(57)【要約】【課題】変圧器構造を含む直流非接触型直流電流検流器を提供し、被測定直流線１の１次直流電流に対応した脈動波を２次コイルで検出し、直流の大電流を非接触的に測定する。【解決手段】磁心５を介した１対のコイル（３、４）間の相互誘導結合係数Ｋを、直流励磁コイル２による磁心５の励磁と直流バイアスでこれを最低値まで抑止しておき、これに対し、相殺的方向の１次直流電流による磁心５の励磁により緩和させ、検出コイル４に誘起された電流で、１次側の直流電流値を計測する。【選択図】図１
2007109787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
直流バイアス脈流電源と、
環状磁心と、
前記環状磁心に巻回され、前記直流電源からの直流電流を流す直流励磁コイルと、
前記環状磁心に巻回され、前記直流（以下、直流バイアスという。）脈流電源からの脈流電流を流す脈動励磁コイルと、
前記環状磁心の中心部を通り抜け、単巻構造の１次直流を流す直流線と、
前記環状磁心に巻回され、前記１次直流電流を検出する検出コイルとを備える非接触型直流電流検流器であって、
前記直流励磁コイルの磁心の飽和と直流バイアスにより、前記脈動励磁コイルと前記検出コイルとの間の結合係数を最小とし、
前記直流励磁コイルに流れる直流電流とは逆向きに流れる前記１次直流により前記結合係数を増大させ、
前記検出コイルに誘起された電流を検出することを特徴とする非接触型直流電流検流器。
【請求項２】
前記直流励磁コイルが前記環状磁心を励磁する磁界は前記環状磁心を飽和値まで励磁し、且つ、直流線が前記環状磁心を励磁する磁界より大きく、
前記直流電流は所定値に設定され、前記脈動波形も所定波形に設定されることを特徴とする請求項１記載の非接触型直流電流検流器。
【請求項３】
前記脈動電流の前記所定波形は、正弦波交流又は矩形波交流の半波整流波形の脈動波形であることを特徴とする請求項２記載の非接触型直流電流検流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触型直流電流検流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流で高電圧、大電流を測定する変圧器をそれぞれ計器用変圧器、変流器と呼ぶ。
【０００３】
変圧器、変流器では、１次巻線の電圧、電流を２次巻線に誘起させて、これに接続された計器で、電圧や電流を計測する。
【０００４】
特許文献１に開示された変流装置は、透磁率改善、直流バイアス結合係数の制御などであるが、精度向上に使用されているもので、これは交流回路用の変流器に関するものであって、直流回路用の直流電流用の変流器でない。従って直流電流の変流器としてであって共用できるものではない。
【０００５】
次に、直流回路の変流に対しては接触型の電圧降下法などが通常行われているが、これは構造の極めて簡単なものであり、古くから使用されているが、直流電流を分流するので、接触的で、分流器は単純であるが此れが問題である。
【０００６】
また、新たに開発され、市場に商品化されているものにホール素子を利用したものが見受けられている程度である。
【０００７】
このホール素子そのものは微小な形状の直流変換素子で、検出部は点であり、大電流の場合の変流器では、磁心の断面は大きく、点によって全断面の磁束を表現し、また磁心にスリットなどを設け、埋め込まれる為に直流変換の精度に尚開発の余地が残されている。
【特許文献１】特開平５−２９１６７号公報（図１、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、変圧器機能を含む非接触型直流電流変流器を提供することを目的とするもので、被測定１次電流の測定に対して、磁心の飽和特性を利用して、コイル間の結合係数を変化させ、その検出コイルより、前記の直流電流を計測するものである。
【０００９】
この第１の手段は交流電流よりの交流を半波整流した直流分に、脈動の含まれる脈動電流の流れる脈動励磁コイル、１次直流電流を検出、表示するための検出コイル、磁心の飽和と、直流バイアス用の直流励磁コイル、などが環状磁心に巻回され、前記磁心の中心部を貫通する単巻構造の１次直流電流の流れる被測定直流線等で非接触型直流検流器が構成される。
【００１０】
第２の手段は、直流励磁コイルの励磁による直流バイアスで、脈動励磁コイルと検出コイルとの間の結合係数を磁心の磁気飽和特性で最小にしておき、直流励磁コイルの励磁方向とは逆向きの方向の磁界が発生するように、流れる１次直流電流により環状磁心の透磁率を変化させ、前記線輪間の結合係数を増大させ、これにより検出コイルに脈動励磁コイルで誘起される脈動電圧が増加するので、前記の１次直流電流を検出、表示させることができるものである。
【００１１】
第３の手段は、脈動波励磁用電源は脈動波と同様に直流励磁とを兼ねて発生できる商用交流域は矩形波交流を半波整流し、これをそのまま利用する。仮に交流の全波整流した場合は出力は単なる直流電流となって本願の機能を果たすことはできない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、変圧器機能を含めた非接触型直流電流検流器が提供される。環状磁心を介して１次直流電流に対応した脈動波を検出コイルに誘起させ大電流を検出測定するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、本実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などに特定的な記載があっても、本発明をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００１４】
図１は、本実施形態の非接触型直流電流検流器の概念図である。この非接触型直流電流検流器は、直流電源２１と、直流バイアス脈流電源３１と、環状磁心５と、環状磁心５に巻回され直流電源２１からの直流電流を流す直流励磁コイル２と、環状磁心５に巻回され直流バイアス脈流電源３１からの脈流電流を流す脈動励磁コイル３と、環状磁心５に巻回され環状磁心５の中心部を通り抜け１次直流電流を流す直流線１と、環状磁心５に巻回され１次直流を検出する検出コイル４とを備える。この非接触型直流電流検流器では、直流励磁コイル２の励磁により、脈動励磁コイル３と検出コイル４との間の結合係数を最小とし、直流励磁コイル２に流れる直流電流とは逆向きに流れる１次直流により結合係数を増大させ、検出コイル４に誘起された電流を検出する。ここに、直流励磁コイル２が環状磁心５を励磁する磁界は、環状磁心５を飽和値まで励磁し、且つ、直流線１が環状磁心５を励磁する磁界より大きく、直流電流は所定値に設定され、脈動波形も所定波形に設定される。なお、脈動電流の波形は、正弦波又は理想的には矩形波の半波整流波形である。
【００１５】
ここで、本実施形態の非接触型直流電流検流器の動作原理について説明する。
【００１６】
環状磁心５の直流電流による励磁において、その磁心の磁化が飽和に至るまでの透磁率μ（＝Ｂ／Ｈ）は、直流線１に流れる１次直流電流の値によって変化する。
【００１７】
図１には、パーマロイなどの高透磁率の環状磁心５を直流磁界Ｈで磁化したときの透磁率μの変化を示す透磁率特性曲線である。μは、Ｈがゼロのときμｉであり、Ｈの増加に伴って増加して最大値μｍに達し、Ｈによって環状磁心５が飽和まで磁化される過程で急激に低下し、飽和磁化に達するとμｉより小さいμｆとなる。本発明は、このμとＨの関係を利用する。
【００１８】
直流励磁コイル２による直流磁界Ｈにより、環状磁心５の透磁率がμｆになると、脈動励磁コイルと検出コイルとの間の相互誘導結合係数Ｋも最小値となる。この状態で１次直流（直流電流）の直流磁界により透磁率をμｆからμｍ付近まで復帰させると、結合係数Ｋは最小値から最大値へ変化する。したがって、その範囲で（図２に示すａ点からＢ点までの範囲で）検出コイル４の電流を検出することにより、１次直流電流を測定することができる。ここに、ａ点からＢ点までの範囲は、透磁率が略線形に変化する範囲であり、結合係数Ｋも略線形に変化する。
【００１９】
ａ点は、半波整流電流、或いは矩形波電流を脈動励磁コイルに流して環状磁心５を励磁するため、被検出電流がゼロ付近であるときは検出出力の立ち上がりが鈍る。線形性のよい領域は、図２に示すＡ点からＢ点までの領域であるとする。すでに説明したように、一対のコイル（脈動励起コイル３と検出コイル４）間の相互誘導結合係数Ｋは直流励磁コイルを流れる直流電流値により変化し、磁化が飽和に達するにしたがい、小さな値になり、脈動励磁コイル３の脈動電流が検出コイルに誘起されにくくなる。そこで、本発明の非接触型直流電流検流器は、環状磁心５の飽和磁化で、脈動電流の誘起を抑制された状態にしておき、被測定直流による環状磁心の励磁で結合係数を緩和（増大）させ、これを検出、測定する構造としたものである。本発明は、前述のように環状磁心５にかける磁化状態を検出の媒体とするもので、環状磁心５の特性は軟磁性体であり、励磁に対しては飽和に至るまで略線形的に磁化され、ヒステリシスを無視できる磁性体であることが条件である。そして、１次直流電流検出のために、環状磁心５の磁化の進捗度を検出し、その基準値を得るために直流励磁コイル２が捲回されて環状磁心５が直流励磁される。また、他の一対コイルとは、環状磁心５を介して脈動電流で励磁される脈動励磁コイル３と、この脈動電流の電圧が誘起される検出コイル４を指す。ここで、環状磁心５が、直流励磁コイル２を流れる整流電流の直流分で励磁されれば、一対のコイル間の結合係数Ｋがほぼ線形的に変化し、環状磁心５が飽和状態に達する。この状態で、結合係数が１次測定電流により線形的に応答するならば、脈動電流による電圧は検出コイル４に誘起されることになる。しかし、このような結合係数Ｋの抑止効果は整流電流のみでは得られないので、直流励磁を強めるような補償（直流バイアスなど）が必要になる。以上の補償が行われた状態において、直流線１を流れる電流による環状磁心５の直流励磁が前述の一定直流励磁を相殺する方向であれば、１次直流電流値を検出コイル４により検出可能になる。ここで、磁心の励磁特性、コイル間の結合係数が線形に変換されることができ、あるいは、総合的に線形的な変換であれば云うまでもなく、１次直流電流値は線形的に変換されれば、単なるセンサでなく、いわゆる計測用直流電流非接触型直流電流検流器と称することもできよう。なお、脈流励磁コイル３の励磁は、交流電流の整流直後の電流で、脈動電流も直流の脈動である。この脈動による出力検出コイルへの誘起電圧はパルス状の交流電圧になる。相殺後の直流励磁は、コイルへの直流バイアスの変化で、これが検出される。もし、商用交流電圧で励磁すれば、その交流の半波（たとえば負電圧）は正電圧の半波によるバイアスを相殺させてしまい、非効率的なものになる。本発明では、交流の半波整流、或いは更に矩形波を使用することにより、励磁は有効なものになる。被測定直流線に１次直流電流が流れればこれによる直流励磁で、磁心の磁化が緩和されて、一対のコイル間の結合係数が増加し、出力検出コイルへの誘起電圧値より１次直流電流値を出力検出コイルで検出できることになって、直流非接触型直流電流検流器が構成されたことになる。この場合、環状磁心の励磁は整流直後のために脈動があり、平滑な直流電流でないので、出力直流の零付近の立ち上がりが緩慢な非線形性を示す。線形特性を得るためには、平滑な直流電源で環状磁心の立ち上がり部分だけの励磁で出力零付近（図２のａからＡの範囲）の非線形部を補償することは容易である。ところで、磁心を飽和させることで脈動交流コイルと出力検出線との結合係数を完全に０とすることは交流電流の整流電流のみでは難しい。しかし、出力零付近の値に出力検出回路を比較回路で補償させれば、０点への推移は容易である。
【実施例１】
【００２０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、変圧器の構成を利用したものであるが、大電流、高電圧も測定することができることは明らかである。
【００２１】
図１では、各コイルは集中捲きで図示してあるが、実際は環状磁心５全体にわたって数層に重ね捲きした。非接触型直流電流検流器の全体の構造は単純な形状で、その中心部を単巻構造の直流線１が貫通しているだけである。しかし、各コイルは、集中巻きでも差し支えないため、直流線路などの測定用クランプ構造とすることも可能である。
【００２２】
図３は、試作品で、脈流として半波整流を使用する場合の非接触型直流電流検流器の概略図であり、２は整流直後の直流分と脈動分の両者を共用した励磁コイルであり、６はダイオードなどの半波整流素子である。コイル２と、コイル４は、図１と同様に環状磁心５の表面全体にわたって捲線されている。捲線後の外径はφ２２ｍｍ、内径はφ８ｍｍ、厚みは１２ｍｍ程度の小型のものであり、磁心はφ０．６ｍｍの市販の鉄線を環状にしてこれに捲線した。線形性補償装置は省略した。
【００２３】
図４は、脈動電流波形として半波整流を使用した場合（図３参照）の非接触型直流電流検流器の出力特性曲線であり、１次直流電流に対して、出力電流特性は、略線形であり、整流の励磁電流を変えた場合の１次直流電流（被測定直流電流）との関係を示した１５０Ａの特性曲線である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】非接触型直流電流検流器の概略図である。
【図２】高透磁率環状磁心の透磁率変化曲線である。
【図３】半波整流波形の脈動電流を使用する非接触型直流電流検流器の概念図である。
【図４】非接触型直流電流検流器の特性の一例を示す出力特性曲線である。
【符号の説明】
【００２５】
１  被測定直流線
２  直流励磁コイル
２１  直流電源
３  脈流励磁コイル
３１  直流バイアス脈流電源
４  検出コイル
５  環状磁心
６  半波整流素子
７  電流計
【図１】
2007109787.tif 000003
【図２】
2007109787.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007109787.tif 000006