JPH112646A

JPH112646A - 直流電流センサーと直流電流流出防止方法

Info

Publication number: JPH112646A
Application number: JP9143581A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kawakami; 川上　　誠
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】インバーター出力側の交流電流中に流出して
混入する微小な直流電流を検出し、その検出したデータ
に基づいて負帰環をかけ、該直流電流を零にすること
で、実質的な直流電流流出防止を可能としたトランスレ
スインバーターの提供のための被検出導線中の交流電流
中に混入する微小な直流電流を非接触にて高感度で測定
する直流電流センサー。【解決手段】被検出導線を貫通配置する励磁コイル１
１及び直流検出コイル１２をトロイダル状に巻回配置し
た環状の軟質磁性材料からなる直流成分検出コア１０
と、交流検出コイル２１を巻回配置する環状の軟質磁性
材料からなる交流成分検出コア２０とからなり、前記の
直流成分検出コア１０と交流成分検出コア２０とにまた
がって巻回配置し、交流電流によって交流検出コイル２
１に発生する起電力が零になるよう帰環電流を流す帰環
電流用コイル２２とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、太陽光発電シス
テム、無停電電源装置、各種家電製品等の直流電流を交
流電流に変換する設備等の分野で使用される、交流電流
中に混入する直流電流を検出する直流電流センサーに係
り、特に、構造が比較的簡単で微小な直流電流を高感度
で検出可能とする直流電流センサーとそれを用いて交流
電流中に直流電流が流出するのを防止する直流電流の流
出防止方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から太陽光発電システムや無停電電
源装置等の機器においては、直流電流をインバーターを
介して交流電流に変換していたが、このインバーター出
力側の交流電流中に微小な直流電流が流出して、負荷側
で使用される交流電源を用いる電気機器に直流電流が流
入すると、機器に内蔵されている電源トランスやリアク
トル、モーター等が直流偏磁によりインダクタンスが減
少し、過電流が流れて焼損する等の問題を発生するた
め、インバーター出力側にトランスを配置する構成が採
用されていた。

【０００３】しかし、この構成では絶縁トランスが高価
で大型、重量があるため、インバーターの小型軽量化、
コスト低減の阻害要因となっており、トランスを配置し
ない、所謂トランスレスインバーターの使用が検討され
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記のトランスレスイ
ンバーターは小型、軽量、低価格等の長所を有するもの
の、先に説明したインバーター出力側への直流電流の流
出防止の観点からは問題点を有したままである。

【０００５】トランスレスインバーターの実用化のため
には、従来のトランス配置構成に比較して、構造が比較
的簡単で安価な直流電流流出防止手段の提案が不可欠で
ある。しかし、現在まで、具体的な直流電流流出防止手
段は提案されておらず、トランスレスインバーターとし
て実用化に至っていないのが現状である。

【０００６】そこで、発明者は、トランスレスインバー
ターの実現に際して、インバーター出力側への直流電流
の流出を防止するためには、まず、交流電流中に流出し
て混入する微小な直流電流を直流電流センサーにて検出
することが必要であり、この検出したデータに基づいて
負帰環をかけ、該直流電流を零にすることで、実質的な
直流電流流出防止が可能となるとの知見を得た。

【０００７】この発明は、上記の問題点を解決する実質
的な直流電流の流出防止方法を実現するために好適な直
流電流センサーの提供を主たる目的とするものであり、
構造が比較的簡単で微小な直流電流を高感度で検出可能
とする直流電流センサーの提供並びにこれを用いた直流
電流流出防止方法の提供を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明者は、先に、配電盤
制御回路信号の保守管理を行なうための電流計測、各種
直流機器の制御を行なうための電流計測等、広範囲分野
で使用される種々の構成からなる直流電流センサーを提
案した（特開平６‐７４９７８号、特開平６‐１９４３
８９号、特開平６‐２８１６７４号、特開平７‐４９３
５７号、特開平７‐５５８４６号、特開平７‐１１０３
４３号、特開平７−１２８３７３号、特開平７−１９８
７５４号、特開平９−５３６１号他）。

【０００９】前記の目的を達成するために、先に提案し
た種々の構成からなる直流電流センサーを有効に活用す
ることが可能な構成を検討した。発明者は、被検出導線
中に流れる直流成分を検出するセンサーと、被検出導線
中に流れる交流成分を検出するセンサーとを併設し、更
に、これらセンサーのそれぞれにまたがる帰還電流用コ
イルを配置した構成を採用することにより、前述の目的
が達成できることを知見した。

【００１０】すなわち、一旦、交流成分検出センサーに
て前記交流成分のみを検出し、該交流成分検出センサー
の出力が零となるように帰還電流用コイルに帰還電流を
流すと、交流成分検出センサーにおける交流成分の影響
を実質的に零とするだけでなく、同時に直流成分検出セ
ンサーにおける交流成分の影響をも実質的に零とするこ
とができるため、該直流成分検出センサーが有する本来
的な特徴を有効に活用することができ、交流電流中に混
入する直流電流を検出できることを知見した。

【００１１】特に発明者が先に提案した直流電流センサ
ーでは、いずれも環状の軟質磁性材料からなる検出コア
を配置し、被検出導線中に流れる直流電流によって発生
する検出コア内の磁束に基づいて該直流電流の絶対値を
検出する構成であることから、被検出導線に交流電流と
直流電流が同時に流れると、交流電流により発生する検
出コア内の磁束と直流電流により発生する検出コア内の
磁束が重畳されてしまい、直流電流のみの絶対値を検出
することが不可能となってしまう。しかし、先に説明し
た交流成分検出センサーと帰還電流用コイルを併設し、
交流電流により発生する検出コア内の磁束を実質的に零
とすることが可能であれば、先に提案した直流電流セン
サーのすぐれた特徴を有効に活用でき、直流電流のみの
絶対値を高感度に検出することが可能となる、と考えら
れる。

【００１２】すなわち、この発明は、直流成分検出セン
サーと交流成分検出センサーの各内側に直流電流と交流
電流が流れる被検出導線を貫通配置し、両センサーにま
たがって巻回配置する帰環電流用コイルを有した構成か
らなり、前記被検出導線を流れる交流電流による交流成
分検出センサーの出力が零になるよう帰環電流用コイル
に帰環電流を流し、前記被検出導線を流れる交流電流に
よる直流成分検出センサーへの影響を実質的に零にし
て、直流成分検出センサーにて前記被検出導線に流れる
直流電流を検出する直流電流センサーである。

【００１３】また、発明者は、上記の直流電流センサー
において、交流成分検出センサーが、環状の軟質磁性材
料からなる交流成分検出コアと該コアにトロイダル状に
巻回配置する交流検出コイルとからなる構成、交流成分
検出コアの周方向の少なくとも一箇所にギャップを形成
した構成、直流成分検出センサーが、環状の軟質磁性材
料からなる直流成分検出コアと該コアにトロイダル状に
巻回配置する励磁コイルと直流検出コイルとからなる構
成を併せて提案する。

【００１４】さらに、発明者は、上記の直流電流センサ
ーにおいて、直流成分検出センサーが、励磁コイルに直
流成分検出コア内に該コアの保磁力を超える磁場を発生
させる三角波状の励磁電流を流し、直流成分検出コア内
の磁束の向きが反転するタイミングを検出コイルに発生
するパルス状の電圧にて検出し、該パルスの間隔を比較
測定して直流電流を検出する構成からなるもの、直流成
分検出センサーが励磁コイルに直流成分検出コアを、磁
気的に飽和可能なピーク値を有する正・負のパルス電流
を交互に流し、検出コイルに発生する正・負のパルス状
出力の各々ピーク値を個別にサンプルアンドホールド
し、該ピーク値の平均出力を測定して直流電流を検出す
る構成からなるもの、直流成分検出センサーが、励磁コ
イルに所定の交流電流を流すことにより前記被検出導線
を流れる直流電流に基づき発生する直流成分検出コア内
の磁束を、周期的にスイッチングする構成からなる直流
電流センサーを併せて提案する。

【００１５】また、発明者は、前述のごとく、インバー
ター出力側への直流電流流出の防止を実現するためには
交流電流中に流出して混入する微小な直流電流を検出す
ることが必要であると考え、この検出したデータに基づ
いて負帰環をかけ、該直流電流を零にすることで、実質
的な直流電流の流出防止が可能であることを知見した。

【００１６】この発明は、直流電流をインバーターを介
して交流電流に変換してなる該インバーター出力側の交
流電流中に流出した直流電流を前述の直流電流センサー
にて検出し、該直流電流センサーの検出データに基づい
て負帰還をかけて、前記の流出した直流電流を実質的に
零とする直流電流流出防止方法である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の直流電流センサ
ーの作用を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、こ
の発明の直流電流センサーの一実施例を示す概要説明図
である。この構成において、２は直流成分検出センサー
であり、３は交流成分検出センサーである。１０は直流
成分検出センサーを構成する環状の軟質磁性材料からな
る直流成分検出コアであり、２０も同様に交流成分検出
センサーを構成する環状の軟質磁性材料からなる交流成
分検出コアである。これらの各々コア１０，２０の内側
には交流電流とともに流出した微小な直流電流が流れる
被検出導線（図示せず）が貫通配置される。

【００１８】直流成分検出コア１０には励磁コイル１１
及び直流検出コイル１２をトロイダル状に巻回配置し、
交流成分検出コア２０には交流検出コイル２１をトロイ
ダル状に巻回配置している。２２は直流成分検出コア１
０と交流成分検出コア２０とにまたがってトロイダル状
に巻回配置する帰環電流用コイルである。また、交流検
出コイル２１と帰環電流用コイル２２の間には位相補正
回路３０、アンプ３１が接続される。

【００１９】以上の構成からなる直流電流センサーにお
いて、特に直流成分検出センサー２は、先に発明者が提
案した構造で、励磁コイル１１に直流成分検出コア１０
内に該コア１０の保磁力を越える磁場を発生させる三角
波状の励磁電流を流し、直流成分検出コア１０内の磁束
の向きが反転するタイミングを直流検出コイル１２に発
生するパルス状の電圧にて検出し、該パルスの間隔を比
較測定する構成（特開平７−１２８３７３号）を基本構
造とする。

【００２０】かかる構成は、図示のごとく、直流成分検
出コアの構造が極めて簡単で、しかも付属する電子回路
も簡単であることから直流センサー全体構造も簡単で、
小型化、低価格に最も有効な直流電流センサーの提供が
可能になる。

【００２１】さらに、これらの構成を図２、図３及び図
４にて詳細に説明する。図２は直流成分検出センサー２
の斜視説明図であり、図３は直流成分の検出作動原理を
説明する概念説明図である。ここでは、直流電流の検出
作動原理を説明するため、被検出導線１に交流電流が流
れていない状態を仮定し、直流電流の検出のみを対象と
して説明する。

【００２２】励磁コイル１１に、直流成分検出コア１０
内に該コア１０の保磁力を超える磁場を発生させる図３
Ａの実線に示すような三角波状の励磁電流ｉを流す。す
なわち、励磁電流のピーク値をｉ_pとし、励磁コイル１
１の巻数をＮ、直流成分検出コア１０の保磁力をＨｃ、
直流成分検出コア１０の磁路長をｌとすると、Ｈｃ＜Ｎ
ｉ_p／ｌとなるように三角波状の励磁電流ｉのピーク値
をｉ_pを設定する。

【００２３】被検出導線１に直流電流Ｉが流れていない
場合（Ｉ＝０）、励磁電流ｉが増加してＮｉ／ｌ＝Ｈｃ
になった時、また、励磁電流ｉが減少してＮｉ／ｌ＝−
Ｈｃになった時に図３Ｂの実線に示すように、直流成分
検出コア１０内の磁束の向きが急速に反転し、直流検出
コイル１２に図３Ｃの実線に示すような逆向きのパルス
電圧が発生する。

【００２４】このパルス電圧を所定の電気回路を介する
ことによって、最終的に図３Ｄに示すようなアナログ出
力として得ることができる。ここで、直流成分検出コア
１０の保磁力Ｈｃが正負対称であれば、保磁力Ｈｃの大
きさによらず、三角波状励磁電流ｉの山側と谷側で発生
するパルス間隔Ｔ₁，Ｔ₂は等しくなる。

【００２５】被検出導線１に直流電流Ｉが流れている場
合（Ｉ＝Ｉ₀）、直流成分検出コア１０内には上述した
ように励磁電流ｉの増減によって発生する磁場以外に、
被検出導線１に流れる直流電流Ｉによって、予め磁場Ｉ
₀／ｌが形成されることから、これらの磁場が重畳さ
れ、それぞれ図３Ａ〜Ｃの破線に示すように変化し、最
終的には図３Ｅに示すようなアナログ出力が得られる。

【００２６】この場合は、直流成分検出コア１０の保磁
力Ｈｃが正負対称であっても、三角波状励磁電流ｉの山
側と谷側で発生するパルス間隔Ｔ₁，Ｔ₂に差（Ｔ₂＜
Ｔ₁）が生じることとなる。

【００２７】しかし、三角波状励磁電流ｉの時間あたり
の変化が一定で、かつ増加時と減少時の傾きの絶対値が
等しい場合は、被検出導線１に流れる直流電流Ｉが、
｛（Ｔ₁−Ｔ₂）／（Ｔ₁十Ｔ₂₎｝に比例する。

【００２８】したがって、予めこれらのパルス間隔
Ｔ₁，Ｔ₂の差と被検出導線１に流れる直流電流Ｉとの相
関を測定しておくことによって、それぞれのパルス間隔
Ｔ₁，Ｔ₂を電気的に計測することで、被検出導線１に流
れる直流電流Ｉの絶対値を検出することが可能となるの
である。

【００２９】次に、交流電流により発生する検出コア内
の磁束を実質的に零とする手段について、図４にて説明
する。図４は交流成分検出センサー３の斜視説明図であ
り、交流成分検出コア２０に交流検出コイル２１及び帰
環電流用コイル２２を巻回配置した構成を示している。

【００３０】被検出導線１に流れる交流電流によって、
交流成分検出コア２０内には磁束φが発生し、さらに、
その磁束φの時間的変化に基づき交流検出コイル２１に
起電力が発生する。ここで、交流検出コイル２１に発生
する起電力が零になるよう帰環電流用コイル２２に所定
の帰環電流を流すと、交流成分検出コア２０内の磁束を
実質的に零とすることができる。

【００３１】従って、図１に示すように、帰環電流用コ
イル２２を交流成分検出センサー３及び直流成分検出セ
ンサー２、すなわち、交流成分検出コア２０だけでな
く、直流成分検出コア１０にもまたがって巻回配置すれ
ば、直流成分検出コア１０内に発生する被検出導線１に
流れる交流電流によって発生する磁束をも実質的に零と
することができ、直流成分検出コア１０に巻回配置され
る直流検出コイル１２は、交流電流による影響を受ける
ことなく、先に説明した作動原理に基づいて、直流電流
のみの検出を実現することができる。なお、図中３０及
び３１は、交流検出コイル２１と帰還電流用コイル２２
の間に配置される位相補正回路とアンプである。

【００３２】なお、交流成分検出コア２０には直流偏磁
による交流検出コイル２１及び帰還電流用コイル２２の
インダクタンス変化が発生し、帰環回路での位相補正が
不適切となると系が不安定となり、発振する。これを防
止するために、インダクタンスの安定を目的に周方向の
少なくとも一箇所にギャップを形成することが望まし
い。特に、電気的なバランスや製造性等の観点からは、
図に示すように対称位置となる周方向の二箇所にギャッ
プ２３ａ，２３ｂを形成することが望ましい。ギャップ
寸法は各々検出コアの磁気特性及び測定する直流電流の
大きさにより適宜選定することが望ましい。

【００３３】また、直流成分検出コアと交流成分検出コ
アにはＮｉ‐Ｆｅ系合金（パーマロイ）、ケイ素鋼板、
ソフトフェライト等の公知の軟質磁性材料を用いること
が可能であるが、先の説明からも分かるように、直流成
分検出コアには透磁率が高く保磁力が小さな材料がより
好ましく、交流成分検出コアには交流磁気特性が良好な
材料がより好ましいことから、直流成分検出コアをＮｉ
‐Ｆｅ系合金にて、交流成分検出コアをＭｎ−Ｚｎ系ソ
フトフェライトにて構成することが望ましい。

【００３４】なお、直流成分検出コアに巻回配置する励
磁コイル及び直流検出コイルは、図示のように独立して
設ける構成に限定されることなく、各々の機能を共用し
た一つのコイルとすることも可能である。すなわち、励
磁コイル及び直流検出コイルは実質的に同方向、同位置
に巻回配置されており、励磁コイルにも前記のパルス状
の電圧が発生することから、電気的にパルス成分のみを
取り出す回路を付加することによって、励磁コイルに直
流検出コイルの機能を共用させることが可能となる。

【００３５】図１に示す構成からなるこの発明の直流電
流センサーでは、センサーとしての全体の構造が簡単
で、小型化、低価格を実現できるという長所を有する反
面、直流成分検出センサーとして三角波状の励磁電流を
使用することから必然的に応答速度が限定されてしまう
ことが分かった。すなわち、三角波状励磁電流の周波数
を増大すると、直流成分検出コアを構成する軟質磁性材
料の交流磁気特性が、直流磁気特性のものと異なりルー
プ状となってしまい、検出コイルから明確なゼロクロ
ス、パルスが得られなくなってしまうことから、通常数
１０Ｈｚ程度までの三角波状電流を用いることになる。

【００３６】この程度の周波数の三角波電流を用いた場
合、該センサーの応答速度は２秒程度となり、例えば、
０．５秒以内の高い応答速度を要求される太陽光発電シ
ステムの用途などへの適用は困難とされる。発明者は、
図１に示す構成の直流電流センサーが有する長所を維持
したままで、高い応答速度を可能とする構成を検討した
結果、図１に示す構成において、励磁コイル１１に三角
波状の励磁電流を流すことなく、直流成分検出コア１０
を磁気的に飽和可能なピーク値を有する正・負のパルス
電流を交互に流すことによって高応答性の実現が可能で
あることを確認した。

【００３７】図１２に示す検出コイルへの起電力発生メ
カニズムの概要に基づき、さらに詳述する。図１に示す
構成からなる直流電流センサーにおいて、被検出導線に
直流電流が流れていない状態にて、励磁コイル１１に直
流成分検出コア１０を磁気的に飽和可能なピーク値を有
する正・負のパルス電流（ピーク値の絶対値は同一）を
交互に流すと、該検出コア１０には図１２Ａに示すよう
にＢ−Ｈカーブ上のＯ→ａ→Ｏ、さらにＯ→ｂ→Ｏの変
化に応じた磁束が発生し、図１２Ｂの如くその発生した
磁束の変化量に比例した起電力が検出コイル１２に出力
Ｖ₁、Ｖ₂として検出される。

【００３８】被検出導線に直流電流が流れていない状態
では図示のようにＶ₁＝Ｖ₂となり該ピーク値の平均出力
は零となる。ここで被検出導線に例えば＋側の直流電流
が流れると、該直流電流によって直流成分検出コア１０
が磁化され、図１２ＡのＢ−Ｈカーブ上のＯ点が＋側に
＋ΔＨだけ移動し、図１２ＣのＯ₁の位置となる。この
ような状態において、前記と同様な正・負のパルス電流
を励磁コイル１１に流すと、検出コア１０には図１２Ｃ
に示すようにＢ−Ｈカーブ上のＯ₁−ａ₁−Ｏ₁、さらに
Ｏ₁→ｂ₁→Ｏ₁の変化に応じた磁束が発生し、図１２Ｄ
の如くその発生した磁束の変化量に比例した起電力が検
出コイル１２にＶ₁₁，Ｖ₁₂として検出される。

【００３９】なお、図１２のＡ，Ｃ，Ｅの表示におい
て、ａとｂの位置は、所要のＢ−Ｈ位置で被検出導線に
流れる直流電流に応じてＨ方向に変化するが、図示の都
合上移動位置を短縮して概略的に表示してある。

【００４０】図から明らかなようにＯ₁−ａ₁−Ｏ₁の変
化に基づく磁束の変化量は少ない。すなわち、Ｏ点が＋
側に＋ΔＨだけ移動することによってわずかな電流変化
で＋側の飽和領域に達し、その後電流が増加しても実質
的に発生する磁束量に変化がないためである。また、Ｏ
₁−ｂ₁−Ｏ₁の変化に基づく磁束の変化量は大きい。す
なわち、Ｏ点が＋側に＋ΔＨだけ移動することによっ
て、−側の飽和領域に達するまでの磁束変化量が大きく
なるためである。従って、起電力Ｖ₁₁，Ｖ₁₂もその変化
に応じてＶ₁₁＜Ｖ₁₂となる。同様に被検出導線に−側の
直流電流が流れると、該直流電流によって直流成分検出
コア１０が磁化され、図ＡのＢ−Ｈカーブ上のＯ点が−
側に−ΔＨだけ移動し、図１２ＥのＯ₂の位置となる。
このような状態において、前記と同様な正・負のパルス
電流を励磁コイル１１に流すと、検出コア１０には図１
２Ｅに示すようにＢ−Ｈカーブ上のＯ₂→ａ₂→Ｏ₂、さ
らにＯ₂→ｂ₂→Ｏ₂の変化に応じた磁束が発生し、図１
２Ｆの如くその発生した磁束の変化量に比例した起電力
が検出コイル１２にＶ₂₁，Ｖ₂₂として検出される（Ｖ₂₁
＞Ｖ₂₂）。

【００４１】図１２Ｃ、図１２Ｅにて説明したように、
被検出導線に流れる直流電流に応じて、検出コイル１２
の出力における正・負側で異なるピーク値（Ｖ₁₁＜
Ｖ₁₂，Ｖ₂₁＞Ｖ₂₂）が得られ、これら正・負の各々ピー
ク値を個別にサンプルアンドホールドし、該ピーク値の
平均出力を測定することで、該平均出力と直流電流の絶
対値の相関を予め確認しておくことによって、被検出導
線に流れる直流電流の絶対値と向きを確認することがで
きる。なお、Ｖ₁＋Ｖ₂、Ｖ₁₁＋Ｖ₁₂、Ｖ₂₁＋Ｖ₂₂は実質
的に同値になる。

【００４２】上記の作用効果を得るためには、励磁コイ
ル１１に流す正・負の各々パルス電流は検出コア１０を
十分に飽和することが可能な大きさでなければならな
い。すなわち、被検出導線に流れる直流電流によって、
Ｂ−Ｈカーブ上のＯ点が移動した後にも、正・負のパル
ス電流によってＢ−Ｈカーブ上の飽和領域（図中ａ，
ｂ，ａ₁，ｂ₁，ａ₂，ｂ₂）に至るまでの変化を起こさせ
る必要があることは前記の説明からも明らかである。

【００４３】従って、要求される応答速度、検出コア１
０の材質等に応じて、励磁コイル１１に流すパルス電流
の周波数とピーク値を設定することが望ましい。なお、
本発明者の実験によれば、図１１に示す構成において励
磁コイル１１に周波数２ｋＨｚ、正・負の各々のピーク
値２５Ｖのパルス電流を流して測定した結果、励磁コイ
ル１１に三角波電流を流して測定した場合と同程度の直
線性を有する測定結果が得られ、応答速度も０．１秒程
度と、三角波電流を流した場合と比べて１桁以上速い応
答速度での測定が可能であることが確認できた。上記の
実験に際し、励磁コイル１１としては外径０．１ｍｍの
エナメル線を５０ターン巻回し、検出コイル１２として
は外径０．１ｍｍのエナメル線を５００ターン巻回した
構成とした。

【００４４】この励磁コイル１１に所定のパルス電流を
流す構成では、検出コア１０の交流磁気特性（Ｂ−Ｈ）
カーブに影響を受けず、パルス電流の波形がシャープ
（短時間）であれば、必然的に検出コイル１２に発生す
る起電力もシャープ（短時間）となり、応答速度を大幅
に向上することが可能となる。

【００４５】以上において直流電流の検出原理について
詳述したが、交流成分検出センサー３を構成する交流成
分検出コア２０、交流検出コイル２１、帰還電流用コイ
ル２２も図１と同様な配置構成を採用することができる
ため、前記の励磁コイル１１に三角波電流を流す構成と
同様な原理にて被検出導線中に交流電流とともに流れる
微小な直流電流のみを高感度にて測定することが可能と
なる。

【００４６】以上に説明した構成はいずれも直流成分検
出コアとして非常にシンプルな構成を採用できることか
ら、直流電流センサーとしての全体の構成が簡単で小型
化、低価格を実現できることは先にも説明した通りであ
り、要求される応答速度により励磁コイルに流す電流を
選択することでその用途を一層拡大することができる。
しかし、検出電流が渦電流となり、スケールアウトした
場合、センサーとしての動作が不安定となることから測
定レンジも比較的狭い（通常０．１〜２０Ａ程度）範囲
となる。

【００４７】かかる欠点を改善するために、発明者は先
に提案した種々の構成からなる直流電流センサーを、こ
の発明の直流電流センサーにおける直流成分検出センサ
ーとして配置したところ、測定レンジに関する問題の解
決だけでなく、要求される諸特性に応じた種々の構成を
提供することが可能であることを確認した。例えば、図
９に示すような構成を採用すれば測定レンジの範囲拡大
だけでなく応答速度の向上も可能であることが確認でき
た。

【００４８】すなわち、直流成分検出センサー２とし
て、電気的に接続されている一対の直流検出コイル３３
ａ，３３ｂを矩形枠状の軟質磁性材料からなる直流成分
検出コア３２の対向位置にある短辺部にトロイダル状に
巻回配置するとともに、該直流成分検出コア３２の内側
に交流電流とともに流出した微小な直流電流が流れる被
検出導線１を貫通配置する構成からなり、さらに、被検
出導線１を流れる直流電流Ｉに基づき発生する直流成分
検出コア３２内の磁束Φ₀をスイッチングする手段とし
て、該検出コア３２の対向位置にある長辺部に４角筒状
を構成する軟質磁性材料からなる一対の励磁コア３４
ａ，３４ｂを配置するとともに、直流成分検出コア３２
外周の周方向に励磁コイル３５を巻回配置した構成（特
開平６−７４９７８号）を採用することができる。

【００４９】このような構成からなる直流成分検出セン
サー２において、被検出導線１に直流電流Ｉが流れると
直流成分検出コア３２内に磁束Φ₀が発生するが、この
時、励磁コイル３５に所定の交流電流（周波数ｆ₀）を
流すと励磁コア３４ａ，３４ｂ部に図中α方向に交番磁
束が発生し、該交番磁束によって直流成分検出コア３２
と励磁コア３４ａ，３４ｂとの直交部３６が磁気的に飽
和され、前記直流成分検出コア３２内の磁束Φ₀がスイ
ッチングされることとなり、周波数が励磁周波数の２倍
（２ｆ₀）の交番磁束に変調される。この磁束Φ₀の変化
に伴い被検出導線１を流れる直流電流Ｉに比例した周波
数２ｆ₀の起電力（Ｖ_DET）が直流検出コイル３３ａ，３
３ｂに検出され、結果として被検出導線１を流れる直流
電流Ｉの絶対値を知ることができる。

【００５０】さらに、交流成分検出センサー３として、
軟質磁性材料からなる矩形板状の交流成分検出コア４０
に交流検出コイル４１を配置することともに前記直流成
分検出コア３２と、交流成分検出コア４０にまたがるよ
うに、帰還電流用コイル４２を巻回配置することによ
り、図１と同様な作動原理によって、被検出導線Ｉを流
れる交流電流による直流成分検出コア３２内に発生する
磁束を実質的に零とすることが可能となる。従って直流
成分検出センサー２により、先に説明した作動原理に基
づいて、直流電流のみの検出を実現できる。なお、図中
４３ａ，４３ｂは、インダクタンス変化防止用のギャッ
プである。

【００５１】図においては、帰還電流用コイル４２を一
か所にのみ配置した構成を示したが、電磁的なバランス
を考慮すると、直流成分検出コア３２及び交流成分検出
コア４０の各々の辺部である４ヶ所に配置することが最
も好ましい。また、交流成分検出コア４０を矩形板状の
構成として示したが、その形状に限定されるものではな
く、要求される測定精度や各種コイルの巻回作業性等を
考慮して、円盤状等の構成を採用することも可能であ
る。

【００５２】図９の構成によれば、三角波状の励磁電流
を使用する必要がなく、図１の構成に比べて、応答性を
大幅に向上することができる。また、図１の構成に比
べ、若干、直流成分検出コア３２の構造が複雑となる
が、検出電流が渦電流となり、スケールアウトした場合
でも比較的センサーとしての動作が安定しており、か
つ、高感度、高精度の測定も可能となることから測定レ
ンジも１ｍＡ〜１００Ａ程度と広範囲になる。また、電
子回路上でノイズ除去が容易であることから耐ノイズ特
性も良好となる長所を有する。

【００５３】図１０に示す構成においても、図９の構成
と同等以上の特性を得ることができる。図１０の直流電
流センサーを構成する直流成分検出センサー２は、直流
成分検出コアの構成を簡単にするとともに、Ｓ／Ｎ比の
向上を可能にするものであり、直流検出コイル５３をト
ロイダル状に巻回配置する環状の軟質磁性材料からなる
直流成分検出コア５２を管状となし、該検出コア５２の
周方向に連通する中空部に、励磁コイル５５を巻回配置
した構成（特開平７−１９８７５４号）からなる。

【００５４】このような構成において、被検出導線１に
直流電流Ｉが流れると直流成分検出コア５２内に磁束Φ
₀が発生するが、この時、励磁コイル５５に所定の励磁
電流（交流電流）を流すと直流成分検出コア５２内に図
中α方向の交番磁束が発生し、該交番磁束によって直流
成分検出コア５２のほぼ全域が周期的に磁気的飽和さ
れ、前記直流成分検出コア５２内の磁束Φ₀がスイッチ
ングされることとなる。この構成では、図９にて説明し
た直流成分検出センサーにおける、励磁コアの役目を直
流成分検出コア５２が兼ねることになるが、基本的に図
９の直流電流センサーの作動原理と同様にして被検出導
線１を流れる直流電流Ｉの絶対値を知ることができる。

【００５５】なお、図中３は、交流成分検出センサー３
であり実質的に図１の直流電流センサーの場合と同様な
構成からなっている。すなわち、図中６０は環状の軟質
磁性材料からなる交流成分検出コアであり、６１は交流
検出コイル、６２は帰還電流用コイル、６３ａ，６３ｂ
はインダクタンス変化防止用ギャップである。従って、
図１と同様な作動原理によって、被検出導線を流れる交
流電流による直流成分検出コア５２内に発生する磁束を
実質的に零とすることが可能となり、前記直流成分検出
センサー２により、先に説明した作動原理に基づいて、
直流電流のみの検出を実現することができる。

【００５６】この構成の直流電流センサーにおいても、
図９に示した構成と同様に高速応答、高感度、高精度を
実現できるが、特に直流成分検出コア５２の製造が機械
化し易く、より低価格が実現できる。また、直流成分検
出コア５２にフェライトコアを使用すれば、本来的に交
流磁気特性が良好であることから、より一層の高速応答
性向上を実現できる。さらに、電子回路が若干複雑にな
るものの、耐ノイズ特性についても、図１及び図９の構
成より、優れた特性を得ることができる。

【００５７】以上に説明した図９、図１０の構成からな
る直流電流センサーを構成する直流成分検出センサー
は、被検出導線１を流れる直流電流Ｉに基づき発生する
直流成分検出コア内の磁束Φ₀をスイッチングする手段
が、直流成分検出コア５２の周方向の一部又は全部に交
番磁束による磁気的な飽和領域を形成して磁束Φ₀を周
期的に遮断する構成であったが、以下に示す図１１の構
成からなる直流成分検出センサーは、磁束Φ₀をスイッ
チングする手段が異なる。

【００５８】図１１に示す直流電流センサーを構成する
直流成分検出センサー２は、被検出導線１を流れる直流
電流Ｉに基づき発生する直流成分検出コア７２内の周方
向の磁場に、該周方向の磁場に直交し周期的に向きが変
化する磁場を作用させることで、これらの合成磁場に基
づく直流成分検出コア７２内での磁化方向を回転させ、
実質的に被検出導線１を流れる直流電流Ｉに基づき発生
する直流成分検出コア７２内の磁束Φ₀に変調をかけ磁
気的なスイッチングを行なう構成からなる。この構成に
おいても直流検出コイル７３への起電力発生メカニズム
はスイッチング手段が異なるものの実質的に図９の直流
電流センサーと同様である（特願平７−１８０７２１
号）。

【００５９】詳細すると、直流成分検出コア７２には、
該検出コア７２の側面に形成されている複数の貫通孔７
８（図においては矩形状にて示すが、円形状等でもよ
い）内に同一貫通孔内の電流の向きが同一で隣接貫通孔
内の電流の向きが反対向きとなるよう励磁コイル７５
ａ，７５ｂを巻回配置するとともに、外周に直流検出コ
イル７３をトロイダル状に巻回配置した構成からなって
いる。励磁コイル７５ａ，７５ｂに所定の励磁電流（交
流電流）を印加することによって、直流成分検出コア７
２内での磁化方向を回転させ、上記の説明の通り目的と
する被検出導線１を流れる直流電流Ｉの絶対値を知るこ
とができる。

【００６０】図中３は、交流成分検出センサー３であ
り、実質的に図１の直流電流センサーの場合と同様な構
成からなっている。すなわち、図中８０は環状の軟質磁
性材料からなる交流成分検出コアであり、８１は交流検
出コイル、８２は帰還電流用コイル、８３ａ，８３ｂは
インダクタンス変化防止用ギャップである。従って、図
１と同様な作動原理によって、被検出導線を流れる交流
電流による直流成分検出コア７２内に発生する磁束を実
質的に零とすることが可能となり、前記直流成分検出セ
ンサー２により、先に説明した作動原理に基づいて、直
流電流のみの検出を実現することができる。

【００６１】この構成の直流電流センサーにおいても図
９に示した構成とほぼ同様な特性を得ることが可能であ
るが、検出電流が渦電流となり、スケールアウトした場
合には、直流成分検出コア７２内での磁化方向の回転が
円滑に行われず、センサーとしての動作が不安定となる
ことから若干測定レンジが狭くなるものの、通常１ｍＡ
〜１０Ａ程度の範囲であれば、高速応答、高感度、高精
度を実現できる。又、直流成分検出コア７２の構造が非
常に簡単であることから、小型化、低価格化の点からも
有効な構成である。

【００６２】以上、図９〜図１１は、直流成分検出セン
サーとして、励磁コイルに、所定の交流電流を流すこと
によって、被検出導線中を流れる交流電流中に混入する
直流電流に基づき発生する直流成分検出コア内の磁束を
同期的にスイッチングする構成からなる例を示したが、
図示の例に限らず、例えば、被検出導線中を流れる直流
電流に基づき発生する検出コア内の磁束Φ₀の方向を該
磁束Φ₀に対して直交する方向の交番磁束との反発作用
によって変化させることで実質的に磁束Φ₀を周期的に
遮断し、結果として磁束Φ₀をスイッチングする構成
（特開平７−５５８４６号）等、先に提案した種々構成
のセンサーを用いることが可能である。

【００６３】さらに、直流成分検出センサーとしては、
環状の軟質磁性材料からなる直流成分検出コアの一部に
空隙を形成し、該空隙内にホール素子を配置するような
構成も採用できる。

【００６４】また、零点精度及び温度特性に優れ、小電
流から大電流までの広範囲の直流電流の測定が可能な直
流成分検出センサーの構成として、検出コイルをトロイ
ダル状に巻回配置する環状の軟質磁性材料からなる検出
コアの内側に直流電流が流れる被検出導線を貫通配置
し、該被検出導線を流れる直流電流に基づき発生する検
出コア内の磁束をスイッチングする手段を有する直流電
流センサーにおいて、前記被検出導線を流れる直流電流
に基づき発生する検出コア内の磁束を打ち消す方向の磁
束を発生し、検出コイルの出力を実質的に零とするフィ
ードバックコイルを、検出コアにトロイダル状に巻回配
置し、該フィードバックコイルへの印加電流を測定する
ことによって被検出導線に流れている直流電流を検出す
る構成（特願平８−３５４４５４号）が採用できる。

【００６５】また、同様な直流成分検出センサーの構成
として、内側に直流電流が流れる被検出導線を貫通配置
する円環状又は多角形環状の軟質磁性材料からなる検出
コアと、該検出コア外周部の少なく４箇所以上で検出コ
ア軸方向中心に対して対称となる位置に検出コアの周方
向に対して直角方向に接続して環状を形成する軟質磁性
材料からなる励磁コアと、前記検出コアにトロイダル状
に巻回配置する検出コイルと、前記検出コアの外周部周
方向に巻回配置する励磁コイルと、検出コアにトロイダ
ル状に巻回配置し、前記被検出導線を流れる直流電流に
基づき発生する検出コア内の磁束を打ち消す方向の磁束
を発生し、検出コイルの出力を実質的に零とするフィー
ドバックコイルとを有する構成（特願平８−３５４４５
３号）が採用できる。

【００６６】この発明の直流電流センサーにおいて、帰
還電流用コイルを、直流成分検出センサー（直流成分検
出コア）と交流成分検出センサー（交流成分検出コア）
とにまたがって、巻回配置する構成とは、２つの各々セ
ンサー（コア）に同じ起磁力（アンペア・ターン）が印
加される巻き方であれば、図示のような巻き方に限定さ
れることなく、各々のセンサー（コア）に独立して巻回
配置したのちに互いに直列接続する構成等が採用でき
る。

【００６７】この発明において、環状の軟質磁性材料と
は、軟質磁性材料が所謂リング状になっていることに限
定されるものではなく、軟質磁性材料が電磁気的な閉回
路を構成できていればよく、図示のごとく円環状、矩形
枠状等の他、種々の構成が採用でき、また、必ずしも直
流成分検出コアと交流成分検出コアを同一形状、同一寸
法とする必要性はない。

【００６８】

【実施例】直流成分検出コアは、厚さ０．５ｍｍの薄板
からなるパーマロイＣ（７８％Ｎｉ‐５％Ｍｏ‐４％Ｃ
ｕ‐ｂａｌＦｅ）を、外径４５ｍｍ、内径３３ｍｍに打
ち抜き、所定の熱処理を施して完成した。

【００６９】交流成分検出コアは、上記の直流成分検出
コアと同材質、同寸法からなるパーマロイＣの打ち抜き
品を１０枚積層した後、対称形状となるよう１／２に切
断しそれぞれ略Ｃ型とし、さらに、所定の熱処理を施し
た後、これら一対のコア片を厚さ５０μｍのギャップス
ペーサーを介して周方向の二か所にインダクタンス変化
防止用ギャップが形成されるようリング状に一体化し、
完成した。

【００７０】直流成分検出コアと交流成分検出コアの各
々を絶縁ケースに入れた後、図１に示すごとく励磁コイ
ル、直流検出コイル、交流検出コイル、帰環電流用コイ
ルを所定位置にトロイダル状に巻回配置した。なお、こ
れらのコイルには、いずれも外径０．２ｍｍのエナメル
線を３００ターン巻回した。

【００７１】さらに、各々のコイルに図５に示す電子回
路を接続し、この発明の直流電流センサーの特性を測定
し、その結果を図６〜図８に示す。図５ＡのＬ₂₁は交流
検出コイル、Ｌ₂₂は帰環電流用コイル、図５ＢのＬ₁₂は
直流検出コイル、Ａｏｕｔはセンサー出力、図５ＣのＬ
₁₁は励磁コイルを示している。

【００７２】なお、直流成分検出コアと交流成分検出コ
アの内側に貫通配置する被検出導線は外径８ｍｍのビニ
ル被覆線であり、励磁コイルに流す三角波状の励磁電流
は９０Ｈｚ、ｌ_p＝±１５ｍＡとした。

【００７３】図６は被検出導線に交流電流を流さない状
態で直流電流のみを流した場合の入・出力特性を示すも
ので、図７は被検出導線に１５Ａの交流電流を重畳した
状態で直流電流を測定した入・出力特性を示すものであ
り、図８はこれら図６と図７の測定結果を同一グラフ上
に記載した入・出力特性である。なお図８における黒○
印は図６に、○印は図７に相当する入出力特性を示すも
のである。

【００７４】図８より、この発明の直流電流センサーに
よれば、被検出導線に流れる交流電流の有無にかかわら
ず、微小な直流電流を高感度で測定可能であることが分
かる。すなわち、交流電流中に流出，混入する微小な直
流電流を高感度で測定することが可能となり、トランス
レスインバーターの実用化を達成するとの目的を実現可
能とするものである。

【００７５】なお、交流成分検出コアは前記のようにイ
ンダクタンス安定化のためにギャップを形成することか
ら、磁気抵抗が増大して磁束発生量が実質的に減少する
こととなり、交流検出コイルで適切な出力が得られなく
なる。このため、交流成分検出コアに実施例のようなパ
ーマロイ薄板の打ち抜き品を複数枚積層し、検出コアの
断面積を大きくすることで、実質的な磁束発生量を増大
させるとともに、良好な交流磁気特性を確保することが
可能となった。

【００７６】なお、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトを用いれ
ば、本質的に交流磁気特性が良好なため、所定厚さのＣ
型一体品とすることができ、組立てが容易となり、生産
性等の面で好ましい構成となる。

【００７７】また、直流電流センサー全体としての測定
感度等については上記パーマロイ積層体とＭｎ−Ｚｎ系
フェライト一体品を用いた構成とともにほぼ同様な結果
を得ることが可能であることを確認した。

【００７８】さらに、図９、図１０、図１１の構成につ
いても先の実施例と同様に、交流電流中に流出，混入す
る微小あるいは比較的大きな直流電流を高感度で測定す
ること可能であったこと、並びにトランスレスインバー
ターの実用化が可能であったを確認した。

【００７９】

【発明の効果】この発明による直流電流センサーは、被
検出導線中の交流電流中に流出，混入する微小な直流電
流を非接触にて高感度で測定することが可能であり、例
えば、トランスレスインバーター等において、インバー
ター出力側の交流電流中に流出して混入する微小な直流
電流を検出し、その検出したデータに基づいて負帰環を
かけ、該直流電流を零にすることで、実質的な直流電流
の流出を防止することが実現できる。

【００８０】従って、この発明による直流電流センサー
並びにこれを用いた直流電流流出防止方法は、インバー
ターにおける負荷側の交流電気機器に直流電流が流入す
るのを防止でき、従来のインバーター出力側にトランス
を配置した構成に比較して、構成が簡単で安価なトラン
スレスインバーターを、インバーターの焼損等の問題を
発生することなく、実用化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の直流電流センサーの一実施例を示す
概要説明図である。

【図２】この発明の直流電流センサーの直流成分検出セ
ンサーの斜視説明図である。

【図３】この発明の直流電流センサーの直流成分検出セ
ンサーの作動原理を説明する概念説明図であり、Ａは三
角波状の励磁電流、Ｂは磁束の向き、Ｃはパルス電圧、
Ｄはアナログ出力、Ｅはアナログ出力を表す。

【図４】この発明の直流電流センサーの交流成分検出セ
ンサーの斜視説明図である。

【図５】Ａ，Ｂ，Ｃはこの発明の直流電流センサーに接
続した電子回路の回路図である。

【図６】実施例における貫通直流電流と出力電圧との関
係を示すグラフであり、被検出導線に交流電流を流さな
い状態で直流電流のみを流した場合の入・出力特性を示
す。

【図７】実施例における貫通直流電流と出力電圧との関
係を示すグラフであり、被検出導線に１５Ａの交流電流
を重畳した状態で直流電流を測定した入・出力特性を示
す。

【図８】図６と図７の測定結果を同一グラフ上に記載し
た入・出力特性を示すグラフである。

【図９】この発明による他の直流電流センサーを構成す
る交流成分検出センサーと直流成分検出センサーの組合
せを示す斜視説明図である。

【図１０】この発明による他の直流電流センサーを構成
する交流成分検出センサーと直流成分検出センサーの組
合せを示す斜視説明図である。

【図１１】この発明による他の直流電流センサーを構成
する交流成分検出センサーと直流成分検出センサーの組
合せを示す斜視説明図である。

【図１２】図１の直流電流センサーの励磁コイルに直流
成分検出コアを磁気的に飽和させるピーク値を有する正
・負のパルス電流を交互に流した場合における検出コイ
ルへの起電力発生メカニズムを説明するもので、Ａ，
Ｃ，ＤはＢ−Ｈカーブ、Ｂ，Ｄ，Ｆは検出コイルに出力
される起電力を示すグラフである。

【符号の説明】

１被検出導線２直流成分検出センサー３交流成分検出センサー１０，３２，５２，７２直流成分検出コア１１，３５，５５，７５ａ，７５ｂ励磁コイル１２，３３ａ，３３ｂ，５３，７３直流検出コイル２０，４０，６０，８０交流成分検出コア２１，４１，６１，８１交流検出コイル２２，４２，６２，８２帰環電流用コイル２３ａ，２３ｂ，４３ａ，４３ｂ，６３ａ，６３ｂ，８
３ａ，８３ｂギャップ３０位相補正回路３１アンプ３４ａ，３４ｂ励磁コア３６直交部７８貫通孔Ｌ₁₁ 励磁コイルＬ₁₂ 直流検出コイルＬ₂₁ 交流検出コイルＬ₂₂ 帰環電流用コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流成分検出センサーと交流成分検出セ
ンサーの各内側に直流電流と交流電流が流れる被検出導
線を貫通配置し、両センサーにまたがって巻回配置する
帰環電流用コイルを有した構成からなり、前記被検出導
線を流れる交流電流による交流成分検出センサーの出力
が零になるよう帰環電流用コイルに帰環電流を流し、前
記被検出導線を流れる交流電流による直流成分検出セン
サーへの影響を実質的に零にして、直流成分検出センサ
ーにて前記被検出導線に流れる直流電流を検出する直流
電流センサー。
【請求項２】請求項１において、交流成分検出センサ
ーが、環状の軟質磁性材料からなる交流成分検出コアと
該コアにトロイダル状に巻回配置する交流検出コイルと
からなる直流電流センサー。
【請求項３】請求項２において、交流成分検出コアの
周方向の少なくとも一箇所にギャップを形成した直流電
流センサー。
【請求項４】請求項２において、直流成分検出センサ
ーが、環状の軟質磁性材料からなる直流成分検出コアと
該コアにトロイダル状に巻回配置する励磁コイルと直流
検出コイルとからなる直流電流センサー。
【請求項５】請求項４において、直流成分検出センサ
ーが、励磁コイルに直流成分検出コア内に該コアの保磁
力を超える磁場を発生させる三角波状の励磁電流を流
し、直流成分検出コア内の磁束の向きが反転するタイミ
ングを検出コイルに発生するパルス状の電圧にて検出
し、該パルスの間隔を比較測定して直流電流を検出する
構成からなる直流電流センサー。
【請求項６】請求項４において、直流成分検出センサ
ーが、励磁コイルに直流成分検出コアを、磁気的に飽和
可能なピーク値を有する正・負のパルス電流を交互に流
し、検出コイルに発生する正・負のパルス状出力の各々
ピーク値を個別にサンプルアンドホールドし、該ピーク
値の平均出力を測定して直流電流を検出する構成からな
る直流電流センサー。
【請求項７】請求項４において、直流成分検出センサ
ーが、励磁コイルに所定の交流電流を流すことにより前
記被検出導線を流れる直流電流に基づき発生する直流成
分検出コア内の磁束を、周期的にスイッチングする構成
からなる直流電流センサー。
【請求項８】直流電流をインバーターを介して交流電
流に変換してなる該インバーター出力側の交流電流中に
流出した直流電流を直流電流センサーにて検出し、該直
流電流センサーの検出データに基づいて負帰還をかけ
て、前記の流出した直流電流を実質的に零とする直流電
流流出防止方法。
【請求項９】請求項７において、直流成分検出センサ
ーと交流成分検出センサーの各内側に直流電流と交流電
流が流れる被検出導線を貫通配置し、両センサーにまた
がって巻回配置する帰環電流用コイルを有した構成から
なり、前記被検出導線を流れる交流電流による交流成分
検出センサーの出力が零になるよう帰環電流用コイルに
帰環電流を流し、前記被検出導線を流れる交流電流によ
る直流成分検出センサーへの影響を実質的に零にして、
直流成分検出センサーにて前記被検出導線に流れる直流
電流を検出する直流電流センサーを用いる直流電流流出
防止方法。