功率测量装置制造方法

功率测量装置制造方法
【专利摘要】期望小型、能用一个元件测量有功功率、无功功率、功率因数、视在功率这些测定项目的功率测量装置。特征在于具有：一对连结端，相对于电源与负载并联连结；传感器元件，具有设于磁性膜部两端的一对传感器端子，所述传感器端子一端与所述连结端的一个连接，该传感器元件以所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流动方向大致平行的方式与所述连接线相邻配置；n个带通滤波器，并联连接于所述传感器元件的传感器端子另一端；相位调整器，与所述带通滤波器分别串联连接；选择开关，选择连接所述相位调整器；测量电阻，一端与选择开关连接，另一端与所述连结端另一端连接；电压检测部，将所述传感器端子分别作为测量端子测量所述测量端子间的电压。
【专利说明】功率测量装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量功率的装置，尤其涉及利用了磁性膜的磁阻效应的功率测量装 置。

【背景技术】
[0002] 由于交流电中电压和电流存在相位差，所以产生由此造成的无功功率。不仅从感 应电动机的消耗功率即有功功率的测量和节能研究的观点来看，而且从能量的彻底有效利 用的观点来看，基于无功功率、视在功率以及功率因数等的测量的、功率的可视化变得愈发 重要。
[0003] 感应电动机中的消耗功率根据输入电压、输入电流、频率、还根据负载的大小，会 大幅变动。以往分别独立地测量了电流、电压、电流-电压的相位差（Θ)之后，通过运算电 压X电流X功率因数（cosΘ)算出感应电动机中的消耗功率。
[0004] 为了测量消耗功率，作为测量电流的方法，大多使用基于CT(Current Transformer:电流互感器）或分流电阻的方式。然而，CT(CurrentTransformer)在设置 空间存在限制，并且为高价。所以，想要在各种不同的位置测量消耗功率的情况的使用并不 容易。此外，分流电阻方式在设置空间存在限制，并且浪费不必要的能量，随之会留下发热 问题。
[0005] 另一方面，以往，作为更小型的功率测定器，提出了利用霍尔元件的装置。在专利 文献1中，使用两个霍尔效应元件测量有功功率、无功功率及相位或功率因数。另外，在专 利文献2中，在通过霍尔效应元件进行测量时，考虑由产生的控制电流导致的自磁场误差 项的影响，从而正确地测量负载的功率。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1 :日本特开2000-187048号公报
[0009] 专利文献2 :日本特开昭61-17071号公报


【发明内容】

[0010] 当基于节能的观点及/或功率被利用于对汽车等移动体的驱动时，需要在各种位 置的功率测量。为了满足这样的需求，需要具有小型的传感器和简便的测量部的功率测量 装置。作为用于测量消耗功率的测量电流方法，基于CT或分流电阻的方式如上述那样由于 尺寸的关系，不能满足这样的要求。
[0011] 在专利文献1及2中公开的装置由于使用了霍尔元件，与基于CT或分流电阻的方 法比较，能够变得小型。但是，为了测量1个位置的消耗功率而使用多个元件是不能小型化 的根本原因。另外，将专利文献2的电路用于狭小位置的测定也未必是容易的。
[0012] 此外，霍尔元件必须设置为对平面状的元件施加来自垂直方向的磁场。这会产生 如下课题：在要拾取来自导线的磁场时，元件形成的平面不能贴在导线上。这是由于：若元 件形成的平面贴在导线上，来自导线的磁场仅对元件面内施加，难以得到霍尔效应。
[0013] 用于解决课题的手段
[0014] 本发明是鉴于上述的课题而研发出的，是利用了磁性膜具有的磁阻效应的功率测 量装置。更具体的是，本发明的功率测量装置是测定经由连接线连接于电源的负载中所消 耗的功率的功率测量装置，其特征在于，具有：一对连结端，其用于相对于上述电源与上述 负载并联地连结；
[0015] 传感器元件，其具有：包含磁性膜的磁性膜部、和设置在上述磁性膜部的两端的一 对传感器端子，上述传感器端子的一端与上述连结端的一个连接，上述传感器元件具有偏 置机构，该偏置机构对上述磁性膜部赋予动作点，上述传感器元件以上述磁性膜部的长边 方向与上述连接线的电流流动方向大致平行的方式隔着绝缘层与上述连接线相邻配置；
[0016] η个带通滤波器，该η个带通滤波器并联地连接于上述传感器元件的传感器端子 的另一端；
[0017] 相位调整器，其与上述带通滤波器的每一个串联地连接；
[0018] 选择开关，其选择地连接上述相位调整器；
[0019] 测量电阻，其一端与选择开关连接，另一端与上述连结端的另一端连接；以及
[0020] 电压检测部，其将上述传感器端子的每一个作为测量端子来测量上述测量端子间 的电压。
[0021] 发明效果
[0022] 本申请的功率测量装置发挥非接触（原理）、容易设置（超小型、薄型）、节能（测 量时的能量消耗小）这样的磁性薄膜功率传感器的优点，在感应电动机的具体部位，通过 一个传感器不仅能够测量有功功率，还能够测量无功功率和功率因数。由此，能够进行功率 消耗状况的可视化，并且，通过应用于感应电动机，能够根据运转状况和负载状况来进行节 能驱动控制。

【专利附图】

【附图说明】
[0023] 图1是表示本发明的功率测量装置的构成的图。
[0024] 图2是表示本发明的功率测量装置的测定原理的图。
[0025] 图3是表示本发明的功率测量装置的测定原理的图。
[0026] 图4是表示本发明的功率测量装置中使用的传感器元件的其他实施方式的图。

【具体实施方式】
[0027] 以下参照【专利附图】

【附图说明】关于本发明的功率测量装置。此外，以下的说明是例示本发明 的一个实施方式，并不限定于以下的实施方式。只要不脱离本发明的主旨，就能够变更以下 的实施方式。
[0028] 图1是表示本发明的功率测量装置的构成。本发明的功率测量装置1包含连结端 12、传感器元件10、电压检测部14、选择开关16、测量电阻18、η个带通滤波器Βη、η个相位 调整器Ρη。此外，也可以具有控制装置20。另外，本发明的功率测量装置1测量与电源7 连接的负载9 (电阻值为Rl)中消耗的功率。此外，电源7与负载9之间用连接线8 (电阻 值为Rcu)连接。
[0029] 连结端12是用于将功率测量装置1与负载9并联地相对于成为测量对象电路的 电源7连接的端子。所以该连结端12有一对，各自区分的情况下称为连结端12a、12b。
[0030] 传感器元件10是利用了磁性膜的磁阻效应的元件。作为其构成，在薄膜状的磁性 膜部11的两端形成有一对传感器端子lot。磁性膜部11的电阻值为Rmr。区分传感器端 子IOt各端子的情况下，称为传感器端子IOta和10tb。此外，传感器端子IOt也是测量端 子13。由此，测量端子13也有一对，分别称为测量端子13a和13b。
[0031] 传感器兀件10中设有偏置机构lib。偏置机构Ilb是例如为了对磁性膜部11赋 予动作点而施加偏置磁场的永磁铁。也可以为电磁铁。此外，根据磁性膜部11的构造，即 使不施加来自磁铁的偏置磁场，在自始具有动作点的情况下也可以具有偏置机构IIb。
[0032] 此外，传感器元件10与流向负载9的连接线8隔着绝缘层21配置。具体的设置 位置可以在负载9的附近，也可以在电源7的附近，还可以在连接线8的中途。这是因为传 感器元件10是检测基于连接线8中的电流所产生的磁场来进行工作的。因此，希望绝缘层 21较薄。
[0033] 此外，绝缘层21是磁性膜部11不与连接线8直接接触的意思。所以，绝缘层21 也可以是连接线8的包覆物。
[0034] 电压检测部14是测量测量端子13a与13b之间的电压的电压计。电压检测部14 既可以用来显示测量端子13之间的电压，也可以将测量到的电压值以信号Sv输出。
[0035] 传感器元件10的一个传感器端子IOta与一个连结端12a连接。并且，传感器元 件10的另一个传感器端子IOtb连接有η个带通滤波器Bn。在此η为1以上的整数。带 通滤波器Bn分别用附图标记Β1、Β2、…、Bn区分，在表示带通滤波器整体时用附图标记Bn 表示。带通滤波器Bn预先设定为分别流通规定带域的电流。当然，也可以设为能够从外部 变更规定带域。带通滤波器Bn并联地配置，连接于另一个传感器端子10tb。
[0036] 在带通滤波器Bn的后级与各个带通滤波器Bn串联地连接有相位调整器Pn。相位 调整器Pn也与带通滤波器Bn相同地准备有η个，分别区分的情况下称为相位调整器P1、 Ρ2等，概括整体称呼的情况下称为相位调整器Ρη。
[0037] 相位调整器Pn使用电抗效应，使从带通滤波器Bn流出的电流的相位发生变化。发 生变化的程度通过来自外部的信号Cpn来控制。信号Cpn表示对第η个相位调整器Pn的 控制信号。由此，例如，对第2个相位调整器Ρ2发送的控制信号的情况下称为信号Cp2。此 夕卜，相位调整器Pn也可以由数字滤波器构成。另外，相位调整器Pn也可以手动调整。
[0038] η个相位调整器Pn连接于一个选择开关16。选择开关16是具有η个连接端子和 一个输出端子的开关。使连接的η个相位调整器Pn内的一个与输出端子导通。即，仅在用 选择开关16选择的一个带通滤波器Bn和相位调整器Pn的路径中使电流流通。
[0039] 测量电阻18串联地连接于选择开关16的输出端子。测量电阻18的电阻值为R2。 需要测量电阻18的电阻值R2相对于作为磁性膜部11的电阻值即Rmr足够大的电阻。这 是由于如后述那样，认为在该R2与Rmr相比足够大的情况下，磁性膜部11中流通的电流12 仅由电源7的电压（V)和测量电阻18的电阻值R2决定。测量电阻18的另一端与另一个 连结端12b连接。
[0040] 控制装置20可以是由存储器和MPU(MicroProcessorUnit:微处理器单元）构 成的计算机。控制装置20至少与电压检测部14、η个相位调整器Pn和选择开关16连结， 并控制这些器件。
[0041] 接着使用图2简单地说明关于本发明的功率测量装置1的测定原理。图2的（a) 是为了进行测定原理说明，将图1进一步简化而得到的图。省略了带通滤波器Bn及相位调 整器Pn。对与图1相同的结构要素标注相同的附图标记。另外，电源7的电压设为Vin。当 负载9(电阻值Rl)中经由连接线8(电阻值Rcu)流过电流Il时，在连接线8的周围产生 磁场H。
[0042] 此外，在与负载9并联地连接于电源7的功率测量装置1侧，流通由电源7和测量 电阻18确定的电流12。在连接线8的周围产生的磁场H中，将电流12流通的磁性膜部11 配置为该电流12的朝向与连接线8的电流11大致平行。来自连接线8的磁场H在与电流 12呈直角方向上对磁性膜部11作用。像这样，使磁性膜部11的磁化M通过磁场H而旋转。 随之，磁性膜部11的电阻值Rmr根据磁阻效应，电阻值产生变化。
[0043] 在图2的（b)中，示出了对磁性膜部11施加的磁场H和磁性膜部11的电阻值Rmr 的关系。横轴为施加磁场H的强度，纵轴为磁性膜部11的电阻值Rmr。在磁场H未作用的 情况下，为电阻值Rmr，当磁场H作用，磁化M根据电流的方向和大小发生变化时，该电阻值 Rmr发生变化。此外，在变化中，存在减少的情况和增加的情况，均称为磁阻效应。
[0044] 在此，预先通过偏置机构Ilb对磁性膜部11施加偏置磁场Hbias，从而能够得到 与连接线8中流过的电流Il成比例的电阻值Rmr。该偏置磁场Hbias施加的点为动作点 RmO0
[0045] 在此，将动作点处的电阻值设为RmO,将比例常数设为α及β。当将在磁性膜部 11中的电阻的变化量设为△!，将磁性膜部11的电阻设为Rmr时，磁性膜部11的电压 Vmr表示为以下的算式（1)。
[0046][算式1]
[0047] H = a I1
[0048] ARmr = βΗ = β (a I1)
[0049] Rnir = Rni0+ Λ Rnir = Rni0+ α β I1
[0050] Vmr = RmrI2 = (Rm0+ Δ Rmr) I2 = (Rm0+ α β I1) I2
[0051] ... (1)
[0052] 另外，将电源7对负载9施加的电压设为Vin，将其振幅设为Vl。于是，磁性膜部11 的电压Vmr如以下的算式（2)那样以与Vl(电源的振幅）、Rl(负载的电阻值）、cosΘ(功 率因数）的积成比例的方式求出。
[0053][算式 2]
[0054]

【权利要求】
1. 一种功率测量装置，测定经由连接线连接于电源的负载中所消耗的功率，其特征在 于，具有： 一对连结端，其用于相对于所述电源与所述负载并联地连结； 传感器元件，其具有：包含磁性膜的磁性膜部、和设置在所述磁性膜部的两端的一对传 感器端子，所述传感器端子的一端与所述连结端的一个连接，所述传感器元件具有偏置机 构，该偏置机构对所述磁性膜部赋予动作点，所述传感器元件以所述磁性膜部的长边方向 与所述连接线的电流流动方向大致平行的方式隔着绝缘层与所述连接线相邻配置； n个带通滤波器，该n个带通滤波器并联地连接于所述传感器元件的传感器端子的另 一端； 相位调整器，其与所述带通滤波器的每一个串联地连接； 选择开关，其选择地连接所述相位调整器； 测量电阻，其一端与选择开关连接，另一端与所述连结端的另一端连接；以及 电压检测部，其将所述传感器端子的每一个作为测量端子来测量所述测量端子间的电 压。
2. 根据权利要求1所述的功率测量装置，其特征在于，具有： 控制装置，其与所述电压检测部、所述选择开关以及所述相位调整器连接，输出来自所 选择的带通滤波器和与所选择的所述带通滤波器串联地连接的相位调整器的相位信息、和 测量到的电压信息。
3. 根据权利要求2所述的功率测量装置，其特征在于，还具有： 显示装置，其显示从所述控制装置输出的来自所选择的所述带通滤波器和与所选择的 所述带通滤波器串联地连接的相位调整器的相位信息、和测量到的电压信息。
4. 根据权利要求2或3所述的功率测量装置，其特征在于， 所述控制装置按每规定时间切换所述选择开关， 并输出来自所选择的所述带通滤波器和与所选择的所述带通滤波器串联地连接的相 位调整器的相位信息、和测量到的电压信息。
5. 根据权利要求2至4中任一项所述的功率测量装置，其特征在于， 所述控制装置一边通过由所述选择开关选择的所述相位调整器改变相位量，一边将来 自所述电压检测部的输出电压成为最大的相位量作为基于流过由所述选择开关选择的所 述带通滤波器的电流而得到的功率因数角来输出。
6. 根据权利要求2至5中任一项所述的功率测量装置，其特征在于， 所述控制装置一边通过由所述选择开关选择的所述相位调整器改变相位量，一边将来 自所述电压检测部的输出电压成为最大的最大电压值作为基于流过由所述选择开关选择 的所述带通滤波器的电流而得到的视在功率来输出。
7. 根据权利要求2至6中任一项所述的功率测量装置，其特征在于， 所述控制装置将在通过由所述选择开关选择的所述相位调整器使相位量设为零时的 来自所述电压检测部的输出电压，作为基于流过由所述选择开关选择的所述带通滤波器的 电流而得到的有功功率来输出。
【文档编号】G01R15/20GK104380122SQ201380027150
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年3月19日 优先权日:2012年3月27日
【发明者】辻本浩章 申请人:公立大学法人大阪市立大学