JPH05196651A - 磁場センサを有する電流測定用の計器用変成器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定すべき電流を十分な精度でかつ線形にエ
アギャップ内の磁束密度に伝達させるようにする計器用
変成器を提供する。 【構成】 エアギャップ２を有するＣ字状の磁気コア１
からなる磁気回路が測定すべき電流ｉを流す電気導体８
によって励磁される。エアギャップ内には磁場センサ５
が配置される。磁場センサの出力信号は測定すべき電流
に比例する。磁気コアが投影軸に対して垂直な投影面に
軸投影されたとき２つの形成される輪郭の内外側輪郭６
の周囲長さが内側輪郭７の周囲長さの３倍以上であるよ
うに構成される。このような構成では、非線形な磁気コ
アの磁化特性を補償する平滑化作用が得られ、測定すべ
き電流が十分な精度でかつ線形にエアギャップ内の磁束
密度に伝達させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁場センサを有する電
流測定用の計器用変成器、更に詳細には、その磁場セン
サがほぼリング状の強磁性磁気コアの磁極面を有する第
１の極と磁極面を有する第２の極間のエアギャップ内に
配置される電流測定用の計器用変成器に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような計器用変成器は直流あるいは
交流電流を測定するのに適している。これは、例えば静
的積算電力計の入力変換器として使用される。

【０００３】直流電流を測定するために使用することの
できる冒頭に述べた種類の計器用変成器が知られている
（英国特許出願ＧＢ２２２８３３７Ａ）。

【０００４】このような計器用変成器はほぼエアギャッ
プを有する強磁性材からなるリング状の磁気コアから構
成されている。エアギャップには、磁場センサ、この場
合にはホールセンサが配置される。磁場センサを有する
磁気コアとエアギャップは全体で測定すべき電流により
電気導体を介して励磁される磁気回路を構成する。強磁
性材からなる磁気コアはエアギャップの磁場強度を増大
させる働きをする。

【０００５】例えば１アンペアの小さい電流を計器用変
成器を用いて測定しようとする場合には、磁気回路は磁
気抵抗が可能な限り小さくなければならない。これは磁
気回路の有効エアギャップが０．５ｍｍから１ｍｍであ
る場合に達成される。

【０００６】このように小さいエアギャップの場合に
は、励磁の伝達において磁気コアの強磁性材がエアギャ
ップ内の磁束密度へ及ぼす影響は重要である。これはア
ンペールの法則ｉ＝φＨsｄｓからわかる。ここで、ｉ
は測定すべき電流、Ｈsは磁路方向の磁場強度成分、そ
してｓは電流ｉの周りの閉じた磁路を示す。磁路ｓは、
計器用変成器の場合には磁場強度ＨFeの強磁性材を通る
磁路成分ｌFeと、磁場強度ＨLuのエアギャップを通る磁
路成分ｌLuとからなる。測定すべき電流ｉについては、
ｉ＝ＨFeｌFe ＋ ＨLuｌLuがなりたつ。

【０００７】磁気コアの磁気抵抗は使用材料と磁場線の
磁路の長さに関係している。強磁性材の磁化特性曲線に
よって、特別な手段を設けない場合には、測定すべき電
流と磁場センサによって検出されるエアギャップ内の磁
束密度間には非線形な関係が生じる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、磁場
センサを有する電流測定用の計器用変成器を改良して、
測定すべき電流を十分な精度でかつ線形にエアギャップ
内の磁束密度に伝達させるようにすることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、この課題を解
決するために、磁場センサを有し、その磁場センサがほ
ぼリング状の強磁性磁気コアの磁極面を有する第１の極
と磁極面を有する第２の極間のエアギャップ内に配置さ
れ、前記磁気コアが電流を導く電気導体によって励磁さ
れる電流測定用の計器用変成器において、磁気コアが投
影軸に対して垂直な投影面に軸投影されたとき２つの形
成される輪郭の内外側輪郭の周囲長さが内側輪郭の周囲
長さの３倍以上である構成を採用した。

【００１０】

【作用】このような構成では、非線形な磁化特性を補償
する平滑化作用が得られ、測定すべき電流が十分な精度
でかつ線形にエアギャップ内の磁束密度に伝達させる。

【００１１】好ましい実施例は従属請求項に記載されて
いる。

【００１２】

【実施例】以下に図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１３】図１において符号１で示すものは、第１の
磁極面３と第２の磁極面４間に一定距離ｌLuの径方向に
配置されたエアギャップ２を有するリングとして形成さ
れた磁気コアである。磁極面３と磁極面４間のエアギャ
ップ２内には磁場センサ５が配置されている。磁気コア
１は中心軸に対して垂直な平面に軸方向に投影するとほ
ぼＣ字形状を有する。そのＣ字形状は周囲長さＵaを有
する外側の輪郭６（縁取り線）と周囲長さＵiを有する
内側の輪郭７（縁取り線）によって形成される。電気導
体８は、磁気コア１が導体８によって励磁されるよう
に、磁気コア１の中央開口部を通って案内されている。

【００１４】図１において２つの磁極面３と４はエアギ
ャップに対して平行に距離ｌLuを隔ててかつ磁気コア１
の軸投影によるＣ字形状に対して垂直に配置されてい
る。外側の輪郭６と内側の輪郭７は同心円である。

【００１５】磁場センサ５の給電及び信号を取り出すた
めの電気端子は図面には図示されていない。

【００１６】磁極面３と４間に磁場センサ５を有する磁
気コア１とエアギャップ２により、電気導体８に流れる
測定すべき電流ｉによって励磁される磁気回路が構成さ
れる。磁気回路には、電気導体８からの距離が増加する
に従って強度Ｈが小さくなる不均一な磁場が作用する。

【００１７】エアギャップ２を無視して、導体８の断面
が丸いと仮定すると、Ｈ＝ｉ／２ｒπが成立する。但
し、ｒは計算される磁場強度の導体８の中心軸からの距
離である。この場合、磁気コア１の磁場の形は、電気導
体８からの距離が増加するに従って互いに距離が離れる
同心円の円形の磁場線からなる。従って最も短い磁場線
は互いに最も密接する。

【００１８】磁気コア１の磁束密度Ｂは磁場強度Ｈと磁
気コア１の材料に関係する。図２には磁化特性曲線Ｂ
（Ｈ）、即ち磁場Ｈにおける強磁性材の原理的な特性が
図示されている。磁化特性曲線Ｂ（Ｈ）の下方の領域、
すなわち磁場Ｈが低い場合には、磁場強度Ｈが大きくな
るに従って急峻さが増加する。従ってＢ（Ｈ）は下方の
領域において凹型に湾曲している。すなわち、この領域
においては透磁度は超比例的に増加する。磁化特性曲線
Ｂ（Ｈ）の上方の領域においては磁場強度Ｈが大きくな
るに従って急峻さが減少する。磁化特性曲線Ｂ（Ｈ）の
凸型の部分においては磁気コア１の磁気抵抗は磁場強度
Ｈが増加するに従って超比例的に増加する。すなわち磁
場強度Ｈが増加する場合、磁気コア１の材料に特徴的な
飽和状態が発生する。

【００１９】上記の計器用変成器では二つの周囲長さＵ
aとＵiの差が大きい。磁気コアにおいて磁場強度Ｈは電
気導体に向かって径方向に増加するので、磁気コア１の
飽和現象はまず磁場線が最も短い所に局地的に発生す
る。飽和現象によって磁気コア１の磁気抵抗は超比例的
に増加する。その結果、磁場線は、磁路が長いにもかか
わらず、電気導体８から遠く離れた飽和の少ない磁気コ
ア１の領域における磁路を通るようになる。それによっ
て磁気コア１の磁気材料は導体８から径方向外側に向か
って軽減され、磁気コア内の磁場は均質になる。この均
質化によって非線形の磁化特性曲線Ｂ（Ｈ）は補償され
て、磁気回路の磁束密度Ｂは電流ｉに従って実質的に線
形に変化するようになる。約０．５ｍｍから１ｍｍの大
きさの長さｌLuのエアギャップ２を有する磁気コア１の
場合、周囲長さＵaが周囲長さＵiの少なくとも３倍の数
値を有すると、技術的に利用可能な磁化特性曲線の平滑
化作用に必要な均質化が生じる。それぞれ許容誤差や使
用する材料に従って少なくとも５倍の値が好ましい。

【００２０】エアギャップ２内では、磁場センサ５、例
えばホールセンサによって磁束密度Ｂ、従って測定すべ
き電流ｉが検出される。平滑化作用を利用する場合、磁
気コア１の製造には安価な電気鉄板あるいはフェライト
を使用できる。

【００２１】投影面において磁気コア１のＣ字形状を形
成する両輪郭６と７は必ずしも円である必要はない。粒
子が方位性を持つ材料の配向性を考慮するためには、輪
郭６と７の少なくとも一方が例えば楕円となるように磁
気コア１を形成すると効果的である。

【００２２】磁気回路の磁場線の好ましいカーブは、磁
気コア１が図３に示すようにエアギャップ２へ向かって
変化することから得られる。磁極面３と４は、磁気コア
１の材料の中心９の外側では外側へ開いた角度α１で、
その交差軸が磁気コア１の軸に対して平行に、電気導体
８から拡がっている。角度α１は好ましくは約１２０度
である。

【００２３】図１と図３に示す磁気コア１のＣ字形状に
より磁場センサ５は外部磁場に対して良好に遮蔽され
る。外部磁場は磁気コア１によって短絡され、迂回され
る。

【００２４】図４には磁極面が重なりあった計器用変成
器が図示されている。磁気コア１は螺旋状の孔板の形
（渦巻状）を有し、中心軸に対して垂直な平面に軸投影
すると、周囲長さＵaを有する外側の輪郭６と周囲長さ
Ｕiを有する内側の輪郭７から形成されるほぼＯ字状の
形状を有する。磁気コア１の磁極面３で形成される第１
の極は磁極面４で形成される第２の極と次のように、す
なわち磁極面３と４がＯ字形状の投影面に対して少なく
ともほぼ平行に位置するように重なりあっている。この
ような構成は、磁気コア１が軸方向に比較的薄く、例え
ば磁性材料からなる層あるいは金属薄板の層で形成され
る場合に効果的である。磁極面３と４は十分な大きさで
かつ使用する磁場センサ５に適合して形成される。

【００２５】重なりあう磁極面を持つ計器用変成器の場
合も、投影面においてＯ字形を形成する磁気コア１の輪
郭６と７は必ずしも円である必要はない。方位性を持つ
材料の配向性を考慮するためには、少なくとも輪郭６と
７の一方が例えば楕円となるように磁気コア１を形成す
ると効果的である。

【００２６】図４の実施例においても、両方の極が磁気
コア１の材料の中心９の外側では交差軸が磁気コア１の
軸に対して平行になるような外側へ開いた角度で、電気
導体８から拡がっているときに好ましい磁場線のカーブ
が得られる。これが図５に示されている。

【００２７】図４の計器用変成器は、ハイブリッド技術
により安価に製造することができる。磁場センサ５と磁
気コア１は、例えばセラミック基板の支持体上に取り付
けられる。その場合、電気的な接続線は印刷あるいは接
着により形成することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁気コアが投影軸に対して垂直な投影面に軸投影された
とき２つの形成される輪郭の内外側輪郭の周囲長さが内
側輪郭の周囲長さの３倍以上である構成を採用したの
で、非線形な磁化特性を補償する平滑化作用が得られ、
測定すべき電流が十分な精度でかつ線形にエアギャップ
内の磁束密度に伝達される。

【図面の簡単な説明】

【図１】計器用変成器の原理を示す斜視図である。

【図２】強磁性材の原理的な磁化特性曲線を示す線図で
ある。

【図３】図１に基づく計器用変成器の実施例を示す構成
図である。

【図４】部分的に重なりあう磁極面を有する計器用変成
器の実施例を示す斜視図である。

【図５】図４に基づく計器用変成器の構成を示す説明図
である。

【符号の説明】

１ 磁気コア ２ エアギャップ ５ 磁場センサ ８ 電気導体

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁場センサ（５）を有し、その磁場セン
   サがほぼリング状の強磁性磁気コア（１）の磁極面
   （３）を有する第１の極と磁極面（４）を有する第２の
   極間のエアギャップ（２）内に配置され、前記磁気コア
   （１）が電流を導く電気導体（８）によって励磁される
   電流測定用の計器用変成器において、 磁気コア（１）が投影軸に対して垂直な投影面に軸投影
   されたとき２つの形成される輪郭（６、７）の内外側輪
   郭（６）の周囲長さが内側輪郭の周囲長さ（７）の３倍
   以上であることを特徴とする磁場センサを有する電流測
   定用の計器用変成器。
2. 【請求項２】 外側輪郭（６）の周囲長さが内側輪郭
   （７）の周囲長さの５倍以上であることを特徴とする請
   求項１の計器用変成器。
3. 【請求項３】 磁気コア（１）は、投影軸に対して垂直
   な投影面への磁気コア（１）の軸投影によりＣ字形状に
   なり、磁極面（３、４）が投影面に垂直に位置するよう
   に形成されることを特徴とする請求項１または２による
   計器用変成器。
4. 【請求項４】 磁気コア（１）は、磁気コア（１）が螺
   旋形状を有し、投影軸に対して垂直な投影面への軸投影
   によりＯ字形状になり、また磁極面（３、４）が少なく
   とも投影面に対してほぼ平行に位置するように２つの極
   が互いに重なりあうことを特徴とする請求項１または２
   による計器用変成器。
5. 【請求項５】 磁気コア（１）が電気鉄板あるいはフェ
   ライトからなることを特徴とする請求項１から４による
   計器用変成器。
6. 【請求項６】 磁気コア（１）の両極は、第１の極の端
   面と第２の極の端面が電気導体（８）から外側に向かっ
   て開放する角度を形成し、その交差軸が磁気コア（１）
   の軸に平行になるように磁気コア材料の中心（９）より
   外側で離間することを特徴とする請求項１から５までの
   いずれか１項に記載の計器用変成器。