特許 7540101 電流変換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-16

(45)【発行日】2024-08-26

(54)【発明の名称】電流変換器

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/20 20060101AFI20240819BHJP

【ＦＩ】

G01R15/20 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023558550

(86)(22)【出願日】2022-03-04

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-02-28

(86)【国際出願番号】 EP2022055576

(87)【国際公開番号】W WO2022200016

(87)【国際公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-11-02

(31)【優先権主張番号】21164334.1

(32)【優先日】2021-03-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】520011360

【氏名又は名称】レム・インターナショナル・エスエイ

(74)【代理人】

【識別番号】100101890

【弁理士】

【氏名又は名称】押野 宏

(74)【代理人】

【識別番号】100098268

【弁理士】

【氏名又は名称】永田 豊

(72)【発明者】

【氏名】ギルマン・トーマス

(72)【発明者】

【氏名】ミレー・ファビアン

【審査官】青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】特表２０２１－５０５８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５２４０９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５３９５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１６３０２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１５２５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１０３６４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ １５／２０－１７／２２

Ｈ０１Ｆ ３８／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電流変換器であって、
ベース（４）およびカバー（５）を含むハウジング（３）と、
前記ベースのキャビティ（１２）内に装着された磁気回路であって、磁気コアと、前記磁気コアに巻き付けられた少なくとも１つのコイル（６）と、を含む、磁気回路と、
前記ハウジング（３）内に位置し、前記磁気回路の磁場を測定するように構成された磁場検出器と、
前記ハウジング内に装着された第１の回路ボード（８）を含む電気回路（７）であって、前記第１の回路ボードは、前記磁場検出器および前記コイルに接続された信号処理回路を含む、電気回路と、
を含み、
前記電気回路（７）は、第２の回路ボード（９）上に装着された１つ以上の電力増幅器（１５）を含む前記第２の回路ボード（９）をさらに含み、前記カバー（５）は、前記ベース（４）の前記キャビティ（１２）と対向する内側面、及び、前記内側面と反対の外側面を有する金属支持基板を備え、前記第２の回路ボードは、前記金属支持基板の前記内側面上で一体化され、前記外側面は、前記ハウジングの外側を向く前記カバーの外面（２０）を備え、前記金属支持基板は、前記ベース（４）に固定されてその中の前記キャビティ（１２）を覆い、前記第１の回路ボードおよび前記第２の回路ボード（８、９）は、電気的相互接続部（１７）によって電気的に相互接続されていることを特徴とする、電流変換器。

【請求項2】

前記電流変換器は、閉ループ電流変換器であり、前記少なくとも１つのコイルは、測定される電流により生成される磁場を打ち消そうとする補償電流を搬送するように構成された補償コイルである、請求項１に記載の電流変換器。

【請求項3】

前記金属支持基板は、平坦な金属シートである、請求項１または２に記載の電流変換器。

【請求項4】

前記第２の回路ボード（９）は、平坦な絶縁基板を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の電流変換器。

【請求項5】

前記金属支持基板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で作られている、請求項１～４のいずれか一項に記載の電流変換器。

【請求項6】

前記電気回路（７）は、前記第１の回路ボードと前記第２の回路ボードとの間に装着されてそれらの間のギャップ（Ｇ）を画定し安定させる１つ以上のスペーサ要素を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の電流変換器。

【請求項7】

コネクタ（１０）をさらに含み、前記コネクタは、前記第１の回路ボード上に装着され、そこから、前記コネクタのためのオリフィスを有する前記第２の回路ボードおよび前記金属支持基板を通って延び、外部コネクタへのプラグ接続可能なインターフェースまたは接続部を提示する、請求項１～６のいずれか一項に記載の電流変換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気コアと、一次導体が内部を通過する中央通路と、を備えた電流変換器に関する。この変換器は、特に、磁気コアに巻き付けられた補償コイルを備えた閉ループ型のものとすることができる。

【背景技術】

【0002】

測定される電流を搬送する一次導体が中を延びる中央通路を備えた磁気コアを有する電流変換器は、周知である。磁気コアに巻き付けられた補償コイルを含む閉ループ型の電流変換器も周知である。ホール効果センサ、もしくはフラックスゲートセンサなどの磁場検出器、または他の種類の磁場検出器は、一次電流によって生成され、磁気コアによって捕捉される磁場をピックアップするために、磁気コアのエアギャップ内に装着されるか、または、磁気コアに近接して装着される。

【0003】

閉ループ型の変換器では、磁場検出器は、電子回路に接続され、フィードバックループにおいて補償コイルを駆動して、一次電流が生成する磁場と反対の磁場を生成し、これらの磁場は、互いに相殺する。補償コイルの補償電流を駆動する電流が、測定され得、測定される電流に比例した値を表す。大きな電流値の測定では、補償電流の生成は、電流変換器内に装着された１つ以上の電力増幅器を必要とする場合があり、このような電力増幅器は、排除する必要のある熱を生成し、その程度は、変換器のサイズ、電流の振幅、および特定の用途における電流変換器の実装によって決まる。また、電力増幅器によって生成される熱が、電子回路の他の部分、特に磁場検出器信号を処理するための信号処理要素およびフィードバックループの生成に影響を与えるのを低減することも好ましい。

【0004】

従来の電流変換器では、電流変換器内部での熱発生の問題は、電流変換器の適切な寸法決め（特に、大型の電流変換器を有すること）によって、また、電力増幅器が装着された回路ボードを、変換器ハウジングに接続された熱橋要素またはハウジングの外側に位置付けられた冷却要素に接続することによって、解決することができる。しかし、これらの対策により、変換器は、かさ高で高価なものになる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の目的は、コンパクトで、信頼性が高く正確な方法で大振幅の一次電流を測定することができる閉ループ電流変換器を提供することである。

【0006】

安定した温度で動作する閉ループ電流変換器を提供することが有利である。

【0007】

信頼性と精度を維持しながら、過酷な動作環境で実装され得る閉ループ電流変換器を提供することが有利である。

【0008】

製造するのに経済的である電流変換器を提供することが有利である。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の目的は、請求項１に記載の電流変換器を提供することにより達成された。

【0010】

本明細書に開示されるのは、電流変換器であり、電流変換器は、ベースおよびカバーを含むハウジングと、ベースのキャビティ内部に装着された磁気回路であって、磁気コアと、磁気コアに巻き付けられた少なくとも１つのコイルと、を含む、磁気回路と、ハウジング内部に装着された第１の回路ボードを含む電気回路であって、第１の回路ボードは、磁場検出器およびコイルに接続された信号処理回路を含む、電気回路と、を含む。変換器は、上に装着された１つ以上の電力増幅器を含む第２の回路ボードをさらに含み、第２の回路ボードは、前記カバーの外層を形成する金属支持基板の内側面上で一体化され、金属支持基板は、ハウジングベースに固定されてその中のキャビティを覆い、第２の回路ボードが第１の回路ボードに対向するカバーの内側面を形成しており、第１および第２のボードは、電気的相互接続部によって電気的に相互接続されている。

【0011】

有利な実施形態では、電流変換器は、閉ループ電流変換器であり、コイルは、測定される電流により生成される磁場を打ち消そうとする補償電流を搬送するように構成された補償コイルである。

【0012】

有利な実施形態では、金属支持基板は、平坦な金属シートである。

【0013】

有利な実施形態では、第２の回路ボードは、平坦な絶縁基板を含む。

【0014】

有利な実施形態では、金属支持基板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で作られている。

【0015】

有利な実施形態では、電子回路は、第１の回路ボードと第２の回路ボードとの間に装着されてそれらの間のギャップ（Ｇ）を画定し安定させる１つ以上のスペーサ要素を含む。

【0016】

有利な実施形態では、変換器は、コネクタをさらに含み、コネクタは、第１の回路ボード上に装着され、そこから、コネクタのためのオリフィスを有する第２の回路ボードおよび金属支持基板を通って延び、外部コネクタへのプラグ接続可能なインターフェースまたは接続部を提示する。

【0017】

本発明のさらなる目的および有利な特徴は、特許請求の範囲、詳細な説明および添付図面から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1a】本発明の実施形態による電流変換器の斜視図を示す。

【図1b】本発明の実施形態による電流変換器の斜視図を示す。

【図2a】図１ａおよび図１ｂに示される電流変換器の実施形態の斜視分解組立図である。

【図2b】図１ａおよび図１ｂに示される電流変換器の実施形態の斜視分解組立図である。

【図3a】本発明の実施形態による電流変換器の電子回路およびその一部を示す斜視図である。

【図3b】本発明の実施形態による電流変換器の電子回路およびその一部を示す斜視図である。

【図3c】本発明の実施形態による電流変換器の電子回路およびその一部を示す斜視図である。

【図4】本発明の実施形態によるハウジングカバー内に一体化された回路ボードの一部の詳細な概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図を参照すると、電流変換器１は、中央通路２を含み、これを通って、測定される電流（一次電流）を搬送する一次導体が延びることができる。一次導体（図示せず）は、導電性ロッドもしくはバーまたはケーブルの形態とすることができ、これは、中央通路を複数回通過するように変換器にさらに巻き付けられていてよい。さらに、複数の一次導体が、例えば差動電流の測定のため、または、複数の一次導体に流れる電流の組み合わせの測定のために、中央通路を通って挿入され得る。磁気コアを備えた電流変換器の中央通路を通る一次導体の配置は、それ自体周知であり、多くの形態をとり得るので、本明細書でこれ以上説明する必要はない。

【0020】

電流変換器１は、磁気回路受容キャビティ１２を内部に有するベース４と、キャビティ１２の開放側を覆ってベースに固定されてキャビティを閉じることができるカバー５と、を含むハウジング３を含む。カバーは、ねじ１８などの固定要素によってベースに固定されてもよく、または、ベースに接着もしくは溶接されてもよく、好ましくは（用途によっては必ずしもそうでなくてもよいが）カバーとベースとの間のシールを含む。

【0021】

ハウジングは、一次導体と変換器のハウジング３との間の電気絶縁を提供するかまたは増加させるために、中央通路絶縁体スリーブ１１をさらに含み得る。絶縁体スリーブ１１は、有利には、スリーブの端部２３がカバー７の外面２０を越えてある距離Ｄ突出するように、ハウジングの軸方向厚さＴよりも大きい長さＬに沿って延びることができる。これにより、一次導体と、以下で説明するように金属外側基板層を含むカバー５との間の長い沿面経路による良好な絶縁が保証される。

【0022】

磁気回路は、少なくとも１つのコイル６に囲まれた回路磁気コア（見えない）を含む。この少なくとも１つのコイルは、一次導体に流れる電流によって生成される磁場を打ち消すことが意図された補償電流を搬送するように構成された補償コイルを含む。

【0023】

電流変換器は、磁気コアに巻き付けられたピックアップコイルの形態とすることができるか、もしくは、磁気コア（見えない）のエアギャップ内に装着されたホール効果検出器のような磁場検出器の形態とすることができる、磁場検出器（見えない）、または、コアがエアギャップを含まない場合には、磁気コアに隣接して装着されるか、もしくは磁気コアに形成されたくぼみ内部に装着された磁場検出器、をさらに含む。磁場検出器は、前述したようなホール効果検出器、もしくはフラックスゲート検出器、またはそれ自体周知である様々な他の種類の磁場検出器であってよい。コイル、磁気コア、および様々な要素の構造は、当技術分野でそれ自体周知の様々な構成で提供することができる。コイル６および磁気コアは、電流変換器の分野においてそれ自体周知のように、キャビティ１２内に充填された絶縁ポッティング材によって覆われ得る。

【0024】

電流変換器は、磁場検出器および１つ以上のコイル６に接続される電子回路７をさらに含む。この電子回路は、電流変換器１が出力する電流測定信号を必要とする外部回路に変換器を接続するためのコネクタ１０またはケーブル（図示せず）にも接続されている。

【0025】

電子回路７は、少なくとも２つの回路ボード８、９、すなわち、回路構成要素を上に有する第１の回路ボード８と、少なくとも１つ以上の電力増幅器１５を含む回路構成要素をやはり上に有する第２の回路ボード９と、を含む。第１および第２の回路ボードは、ギャップＧだけ離間されて積層して配置され、回路ボードとの間で信号および電力を伝送するための、例えばピン端子の形態の、電気端子１７によって相互接続される。回路ボード間には、例えば光相互接続部のような他の種類の接続部を提供してもよい。

【0026】

コネクタ１０は、第１の回路ボード８上に装着され、外部コネクタにプラグ接続可能に接続するための、ハウジング３の外側からアクセス可能なコネクタプラグを提示するために第２の回路ボードのオリフィス２１を通って延びることができる。コネクタ１０は、第１の回路ボード８と第２の回路ボード９との間のスペーサの機能も果たすことができる。

【0027】

第１の回路ボード８は、回路ボード基板、例えば多層エポキシ樹脂構造を含むプリント回路ボードに使用される従来の基板を含む。第１の回路ボード上に装着される回路構成要素は、特に、磁場検出器の出力を測定し、磁場検出器がフラックスゲートセンサを含む場合に励磁コイルを駆動し、かつ補償コイルを駆動するためのフィードバック信号を処理するための信号処理構成要素を含み得る。

【0028】

第２の回路ボード９は、１つ以上の補償コイル６に注入された信号を増幅する１つ以上の電力増幅器１５を含む。特に大きな一次電流を測定するために補償コイルを駆動するのに必要な電流を生成すると、電力増幅器内に熱が発生し、これは、変換器の安定動作のために取り除く必要がある。

【0029】

本発明の一態様によれば、１つ以上の電力増幅器１５が装着された第２の回路ボード９は、金属支持基板２７上に直接装着された回路基板層２５を含む。金属支持基板２７は、カバー５の外層を形成し、これは、カバー５に機械的支持構造および剛性も提供する。回路基板層２５は、絶縁材料を有し、回路基板層上に装着された回路構成要素の相互接続のために、絶縁材料中または絶縁材料上に導電性回路トレースを有する。

【0030】

金属支持基板２７は、図４に概略的に示されるように、第２の回路ボード９の絶縁回路基板層２５が装着される平坦な金属片の形態であってもよいし、第２の回路ボード９の絶縁回路基板層が装着される浅いキャビティを形成する内側面凹部を含んでもよい。このようにして、第２の回路ボード９は、ベース４に固定するためのねじ穴またはリベット穴を有するフランジなどの固定部分を含む、金属支持基板と一体的な不可分の部品としてカバー５に一体化される。

【0031】

このように、１つ以上の電力増幅器１５を含む第２の回路ボード９をハウジングカバー５の一部として一体化することにより、非常にコンパクトな形態で変換器を冷却するための、電力増幅器からカバーの金属層への優れた熱伝達が得られる。さらに、カバー５内の第２の回路ボード９からギャップＧだけ離間された第１の回路ボード８上の信号処理構成要素の分離により、２つの回路ボード間および電力増幅器とその他の回路構成要素との間の熱伝達が低くなることが保証され、よって、信号処理回路構成要素の熱安定性が向上する。換言すれば、信号処理構成要素は、２つの異なる回路ボードに分離され、効果的な熱の排除と変換器内部の熱の蓄積の低減のために金属カバー上に電力増幅器を有することにより、電力増幅器の動作による熱および温度変動が少なくなる。

【0032】

２つの回路ボード間にピン相互接続部１７を有する代わりに、プラグ接続可能な接続部を設けてもよく、カバーが取り外され、かつ戻されることができるようにするか、または単に変換器の製造組立を容易にし得ることに留意されたい。

【0033】

〔参照した特徴部のリスト〕
電流変換器１
中央通路２
ハウジング３
ベース４
コイル受容キャビティ１２
ポッティング材
カバー５
固定要素（例えば、ねじ）１８
外面２０
コネクタオリフィス２１
回路基板層２５
金属支持基板２７
内面
凹部
中央通路絶縁体スリーブ１１
端部２３
補償コイル６
電子回路７
第１の回路ボード８
回路構成要素１３
第２の回路ボード９
回路構成要素
電力増幅器１５
固定要素１８
電気的相互接続部１７
磁気コア
磁場検出器
コネクタ１０

【0034】

〔実施の態様〕
（１） 電流変換器であって、
ベース（４）およびカバー（５）を含むハウジング（３）と、
前記ベースのキャビティ（１２）内部に装着された磁気回路であって、磁気コアと、前記磁気コアに巻き付けられた少なくとも１つのコイル（６）と、を含む、磁気回路と、
前記ハウジング内部に装着された第１の回路ボード（８）を含む電気回路（７）であって、前記第１の回路ボードは、磁場検出器および前記コイルに接続された信号処理回路を含む、電気回路と、
を含み、
前記変換器は、上に装着された１つ以上の電力増幅器（１５）を含む第２の回路ボード（９）をさらに含み、前記第２の回路ボードは、金属支持基板の内側面上で一体化され、前記金属支持基板は、前記カバー（５）の外層を形成し、前記金属支持基板は、前記ハウジングベース（４）に固定されてその中の前記キャビティ（１２）を覆い、前記第２の回路ボード（９）が前記第１の回路ボードに対向する前記カバーの内側面を形成しており、前記第１のボードおよび前記第２のボードは、電気的相互接続部（１７）によって電気的に相互接続されていることを特徴とする、電流変換器。
（２） 前記電流変換器は、閉ループ電流変換器であり、前記コイルは、測定される電流により生成される磁場を打ち消そうとする補償電流を搬送するように構成された補償コイルである、実施態様１に記載の電流変換器。
（３） 前記金属支持基板は、平坦な金属シートである、実施態様１または２に記載の電流変換器。
（４） 前記第２の回路ボード（９）は、平坦な絶縁基板を含む、実施態様１～３のいずれかに記載の電流変換器。
（５） 前記金属支持基板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で作られている、実施態様１～４のいずれかに記載の電流変換器。

【0035】

（６） 前記電子回路は、前記第１の回路ボードと前記第２の回路ボードとの間に装着されてそれらの間のギャップ（Ｇ）を画定し安定させる１つ以上のスペーサ要素を含む、実施態様１～５のいずれかに記載の電流変換器。
（７） コネクタ（１０）をさらに含み、前記コネクタは、前記第１の回路ボード上に装着され、そこから、前記コネクタのためのオリフィスを有する前記第２の回路ボードおよび前記金属支持基板を通って延び、外部コネクタへのプラグ接続可能なインターフェースまたは接続部を提示する、実施態様１～６のいずれかに記載の電流変換器。

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図4】