JPH011970A - 電流検出装置 - 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〕 この発明は電流の作る磁界を検出することＫよって、そ
の電流の流れる導体に接触することなく電流を検出する
装置に関する。

〔従来の技術〕

第８図はこの種の装置を過電流遮断器における電流検出
に適用した場合の検出部の構成図である。

収納空間の制約から全体はきわめて小形に形成されてい
る。樹脂製のホルダ３が検出する電流の流れる導体４を
支持している。一対からなる検出素子１と２とが導体４
に対して対称かつ直角に配置されるようホルダ３中の保
持孔５と６に挿入されて検出部７を構成する。この配置
によって導体４を流れる電流によって生ずる磁界の方向
は検出素子１と２との長手方向と一致し、互いに逆向き
となる。

検出素子１と２とは保持力が小さく最大透磁率ノ大キい
たとえばコバルト系のアモルファス合金のような強磁性
体の薄板あるいは細線を束ねた小片８．９をコアとし、
そのコア８，９に巻線１０゜１１を施したものである。

コア８．９としてのアモルファス合金の小片は断面積に
対する長さの比の比較的小さい形状とし、磁化された場
合にそれ自身の磁極の作る磁界すなわち反磁界の影響を
受けやすいものにしておく。巻線１０．１１は導線１２
．１３によって第９図に示すインピーダンスブリッジ１
４に接続される。

第９図は電流検出装置の構成図である。検出部７の検出
素子１．２と２個の抵抗Ｒ１とで破線で囲んで示したイ
ンピーダンスブリッジ１４を構成し、このインピーダン
スブリッジ８に高周波電源１５より正極性の高周波の脈
流を与えて検出素子１と２とを励磁し、検出する電流の
流れない状態で、可変抵抗Ｒ２によりインピーダンスブ
リッジ１４を平衡させておく。検出素子１と２の巻線１
０と１１は、それぞれの巻線に与えられる励磁電流によ
る磁界の向きと検出する電流による磁界のそれぞれの検
出素子内における方向とが一方の検出素子では同方向、
他方の検出素子では反対方向となるようにインピーダン
スブリッジに結線する０アモルファス合金は保持力が小
さいためヒステリシスがきわめて小さく、シたがってそ
の磁化特性は第１０図（ｊＬ）のように−本の折線によ
って近似的に示される。この場合最大透磁率も大きな値
をもつため、磁束密度Ｂは飽和値Ｂ、に達するまでは本
来Ｂ軸に一致した特性を示す。ところが前に記したよう
に反磁界の影響を受けやすい形状に作られているので磁
束密度Ｂは飽和値Ｂ８に達するまで：真空透磁率、Ｎ：
反磁界係数）で示されるよう反磁界の影響は反磁界係数
Ｎの値が大きい程大きく、それにつれて直線の勾配はゆ
るやかになる。

磁束密度Ｂは飽和値Ｂ８に達する磁界Ｈ８よりさらに犬
な磁界に対してはＢ　＝　Ｂ、で与えられる特性を示す
。実線で示した範囲が励磁電流による磁界の最大値Ｈ１
までの特性である。

検出素子１と２とに検出する磁界Ｈｉが加わると、励磁
による磁界と検出する磁界とが同方向の素子での磁化特
性は第１０図（ｂ）の実線１反対方向の素子では第１０
図（Ｃ）の実線のようになる。これら（ａ）。

（ｂ）、　（Ｃ）に対して、励磁電流Ｉとその励磁電流
のもたらすアモルファス合金中の磁束Φとの関係は第１
０図（由で示される。工１は磁界Ｈ１を与える励磁電流
である。このような磁束φと励磁電流工との間の非線形
特性により、Ｌ＝φ／工で与えられる検出素子１と２と
のインダクタンスＬは検出する磁界に対応して変化し、
下記によって示される。

ただし　　　ｋ＝φ工／Ｉ、、。

工。＝−Ｈ８ で、ｎは単位長当りの巻線の巻数である。上記より検出
素子に検出磁界±Ｈｉが加わった場合のインダクタンス
の変化ΔＬは であることが導かれる（毛利佳年雄ほか：非晶質ニ ー磁心マルチバイブレータブリッジによるマグネ１トメ
ータ０日本応用磁気学会誌、　Ｖｏｌ、　７　＊扁２゜
Ｐ　１４３〜１４６（１９８３）参照）０すなわち検出
素子１と２のインダクタンスＬは検出する磁界Ｈ１に比
例した変化を示し、一方ではΔＬ増加し、他方ではΔＬ
減少する◎したがって第９図に示すインピーダンスブリ
ッジ１４は２ΔＬに相当する不平衡電圧を出力し、その
出力は高周波電源１５より与えられる高周波が検出する
電流の作る磁界で変調された波形をもつため、これを増
幅器１６で増幅し、高周波成分を低減ｐ波器１７で除去
して、検出する電流ならびにその方向に対応した出力信
号１８を得る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

種々の大きさの電流を検出するためには検出する電流値
の範囲に応じて電流の作る磁界の検出感度を変更して対
処する。上記の検出装置における磁界の検出感度の変更
に対しては、検出素子１゜２の強磁性体小片の長さを変
えるか、あるいは検出素子１．２と導体４との距離を変
えることが一般的に行われる０強磁性体小片の長さを変
えると反磁界係数Ｎが変わり、第１０図に示す飽和値取
出素子１．２と導体４との距離ｌを変えると、検出する
電流１の作る磁界Ｈ１はＨｉ＝丁青−で示されるので、
ｌに対する磁界Ｈｉの値が変わり、検出感度が変わる。

しかしながら強磁性体の長さを変える場合は、短かくす
ると所定の巻数の巻線を施すことが困難となり、長くす
ると検出部の寸法が大きくなることもあって、採用でき
る長さの範囲が限られる。

また距離ｌも短かい方は検出素子１．２と導体との電気
的絶縁上限度があり、長い方も検出部の寸法上の制約と
外部磁界の影響を受けやすくなることからの制約とがあ
る。さらに測定電流の値に応じて強磁性体の長さや検出
素子と導体との距離をその都度変じた検出部を準備する
ことは、小形の検出部を作る上での作業性を損ない好ま
しいことではない。

この発明は上述の問題点を解決し、強磁性体小片の長さ
および検出素子と導体との間の距離を一定に保ったまま
で電流の検出範囲の変更が可能な電流検出装置を提供す
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は導体に対する検出素子の位置を固定し、これ
らの検出素子の配置された箇所の近傍の導体のその導体
に沿う周囲の少なくとも一部ならびに検出素子の前記の
導体に沿う周囲の少なくとも一部を覆う第２の強磁性体
からなる板を配置し、検出する電流の値〈応じて前記の
第２の強磁性体からなる板の前記の検出素子ならびに前
記の導体に体する配置を異ならせて、検出素子を構成す
る第１の強磁性体内部において前記の検出する電流によ
って生ずる磁束の密度が異なるようにして電流の検出感
度を変更する。

〔作　用〕 導体に対する検出素子の位置を固定し、導体の周囲の少
なくとも一部ならびに検出素子の周囲の少なくとも一部
を覆う第２の強磁性体からなる板を配置して、検出素子
ならびに導体に対する第２の強磁性体からなる板の配置
を変すると、導体を流れる電流によってその導体の周囲
に作られる磁気回路の磁気抵抗が変化する◎検出素子は
その磁気回路中にあるので、検出素子を構成する第１の
強磁性体内部の磁束密度は前記の磁気抵抗の変化に応じ
て変る。したがって検出素子を構成する第１の強磁性体
の長さや導体に対する検出素子の位置が一定であっても
、電流の検出感度を変することが可能となる。

〔実施例〕

第１図はこの発明による検出部の実施例を示した斜視図
である０樹脂製のホルダ２１に検出する電流の流れる導
体４が支持され、一対の検出素子ｌと２とが前記の導体
４にそれぞれ垂直に配置されるようにホルダ２１中の保
持孔２２と２３に挿入されている。２個の保持孔は導体
４と平行方向に配列されているので、検出素子１．２と
導体４との距離はそれぞれ等しく、かつ一定に保たれる
。

検出素子１と２とはそれぞれの巻線１０．ＩＩＫ与えら
れる励磁電流による磁界の向きと検出する電流の作る磁
界の向きとが一方の検出素子では同方向、他方の検出素
子では反対方向となるように尋線１２，１３により既に
第９図に示したインビーダ７　スフＩＪ　ツシ１４　Ｋ
接続される◇ホルダ２１の三方を硅素鋼板のような第２
の強磁性体材料からなる薄板２４で覆って検出部２ｏと
する。

この第２の強磁性体材料からなる薄板２４による検出部
の覆い方で導体４の周囲の磁気回路の磁気抵抗を変化さ
せ、これにともなう磁束分布の変化によって検出素子１
．２を通る磁束に変化を与え、導体４を流れる電流の検
出感度をさまざまに変えることが可能となる。

第２図はこの発明の実施例の検出部における第２の強磁
性体としての硅素鋼板の薄板のさまざまな配置例を示し
た断面図である。

（ａ）は薄板を設けないもの、　（ｂ）、　（Ｃ）は検
出部の三方を囲む薄板２４の配置をそれぞれ異ならせた
もの、　（ｄ）、　（ｅ）、　（ｆ）は検出部の四方を
囲む薄板２５を設けたものである。このうち（ｅ）には
さらに検出素子１．２と導体４との間の領域だその領域
の磁気抵抗を減少させるバイパス片２６．２７を設けた
もの、（ｆ）も同様なバイパス片２８．２９を検出素子
１゜２を含む磁気回路に設けたもので検出素子１．２を
通る磁束の増大をはかったものである。

第３図は第２図の検出部の導体４の周囲の磁気回路を電
気的な等価回路として示した回路図である。導体４の周
囲に検出部２００４つの辺に対応して４つの領域を仮想
し、それぞれの領域の磁気抵抗をｒｌ　、　ｒ２　、　
ｒ３とする。特に検出素子１．２を含む磁気回路を磁気
抵抗ｒ１をもつ領域と並列に考慮し、その磁気抵抗をｒ
、で示す。起磁力は導体を流れる電流１である。

上記の等価回路において検出素子１．２を通る磁束Φは で示される。まだｒ。はｒｌとｒｌを並列接続したこと
による合成抵抗値で である。

（１１式によって明らかなように検出素子を通る磁束Φ
はＫの値によって変る。すなわちＫの値の大小によって
検出感度を調節することができ、このＫの値を定めるの
は磁気回路の磁気抵抗である。

第２図の（ａ）から（ｆ）に対するＫはそれぞれ下記に
よって与えられる。

（ａ）の場合 ｒｌ　”　Ｒ１＋　ｒ２−Ｒ２１ｒ３　＝Ｒ３１ｒｌ　
−Ｒｇ　１　ｒ　ｒｏ＝ＲＡとおく。

Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は導体４の周囲のホルダ２１の樹脂の
磁気抵抗である。

０））の場合 薄板２４の各領域の磁気抵抗をＲＭとするとＲＭ＜＜Ｒ
２，ＲＭ＜＜Ｒ３なので、ｒ２　＝　ｒ３　ＷＲＭであ
る。さらにｒｌ　＝Ｒ１ｒ　”＊　＝　Ｒｊｌ　１とし
て（Ｃ）の場合 ｒｌについてはＲ１と並列にＲＭが接続されたのと等は
’３　＝Ｒ３ｒ　ｒｓ　−Ｒ８１＋　ｒＯ＝ＲＢとおく
。

（ｄ）の場合 り、 （ｅ）の場合 バイパス片２６．２７を備えた領域の磁気抵抗をＲ１１
ｌ　＃　ｒｏ＝Ｒｃとして、 （ｆ）の場合 バイパス片２８．２９を備え検出素子１，２を含ｒ２＝
ｒ３＝ＲＭ　＋　ｒｍ＝ＲＩ！１２　＜ＲＢｌ　＋　ｒ
Ｑ＝ＲＤとして次に上記それぞれの場合のＫの値の大小
関係すなわちそれぞれの場合の配置による検出感度の大
小関係を比較すると以下のようになる。

関係を用いて比較する。

したがって（３）、　＋６１式より Ｋａ＞　Ｋｃａｌ いると、 の関係が導かれるので に＆＜ξ　　　　　　　　　　　α◆ おいて したがって　Ｋｂ＞　Ｋｄ　　　　　　　　　　Ｑ９Ｑ
））　　Ｋｄとに６ 式において よって　　Ｋｄ　＜　Ｋ、　　　　　　　　　　　鰻で
ある。ところが第２図・のバイパス片２６．２７の長さ
を短かくして、この部分の磁気抵抗Ｒ４を増すとＲｃキ
ＲＢとなり Ｋｄ−Ｋｅ　　　　　　　　　　　　ａηとなる。これ
は第２図（６）においてバイパス片２６゜２７を除いた
ものが第２図（ｄ）であることからも明らかである。

（８）式と舖式、およびａＤ式と０１式とより上記の２
式に対してＲｓｌ＞　Ｒ，２を考慮すると陶＜　Ｋｆ（
２２） ■　Ｋａとに０ ＡＲＣ （’、’３ＲＭ＜＜２Ｒ２＋Ｒ３）　　　　　　　　　
　（２３）したがって　Ｋａ＜Ｋ８（２４） ｃ）ＫｂとＫｆ が得られ、これと（５）式とから である。一方（２１）式を再記して変形するととなる。

（２６）式（２７）式の分母の差りを作ると中Ｒ５１（
１−４Ｘ）　　（’、’Ｒ工＞＞ＲＭ）　　　　（２８
）す、これにともなって となる。すなわちＫｂとＫｆの大小関係は検出素子を含
む部分の磁気抵抗すなわちバイパス片２８゜２９の長さ
等によって左右される。

以上の説明における（１３）　、　（１４）　、　（１
５）　、　（１６）　、　（１７）　。

（２２）　、　（２４）　、　（２９）の各式で与えら
れる条件からＫｂ、　Ｋｆ　）　Ｋｄ≧Ｋｅ＞Ｋａ＞Ｋ
ｃ（３０）の関係が成立し、薄板２４や２５．さらにこ
れらの延長としてのバイパス片２６，２７，２８．２９
の配置によってさまざまな検出感度を与えることが可能
となる。

第４図は第２図の（ａ）、　（ｂ）、　（ｅ）、　（ｄ
）に対する検出装置の出力と導体４を流れる電流値との
関係を実測した結果を示すグラフであって、（３０式で
示される関係が立証されている。なお点線で示したのは
（３０）式から予想される第２図の（６）と（ｆ）の関
係である。

第２図の（（り、　（ｄ）、　（ｅ）、　（ｆ）のよう
に薄板２４や２５が検出素子１と２の周囲を覆う構成の
ものは、薄板２５の磁気遮蔽効果により、検出素子１．
２が外部の機器の作る磁界の影響を受けなくなるという
利点もある。また検出素子１．２の径方向の磁界は影響
を与えにくいので、第２図（ｂ）においても検出素子１
，２を薄板２４の設けられていない面の近傍に配置する
ことを避け、また前記の薄板２４の設けられていない面
の方向からきわめて大きな磁界が加わることのないよう
圧すれば、外部からの磁界に影響されにくくなる。

第２図（ｄ）の構成の検出部が外部磁界の影響を受けな
いことを示したのが第５図のグラフである。

このグラフは第２図（ｄ）の検出部に近接して導体４と
は別の導体を配置してこれに３ＯＡの交流を与えながら
導体４の電流を測定した結果である。電流の検出特性は
検出部に加わる外部磁界の影響を全く受けていないこと
が示されている。

第６図はこの発明の別の実施例であり、第２図Φ）と（
Ｃ）の薄板２４の設けられていない面の方向からの外部
磁界を遮蔽するようにしたものである。

第６図（ａ）、伽）はそれぞれ第２図（ｂ）、（ｅ）に
対応する。薄板３０は外部磁界を遮蔽する迷路を形成す
る形状にして検出部の周囲に設けられるが不連続であっ
て、この部分の磁気抵抗に大きな値を与え、第２図（ｂ
）、　（ｅ）と類似の磁束分布を得るようにしである。

この構成においては第２図に示したホルダ２１に樹脂製
のスペーサ３１を重ね、全体を薄板３０で囲むようにし
て、第２図に示す検出部が適用できることを考慮してい
るＯ 第７図はこの発明の第３の実施例、を示した断面図であ
る０この実施例においては検出部を汎用の電流検出装置
の検出部として構成してあり、既に配線されている導体
に適用できるように導体４を分割可能なホルダ３２と３
３とで挾み、両者を非磁性体の止めねじ３４で固定し、
これを一方が開放された第２の強磁性体の薄板で囲むよ
うにしである。第７図（ａ）は第２図（ｂ）に相当する
もので、ホルダ３３の上部に非磁性体のスペーサ３６を
挿入して薄板３６で押える構成としである。第７図（ｂ
）は第２図（ｄ）に相当する例であって、ホルダ３３の
上部に（ａ）のスペーサ３６と同一寸法の薄板３５と同
一の第２の強磁性体材料の薄板３７を挿入し、ホルダ３
２．３３の周囲を第２の強磁性体の薄板が囲む構造とな
るようにしたものである。スペーサ３６．薄板３７はと
もに着脱可能で、検出感度に応じて差し換えを行なうこ
とができる。この実施例ではホルダ３２と３３とを止め
ねじ３４で固定するようにしたが、この止めねじ３４を
用いずに薄板３５で囲むことによってホルダ３２と３３
とを固定することも可能である。

〔発明の効果〕

この発明によれば電流の流れる導体とその導体近くに配
置されて前記の電流の作る磁界を検出する検出素子の周
囲の少なくとも一部を強磁性体の薄板で覆い、その薄板
の配置を変えて導体周囲の磁気回路の磁気抵抗をさまざ
まに変えるようＫしたので、導体と検出素子とを固定し
た１１で検出素子内の磁束を変えることができ、これＫ
よって検出する電流の値に応じた適切な検出感度を与え
ることが可能となる。特に導体と検出素子との相対位置
は固定したままで、検出感度の調節を検出部の外部で容
易に行えることは大きな利点である。

さらに検出素子を強磁性体の薄板が囲むので、磁気遮蔽
が施されて外部の磁界に影響されることなく電流が検出
できるので小電流も精度よく検出できる。

これらのことからきわめて広い範囲にわたる電流の検出
を容易に行うことができる０

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す斜視図、第２図は強磁
性体の薄板の諸配置を示す断面図、第３図は磁気回路の
等価回路を示す回路図、第４図は第２図に示した強磁性
体の諸配置に対する検出電流値と装置の出力電圧の関係
を示すグラフ、第５図は検出電流値と装置の出力電圧の
関係における外部磁界の影響を示すグラフ、第６図、第
７図はこの発明のそれぞれ異なる実施例を示す断面図。 第８図は従来技術における検出部の断面図、第９図は電
流検出装置の構成図、第１０図は検出素子の磁束密度と
磁界との関係および励磁電流その励磁電流のもたらす磁
束との関係をそれぞれ示すグラフである。 １．２：検出素子、３．２０．３２．３３：ホルダ、４
：導体、７，２０：検出部、８．９：コア、１０．１１
：巻線、２４．２５，３０．３５：薄板〇 第１図 傳イ本電已ｊｔｚ　（Ａ） 第５図 ３１１イ；シ・電五庁（（Ａ） 第４図 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）保磁力が小さく最大透磁率が大きく、かつ磁束密度
   と磁界との関係に有意な反磁界の影響があらわれる長さ
   をもつ第１の強磁性体からなる小片に巻線を施した検出
   素子の一対のそれぞれの前記の巻線に周期的に変化する
   励磁電流を与えてその励磁電流の尖頭値においては前記
   の第１の強磁性体からなる小片の内部の磁束が飽和を示
   す励磁を行い、その励磁による磁界の向きと検出する電
   流の作る磁界の向きとが一方の検出素子では同方向、他
   方の検出素子では反対方向となるようにこれらの検出素
   子を検出する電流の流れる導体の近傍に配置し、前記の
   検出する電流の作る磁界がもたらす前記各検出素子内部
   の磁界の差異に起因して各検出素子のインダクタンスに
   生じる差異を検出し、その検出を介して前記の電流を検
   出する装置において、導体に対する検出素子の位置を固
   定し、これら検出素子の配置された箇所の近傍の導体の
   その導体に沿う周囲の少なくとも一部ならびに前記の検
   出素子の前記の導体に沿う周囲の少なくとも一部を覆う
   第２の強磁性体からなる板を配置し、その第２の強磁性
   体からなる板の前記の検出素子ならびに前記の導体に対
   する配置を異ならせて電流の検出感度を変更することを
   特徴とする電流検出装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、第１の
   強磁性体がコバルト系アモルファス合金であることを特
   徴とする電流検出装置。 ３）特許請求の範囲第１項あるいは第２項記載の装置に
   おいて、第２の強磁性体からなる板が硅素鋼板であるこ
   とを特徴とする電流検出装置。 ４）特許請求の範囲第１項あるいは第２項記載の装置に
   おいて、第２の強磁性体からなる板が純鉄系材料の板で
   あることを特徴とする電流検出装置。