电线用电流传感器技术领域
本发明涉及一种例如用于检测在电线中流动的电流的值的电流传感
器。
背景技术
以往，使用如下的电流传感器作为用于检测流经电线的电流值的电流
传感器：与电线相隔一定距离地配置磁传感器元件，通过感测该位置处的
磁场强度来检测在电线中流过的电流值。
然而，感测磁场强度的方法在电线的位置发生偏移因而电线和电流传
感器之间的距离改变的情况下，存在造成测量误差的问题。
因此，为了减小由电线的位置偏移导致的测量误差，已知有对比文件1
中所公开的那样，隔着电线把一对磁传感器元件与所述电线等距离地相向
配置的方案。这样，如果隔着电线将一对磁传感器元件相向布置，则即使
在存在恒定外部磁场的影响、或者被测量电线的位置稍稍偏移而与各磁传
感器元件间的距离发生改变的情况下，也可以通过对两个磁传感器元件的
值进行差分或相加来减小测量误差。
专利文献1：日本特开2001-153895号公报
然而，虽然上述结构能够减小电线的位置偏移造成的影响，但是当附
近存在与要测量的电线不同的其它电线时，会产生由于受到在该相邻电线
中流过的电流导致的磁场的影响而不能正确地测量的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种能够减小电线
的位置偏移导致的影响并能够减小外部磁场的影响的电流传感器。
为实现上述目的，根据本发明的一种电流传感器，为了测量在电线中
流动的测量电流而在所述电线的周围配置有多个磁传感器元件，其特征在
于，所述多个磁传感器元件被配置成，在与所述电线的轴向垂直的平面上，
在以所述电线与所述平面的交点为起点放射出的多个直线上，配置与所述
电线的距离不同的两个磁传感器元件而形成磁传感器对，并且在各所述传
感器对中，使用预定的耦合系数对两个磁传感器元件的输出值进行线性耦
合，将多组进行所述线性耦合而得到的值相加来计算出所述测量电流。
由此，由于使磁传感器元件相向形成磁传感器对，并利用预定的耦合
系数对该成对的磁传感器元件的输出值进行线性耦合，因此本发明能够减
小外部磁场的影响，进一步地，通过将各磁传感器对线性耦合而获得的值
相加来计算出测量电流，因此还能减小由于电线的位置偏移导致的影响。
另外，本发明的特征在于，在多组所述磁传感器对中，与所述电线的
距离近的各磁传感器到所述电线的距离相等，在多组所述磁传感器对中，
与所述电线的距离远的各磁传感器到所述电线的距离相等，用下述数学式
10表示所述预定的耦合系数，按照下述数学式2，在各所述磁传感器对中
对各磁传感器元件的输出值进行线性耦合后，针对所有磁传感器对进行相
加，
[数学式10]
A = - ( R - Y 2 ) ( R + Y 2 ) Y 1 ( R - Y 1 ) ( R + Y 1 ) Y 2 , ]]>(θ11＝θ12＝0)
[数学式2]
Σ j = 1 N S j = b 0 Σ j = 1 N ( 1 | Y → j 1 - Δ X → | + A | Y → j 2 - Δ X → | ) + 2 Σ j = 1 N b → c · e → sj ( 1 + A ) + b nn Σ j = 1 N ( ( e → sj · e → j 1 ) | R → - Y → j 1 | + A ( e → sj · e → j 2 ) | R → - Y → j 2 | ) ]]>
在此，j为各所述磁传感器对的标号，Sj为各所述磁传感器对j的线性耦
合输出，A为所述耦合系数，b0为由被测量电线的电流产生的归一化
(Normalized)磁场，bnn为由相邻电线的电流产生的归一化外部磁场，为与
位置无关的恒定外部磁场，为各所述磁传感器对j的磁灵敏度单位矢量，
分别为各所述磁传感器对j中与所述电线近的传感器即内侧磁传感
器元件的位置处的相邻电线磁场的单位矢量、以及与所述电线远的传感器
即外侧磁传感器元件的位置处的相邻电线磁场的单位矢量，分别为
与被测量电线的轴向垂直的截面上的、各所述磁传感器对j的内侧磁传感器
元件的位置矢量和外侧磁传感器元件的位置矢量，为相邻电线的位置矢
量，为被测量电线的位置偏移矢量，其中的绝对值为Y1，的绝对
值为Y2，的绝对值为R，的绝对值为ΔX。
由此，即使在外部磁场对各磁传感器元件的影响程度相同的情况下，
本发明也能够减小外部磁场的影响，而且能够减小由于电线的位置偏移导
致的影响，并能够提高测量精度。
另外，本发明的特征在于，在各所述磁传感器对中，由于相邻电线等
的影响而引起外部磁场对各磁传感器元件的影响不同的情况下，用下述数
学式9表示所述预定的耦合系数，按照下述数学式2，在各所述磁传感器对
中对各磁传感器元件的输出值进行线性耦合，并针对所有磁传感器对进行
相加，
[数学式9]
A = - Σ j = 1 N ( e → sj · e → j 1 ) | R → - Y → j 1 | Σ j = 1 N ( e → sj · e → j 2 ) | R → - Y → j 2 | ]]>
[数学式2]
Σ j = 1 N S j = b 0 Σ j = 1 N ( 1 | Y → j 1 - Δ X → | + A | Y → j 2 - Δ X → | ) + 2 Σ j = 1 N b → c · e → sj ( 1 + A ) + b nn Σ j = 1 N ( ( e → sj · e → j 1 ) | R → - Y → j 1 | + A ( e → sj · e → j 2 ) | R → - Y → j 2 | ) ]]>
在此，j为各所述磁传感器对的标号，Sj为各所述磁传感器对j的线性
耦合输出，A为所述耦合系数，b0为由被测量电线的电流产生的归一化磁
场，bnn为由相邻电线的电流产生的归一化外部磁场，为与位置无关的恒
定外部磁场，为各所述磁传感器对j的磁灵敏度单位矢量，分别
为各所述磁传感器对j中与所述电线近的传感器即内侧磁传感器元件的位
置处的相邻电线磁场的单位矢量、以及与所述电线远的传感器即外侧磁传
感器元件的位置处的相邻电线磁场的单位矢量，分别为与被测量电
线的轴向垂直的截面上的、各所述磁传感器对j的内侧磁传感器元件的位置
矢量和外侧磁传感器元件的位置矢量，为相邻电线的位置矢量，为被
测量电线的位置偏移矢量，其中的绝对值为Y1，的绝对值为Y2，的
绝对值为R，的绝对值为ΔX。
由此，即使在外部磁场对各磁传感器元件的影响不同的情况下，本发
明也能够减小外部磁场的影响，而且能够减小由于电线的位置偏移导致的
影响，并能够提高测量精度。
另外，本发明的特征在于，设置有用于保持所述多个磁传感器元件的
承载体，在该承载体中形成有用于保持所述电线的保持部和用于向所述保
持部引导所述电线的导入部。
由此，由于不像箝位式(clamp)电流传感器那样为了导入电线而对传感
器装置进行分割，因此本发明能够提供长期可靠性优良的电流传感器。
另外，本发明的特征在于，所述各内侧磁传感器和所述各外侧磁传感
器在以所述电线为中心的具有不同半径的两个圆周上分别被配置成多个
组。
由此，本发明能够减小电线位置偏移和外部磁场的影响而提供测量精
度高的电流传感器。
另外，本发明的特征在于，各所述磁传感器对是以等间隔配置的。
由此，本发明能够减小电线位置偏移和外部磁场的影响而提供测量精
度高的电流传感器。
另外，本发明的特征在于，各所述磁传感器对以90度的等间隔配置有
4组。
由此，本发明能够减小电线位置偏移和外部磁场的影响而提供测量精
度高的电流传感器。
发明效果
根据本发明，通过使磁传感器元件相向形成磁传感器对，并利用预定
的耦合系数对该成对的磁传感器元件的输出值进行线性耦合，能够减小外
部磁场的影响，进一步地，通过将各磁传感器对线性耦合而获得的值相加
来计算出测量电流，还能减小由于电线的位置偏移导致的影响。
附图说明
图1是本实施方式(第1实施方式)的被测量电线、磁传感器元件的配置
图。
图2是用于说明上述实施方式(第1实施方式)的线性耦合系数的确定方
法的被测量电线、磁传感器和相邻电线的配置图。
图3是示出利用差动及非差动方式来对上述实施方式(第1实施方式)
中4个元件时电流测量误差对相邻电线位置(角度)的依赖性进行比较的结
果的图。
图4是示出上述实施方式(第1实施方式)的元件对数为2、3、4、5时
电流测量误差对相邻电线位置(角度)的依赖性的图。
图5是示出上述实施方式(第1实施方式)中4个元件对时在相邻电线电
流的影响下电流测量误差对于被测量电线位置偏移的依赖性的图。
附图标记说明
10 承载体
10A 内侧面部
10B 外侧面部
10C 被测量电线导入部
10D 被测量电线保持部
11 被测量电线
12 相邻电线
20 磁传感器对
21 内侧磁传感器
22 外侧磁传感器
23 相邻电线位置(角度θ)
Y1 被测量电线和内侧磁传感器的距离
Y2 被测量电线和外侧磁传感器的距离
C1 被测量电线的中心
C2 相邻电线的中心
具体实施方式
下面参照图1到图5说明将本发明的电流传感器具体化的实施方式。
本发明的电流传感器具有如图1所示的正方形的承载体10，在该承载
体10上与四边对应地分别形成内侧面部10A和外侧面部10B。另外，承载
体10的一个角部被切掉而形成电线导入部10C，使得能够把用于测量的被
测量电线11导入承载体10的中央。电线导入部10C延伸至承载体10的中
央部从而其延伸端部形成为电线保持部10D，并将导入的被测量电线11保
持在承载体10的中央部。
在各内侧面部10A和各外侧面部10B上，沿着与导入到承载体10的中
央部的被测量电线11的轴线方向正交的方向将各内侧磁传感器元件21和
外侧磁传感器元件22相向设置。通过这些相向配置的内侧磁传感器元件21
和外侧磁传感器元件22，来以被测量电线11为中心在其周围按90度的等
间隔配置4对磁传感器对20。
各内侧磁传感器元件21和各外侧磁传感器元件22可以使用磁阻效应
元件，例如GMR(Giant Magneto Resistive：巨磁阻)元件，检测由流过被测
量电线11的电流产生的磁场的强度。另外，从各内侧磁传感器元件21和
各外侧磁传感器元件22输出的信号经由未示出的放大电路输入到信号处理
装置中。信号处理装置具有运算处理电路以及存储器等，利用预定的线性
耦合系数对基于从各磁传感器对20中各内侧磁传感器元件21输出的信号
的输出值和基于从各外侧磁传感器元件22输出的信号的输出值进行线性耦
合，并将各磁传感器对20的线性耦合的值相加来计算出流过被测量电线11
的电流值。
接着，具体说明各磁传感器对20的线性耦合及根据通过该线性耦合获
得的值来计算电流值的方法。
作为对由电流传感器进行的电流测量造成影响的外部磁场，考虑由与
被测量电线11相邻的其它电线(以下称为相邻电线12)产生的归一化外部磁
场bnn和由其它外部设备等(未示出)产生的恒定外部磁场bc。另外，如图2
所示，将被测量电线11的中心C1和内侧磁传感器元件21之间的距离设为
Y1，将被测量电线11的中心C1和外侧磁传感器元件22之间的距离设为
Y2，各内侧磁传感器元件21和各外侧磁传感器元件22的敏感轴均和以被
测量电线11为中心的圆上各内侧磁传感器元件21和各外侧磁传感器22的
设置点处的切线一致，方向设定为以电流流动的方向(垂直于图1中的纸面
的方向)为轴逆时针旋转的方向。
设j为磁传感器对的标号(图1示出了j＝1～4的4个磁传感器对的情况)。
当设A为内侧、外侧磁传感器元件输出值的耦合系数时，磁传感器对j的
传感器输出Sj可用数学式1表示。
[数学式1]
S j = b 0 | Y → j 1 - Δ X → | + b nn ( e → sj · e → j 1 ) | R → - Y → j 1 | + b → c · e → sj + A ( b 0 | Y → j 2 - Δ X → | + b nn ( e → sj · e → j 2 ) | R → - Y → j 2 | + b c ) ]]>
= b 0 ( 1 | Y → j 1 - Δ X → | + A | Y → j 2 - Δ X → | ) + b → c · e → sj ( 1 + A ) + b nn ( ( e → sj · e → j 1 ) | R → - Y → j 1 | + A ( e → sj · e → j 2 ) | R → - Y → j 2 | ) ]]>
在此，b0为由被测量电线11的电流产生的归一化磁场，bnn为由相邻电
线12的电流产生的归一化外部磁场，bc为与位置无关的恒定外部磁场，esj
为磁传感器对j的磁灵敏度单位矢量，ej1、ej2分别为各磁传感器对j的内侧、
外侧磁传感器元件位置处的相邻电线磁场的单位矢量。另外，分别用Yj1(绝
对值为Y1)、Yj2(绝对值为Y2)表示垂直于被测量电线轴线方向的截面上的磁
传感器对j中的内侧磁传感器元件和外侧磁传感器元件的位置矢量，并且用
R(绝对值为R)表示相邻电线位置矢量。另外，用ΔX(绝对值为ΔX)表示被
测量电线的位置偏移矢量。
另外，用数学式2表示各磁传感器对的输出的总和(N为磁传感器对的
总数，当前例子中为N＝4)。
[数学式2]
Σ j = 1 N S j = b 0 Σ j = 1 N ( 1 | Y → j 1 - Δ X → | + A | Y → j 2 - Δ X → | ) + 2 Σ j = 1 N b → c · e → sj ( 1 + A ) + b nn Σ j = 1 N ( ( e → sj · e → j 1 ) | R → - Y → j 1 | + A ( e → sj · e → j 2 ) | R → - Y → j 2 | ) ]]>
被测量电流的测量误差为数学式3，其表示为数学式2中的第2、3项
的和与第1项之比。
[数学式3]
error ( % ) ]]>
= 100 × ( 2 Σ j = 1 N b → c · e → sj ( 1 + A ) + b nn Σ j = 1 N ( ( e → sj · e → j 1 ) | R → - Y → j 1 | + A ( e → sj · e → j 2 ) | R → - Y → j 2 | ) ) / b 0 Σ j = 1 N ( 1 | Y → j 1 - Δ X → | + A | Y → j 2 - Δ X → | ) ]]>
将数学式2按被测量电线的位置偏移ΔX展开，则成为数学式4。
Σ j = 1 N S j = b 0 Σ j = 1 N ( 1 Y 1 ( 1 + 1 2 ( ΔX Y 1 ) cos θ j 1 + O ( ( ΔX / Y 1 ) 2 ) ) + A Y 2 ( 1 + 1 2 ( ΔX Y 2 ) cos θ j 2 + O ( ( ΔX / Y 2 ) 2 ) ) ) + b c N ( 1 + A ) ]]>
+ b nn Σ j = 1 N ( ( e → sj · e → j 1 ) | R → - Y → j 1 | + A ( e → sj · e → j 2 ) | R → - Y → j 2 | ) ]]>
在此，θj1、θj1分别为磁传感器对j的内侧和外侧磁传感器元件位置与
相邻电线的中心C2所成的角度，由于各内侧磁传感器和各外侧磁传感器分
别以等角度间隔配置在以被测量电线为中心的半径不同的两个圆周上，因
此数学式5和数学式6成立。在此，添加的字符k为1或2，θ0为常数。
[数学式5]
cos θ jk = ( Y → jk · R → ) | Y → jk | | R → | = cos ( 2 π ( j - 1 ) / N + θ 0 ) ]]>
[数学式6]
Σ j = 1 N cos θ jk = Σ j = 1 N cos ( 2 π ( j - 1 ) / N + θ 0 ) = 0 ]]>
将这些结果反映在数学式2中得到数学式7。
[数学式7]
Σ j = 1 N S j = b 0 Σ j = 1 N ( 1 Y 1 ( 1 + O ( ( ΔX / Y 1 ) 2 ) ) + A Y 2 ( 1 + O ( ( ΔX / Y 2 ) 2 ) ) ) + 2 Σ j = 1 N b → c · e → sj ( 1 + A ) + b nn Σ j = 1 N ( ( e → sj · e → j 1 ) | R → - Y → j 1 | + A ( e → sj · e → j 2 ) | R → - Y → j 2 | ) ]]>
根据数学式7可知：被测量电线的位置偏移的影响中只有位置偏移ΔX
的2次方以上的高阶微小量起作用。也就是说，可以充分地消除被测量电
线的位置偏移的影响。
在此，分析恒定外部磁场的影响。如前所述，各内侧磁传感器元件21
和各外侧磁传感器元件22的敏感轴均和以被测量电线11为中心的圆上各
内侧磁传感器元件21和各外侧磁传感器22的设置点处的切线一致，方向
设定为以电流流动的方向(垂直于图1中的纸面的方向)为轴逆时针旋转的
方向，因此数学式8成立。也就是说，能够消除恒定外部磁场的影响。
[数学式8]
Σ j = 1 N b → c · e → sj = 0 ]]>
接下来确定线性耦合系数A。在数学式2中，使bnn的系数项为0，得
到数学式9。由此消除相邻电线的影响。也就是说，还能够消除被测量电线
的位置偏移和外部磁场(恒定外部磁场和由相邻电线产生的外部磁场这两者)
的影响。
[数学式9]
A = - Σ j = 1 N ( e → sj · e → j 1 ) | R → - Y → j 1 | Σ j = 1 N ( e → sj · e → j 2 ) | R → - Y → j 2 | ]]>
本实施例中磁传感器对数N＝4，选择相邻电线和磁传感器对1以及被
测量电线排成直线的配置，在此情况下根据数学式9得到数学式10。
[数学式10]
A = - ( R - Y 2 ) ( R + Y 2 ) Y 1 ( R - Y 1 ) ( R + Y 1 ) Y 2 , ]]>(θ11＝θ12＝0)
接着利用图2和图3具体说明本发明对于相邻电线电流的影响的效果。
磁传感器对的数目为4对，在图2中，R＝8mm，Y1＝4mm，Y2＝5mm，将被
测量电线和相邻电线之间的距离固定为8mm，使相邻电线的位置以被测量
电线为中心旋转，利用数学式3求得电流测量误差。在相邻电线位于由直
线连接被测量电线和某磁传感器对所得到的方向的延长线上的情况下，设
旋转角度θ为0°。所述磁传感器元件输出的线性耦合系数在0°的情况下，
利用前述方法进行最优化，根据数学式10，A＝-39/60。将进行该最优化处
理的情况为差动，不进行最优化处理而设A＝0来评估的情况为非差动。图
3示出在使相邻电线的位置从θ为0°变化到45°的情况下，差动和非差动这
两种方式的电流测量误差是结果。虽然非差动方式下最大电流测量误差超
过5％，但在差动方式下最大误差被抑制在2％以下。
接着利用图4说明相邻电线电流的影响导致的测量误差如何按照磁传
感器对的数目变化。设R＝8mm，Y1＝4mm，Y2＝5mm，对于使磁传感器对的
数量为2、3、4、5，并使相邻电线的位置从θ为0°变化到90°的情况下，
利用数学式3求得电流测量误差。在各磁传感器对数的情况下，利用数学
式9对所述磁传感器对输出的线性耦合系数进行最佳化。在磁传感器对的
数目为4对以上时能够将测量误差抑制在2％以下。
接着利用图5说明磁传感器元件对为4对时在相邻电线电流的影响下
由于被测量电线的位置偏移导致的电流测量误差。相邻电线在θ＝0°方向上，
R＝8mm，Y1＝4mm，Y2＝5mm。在沿θ＝0°的直线上使被测量电线偏移-1mm
到+1mm的情况下，利用数学式3求出电流测量误差。在这种情况下也取
A＝-39/60，从而线性耦合系数最优化。在被测量电线的位置偏移从-1mm到
+1mm的过程中能够将电流测量误差抑制在1％左右以下。
根据上述结构本实施方式能够获得如下效果。
根据本实施方式，使内侧磁传感器元件21和外侧磁传感器元件22相
向形成磁传感器对20，将各磁传感器对在圆周上等角配置，能够利用预定
的线性耦合系数对成对的内侧磁传感器元件21的输出值和外侧磁传感器元
件22的输出值进行线性耦合，来消除依赖于位置的归一化外部磁场bnn和
恒定外部磁场bc的影响。此外，把各磁传感器对20线性耦合所获得的值
Sj相加，根据该相加而获得的值∑Sj来计算测量电流，由此能够减小由于电
线位置偏移造成的影响。也就是说，即使在电流路径位置偏移和外部磁场
改变因素混合的情况下，也能够减小被测量电流的测量误差。
另外，通过采用磁传感器对结构，能够容易地确保电线导入部空间，
实现与使用目的对应的磁传感器总数的选择自由度增加的效果。
另外，由于没有像箝位式电流传感器那样为了导入电线而分割传感器
装置，因此实现了能够提供长期可靠性优良的电流传感器的效果。
此外，本发明不限于上述的实施方式，例如，可以实施如下所述的变
形，并且这些实施方式也属于本发明的技术范围。
(1)在上述的实施方式中，在被测量电线11的周围以90度的等角度间
隔配置4对由内侧磁传感器元件21和外侧磁传感器元件22构成的磁传感
器对20，但不必须为90度的等间隔，只要是使数学式6成立的配置即可。
另外，即使是2对、3对等除了4对以外的结构，但只要是同样使数学式6
成立的配置即可。
(2)在上述实施方式中，针对设定为线性耦合系数A＝-39/60，消除由被
测量电线的位置偏移和相邻电线造成的归一化外部磁场bnn所导致的影响的
方法进行了说明，但也可以根据外部磁场的发生源及其位置等来使线性耦
合系数最优化，并把内侧磁传感器元件的输出值和外侧磁传感器元件的输
出值线性耦合以消除外部磁场的影响。
(3)在上述实施方式中，内侧磁传感器元件21或外侧磁传感器元件22
是GMR元件，但也可以是MR元件或霍尔元件等能够进行磁检测的元件。
此外，本发明能够在不脱离要旨的范围内实施各种变形。