a first Hall sensor 120 and a third Hall sensor (not shown) may be provided in the first magnetic core gap and the second magnetic core gap having different intervals. By varying the distance between the first magnetic core gap and the second magnetic core gap, the first magnetic core gap and the second magnetic core gap are rated through the first Hall sensor 120 and the third Hall sensor, respectively.
  • the current sensor disclosed in the present specification may provide an effect of measuring a current in a comprehensive area.
  • the current sensor 100 disclosed in the present specification has a wide dynamic range. It can provide an effect of measuring current from a low current region to a large current region, which can be referred to as dynamic range).
  • the magnetic core 110 may have a magnetic permeability characteristic different from that of the magnetic body 130.
  • the saturation magnetic flux density characteristics of the magnetic core 110 may have different characteristics from the saturation magnetic flux density characteristics of the magnetic body 130.
  • the magnetic body 130 may have a larger magnetic permeability than the magnetic core 110, and the magnetic core 110 may have a higher saturation magnetic flux density than the magnetic body 130.
  • silicon steel may be used as the magnetic core 110
  • permalloy steel may be used as the magnetic body 130.
  • silicon steel has a lower magnetic permeability in a lower current band than permalloy steel, but may have a higher saturation magnetic flux density than permalloy steel.
  • the magnetic core 110 and the magnetic body 130 may have characteristics opposite to those described above. Through this, the measurable range of the current flowing through the conductor by the current sensor 100 disclosed in the present specification can be more stably extended to a comprehensive area covering from a low current area to a high current area.
  • the current sensor 100 disclosed in the present specification will be described in terms of one embodiment shown as an example in FIG. 1 as follows.
  • the magnetic core ( 110) a clamp-type structural design is proposed, and a simple straight ferromagnetic material is mounted on a clamp-type device as the magnetic body 130 for measuring a large current.
  • a simple straight ferromagnetic material as the magnetic material 130 is used to utilize the magnetic force value of the magnetic field around the magnetic core 110.
  • a current sensor 100 is proposed that makes a void 132 that did not exist, adjusts the length of the void 132, and utilizes the value of the surrounding magnetic field.
  • the current sensor one of the application parts for current measurement, does not distinguish between AC and DC areas, has a wide frequency range, and has high reliability, but due to the saturation of ferromagnetic materials, a single current sensor can cover all areas. I can't measure it. Therefore, in the present specification, a magnetic body 130 having a large-capacity type clamp structure appearance using the magnetic core 110 and the first Hall sensor 120 as an example, and having a structure such as a simple straight rod for measuring a large current as an example. ) To make a sensor and use the magnetic force value of the square eye gap 132 of the inner diameter of the clamp to amplify the Hall element output signal to measure the desired large current value.It is the rated value of a wide and desired bandwidth. By designating, a technique for a current sensor 100 having a high accuracy of 1% of the measurement range and good space utilization is proposed.
  • a current sensor capable of measuring a current in a comprehensive region will be described in detail through the following experimental examples.
  • a current sensor capable of measuring a current in a comprehensive area will be referred to as a wide dynamic sensor.
  • the hall electromotive force (V) is defined as the following equation.
  • the Hall element attached to the inside of the core cavity represents a Hall voltage in proportion to the magnitude of the magnetic force, and the generated Hall voltage is amplified through OP-AMP and expressed as a voltage.
  • sensor 1 In the case of sensor 1, a case manufacturer (HANKOOK SENSOR CO., Ltd.) made of noreel material was used, and in the case of sensor 2, it was manufactured by 3D-Print, and it was fixed with tape to fix sensor 1 and sensor 2.
  • Sensor1 Molex pin 5045 Sensor2 at the top, 5 pins were used, and power was supplied to each PCB, and the sensed current was received as an output value in the form of voltage.
  • the principle of product driving is that when current flows through the wire, magnetic force is generated in proportion to the magnetic flux of the core pores of each sensor, so that sensor 1 utilizes the upper and lower pores of the square shape of the core located inside the case, and sensor 2 has a long straight shape.
  • the rated current value to be measured was used by adjusting the air gap length and the constant value of the circuit by utilizing the gaps on both sides of Sensor1 and Sensor2.
  • the Hall element used at this time was manufactured using the manufacturer (AKM), and the unbalanced voltage of the Hall element attached inside the core void of each sensor is amplified through OP-AMP and output as a voltage, and by adjusting the zero offset of each sensor It can represent an accurate value with better linearity.
  • the power supply uses the power to supply the sensor power and the DC current supply (KIKUSUI) that flows the current of the conducting wire for measurement, and the current value measured by distributing 11 times for the stable supply of current using a reference current meter.
  • KIKUSUI DC current supply
  • Supply ⁇ 15V of power to drive sensor 1 increase the load by 50 A to check the error rate of rated current 100 A and 4 V, and check the output value by applying a load up to 3 times the rated value.
  • the load of 4 KA can only be applied up to a maximum of 4 KA, the measured value was checked by increasing 50 A increments under 400 A, and the measurement was performed by raising 200 A up to less than 1000 A, and measurement was performed by increasing 1 KA increments up to 4 KA after 500 A. did.
  • the shape considering the nonlinear characteristics of the material was divided into mesh by using the finite element method using the three-dimensional electromagnetic field phenomenon as shown in FIG.
  • the thermal analysis of -date due to the current distribution represented by the current it was possible to confirm the value that changes the magnetic flux density distribution according to the amount of change in the current without changing the height and void of the sensor 1 and sensor 2 models.
  • Fig. 5(b) the shape of the model is made and the magnetic flux density is calculated by dividing the mesh, and Fig. 5(a) shows the curve curve of the used BH-date, and the magnetic flux distribution according to the current can be confirmed. . If you check the design shape of this model, it is confirmed that saturation progresses when it exceeds 1.6 T. In the case of sensor 1 (c) to (g) of FIG. 5, if the magnetic flux distribution for the thermal analysis is viewed, from the time of 2.5 KA load, the change in orange color can be easily confirmed with the naked eye.
  • the color around the core changes to red as the magnetic flux distribution around the core increases, and it is possible to compare the calculated values of the magnetic flux density to find and design the optimized value.
  • the optimized analysis value of electromagnetic field analysis it is possible to design the core through the optimized and stable sensor core design of 4 KA ⁇ 5 KA. 5(g)
  • the rating of sensor 1 is 5.0 KA
  • the core color and sensor 2 are clearly different by looking at the 5.0 KA color.
  • the core color of sensor 2 represents the yellow green color of the 2.0 KA magnetic flux distribution diagram of FIG. 5D. By comparing this magnetic flux distribution by color, it can be seen that the sensor 2 can measure a much higher current.
  • the magnetic flux distribution diagram of the electromagnetic field analysis value is yellow green at 5.0 KA
  • the magnetic flux density measured by dividing the current per mT of the analysis value is the value obtained by dividing the current by the magnetic flux density of the sensor 1 pick
  • the core magnetic flux distribution of the calculated value is also Since it does not affect the magnetized value, even the experimental value of 15KA can be sufficiently used.
  • the magnetic flux distributions of Sensor 1 and Sensor 2 are different when the same current is passed, and sensor 1 is not magnetized because the core shows red color in thermal analysis.
  • the purpose of this test is to increase the reliability of the results of the experiment of the proposed wide dynamic current sensor, to confirm the larger current of the experimental value, and to have the reliability of the electromagnetic field analysis for the experiment under conditions that cannot be loaded. It is to check the deviation of the simulated load experiment under the same load condition by changing the software simulation of the analysis value and the load test output value of the Hall element of the experimental value to mT.
  • the deviation rate of each rated value of 50 A ⁇ 1.5 KA analysis value and experimental value is within 3%, the average is within 1.73%, the deviation range is 0.211 ⁇ 2.47, linearity 0.01%, linearity error rate is 0.06%
  • the width of the deviation rate is within 5%, the average deviation rate of 0.069% and the deviation range 1.019 to 4.059, linearity 0.56%, and linearity error rate 1.35%.
  • the linearity of the electromagnetic field analysis is to check the output value of the value due to the BH-date input, the linearity value is the output value for the input according to the design criteria of the program, so much better linearity than the experimental value came out, and the sensor of the experimental value Since it is the input value of the calculation formula tested with the Hall element specification of 2, the error of the linearity of the electromagnetic field analysis was more than 1% in the case of Experiment 2.
  • the linearity error rate is It is regarded as a standard that expresses the coverage as it is, and it is not a range that affects the linearity in the circuit design of the product.
  • Each linearity of the analysis value of the electromagnetic field analysis of FIG. 8 and the value of the measurement result with the field load test apparatus of FIGS. 4, 5, and 6 was within 1%, and the deviation of these two tests also did not affect the product design. Does not show good results. With these two experiments, it is a good product that can be said to be a customized current sensor that can select and use the area to be measured while supplementing the limitations of the current sensors currently being developed and used.
  • the current sensor that is, the wide dynamic current sensor proposed in the present specification
  • it is a technology approached by knowing the limitations of the current sensor currently developed and used. If the current value to be measured is small, but the measuring device at the location to be mounted is large, the problem that is difficult to measure can be solved and the desired current value can be measured.
  • a simple straight type By integrating ferromagnetic material, it is possible to adjust the length of both gaps of the straight current sensor and increase the rated value of the area to be measured.
  • the minimum current is airgap, that is, magnetic flux density according to the magnetic core gap. It was confirmed that the airgap that can be sensed is adjusted and optimized measurement is also possible.

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Abstract

전류센서에 관한 기술이 개시된다. 상기 전류센서는 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지는 자기코어, 상기 자기코어의 소정부분에 마련되는 자기코어갭, 상기 자기코어갭에 마련되는 제1홀센서, 상기 자기코어와의 사이에 공극을 가지도록 마련되는 자성체 및 상기 공극에 마련되는 제2홀센서를 포함한다. 상기 자성체는 상기 개구부에 마련되며, 상기 공극은 상기 자기코어의 내면과의 사이에 마련될 수 있다. 본 명세서에서 개시하는 기술은 자기코어갭이 마련된 자기코어, 자기코어와의 사이에 공극을 가지도록 마련되는 자성체 및 자기코어갭과 공극에 마련되는 홀센서를 통하여 AC, DC 영역을 구분하지 않고 대전류에 대해서도 션트에 비해 작은 부피로 시스템 장치나 모듈에 장착되어 실시간으로 장비 전류량을 측정할 수 있고, 저전류 영역에서 대전류 영역을 아우르는 포괄적인 영역의 전류를 측정할 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.

Description

전류센서
본 명세서는 대체로 전류센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자기코어갭이 마련된 자기코어, 자기코어와의 사이에 공극을 가지도록 마련되는 자성체 및 자기코어갭과 공극에 마련되는 홀센서를 이용한 전류센서에 관한 것이다.
전류센서는 피측정 도전체에 흐르는 전류를 측정하는 전기부품이다. 최근 전류 센서는 산업 설비 분야, 전력 시설 설비 분야, 차재용 전류센서 분야 등 다양한 산업 분야에서 이용되고 있다.
전류센서가 적용되는 산업 설비 분야로는 용접기, 전원공급장치, 무정전전원장치(UPS), 공작기계, 로봇, 전철 등을 들 수 있다. 전력 시설 설비 분야에서는 에너지 생산 설비에서 생산되는 전력을 관리할 수 있는 전력량계 등의 형태로 전류센서가 적용될 수 있다. 최근 차량에는 차량용 네비게이션 시스템과 같은 다양한 전기부품들의 장착이 증가하고 있는 추세이다. 차량에 부착되는 다양한 전기부품들은 차량 배터리에서의 전력소모를 증가시킨다. 차량 배터리의 충전을 적절히 제어하여 차량에 탑재되는 전기부품들에 안정적으로 전력을 공급하기 위해서는 전류센서를 통한 배터리 전류의 정확한 검출이 필요하다.
미래는 자연환경과 대체에너지 사용으로 에너지를 응용하는 부분에서 기계장비의 시스템을 운용하기 위한 전력 소비량은 점점 더 늘어날 것이다. IT를 접목한 제어기술 및 보호기술은 전류량만 모니터링할 뿐만 아니라, 예방 진단, 관리, 운용 및 서비스를 하는 산업 전반의 시스템장비 및 로봇들은 전력량의 증가로 인해 정확한 전력량을 확인하기 위한 응용부품이 요구되고 있다.
전류량의 측정에는 electrical shunt, 로고스키코일, current sensor 등이 주로 이용되고 있다. 응용부품으로 사용할 경우 정격범위를 정해서 사용하여야 하고, 측정하고자 하는 전류량의 크기가 클수록 제품의 부피는 커진다. 션트는 측정하고자 하는 범위가 대용량이 되면, 부피가 너무 커져 측정하기가 쉽지 않으며, 로고스키코일의 경우는 측정하고자 하는 범위가 넓고 공심이거나 비자성재료를 사용하기 때문에, 자기적으로 포화되지 않아서 넓은 전류영역을 측정하는 장점을 가지고 있다. 그러나 주파수에 따른 임피던스 특성에 따라 전류의 주파수가 제한이 되며, 저전류 측정시 코일에 유기되는 전압이 적으며, 미세한 진동이 지속적으로 진행되는 경우와 움직이는 기계장치의 모니터링용으로는 적합하지 못하다.
이미 개발되어진 전류센서의 경우 AC, DC 영역을 구분하지 않고, 주파수 영역이 넓으며, 신뢰성이 높은 장점을 가지고 있으나, 전류센서의 경우 측정하고자 하는 영역을 나누어 필요한 영역의 측정을 하고 있다. 소, 중, 고 전류의 각 정격에 비례한 전압출력의 응용부품으로 측정하다 보니, 측정할 수 있는 영역은 적으며, 측정해야 하는 영역의 정격에 맞추어, 여러 개의 전류센서를 사용하고 있는 개별적인 부품 소자 형태로 사용하고 있다. 센서에 따라 정격의 1.5배에서 3배까지 측정이 가능하나, 한 장비의 전류값을 정확하게 측정하기 위해 다수의 전류센서를 사용 해야하는 단점이 있다. 이렇게 밖에 사용할 수 없는 이유는 전류센서가 장착되는 모듈과의 장착위치, 포화를 가지는 코어 소재의 한계로 인한 포화현상, 공극의 갭을 활용한 센서의 영역은 폭넓은 영역을 측정할 수가 없다. 또한, 100A 영역의 전류를 측정하기 위해서는 내경 모양이 원형일 경우 5Pi~30Pi 각형일 경우는 10*10~30*30mm이라는 구조물의 특징을 가지므로, 큰 부스바의 100A를 측정해야 하는 경우는 측정하고자 하는 영역의 외형에 장착하여 측정할 수가 없다. 현재 개발된 전류센서의 경우 내경이 작아 큰 모양의 부스바에 장착하여 사용하기란 어렵다. 반대로 대용량 전류센서의 경우 10KA이상의 전류량을 측정할 경우, 전류센서의 측정 범위는 넓지만, 저전류의 측정 정확도가 떨어진다. 측정하는 장비 조차도 10KA일 경우 0.1KA 저전류 신호의 직선성 출력값을 확인하기란 쉽지가 않다.
전류센서와 관련한 종래기술로는 한국등록특허 제10-1131997호 ‘전류 센서 및 그 전류 센서용 홀 센서’ 등이 있다.
본 명세서에서 개시하는 기술은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 자기코어갭이 마련된 자기코어, 자기코어와의 사이에 공극을 가지도록 마련되는 자성체 및 자기코어갭과 공극에 마련되는 홀센서를 통하여 AC, DC 영역을 구분하지 않고 대전류에 대해서도 션트에 비해 작은 부피로 시스템 장치나 모듈에 장착되어 실시간으로 장비 전류량을 측정할 수 있고, 저전류 영역에서 대전류 영역을 아우르는 포괄적인 영역의 전류를 측정할 수 있는 전류센서에 관한 기술을 제공하는 것이다.
또한, 본 명세서에서 개시하는 기술은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 자기코어갭이 마련된 자기코어, 자기코어를 둘러싸는 하우징, 자기코어 또는 하우징과의 사이에 공극을 가지도록 마련되는 자성체 및 자기코어갭과 공극에 마련되는 홀센서를 통하여 기존의 자기코어갭의 자속밀도값만을 활용한 전류센서와 달리 자기코어 주변의 자기장의 자력값을 함께 활용하여 포괄적인 영역의 전류를 측정할 수 있는 전류센서 즉, 와이드 다이나믹 레인지 전류센서에 관한 기술을 제공하는 것이다.
이에 더하여, 본 명세서에서 개시하는 기술은 하우징을 클램프타입으로 구조설계하고 하우징의 내주면에 자성체를 마련함으로써 시스템 장비에 장착되어 사용되고 있는 기존 전류센서가 가지는 소전류일 때 작은 부피로 인하여 큰 부스바에 사용하지 못하였던 단점을 해소해줄 수 있는 전류센서에 관한 기술을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 있어서, 전류센서에 관한 기술이 개시(disclosure)된다. 상기 전류센서는 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지는 자기코어, 상기 자기코어의 소정부분에 마련되는 자기코어갭, 상기 자기코어갭에 마련되는 제1홀센서, 상기 자기코어와의 사이에 공극을 가지도록 마련되는 자성체 및 상기 공극에 마련되는 제2홀센서를 포함한다.
상기 자성체는 상기 개구부에 마련되며, 상기 공극은 상기 자기코어의 내면과의 사이에 마련될 수 있다.
상기 전류센서는 상기 자기코어를 둘러싸는 하우징을 더 포함할 수 있다. 상기 하우징의 내주면은 상기 개구부에 마련될 수 있다. 상기 자성체는 상기 하우징의 상기 내주면에 마련될 수 있으며, 상기 공극은 상기 하우징의 내주면과의 사이에 마련될 수 있다.
상기 자기코어의 투자율 특성은 상기 자성체의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가질 수 있다.
상기 자기코어의 포화자속밀도 특성은 상기 자성체의 포화자속밀도 특성과 서로 다른 특성을 가질 수 있다.
상기 공극은 상기 자기코어의 둘레를 기준으로 상기 자기코어갭과 소정의 거리 이격되어 마련될 수 있다.
본 명세서에서 개시하는 전류센서는 제3홀센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 자기코어갭은 복수개 마련될 수 있다. 상기 제1홀센서는 상기 복수개 마련되는 상기 자기코어갭 중 어느 하나-이하 제1자기코어갭이라 함-에 마련되며, 상기 제3홀센서는 상기 복수개 마련되는 상기 자기코어갭 중 다른 하나-이하 제2자기코어갭이라 함-에 마련될 수 있다. 상기 제1자기코어갭의 간격과 상기 제2자기코어갭의 간격은 서로 다를 수 있다.
본 명세서에서 개시하는 기술은 자기코어갭이 마련된 자기코어, 자기코어와의 사이에 공극을 가지도록 마련되는 자성체 및 자기코어갭과 공극에 마련되는 홀센서를 통하여 AC, DC 영역을 구분하지 않고 대전류에 대해서도 션트에 비해 작은 부피로 시스템 장치나 모듈에 장착되어 실시간으로 장비 전류량을 측정할 수 있고, 저전류 영역에서 대전류 영역을 아우르는 포괄적인 영역의 전류를 측정할 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.
또한, 본 명세서에서 개시하는 기술은 자기코어갭이 마련된 자기코어, 자기코어를 둘러싸는 하우징, 자기코어 또는 하우징과의 사이에 공극을 가지도록 마련되는 자성체 및 자기코어갭과 공극에 마련되는 홀센서를 통하여 기존의 자기코어갭의 자속밀도값만을 활용한 전류센서와 달리 자기코어 주변의 자기장의 자력값을 함께 활용하여 포괄적인 영역의 전류를 측정할 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.
또한, 본 명세서에서 개시하는 기술의 자기코어갭은 복수개 마련될 수 있다. 복수개 마련되는 자기코어갭의 어느 하나의 자기코어갭인 제1자기코어갭 및 다른 하나의 자기코어갭인 제2자기코어갭은 서로 다른 간격을 가질 수 있다. 서로 다른 간격을 가지는 상기 제1자기코어갭 및 상기 제2자기코어갭에 각각 제1홀센서 및 제3홀센서를 마련함으로써 정격값이 서로 다른 전류센서를 구현할 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 전류센서는 포괄적인 영역의 전류를 측정할 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.
또한, 본 명세서에서 개시하는 기술은 하우징을 클램프타입으로 구조설계하고 하우징의 내주면에 자성체를 마련함으로써 시스템 장비에 장착되어 사용되고 있는 기존 전류센서가 가지는 소전류일 때 작은 부피로 인하여 큰 부스바에 사용하지 못하였던 단점을 해소해줄 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.
전술한 내용은 이후 보다 자세하게 기술되는 사항에 대해 간략화된 형태로 선택적인 개념만을 제공한다. 본 내용은 특허 청구 범위의 주요 특징 또는 필수적 특징을 한정하거나, 특허청구범위의 범위를 제한할 의도로 제공되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시 예에 따른 본 명세서에서 개시하는 전류센서를 나타내는 도면이다.
도 2는 홀센서를 포함하는 전류센서의 구동원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 실험예에서 제안한 전류센서를 나타내는 도면이다.
도 4는 실험예에서 제안한 전류센서의 부하 측정장비시스템을 보여주는 도면이다.
도 5는 실험예에서 제안한 전류센서의 전자계형상 및 자속분포도를 보여주는 도면이다.
도 6은 실험 1의 직선성 그래프이다.
도 7은 실험 2의 직선성 그래프이다.
도 8은 전자계 해석치의 Linear 그래프이다.
이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고 자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구성요소의 폭, 길이, 두께 또는 형상 등은 과장되어 표현될 수도 있다.
일 구성요소가 다른 구성요소에 "마련"이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 마련되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용된 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 일 실시 예에 따른 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)를 나타내는 도면이다. 도 1의 (a) 및 (b)는 각각 전류센서(100)의 정면도 및 사시도를 보여주는 도면이다. 도 1의 (a)의 우측은 전류센서(100)의 내부모습을 보여주는 도면이다. 도 2는 홀센서를 포함하는 전류센서의 구동원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 실험예에서 제안한 전류센서를 나타내는 도면이다. 도 3의 (a)는 센서1, 센서2의 공극 위치를 보여주는 도면이며, (b)는 제안한 전류센서의 3D 모형이다. 도 4는 실험예에서 제안한 전류센서의 부하 측정장비시스템을 보여주는 도면이다. 도 5는 실험예에서 제안한 전류센서의 전자계형상 및 자속분포도를 보여주는 도면이다. 도 5의 (a)는 B-H curve 곡선을 보여주는 도면이며, (b)는 모델형상을 보여주는 도면이며, (c)는 50A에서의 자속분포도를 보여주는 도면이며, (d)는 2.0KA에서의 자속분포도를 보여주는 도면이며, (e)는 2.5KA에서의 자속분포도를 보여주는 도면이며, (f)는 4.0KA에서의 자속분포도를 보여주는 도면이며, (g)는 5.0KA에서의 자속분포도를 보여주는 도면이다. 도 6은 실험 1의 직선성 그래프이다. 도 6의 (a)는 센서 1의 경우 정격 100A일 때 4V 출력 그래프이며, (b)는 센서 2의 경우 정격 4.0KA일 때 4V 출력 그래프이다. 도 7은 실험 2의 직선성 그래프이다. 도 7의 (a)는 센서 1의 경우 정격 10KA일 때 4V 출력 그래프이며, (b)는 센서 2의 경우 정격 2.0KA일 때 4V 출력 그래프이다. 도 8은 전자계 해석치의 Linear 그래프이다. 도 8의 (a)는 해석치와 실험치 linear 그래프이며, (b)는 해석치와 실험치 linear error 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 명세서에서 개시하는 전류센서에 대하여 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 전류센서(100)은 자기코어(110), 제1홀센서(120), 자성체(130) 및 제2홀센서(140)를 포함한다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 전류센서(100)는 선택적으로(optionally) 하우징(150)을 더 포함할 수 있다. 몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 전류센서(100)는 선택적으로 제3홀센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
자기코어(110, magnetic core)는 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과할 수 있는 개구부(114)를 가진다. 도면에는 자기코어(110)로서 사각형상이 예로서 표현되어 있으나, 후술하는 기능을 수행할 수 있는 한 자기코어(110)의 형상에는 제한이 없다.
자기코어(110)의 소재로는 다양한 소재가 사용될 수 있다. 전류센서(100)에 적용되는 자기코어(110)의 소재로는 투자율(permeability)이 크고, 보자력(coercive force)이 적은 연질자성재료(soft magnetic material)가 바람직할 수 있다. 연질자성재료는 예로서 규소강(Si-Fe), 퍼멀로이강(Ni-Fe), 페라이트(Mn-Zn), Co 기반의 아몰퍼스(Amorphous) 합금 또는 Fe 기반의 아몰퍼스 합금 등일 수 있다.
자기코어갭(112)은 자기코어(110)의 소정부분에 마련된다. 도면에는 자기코어(110)의 두 부분에 마련된 자기코어갭(112)이 예로서 표현되어 있으나 자기코어갭(112)의 적어도 하나 이상이면 충분하다. 한편, 자기코어갭(112)의 간격 조절을 통하여 제1홀센서(120)를 통하여 측정할 수 있는 전류의 범위 즉, 센싱할 수 있는 전류의 정격값을 조절할 수 있다.
제1홀센서(120)는 자기코어갭(112)에 마련된다.
자기코어(110)의 개구부(114)로는 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과한다. 상기 도전체로 흐르는 전류는 주변에 자기장을 형성하며, 상기 자기장은 자기코어(110) 내부에 자속밀도(magnetic flux density)를 생성한다. 생성된 자속밀도는 자기코어갭(112)에 배치된 제1홀센서(120)에 전달되며, 제1홀센서(120)는 수신된 자속밀도와 제1홀센서(120)에 흐르는 제어전류로부터 생성되는 홀전압을 측정하여 상기 도전체에 흐르는 전류를 감지할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 제1홀센서(120)를 자기코어갭(112)에 마련하고, 제1홀센서(120)의 금속 또는 반도체로 마련되는 도선에 제어전류를 흘리는 경우, 제어전류의 전류전달자(carrier)는 자속밀도에 의해 로렌츠 힘(Lorentz force)을 받게 된다. 로렌츠 힘은 전류 전달자의 전하(q), 전류 전달자의 속도(v)와 전류 전달자에 가해지는 자속밀도의 벡터곱으로 표현될 수 있다. 이하 전류 전달자로서 전자를 위주로 설명하기로 한다.
전자는 로렌츠 힘에 의하여 이동하게 되어 제어전류가 흐르는 도선의 양단에는 전기장이 형성되며, 이후 전기장에 의해 전자가 받는 전기력과 로렌츠 힘은 평형을 이루게 된다. 전자의 로렌츠 힘에 의한 이동과 전자의 이동에 따라 형성되는 전기장에 의하여 제어전류가 흐르는 도선의 양단에는 홀전압이 발생한다. 홀전압은 제어전류 및 자속밀도에 비례하며, 도선의 두께에는 반비례하는 특성을 보인다.
한편, 자기코어갭(112)에 제공되는 자속밀도는 도전체에 흐르는 측정하고자 하는 전류값과 자기코어(110)를 구성하는 자성체의 투자율에 비례하는 특성을 보인다.
따라서, 홀전압은 제1홀센서(120)에 흐르는 제어전류, 자기코어(110)를 구성하는 자성체의 투자율 및 도전체에 흐르는 측정하고자 하는 전류값에 비례하는 특성을 보이며, 제1홀센서(120) 내부에서 제어전류가 흐르는 도선의 두께에는 반비례하는 특성을 보인다.
홀전압은 자성체의 투자율에 비례하므로 제1홀센서(120)의 자계감도는 자기코어(110)의 소재로 사용되는 자성체의 재료 물성치에 영향을 받게 된다.
일반적으로 투자율이 높은 자성체의 경우에는 낮은 자속밀도에서 포화특성을 보이며, 투자율이 낮은 자성체의 경우에는 큰 자속밀도에서 포화특성을 보인다. 이에 따라 낮은 자속밀도에서 포화특성을 보이는 자성체를 자기코어(110)로 사용한 전류센서(100)는 낮은 홀전압에서 포화 특성을 가지며, 큰 자속밀도에서 포화특성을 보이는 자성체를 자기코어(110)로 사용한 전류센서(100)는 큰 홀전압에서 포화 특성을 가진다.
정리하면, 자기코어(110)의 소재로서 동일한 자성체를 사용한 전류센서(100)는 저전류대에서의 감도는 좋으나 포화 특성은 나쁜 특성을 지니거나, 저전류대에서의 감도는 나쁘나 포화특성은 좋은 성향을 보인다. 즉, 동일한 종류의 자성체를 소재로 한 자기코어(110)를 통한 전류센서(100)로는 저전류대에서의 좋은 감도와 상대적으로 큰 전류가 흐르는 고전류대에서의 포화특성이 좋은 전류센서를 구현하기 어려운 문제점이 있다. 본 명세서에서 개시하는 기술은 후술하는 자기코어(110)와의 사이에 공극(132)을 가지도록 마련되는 자성체(130) 및 공극(132)에 마련되는 제2홀센서(140)를 활용하여 자기코어(110) 주변에 형성되는 자기장에 의해 자성체(130)가 생성하는 자속밀도를 제2홀센서(140)에 전달하고 제2홀센서(140)는 수신된 자속밀도와 제2홀센서(140)에 흐르는 제어전류로부터 생성되는 홀전압을 측정할 수 있다. 본 명세서에서 개시하는 기술은 제1홀센서(120) 및 제2홀센서(140)를 통하여 각각 홀전압을 측정하여 도전체에 흐르는 전류를 감지함으로써 저전류 영역에서 대전류 영역을 아우르는 포괄적인 영역의 전류를 측정할 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.
자성체(130)는 자기코어(110)와의 사이에 공극(132)을 가지도록 마련된다. 자성체(130)는 탈부착 가능하게 마련될 수도 있다. 일례로, 공극(132)은 자기코어(110)의 둘레를 기준으로 자기코어갭(112)과 소정의 거리 이격되어 마련될 수 있다. 도면에는 자성체(130)로서 일자형상이 예로서 표현되어 있으나, 후술하는 기능을 수행할 수 있는 한 자기코어(110)의 형상에는 제한이 없다.
자성체(130)의 소재로는 다양한 소재가 사용될 수 있다. 전류센서(100)에 적용되는 자성체(130)의 소재로는 투자율(permeability)이 크고, 보자력(coercive force)이 적은 연질자성재료(soft magnetic material)가 바람직할 수 있다. 연질자성재료는 예로서 규소강(Si-Fe), 퍼멀로이강(Ni-Fe), 페라이트(Mn-Zn), Co 기반의 아몰퍼스(Amorphous) 합금 또는 Fe 기반의 아몰퍼스 합금 등일 수 있다.
일례로, 자성체(130)는 개구부(114)에 마련되며, 공극(132)은 자기코어(110)의 내면과의 사이에 마련될 수 있다. 공극(132)의 간격은 자성체(130)의 길이, 위치 등의 조정을 통하여 조절될 수 있다. 공극(132)의 간격 조절을 통하여 제2홀센서(140)를 통하여 측정할 수 있는 전류의 범위 즉, 센싱할 수 있는 전류의 정격값을 조절할 수 있다.
제2홀센서(140)는 공극(132)에 마련된다.
자기코어(110)와의 사이에 공극(132)을 가지도록 마련되는 자성체(130) 및 공극(132)에 마련되는 제2홀센서(140)를 활용하여 자기코어(110) 주변에 형성되는 자기장에 의해 자성체(130)가 생성하는 자속밀도를 제2홀센서(140)에 전달하고 제2홀센서(140)는 수신된 자속밀도와 제2홀센서(140)에 흐르는 제어전류로부터 생성되는 홀전압을 측정할 수 있다.
자성체(130)를 개구부(114)에 마련하면, 자성체(130)와 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체 사이의 간격을 조절할 수 있다. 상기 도전체에 저전류가 흐르는 경우 자성체(130)를 상기 도전체와 가까이 위치시킴으로써 자성체(130)가 생성하여 제2홀센서(140)에 전달하는 자속밀도를 증가시킬 수 있다. 이를 통해 자성체(130)의 공극(132)에 마련되는 제2홀센서(140)는 상기 도전체에 저전류가 흐르더라도 이를 효과적으로 감지할 수 있다.
예를 들어, 대전류 측정용으로 자기코어(110)의 소재가 선정된 경우 자기코어(110) 및 제1홀센서(120)를 통해서는 상기 도전체에 흐르는 대전류의 정확한 측정은 가능하나 상기 도전체에 흐르는 저전류의 정확한 측정은 어렵다. 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 자기코어(110) 및 제1홀셈서(120) 이외에 자기코어(110)와의 사이에 공극(132)을 가지도록 마련되는 자성체(130) 및 공극(132)에 마련되는 제2홀센서(140)를 활용하는 기술을 제시한다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)가 상기 도전체에 흐르는 전류의 측정가능한 범위는 저전류 영역에서 대전류 영역까지 아우르는 포괄적인 영역까지 확장할 수 있다.
하우징(150)은 자기코어(110)를 둘러쌀 수 있다. 하우징(150)의 내주면(154)은 개구부(114)에 마련될 수 있다. 이 경우, 자성체(130)는 하우징(150)의 내주면(154)에 마련되며, 공극(132)은 하우징(150)의 내주면(154)과의 사이에 마련될 수 있다.
도면에는 사각형상의 자기코어(110)을 감싸며, 내부에 개구부를 가지는 사각형상의 하우징(150)이 예로서 표현되어 있으나, 자기코어(110)를 감쌀 수 있고 내주면(154)에 자성체(130)가 하우징(150)의 내주면(154)과의 사이에 공극(132)을 가지면서 마련될 수 있는 한 하우징(150)의 형상에는 제한이 없다.
또한, 도면에는 두 부분으로 분리되며, 분리된 부분 각각의 하부가 서로 회동가능하게 연결되고 상부는 체결부에 의하여 상호 체결될 수 있는 클램프타입의 구조를 가지는 하우징(150)이 예로서 표현되어 있다. 이 경우, 자기코어(110) 역시 두 부분으로 분리된 하우징(150)의 형상에 대응하여 두 부분으로 분리될 수 있다. 분리된 자기코어(110)은 분리된 하우징(150)의 부분에 각각 위치할 수 있다. 분리된 자기코어(110) 각각의 양끝단은 분리된 하우징(150)이 서로 체결될 경우 서로 대향할 수 있다. 대향과정에서 분리된 자기코어(110) 사이에는 간격이 마련될 수 있고, 상기 간격은 자기코어갭(112)의 역할을 수행할 수 있다.
하우징(150)을 클램프타입으로 마련하고 분리된 하우징(150)의 각각의 부분에 분리된 자기코어(110)를 마련함으로써 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 큰 부스바의 형상을 가지더라도 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 용이하게 장착될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 개시하는 기술의 자기코어갭(112)은 복수개 마련될 수 있다. 도면에는 자기코어(110)의 두 부분에 마련된 자기코어갭(112)이 예로서 표현되어 있으나 자기코어(110)에는 3개 이상의 자기코어갭이 마련될 수 있다. 복수개 마련되는 자기코어갭(112)의 어느 하나의 자기코어갭인 제1자기코어갭 및 다른 하나의 자기코어갭인 제2자기코어갭은 서로 다른 간격을 가질 수 있다. 서로 다른 간격을 가지는 상기 제1자기코어갭 및 상기 제2자기코어갭에 각각 제1홀센서(120) 및 제3홀센서(미도시)를 마련할 수 있다. 상기 제1자기코어갭 및 상기 제2자기코어갭의 간격을 서로 달리함으로써 상기 제1자기코어갭 및 상기 제2자기코어갭에 각각 제1홀센서(120) 및 상기 제3홀센서를 통하여 정격값이 서로 다른 전류센서를 구현할 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 전류센서는 포괄적인 영역의 전류를 측정할 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다. 이와 함께, 상술한 자기코어(110)의 내면과의 사이에 공극(132)를 가지도록 마련되는 자성체(130)를 추가로 활용함으로써 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 와이드 다이나믹 레인지(wide dynamic range)라고 칭할 수 있는 저전류 영역에서 대전류 영역까지 아우르는 포괄적인 영역까지의 전류를 측정할 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.
한편, 자기코어(110)의 투자율 특성은 자성체(130)의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가질 수 있다. 또 한편, 자기코어(110)의 포화자속밀도 특성은 자성체(130)의 포화자속밀도 특성과 서로 다른 특성을 가질 수 있다.
일례로, 자성체(130)는 자기코어(110)에 비하여 큰 투자율을 가지고, 자기코어(110)는 자성체(130)에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가질 수 있다. 이 경우, 자기코어(110)로는 규소강이 사용되고, 자성체(130)로는 퍼멀로이강이 사용될 수 있다. 일반적으로 규소강은 퍼멀로이강에 비하여 저전류대의 낮은 투자율을 가지나, 퍼멀로이강에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가질 수 있다. 물론 자기코어(110)와 자성체(130)는 앞서 상술한 내용과 반대의 특성을 가질 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)가 도전체에 흐르는 전류의 측정가능한 범위는 보다 더 안정적으로 저전류 영역에서 대전류 영역까지 아우르는 포괄적인 영역까지 확장될 수 있다.
도 1에 예로서 도시한 하나의 실시예 관점에서 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 현재 시스템 장비에 장착되어 사용되고 있는 전류센서의 단점인 소전류일때 작은 부피로 인하여 도전체의 예인 큰 부스바에 사용하지 못하였던 점에 착안하여, 자기코어(110)와 관련하여 클램프타입의 구조설계를 제안하고, 대전류 측정용인 자성체(130)로는 심플한 일자형 강자성체를 클램프타입의 기구물에 장착한다. 종래의 전류센서의 경우 한 개의 공극에서 나오는 자속밀도값에 대한 원리만을 활용했지만, 본 명세서에서는 자기코어(110) 주변의 자기장의 자력값을 활용하기 위하여 자성체(130)로서 간단한 일자형 강자성체를 활용하여 없었던 공극(132)을 만들고, 공극(132)의 길이 조정, 주변 자기장의 값 등을 활용하는 전류센서(100)를 제안하고 있다.
전류측정을 하는 응용부품중 하나인 전류센서는 AC, DC 영역을 구분하지 않고, 주파수 영역이 넓고, 고신뢰성이 높은 장점은 있으나, 강자성체의 포화현상으로 인해 한 개의 전류센서로 폭넓은 모든 영역을 측정할 수가 없다. 이에 본 명세서에서는 자기코어(110) 및 제1홀센서(120)를 활용한 큰 대용량 타입의 클램프 구조 외형을 예로서 가지고, 대전류를 측정하기 위해 심플한 일자형 막대와 같은 구조를 예로서 가지는 자성체(130)를 활용한 구조 센서를 만들어 클램프 내경의 사각안 공극(132)의 자력값을 이용, 홀소자 출력신호를 증폭하여 원하는 큰 전류값을 측정할 수 있는 한 개의 센서로 폭넓고 원하는 대역폭의 정격값을 지정하여, 측정 범위 1%인 정확도가 높으며 공간활용도가 좋은 전류센서(100)에 관한 기술을 제안하고 있다.
포괄적인 영역의 전류를 측정할 수 있는 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)의 동작, 작용 및 효과에 대해서는 이하의 실험예를 통하여 자세히 설명하기로 한다. 이하의 실험예에서는 포괄적인 영역의 전류를 측정할 수 있는 전류센서를 와이드 다이나믹 센서라고 칭하기로 한다.
자기장에 금속이나 반도체 등을 넣고 자기장의 방향에 직각인 방향에 전류를 흐르게 하면 자기장속을 운동하던 전하를 띤 입자가 전자기력을 받아 고체의 한쪽으로 구부러지고, 자기장과 전류의 수직인 방향으로 전기장이 생긴다. 이 현상을 홀효과라 한다.
이는 도 2와 같이 길이 w, 두께 t를 가지는 반도체에 전압(V)을 인가하여, 전류()가 x방향으로 흐르게 하고, z축의 방향으로, 자기장(Bz)을 인가하면 플레밍의 왼손 법칙에 의해 음전하인 전자에는 우측으로 자기력(Fm)이 작용하여 A면으로 이동하고, 이에 대응해서 B 면에서는 양전하가 유기됨으로써 A 면과 B 면 사이에는 전류와 자계에 직각 방향으로 전압()가 발생한다.
홀기전력(V)은 다음 식과 같이 정의된다.
=VH=KH(/t)·IC·B=RH·I·(B/t)
여기서 는 비례계수이고 곱감도(product sensitivity)라 말해지며, 는 홀계수이며, t는 소자의 두께 t, B는 자속밀도이다. 는 홀소자의 제어전류이고 기준은 1 mA로 하며, B는 85 자속의 크기이다. 전류센서의 중요 부품인 홀소자가 자기장의 세기를 측정한다.
도 2에서 보여주듯이 코어 공극 내부에 부착된 홀소자는 자성체 자계변화에 따라 변환되어진 값을 자력의 크기에 비례하여 홀전압을 나타내고, 발생되어진 홀전압은 OP-AMP를 통해 증폭하여 전압으로 나타낸다. 측정전류(If)가 흐르는 자성체의 자력을 측정하기 위한 자력측정부, 전원부 회로설계에서 홀소자의 안정된 동작을 구동하기 위한 정전류 공급부(Ih), 홀소자의 출력신호를 증폭하기 위한 차동증폭부, 증폭되어진 출력값의 온도변화 특성과 홀소자의 불평등 현상에서 오는 출력신호의 편자를 줄이기 위해 오프셋(offset)값을 영점으로 보정하는 보상회로를 가지는 Open loop로 구성되어 있다.
본 실험예에서 제안하는 와이드 다이나믹 센서는 낮은 전류는 Sensor1에서 전류 측정을 하고 Sensor2에서는 대전류를 측정하고자 이미 연구 개발된 전류센서와는 반대의 외형 부피를 생각하면 된다. 공간 활용도를 높이고, 공극의 길이로 측정할 수 있는 정격 전류값을 넓힐 수가 있으며, 사각의 내경을 이용하여 일자형의 전류센서를 넣어 도 3의 (a) 센서1은 3 mm의 상, 하 공극을, 센서2는 6.5 mm 좌, 우 공극을 활용하여 설계된 제품과 또 다른 실험을 하기 위해 조건을 달리하여 센서1이 10KA 대용량을 측정할 경우 20 mm 상, 하 공극으로 자속밀도 산정을 하고, 센서2의 경우는 동일한 6.5 mm 공극을 사용하였다. 센서1의 경우는 노릴재질의 케이스 제조사(HANKOOK SENSOR CO.,LTD)를 사용하고 센서2의 경우는 3D-Print 로 제작하였으며, 센서1과 센서2의 고정을 위해 테이프로 고정시켰다. 상단의 Sensor1 몰렉스핀 5045, Sensor2 경우는 5핀으로, 각각의 PCB에 전원을 공급하였고, 센싱한 전류의 값은 전압 형태의 출력값으로 받았다. 제품 구동 원리로는 전선에 전류가 흐르면 각 센서의 코어 공극 자속의 크기에 비례하는 자력이 발생하여 센서1은 케이스 안쪽에 위치한 코어 사각모양의 상, 하 공극을 활용한 것이며 센서2는 긴 일자형으로 Sensor1과 Sensor2의 결착되는 부위의 양쪽 공극을 활용하여 측정하고자 하는 정격 전류값을 공극 길이와 회로의 정수값을 조정하여 사용했다. 이때 사용한 홀소자는 제조사 (AKM)을 사용하여 제작했고, 각 센서의 코어공극 내부에 부착된 홀소자의 불평형전압을 OP-AMP를 통해 증폭하여 전압으로 출력하고, 각 센서의 Zero Offset 영점을 조정함으로써 훨씬 더 직선성이 좋은 정확한 값을 나타낼 수 있다.
제안된 전류센서의 성능을 정량화 하기 위해 다음과 같은 실험을 하였다. 전원공급기는 센서 전원을 공급하기 위한 전원과 측정하기 위한 도선의 전류를 흐르게 하는 DC전류공급기 (KIKUSUI)를 사용하고, 기준 전류측정기를 이용하여 전류의 안정적인 공급을 위해 11배 분배하여 측정한 전류값을 디지털 멀티메다 2대를 사용하여 센서1, 센서2의 출력값을 확인할 수 있었다. 이차적인 부하 시험장치의 용량의 차이로 10 KA(TOP ENGINEERING) 장치의 시험은 다른 DC공급전원부하기를 사용하여 4 KA 부터 1 KA씩 올려가면서 측정하였다.
센서1을 구동하기 위한 전원±15V를 공급하고 정격전류 100 A, 4 V의 오차율을 확인하기 위해 50 A씩 부하를 높여가며, 정격의 3배까지 부하를 걸어 출력값을 확인하였으며, 센서2에서는 장비의 부하를 최대 4 KA까지만 걸 수 있어 400 A 미만에서는 50 A씩 올려가면서 측정값을 확인했고, 1000 A 미만까지는 200 A올려가면서 측정을 하였으며, 500 A이후 4 KA까지는 1 KA씩 올려가면서 측정을 했다.
제안된 전류센서 실험에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 도 5와 같은 3차원적인 전자기장 현상을 이용한 유한 요소법을 사용하여 재질의 비선형적 특성을 고려한 형상을 mesh로 나누고, 자속밀도 산정위치, 23ph095 규소강판 BH-date를 전류에 따라 나타내어진 전류분포로 인한 열해석을 통해 센서1, 센서2 모델 코어 높이와 공극은 변화를 주지 않고, 전류의 변화량에 따른 자속밀도 분포에 변화되는 값을 확인할 수 있었다.
도 5의 (b)의 경우 모델의 형상을 만들어 mesh를 나누어 자속밀도 산정 위치를 잡았으며, 도 5의 (a)는 사용한 BH-date의 curve 곡선을 나타내며, 전류에 따른 자속분포도를 확인할 수 있다. 이 모델의 디자인 형상으로 확인해 보면 1.6 T를 넘어가면 포화가 진행되는 것으로 확인이 된다. 도 5의 (c)~(g) 센서1의 경우 열해석에 대한 자속분포를 보면 2.5 KA 부하 시점부터, 육안으로도 쉽게 주황색의 색상 변화를 확인할 수 있다. 4 KA 이상 전류가 커짐에 따라 코어 주변 자속분포도가 높아짐에 따라 코어 주변 색상이 붉은색으로 변화되는 것이 확인되며, 자속밀도 산정된 값을 비교하여 최적화된 값을 찾아 설계하여 비교할 수 있다. 전자계 해석의 최적화된 해석값으로만 본다면 4 KA~5 KA 최적화된 안정된 센서 코어설계를 통해 코어 설계를 할 수 있다. 도 5의 (g) 센서1의 정격이 5.0 KA 일 때 코어 색상과 센서2가 5.0 KA 색상을 보면 확실히 다르다는 것을 확인할 수가 있다. 센서2의 코어 색상은 도 5의 (d)의 2.0 KA 자속분포도 색상의 연두색을 나타내고 있는 것으로 확인된다. 이 자속분포도 색으로 비교해 보아도 센서2의 경우 훨씬 더 높은 전류를 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 센서2의 경우 전자계 해석치의 자속분포도를 보면 5.0KA에서 연두색으로 되어 있고, 해석치의 mT당 전류를 나누어 측정된 자속밀도 센서1 Pick의 자속밀도에서 전류를 나눈 값으로, 계산치의 코어 자속분포도 또한 자화되는 값에 영향을 주는 것도 아니기 때문에 실험치 15KA 까지도 충분히 사용할 수가 있다. 또한 센서1, 센서2의 자속분포도를 비교해 보면, 같은 전류를 흘렸을 때 센서1과 센서2 자속 분포가 다르며, 열해석상 코어가 붉은 색상을 나타낸다고 센서1이 자화된 것은 아니다. 이 시험의 목적은 제안된 와이드 다이나믹 전류센서의 실험에 대한 결과치에 대한 신뢰성을 높이고, 실험치의 더 큰 전류를 확인하여, 부하를 걸 수 없는 조건의 실험에 대한 전자계 해석의 신뢰성을 가지기 위한 실험과 해석치의 소프트웨어 시뮬레이션과 실험치의 홀소자의 부하 시험 출력값을 mT로 바꾸어 동일한 부하 조건의 시뮬레이션 부하 실험에 대한 편차를 확인하기 위함이다.
도 6의 (a) 100 A일 때 4 V를 측정 정격 3배 구간에서 직선성 오차율 1% 미만으로 나왔으며, 정격의 3배 영역을 벗어나는 범위에서 포화를 나타내고 있다. (b) 4000 A일 경우는 정격의 1.2배 되는 범위에서 포화가 되고, 정격 범위내의 직선성은 1%안의 좋은 선형성을 둘 다 나타내는 것을 확인할 수 있다.
두번째 실험 도 7의 (a)를 보면 실험1과 달리 센서1과 센서2의 정격값이 반대로 되어 있다. 센서1의 큰 부피에 10 KA를 측정하고 센서2는 도 7의 (b)에서 보여주듯이 작은 부피로 2 KA를 측정했다. 시험을 진행하면서 첫번째 실험은 한장소에서 같은 전원소스를 활용하여 실험을 진행할 수 있었지만, 두번째 실험의 경우 도 4와 제품은 동일하지만 10 KA 부하를 흘리기 위해서 인버터 용접기의 2단 통전기능 부하전류소스를 사용하였으며, 2KA는 첫번째와 동일한 부하장치를 사용하여 실험을 진행하였다. 인버터용접기 부하전류 전원소스가 3 KA 이하의 전원부하를 나타내지 못하여 부득이하게 동일한 부하장치를 이용하지 못했으며, 정격 범위를 다르게 설정하여 실험을 진행하였다.
실험1의 경우 큰 부피에 작은 정격전류값을 측정하고, 심플한 작은 부피에 높은 정격값을 정하였으며, 실험2의 경우는 실험1과는 반대로 정하여 실험을 진행, 정격값 대비 출력신호의 직선성을 확인하였으며, 정격값 대비 포화영역에 대한 결과치도 확인할 수 있었다. 이 두가지의 실험에 대한 결과를 본다면 제품에 따라 다르지만 정격값 대비 포화도는 1.2~3배로 나타나고, 1% 안의 선형성이 좋고 넓은 다이나믹한 전류센서의 결과값을 확인할 수 있었다.
이에 부하장치로 측정된 값과 같이 측정되어진 전류값을 지정하고, FEA 전자계 해석치 값을 입력, Exp 부하장치에 부하를 걸어 홀소자 스펙 기준인 Ic=4 mA, Vc= 6V, 50 mT 일 때 35 mV기준으로 1 mV=1.43 mT 실측 부하의 계산값으로 1 A=0.572 mT 산정된 자속밀도의 측정한 값을 실험한 측정치에 입력하여, 각 측정한 해석치와 실험치 값의 비례식으로 편차를 확인했다. 센서1의 경우 50 A~1.5 KA 해석치와 실험치의 각 정격값의 편차율 폭은 3 %이내이며, 평균은 1.73 %이내이고 편차 범위는 0.211~2.47, 직선성 0.01 %, 직선성 오차율은 0.06 %이며, 센서2 경우는 200 A~1.5 KA 일 경우, 편차율의 폭은 5 %이내, 0.069 % 평균 편차율과 편차범위 1.019~4.059, 직선성 0.56 %, 직선성 오차율 1.35 %을 나타낸다. 전자계 해석의 직선성은 BH-date 입력으로 인한 값의 출력값을 확인하는 것이므로, 직선성에 대한 값은 프로그램의 설계 기준에 따른 입력에 대한 출력값이어서 실험치보다는 훨씬 좋은 직선성에 대한 데이터가 나왔으며, 실험치의 센서2의 홀소자 스펙으로 실험한 계산식 입력 값이므로 전자계해석의 직선성의 에러가 실험2의 경우 1%가 넘는 값이 나왔지만. 홀소자의 mV로 나온 값을 계산식으로 나타낸 값이므로 제품의 완제품에서 나온 전압의 출력값으로 비교했을 경우로 보면, 홀소자 출력mV에 mT변환한 값의 비교를 해 보면 직선성 오차율은 홀소자 제품 한 개의 보장범위를 그대로 나타내는 기준이라고 보고 제품의 회로 설계에서 직선성에 영향을 주는 범위가 되지 않는다. 도 8의 전자계해석의 해석치와 도4, 도 5, 도 6 현장 부하시험장치와의 측정 결과의 값의 각 직선성은 1 %안에 나타났으며, 이 두가지의 시험의 편차 또한 제품 설계에 영향을 주지 않는 좋은 결과를 나타내고 있다. 이 두가지 실험으로 현재 개발되어 사용하고 있는 전류센서들의 기구물 한계점을 보완하면서, 측정하고자 하는 영역을 선택해서 사용할 수 있는 맞춤형 전류센서라고 할 수 있는 좋은 제품이다.
본 명세서에서 제안한 전류센서 즉, 와이드 다이나믹 전류센서의 경우는 현재 개발되어 사용되고 있는 전류센서의 한계점을 알고 접근한 기술이다. 측정하고자 하는 전류값이 작지만, 장착하고자 하는 위치의 측정 기구물이 클 경우, 측정하기 어려운 문제점을 해결하여 원하는 전류값을 측정할 수 있다는 것과 한 제품으로 큰 용량의 전류값을 확인하기 위해 심플한 일자형의 강자성체를 일체형화해서 일자형 전류센서의 양쪽 공극의 길이를 조정, 측정하고자 하는 영역의 정격값을 높일 수 있으며, Sensor1, Sensor2에 3D 시뮬레이션을 통하여 최소한의 전류를 Airgap 즉, 자기코어갭에 따라 자속밀도 센싱 가능한 Airgap을 조정, 최적화된 측정도 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
상기로부터, 본 개시의 다양한 실시 예들이 예시를 위해 기술되었으며, 아울러 본 개시의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 가능한 다양한 변형 예들이 존재함을 이해할 수 있을 것이다. 그리고 개시되고 있는 상기 다양한 실시 예들은 본 개시된 사상을 한정하기 위한 것이 아니며, 진정한 사상 및 범주는 하기의 청구항으로부터 제시될 것이다.

Claims (7)

  1. 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지는 자기코어;
    상기 자기코어의 소정부분에 마련되는 자기코어갭;
    상기 자기코어갭에 마련되는 제1홀센서;
    상기 자기코어와의 사이에 공극을 가지도록 마련되는 자성체; 및
    상기 공극에 마련되는 제2홀센서를 포함하는 전류센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자성체는 상기 개구부에 마련되며, 상기 공극은 상기 자기코어의 내면과의 사이에 마련되는 전류센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자기코어를 둘러싸는 하우징을 더 포함하며,
    상기 하우징의 내주면은 상기 개구부에 마련되며,
    상기 자성체는 상기 하우징의 상기 내주면에 마련되며, 상기 공극은 상기 하우징의 내주면과의 사이에 마련되는 전류센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자기코어의 투자율 특성은 상기 자성체의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가지는 전류센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자기코어의 포화자속밀도 특성은 상기 자성체의 포화자속밀도 특성과 서로 다른 특성을 가지는 전류센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공극은 상기 자기코어의 둘레를 기준으로 상기 자기코어갭과 소정의 거리 이격되어 마련되는 전류센서.
  7. 제1항에 있어서,
    제3홀센서를 더 포함하되,
    상기 자기코어갭은 복수개 마련되며,
    상기 제1홀센서는 상기 복수개 마련되는 상기 자기코어갭 중 어느 하나-이하 제1자기코어갭이라 함-에 마련되며, 상기 제3홀센서는 상기 복수개 마련되는 상기 자기코어갭 중 다른 하나-이하 제2자기코어갭이라 함-에 마련되되,
    상기 제1자기코어갭의 간격과 상기 제2자기코어갭의 간격은 서로 다른 전류센서.
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