JPH11237411A - 直流電流センサ及び直流電流計測システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大型の環状磁心導磁路を必要としない軽量で
取扱い容易な直流電流センサを提供すること。 【課題解決手段】 被測定電流が流れる導体の中心軸か
ら等距離にある円周上の空間に、局所的静止磁界の強さ
及び向きを検出する偶数個の磁電変換器を、各磁電変換
器の軸方向を同一周回方向に向けて等間隔に配置し、前
記各磁電変換器からの出力信号を加算器により加算して
取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直流大電流計測用の
直流電流センサ及び直流電流計測システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば電気鉄道用直流変電所では、送電
網から受電した高圧交流電力を変圧器で６００〜３００
０Ｖ程度に降圧し、シリコン整流器、水銀整流器等で直
流に変換して線路に供給する。直流供給回線には、負荷
量を計測するための直流電流センサ及び指示記録計器類
が設置される。

【０００３】上記のような用途に使用される直流電流セ
ンサには多くのタイプがあるが、中でもクレーマ型直流
変流器、及びホール効果素子等の磁電変換器を用いる電
流センサが従来から広く使用されている。両者とも直流
電流の回りに同心円状に生じる静止磁界の磁束密度を検
出することによりその電流の大きさを検出するものであ
るが、夫々の磁界検出の原理は異なる。

【０００４】クレーマ型直流変流器では直流導体の回り
に角形磁気特性を有する一対の環状磁心を設け、各磁心
に同一巻数の巻線を巻き、互に逆直列に接続した上で交
流電源で励磁する。被測定電流により偏磁されて飽和し
ている各磁心を交流で励磁することにより、各磁心の飽
和状態が半波ごとに打ち消されてリセットされ、その間
に等アンペアターンの法則に従って巻線に被測定電流に
比例した検出電流が流れる。この検出電流を全波整流
し、変流出力としての直流電流又は電圧を得る。

【０００５】ホール効果素子等を用いる従来の直流電流
センサでは、直流導体の回りに大型の環状磁心からなる
導磁路を設け、磁路の一部に空隙を設けてその中にホー
ル効果素子又は磁気抵抗効果素子を置く。被測定電流に
よる導磁路の磁化は非飽和の範囲に留められるから、空
隙中の磁界の強さは被測定電流に比例する。その磁界を
ホール素子等により電圧又は抵抗値に変換する。

【０００６】上記クレーマ型直流変流器は、被測定電流
の向きが１方向に限定されると共に、電流が０から急峻
に立ち上がる場合、励磁巻線に高電圧が発生し絶縁破壊
を生じるおそれがあるという構造的弱点を有する。また
応答時間が０．５〜１秒と遅く、さらに測定精度が定格
値の±２．５％程度と低く、近時の高精度の要求に対し
ては充分でない場合がある。

【０００７】ホール効果素子等を用いる従来の直流電流
センサでは、導磁路の磁化を非飽和の範囲に限るため磁
心が大型となり、磁心にホール効果素子等を埋め込むた
め構造が複雑である。またホール効果素子等半導体素子
は耐久温度が高くないため、使用温度の上限が５０℃程
度に制限される。

【０００８】すなわちこれら従来の直流電流センサは、
いずれも大型の磁心を備えるので重くかつ外形が大き
く、直流導体とセンサの窓との位置関係が測定精度に影
響し、また地磁気等外部磁界の影響も無視しえないた
め、取付工事の際に各種の配慮が要求され、取り扱いが
不便である。総じてこれら従来の直流電流センサが近年
のマイクロエレクトロニクス化の趨勢から取り残されて
いることは否めず、小型化、高機能化が遅れており、し
かも生産性を高めることが困難な構造であるため、低価
格化要求にも応え得ていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、大型
の環状磁心導磁路を必要としない、軽量で取扱い容易な
直流電流センサを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、被測定電
流が流れる導体の中心軸から等距離にある円周上の空間
に、局所的静止磁界の強さと向きを検出する偶数個の磁
電変換器を、各磁電変換器の検出軸方向を同一周回方向
に向けて等間隔に配置し、各磁電変換器の出力信号を加
算器により加算して取り出すことを特徴とする本発明の
直流電流センサ（以下、「本センサ」という）により達
成することができる。

【００１１】直流導体を一周する任意の閉じた経路を考
える。経路上の各点で測定した磁界の強さをＨ、磁界ベ
クトルと経路接線方向との角をθとすると、経路を一巡
して計算したＨｃｏｓθｄｌ（ｄｌは微分経路）の周回
積分値は当該経路と鎖交する電流の代数和Ｉに等しい。
これが本センサの動作原理となるアンペアの周回積分法
則である。ただし、この法則は経路上の各点でＨｃｏｓ
θの値を逐次連続測定することが前提であるのに対し
て、本センサでは有限個の測定点で観測されるＨｃｏｓ
θの値に基づいて鎖交電流Ｉを求める点が異なる。な
お、Ｈｃｏｓθの値を測定する磁電変換器については後
述する。

【００１２】上記アンペアの法則と本センサの構成上の
相違から、本センサにおける周回積分経路は任意の経路
ではなく、その上で磁界Ｈの大きさが極力一定となる特
定の経路を選択することにしている。その特定経路とは
導体の中心軸から等距離にある円である。導体の断面形
状が円である場合はその周囲を巡る磁力線の形も円にな
り、その円周上では磁界の強さＨは一定で、かつθ＝０
である。したがってこの場合は、有限個の磁界測定値を
用いる本センサによっても鎖交電流Ｉを正確に求めるこ
とができる。

【００１３】円以外の異形断面を有する導体の場合は、
その周囲を巡る磁力線の形が円になるとは限らない。例
えば矩形断面の帯状ブスバーの場合は、その磁力線の形
状は導体の近傍では楕円になる。この場合は本センサに
おける周回積分経路としての円と磁力線の楕円とが交差
することとなり、円周上でのＨｃｏｓθの値が一定にな
らないから、測定点の中間では補間が必要である。本セ
ンサでは円周上に配置する磁電変換器の個数を可能な限
り多くすると共に、各測定点における測定値の代数和を
もって補間演算に代え、また、上記帯状ブスバーの場合
であってもその表面から離れるに従って磁力線の形が円
に近づくことを利用すべく、上記円の直径を極力大きく
とるようにしている。

【００１４】本センサでは、導体周囲の円形の磁力線に
一致させて各磁電変換器を配置することが原則である。
しかし、本センサの設置の際に設置誤差を生じ、本セン
サの中心軸と導体の中心軸とが一致しない場合が起こり
うる。このような場合への対応として、本センサではセ
ンサの中心軸を挟んで一対の磁電変換器を軸対称に配置
し（よって本センサに用いる磁電変換器は偶数個にな
る）、かつこれら各対の磁電変換器（実際には全ての磁
電変換器）の出力信号を加算演算して取り出すようにし
ている。これにより誤差を伴う個々の磁電変換器の検出
値が平均化されて誤差が打ち消され、その結果、設置誤
差の影響が軽減される。かくして本センサでは設置誤差
に対する許容度を大きくすることができる。

【００１５】またこの種の直流電流センサは、地磁気
や、外部の大電流を取扱う機器や配線等を発生源とする
外部磁気の影響を受けにくい構造であることを要する。
これらの外部磁気は本センサにおける周回積分経路とし
ての円の外側に存在する電流に起因するものであるか
ら、上記アンペアの法則から周回積分値には影響しない
と一応はいえる。しかし本センサでは、上述のように本
来は周回積分経路に沿って連続測定すべき磁界の値を有
限個の測定値で代用しているから、これに由来する外部
磁気の影響を考慮する必要がある。

【００１６】この場合にも、対処方法は磁電変換器を本
センサの中心軸に関して軸対称の位置に配置することで
ある。外部磁気の磁力線が本センサ中を貫通する場合
は、ある磁電変換器が検出する外部磁界は、当該磁力線
が直角に交わる上記の円の直径に関してこれとほぼ対称
の位置にあるもう一個の磁電変換器に対しては、大きさ
がほぼ等しく逆向きに近い磁界として作用するから、こ
れら一対の磁電変換器の出力信号を加算的に取り出すこ
とにより両者は打消し合い、外部磁気の影響を除去ない
し軽減することができる。そして、上記の打消し効果は
円周上に配置される磁電変換器の個数が多いほど高いこ
とが期待される。

【００１７】なお、上記の設置誤差および外部磁気が本
センサに対して３６０゜のどの方向のものであっても対
処可能でなければならない。この要請に応えるため本セ
ンサでは各磁電変換器を上記円周上で等間隔に配置して
いる。

【００１８】以上説明したように、本センサでは導体の
中心軸から等距離にある円周上に偶数個の磁電変換器を
軸対称かつ等間隔に配置することにより、外部磁気の影
響を実質的に軽減すると共に、設置誤差の影響をも軽減
することができるので、そのような目的で従来の直流電
流センサに用いられていた大型の環状磁心を省略するこ
とが可能になり、軽量かつ取扱い容易な直流電流センサ
を実現することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】（イ）本発明の好適な実施形態と
して、本センサに使用する磁電変換器について説明す
る。

【００２０】本センサに使用する磁電変換器は、配置さ
れた場所の静止磁界の大きさＨと、磁界ベクトルと軸方
向（感度最大の方向）との角θとから、Ｈｃｏｓθを検
出できるものであれば原理、形式を問わない。そのよう
な特性を有する磁電変換器は数多くあり、例えば磁気抵
抗効果素子、ホール効果素子、可飽和コア型磁界検出器
その他を挙げることができる。

【００２１】これらのうち可飽和コア型磁界検出器を用
いた直流電流センサについては、本発明者らが発明者と
なって先に特許出願（平成９年特許願第１１８８３２
号）をしたので、本明細書では説明を省略する。

【００２２】磁気抵抗効果素子は、強磁性体中に電流を
流し同時に磁界を印加すると強磁性体の電気抵抗が磁界
とともに増加する現象（磁気抵抗効果）を利用する。磁
気抵抗効果は電流と磁界が平行のとき最大で、直交する
とき最小になる。強磁性体薄膜を用いた磁気抵抗効果素
子の応答性はコンピュータ用記憶装置の読取りヘッドに
利用される程度に高速であるが、それ自体は磁界の極性
を判別する機能を有しない。しかし図２（Ａ）に示すよ
うに磁気抵抗効果素子を４辺ａ〜ｄに配置してブリッジ
を構成し、図２（Ｂ）に示すように永久磁石によりブリ
ッジの対角線方向にバイアス磁界を与えることにより、
ブリッジのもう一方の対角線方向に印加される被測定磁
界の極性を判別できるようになる。

【００２３】すなわち、被測定磁界１が図２（Ｂ）で上
から下に向く場合は、バイアス磁界との合成磁界１は斜
め右下方を指し、ブリッジのａ、ｃ辺と交わってこれら
各辺の抵抗値を小さくする。逆に被測定磁界２が図で下
から上に向く場合はバイアス磁界との合成磁界２は斜め
右上方を指し、ブリッジのｂ、ｄ辺と交わってこれら各
辺の抵抗値を小さくする。したがって、ブリッジのａ、
ｂ辺の中点とｃ、ｄ辺の中点の間の電位差は、被測定磁
界の向きによって逆転することがわかる。その結果、バ
イアス磁界の方向を基準とする被測定磁界の向きと磁電
変換器の出力端子電圧は、図２（Ｃ）に示すような関係
になる。なお本センサでは、バイアス磁界に対してブリ
ッジの面に沿って９０゜の方向を、磁電変換器の検出軸
方向としている。

【００２４】このようにブリッジを構成することにより
被測定磁界の極性を判別できるようになるだけでなく、
磁気抵抗効果素子の温度変化及びブリッジ用電源電圧変
動の影響を軽減することができ、併せて磁界検出感度を
増大させることができる。市場では現にそのような構成
で商品化された磁電変換器を容易に入手できるので、こ
れを用いて本センサを組立てることができる。

【００２５】ホール効果素子は、半導体中に電流を流し
同時に磁界を印加すると、電流及び磁界の双方に直角の
方向に電流及び磁界の大きさに比例する電界が発生する
現象（ホール効果）を利用する。ホール効果素子は高速
応答性を有し、その特性を活かしてブラシレス直流モー
タの制御用素子等に用いられる。またホール効果素子は
それ自体が磁界ベクトルの向きを検出する機能を有する
ので、そのまま磁電変換器として本センサに用いること
ができる。なお半導体のホール効果は一般に比較的大き
い温度係数を有するほか、半導体に流す電流の変動が出
力信号に直接現れること等に留意する必要がある。

【００２６】磁気センサ類は日進月歩しているので上記
以外にも本センサに使用できる磁電変換器が今後出現す
る可能性があるが、本センサが無人の直流変電所等で主
に用いられることから、構成が簡単で高信頼性であるこ
とは特に重要な条件である。なお、本センサでは各磁電
変換器の出力信号を加算的に取出すが、その際信号の取
出しが各磁電変換器の干渉を招いたり性能に悪影響を与
えることがないように加算器の入力インピーダンスが十
分に高いことが必要である。

【００２７】さらに、本発明の他の好適な実施形態とし
て以下の（ロ）〜（ヘ）を挙げる。

【００２８】（ロ）本センサを構成する磁界検出器の個
数が少なくとも４個、より好ましくは６個以上２４個以
下であること。

【００２９】上述のように本センサの動作原理はアンペ
アの周回積分法則であるが、本センサでは有限個の測定
値に基づいて鎖交電流Ｉを求める点がアンペアの法則と
は異なる。この相違から、本来は影響を受けない筈の設
置誤差（偏心）及び外部磁気の影響を無視することがで
きない。この弱点をできるだけ小さくするには、本セン
サの周回積分経路である円周上に配置する磁電変換器を
偶数個とし、しかもできるだけ多くする必要がある。そ
の観点から最低でも４個、４個よりも６個の方が望まし
い。他方磁電変換器は一定の大きさを有するので、上記
の円周上に収容できる個数には限度がある。実際に本セ
ンサの上記円の直径が２０〜４０ｃｍ程度であることを
考慮すれば、上限はおよそ２０〜２４個程度と考えられ
る。

【００３０】（ハ）本センサを構成する各磁電変換器の
先端に接して検出軸と同軸に設けたテスト磁界発生用コ
イルを備えること。

【００３１】本センサを構成する各磁電変換器が常時満
足に機能していることを保証するためには、時折テスト
できることが望ましい。そのために本実施形態では、各
磁電変換器と同軸にテスト磁界発生用コイルを設置して
おき、一定時間毎に各テストコイルに一斉に所定の電流
を流し、本センサの出力電圧をチェックする。

【００３２】（ニ）本センサを構成する磁電変換界器の
個数に等しい辺数を有する正多角形の環状、又は円環状
の、非磁性体からなるヨークに各磁電変換器を固定し、
全体を絶縁物質で被覆すること。

【００３３】上述のように本センサは大型の磁心を持た
ず、各磁電変換器は上記円周上の空間に配置されるが、
各磁電変換器をこの空間に支持するために非磁性体から
なる環状ヨークに固定し、直流の高電圧から各磁電変換
器を保護するために全体を絶縁物質で被覆する。非磁性
体としては例えばアルミニウム、絶縁物質としてはＡＢ
Ｓ等の樹脂又は各種のゴムが例示される。

【００３４】（ホ）本センサの全体が直径を境に２個の
対称な部分に分割可能であること。

【００３５】本センサ設置の際は被測定電流用導体を本
センサの中心孔に貫通させる必要があるが、本実施形態
のように本センサが２つ割構造になっていれば、その作
業を容易に行うことができる。

【００３６】（ヘ）前記導体の回りに２組の上記直流電
流センサを近接して配置し、これら２組の直流電流セン
サの出力値を常時又は間歇的に比較してその差が所定値
を超える場合に警報信号を出力すること。

【００３７】本実施形態によれば、２組の本センサとそ
れらの出力値を常時又は間欠的に比較し問題が生じた際
に警報を発する比較警報装置を組合わせた直流電流計測
システムを構成することになる。これにより本センサに
よる計測値の信頼性を向上することができる。図４にこ
のような直流電流計測システムの一構成例を示す。

【００３８】

【実施例】以下、磁気抵抗効果素子からなる磁電変換器
を用いた本センサの一実施例について添付図面を参照し
つつ説明する。図１は本実施例たる定格電流２０ＫＡの
直流電流センサ（参照符号１００）の外形及び設置状況
を示す斜視図、図２（Ａ）はセンサ１００に用いた磁気
抵抗効果型磁電変換器の内部結線図、図２（Ｂ）はバイ
アス磁界と被測定磁界の関係を示す図、図２（Ｃ）は被
測定磁界の方向と磁電変換器の出力電圧の関係を示す図
である。

【００３９】図１において、参照符号１はヨーク、２は
磁気抵抗効果型磁電変換器、３はリードワイヤ、４は回
路部、５はセンサ１００を対称な２つの部分に分割する
分割線、６は被測定電流が流れる導体としてのブスバー
（本発明外のため点線で表示）を示す。なお、センサ１
００全体を覆う絶縁物質からなるケーシングは図示を省
略する。図２の内容は既に上で説明したので、再度の説
明を省く。

【００４０】図１に示すように、偶数個（本実施例では
６個）の磁気抵抗効果型磁電変換器２が、環状をなすヨ
ーク１の溝内でブスバー６の軸芯から等距離にある円周
上の空間内に支持され、検出軸を同一周回方向に向けて
等間隔に配置される。ブスバー６を流れる直流電流はそ
の近傍では楕円の、やや離れた場所では略同心円状の静
止磁界を作り、各磁電変換器２はこの静止磁界の強さに
比例する出力信号を出力する。ヨーク１は直径を通る分
割線５において対称な２つの部分に分割可能であるの
で、ブスバー６をヨーク１の中心孔に貫通させる作業を
容易に行うことができる。なお、各磁電変換器２には図
３に示すテスト磁界発生用コイルを設けてもよい。

【００４１】各磁電変換器２はリードワイヤ３によって
回路部４に結ばれ、回路部４には図示しない加算演算回
路、電圧電流変換回路及び電源回路が設けられている。
加算演算回路は６個の磁電変換器２の出力信号を代数的
に加算し、電圧電流変換回路は加算出力電圧に比例する
電流を発生させる。電源回路は前記加算演算回路、電圧
電流変換回路及び各磁電変換器２へ夫々必要な電源電圧
を供給する。

【００４２】図３は、各磁電変換器２の先端部分に設け
たテスト磁界発生用コイル７を示す。コイル７には外部
電源８からスイッチ９を経由して所要の電源電圧が供給
され、スイッチ９を閉じることによりコイル７がテスト
用磁界を発生する。このテスト用磁界を検出した各磁電
変換器２の出力は上記回路部４で処理された上、正常か
否かを検査される。なお、スイッチ９は手動又は自動と
することができ、自動スイッチとする場合は上記正常か
否かの検査も自動化して、これと自動スイッチとを連動
させてもよい。

【００４３】なお、上記の実施例では磁気抵抗効果素子
からなる磁電変換器を用いた例を挙げたが、これに限ら
れるものではなく、ホール効果素子その他の素子を利用
した磁電変換器を用いても、本発明の直流電流センサを
同様に構成できることはいうまでもない。

【００４４】

【発明の効果】請求項１乃至３の発明によれば、本セン
サでは被測定電流用導体の位置が磁電変換器が配置され
た円の中心から偏心してもその影響が相殺されて軽減さ
れ、また前記の円を横切る地磁気や外部磁気の影響も同
様に軽減されるので、従来の半導体素子型電流センサに
見られた大型磁心が不要になり、高精度で軽量かつ取り
扱い容易な直流電流センサが提供される。また、応答時
間が従来のクレーマ型電流センサに比較して格段に速
く、導体中の電流の向きが予定と異なっても出力端子の
接続極性を逆にするだけで対応できるという特徴を有す
る。

【００４５】請求項４の発明によれば、本センサにおけ
る磁電変換器の個数が４個以上の場合は個数がそれ未満
の場合に比較して、被測定電流用導体の偏心に対する相
殺効果、外部磁気の影響の相殺効果がより確実になり、
しかも個数が多い程有利である。しかし、上記の円周上
に収容可能な磁電変換器の個数に限度があることを考慮
すれば、６個〜２４個という値は本センサにおける磁電
変換器の実用的な個数の範囲を与える。

【００４６】請求項５の発明によれば、本センサ中の各
磁電変換器にテスト磁界発生用コイルを設置して一定時
間毎に短時間のテストを行うことにより、各磁電変換器
が常時満足に機能していることを保証することができ
る。

【００４７】請求項６の発明によれば、本センサ中の磁
電変換器を非磁性体からなる環状ヨークに支持させるこ
とにより、各磁電変換器を被測定電流用導体の軸芯から
等距離にある円周上の空間に固定することができる。ま
た、全体を絶縁物質で被覆することにより、各磁電変換
器を直流の高電圧から保護することができる。

【００４８】請求項７の発明によれば、本センサが２つ
割構造になっているので、本センサの設置に際して、被
測定電流用導体を本センサの中心孔に貫通させる作業を
容易に行うことができる。

【００４９】請求項８の発明によれば、２組の本センサ
の出力値を常時又は間欠的に比較して問題がある場合は
警報を発するので、本センサによる直流電流の測定結果
の信頼性を向上することができる。

【００５０】以上を総合して、本発明によれば、軽量安
価で高精度、高応答性を有し、外部磁界及び設置誤差の
影響を受け難い、新たな構造の直流電流センサが提供さ
れ、従来の電流センサが抱える多くの問題点を解消する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例としての直流電流センサの外形及び設置
状況を示す斜視図である。

【図２】磁気抵抗効果型磁電変換器の内部結線図及びバ
イアス磁界と被測定磁界との関係を示す図である。

【図３】テスト磁界発生用コイルの設置状態を示す図で
ある。

【図４】本発明に基づく直流電流計測システムの一構成
例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１…ヨーク ２…磁電変換器 ３…リードワイヤ ４…回路部 ５…分割線 ６…ブスバー（本発明外） ７…テスト磁界発生用コイル ８…テスト磁界発生用コイルの電源 ９…スイッチ

フロントページの続き (72)発明者 永田 強 東京都大田区西蒲田７−32−６ 株式会社 マコメ研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定電流が流れる導体の中心軸から等距
   離にある円周上の空間に、局所的静止磁界の強さ及び向
   きを検出する偶数個の磁電変換器を、各磁電変換器の検
   出軸方向を同一周回方向に向けて等間隔に配置し、前記
   各磁電変換器からの出力信号を加算器により加算して取
   り出すことを特徴とする直流電流センサ。
2. 【請求項２】前記磁電変換器が磁気抵抗効果素子からな
   る請求項１記載の直流電流センサ。
3. 【請求項３】前記磁電変換器がホール効果素子からなる
   請求項１記載の直流電流センサ。
4. 【請求項４】前記磁電変換器の個数が少なくとも４個、
   より好ましくは６個以上２４個以下である、請求項１か
   ら３のいずれかに記載の直流電流センサ。
5. 【請求項５】前記各磁電変換器の先端に接して磁電変換
   器の軸と同軸に設けたテスト磁界発生用コイルを備え
   る、請求項１から４のいずれかに記載の直流電流セン
   サ。
6. 【請求項６】前記磁電変換器の個数に等しい辺数を有す
   る正多角形の環状、又は円環状の、非磁性体からなるヨ
   ークに前記各磁界検出素子を固定し、全体を絶縁物質で
   被覆してなる、請求項１から５のいずれかに記載の直流
   電流センサ。
7. 【請求項７】前記センサの全体が、直径を境に２個の対
   称な部分に分割可能である、請求項６記載の直流電流セ
   ンサ。
8. 【請求項８】前記導体の回りに２組の請求項１から７の
   いずれかに記載の直流電流センサを近接して配置し、こ
   れら２組の直流電流センサの出力値を常時又は間歇的に
   比較してその差が所定値を超える場合に警報信号を出力
   することを特徴とする直流電流計測システム。