JPH01300506A - 磁気平衡式電流変成器 - 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］ 本発明は磁電変換素子を用いた磁気平衡式電流変成器に
関するものである。

［従来の技術］ 第２図は従来の磁電変換素子を用いた電流変成器の基本
的な構成を示す。この電流変成器の原理を説明する。１
次導線１を流れる１次電流Ｉ、によりコア２に磁束が生
起する。空隙３における磁束密度を磁電変換素子４、た
とえばホール素子によって測定し、コア２に巻回された
２次導線５に電源（増幅器）６から電流を供給して磁束
を消去させると、磁束が雫の磁気平衡状態において、２
次導線を流れる２次電流Ｉ２を測定することにより、等
アンペアターン法則を応用して被測定電流、即ち１次電
流Ｉ１を測定することができる。

第３図に磁束計測式電流変成器を示す。１次導線１に流
れる電流１．によってコア２に生ずる磁束を直接計測し
て電流りを測定する。すなわち、空隙３内に磁電変換素
子４を挿入し、その出力を増幅器６によって増幅し、出
力端子１４から電流または電圧として取出す。

第２図に示した磁気平衡式電流変成器は、変流比ｘｌ／
ｒ２が２次導線と１次導線の巻線比ｎ２／ｎｌに等しく
、また、ホール素子４は定常的には；ガウス付近の磁束
密度を測定するため、素子の感度の温度依存性に影響さ
れないことから、第３図に示した磁束計測式電流変成器
と比較して高精度の電流測定が可能である。

［発明が解決しようとする課題］ しかし従来の磁気平衡式電流変成器は第２図に示すよう
な狭い空隙を有するコアに２次導線を巻回するが、その
際、トロイダル状のコイルを形成するためには特別、の
巻線機を必要とし、かつ、巻回速度が低いため工業的に
量産することが困難で、コストも高い。

また、磁気平衡式ではコアに生起する磁束を消去させる
ための２次電流を供給する必要があり、磁束計測式に比
較して電源の消費電流が増す。

一般に、２次電流は変流比または巻数比に反比例する関
係から、消費電流を低減するためには２次導線の巻数を
増せばよいが、コア・コイルの寸法または形状およびト
ロイダル巻線機の構造から巻数にも限界があり、消費電
流の低減か困難である。

この問題点を解決するため、第４図および第５図に示す
ように、通常のトランスと同じように、コア２を切断し
て２Ａ、２Ｂおよび２Ｃに３分割し、２次導線を巻回し
たコイル５を装着した後に、コアの各部２Ａ、２Ｂ、２
Ｃを接着または接合する方法が考えられるが、接着また
は接合する部分の漏洩磁束が大きくなり、磁気抵抗が増
大してコアの実効透磁率が低下し、電流変成器の特性が
悪化する。またこの方法では接着または接合する部分を
密着するために、コアの端面７の精密な表面仕上を必要
としたり、コアがばらばらになるため所定の空隙をとり
にくいなどの問題かある。

別巻きコイルを使用する他の方法としては、第６図に示
すように、コア２Ａおよび２Ｂをコイル５に差し込んで
組み立てる例もある。同図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は
側面図である。ホール素子４を挿入する空隙３に対向す
る積層部８において、図（Ｂ）に示すようにコアの厚さ
が大きくなり、コイルを積層部８にも設ける場合にはコ
ア２およびコイル５の寸法・形状に制約を受ける。また
、コアは絶縁された状態で面接触しているため、渦電流
損失は減少するが漏洩磁束は多くなり、電流変成器の性
能が悪化するという問題が起こる。

従来、ホール素子等の磁電変成素子を用いた磁気平衡式
電流変成器が、非接触の電流測定器としては高精度であ
るという長所があるにもかかわらず、広く一般に使われ
るまでに至っていないのは、上記の問題点に起因して工
業的な量産に大きな支障を有し、コストが高いためであ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上述した問題点を解決するために成されたも
のであり、被測定電流の流れる１次導線を周回しかつ空
隙を有する強磁性体からなるコアと、コアの少なくとも
一部に巻回された２次導線と、空隙に挿入された磁電変
換素子と、２次導線に給電する電源とを少なくとも有す
る電流変成器において、コアが積層された強磁性体片か
らなり、かつ積層の隣接する層において強磁性体片を異
なる位置で突き合わせ接触または接合してなる磁路を形
成することを特徴とする。

まず、積層方法から説明する。

第７Ａ図は本発明における強磁性体片からなるコアの積
層方法を、第７Ｂ図は従来の積層方法を示す。

第７Ａ図に示すように、本発明においては、コアの隣接
する層におけるコア２Ａと２Ｂとの突き合わせ位置が異
なっている。一方従来法においては、第７Ｂ図に示すよ
うに、コア２Ａと２Ｂとの突き合せ位置は、コアの全層
において同一位置である。

本発明の方法は突き合わせ部分に間隙があっても、隣接
する層の強磁性体片は連続しているため、隣接する強磁
性体内に容易に迂回磁路が形成されて、コアの表面層を
除けば強磁性体から外部へ漏洩する磁束を生起しない。

従ってコアの全積層厚さに対して強磁性体片の厚さを十
分に小さくすれば磁気抵抗の増加は極めて小さく、動特
性が改良される。

一方、従来の方法では突き合わせ部分に間隙があると、
強磁性体片の端面が同じ位置にあるため、迂回磁路が空
隙部分および周囲の空間部分に形成されて漏洩する磁束
が増大する。

電流変成器の精度・周波数特性および直線性を、特に、
電流変成器の測定範囲のうちでも小電流領域で良好にす
るためには、コアの磁気抵抗を極力低減する必要があり
、従来はコアの端面に精密な表面研磨を施して密着させ
ることが不可欠であったが、本発明はその必要がない。

具体的には、本発明では強磁性体片の突き合わせ部分は
、第８図（Ａ）に示すように、単に接触させる方法およ
び第８図（Ｂ）に示すように、隙間部分に強磁性体を含
む高速６ｎ率の充填剤１１を注入して接合する方法等に
より磁路を形成する。

ナオ、積層方法は、第７Ａ図に示すように１層毎に異な
る位置で突ぎ合わせる場合の他に、第９図に示すように
、複数層を単位として、隣接する単位毎に異なる位置で
突き合わせるようにして強磁性体片の積層を容易にして
もよい。

次ニ、コイルを説明する。本発明ではボビンを使用して
別巻で量産性の優れた２次導線のコイルを作製し、その
フィルに強磁性体片を押入してコアの積層を行なってい
る。コアの形状は矩形または正方形とし、それらのかど
は丸みがあってもよい。平行な辺の幅を等しくすること
により、直線状のボビンを１個ないし２個コア上に配設
できる。すなわち第１θ図（Ａ）に上面図を、同図（Ｂ
）に背面図を示すように、空隙３の中心線１ｏに対して
対称な位置１２”Ａおよび１２Ｂにおいて強磁性体片を
突き合わせ、辺の幅Ｗａｌ　トＷａ２　、　Ｗｂｌ　ト
Ｗｂ２　ト’ｔそれぞれ等しく、または、４辺全部の幅
を等しくスレハ、ｌ対の強磁性体片をコイルに挿入して
、第１１図（八）およびＣＢ）に示すように１個のボビ
ン９（コイル５）、あるいは、同図（Ｃ）に示すように
２個のボビン９（コイル５）が配設でき、本発明が解決
しようとする問題点である容易で高速のコイル形成、お
よび巻数増加による消費電流の低減を工業的に量産が可
能な状態で解決できる。

さらに、強磁性体片を４分割し、かつ、辺の幅を等しく
すると、たとえば、第１２図に示すようにコア２Ａ、２
Ｂ、２Ｃおよび２Ｄを層毎に位置１２Ｃないし１２Ｈで
突き合せることによって、第１３図（八）〜（Ｄ）に示
すようにコイル５を１個から４個まで直列に接続して、
巻数を段階的に広範囲に変えて変流比が大幅に調整でき
る。従って動特性が改良されるのみならず、測定範囲が
異なる電流変成器を容易に製作できる。

［作　用］ 本発明によれば、強磁性体片を突き合わせた積層構造と
、ボビンの使用とにより、従来の方法と比較して工業的
に量産が可能で消費電流が少なく、広いｉｌ定範囲の計
測が出来るはかりでなく、高周波特性の良いコアと組み
合わせると、高周波特性を損なうことなく種々の電流変
成器が低コストで量産できる。

［実施例］ 本発明の電流変成器のコアに用いられる強磁性体片は高
透磁率で飽和磁束密度が大きく、残留磁束密度と保磁力
の小さい軟磁性材料として、パーマロイ板・ケイ素鋼板
等が好ましい。その板厚は渦電流損失を減らすために薄
い方が良いが、板の変形でｖｉＮ時に密着性を損なわな
いため、０．１〜０．４ｍｎ＋が良好であった。また、
コアを強磁性体の焼結体、例えばＭｎＺｎ系フェライト
材で構成してもよく、その場合積層数は最低２でもよい
。

２次導線の線径は大キ＜シて抵抗を低減し発熱量を小さ
くするが、巻き上げたコアの外径が増大すると特性が劣
るため、変流比１０００ないし２０００程度では直径０
，０５ないし０．１２＋ｎｌ１１の銅線が良好であった
。

磁電変換素子は、ＩｎＳｂ、　ＩｎＡｓ、　Ｉｎおよび
八Ｓを含む３元または４元の化合物半導体薄膜からなる
ホール素子やＧａ八八木ホール素子は良好で、特に、ホ
ール素子感磁部の少なくとも一方の側に強磁性体片が配
設されて磁気増幅作用を持つホール素子はより好ましい
。

以下に本発明の一実施例を第１図に従って説明する。第
１図（Ａ）は上面図、（Ｂ）は空隙３と対向する側から
変成器を見た背面図である。

第１図において、２Ａおよび２Ｂは１対の強磁性体片で
厚さは０゜２ｒｒ１ｍ、幅は５ｍｍのパーマロイ板を用
いた。構造は第１Ｏ図に示したように中心線１０に対し
て対称な位置１２Ａおよび１２Ｂにおいて、すなわち隣
接する層で異なる位置において、強磁性体片２Ａおよび
２Ｂを突き合わせて接触させて磁路を形成し、積層数は
１２であった。

２次導線はボビン９に巻回されてコイル５としたが、直
径０．０８ｍｍの銅線で巻数は１０００回とし、２個の
ボビン９をコア上に設けて両コイルを直列接続とした。

即ち変流比は２０００であった。

コアの空隙３には、感磁部の両側に強磁性体片を配設し
て磁気増幅作用を持つｒｎｓｂ薄膜型ホール素子を挿入
した。ボビン９の中央部に中空の隔壁１３を設けて内部
にホール素子４を固定した。

電源６にホール素子４の出力電圧を人力すると共に、電
源６によりコイル５に給電して１次導線によってコアに
生起する磁束を消失させた。

電流変成器の出力は、端子１４から電流信号として２次
電流が取り出されるが、端子１４に抵抗器を接続して電
圧信号として取り出すことも可能である。

この様な装置において、直線型ボビン９を使用すること
によって、コイルは１個当たり約１０秒で簡単な巻線機
により形成され、電源６の消費電流は１次電流１００Ａ
の場合に２次電流５０ｍＡを含めて６０ｍＡになった。

第１４図に本装置を巻数１０００回のコイル１個、すな
わち変流比１０００で構成した場合、一定の１次電流に
対する２次電流の周波数依存性、いわゆる周波数特性を
示す。第１５図は、前述の変流比２０００で構成した場
合の周波数特性を示し、この場合周波数特性が平坦化し
て、従来技術によるトロイダル巻きと同等もしくはそれ
以上に性能が向上する効果が得られた。

［発明の効果〕 以上述べたように、本発明によれば磁気平衡式電流変成
器が隣接する層で異なる位置において強磁性体片を突き
合わせた積層構造と、ボビンにコイルを巻回して強磁性
体片を挿入した構造とを有するので、高精度で非接触の
電流測定が、少ない消費電流で、かつ、広い測定範囲に
わたって可能な種々の電流変成器を低コストで製造でき
る。

本発明の電流変成器の周波数特性は特に良好で、第２図
に示されるようなトロイダル型コアを使う電流変成器と
同等もしくはそれ以上の特性を有する。

磁気平衡式電流変成器のコアは、零磁束付近が動作領域
となるため高透磁率の磁性材料、たとえば、高ニツケル
含有のパーマロイ材等を使うことが望ましいが、同材の
優れた磁気特性を発揮させるためには高温の厳密なアニ
ール処理が不可欠である。一般に、この種の電流変成器
は、コアの磁路形状を円形とし、かつ、２次導線をコア
全周に均一に巻く構造のものが優れた特性を有するが、
コア材料の特性を損なわずに量産することは困難であっ
た。

本発明によれば、角形の磁路形状として２次導線をコア
の一部に巻く構造でも、ＦＩＦ１８ｉ片を差し込むだけ
で残留応力を発生させずにコアを形成できるため、高透
磁率材がその優れた磁気特性を保持したまま使用で参た
結果、良好な特性の電流変成器が低コストで量産でき、
工業的に大きな効果を有する。また焼結体コアにおいて
も分割が可能となり、同様に良好な特性の電流変成器と
低コストで量産でき、工業的に大きな効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す図、 第２図は従来の磁気平衡式電流変成器の基本的な構成を
示す図、 第３図は１１束計測式電流変成器の基本的な構成を示す
図、 第４図および第５図は通常のトランス型のコアの構造を
示す図、 第６図は別巻ぎコイルを使用する従来のコアの構造を示
す図、 第７Ａ図および第７Ｂ図はそれぞれ本発明および従来の
コアの積層構造を示す図、 第８図、第９図および第１Ｏ図は本発明の強磁性体片を
突き合わせてコアを積層して形成する構造を示す図、 第１１図はコイルおよびボビンの配設を示す図、 第１２図は４分割の強磁性体片からなるコアを示す図、 第１３図は４分割の強磁性体片からなるコアにコイルお
よびコアを配設する例を示す図、第１４図は変流比１０
００の磁気平衡式電流変成器の２次電流の周波数依存性
を示す特性図、第１５図は本発明の実施例の周波数依存
性を示す特性図である。 １・・・１次導線、 ２・・・強磁性体コア、 ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ，２Ｄ・・・強磁性体片、３・・・空
隙、 ４・・・６１電変換素子、 ５・・・コイル、 ６・・・電源および増幅器、 ７・・・コアの端面、 ８・・・積層部、 ９・・・ボビン、 ｌＯ・・・中心線、 １１・・・高透磁率の充填剤、 １２Ａ、　１２Ｂ・・・強磁性体片の突合せ部、１３・
・・中空の隔壁、 １４・・・電流変成器の出力端子。 不尤明の爽吃イ列を小才圓 第１図 ４疋、米の扁気平頻す入電シ１吏べ軽の蔓ネ自勺Ｑ木客
べをボす図第２図 基は釆計ンｊ１１１式電シも変］＼！蓼り、基本１勺ご
千縁へを示す図第３図 通＃０トランス型〃コア／）８遣を示す図第４図 通常のトラン左型のコアｆ）市奪遣ンホす図第５図 別４．乏コイ）Ｌｉをイ丈用する佼禾のコアの１１支を
示す関節６図 ネ光朗にｈ−汁石ファｆｆＪ　　　　　わ（米のコア手
１１キ電遣精瞠１を示す図　　　　　　　を示て口笛７
Ａ図　　　　第７８図 １１尚徨旙、ｙｔ嗅？Ｊ ２Ａコア （Ａ）　　　　　　　　　　（Ｂ） ネ元日月にお・１すゐファ手賀″ノｆ牛客召ヒを示す囲
２Ｂコア 杢建ジ男に？−１するファ矛り層祷凝を示す図第９図 第１０図 才→舌日月にお・１する４分別ｆ）ブ弐５踪柱伴片ずう
Ｃるつアを示１１図第１２図 ロく ９工 畿 妓 （Ａ）（Ｂ） ５コイル ？、−Ｊ汐°ファ１ｔｒＡ乙社するイ列を小す凹第１３
図 同：；ＨＩＥ、　　ｆ　（Ｈｚ） 尤＃　１０００　ｆ）Ｑ％’ｆｊｌｔｔ　ａ’ｔ＞ｔｒ
ｘ　ｉＩ−／）２　ンＫｔ：ｔｆ）Ｍ　’／、ＩＩ　Ｒ
Ｍ　Ｋ　’トｔ＋ｌｆ？−ＨＬ［２１第１４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）被測定電流の流れる１次導線を周回しかつ空隙を有
   する強磁性体からなるコアと、該コアの少なくとも一部
   に巻回された２次導線と、前記コアの空隙に挿入された
   磁電変換素子と、前記２次導線に給電する電源とを少な
   くとも有する電流変成器において、前記コアが積層され
   た強磁性体片からなり、かつ該積層の隣接する層におい
   て強磁性体片を異なる位置で突き合わせて接触または接
   合してなる磁路を形成することを特徴とする磁気平衡式
   電流変成器。