JP2010529425A - 導電体を流れる電流を測定するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は導電体（１）を流れる電流の測定のための装置であって、導電体（１）に結合するための磁気回路（２）を有し、磁気回路（２）が空隙（３）を備えている、装置に関する。磁場を感知する構成要素（４）が磁気回路（２）の空隙（３）に位置しており、導電体（１）によって生じた磁場を測定するために用いられ、２つの制御コア（５）が磁気回路（２）の空隙（３）に配置されており、各制御コア（５）はそれぞれの制御コア（５）の磁気飽和のための制御巻線（６）を有し、磁場を感知する構成要素（４）は制御コア（５）の間に配置され、１つまたは複数の追加の要素（７）が磁場を感知する構成要素（４）の付近に位置し、制御コア（５）から独立して、磁場を感知する構成要素（４）の付近に妨害磁場を導くのに適している。
【選択図】図１

Description

特許文献１は、導電体を流れる電流を測定するための装置を開示している。

独国特許第１０２００５０２４０７５号明細書

解決すべき課題は、導電体を流れる電流を測定するための装置であって、外部の磁気の影響から独立した正確な測定を可能にする装置を特定することである。

この課題は、請求項１に記載の導電体を流れる電流を測定するための装置によって解決される。

装置は導電体と結合するための磁気回路を有し、該磁気回路は空隙を備えている。磁場を感知する構成要素が導電体によって生じた磁場を測定するように磁気回路の空隙に配置されている。２つの制御コアが磁気回路の空隙に位置してもよく、各コアは制御巻線を有し、該巻線はそれぞれの制御コアの飽和のために用いられる。

磁場を感知する構成要素が制御コアの間に配置されたことにより、磁場を感知する構成要素は、好ましくは磁気回路の空隙の中央付近に位置している。

１つまたは複数の追加の要素が、磁場を感知する構成要素の付近に位置しており、磁場を感知する構成要素により、制御コアから独立して、測定装置の付近に磁場を導くのに適している。

磁場を感知する構成要素の付近の磁場は、導電体または制御巻線により発生されたものではなく、測定を著しく悪化させる。

好ましい実施形態では、追加の要素が、磁場を感知する構成要素の妨害外部磁場を集中させるような磁気特性を有する。

追加の要素は、好ましくは１より大きい相対透磁率を有する。

特に、軟磁性物質が追加の要素に適しており、それは制御コアの相対透磁率以上の相対透磁率を有する。制御コアにも用いられる物質は、好ましくはこの目的に適している。

追加の要素は、好ましくは磁場を感知する構成要素の両側に配置される。その結果として、可能性のある妨害磁場が、磁場を感知する構成要素の付近に効果的に集中し、磁場を感知する構成要素を通じて導かれ得る。

一実施形態では、要素は一体化された制御コアからなる一体構成要素の形をとることも可能である。この場合は、磁場を感知する構成要素と相対的に近いところに制御コアの外側湾曲または制御コアの厚み部分を設けることを可能とし、その結果、追加の要素と磁場を感知する構成要素との間の空隙が可能な限り小さくなる。制御コアの厚み部分の領域または外側湾曲の領域は、制御コアが飽和してもなお残留透磁率を有する。

さらなる実施形態では、要素は複数の個別の部分を有し、それらは一つの要素を構成するように互いに接続されることができる。

制御巻線が制御コアを完全に飽和させたときも、追加の要素は、好ましくは残留透磁率を有する。そして制御コアが飽和したときでさえも、妨害磁場はなお追加の要素によって集められ、磁場を感知する構成要素を貫通することができる。

一実施形態では、追加の要素は強磁性物質、例えばフェライト、ナノ結晶金属合金またはパーマロイからなる。しかしながら、強磁性特性を有する他の物質もまた適する。

導電体を流れる電流の信頼できる測定を可能にするように、磁気回路は導電体の断面を完全に囲むことができる。

好ましい実施形態では、制御コアはフェライトコアの形態をとる。この場合、特に好ましくはフェライトコアは方形のフレームの形態をとり、該フレームは、フレームの少なくとも一方の側では、フェライトコアの飽和のための制御巻線を有する。特に効率的な一変形例では、制御巻線はフレームの互いに反対の２つの側に配置される。この形態における制御コアの配置は制御コアが効率的な飽和を達成することを可能にする。

さらなる実施形態では、フェライトコアはリングの形態をとり、該リングはリングの少なくとも１つの領域で、フェライトコアの飽和のための制御巻線を有する。特に好ましい効率的な変形例では、制御巻線は制御コアの効率的な飽和を達成するようにリングの互いに反対の２つの領域に配置される。

好ましい変形例では、各制御コアのフレームまたはリングは、各フレームまたはリングを含む平面が好ましくは共通の平面上にあるように配置される。この配置では、１つの平面が両方の制御コアを含み、制御コアの重複する領域が最大になるように最適化される。この配置により磁場を感知する構成要素が配置される空隙を最小限にする。

さらなる実施例では、制御コアが共通の平面上にあるのではなく、両方の制御コアおよび磁場を感知する構成要素を通る軸に沿って互いに対してねじれの位置に配置されることもまた可能である。

磁場を感知する構成要素は、好ましくはホールセンサである。電流と直角に走る磁場に位置するホールセンサを通って電流が流れるとき、その結果として出力電流が磁場の強さと電流との積に比例する。

導電体を流れる電流を求めるために、様々な測定がホールセンサを用いて行われる。第１の測定は正に飽和した制御コアにより行われ、さらなる測定は制御巻線を通って流れる電流が切れた直後に行われる。さらなる測定は負に飽和した制御コアにより行われ、その後の測定は制御巻線を通る電流が切れた直後に行われる。制御コアが飽和したときおよび飽和していないときのホールセンサの感度から得られる特定の要因を考慮すると、導電体を通る電流の電流レベルは、知られている方程式を用いてこれら４つの測定値から算出することができる。

外部磁場により発生した妨害の影響は、好ましくは軟磁性物質からなる新しく加えられた要素により、飽和した制御コアおよび飽和していない制御コアの両方に関する方程式から消去することができる。これは、妨害の寄与を追加の要素によって互いに相殺し合うことができるためである。

ホールセンサの付近における好ましくは軟磁性である追加の要素により、電流レベルを算出するための方程式における外部妨害磁場の寄与を相殺することが可能となり、その結果として、これらの寄与を消去することができる。したがって、外部妨害磁場により発生した寄与は、飽和していない制御コアに関する算出および飽和した制御コアに関する算出において相殺され、したがって、方程式から消去することができる。したがって、線形方程式系は簡単な方法で解くことができ、導電体の電流レベルを求めることができる。

この場合、以下の２つの方程式が用いられる。
Ｒ_Ｌ＝ｎ＋ｓ_ｌ＊Ｉ＋ｓ_Ｂｌ＊Ｂ_{ｓｔａｔｉｃ}＊ｓｉｎ（α）
Ｒ_Ｈ＝ｎ＋ｓ_ｈ＊Ｉ＋ｓ_Ｂｈ＊Ｂ_{ｓｔａｔｉｃ}＊ｓｉｎ（α）
物理変数は測定値におけるアナログの電気変数に変換されることがある。アナログ変数である測定幅が有限数に量子化される場合、互いに近い部分領域（区間）へと分割され、それら部分領域に各々有限の記号系（例えば整数）の値が割り当てられる。用いられるアナログ変数の部分領域の数は分解能と呼ばれ、２進記号系の場合は２のべき乗（ビットで表した分解能）でもある。しかしながら、これはまた、区間が同じサイズであるときの区間のサイズでもある。

量子化ステップは測定信号の値を離散的な形態で反映する。

上に引用した方程式において、Ｒ_Ｌは低感度の測定値のための量子化ステップの数を表し、Ｒ_Ｈは高感度の測定値のための量子化ステップの数を表す。変数ｎは量子化ステップにおける磁場を感知する構成要素のゼロ点を表す。変数ｓ_ｌおよびｓ_ｈは飽和した制御コアのための磁場を感知する要素の感度（ｓ_ｌ）および飽和していない制御コアのための磁場を感知する要素の感度（ｓ_ｈ）を表す。変数Ｂ_{ｓｔａｔｉｃ}は外部磁場の磁束密度を表し、変数αは外部磁場が磁場を感知する構成要素に入る際の角度を表す。変数Ｉは、測定において電流レベルを求めることが意図されている導体を通って流れる電流の電流レベルを表す。

磁場を感知する構成要素の付近に、好ましくは軟磁性である要素を追加することにより、変数ｓ_Ｂｌおよびｓ_Ｂｈを相殺することが可能になる。それゆえ線形方程式系は、電流レベルＩを求めるために、簡単な方法で解くことができる。

装置は、例示の実施例および添付の図面を参照にして、以下の文においてより詳細に説明される。

以下の文で説明される図面は、寸法通りとみなされるべきではない。実際には、記載された個別の寸法は、記載を改良するために、増加、減少、あるいは変形した形で記載され得る。

互いに同一の要素または同一の機能を奏する要素には同一の参照符号が付けられる。

導電体を流れる電流の測定のための装置の例を示す図である。 導電体を流れる電流の測定のための装置の例の詳細を示す図である。 導電体を流れる電流の測定のための装置のさらなる例の詳細を示す図である。

図１は、導電体を流れる電流の測定のための装置の可能な変形例を示しており、磁気回路２が導電体１を取り囲んでおり、該回路はフェライトでできている。一方の側では、磁気回路２は、２つの制御コア５が位置する空隙３を有している。磁場を感知する構成要素４が制御コア５の間に位置し、導電体１を流れる電流を測定するように用いられている。各制御コア５は制御巻線６を有し、それは制御コア５の飽和のために用いられる。これらの制御巻線６は、好ましくは制御コア５のフレームの１つ以上の側に位置しており、好ましくは制御コア５のフレームの互いに反対の側に位置している。

さらなる実施形態では、ここでは図示していないが、制御コア５はリングであってもよい。これらのリングは制御巻線６を１つ以上の領域で有しており、制御巻線は好ましくは互いに反対の領域に配置されている。

導電体１を通って流れる電流の測定における妨害を排除するために、または要求された測定値を求める際に妨害を取り除く計算を行うために、妨害磁場を集中させ磁場を感知する構成要素４を貫通する、さらなる要素７が磁場を感知する構成要素４の付近に位置している。

好ましい実施形態では、好ましくは軟磁性物質がこれらの要素７に適している。これらの要素７は両方別々に形成されるか、または制御コアの部分領域として形成される。要素７は複数の個々の部品を組み立ててつくることも可能である。好ましい実施形態では、要素７は制御コア５の一部を構成する。この場合、磁場を感知する構成要素４の付近で制御コア５に外側湾曲領域（英語でｂｕｌｇｅ、独語でＡｕｓｂｕｃｈｔｕｎｇｅｎ）または厚み領域を設けることが特に好ましい。

好ましい実施形態にあるように、これらの要素７は制御コア５と同じ物質からなってもよい。さらなる実施形態では、しかしながら、要素７は軟磁性の特性を有する任意の所望の物質からなってもよい。この場合、要素７の形状は、要素７が妨害磁場に与える影響に何の影響も与えない。

例として、要素７は正方形の形状であってもよく、リングの形状であってもよく、八面体の形状であってもよく、十二面体の形状であってもよく、または他の任意の所望の形状であってもよい。

図２および図３は図１の細部を示しており、磁場を感知する構成要素４の領域における要素７の位置をより詳細に図示することを意図している。要素７の正確な位置はあまり重要ではなく、必要なことは、妨害磁場が測定装置の付近に集められ、磁場を感知する構成要素４を貫通することができるように、要素７が磁場を感知する構成要素４の付近に確実に配置されていることである。

例示の実施形態において、本発明の可能な発展形態を限られた数しか記載することができなかったが、本発明はそれらに限定されるものではない。原則として、装置のために異なる数の制御巻線や異なる形状の磁気回路を用いること、または互いからずれた位置に要素を配置することもまた可能である。本発明では要素の数は概略的に示されたものに限定されない。

ここで明記した主題および方法の記載は、個々の特定の実施形態に限定されない。実際には、技術的に価値がある限り、個々の実施形態の特徴は必要に応じて互いに組み合わせることができる。

１ 導電体
２ 磁気回路
３ 空隙
４ 磁場を感知する構成要素
５ 制御コア
６ 制御巻線
７ 追加の要素

Claims (15)

1. 導電体（１）を流れる電流を測定するための装置であって、
   導電体（１）と結合するための、空隙（３）を備えた磁気回路（２）と、
   導電体（１）によって生じた磁場を測定するように、磁気回路（２）の空隙（３）に配置された磁場を感知する構成要素（４）と、
   空隙（３）に配置された、空隙（３）を制御するための２つの制御コア（５）とを有し、
   各制御コア（５）が、それぞれの制御コア（５）の磁気飽和のための制御巻線（６）を有し、
   磁場を感知する構成要素（４）が、制御コア（５）の間に配置され、１つまたは複数の追加の要素（７）が、磁場を感知する構成要素（４）の付近に位置し、制御コアから独立して、磁場を感知する構成要素（４）の付近に磁場を導くのに適している、装置。
2. 要素（７）が磁化可能である、請求項１に記載の装置。
3. 要素（７）が軟磁性物質からなる、請求項１または２に記載の装置。
4. 要素（７）が制御コア（５）の相対透磁率以上の相対透磁率を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 要素（７）が磁場を感知する構成要素（４）の両側に配置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 制御コア（５）が飽和したときに要素（７）が残留透磁率を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 要素（７）が強磁性金属を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 磁気回路（２）が導電体（１）を囲む、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 制御コア（５）がフェライトコアの形態をとる、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 制御コア（５）が長方形のフレームを有し、フレームの少なくとも一方の側において、制御コア（５）の飽和のための制御巻線（６）を有する、請求項９に記載の装置。
11. 制御コア（５）がリングの形態をとり、リングの部分領域において、制御コア（５）の飽和のための制御巻線（６）を有する、請求項９に記載の装置。
12. 制御コア（５）が互いに反対の２つの側に制御巻線（６）を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 制御コア（５）が共通の平面上にある、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 制御コア（５）が互いに対してねじれの位置に配置される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
15. 磁場を感知する構成要素（４）がホールセンサである、請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置。

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