JP2005326418A - 電流測定デバイス、そのような測定デバイスを備える電流センサ、電気引出しユニット、および切断デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】外部擾乱に敏感でなく、体積が減少した電流測定デバイスを提供する。
【解決手段】ロゴスキー型電流測定デバイス（１）は、電気的に直列に接続されて閉じた多角形の外形を形成し、導体（７）を囲繞して電流測定を行なうように設計された少なくとも３個のコイル（２）を備える。前記コイル（２）の端部（Ａ）のうちの少なくとも１つの局部インダクタンスは、前記コイルの中心部（Ｂ）の近くの局部インダクタンスよりも大きい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気的に直列に接続されて閉じた多角形の外形を形成し、導体を囲繞して電流測定を行なうように設計された少なくとも３個のコイルを備えるロゴスキー型の電流測定デバイス（装置）に関する。

ロゴスキー型誘導センサを備える電流測定デバイスの使用は、文献で広範囲にわたって述べられている。

ロゴスキー型電流測定デバイスは、測定すべき電流が流れる電流導体または配線のまわりに配置された非磁性材料できた支持物（サポート）を備える。導電線がこの支持物にぐるぐる巻かれて、二次巻線を形成している。組立品は変性器を形成し、ここで、前記電流導体または配線は一次巻線を構成し、また前記二次巻線は測定信号を供給する。二次巻線の端子に供給された電圧は、電流導体または配線を流れる電流の大きさに正比例する。飽和状態になりやすい磁気コアがないことで、広い測定範囲を実現することができる。

支持物中の導体位置に無関係な電圧測定値を得るために、かつ支持物の外にある他の導体の影響を抑制するために、単位長さ当たりの巻数はコイルの全長にわたって一定でなければならいし、またそれらの巻き（ターン）は結合されなければならない。

ある解決策（ＵＳ４，６１１，１９１、ＷＯ０１／５７，５４３Ａ１）は、トロイド・ソレノイドの形をしたコイルを備えている。そして、円形または長方形の断面をしたトロイド非導電性支持物に電線を巻くことができる。この解決策は非常に効率がよいが、閉じたトロイドを使用する解決策は、トロイドの幾何学的形状のために依然として工業化するのが困難である。実際にトロイドを巻くことは依然として複雑であり、電流測定デバイスの大きさが小さいとき特にそうである。

この現実化の問題を軽減するために、他の解決策に、電気的に直列に接続されかつ多角形の外形の状態で配列（アレンジ）された数個のコイルの組立品を使用することがある。そのとき、多角形の各辺は、直線コイルまたは擬似直線コイルで形成される。全体的に言って、使用されるコイルの数が多ければ多いほど、多角形の一般的な形は円筒形トロイドの形に近くなる（ＵＳ３，２６２，６２９１、ＤＥ１９，７３１，１７０）。

多角形の工業的実現を最適化するために、正方形または長方形の四辺を有する多角形の外形を使用する解決策を使用することができる（ＥＰ２０９，４１５、ＦＲ２，５０７，８１１、ＤＥ２，４３２，９１９）。図１に示すように、そのとき、電流測定デバイス１は、電気的に直列に接続された４個の直線コイル２で形成され、それらのコイルの長手方向の軸Ｙは同じ半径方向の面内に配置される。電流測定が行なわれる一次導体７は、電流測定デバイスの内側に、電流測定デバイス１の前記半径方向の面に対して垂直な方向に配置される。

しかし、これらの解決策には、多角形の外の現象に対して敏感すぎるという欠点がある。したがって、導体７を流れる電流の測定は、間違って行なわれることがある。

実際、多角形の閉じた電流測定デバイスを構成するように数個のコイル２が使用されるとき、磁気不連続領域Ｈが２個のコイル２の間の各接続部に存在する。完全なトロイド形のソレノイドを備える電流測定デバイスと違って、単位長さ当たりの巻数は、測定デバイスの巻線の全長にわたってもはや一定でない。コイル２の最後の巻きは、そのコイルに直接に接続されるコイル２の最初の巻きと結合されていないことによって、構造的な不連続が存在する。電流測定デバイスと外部回路との間の相互誘導係数Ｍ０はゼロではない。

多角形の２個のコイルの間に形成される内角αが小さければ小さいほど、２個のコイルの間のこの構造的な不連続はますます大きくなる。正方形または長方形の多角形の電流測定デバイスのコイルの間の内角αは、９０度である。

ある最新技術の解決策（ＥＰ０，８３８，６８６）は、コイルの各端部がそれに隣接するコイルによって部分的または全体的に覆われるように４個のコイルを配列して、この不連続を補償している。この解決策は、外部磁束の電流測定に及ぼす影響に関連する問題を完全には解決しない。その上、コイルを支持物に取り付ける問題が発生する。

他の解決策は、構造的な切れ目の位置にだけ配置された磁気コア片を使用する。この磁気コア片は浮遊外部磁束の影響を減少させるが、しかしこのコアは、最後には大きな電流の存在する状態で飽和することになる。その上、このコアの存在で、コイルを相互に接続することが複雑になる。

したがって、本発明の目的は、最先端技術の欠点を軽減して、外部擾乱に対して敏感でなく、体積が減少し、かつ工業化が簡単化された電流測定デバイスを提案することである。

本発明に従った電流測定デバイスはコイルを備え、前記コイルの端部のうちの少なくとも１つの局部インダクタンスは、前記コイルの中心部の近くの局部インダクタンスよりも大きい。

有利なことには、前記コイルの両端部での局部インダクタンスは、前記コイルの中心部の近くの局部インダクタンスよりも大きい。

有利なことには、中心部の局部インダクタンスよりも大きな局部インダクタンスを有するコイルの端部は、前記コイルの中心部の近くの単位長さ当たりの線の巻数よりも大きな単位長さ当たりの線の巻数を備える。

有利なことには、端部は、前記コイルの中心部の近くの線の巻き層の数よりも大きな数の線の巻き層を備え、巻きの巻線ピッチは一定である。

特定の実施形態では、端部は、同じ層の巻きに関して、前記コイルの中心部の近くの巻きの巻線ピッチよりも小さな巻線ピッチの巻きを備える。

好ましくは、コイルの２つ端部での巻数の変化が、コイルの全長の１０から２０パーセントまでに含まれた距離にわたって作られる。

本発明の開発に従って、中心部の局部インダクタンスよりも大きな局部インダクタンスを有するコイルの端部は、前記コイルの中心部の近くの巻きの長さよりも長い長さの巻きを備える。

特定の実施形態では、２個のコイルの端部の半径方向の表面は、隣接するコイルによって部分的に覆われている。

電流測定デバイスは、好ましくは、閉じた外形を形成するように配列された４個のコイルで形成される。

有利なことには、前記外形は、正方形または長方形の多角形である。

磁気回路のまわりに巻かれたコイルを有する磁気電流センサを備える混合型電流センサは、磁気センサの一次回路が前記電流測定デバイスの一次回路に対応するように配列された先に定義されたような電流測定デバイスを有する。

電気引出しユニット（トリップユニット）は、先に定義されたような少なくとも１つの電流測定デバイスに接続されて、一次電流を表す少なくとも１つの信号を受け取る処理手段を備える。

電気接点の開閉機構および先に定義されたような引出しユニットに接続されたリレーを備える切断デバイス（ブレーキングデバイス）、この引出しユニットは先に定義されたような電流測定デバイスを備える。

他の有利点および特徴は、ただ単に制限しない実施例として与えられかつ添付の図面に示される本発明の特定の実施形態についての以下の説明からいっそうはっきりと明らかになるであろう。

電流測定デバイス１は、電気的に直列に接続されかつ閉じた多角形の外形を形成する少なくとも３個の直線コイル２を備える。図２に示す本発明の好ましい実施形態に従って、電流測定デバイス１は、同じ面に配列（アレンジ）された４個の直線コイルを備える。各コイルの長手方向の軸Ｙは、そのコイルの物理的にすぐ隣に配置された２個のコイルのそれぞれの長手方向の軸に対して垂直である。

各コイルは中空で剛体または半剛体の直線形のシェルで構成され、このシェルは、非磁性材料で作られ、円筒形、正方形、長方形または卵形の断面を有している。銅または銅をベースにした合金でできた金属線が、このシェルに巻かれている。

一般に、知られているセンサのシェルは、円形の断面を有する。しかし、センサ用にとっておかれるスペースまたは体積が制限されるとき、そのような形は最大断面積を有することができない。実施形態では、コイルのシェルの断面は長方形である。２個のフランジ３が前記コイル２の２つの端にそれぞれ配置されている。

コイル２は、互いに電気的に直列に接続されている。各コイルは、４個のコイルの組を支持するベース５に取り付けられている。ベース５は、電流測定がされるその電流導体または配線（ライン）７が通り抜けることができる中心の開口６を備えている。この電流導体または配線７は、電流測定デバイス１の一次コイルを形成する。

図８から１０に示すような実施形態では、ベース５はプリント回路で形成される。そして、この回路は、コイル２の機械的な固定とコイル２の電気的な相互接続との両方を保証する。また、プリント回路は、接続バス１０との外部接続を行なう。４個のコイル２は、それぞれ、プリント回路のトラック（ｔｒａｃｋ）１１に直接半田付けされた接続ピン９を有する。

各コイル２は、数層の線（ワイヤ）を備えることができる。いずれか１つの層の線の巻き（ターン）は、一定のピッチで行なわれる。言い換えると、ある層に関して、単位長さ当たりの巻き８の数は一定である。さらに、それらの巻きは好ましくは結合される。

各コイル２は、偶数層の線かまたは奇数層の線かのどちらかを含み、偶数層の場合には接続ピン９はコイルのシェルの同じ側に位置し、奇数層の場合には接続ピン９はシェルの両方の側に位置している。第１の場合には、隣り合うコイルの接続ピン９の相互接続導電性トラック１１は、シェルの長さと実質的に等しい長さを有する。第２の場合には、有利なことに、プリント回路は、中心の開口６を実質的に囲繞する中性化導電性トラックを含む。このトラックは、外部磁界の外乱の影響（エフェクト）を中性化するように、電気的に直列に配列され、また磁気的に巻線と反対に配列されている。

正方形状の４個のコイル２のこの配列によって、巻き８が存在しないところに、構造不連続の４つの領域Ｈが絶対的に存在する。そのとき、多角形のコイルの間に形成された内角αは９０度である。

理想的には、図３に概略的に示すように、巻き８８が、センサの周囲のコイル不連続をなくするように領域Ｈに配列されるべきである。このようにして、この弧の部分での単位長さ当たりの巻数は、やはり直線部分の巻数に近くなるだろう。

センサのこの部分に巻きの無いことによる悪影響を制限するために、本発明は、センサの不連続領域の補償手段を適切な場所に置くことにある。この補償手段は、コイルのそれぞれの端の近くで局部的にコイルのインダクタンスを変えることにある。本発明は、実際のところ、コイルの端部Ａでコイル２のインダクタンスを局部的に増すことにある。そのとき、端部Ａの局部的なインダクタンスは、前記コイル２の中心部Ｂの近くで局部的に認められるインダクタンスよりも大きい。

このように、本発明の好ましい実施形態に従って、デバイスは、２つの端部Ａに補償巻きの巻線を有するコイル２を備える。この実施形態では、構造不連続は電気的な補償によって和らげられている。各端部Ａに追加される巻き８の数は、領域Ｈに欠けている巻数の１／（ルート２）倍にほぼ等しい。オーバーコイル４は、２つの端部Ａにできるだけ近く作られる。実施形態では、オーバーコイル４は、コイルの全長Ｌの好ましくは１０から２０％に含まれる距離Ｄにわたって作られる。各コイルの全体にわたった線の巻きは、好ましくは一定のピッチで行なわれ、例えば結合された巻きで行なわれる。

第１の他の実施形態に従って、オーバーコイルの影響（エフェクト）は、各コイル２の端部における線の巻線ピッチの変化の影響に置き換えられる。線の同じ層で、コイルの２つの端部Ａに局部的に認められる巻線ピッチは、実際は、前記コイルの中心部Ｂの近くに局部的に認められるものと異なっている。端部Ａでの線の巻線ピッチは、コイルの中心部Ｂの近くに局部的に存在する巻線ピッチよりも小さい。したがって、層数を増やす必要なしに、端部Ａに局部的に認められる単位長さ当たりの線の巻き８の数は、直線コイル２の中心部Ｂの近くに局部的に認められる単位長さ当たりの巻数よりも多い。

図５および６に示すような第２の他の実施形態に従って、構造不連続は、コイル２の端部Ａの位置における１コイル巻き当たりの線の長さの変化で補償することができる。そのとき、各コイル２は、全長Ｌにわたって一定でない断面を有する非磁性シェルで実現することができる。２つの端部Ａの近くのシェルの断面は、中心部Ｂの近くの断面よりも大きくなければならない。円錐の大きなベースがシェルの端部Ａに位置する表面に対応するようなやり方で配列された２個の円錐台状体積で構成されるシェルを想像することができる。他の解決策は、断面が円または放物線の一部に対応するプロファイルをなぞって一方の端部Ａから他方の端部まで変化するシェルを使用することにある。

図７に示すような他の代替えの実施形態に従って、最初の構造不連続は、一方で、コイルの端部Ａの近くでの局部的なインダクタンスの増加によって、また他方で、２個のコイルの空間的なオフセットによって補償される。したがって、電気的な補償は、幾何学的な補償と組み合わされる。この幾何学的な補償は、実際には、２個の平行なコイルを、その端部Ａが隣り合うコイルの半径方向の表面を部分的に覆うようなやり方で配置することにある。

本発明のこれら４つの実施形態を互いに組み合わせることは、当然想像することができる。実際に、例えば、コイル２の端部Ａのオーバーコイルに変化するピッチを有する巻線を備え付けること、または変化する断面を有するコイルに変化するピッチの巻線を備え付けることは、想像することができる。さらに、同じ電流測定デバイス１が、上述の異なる実施形態でそれぞれ実現されたコイルを備えることができる。

さらに、上述の解決策は、全てのコイル２の全ての端部Ａが修正された局部インダクタンスを有することを可能にする。このように、２個のコイル２の間の不連続は、２個のコイル２のそれぞれの端部Ａの構造的または電気的修正のために補償される。また、２個のコイル２の２つの端部Ａのうちのただ１つの端部Ａだけを修正することも想像することができる。実際には、電流測定デバイス１のコイル２の全てについて、２つのうちただ１つの端部Ａが修正された局部インダクタンスを有する。

一般的なやり方では、有害な影響または外部の外乱は、不連続領域Ｈが大きいとき、より大きな影響を電流測定に及ぼす。言い換えると、２個のコイルの間の内角αが小さければ小さいほど、例えば９０度よりも小さいと、それだけ構造不連続領域Ｈが大きく、そして外乱はそれだけ大きく感じられる。したがって、本発明に従った補償手段は、少なくとも八辺を有する多角形の外形にコイルが配列されている電流センサのために、特に設計される。８より多い辺を有する多角形では、不連続領域Ｈは比較的小さいので、それに隣接する補償手段の必要性はより重要でない。

本発明の異なる実施形態に従った電流測定デバイス１は、特に、磁気電流センサと組み合わせて、磁気センサとロゴスキー型電流測定デバイス１とで構成された混合型電流センサ２０を形成することを目的としている。

そして、この組立品２０は、回路遮断器５０のような切断デバイス（ブレーキングデバイス）を制御するように設計された電気引出しユニット（トリップユニット）４０に一体化することができる。回路遮断器５０は、電流測定導体または配線２５に取り付けられる。そして、磁気電流センサは、引出しユニットの電源ユニット２８に接続される。本発明に従った電流測定デバイス１は、処理手段２９に接続される。処理手段２９は、それ自体電源ユニット２８によって供給される。図１２に示すように、装置のいくつかの電気極各々は、本発明に従ったロゴスキー型電流測定デバイスおよび磁気電流センサを備えることができる。

処理手段２９が、電流測定デバイス１を介して、配線２５の少なくとも１つに存在する欠陥についての情報を受け取ると、接点３０の開閉制御命令を、リレー３１を介して開閉機構３２に送ることができる。

図１１に示すように、磁気電流センサは、基本的に、磁気回路２２に配列されたコイル２３で構成されて、電流変性器の二次巻線を形成する。一次回路は、組立品２０が取り付けられている電流導体または配線２５によって形成される。図示されないこの電流導体または配線２５は、磁気回路２２に用意された開口の内側に配置されている。その上、この実施形態に従って、磁気電流センサの一次回路は、また、本発明に従った電流測定デバイス１の一次回路に対応する。直列に取り付けられ正方形を形成する４個の直線コイル２は、実際は、前記電流導体または配線２５が通る開口６のまわりに配列されている。４個のコイルの支持物として作用するプリント回路５は、前記コイルの電気接続のために使用されるが、コイル２３の電気接続のためにも使用される。さらに、センサの両方に単一の接続バス１０を使用することを想像することができる。

この構成は、組立品の全体的な大きさを非常に減少させることができ、またこの型の混合型電流センサ２０の電気引出しユニット４０への取付けに好都合である。

知られている型の電流測定デバイスを示す上面図である。 本発明の好ましい実施形態に従った４個のコイルを有する電流測定デバイスを示す模式的な上面図である。 ２個のコイルの結合領域に対応する図２を示す拡大図である。 図２に従った電流測定デバイスを示す側面図である。 図２に従った電流測定デバイスの他の実施形態を示す側面図である。 図２に従った電流測定デバイスの他の実施形態を示す側面図である。 図２に従った電流測定デバイスの他の実施形態を示す側面図である。 支持物への組み立ての途中にあるコイルを示す透視図である。 支持物への組み立ての途中にあるコイルを示す透視図である。 支持物への組み立ての途中にあるコイルを示す透視図である。 本発明に従った電流測定デバイスが磁気電流センサと組み合わされている特定の実施形態を示す図である。 本発明に従った電流センサを一体化する切断デバイスを示すブロック図である。

符号の説明

１ 電流測定デバイス
２、２３ コイル
７ 配線
７、２５ 一次回路
８ 巻き
２０ 混合型電流センサ
２２ 磁気回路
２９ 処理手段
３０ 電気接点
３２ 開閉機構
４０ 引出しユニット
５０ 切断デバイス

Claims (13)

1. ロゴスキー型電流測定デバイスであって、電気的に直列に接続されて閉じた多角形の外形を形成し、電流導体または配線（７）を囲繞して電流測定を行なうように設計された少なくとも３個のコイル（２）を備え、前記コイル（２）の端部（Ａ）のうちの少なくとも１つの局部インダクタンスが、前記コイルの中心部（Ｂ）の近くの局部インダクタンスよりも大きいことを特徴とする電流測定デバイス。
2. 前記コイル（２）の両端部（Ａ）での局部インダクタンスが、前記コイルの中心部（Ｂ）の近くの局部インダクタンスよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の電流測定デバイス。
3. 前記中心部（Ｂ）の局部インダクタンスよりも大きな局部インダクタンスを有する前記コイル（２）の端部（Ａ）が、前記コイルの前記中心部（Ｂ）の近くの単位長さ当たりの線の巻き（８）の数よりも多い数の単位長さ当たりの線の巻き（８）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の電流測定デバイス。
4. 前記端部（Ａ）が、前記コイルの中心部（Ｂ）の近くの線の巻き（８）の層数よりも多い層数の線の巻き（８）を備え、前記巻きの巻線ピッチが一定であることを特徴とする、請求項３に記載の電流測定デバイス。
5. 前記端部（Ａ）が、同じ層の巻き（８）に関して、前記コイルの中心部（Ｂ）の近くの巻きの巻線ピッチよりも小さな巻線ピッチの巻きを備えることを特徴とする、請求項３に記載の電流測定デバイス。
6. 前記コイル（２）の各端部（Ａ）での巻数の変化が、前記コイル（２）の全長（Ｌ）の１０から２０パーセントまでに含まれた距離（Ｄ）にわたって作られることを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載の電流測定デバイス。
7. 前記中心部（Ｂ）の局部インダクタンスよりも大きな局部インダクタンスを有する前記コイル（２）の端部（Ａ）が、前記コイルの前記中心部（Ｂ）の近くの巻き（８）の長さよりも長い長さの巻きを備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の電流測定デバイス。
8. コイル（２）の端部（Ａ）のうちの少なくとも１つの半径方向の表面が、隣接するコイルによって部分的に覆われていることを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載の電流測定デバイス。
9. 閉じた外形を形成するように配列された４個のコイル（２）で形成されていることを特徴とする、前記請求項１−８の１つに記載の電流測定デバイス。
10. 前記外形が、正方形または長方形の多角形であることを特徴とする、請求項９に記載の電流測定デバイス。
11. 磁気回路（２２）のまわりに巻かれたコイル（２３）を有する磁気電流センサを備える混合型電流センサ（２０）であって、前記請求項１−１０の１つに記載の電流測定デバイス（１）を備え、前記電流測定デバイスは、前記磁気センサの一次回路（７、２５）が前記電流測定デバイス（１）の一次回路（７、２５）に対応するように配列されていることを特徴とする混合型電流センサ（２０）。
12. 処理手段（２９）を備える電気引出しユニット（４０）であって、前記処理手段（２９）が、前記請求項１−１０の１つに記載の少なくとも１つの電流測定デバイス（１）に接続されて、一次電流を表す少なくとも１つの信号を受け取ることを特徴とする、電気引出しユニット（４０）。
13. 切断デバイス（５０）であって、電気接点（３０）の開閉機構（３２）および引出しユニット（４０）に接続されたリレー（３１）を備え、前記引出しユニットが、請求項１から９の１つに記載の電流測定デバイス（１）を備える請求項１２に記載の引出しユニットであることを特徴とする、切断デバイス（５０）。

Images