JP6265836B2 - 電流センサ検査システム、電流センサ検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電流と交流電流を同時に測定する電流センサを検査するための電流センサ検査システム、電流センサ検査方法に関する。

電流センサを検査する技術としては特許文献１がある。特許文献１にはバッテリ電流を測定する電流センサが正しく機能しているかを検査する方法が示されている。図１は特許文献１の図１に示された図であり、特許文献１の要約には、「少なくとも１つの電気的構成要素（２０、２２、２４）がバッテリ（１００）に接続される時点（３４）に始まるプリチャージ段階（３２）の間に、および、電気的構成要素（２０、２２、２４）がプリチャージ電流により事前充電されるプリチャージ段階（３２）の間に、電流センサにより伝達される少なくとも１つの測定値が、プリチャージ電流の予期される時間的推移から定められた予想電流値と比較される。」と記載されている。

図２に、直流電流と交流電流の両方を同時に測定できる電流センサの構成を示す。電流センサ９００は、コア９１０、磁気センサ９２０、本体９３０を備える。コア９１０は、磁性体（鉄など）で形成され、一部にギャップを有する環状である。磁気センサ９２０はコア９１０のギャップに設置され、コア９１０内の磁束を測定することでコア９１０に囲まれた面９１１を貫通する電流を測定する。磁気センサ９２０としては、ホール素子が一般的に用いられている。本体９３０は、測定結果を表示、出力する。

特表２０１３−５４２４１８号公報

しかしながら、特許文献１の検査方法は、小さな電流を測定するための電流センサを対象としており、大電流用の電流センサの検査方法ではない。公知文献は見つからなかったが、１００Ａ以上の直流電流と交流電流とを同時に測定する電流センサを検査する方法としては、直流電流だけを流して直流電流に対する特性を検査し、交流電流だけを流して交流電流に対する特性を検査する方法が考えられる。しかし、１００Ａ以上の直流電流に交流電流を重畳させた電流で、電流センサを検査することは以下に示す理由から困難である。

図３に、トランスを用いて直流電流と交流電流を重畳する回路構成を示す。図３の回路構成は、直流電源装置２１０、交流電源装置２２０、トランス２３０、電線２００を有し、電流センサ９００は電線２００に流れる電流を測定する。直流電源装置２１０は直流電源２１１と抵抗２１２を有し、交流電源装置２２０は交流電源２２１と抵抗２２２を有する。トランス２３０によって、交流電源装置２２０側に流れる交流成分は直流電源装置２１０側に重畳されるので、電線２００には、直流電流と交流電流とが重畳した電流が流れる。

しかし、トランス２３０のコアが１００Ａの直流電流で磁気飽和してしまうと、交流電流は理論通りには重畳できないので、実際に電線２００に流れる交流電流は、交流電源装置２２０の電流値から理論的に求められる値より小さくなってしまい、電流センサ９００の検査ができない。したがって、トランス２３０のコアには、磁束飽和密度が高い材料が望ましい。ところが、飽和磁束密度が高い電磁鋼板は１００Ｈｚ以上の周波数で渦電流損が大きくなるという問題がある。また、渦電流損の問題が生じにくいコアとしては、フェライトコアやアモルファスコアがある。しかし、フェライトコアは飽和磁束密度が低く、直流印加には不向きである。また、アモルファスコアは外部応力により飽和磁束密度が低くなるので、応力に注意した構造にする必要があり、非常に大型で高価となる。また、アモルファスコアの場合は、５ｋＨｚ以上になると渦電流損が大きくなるという問題が生じる。さらには、１００Ａの直流電流を流すためには太い電線（少なくとも直径５ｍｍ以上）を使う必要があるが、この電線を巻くためには、一層大きなコアにせざるを得ない。したがって、現実的な実現方法がない。

図４に、コンデンサを用いて直流電流と交流電流を重畳する回路構成を示す。図４の回路構成は、直流電源２１１、交流電源２２１、抵抗２４２、コンデンサ２４０、電線２００を有する。コンデンサ２４０によって直流電流と交流電流とが重畳されるので、電線２００には重畳された電流が流れる。

この回路構成の場合、コンデンサ２４０の容量は抵抗２４２と交流電流の電流値で決まる。抵抗２４２には１００Ａの直流電流が流れることを考えると、消費電力を小さくするために抵抗値Ｒを小さくしたい。例えば、抵抗２４２の抵抗値Ｒを０．０１Ωとすると、１００Ａでの消費電力は、１００Ｗ（＝１００^２×０．０１）となる。このときに１ｋＨｚを印加し、コンデンサ２４０と抵抗２４２で形成されるフィルタのカットオフ周波数ｆ_ｃを十分小さくするために１０Ｈｚで設定すると、次式の計算からコンデンサ２４０の容量Ｃは１．６Ｆとなる。したがって、非常に大きなコンデンサが必要になる。

さらに、交流電流の位相を０．１度以下で測定したい場合は、コンデンサ２４０の容量変化などを考慮して、さらに大きい容量にする必要がある。よって、１００Ａの直流電流と１０Ａの交流電流を重畳して測定するためには検査装置が非常に大きくなってしまい、現実的でない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、１００Ａ以上の直流電流に交流電流が重畳している状態で電流センサが正常に動作することを確認するための、簡易な電流センサ検査システムを提供することを目的とする。

電流センサは、磁性体で形成された一部にギャップを有する環状のコアと、ギャップに設置した磁気センサを有し、コア内の磁束を磁気センサで測定することでコアに囲まれた面を貫通する電流を測定する。

本発明の電流センサ検査システムは、その電流センサを検査する。本発明の電流センサ検査システムは、第１電線、第２電線、直流電源装置、交流電源装置を備える。第１電線と第２電線とは、互いに絶縁されており、どちらもコアに囲まれた面を貫通させる。直流電源装置は、１００Ａ以上の直流電流を供給でき、直流電流の電流値を出力できる。交流電源装置は、交流電流の電流値を出力できる。第１電線には、直流電源装置のみが接続される。第２電線には、交流電源装置のみが接続される。

本発明の電流センサ検査方法は、配置ステップ、第１接続ステップ、第２接続ステップ、検査ステップを実行する。配置ステップは、互いに絶縁された第１電線と第２電線とを、コアに囲まれた面を貫通するように配置する。第１接続ステップは、１００Ａ以上の直流電流を供給でき、直流電流の電流値を出力できる直流電源装置を第１電線に接続する。第２接続ステップは、交流電流の電流値を出力できる交流電源装置を第２電線に接続する。検査ステップは、直流電源装置と交流電源装置から同時に電流を流し、直流電源装置が出力する直流電流の電流値を電流センサが出力する直流電流の電流値と比較し、交流電源装置が出力する交流電流の電流値を電流センサが出力する交流電流の電流値と比較する。

なお、例えば、２つの導体層を有する同軸ケーブルの、内側の導体層を第１電線、外側の導体層を第２電線としてもよい。この場合は、直流電源装置の電流値を１００Ａ以上に限定しなくてもよい。

直流電源装置は、電流に含まれる交流成分の電流値も出力できてもよい。この場合は、検査ステップでは、前記交流電源装置が出力する交流電流の電流値と前記直流電源装置が出力する交流成分の電流値の合計と、前記電流センサが出力する交流電流の電流値とを比較すればよい。

また、コアはバスバー用であり、第１電線と第２電線とは、絶縁体を介してバスバーと同じ形状に一体化されていてもよい。

本発明の電流センサ検査システムによれば、コアに囲まれた面を貫通する電流を測定するという電流センサの特徴に着目し、１つの電線に直流電流と交流電流とを重畳してしまうのではなく、絶縁された２つの電線に直流電流と交流電流をそれぞれ流す。したがって、本発明の電流センサ検査システムは、重畳させるための構成が不要なので簡易な構成であり、コアを貫通させる電流を正確に把握にできる。そして、電流センサでは、コアに囲まれた面を貫通する電流であれば、１つの電線に流れる電流か２つの電線に流れる電流かに関わらず合成された電流が測定されるので、直流電流と交流電流の両方が重畳しているときの動作を検査できる。

特許文献１の図１に示された図。 直流電流と交流電流の両方を同時に測定できる電流センサの構成を示す図。 トランスを用いて直流電流と交流電流を重畳する回路構成を示す図。 コンデンサを用いて直流電流と交流電流を重畳する回路構成を示す図。 本発明の電流センサ検査システム３００の構成例を示す図。 、第１電線２０１と第２電線２０２がコア９１０に挿入された様子を示す図。 バスバーに流れる電流を検査するためのコア９１０と第１電線２０１、第２電線２０２の様子を示す図。 ２つの導体層を有する同軸ケーブル２６０の内側の導体層を第１電線２０１、外側の導体層を第２電線２０２とした場合の様子を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

本発明の検査対象の電流センサ９００は、図２に示した電流センサと同じである。電流センサ９００は、コア９１０、磁気センサ９２０、本体９３０を備える。コア９１０は、磁性体（鉄など）で形成され、一部にギャップを有する環状である。磁気センサ９２０は、コア９１０のギャップに設置され、コア９１０内の磁束を測定することでコア９１０に囲まれた面９１１を貫通する電流を測定する。磁気センサ９２０としては、ホール素子が一般的に用いられている。本体９３０は、測定結果を表示、出力する。

図５に本発明の電流センサ検査システム３００の構成例を示す。電流センサ検査システム３００は、電流センサ９００を検査するためのシステムである。電流センサ検査システム３００は、第１電線２０１、第２電線２０２、直流電源装置２１０、交流電源装置２２０を備える。直流電源装置２１０は、１００Ａ以上の直流電流を供給できる直流電源２１１と抵抗２１２を備え、直流電流の電流値を出力できる。交流電源装置２２０は、交流電源２２１と抵抗２２２を備え、交流電流の電流値を出力できる。第１電線２０１と第２電線２０２とは、互いに絶縁されている。

検査は以下の手順で行えばよい。第１電線２０１と第２電線２０２とを、コア９１０に囲まれた面９１１を貫通するように配置する（配置ステップ）。図６に、第１電線２０１と第２電線２０２がコア９１０に挿入された様子を示す。なお、図６では、電線２５６，２５７の断面を示すために、電線２５６，２５７を途中で切断したときの様子を示している。図６に示すように、絶縁層２５１を有する電線２５６の導体部分を第１電線２０１とし、絶縁層２５２を有する電線２５７の導体部分を第２電線２０２とすればよい。直流電源装置２１０を第１電線２０１に接続する（第１接続ステップ）。交流電源装置２２０を第２電線２０２に接続する（第２接続ステップ）。直流電源装置２１０と交流電源装置２２０から同時に電流を流す。そして、直流電源装置２１０が出力する直流電流の電流値を電流センサ９００が出力する直流電流の電流値と比較し、交流電源装置２２０が出力する交流電流の電流値を電流センサ９００が出力する交流電流の電流値と比較する（検査ステップ）。

電流センサ検査システム３００によれば、コア９１０に囲まれた面９１１を貫通する電流を測定するという電流センサ９００の特徴に着目し、１つの電線に直流電流と交流電流とを重畳してしまうのではなく、絶縁された２つの電線に直流電流と交流電流をそれぞれ流す。したがって、電流センサ検査システム３００は、重畳させるための構成が不要なので簡易な構成であり、コア９１０を貫通させる電流を正確に把握にできる。そして、電流センサ９００では、コア９１０に囲まれた面９１１を貫通する電流であれば、１つの電線に流れる電流か２つの電線に流れる電流かに関わらず合成された電流が測定されるので、直流電流と交流電流の両方が重畳しているときの動作を検査できる。

［変形例１］
第１電線２０１と第２電線２０２とは、並んだ状態でコア９１０に囲まれた面９１１を貫通するので、第１電線２０１は相互誘導によって第２電線２０２に流れる交流電流の影響を受け、交流成分の電流が流れる可能性がある。第１電線２０１に含まれる交流成分が、検査の精度に影響を与えるほど大きい場合には、直流電源装置２１０に、交流成分の電流値も出力する機能を備えさせればよい。

その上で、検査ステップにおいては、交流電源装置２２０が出力する交流電流の電流値と直流電源装置２１０が出力する交流成分の電流値の合計と、電流センサ９００が出力する交流電流の電流値とを比較すればよい。このように検査すれば、第１電線２０１と第２電線２０２の相互誘導も考慮できるので、より正確な検査にできる。

［変形例２］
図７に、バスバーに流れる電流を検査するためのコア９１０と第１電線２０１、第２電線２０２の様子を示す。図７に示したコア９１０は、バスバーに合わせた形状である。本願中の“環状”は、このような矩形状も含む意味である。この例では、第１電線２０１も第２電線２０２も断面が四角であり、絶縁体２７１，２７６を介してバスバーと同じ形状２７０，２７５に一体化されている。図７（Ａ）は第１電線２０１と第２電線２０２とを上下に配置した例であり、図７（Ｂ）は第１電線２０１と第２電線２０２とを左右に配置した例である。このような形状でも、実施例１と同様の効果が得られる。
また、変形例１のように直流電源装置２１０に、交流成分の電流値も出力する機能を備えさせてもよい。その場合は、変形例１の効果も得られる。

［変形例３］
図８に、２つの導体層を有する同軸ケーブル２６０の内側の導体層を第１電線２０１、外側の導体層を第２電線２０２とした場合の様子を示す。なお、図８では、同軸ケーブル２６０の断面を示すために、同軸ケーブル２６０を途中で切断したときの様子を示している。同軸ケーブル２６０の内側の導体層が第１電線２０１であり、その外側に絶縁層２６１があり、外側の導体層が第２電線２０２であり、さらにその外側に絶縁層２６２がある。なお、絶縁層２６２はなくても構わない。

このように第１電線２０１を第２電線２０２の内側に配置すると、第２電線２０２に流れる交流電流によって発生する磁界は第１電線２０１の位置では打ち消しあうので、第１電線２０１が第２電線２０２に流れる交流電流の影響を受けにくくなる。したがって、変形例１のような直流電源装置２１０に交流成分の電流値を出力する機能を備えさせなくても、相互誘導の影響を抑えた検査ができる。

通常の同軸ケーブルは外側の導体はアースであり、内側の導体に高周波の信号を通す。しかし、変形例３の電流センサ検査システム３００では、内側に直流電流を、外側に交流電流を流すことで、簡易な構成で正確な検査を実現できる。なお、同軸ケーブル２６０は１００Ａ以上の直流電流を流すケーブルなので、通信や放送用の同軸ケーブルとは異なり、電流値に適応する材質と太さであることは言うまでもない。

さらに、本発明のもともとの目的は「１００Ａ以上の直流電流に交流電流が重畳している状態で電流センサが正常に動作することを確認するための、簡易な電流センサ検査システムを提供すること」であったが、変形例３の電流センサ検査システムについては、１００Ａ以上のような大きい直流電流を流す場合以外にも効果がある。すなわち、小さい直流電流と交流電流とを別の電線に同時に流すことで、直流電流と交流電流が重畳した状態での電流センサの動作を確認することも容易になる。なぜなら、電磁誘導によって第１電線２０１が受ける交流電流の影響は、直流電流が小さい方が相対的に大きくなるが、変形例３の構成であれば、第１電線２０１は交流電流の影響を受けにくいからである。よって、変形例３の場合は、直流電流の電流値を１００Ａ以上に限定しなくても、より簡易な構成でより正確に電流センサを検査できるといえる。

２００，２０１，２０２ 電線 ２１０ 直流電源装置
２１１ 直流電源 ２１２，２２２，２４２ 抵抗
２２０ 交流電源装置 ２２１ 交流電源
２３０ トランス ２４０ コンデンサ
２５１、２５２，２６１，２６２ 絶縁層 ２５６，２５７ 電線
２６０ 同軸ケーブル ２７０，２７５ 形状
２７１，２７６ 絶縁体 ３００ 電流センサ検査システム
９００ 電流センサ ９１０ コア
９１１ 面 ９２０ 磁気センサ
９３０ 本体

Claims (9)

1. 磁性体で形成された一部にギャップを有する環状のコアと、前記ギャップに設置した磁気センサを有し、前記コア内の磁束を前記磁気センサで測定することで前記コアに囲まれた面を貫通する電流を測定する電流センサを、検査するための電流センサ検査システムであって、
   前記コアに囲まれた面を貫通させるための第１電線と第２電線と、
   １００Ａ以上の直流電流を供給でき、直流電流の電流値を出力できる直流電源装置と、
   交流電流の電流値を出力できる交流電源装置と、
   を備え、
   前記第１電線と前記第２電線とは互いに絶縁されており、
   前記第１電線には、前記直流電源装置のみが接続され、
   前記第２電線には、前記交流電源装置のみが接続される
   ことを特徴とする電流センサ検査システム。
2. 請求項１記載の電流センサ検査システムであって、
   ２つの導体層を有する同軸ケーブルの、内側の導体層を前記第１電線、外側の導体層を前記第２電線とする
   ことを特徴とする電流センサ検査システム。
3. 請求項１記載の電流センサ検査システムであって、
   前記直流電源装置は、電流に含まれる交流成分の電流値も出力できる
   ことを特徴とする電流センサ検査システム。
4. 請求項１または３記載の電流センサ検査システムであって、
   前記コアはバスバー用であり、
   前記第１電線と前記第２電線とは、絶縁体を介して前記バスバーと同じ形状に一体化されている
   ことを特徴とする電流センサ検査システム。
5. 磁性体で形成された一部にギャップを有する環状のコアと、前記ギャップに設置した磁気センサを有し、前記コア内の磁束を前記磁気センサで測定することで前記コアに囲まれた面を貫通する電流を測定する電流センサを、検査するための電流センサ検査システムであって、
   前記コアに囲まれた面を貫通させるための２つの導体層を有する同軸ケーブルと、
   直流電流の電流値を出力できる直流電源装置と、
   交流電流の電流値を出力できる交流電源装置と、
   を備え、
   前記同軸ケーブルの内側の導体層には、前記直流電源装置のみが接続され、
   前記同軸ケーブルの外側の導体層には、前記交流電源装置のみが接続される
   ことを特徴とする電流センサ検査システム。
6. 磁性体で形成された一部にギャップを有する環状のコアと、前記ギャップに設置した磁気センサを有し、前記コア内の磁束を前記磁気センサで測定することで前記コアに囲まれた面を貫通する電流を測定する電流センサを、検査するための電流センサ検査方法であって、
   互いに絶縁された第１電線と第２電線とを、前記コアに囲まれた面を貫通するように配置する配置ステップと、
   １００Ａ以上の直流電流を供給でき、直流電流の電流値を出力できる直流電源装置を前記第１電線に接続する第１接続ステップと、
   交流電流の電流値を出力できる交流電源装置を前記第２電線に接続する第２接続ステップと、
   前記直流電源装置と前記交流電源装置から同時に電流を流し、前記直流電源装置が出力する直流電流の電流値を前記電流センサが出力する直流電流の電流値と比較し、前記交流電源装置が出力する交流電流の電流値を前記電流センサが出力する交流電流の電流値と比較する検査ステップと
   を実行する電流センサ検査方法。
7. 請求項６記載の電流センサ検査方法であって、
   ２つの導体層を有する同軸ケーブルの、内側の導体層を前記第１電線、外側の導体層を前記第２電線とする
   ことを特徴とする電流センサ検査方法。
8. 請求項６記載の電流センサ検査方法であって、
   前記直流電源装置は、電流に含まれる交流成分の電流値も出力でき、
   前記検査ステップでは、前記交流電源装置が出力する交流電流の電流値と前記直流電源装置が出力する交流成分の電流値の合計と、前記電流センサが出力する交流電流の電流値とを比較する
   ことを特徴とする電流センサ検査方法。
9. 磁性体で形成された一部にギャップを有する環状のコアと、前記ギャップに設置した磁気センサを有し、前記コア内の磁束を前記磁気センサで測定することで前記コアに囲まれた面を貫通する電流を測定する電流センサを、検査するための電流センサ検査方法であって、
   ２つの導体層を有する同軸ケーブルを、前記コアに囲まれた面を貫通するように配置する配置ステップと、
   直流電流の電流値を出力できる直流電源装置を、前記同軸ケーブルの内側の導体層に接続する第１接続ステップと、
   交流電流の電流値を出力できる交流電源装置を、前記同軸ケーブルの外側の導体層に接続する第２接続ステップと、
   前記直流電源装置と前記交流電源装置から同時に電流を流し、前記直流電源装置が出力する直流電流の電流値を前記電流センサが出力する直流電流の電流値と比較し、前記交流電源装置が出力する交流電流の電流値を前記電流センサが出力する交流電流の電流値と比較する検査ステップと
   を実行する電流センサ検査方法。
   

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