JPH0650323B2

JPH0650323B2 - 複合磁性体を用いた電流検知器

Info

Publication number: JPH0650323B2
Application number: JP62203840A
Authority: JP
Inventors: 昭松下
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-08-17
Filing date: 1987-08-17
Publication date: 1994-06-29
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: JPS6446658A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は配電設備等における電流計および過電流検知等
に適用する電流検知器に関する。

本発明の電流検知器は直流を含む超低周波から高周波領
域の電流のみならず、インパルスの如き過渡電流の測定
にも利用することができる。

そしてさらに電圧計，電力計の構成などにも応用できる
計測手段を提供しようとするものである。

（ロ）従来の技術従来、線路電流を測定する手段として、一般に線路の電
流によって発生する磁界を珪素鋼板の如き鉄心を用いた
計器用変成器で間接的に捕捉して行う方法がとられてい
るが、その磁気回路や巻線の軽量化とか小型化には困難
な問題がある。

またホール効果を利用した半導体素子と磁気回路により
電流を測定する方法があるが、温度特性や安定性などに
問題があり、信頼性に欠ける恨みがある。

（ハ）発明の目的本発明は特殊な処理を施した複合磁性体の性状を利用し
て、微小電流から大電流に至る電流値あるいは荷電流値
を簡便かつ迅速に検知する新規な計測手段を提供しよう
とするものである。

（ニ）発明の概要本発明の複合磁性体を用いた電流検知器は、保磁力の比
較的小さい部分と大きい部分とを隣接させ一軸異方性を
備えるように処理して成る複合磁性体を、交流被検知電
流を通電する励磁コイル中に配置して励磁磁界を作用さ
せると共に、検証電流発生器に接続された検証コイルの
検証磁界またはバイアス磁界を前記励磁磁界と同位相で
重畳するように構成しておき、前記複合磁性体に装着し
た検出コイルに誘発するパルス起電力の発生時点の観測
に基づき被検知電流値を検出できるようにしたことを特
徴とするものである。

そして、被検知電流による励磁磁界と前記検証磁界また
は半サイクル毎に漸増的に変化させたバイアス磁界との
合成磁界により、前記複合磁性体の比較的保磁力の小さ
い部分が急速に転位したパルス起電力の誘発時点を観測
し、その時のバイアス磁界の値に基づいて被検知電流の
大きさを判定するようにしたものである。

また、前記被検知電流による交流励磁磁界の少なくとも
１サイクルおきに、前記検証磁界とバイアス磁界との組
合せ磁界を作用させ、予め規定した過電流値に達した時
点でパルス起電力を誘発させるように構成することもで
きる。

そしてさらに、例えば前記被検知電流を板状導体を巻き
込んで成る円筒状コイルに通電し、その中空部に発生す
る均一磁界中に前記複合磁性体を装着して動作させるこ
とができる。

前記検証磁界およびバイアス磁界の大きさを調整する手
段としては、検証コイルの巻線数を加減する切替部を備
えたことを特徴とするものである。

あるいは、前記複合磁性体に鎖交する作用磁界の大きさ
を磁気分路により可変し調整するため、その近くに強磁
性制御体を近接離間させる手段を備えることにより、電
流検知を一層効果的に行えるように構成したものであ
る。

（ホ）発明の作用と実施例本発明の構成原理と実施例を図面について説明する。

第１図は本発明の複合磁性体を用いた電流検知器の基本
的な回路構成図で、１は複合磁性体、２はパルス起電力
の検出コイルである。３は交流被検知電流Ｉ_Ａを通電
し、その大きさや周波数に応じた励磁磁界を発生する励
磁コイルである。

そして４は検証コイルで、例えば交流励磁磁界と同位相
の検証磁界を発生させるための検証電流発生器１６に接
続されている。５はその切替部である。

また、１７の演算器は、検出コイル２のパルス起電力の
誘発時点における抵抗Ｒの電圧から印加磁界の大きさを
測定し、被検知電流の値を演算し決定するものである。

こゝで本発明に用いる複合磁性体１の特異な性状につい
て概要を説明する。

例えば細いバイカロイ線の如き強磁性体にひねり等の外
部応力を加えて処理したものは、線軸方向に一軸磁気異
方性を備え、その線心部付近に比較的保磁力の大きい部
分を有し、これと隣接する外周部に保磁力の小さい部分
をもつような複合磁性体になる。あるいは金属酸化物お
よびそのアモルファス磁性体などの磁気的性質の異なる
複数の磁性層をクラッドしたり積層して一軸磁気異方性
を備えるように処理した場合にも、次に述べるような本
発明で用いる複合磁性体が形成される。

すなわち、第２図は比較的保磁力の小さい部分６と配向
磁化された保磁力の大きい部分７との複合磁性体１の内
部の磁気挙動をモデル化して示したものである。

黒矢印８は外部から作用させるセット磁界で、複合磁性
体１の比較的保磁力の小さい部分６のみを負方向に転位
させる限界磁界に相当する固有の大きさである。

また、黒矢印９は正方向に作用させるリセット磁界を表
したもので、限界磁界またはそれ以上の大きさに設定さ
れるものである。

まず、セット磁界８の印加により比較的保磁力の小さい
部分の磁化方向の負方向−６に転位させておく。次にリ
セット磁界９を作用させて＋６のように、隣接する保磁
力の大きい配向磁化の部分７と同一方向に転位させる時
には、殊更に急速に反転するという特異性を有する。

故に、この時の急速な反転による磁束変化に基づき、複
合磁性体１の検出コイル２に急峻なパルス起電力が誘発
されるというものである。

依って、複合磁性体１に作用させる外部磁界として、例
えば汎用の商用交流電流によって発生する正負の交流励
磁磁界の異種の磁界を重畳させることにより、セット磁
界８の次にリセット磁界９が作用するように構成してお
けば、所定の被検知電流に達した時点でパルス起電力を
誘発させることができる。

依ってその誘発時点の観測により交流電流値を決定する
ことが可能になる。

しかしながら一般に強磁性体を磁気ヒステリシス特性を
有し、本発明に適用する複合磁性体においても例外では
ない。あらかじめどのような状態に磁化されていたかと
いう前歴によって、通電開始時における磁化状態が相違
するのが普通である。

そこで、本発明の電流検知器は被検知電流と複合磁性体
の磁化状態とが常に対応するように、以下に述べるよう
な検証手段を確立したものである。

本発明の動作の説明に先立ち、被検知電流を通電する励
磁コイルの構造について一言する。

通常は線状導体を捲回してソレノイドやスパイラル状に
構成したコイルを用い、その内部に複合磁性体を装填し
て電流磁界を作用させる。

この場合、被検知電流の大きさに応じて巻線数や線状導
体の断面積その他の形状を予め規定しておけばよいこと
はいうまでもない。

例えば、コイル内部の磁界分布の均一化をはかって次の
ような構成も有効である。

第３図は、交流被検知電流Ｉ_Ａにより磁界を発生する励
磁コイルである。これは板状導体１０を巻き込んで成る
円筒状コイル１１に端子部１２と同１２′間に通電す
る。その中空部の均一な発生磁界を複合磁性体１に鎖交
させる構造である。

なお第４図に例示するように板状導体１０の断面１３の
端部の肉厚を変えて電流密度を調整すること、あるいは
第５図のように断面１４の肉厚を一様とし板状導体１５
を平行四辺形のような形状にすること、などによって円
筒状コイル１１の中空部におおける磁界分布を両端部に
至るまで均一になるような構造にすることは、複合磁性
体を正確に動作させる上に有効である。

次に、本発明の電流検知器の動作について説明する。

第６図は、本発明の電流検知器を適用して交流被検知電
流Ｉ_Ａの値を測定する方法に関する実施例である。

第６図(1)のタイムチャートにみる如く、交流被検知電
流Ｉ_Ａの通電によって励磁コイルの中空部に正負の励磁
磁界Ｈ_Ａが発生する。この半サイクル毎のＨ_Ａの負の最
大波高値と重畳するように、順次段階的に漸増させて成
るＨ_Ｒ０〜Ｈ_Ｒ４の如き複数の矩形波状バイアス磁界Ｈ
_Ｒを印加する。

そしてさらに複合磁性体１の保磁力の小さい部分のみを
正方向に転位させる限界磁界Ｈ_ｐ（点線で示したレベ
ル）と同等の大きさをもつ矩形波状検証磁界＋Ｈ_Ｕを、
Ｈ_Ａの正の半サイクルの最大波高値と重畳するように作
用させる。

この場合、−Ｈ_Ｕと＋Ｈ_Ｕとの位相差は商用交流におい
ては通常π／２である。なお、点線のレベルＨ_Ｆは複合
磁性体１の保磁力の小さい部分の磁化方向を負方向に転
位させる限界磁界（Ｈ_Ｆ≒Ｈ_Ｐ）である。

これらの合成磁界は同図(2)に示したようになる。従っ
て図にみるように−（Ｈ_Ａ＋Ｈ_Ｒ３）は負方向のセット
磁界（前記限界磁界Ｈ_Ｆに相当する）として作用するの
で、この時点で同図(3)に示したような負のパルス
Ｅ_Ｒ′を誘起する。しかるにその次に正方向のリセット
磁界＋（Ｈ_Ａ＋Ｈ_Ｕ）が作用した時点においては、急峻
なパルス起電力Ｅ_Ｓを誘発する。

依って上述のＨ_Ｒ３のような、パルスＥ_Ｓを誘発する直
前のバイアス磁界Ｈ_Ｒを観測すれば、Ｈ_Ａ＝Ｈ_Ｆ−Ｈ_Ｒ，∴Ｉ_Ａ＝Ｎ・Ｈ_Ａの関係から、その時の通電電流すなわち被検知電流Ｉ_Ａ
の値を求めることができる。ただしＮは励磁コイルの巻
数に関連する比例定数である。

また、以上の電流検知手段を過電流検知器として応用し
た場合の実施例を、第７図に基づいて説明すると次のよ
うになる。

第７図(1)〜(3)の各左側のタイムチャートは、交流被検
知電流が規定値以内の過電流に達しない場合における各
磁界およびパルス起電力を例示したものである。

すなわち、図(1)にみる如く被検知電流によって発生す
る負と正との励磁磁界Ｈ_Ａの１サイクル目では、まず前
記検証磁界−Ｈ_Ｕおよび＋Ｈ_Ｕを作用させる。この場
合、−Ｈ_ＵはＨ_Ａの負の半サイクルの最大波高値に、そ
して＋Ｈ_Ｕは正のそれに重畳するように位相を合わせて
作用させる。そしてその次の１サイクルでは、Ｈ_Ａの負
の半サイクルの最大波高値に対して負方向のバイアス磁
界Ｈ_Ｒを、また正の半サイクルに対しては正方向の検証
磁界＋Ｈ_Ｕを印加する。

これらの合成磁界は同図(2)に示したようになるので、
同図(3)にみるように正負の検証磁界に基づくパルス起
電力Ｅ_Ｕ′とＥ_Ｕとが１サイクルおきに間欠的に発生す
るだけである。しかしながら、このような間欠的なパル
ス起電力の発生状態を検知することは、本発明の電流検
知器が正常な動作状態にあることの検証でもある。

次に、被検知電流が規定の過電流値に達した瞬間におい
ては、同図の各右側の図(1′)〜(3′)に示したようにな
る。

すなわち同図(1′)は、過電流に達した被検知電流によ
る励磁磁界Ｈ_Ａ′に対し、前記(1)と同様に１サイクル
目では検証磁界−Ｈ_Ｕと＋Ｈ_Ｕが、そしてその次の１サ
イクルでは負方向のバイアス磁界Ｈ_Ｒと＋Ｈ_Ｕとがそれ
ぞれ作用する。

これらの合成磁界は同図(2′)に示したように、何れの
サイクルにおいても、大きい負方向磁界の磁化作用の次
に、大きい正方向磁界が作用する。

従って、同図(3′)にみるように正負のパルス起電力Ｅ
_Ｕ′とＥ_Ｕとの合間にＥ_Ｓ′とＥ_Ｓが発生するから、各
サイクル毎に連続したパルスの誘発状態を観測すること
ができる。このことから過電流に達した瞬間を検知する
ことができる。

本発明の電流検知器は、各位相における誘発パルスの発
生状況を判断して電流検知を行うものであるから、ラン
ダムに発生する雑音的な電流磁界に基づいて誘発するパ
ルスとの判別は容易である。

例えば第７図で述べた過電流検知において、第８図(1)
〜(2)のように、振動的過渡電流によって異常磁界Ｈ_Ｔ
が生じたとする。これが被検知電流の磁界Ｈ_Ａと検証磁
界Ｈ_Ｕとの重畳したとすると、同図(3)のようにタイミ
ングの不正な幾つかのパルス出力Ｅ_Ｎを発生する。故に
正常なタイミングで発生するパルス起電力Ｅ_Ｓ′とＥ_Ｓ
の確認により、過電流状態が検知できる。

なお、第１図に例示した検証コイル４の切替部５により
巻線数を加減することにより、検証磁界の設定値を可変
にすることができる。従ってこれにより交流励磁磁界と
の合成磁界を変化させ、検知電流の規定値の調整または
最大検知電流の観測値の切替え可能な電流検知器を構成
することができる。

なお、このような被検知電流の規定値の調整または切替
えを行なう方法として、複合磁性体１に直接鎖交する外
部磁界の磁気分路として作用させるための適当な長さの
強磁性棒を強磁性制御体（図示せず）として用い、複合
磁性体に近接離間させる手段も効果がある。

（ヘ）発明の効果本発明の電流検知器は構造が比較的簡単で小型に構成す
ることができ、変流器等の計器用変成器を使用せずに任
意の電流値を正確に測定することができる。しかも規定
した電流値に達した時点でパルス起電力を誘発させると
いう特徴があるので、送配電系統をはじめ一般電気回路
における電流検知器として適用することができ、殊にデ
ジタル電流計および過電流計などの構成に極めて有効な
ものである。

しかも安価に提供することができるので、配線末端部に
おける種々の多数の負荷に対する事故早期発見用センサ
として適用できる効用がある。

そして広範囲に分散された多数の負荷から検知したパル
ス信号を、光信号に変換し、光ファイバケーブルによる
配線網を構成しておけば集中監視制御ができるなど多様
な利用をはかることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合磁性体を用いた電流検知器の基本
的回路構成図、第２図は複合磁性体の動作を説明するた
めのモデル図、第３図は円筒状コイルの概観図であり第
４図と第５図はその展開図および断面図である。そして
第６図ないし第８図は作用磁界およびパルス起電力のタ
イムチャートを例示したものである。１：複合磁性体、２：検出コイル、３：励磁コイル、４：検証コイル、５：切替部、６、７：複合磁性体の部分、８：セット磁界、９：リセット磁界、１０：板状導体、１１：円筒状コイル、１２：端子部、１３、１４：断面、１５：板状導体、１６：検証電流発生器、１７：演算器、Ｈ_Ａ：励磁磁界、Ｈ_Ｕ：検証磁界、Ｈ_Ｒ：バイアス磁界、Ｈ_Ｐ：正の限界磁界、Ｈ_Ｆ：負の限界磁界、Ｅ：パルス起電力、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】保磁力の比較的小さい部分と大きい部分と
を隣接させ一軸異方性を備えるように処理して成る複合
磁性体を、交流被検知電流を通電する励磁コイル中に配
置して励磁磁界を作用させると共に、検証電流発生器に
接続された検証コイルの検証磁界またはバイアス磁界を
前記励磁磁界と同位相で重畳するように構成しておき、
前記複合磁性体に装着した検出コイルに誘発するパルス
起電力の発生時点の観測に基づき被検知電流値を検出で
きるようにしたことを特徴とする複合磁性体を用いた電
流検知器
【請求項２】被検知電流による励磁磁界と前記検証磁界
または半サイクル毎に漸増的に変化させたバイアス磁界
との合成磁界により、前記複合磁性体の比較的保磁力の
小さい部分が急速に転位したパルス起電力の誘発時点を
観測し、その時のバイアス磁界の値に基づいて被検知電
流の大きさを判定するようにしたことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の複合磁性体を用いた電流検知器
【請求項３】前記被検知電流による交流励磁磁界の少な
くとも１サイクルおきに、前記検証磁界とバイアス磁界
との組合せ磁界を作用させ、予め規定した過電流値に達
した時点でパルス起電力を誘発させるように構成したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の複合磁性体
を用いた電流検知器
【請求項４】前記被検知電流を板状導体を巻き込んで成
る円筒状コイルに通電し、その中空部に発生する均一磁
界中に前記複合磁性体を装着したことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の複合磁性体を用いた電流検知器
【請求項５】前記検証磁界およびバイアス磁界の大きさ
を調整する手段として、検証コイルの巻線数を加減する
切替部を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の複合磁性体を用いた電流検知器
【請求項６】前記複合磁性体に鎖交する作用磁界の大き
さを磁気分路により可変し調整するため、その近くに強
磁性制御体を近接離間させる手段を備えたことを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の複合磁性体を用いた電
流検知器