JP2006046922A

JP2006046922A - 電流センサ

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Publication number: JP2006046922A
Application number: JP2004223886A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Hirabayashi; 明彦平林; Hideo Watanabe; 英雄渡辺
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】ゼロフラックス法による電流センサにおいて、簡単な構成によって磁気シールドケース側から磁気コアの低磁気抵抗部分に向けて磁束が流れないようにする。
【解決手段】内部空間に被測定電線が挿通される環状の磁気コア１０と、磁気コア１０の周りを囲む磁気シールドケース２０とを含み、磁気コア１０内に磁電変換素子３１が配置されているとともに、磁気コア１０の一部分に磁電変換素子３１より増幅器を介して負帰還電流が供給される負帰還コイル３２が巻回されている電流センサにおいて、磁気シールドケース２０のうち、磁気コア１０側の磁電変換素子３１および負帰還コイル３２が配設されていない部分と対応する特定部分の体積を他の部分よりも大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は閉磁路を構成する環状の磁気コア内に被測定電線を挿通してその電流値を非接触で測定するゼロフラックス法による電流センサに関し、さらに詳しく言えば、磁気コアの周りに配置される磁気シールドケースの構成に関するものである。

環状の磁気コア内に被測定電線を挿通して電流を検出する電流センサには、磁気コアを一体型とした貫通型と、磁気コアを分割して開閉可能としたクランプ型とがあるが、クランプ型の電流センサによれば、活線状態にある被測定電線を一旦切り離すことなくそのまま磁気コア内に挿通して電流測定を行うことができる。

クランプ型電流センサにおいて、そのコア開閉機構には両開き式，片開き式それにスライド式など種々の形式が存在するが、通常、その測定系にはいずれも特許文献１に記載されているようにゼロフラックス法が採用されている。その一例を図５により説明する。

このクランプ型電流センサは片開き式で、磁気コア１０は固定側の第１磁気コア１１と可動側（開閉側）の第２磁気コア１２とに分割されている。磁気コア１０には外部磁界（外来ノイズ）を遮蔽する目的で磁気シールドケース２０が被せられるが、磁気シールドケース２０も第１磁気コア１１側の第１磁気シールドケース部２１と第２磁気コア１２側の第２磁気シールドケース部２２とに分割されている。通常、磁気コア１０にはフェライト材が用いられ、磁気シールドケース２０にはパーマロイなどの高透磁率材料が用いられる。

この例において、固定側の第１磁気コア１１は一辺が開放されたほぼコ字形に形成されており、可動側の第２磁気コア１２は第２磁気シールドケース部２２とともに図示しないコア開閉機構により第１磁気コア１１の開放面に対して開閉可能に支持されている。

第２磁気コア１２を開くことにより、磁気コア１０内に被測定電線Ｌが挿通されるが、ゼロフラックス法による場合、被測定電線Ｌに流れる電流Ｉｓにより磁気コア１０に誘起される磁束Δφを打ち消すため、磁気コア１０には磁電変換素子であるホール素子３１と負帰還コイル３２とが設けられる。なお、ホール素子に代えてフラックスゲートが用いられることもある。

この例では、ホール素子３１と負帰還コイル３２はともに固定側の第１磁気コア１１に設けられている。すなわち、ホール素子３１は第１磁気コア１１の所定部位に形成された空隙内に上記磁束Δφと鎖交するように配置され、負帰還コイル３２はこの例では一対として第１磁気コア１１の対向辺に巻回されている。

ホール素子３１の出力側には電圧−電流変換器としての増幅器３３が接続され、増幅器３３より負帰還コイル３２にホール素子３１の出力電圧に比例した負帰還電流が供給される。その負帰還電流は磁気コア１０に生ずる磁束Δφの大きさに比例する。すなわち、負帰還電流は被測定電線Ｌに流れる電流Ｉｓに比例する。負帰還コイル３２には負帰還電流を電圧として検出する検出抵抗３４が接続されており、その検出電圧が所定の増幅回路によりセンサ出力電圧にまで増幅されて図示しない測定器本体に出力される。

上記磁束Δφは磁気コア１０にのみ流れるのが理想であるが、特許文献２に記載されているように実際には負帰還コイル３２の部分で磁気抵抗が著しく増加するため、その部分から磁気シールドケース２０に向けて漏れ磁束が発生する。

また、このほかにもホール素子３１が配置されている部分や第１磁気コア１１と第２磁気コア１２の突き合わせ部分でも磁気抵抗が高くなり、これらの部分からも磁気シールドケース２０に向けて漏れ磁束が発生する。本明細書において、これら磁気抵抗が高くなる部分を高磁気抵抗部分と言い、これ以外の磁気抵抗が低い部分を低磁気抵抗部分と言う。

図６に高磁気抵抗部分から磁気シールドケース２０に向けて漏れ磁束が発生する状態を模式的に示すが、この例では第１磁気コア１１にホール素子３１と負帰還コイル３２とが設けられているため、もっぱら第１磁気コア１１側から漏れ磁束が発生する。これに対して、第２磁気コア１２には特に磁気抵抗が高くなる部分が存在しないため、相対的に第２磁気コア１２は低磁気抵抗部分ということができる。

また、被測定電線Ｌに流れる電流Ｉｓによって磁気コア１０ばかりでなく磁気シールドケース２０にも磁束が誘起される。この誘起磁束および漏れ磁束の大きさによっては磁気シールドケース２０が磁気飽和を起こすことがある。

そうすると、反対に磁気シールドケース２０から磁気コア１０の低磁気抵抗部分（この例では第２磁気コア１２）に磁束が流れ磁気コア１０も磁気飽和状態となり検出感度が低下する。この現象は被測定電線Ｌに流れる電流Ｉｓが１００Ａ（実効値）以上であるときに顕著に現れる。

これを防止するには、ひとつの方法として磁気コア１０および／または磁気シールドケース２０の体積を大きくすればよいのであるが、そうするとセンサが大型となり重量も増えることになるため好ましくない。

また、磁気シールドケース２０の体積を大きくした場合には、かえって磁気コア１０の高磁気抵抗部分からの漏れ磁束が増える結果を招くことにもなりかねない。そのうえ、磁気コア１０や磁気シールドケース２０の体積を大きくするには、その生産金型などを設計変更しなければならず余分なコスト負担が増えるので、この点からしても好ましい方法とは言えない。

特開２００３−４３０７３号公報特開２００１−３３７１１４号公報

したがって、本発明が解決しようとする課題は、磁電変換素子および負帰還コイルを有する磁気コアを磁気シールドケース内に収納してなるゼロフラックス法による電流センサにおいて、磁気回路の部分的な飽和を防止し、大電流に対する応答特性を改善することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、閉磁路を構成しその内部空間に被測定電線が挿通される環状の磁気コアと、上記磁気コアの周りを囲む磁気シールドケースとを含み、上記磁気コア内に磁電変換素子が配置されているとともに、上記磁気コアの一部分に上記磁電変換素子より増幅器を介して負帰還電流が供給される負帰還コイルが巻回されている電流センサにおいて、上記磁気シールドケースのうち、上記磁気コア側の上記磁電変換素子および上記負帰還コイルが配設されていない部分と対応する特定部分の体積が他の部分よりも大きくされていることを特徴としている。

上記磁気シールドケースの特定部分の体積を大きくするにあたって、コスト的な観点から、上記磁気シールドケースの特定部分に別部材としての付加磁性体を溶接もしくは接着材を介して貼り付けることが好ましい。

本発明には上記磁気コアを一体型とした貫通型電流センサも含まれるが、上記磁気コアが開閉可能な第１磁気コア部と第２磁気コア部とに分割されているとともに、上記磁気シールドケースも上記第１磁気コア部の周りを囲む第１磁気シールドケース部と上記第２磁気コア部の周りを囲む第２磁気シールドケース部とに分割されており、上記磁電変換素子と上記負帰還コイルとがともに上記第１磁気コア部側に装着されているクランプ型電流センサの場合には、上記特定部分に相当する上記第２磁気シールドケース部の体積を上記第１磁気シールドケース部の体積よりも大きくすればよい。

本発明によれば、磁気シールドケースのうちの磁気コア側の低磁気抵抗部分（上記磁電変換素子および上記負帰還コイルが配設されていない部分）と対応する特定部分の体積を他の部分よりも大きくしたことにより、その分、上記特定部分においては磁束飽和密度が増加する。したがって、磁気シールドケース側から磁気コアに向けて磁束が流れにくくなり、磁気コアの磁気飽和による感度低下を防止することができる。

次に、図１ないし図４により本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明をクランプ式電流センサに適用した場合の例を示す断面図，図２は上記クランプ式電流センサを開いた状態で示す斜視図，図３は本発明の要部を示す分解斜視図，図４は本発明例と比較例の検出感度特性を対比して示すグラフである。

なお、図１ないし図３には実際の製品図面と同程度の図面が用いられているが、この実施形態の説明において、先の図５により説明した従来例と特に変更を要しない構成要素にはそれと同じ参照符号を用いている。

ここで説明するクランプ式電流センサも上記従来例と同じく片開き式で、磁気コア１０はほぼコ字形に形成された固定側の第１磁気コア１１と、第１磁気コア１１の開放面に対して開閉可能な第２磁気コア１２とに分割されている。磁気コア１０の材料は任意に選択されてよいがフェライト材が好適である。

磁気シールドケース２０も同様に固定側の第１磁気シールドケース部２１と、開閉側の第２磁気シールドケース部２２とに分割されている。この例においても、磁気シールドケース２０にはパーマロイなどの高透磁率材料が用いられてよい。

第１磁気シールドケース部２１内に第１磁気コア１１が合成樹脂製の台座２１１にて支持された状態で収納される。なお、第１磁気シールドケース部２１の一方の側面にはターミナル基板２３を有する側板２４が装着されている。ターミナル基板２３には複数の端子ピン２３１が貫設されており、ターミナル基板２３は適当な配線を介して図示しない測定器本体と接続される。

ゼロフラックス法であるため第１磁気コア１１には磁電変換素子としてのホール素子３１と負帰還コイル３２とが設けられる。実際の製品に即して説明すると、第１磁気コア１１はその底辺部で２つに分割されていて、ホール素子３１はその分割面間の空隙内に回路基板３１１に実装された状態で配置される。ホール素子３１に代えてフラックスゲートが用いられてもよい。

負帰還コイル３２は一対として用いられ、その各々はあらかじめボビンに巻き取られた状態で第１磁気コア１１の対向する２辺に装着される。負帰還コイル３２は第１磁気コア１１の一方の辺のみに設けられてもよく、また、第１磁気コア１１に対するホール素子３１と負帰還コイル３２の取り付け位置は任意に決められてよい。

なお、図１には先の図５で説明した増幅器（電圧−電流変換器）３３と検出抵抗３４は示されていないが、この例においてもホール素子３１と負帰還コイル３２との間には増幅器３３が接続され、負帰還コイル３２には検出抵抗３４が接続される。また、第１磁気コア１１内には被測定電線Ｌに対する保護カバー２５が配置される。

図３を参照して、第２磁気コア１２は第２磁気シールドケース部２２内に合成樹脂製のホルダ２２１を介して固定される。第２磁気コア１２は第２磁気シールドケース部２２とともに図示しないコア開閉機構により第１磁気コア１１の開放面に対して開閉可能（接触・離反可能）に支持されるが、第１磁気コア１１に対してスライド可能としてもよい。

いずれにしても、第２磁気コア１２を開くことにより磁気コア１０の内部空間に被測定電線Ｌを活線状態のまま挿通でき、磁気コア１０には被測定電線Ｌに流れる電流Ｉｓにより磁束Δφが誘起される。ゼロフラックス法によると、上記磁束Δφは負帰還コイル３２に流される負帰還電流にて発生する逆向きの磁束と相殺される（打ち消される）。

したがって、上記磁束Δφから見ると負帰還コイル３２の部分は磁気抵抗が大きい高磁気抵抗部分であり、また、ホール素子３１が配置される第１磁気コア１１の分割部分および第１磁気コア１１と第２磁気コア１２の突き合わせ面も高磁気抵抗部分である。

したがって、上記磁束Δφは上記高磁気抵抗部分から漏洩し、その漏洩磁束は直近に存在する磁気シールドケース２０内に流入する。磁気シールドケース２０には、この流入磁束のほかに被測定電線Ｌに流れる電流Ｉｓによる磁束が誘起される。

磁気シールドケース２０内の磁束が増加し飽和状態になると、磁気シールドケース２０から磁気コア１０の低磁気抵抗部分（磁気抵抗が低い部分）に向けて磁束が流れる。この例において、第２磁気コア１２にはその突き合わせ面を除いて高磁気抵抗部分が存在しないため第１磁気コア１１に比べて第２磁気コア１２が低磁気抵抗部分に該当する。

そのため、磁気シールドケース２０が磁気飽和状態になると、磁気シールドケース２０から第２磁気コア１２に向けて磁束が流れ、これによって第２磁気コア１２が磁気飽和を起し検出感度が大幅に低下する。

これを防止するため、本発明においては、磁気シールドケース２０のうちの磁気コア１０の低磁気抵抗部分と対応する特定部分の体積を他の部分よりも大きくすることを特徴としている。この例で言えば、磁気シールドケース２０のうちの第２磁気コア１２を囲む第２磁気シールドケース部２２の体積を第１磁気コア１１側の第１磁気シールドケース部２１よりも大きくする。なお、磁気シールドケース２０全体の体積を増やすと磁気コア１０から磁気シールドケース２０への漏洩磁束が増えてしまうので好ましくない。

第２磁気シールドケース部２２の体積を大きくする（増やす）にあたって、第２磁気シールドケース部２２の全体を板厚の厚いシールド板で構成してもよいが、これよると磁気シールドケース２０のコストが割高になるため、図３に示すように板状とした付加磁性体２６を第２磁気シールドケース部２２に貼り付けることが好ましい。

その貼り付け方法は溶接や接着材などでよく特に制限はない。付加磁性体２６は第２磁気シールドケース部２２と同じ材料であることが好ましいが異なってもよい。貼り付ける部位は第２磁気シールドケース部２２の外面，内面のいずれか、もしくはその両面など適宜選択でき、場合によっては第２磁気シールドケース部２２の側面を含む全面に貼り付けてもよい。

このように、第２磁気シールドケース部２２の体積を大きくすることによりその飽和磁束密度が増加するため、第２磁気シールドケース部２２から第２磁気コア１２への磁束の流れが少なくなり検出感度が改善される。図４に第２磁気シールドケース部２２の上面のほぼ全体に板厚０．８ｍｍの付加磁性体２６を貼り付けた場合の本発明例と、付加磁性体２６を貼り付ける前の比較例（従来例）の検出感度の特性グラフを対比して示す。

図４の縦軸はリーディング誤差（％ｒｄｇ．）で、横軸は被測定電線の入力電流値Ａ（実効値）である。図中、黒ベタ菱形マークが本発明例における交流電流ＡＣに対する検出感度，黒ベタ四角マークが本発明例における直流電流ＤＣに対する検出感度，白抜き菱形マークが比較例における交流電流ＡＣに対する検出感度，白抜き四角マークが比較例における直流電流ＤＣに対する検出感度である。

このグラフから分かるように、入力電流値が１３０Ａ（実効値）以上になるとリーディング誤差が大きくなる傾向を示すが、本発明例によればその誤差が交流，直流ともに絶対値で２％程度に納まるのに対して、比較例の場合にはその誤差が交流，直流ともに絶対値で４〜７％と大幅に増加しており本発明の効果が顕著に認められた。

なお、上記の例では第２磁気シールドケース部２２側にのみ付加磁性体２６を貼り付けているが、場合によっては第１磁気シールドケース部２１の第１磁気コア１１の低磁気抵抗部分に対応する特定部分にも付加磁性体２６を貼り付けてもよく、このような態様も本発明に含まれる。また、本発明は環状の磁気コア１０を一体とした貫通型電流センサにも適用可能である。

本発明が適用されたクランプ式電流センサの内部構造を示す断面図。上記クランプ式電流センサを開いた状態で示す斜視図。本発明の要部を示す分解斜視図。本発明例と比較例の検出感度特性を対比して示すグラフ。従来のクランプ式電流センサの内部構造を示す断面図。磁気コアの高磁気抵抗部分から磁気シールドケースに向けて漏れ磁束が発生する状態を示す模式図。

符号の説明

１０磁気コア
１１第１磁気コア
１２第２磁気コア
２０磁気シールドケース
２１第１磁気シールドケース部
２２第２磁気シールドケース部
２６付加磁性体
３１ホール素子（磁電変換素子）
３２負帰還コイル
Ｌ被測定電線
Ｉｓ被測定電線に流れる電流
Δφ 誘起磁束

Claims

閉磁路を構成しその内部空間に被測定電線が挿通される環状の磁気コアと、上記磁気コアの周りを囲む磁気シールドケースとを含み、上記磁気コア内に磁電変換素子が配置されているとともに、上記磁気コアの一部分に上記磁電変換素子より増幅器を介して負帰還電流が供給される負帰還コイルが巻回されている電流センサにおいて、
上記磁気シールドケースのうち、上記磁気コア側の上記磁電変換素子および上記負帰還コイルが配設されていない部分と対応する特定部分の体積が他の部分よりも大きくされていることを特徴とする電流センサ。
上記磁気シールドケースの特定部分に別部材としての付加磁性体が溶接もしくは接着材を介して貼り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
上記磁気コアが開閉可能な第１磁気コア部と第２磁気コア部とに分割されているとともに、上記磁気シールドケースも上記第１磁気コア部の周りを囲む第１磁気シールドケース部と上記第２磁気コア部の周りを囲む第２磁気シールドケース部とに分割されており、上記磁電変換素子と上記負帰還コイルとがともに上記第１磁気コア部側に装着されているクランプ型電流センサで、上記特定部分に相当する上記第２磁気シールドケース部の体積が上記第１磁気シールドケース部の体積よりも大きくされていることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。