JPH0464068A - 直流電流検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、過電流検出器、各種電流検出器などに用いら
れ、鉄心の磁気現象を利用して、主回路とは電気的に非
接触で直流の小電流を検出する方法に関する。

〔従来の技術〕

直流電流を主回路とは電気的に非接触で検出するには、
直流変流器と、鉄心にギャップを設けてこのギャップに
ホール素子を挿入する装置が用いられている。

第２０図は直流変流器の回路を要部構成とともに示した
模式図である。第２０図において、検出する直流電流Ｉ
が流れる導体３を閉磁路の鉄心１ａ、　ｌｂの中心孔に
通し、鉄心１ａ、　ｌｂに巻回した励磁コイル２ａと２
ｂを逆向きにして交流電源５に接続している。鉄心１ａ
、　ｌｂは磁気特性が角形で保磁力の小さい材料を用い
る。導体３の被検出電流ＩがＯのとき、交流電流ｉは鉄
心１ａ、　ｌｂの励磁電流分のみが流れるが、導体３に
直流電流■が流れると、鉄心ｌａ、　ｌｂの磁束密度範
囲が変わり交流電流ｉが増すので、その変化を交流電流
計４で読み取ることにより、直流電流すなわち被検出電
流■を求めることができる。なお６は主回路のｔ源、７
は同じく負荷を表わす。

第２１図は鉄心とホール素子を用いる装置の構成を示す
模式図であり、第２１図において、鉄心８のギヤ、ブに
挿入したホール素子９は、直流を流１０により直流電圧
が印加されており、鉄心８の中心孔を通る導体３に被検
出電流■が流れると、鉄心８が磁化され、このとき生ず
る磁束によりホール素子９に電圧が生し、この電圧を直
流電圧計１１で測定し、被検出電流■を求めることがで
きる。

〔発明が解決しようとする課題〕

近年、機器の予防保全が重要視され、直流用の過電流遮
断器、リレーが必要になっており、そのためには高精度
の直流電流検出方法が望まれる。

しかし、直流変流器は鉄心を２個用いねばならず、検出
部の寸法が太き（なること、被検出電流が０でも鉄心の
励磁電流が流れるため誤差を生じやすいなどの問題があ
る。鉄心のギヤツブ部にホール素子を取り付ける装置は
、周囲温度の影響が大きく、誤差を生ずること、ホール
素子部が構造的に弱く壊れやすいなどの問題がある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的は、装置を大型化することなく、高精度に直流電流を
検出することが可能な電流検出方法を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するために、本発明の方法は、磁気ヒ
ステリシス曲線が角形を示し保磁力の小さい材料からな
る鉄心の磁気回路の一部にギャップを形成し、この鉄心
に巻回した励磁コイルに鉄心の 部上リアクタンスに比べて大きい抵抗を直列に接続し、
鉄心を交流の両波または半波の一定電流でｌＩＩ磁して
おき、鉄心の内側空間部の中心に被検出電流が流れる導
体を通し、この導体に流れる電流の磁界によって鉄心の
磁束密度範囲を変化させ、励磁コイルとは別に鉄心に巻
回した検出コイルの誘起電圧の変化、または励磁コイル
両端の電圧変化から、導体に流れる直流電流を主回路と
は電気的に非接触で検出するものである。

〔作用〕

上記のように本発明の方法は、高透磁率で保磁力が小さ
く、磁気ヒステリシス曲線が角形を示す材料からなる鉄
心の一部にギャップを形成し、磁化特性を直線状にして
、同一波形の一定電流の交流磁界で励磁しているので、
鉄心の内側空間部を通した導体に流れる被検出電流で生
ずる磁界により、鉄心の磁界範囲が移動することを利用
して磁束密度範囲を変化させ、この変化に基づく誘起電
圧変化分から被検出電流を求めることが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明の方法を実施例に基づき説明する。

はじめに、本発明の方法における第１の方法について説
明する。第１図は、この方法が適用される装置の要部構
成の一例を示した模式図である。

第１図において、鉄心１２ａ、１２ｂは磁気ヒステリシ
ス曲線が角形で保磁力の小さい材料からなり、例えば円
筒状に形成された一体のものを分割して磁気回路にギヤ
ツブを形成したものである。この鉄心１２ａ、　１２ｂ
の内側空間部の中心を通って、導体１５が被検出装置の
電源と負荷に接続されているが、それらの図示は省略し
である。鉄心１２ａはその肉厚部に交流励磁コイル１３
を、鉄心部のりアクタンスに比べて大きい制御抵抗１６
を介して交流励磁電源１７に接続し、さらに鉄心１２ｂ
には検出コイル１４を巻回して、積分器１８．正負振幅
変換器１９．　ｉｌ！真器２０の順に接続し、減夏器２
０の一方の端子には直流基準電源２１を接続している。

次に第２図、第３図は鉄心１２ａ、１２ｂの磁気ヒステ
リシス曲線、第４図、第５図は磁束の波形図、第６図、
第７図は被検出電流と出力の関係線図を示したものであ
る。

以下、本発明の方法における作動について、第１図〜第
７図を参照して説明する。鉄心１２ａ、１２ｂは、分割
する前は第２図の実線（イ）の特性を有するが、分割し
た後はギヤ、プ部の磁気抵抗により、点線−）のような
直線状の特性になる。この点線−）の傾斜は、ギヤツブ
の大きさを変えることにより任意に設定することができ
る。鉄心１２ａ、　１２ｂは、第１図の交流励磁電源１
７と制御抵抗１６．交流励磁コイル１３により励磁する
。ここでは、交流励磁電−ａ１７は商用を源（正弦波５
０．６０Ｈｚ）の場合について述べる。

鉄心１２ａ、１２ｂの交流印加電圧、磁束密度、励磁電
流、誘起電圧の関係は（１１，（２］式で表わされる。

Ｂ Ｅａ　　”　ｉ　Ｂ＋　　”　ｌ　Ｒｚ　　＋　Ｎａ　
　Ａｃ　　　　　　□−−−−−　（１１ｔ Ｂ Ｅｓ　　”Ｎｓ　　Ａｃ　　　　　　□−−−・−−−
−一−・−Ｉ２）ｔ 但し、Ｅ、：交流印加電圧 ｉ：交流励磁電流 Ｒ１：直列に接続した制御抵抗１６の値Ｒ１：交流励磁
コイルエ３の抵抗の値 Ｎ、：交流ｌＩＩ磁コイル１３の巻数 Ａ、：鉄心１２ａ、１２ｂの磁路断面積Ｂ：鉄心１２ａ
、１２ｂの磁束密度 ｔ：待時 間、：検出コイル１４の誘起電圧 Ｎｓ　：検出コイル１４の巻数 ここで（３）式のように設定すると、Ｅ、が一定であれ
ば、導体１５の電流による磁界が加わっても励磁電流ｉ
は変化しない０本発明はこの条件に設定する。

Ｂ ｉ　　Ｒ１＋　ｌ　Ｒ１＞＞Ｎｇ　　Ａ（−−・（３）
ｔ なお、 検出電流 ＨＩ Ｈｒ 但し、 交流励磁電流ｉと磁界の関係は（４）式１被Ｉと磁界の
関係は（５）式で表わされる。

＝（ＮＡＸｉ）／Ｌ　　・〜　　　（４）−（ＮＩ　Ｘ
　Ｉ）　／Ｌ　　　　　　（５１ＨＬ　：交流励磁電流
ｌによる磁界 Ｌ　：鉄心１２ａ、１２ｂの磁路長さ ＨＩ　：被検出電流Ｉによる磁界 Ｎ、：導体１５の鉄心１２ａ、１２ｂ　ヘの巻数（通常
は１回） 第３図は説明を簡易にするため、鉄心１２ａ、１２ｂの
磁気ヒステリシス曲線を近位した特性を模式的に表わし
た図である。鉄心１２ａ、１２ｂは被検出電流■が０の
場合は、交流で第３図のＨｒ（Ｂ＋）とＨＩ（Ｂｚ）の
範囲で励磁され、磁束変化量はＢ＋＋になる。その波形
は第４図のように変化し、検出コイル１４には（２）式
による電圧が誘起する。

次に導体１５に直流電流■が流れると（５）式による直
流磁界十Ｈ１が加わり、鉄心１２ａ、　１２ｂの磁界は
Ｈｒ　とＨｌの和になって、第３図のＨ３（Ｂ　Ｉ）。

Ｈ＃（Ｂ−の範囲に移動し、磁束変化量はＢ＋４になり
小さくなる。磁束波形は第５図のようになり、検出コイ
ル１４の誘起電圧は小さくなる。被検出電流■がさらに
増すと磁束の変化範囲が低減し、検出コイル１４の誘起
電圧も小さくなる。検出コイル１４の誘起電圧を積分器
１８を通して磁束波形に戻し、正負振幅変換器１９で第
３図のＢ　ＩＩ　＋　８１４の値に比例した直流電圧に
変換すれば被検出電流Ｉを求めることができる、ここで
は被検出電流Ｉが正の場合について述べたが、負の場合
についても同様である。正負振幅変換器１９の出力電圧
は被検出電流Ｉが増すと小さくなって、第６図のように
なる。

出力電圧と被検出電流■の０点を合わせるには、正負振
幅変換器１９の出力と直流基準電源２１の電圧を減算器
２０に入れ、被検出電流ＩがＯの点で減算器２０の出力
が０になるように設定しておけばよい。

この場合の被検出電流Ｉと出力電圧の関係は第７図によ
うになる。

次に本発明における第２の方法について説明する。第２
の方法は第１の方法における検出部の構成を簡易にして
、さらに小型化するものであり、その装置の要部構成を
第８図に示し、第１図と共通部分を同一符号で表わしで
ある。第８図の装置が第１図の装置と異なる点は第１図
の検出コイル１４を省略しであることである。第８図に
おいて、交流励磁電源１７は商用電源を用いており、交
流励磁コイル１３の両端の電圧は、（１）式の第２項と
第３項の和になるが、（６）式の条件、即ち（１）式の
第２項ｉ　Ｒ！　　＜　＜　Ｎ＠　　Ａｃ　　　　　　
”−一・・・−−−−一−・−（６）ｔ の値を第３項の値に比べて非常に小さく設定すれば、第
２項のｉＲｌは無視することができ、第１の方法におけ
る検出コイル１４の誘起電圧と同等と見なすことができ
る。したがって、交流励磁コイル１３の両端の電圧の被
検出電流■による変化は、第１の方法における検出コイ
ル１４の電圧変化と同じであり、その値は第１の方法の
Ｎ　Ａ　／　Ｎ　ｓ倍になるので、直流電流の検出を行
なうことができる。

出力側の回路は第９図のように、検出コイル１４を用い
て両波整流器２２．平滑器２３を接続し、誘起電圧の平
均値を直流に変換する方法でも可能であり、第８図のよ
うに検出コイル１４を用いない場合も、積分器１８．正
負振幅変換器１９を両波整流器２２゜平滑器２３に置き
換えることができる。また、交流励磁電源１７の波形は
正弦波でなく、方形波など他の波形であってもよい。

次に本発明における第３の方法について説明する。第１
０図は第３の方法が適用される装置の要部構成を示した
模式図であり、第１図、第８図と共通部分に同一符号を
用いである。第１０図は交流励磁コイル１３．制ｍ抵抗
１６と直列に半波整流器２４を接続したことのほかは第
１図と全く同様である。

第１０図の装置で鉄心１２ａ、　１２ｂを励磁したとき
の磁気ヒステリシス曲線を表わす模式図を第１１図に示
す、鉄心１２ａ、　１２ｂの励磁は前述の第１図の装置
の場合と同様（３）式の条件で行なう、被検出電流Ｉが
０のときは、交流で第１１図のＨＳ（Ｂ　Ｉ）と、Ｈ，
Ｂが０の点との範囲で励磁し、磁束変化量はＢ、。であ
る、ここに被検出電流＋■１が流れると、磁界Ｈ１１が
加わりＨＡ（Ｂｌ）と、Ｈ？（Ｂ　ｔ）の範囲となり、
磁束変化量は小さくＢ＋ｔである。被検出電流−■□が
流れると、Ｈｓ（Ｂ＋）と、Ｈ，（Ｂｌ）の範囲となり
、磁束変化量が太きく８１．になる、導体１５の被検出
電流■と正負振幅変換器１９．減算器２０の出力の関係
は第１２図、第１３図のようになり、直流電流を検出す
ることができる。

第３の方法も（６）式の条件に設定することにより、第
１４図に装置の模式図で示した如く検出コイル１４を省
き、交流励磁コイル１３の両端の電圧から電流を検出す
ることが可能である。

これまでの説明で鉄心１２ａ、　１２ｂの形状は、円筒
状に形成された一体の鉄心を分割したものについて述べ
てきたが、例えば第１５図の模式断面図に示したように
、円筒状鉄心の一部を除去してギャップを形成したもの
でもよい、しかし、これはギャップ寸法を調整するのが
難しい。また鉄心の形状は、第１６図の模式断面図に示
したように、角形の筒状体を分割したものでもよいこと
は勿論である。

以上、本発明の直流電流検出方法の通用される装置構成
と作動について、基本的な事柄を説明した０次に本発明
の方法を用いた具体的な事例を述べる。鉄心は市販のＣ
ｏ系アモルファス合金薄帯で巻鉄心を形成し、所定の熱
処理を施し樹脂を含浸した後切断した。第１７図はその
鉄心とコイル部を示す模式断面図である。これは第１７
図のように、プラスチック薄板のコイル枠２５を用いて
、励磁コイル１３ａと検出コイル１４ａを重ねて参回し
、分割して得られた鉄心１２ｃ、　１２ｄをコイル枠２
５に挿入す第 図 第 図 ２］ 第 図 第 図 第 図 凪界 第１２ 図 第１３ 図 第１５ 図 第１６図 第１８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）磁気ヒステリシス曲線が角形を示し保磁力の小さい
   材料からなる鉄心の磁気回路の一部にギャップを形成し
   、この鉄心に巻回した励磁コイルに高抵抗を直列に接続
   し正負対称の一定電流を流して交流磁界を加えておき、
   前記鉄心の内側空間部の中心に被検出電流が流れる導体
   を通し、この導体に流れる電流の磁界によって前記鉄心
   の磁束密度範囲を変化させ、前記鉄心に前記励磁コイル
   とは別に巻回した検出コイルの誘起電圧の変化から前記
   導体に流れる直流電流を検出することを特徴とする直流
   電流検出方法。 ２）磁気ヒステリシス曲線が角形を示し保磁力の小さい
   材料からなる鉄心の磁気回路の一部にギヤップを形成し
   、この鉄心に巻回した励磁コイルに高抵抗を直列に接続
   し正負対称の一定電流を流して交流磁界を加えておき、
   前記鉄心の内側空間部の中心に被検出電流が流れる導体
   を通し、この導体に流れる電流の磁界によって前記鉄心
   の磁束密度範囲を変化させ、前記励磁コイル両端の電圧
   変化から前記導体に流れる直流電流を検出することを特
   徴とする直流電流検出方法。 ３）磁気ヒステリシス曲線が角形を示し保磁力の小さい
   材料からなる鉄心の磁気回路の一部にギャップを形成し
   、この鉄心に巻回した励磁コイルに正または負のみの一
   定電流を流して半波の交流磁界を加えておき、前記鉄心
   の内側空間部の中心に被検出電流が流れる導体を通し、
   この導体に流れる電流の磁界によって前記鉄心の磁束密
   度範囲を変化させ、前記鉄心に前記励磁コイルとは別に
   巻回した検出コイルの誘起電圧の変化から前記導体に流
   れる直流電流を検出することを特徴とする直流電流検出
   方法。 ４）磁気ヒステリシス曲線が角形を示し保磁力の小さい
   材料からなる鉄心の磁気回路の一部にギャップを形成し
   、この鉄心に巻回した励磁コイルに正または負のみの一
   定電流を流して半波の交流磁界を加えておき、前記鉄心
   の内側空間部の中心に被検出電流が流れる導体を通し、
   この導体に流れる電流の磁界によって前記鉄心の磁束密
   度範囲を変化させ、前記励磁コイル両端の電圧変化から
   前記導体に流れる直流電流を検出することを特徴とする
   直流電流検出方法。