JP5547031B2

JP5547031B2 - ロゴスキーコイルおよび電流検出装置

Info

Publication number: JP5547031B2
Application number: JP2010236315A
Authority: JP
Inventors: 淳士野村
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: JP2012088224A

Description

本発明は、可撓性を有する棒状の巻芯の一端から他端に亘って電線が巻回されて形成された巻線を備えたロゴスキーコイル、およびこのロゴスキーコイルを備えた電流検出装置に関するものである。

この種のロゴスキーコイルとして、下記の特許文献１に開示された電流検出器を構成する検出部（ロゴスキーコイル）が知られている。この検出部５１は、図４に示すように、芯部（巻芯）５２、コイル（巻線）５３および導電線（巻き戻し線）５４を備えて構成されている。

この場合、芯部５２は、絶縁性および可撓性を有するチューブ（断面円形の棒状体）で構成されている。コイル５３は、この芯部５２の外周面（表面）に芯部５２の一端（図４中の右端）から他端（図４中の左端）に亘って、絶縁被覆を有する導電線が螺旋状に一定間隔で巻回（具体的には密着巻きで巻回）されて構成されている。導電線５４は、芯部５２の中心部に、芯部５２の一端側から他端側に亘って貫通して配設されている。また、導電線５４は、芯部５２の一端側の端部（図中の右端部）がコイル５３における芯部５２の一端側の端部に接続されている。また、コイル５３における芯部５２の他端側の端部は、出力電線５５として絶縁被覆５７の外部に引き出され、導電線５４における芯部５２の他端側の端部は、出力電線５６として絶縁被覆５７の外部に引き出されている。また、この検出部５１では、芯部５２にコイル５３を巻回したものに対して、可撓性の絶縁材料を用いて形成された絶縁被覆５７が被覆されている。また、ロゴスキーコイルの技術分野では、コイル５３は、下記の特許文献２に開示されているように被覆電線（エナメル銅線。いわゆるマグネットワイヤ）を用いて形成されるのが一般的である。

特開２００６−３２９８２６号公報（第３−４頁、第１，３図）特開２００３−１３９８０２号公報（第４頁）

ところが、従来のロゴスキーコイルには、以下の課題が存在する。すなわち、従来のロゴスキーコイルでは、上記したように、コイル５３はエナメル銅線を用いて形成されているが、このエナメル銅線は、銅製の単線の表面に絶縁被膜を形成したものであって、絶縁被膜は薄く（例えば０．０４ｍｍ程度）、かつ弾性変形量も極めて少ない（弾性率が大きい。つまり、固い）。このため、芯部５２にエナメル銅線を密着巻きしてコイル５３を形成する構成を採用した場合、このロゴスキーコイルには、芯部５２およびコイル５３の全体としての柔軟性が低下して、曲げにくくなるという解決すべき課題が存在している。

一方、この課題は、密着巻きを採用せずに、芯部５２の外周面にエナメル銅線を隙間を空けて一定間隔で巻回してコイル５３を形成することで解決することができる。しかしながら、この構成においては、芯部５２およびコイル５３の全体としての柔軟性は高まるものの、芯部５２およびコイル５３を曲げたときに、コイル５３が芯部５２の外周面上でずれて間隔が不均一になり、測定精度が低下するという新たな課題が発生する。また、この課題は、シリコーンゴムなどの比較的柔らかな絶縁材料で芯部５２を形成し、かつエナメル銅線を芯部５２に若干食い込ませるようにして巻回することで解決することが可能であるが、この構成では、芯部５２におけるエナメル銅線を巻回した部位の断面形状が局部的に歪んだ円形になり、断面形状が不均一になるため、やはり、測定精度が低下するという課題が発生する。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、コイルを密着巻きで形成しつつ十分な柔軟性と十分な測定精度を確保し得るロゴスキーコイルおよび電流検出装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載のロゴスキーコイルは、可撓性を有する棒状の巻芯と、当該巻芯の表面に当該巻芯の一端から他端に亘って絶縁電線が一層に巻回されて形成された巻線と、当該巻線における前記巻芯の前記一端側の端部に一端が接続されると共に前記巻芯に沿って当該巻芯の前記他端側に戻される巻き戻し線とを備えたロゴスキーコイルであって、前記絶縁電線は、導体、および弾性変形可能な絶縁材料で構成されて当該導体を被覆する絶縁被覆を備え、前記巻線は、前記絶縁電線が相互に密着し、かつ整列した状態で巻回されて形成され、前記絶縁被覆は、前記巻芯の弾性率よりも小さい弾性率に規定されている。

また、請求項２記載の電流検出装置は、測定対象電線に着脱自在に取り付けられる請求項１記載のロゴスキーコイルと、前記測定対象電線に電流が流れたときに前記巻線における前記巻芯の前記他端側の端部と前記巻き戻し線の他端との間に発生する誘導起電圧を増幅して増幅信号として出力する増幅部と、前記増幅信号に基づいて前記電流の電流値を検出する処理部とを備えている。

請求項１記載のロゴスキーコイルおよび請求項２記載の電流検出装置では、弾性変形可能な絶縁被覆で導体が被覆された絶縁電線を相互に密着し、かつ整列した状態で一層に巻回して巻線が形成されている。したがって、このロゴスキーコイルによれば、測定対象電線に取り付けられた環状状態においても、巻芯に等間隔で絶縁電線が巻回された状態を維持することができるため、測定対象電線の周囲に発生する磁界を巻線で正確に検出することができる。これにより、この電流検出装置によれば、測定対象電線に流れる電流の電流値を正確に測定することができる結果、測定精度を十分に向上させることができる。また、このロゴスキーコイルによれば、絶縁被覆が弾性変形可能な絶縁材料で構成されているため、巻芯に絶縁電線が密着巻きされている状態においても、容易に折り曲げて環状状態に移行させることができる。

また、このロゴスキーコイルおよびこの電流検出装置では、絶縁被覆が巻芯の弾性率よりも小さい弾性率に規定されているため（絶縁被覆が巻芯よりも柔らかいため）、測定対象電線に取り付けられた環状状態においても、絶縁電線の絶縁被覆は、自らが主として変形し、接触している巻芯に対して殆ど変形を生じさせない。したがって、このロゴスキーコイルおよび電流検出装置によれば、環状状態において、巻芯の断面形状（巻き戻し線の長さ方向と直交する方向での断面形状）をほぼ均一に維持することができ、これに伴い、巻線の断面形状（巻き戻し線の長さ方向と直交する方向での断面形状）についてもほぼ均一に維持することができるため、測定対象電線の周囲に発生する磁界を巻線で一層正確に検出することができる。これにより、この電流検出装置によれば、測定対象電線に流れる電流の電流値を一層正確に測定することができる。

電流検出装置１およびロゴスキーコイル２の構成を示す構成図である。ロゴスキーコイル２の巻き戻し線１３を含む平面に沿った要部断面図（ロゴスキーコイル２が直線状態での断面図）である。ロゴスキーコイル２の巻き戻し線１３を含む平面に沿った要部断面図（ロゴスキーコイル２が環状状態での断面図）である。従来の検出部（ロゴスキーコイル）５１の構成を示す構成図である。

以下、電流検出装置１およびロゴスキーコイル２の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、電流検出装置１およびロゴスキーコイル２の構成について説明する。

図１に示す電流検出装置１は、ロゴスキーコイル２、増幅部３、処理部４および表示部５を備え、測定対象電線６に流れる電流Ｉ１を検出して、その電流値を表示可能に構成されている。

ロゴスキーコイル２は、一例として、図１に示すように、巻芯１１、巻線１２、巻き戻し線１３、絶縁被覆１４、一対の出力電線１５，１６および保持部１７を備えて構成されている。なお、図１においては、発明の理解を容易にするため、保持部１７については破線で図示している。

巻芯１１は、絶縁性および可撓性を有する材料、具体的には、後述する巻線１２を形成する絶縁電線を構成する絶縁体の弾性率よりも大きな弾性率の材料を用いて棒状に形成されている。本例では、巻芯１１は、断面円形の棒状に形成されている。

巻線１２は、図２に示すように直線状に伸ばされた状態の巻芯１１の外周面に、巻芯１１の一端（図１中の右端）から他端（図１中の左端）に亘って螺旋状に等しい間隔Ｌ０で絶縁電線２１を密着した状態で（密着巻きで）一層に巻回することにより、コイルとして機能するように構成されている。具体的には、絶縁電線２１は、同図に示すように、導体２２、および弾性変形可能な絶縁材料で構成されて導体２２を被覆する絶縁被覆２３を備えている。この場合、巻線１２は、絶縁電線２１（具体的には、その絶縁被覆２３）が相互に密着し、かつ整列した状態で巻回されて形成されている。本例では、絶縁電線２１は、直径と等しい間隔Ｌ０で、等間隔に巻回されている。また、絶縁被覆２３は、巻芯１１を構成する絶縁体の弾性率よりも小さな弾性率の材料（例えば、ＰＶＣ、ポリエチレン、シリコーン樹脂、フッ素樹脂など）で、上記したエナメル銅線の被膜の厚み（０．０４ｍｍ程度）よりも十分に厚く（例えば、少なくとも１０倍以上厚く）構成されている。つまり、絶縁電線２１は、いわゆるビニル被覆電線で構成されている。

巻き戻し線１３は、導電線で構成されると共に、図１，２に示すように、巻芯１１の一端から他端に亘って巻芯１１の中心部を貫通して配設されて、その巻芯１１の一端側の端部（図１中の右端部）は巻線１２における巻芯１１の一端側の端部（図１中の右端）と接続されている。また、巻き戻し線１３は、巻芯１１の他端側の端部（図１中の左端部）が出力電線１６として絶縁被覆１４の外部に引き出されている。また、巻線１２も、巻芯１１の他端側の端部（図１中の左端部）が出力電線１５として絶縁被覆１４の外部に引き出されている。絶縁被覆１４は、可撓性を有する絶縁材料を用いて、図１，２に示すように、巻線１２が巻回された巻芯１１の外周面全体を覆うようにして形成されている。

保持部１７は、絶縁性を有する材料を用いて、図１に示すように筒体に形成されて、絶縁被覆１４で覆われた巻芯１１の他端側に、この他端側が一方の開口部側（同図中における保持部１７の左側の開口部側）から内部に挿入された状態で取り付けられている。また、保持部１７は、他方の開口部側（同図中における保持部１７の右側の開口部側）から、絶縁被覆１４で覆われた巻芯１１の一端側を内部に挿着可能（挿入させた状態での取付けが可能）に構成されている。また、保持部１７は、絶縁被覆１４で覆われた巻芯１１の一端側が内部に挿着された状態において、巻芯１１の各端部の端面同士が対向し、巻線１２の各端部同士が電気的に接続されない状態で、巻芯１１の一端側を着脱自在に保持する機能を備えている。この構成により、ロゴスキーコイル２は、巻芯１１の一端側が保持部１７に未挿着の非環状状態から、巻芯１１の一端側が保持部１７に挿着された環状状態に容易に移行することができるため、測定対象電線６に容易に取り付け可能となっている。同様にして、測定対象電線６からの取り外しについても、簡単に行えるようになっている。

増幅部３は、一例として演算増幅器を備えて構成されて、この演算増幅器の一対の入力端子に出力電線１５，１６の各先端が接続されている。また、出力電線１６は、図１に示すように、基準電位（グランド電位）に接続されている。この構成により、増幅部３は、測定対象電線６に電流Ｉ１が流れることに起因して、一対の出力電線１５，１６間に発生する電圧、つまり、巻線１２および巻き戻し線１３における巻芯１１の他端側の各端部間に発生する誘導起電圧Ｖ１を増幅して増幅信号Ｖ２として出力する。

処理部４は、一例として、Ａ／Ｄ変換器、ＣＰＵおよびメモリ（いずれも図示せず）を備えて構成されている。この処理部４では、Ａ／Ｄ変換器が増幅信号Ｖ２をデジタルデータに変換する。また、ＣＰＵが、メモリに記憶されている動作プログラムに従って作動して、この変換されたデジタルデータに基づいて測定対象電線６に流れている電流Ｉ１の電流値Ｄｉを算出して表示部５に表示させる。表示部５は、一例として、液晶ディスプレイなどのモニタ装置で構成されて、入力した電流値Ｄｉを画面に表示させる。

次に、電流検出装置１による測定対象電線６の電流Ｉ１についての検出動作について説明する。

この電流検出装置１では、電流Ｉ１の検出動作に先立ち、まず、測定対象電線６を取り囲むようにしてロゴスキーコイル２を曲げて、次いで、図１に示すように、巻芯１１の一端側を保持部１７に挿着することでロゴスキーコイル２を環状状態に移行させる。これにより、ロゴスキーコイル２が測定対象電線６に取り付けられた状態となる。この場合、ロゴスキーコイル２を環状状態に移行させる際には、後述するように、絶縁電線２１における巻芯１１の内周側に位置している部位が巻芯１１の変形に伴って互いに押し縮められるが、絶縁被覆２３の弾性率が小さい（絶縁被覆２３が柔らかい）ため、容易に曲げることが可能となっている。

この環状状態において、絶縁電線２１の巻芯１１は、その中心部に配設されている巻き戻し線１３を基準として外周側に位置している部位がほぼ均一に伸び、逆に、巻き戻し線１３を基準として内周側に位置している部位がほぼ均一に縮む。また、これにより、巻芯１１に巻回された絶縁電線２１も同様にして、図３に示すように、巻芯１１の外周側に位置している部位では、相互の間隔Ｌ１がほぼ均一な状態で、図２に示す状態での間隔Ｌ０よりも広がる（間隔Ｌ１（＞Ｌ０）になる）。

逆に、絶縁電線２１における巻芯１１の内周側に位置している部位は、巻芯１１の上記変形に伴って互いに押し縮められる。この場合、絶縁電線２１における巻芯１１の内周側に位置している各部位の相互間には巻芯１１の周方向に沿ったほぼ均一な力が作用し、かつ絶縁電線２１の絶縁被覆２３はエナメル銅線の皮膜よりも十分に厚く、かつ弾性率の小さな材料（柔らかな材料）で構成されている。このため、この絶縁被覆２３が弾性変形することで、絶縁電線２１における上記内周側に位置している各部位は、隣接する部位の上に乗り上げるといった状態に陥ることなく、整列状態が維持された状態で、相互間の間隔（つまり、導体２２の間隔）Ｌ２がほぼ均一な状態で、図２に示す状態での間隔Ｌ０よりも狭まる（間隔Ｌ２（＜Ｌ０）になる）。

また、上記したように、絶縁電線２１の絶縁被覆２３は、巻芯１１を構成する絶縁体の弾性率よりも小さな弾性率の材料（柔らかな材料）で構成されているため、ロゴスキーコイル２の環状状態において、自らが主として変形し、接触している巻芯１１に対して殆ど変形を生じさせない。このため、巻芯１１の断面形状（巻き戻し線１３の長さ方向と直交する方向での断面形状）はほぼ均一に維持され、これに伴い、巻線１２の断面形状（巻き戻し線１３の長さ方向と直交する方向での断面形状）についてもほぼ均一に維持される。

このようにして、ロゴスキーコイル２が測定対象電線６に取り付けられた状態において、この電流検出装置１では、まず、巻線１２が測定対象電線６に電流Ｉ１が流れることに起因して測定対象電線６の周囲に発生する磁界（不図示）を検出する。この際に、上記したように、巻線１２を構成する絶縁電線２１は、巻芯１１の外周側では間隔Ｌ１で、また内周側では間隔Ｌ２で巻回され、かつ巻線１２の断面形状もほぼ均一に維持された状態にあるため、巻線１２は、測定対象電線６の周囲に発生する磁界を正確に検出する。この結果、巻線１２および巻き戻し線１３における巻芯１１の他端側の各端部（同図中の各左端部）間に、電流Ｉ１の電流値（振幅）に応じた振幅の誘導起電圧Ｖ１が発生する。この際に、誘導起電圧Ｖ１は、一対の出力電線１５，１６を介してロゴスキーコイル２から増幅部３に出力される。

増幅部３は、この誘導起電圧Ｖ１を増幅信号Ｖ２に増幅して処理部４に出力し、処理部４が、この増幅信号Ｖ２に基づいて電流Ｉ１の電流値Ｄｉを算出して、表示部５に表示させる。

このように、このロゴスキーコイル２では、弾性変形可能な絶縁被覆２３で導体２２が被覆された絶縁電線２１を相互に密着し、かつ整列した状態で一層に巻回して巻線１２が形成されている。したがって、このロゴスキーコイル２によれば、測定対象電線６に取り付けられた環状状態においても、上記したように、巻芯１１に等間隔で絶縁電線２１が巻回された状態を維持することができるため、測定対象電線６の周囲に発生する磁界を巻線１２で正確に検出することができる。これにより、この電流検出装置１によれば、測定対象電線６に流れる電流Ｉ１の電流値を正確に測定することができる結果、測定精度を十分に向上させることができる。

また、このロゴスキーコイル２によれば、絶縁被覆２３が弾性変形可能な絶縁材料で構成されているため、巻芯１１に絶縁電線２１が密着巻きされている状態においても、容易に折り曲げて環状状態に移行させることができる。

また、このロゴスキーコイル２では、絶縁被覆２３が巻芯１１の弾性率よりも小さい弾性率に規定されているため（絶縁被覆２３が巻芯１１よりも柔らかいため）、測定対象電線６に取り付けられた環状状態においても、上記したように、絶縁電線２１の絶縁被覆２３は、自らが主として変形し、接触している巻芯１１に対して殆ど変形を生じさせない。したがって、このロゴスキーコイル２によれば、環状状態において、巻芯１１の断面形状（巻き戻し線１３の長さ方向と直交する方向での断面形状）をほぼ均一に維持することができ、これに伴い、巻線１２の断面形状（巻き戻し線１３の長さ方向と直交する方向での断面形状）についてもほぼ均一に維持することができるため、測定対象電線６の周囲に発生する磁界を巻線１２で一層正確に検出することができる。これにより、この電流検出装置１によれば、測定対象電線６に流れる電流Ｉ１の電流値を一層正確に測定することができる。

なお、上記のロゴスキーコイル２では、絶縁電線２１の絶縁被覆２３を巻芯１１の弾性率よりも小さい弾性率に規定する好ましい構成を採用しているが、ロゴスキーコイル２を環状にしたときに絶縁電線２１から巻芯１１に加わる力が弱い場合など、絶縁被覆２３の材質の如何に拘わらず巻芯１１の断面形状が一定に維持可能な場合には、絶縁被覆２３の弾性率を巻芯１１の弾性率以上に規定してもよいのは勿論である。

１電流検出装置
２ロゴスキーコイル
３増幅部
４処理部
６測定対象電線
１１巻芯
１２巻線
１３巻き戻し線
２１絶縁電線
２２導体
２３絶縁被覆
Ｉ１電流
Ｖ１誘導起電圧

Claims

可撓性を有する棒状の巻芯と、当該巻芯の表面に当該巻芯の一端から他端に亘って絶縁電線が一層に巻回されて形成された巻線と、当該巻線における前記巻芯の前記一端側の端部に一端が接続されると共に前記巻芯に沿って当該巻芯の前記他端側に戻される巻き戻し線とを備えたロゴスキーコイルであって、
前記絶縁電線は、導体、および弾性変形可能な絶縁材料で構成されて当該導体を被覆する絶縁被覆を備え、
前記巻線は、前記絶縁電線が相互に密着し、かつ整列した状態で巻回されて形成され、
前記絶縁被覆は、前記巻芯の弾性率よりも小さい弾性率に規定されているロゴスキーコイル。
測定対象電線に着脱自在に取り付けられる請求項１記載のロゴスキーコイルと、
前記測定対象電線に電流が流れたときに前記巻線における前記巻芯の前記他端側の端部と前記巻き戻し線の他端との間に発生する誘導起電圧を増幅して増幅信号として出力する増幅部と、
前記増幅信号に基づいて前記電流の電流値を検出する処理部とを備えている電流検出装置。