JP2010536011A - 導電体を流れる電流測定の配置 - Google Patents

Abstract

本発明は、導電体（１）と連結するためにエアギャップ（３）を有する磁気回路（２）により、導電体（１）を流れる電流を測定するための配置に関する。磁気回路（２）のエアギャップ（３）の中に磁界感受性コンポーネント（４）があり、このコンポーネントが導電体（１）によって生じる磁界を測定するために働き、この場合、磁気回路（２）のエアギャップ（３）の中には制御コア（５）が配置され、その際、この制御コア（５）は、制御コア（５）を磁気的に飽和するための制御コイル（６）を有している。磁界感受性コンポーネント（４）の付近には、複数の追加エレメント（７ａ、７ｂ）があり、これらの追加エレメントは、制御コア（５）とは無関係に、磁界感受性コンポーネント（４）周辺の磁気干渉場をガイドするのに適している。
【選択図】図１

Description

特許文献１には、導電体を流れる電流の測定装置が開示されている。

独国特許第１０２００５０２４０７５号明細書

解決しなければならない課題は、外部の磁気的影響を受けずに正確な測定が可能な、導電体を流れる電流測定の配置を提供することにある。

この課題は、請求項１に基づく、導電体を流れる電流測定の配置によって解決される。

この配置は、導電体と連結するために、エアギャップを備えた磁気回路を有している。磁気回路のエアギャップ内には、このエアギャップを制御するために設けられている制御コアがある。この制御コアは、それを磁気飽和するための制御コイルを有している。磁気回路のエアギャップには、導電体から生じる磁界を測定するために、磁界に感受性のあるコンポーネントが配置されている。この磁界感受性コンポーネントは、制御コアの片側に配置されている。１つの実施形態においては、第２の磁界感受性コンポーネントを、第１の磁界感受性コンポーネントに対向する制御コア側面に配置することができる。第１の磁界感受性コンポーネントの付近には、複数の追加エレメントがある。これらのエレメントは、制御コアとは無関係に、磁界感受性コンポーネントの周辺で磁界をコントロールするのに適している。

好ましい実施形態においては、第１のエレメントが制御コアの範囲内に配置され、第２のエレメントが制御コアの外部に配置されている。

制御コアは、好ましくは磁気回路のエアギャップ内に配置されているため、制御コアと磁気回路との間の上部及び下部にギャップが生じる。

もう１つの実施形態においては、このエアギャップが非対称に配置されているため、好ましくは様々な大きさのギャップが、制御コアと磁気回路との間の上部及び下部に生じる。

制御コアの付近にあるエレメントは、磁化可能であるのが好ましい。

追加のエレメントが、１よりも大きい相対浸透率を有していることが好ましい。

制御コアの相対浸透率よりも大きいか、又は同じ相対浸透率を有する軟磁性物質が、特に追加エレメントに適している。このためには、好適に、制御コアにも使用できる材料が適している。

追加エレメントは、好ましくは第１の磁界感受性コンポーネントの付近に配置されているため、可能性のある磁気干渉場が効果的に磁界感受性コンポーネントの付近にまとめられ、磁界感受性コンポーネントを通してガイドされることができる。

１つの実施形態では、これらのエレメントが一体形成された構成部品として、一体型制御コアを形成することも可能である。この場合、制御コアの隆起及び膨張が、磁界感受性コンポーネントに近い周辺において可能であるため、追加エレメントの１つと磁界感受性コンポーネントとの間には、最小のエアギャップが生じる。

制御コアの膨張又は隆起部分は、制御コアの飽和時にもまだ浸透性を残している。

もう１つの実施形態においては、追加エレメントが複数の個別部品からなり、それらの個別部品はそれぞれ、１つの追加エレメントに組み立てることができる。

好ましいことに、制御コイルによって制御コアが完全に飽和した場合も、追加エレメントが浸透性を残しているため、干渉を起こす磁界は制御コアの飽和時にも引き続き追加エレメントによってまとめられ、磁界感受性コンポーネントを通してガイドされることができる。

好ましい実施形態においては、追加エレメントが、例えばフェライト、ナノ結晶合金又はパーマロイなどの強磁性物質からなる。しかし、それ以外の強磁性特性を有する材料も適している。

１つの実施形態においては、磁気回路が追加コイルを有している。この追加コイルにより、磁気回路を、短い電流パルスによって磁化することができる。この電流パルスの後、磁気回路は、ゼロポイントの設定に用いることのできる一定の残留磁気を有するようになる。

導電体を流れる電流の測定を確実に行えるようにするため、磁気回路は、その断面の中に導電体を完全に取り囲むことができるようになっている。

好ましい実施形態では、制御コアがフェライトコアとして形成されている。この場合、特に好ましいのは、フェライトコアが、矩形のフレームとして形成されており、少なくとも１つのフレームの側に、フェライトコアを飽和するための制御コイルを有していることである。特に効果的な変形例では、制御コイルがフレームの対向する２つの側に配置されている。この形で制御コアを形成することにより、制御コアの効率的な飽和を達成することができる。

制御コアが１つだけ磁気回路に配置されていることにより、この制御コアは、２つの制御コアによる構造と比較して、２倍以上のコイルを備えることができるため、制御コイルの線径が同じでも、２倍のアンペア回数が使用可能である。このことにより、一次電流によって制御コアが飽和状態から抜け出ることなく、非常に大きな電流の測定が可能となる。約１０００アンペアに及ぶような非常に大きな電流の場合、一次電流は、制御コアの脚鉄の１つで制御電流に反対に作用して、制御コアを飽和状態から追い出す。

磁界感受性コンポーネントは、ホールセンサーが好ましい。

ホールセンサーに電流を流し、電流に対して垂直に通る磁場をかけると、磁界強度と電流との積に比例する出力電圧が生じる。

導電体を流れる電流を特定するために、このホールセンサーを用いて様々な測定が行われる。

導電体又は制御コイルによって生じない、磁界感受性コンポーネント周辺の磁界によって、測定は非常に難しくなる。

第１の測定は、飽和状態の制御コイルで行い、もう１つの測定は未飽和状態の制御コイルで行う。外部の磁気干渉場の数値が、電流値を算出する方程式の中で等しくなり、それによって消去することができるように、外部に取り付けられる磁化可能な追加エレメントが外部の磁気干渉場に影響を与える。

制御コイルの内部にある第１の追加エレメントは、制御コアが飽和状態である場合に、外部の磁界に対する感受性を高めるために必要となり、それによって、外部の磁気干渉場の数値は、電流強度を算出する方程式の中で等しくなる。

制御コアと磁気回路との間の上部と下部にそれぞれエアギャップが存在していることが好ましい。制御コアの下部にある追加のエアギャップは、外部に取り付けられた、磁化可能な材料からなる追加エレメントの作用を補助する。制御コアの下部にあるエアギャップ内に、制御コアと磁気回路との間のもう１つの磁界感受性コンポーネントを配置することができる。

測定値又は測定結果を並行して読み取り、平均化することによって、測定精度を高めることができる。飽和又は未飽和状態の制御コアで、ホールセンサーの感受性によって生じる特定の要素を考慮した上で、飽和と未飽和状態の制御コアでの２つの測定から、導電体を流れる電流の電流強度を周知の方程式を用いて算出することができる。

好ましくは軟磁性物質からなる新しく加えられたエレメントによって、外部の磁界による干渉は、飽和状態の制御コアの場合も、未飽和状態の制御コアの場合にも、方程式の中で消去することができる。というのも、これらの数値は、追加エレメントによって互いに等しくすることができるからである。これによって、連立一次方程式が簡単な方法で解かれ、導電体の電流強度を算出することができる。

制御コアの内部と外部の両方に取り付けられた追加エレメントによって、外部の磁気干渉場の入射角は、飽和と未飽和状態の制御コアで等しくされる。この場合、外部の磁気干渉場の数値が相殺され、電流強度は両方の方程式の簡単な減算によって算出することができる。

測定においては、物理量がしばしばアナログ電気量に変換される。定量化の場合、アナログ量の測定範囲は、互いに隣り合う部分領域（区間）の有限数に分割され、それらの１つ１つに有限の記号システムの値が割り当てられる（例えば、整数）。アナログ量の使用部分領域数は、二進法記号システムの場合、２のべき乗（ビット分解）もまた分解と呼ばれるが、同じ大きさの区間の場合、区間量そのものも分解と呼ばれる。

この定量化手順は、測定信号のための数値を離散形式で再現する。

その際、以下の２つの方程式が立てられる。
Ｉ．Ｒ_ｌｏｗ＝ｎ＋Ｓ_ｌｏｗ＊Ｉ_ＤＣ＋Ｓ_Ｂｌ＊Ｂ＊ｓｉｎ（α）
ＩＩ．Ｒ_ｈｉｇｈ＝ｎ＋Ｓ_ｈｉｇｈ＊Ｉ_ＤＣ＋Ｓ_Ｂｈ＊Ｂ＊ｓｉｎ（α）

上記の方程式において、Ｒ_ｌｏｗは飽和状態の制御コアにおける定量化の数を示している。Ｒ_ｈｉｇｈは、未飽和状態の制御コアでの数を示している。変数ｎは、定量化における磁界感受性コンポーネントのゼロポイントを示し、このゼロポイントでは、導電体に０Ａの電流が流れ、磁界感受性コンポーネントでの磁束密度は０テスラである。変数Ｓ_ｌｏｗ及びＳ_ｈｉｇｈは、飽和状態又は未飽和状態の制御コアでの磁界感受性コンポーネントの感受性を示している。変数Ｂは、外部磁界の磁束密度であり、変数αは外部磁界が磁界感受性コンポーネントにかかる角度を示している。変数Ｉ_ＤＣは、測定で検出されるべき、電流が流れている導電体の電流強度を示している。

磁界感受性コンポーネントの付近に追加的に配置されている、好ましくは軟磁性のエレメントは、変数Ｓ_Ｂｌ及びＳ_Ｂｈを等しくすることができる。これによって、電流強度Ｉ_ＤＣを特定するための連立一次方程式を簡単な方法で解くことができる。

Ｓ_ＢｌとＳ_Ｂｈとは同一であり、飽和及び未飽和状態の制御コアにおける外部の電流磁界の入射角は、前述の構造によって同一であるので、方程式（ＩＩ）から方程式（Ｉ）の減算によって、又はその逆によってＩ_ＤＣを算出することができる。
Ｉ_ＤＣ＝（Ｒ_ｌｏｗ−Ｒ_ｈｉｇｈ）／（Ｓ_ｌｏｗ−Ｓ_ｈｉｇｈ）

導電体を流れる電流を測定するための配置例である。 導電体を流れる電流を測定するための配置例の一部である。

以下に、実施形態及びそれに付属する図を用いて、この配置をさらに詳しく説明する。

以下に示されている図は、縮尺どおりのもとして理解してはならない。むしろ、分かりやすくするためには、個々の寸法を拡大、縮小又は歪曲して示すことも可能である。

互いに同一であるか、又は同一の機能を引き受けている構成要素には、同じ符号が付されている。

図１には、導電体１を流れる電流を測定する配置例の可能なバリエーションが示されており、この場合、フェライトからなることのできる磁気回路２が導電体を取り囲んでいる。磁気回路２は、一方の側にエアギャップ３を有し、この中に磁界感受性コンポーネント４がある。エアギャップ３を制御するため、エアギャップ３の中には制御コア５がある。この制御コア５はエアギャップ３の中央に配置されているため、Ｕ字形の磁気回路２と制御コア５との間の、制御コア５の両側にそれぞれギャップ８ａ、８ｂが存在する。第１のギャップ８ａの中には、磁界感受性コンポーネント４が配置されている。磁界感受性コンポーネント４の厚さとギャップ８ａの高さは、ほとんど同じ大きさであるため、この磁界感受性コンポーネント４は、磁気回路２にも、制御コイル５にも接触している。制御コア５は制御コイル６を有し、この制御コイル６は、制御コア５を磁気的な飽和状態にすることができる。制御コア５は、磁界感受性コンポーネント４の付近に、追加的な磁化可能エレメント７ａ、７ｂを有している。第１の追加エレメント７ａは、好ましくは制御コア５の範囲内に配置されている。そこで、この追加エレメントが棒状に形成されていることが好ましい。もう１つの追加の磁化可能エレメント７ｂは、好ましくは、制御コア５の上部脚鉄のエッジに配置されている。したがって、外部の追加エレメント７ｂは、制御コア５の外部に配置されており、その際、追加エレメント７ｂは、好ましい実施形態において、制御コア５の一部として形成することができる。下部エアギャップ８ｂには、二重の測定によって測定精度を上げるために、もう１つ別の磁界感受性コンポーネント４を取り付けることができる。

図２は、導電体１を流れる電流を測定するための配置例の一部を示している。この部分は、磁界感受性コンポーネント４の周辺部である。磁界感受性コンポーネント４は、ギャップ８ａ内の制御コア５と磁気回路２との間にある。制御コア５は、制御コア５の飽和に作用する制御コイル６を有する。磁界感受性コンポーネント４の付近には、磁化可能な追加エレメント７ａ、７ｂがあり、これらは、好ましくは軟磁性物質からなる。第１の追加エレメント７ａは、制御コア５内の制御コイル６の間にある。好ましい実施形態においては、この追加エレメント７ａは棒状に形成されている。もう１つの追加エレメント７ｂは、制御コア５の外部に配置されている。この追加エレメント７ｂは、制御コア５の一部として形成されるのが好ましい。追加の磁化可能エレメントは、制御コア５が完全な飽和状態にある場合も浸透性を残している。両方の磁化可能な追加エレメント７ａ、７ｂにより、干渉する外部磁界の数値を、導電体を流れる電流の方程式の中で等しくすることができるため、方程式におけるこの数値は相殺される。

実施形態の中では、本発明の可能な発展形態の一部しか説明することができなかったが、本発明はこれらの形態だけに制限されるものではない。原則的に、この他の制御コイル数又は磁気回路のその他の形態を配置することも可能である。本発明は、図に示されたエレメントの数だけに制限されない。

個々に示された対象及び方法の説明は、個々の特殊な実施形態だけに制限されない。むしろ、個々の実施形態の特徴は、技術的に有効である限り、任意に相互に組み合わせることができる。

１ 導電体
２ 磁気回路
３ エアギャップ
４ 磁界感受性コンポーネント
５ 制御コア
６ 制御コイル
７ａ、７ｂ 追加エレメント
８ａ、８ｂ ギャップ

Claims (18)

1. 導電体（１）に連結するためのエアギャップ（３）備えた磁気回路（２）と、
   前記導電体（１）によって生じる磁界を測定するための、前記磁気回路（２）の前記エアギャップ（３）内に配置された１つ又は複数の磁界感受性コンポーネント（４）と、
   前記エアギャップ（３）内に配置されている、前記エアギャップ（３）を制御するための制御コア（５）と、を有し、
   前記制御コア（５）が、該制御コア（５）を磁気的に飽和するための制御コイル（６）を有する、導電体を流れる電流測定の配置であって、
   前記磁界感受性コンポーネント（４）が、前記制御コア（５）の第１の側面に配置され、前記磁界感受性コンポーネント（４）の付近には複数の追加エレメント（７ａ、７ｂ）があり、該追加エレメントは、前記制御コア（５）とは無関係に前記磁界感受性コンポーネント（４）周辺の磁界をガイドするのに適しており、第１の追加エレメント（７ａ）が前記制御コア（５）の範囲内に配置され、第２の追加エレメント（７ｂ）が前記制御コア（５）の外部に配置されている、
   ことを特徴とする導電体を流れる電流測定の配置。
2. 前記制御コア（５）の、前記磁界感受性コンポーネント（４）に対向する側に、第２の磁界感受性コンポーネント（４）が配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の配置。
3. 前記追加エレメント（７ａ、７ｂ）が、磁化可能である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の配置。
4. 前記追加エレメント（７ａ、７ｂ）が、好ましくは１より大きい相対浸透率を有している、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の配置。
5. 前記追加エレメント（７ａ、７ｂ）が、軟磁性物質からなる、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の配置。
6. 前記追加エレメント（７ａ、７ｂ）が、前記制御コア（５）の相対浸透率よりも大きいか、又は前記制御コア（５）と同じ相対浸透率を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の配置。
7. 前記追加エレメント（７ａ、７ｂ）が、任意の形状を有しているか、又はそれぞれ複数の個別エレメントからなる、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の配置。
8. 前記追加エレメント（７ａ、７ｂ）が、前記制御コア（５）の一部となっている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の配置。
9. 前記制御コア（５）が飽和状態である場合も、前記追加エレメント（７ａ、７ｂ）が浸透性を残している、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の配置。
10. 前記追加エレメント（７ａ、７ｂ）が、強磁性金属を含む、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の配置。
11. 前記磁気回路（２）が、追加コイルを有している、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の配置。
12. 前記磁気回路（２）が、前記導電体（１）を取り囲んでいる、
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の配置。
13. 前記制御コア（５）が、フェライトコアとして形成されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の配置。
14. 前記制御コア（５）が、矩形のフレームを有し、該フレームの少なくとも１つの側に、前記制御コア（５）を飽和するための制御コイル（６）を有している、
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の配置。
15. 前記制御コア（５）が、対向する２つの側に制御コイル（６）を有している、
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の配置。
16. 前記磁気回路（２）と前記制御コア（５）とが互いに離されていることにより、前記配置が前記磁気回路（２）と前記制御コア（５）との間の両側にそれぞれギャップ（８ａ、８ｂ）を有している、
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の配置。
17. 飽和された前記制御コア（５）が、大電流の場合でも飽和状態を有している、
    ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の配置。
18. 前記磁界感受性コンポーネント（４）がホールセンサーである、
    ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の配置。

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