CN103513086B - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电流传感器，设置于电流流过的电流路径中，所述电流传感器包括：外壳；基板，容纳在外壳中；多个磁检测元件，安装于基板上；和一对屏蔽体，分别设置于每个磁检测元件的两侧上。屏蔽体容纳在外壳中以在电流路径两侧上包围电流路径，并且屏蔽体保持为使得屏蔽体的相应端部具有预定间隔。磁检测元件和屏蔽体设置于三相交流电各相电流路径中。

Description

电流传感器

相关申请交叉引用

本申请是基于2012年6月14日提交的日本专利申请号2012-135111，其内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种电流传感器，所述电流传感器检测三相交流电的各相电流，并且特别是，所述电流传感器的特征在于屏蔽体结构。

背景技术

电流传感器已经众所周知，所述电流传感器检测流过用于将车辆车载蓄电池和车辆电气设备相互连接的电流路径（例如，汇流条等）的电流。所述电流传感器的例子示出于图8中（参见JP-A-2010-223868）。

图8A和图8B示出根据现有技术的电流传感器100，图8A为电流传感器100的分解透视图，图8B为电流传感器100的主要部件的纵向剖视图。电流传感器100包括外壳200和固定到外壳200的屏蔽体500。此外，电流传感器100包括排布于外壳200与屏蔽体500之间的电流路径600以检测流过电流路径600的电流。通过使用安装于连接到外壳200的基板300上的磁检测元件400来检测磁场强度并且输出与磁场强度对应的电力，来测量电流。屏蔽体500具有大体上U形并且完全包围电流路径600的后侧（参见图8B）。利用这个结构，能够实现电流传感器100，其中磁场畸变不会发生并且可靠性高。虽然JP-A-2010-223868中未公开，但是图8B明示了本发明结构与现有技术结构之间的差异。

在JP-A-2010-223868中公开的电流传感器100中，特别是，屏蔽体500在电流传感器100的连接部中从电流路径600的后侧完全覆盖电流路径600。由于此原因，缺点在于，通过流过电流路径600的电流产生涡流，并且由磁检测元件400检测的磁场相位与电流相位相比延迟。因此，问题在于，高速响应可靠性降低。此外，在高频大电流中，屏蔽体的磁饱和预期发生，并且电流与由磁检测元件400检测的磁通密度之间的线性关系打破。因此，容许误差范围内测量很难。此外，在根据现有技术的电流传感器100中，通过将磁检测元件的位置从电流传感器中心移动到左右，在具有低峰值的三相交流电的电流检测中能够获得良好响应特性。然而，在这种情况下，问题还在于，发生邻相电流路径的磁干扰。

因此，为了解决上述问题，已经作出本发明，并且本发明目的是提供电流传感器，其中用于检测由流过三相交流电（AC）电流路径的电流产生的磁场的高速响应性变为良好，因而可靠性高。

发明内容

为了实现上述目的，根据本发明的电流传感器的特征在于以下结构。

（1）根据本发明方面，提供电流传感器，设置于电流流过的电流路径中，所述电流传感器包括：外壳；基板，容纳在外壳中；多个磁检测元件，安装于基板上；和一对屏蔽体，分别设置于每个磁检测元件的两侧上。屏蔽体容纳在外壳中以在电流路径的两侧上包围电流路径，并且屏蔽体保持为使得屏蔽体的相应端部具有预定间隔。磁检测元件和屏蔽体设置于三相交流电各相电流路径中。

（2）在根据（1）所述的电流传感器中，每个屏蔽体包括平板状支撑部和在大致垂直于支撑部的方向上从支撑部延伸的平坦部。平坦部排布为覆盖电流路径一部分。

（3）在根据（2）所述的电流传感器中，每个平坦部的长度相同。

（4）在根据（3）所述的电流传感器中，排布于各相电流路径中的每个屏蔽体具有相同形状。

根据以上（1）的电流传感器，电流路径中产生的涡流得到抑制，因而消除由磁检测元件检测的磁场相位延迟。因此，能够提供电流传感器，其中高速响应性特别好并且邻相电流路径的磁干扰受到抑制。

根据以上（2）的电流传感器，获得电流路径横截面中均匀电流密度分布，因而磁检测元件的响应性得到改善。

根据以上（3）的电流传感器，可抑制残余磁场以减少偏移误差。

根据以上（4）的电流传感器，从邻相电流路径泄漏的磁通仅在垂直方向上施加于磁检测元件，因而磁场相位误差减少。

根据本发明，因为设置一对屏蔽体并且屏蔽体的相应端部彼此隔开，所以现有技术中发生的涡流得到抑制，因而消除由磁检测元件检测的磁场相位延迟。因此，能够提供三相交流电电流传感器，其中响应性得到改善，高速响应性好，并且各相电流路径之间的磁干扰得到抑制。

上文中，已经对本发明进行简单描述。此外，通过参考附图认真仔细地阅读实行本发明的模式（以下简称“示例性实施例”）将进一步明示本发明细节。

附图说明

图1为示出根据本发明示例性实施例的电流传感器的分解透视图。

图2为示出在组装期间图1中电流传感器的透视图。

图3为示出在图1电流传感器的V相电流路径中主要部件的纵向剖视图。

图4A为与图3相似的纵向剖视图，图4B为示出归因于屏蔽体的平坦部长度的相位差的曲线图。

图5A为示出当不设置屏蔽体时在电流路径中发生的磁场的说明图，图5B为示出当设置本发明屏蔽体时发生的磁场的说明图。

图6A为示出现有技术和本发明示例性实施例中90%-90%响应时间的比较曲线图，图6B为用于说明90%-90%响应时间的曲线图。

图7A为示出归因于根据本发明的屏蔽体的平坦部长度的磁场相位和偏移误差的曲线图，图7B为示出电流值和磁通密度特性的曲线图。

图8A和图8B示出根据现有技术的电流传感器，图8A为电流传感器的分解透视图，图8B为电流传感器的纵向剖视图。

具体实施方式

下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。

参考图1至图3描述根据本发明示例性实施例的电流传感器10。

图1为电流传感器10的分解透视图，图2为在组装期间电流传感器10的透视图，图3为在电流传感器的V相电流路径中主要部件的纵向剖视图。电流传感器10包括：外壳20；容纳在外壳20中的基板30；安装到基板30的磁检测元件40；和容纳在外壳20中的屏蔽体50。此外，电流传感器10包括排布于磁检测元件40与屏蔽体50之间的电流路径60以检测流过电流路径60的电流。例如，电流传感器10测量电动汽车或者混合动力汽车中三相交流电电机的驱动电流或者连接于三相交流电路径的连接器的电流。

外壳20具有大体上箱形，并且由绝缘合成树脂等形成。电流传感器10以这样一种方式完成，使得基板30和屏蔽体50从开口侧容纳并保持在外壳20的预定位置处，并且盖21与开口侧固定接合。外壳20和盖21分别具有多个通孔22，并且通过通孔22使电流路径60***。以此方式，能够检测流过电流路径60的电流。磁检测元件40与电路等一起安装于基板30上并且自适应测量电流路径60中发生的磁场。例如，磁检测元件能够包括：使用由磁场中载流子经受的洛伦兹力引起的霍尔效应的半导体霍尔元件、或者使用由非晶磁性材料引起的磁阻抗效应的磁阻抗元件等。电流传感器10经由安装于基板30上的放大器电路等输出与由磁检测元件40检测的磁场成比例的电压值。屏蔽体50具有大体上薄板状，并且由具有高磁导率的材料形成，诸如，例如坡莫合金或者硅胶片。电流路径60能够包括交流电等流过的平板状汇流条或者导体。

本发明的电流传感器10安装于三相交流电式中，因而具有以下结构。

电流路径60包括三相交流电的三个电流路径（从图1右侧起，U相、V相和W相），并且用于检测流过电流路径60的电流的磁检测元件40也设置到电流路径60的各相。此外，相应磁检测元件40一体地安装于单个基板30上。一对屏蔽体50排布为与各磁检测元件40对应并且各自包围磁检测元件40和电流路径60。每个电流路径60排布于设置在外壳20和盖21中的相应通孔22内。在本发明示例性实施例中，电流路径60排布于磁检测元件40与屏蔽体50之间（参见图3）。

每个屏蔽体50具有大体上L形的相同形状，并且对于一个磁检测元件40和与所述磁检测元件对应的一个电流路径60设置一对左右屏蔽体50。此外，一对屏蔽体50分别容纳和排布于外壳20中以在两侧上包围外壳20的通孔22。此外，每个屏蔽体50包括：平板状支撑部51，排布于磁检测元件40和电流路径60的两侧上；平坦部52，在大致垂直于支撑部51的方向上延伸；和端部53，设置于平坦部52的前端处。即，平坦部52向通孔22的中心突出。这里，屏蔽体50的平坦部52的相应端部53容纳并排布于外壳20中以相互面对并且相互隔开。因此，电流路径60的一部分被平坦部52覆盖并遮住。换言之，能够说，屏蔽体50从电流路径60的后侧不完全包围电流路径60，并且具有预定间隔的开口部（狭缝）设置于屏蔽体50与电流路径60之间。

更具体地，安装于基板30上的磁检测元件40容纳并保持在外壳20中，使得所述磁检测元件定位于通孔22的中心。因此，磁检测元件40设置于经过通孔22***的电流路径60的中心。此外，因为设置于磁检测元件40的左右两侧上的屏蔽体50具有两侧对称形状，并且屏蔽体50的每个平坦部52的长度L在左右屏蔽体中是相同的，所以磁检测元件40同时设置于左右屏蔽体50的中心。虽然图3中已经描述V相电流路径，但是这同样应用于U相和W相电流路径。

如上所述屏蔽体50的形状和磁检测元件40的位置关系在U相、V相和W相电路路径中共同的。因此，通过抑制电流路径60中产生的涡流，因而消除由磁检测元件40检测的磁场相位延迟，能够提供电流传感器10，其中高速响应性特别好，并且来自邻相电流路径的磁干扰得到抑制。此外，获得电流路径60的横截面中的均匀电流密度分布，因而磁检测元件40的响应性得到改善。此外，能够抑制残余磁场以减少偏移误差。此外，从邻相电流路径60泄漏的磁通仅在垂直方向上施加于磁检测元件40，因而磁场相位误差减少。

图4A为与图3相似的纵向剖视图，图4B为通过测量归因于平坦部52的长度L的相位差获得的曲线图。为了说明图4B曲线图，图4A右侧上的屏蔽体50表示为“第一屏蔽体50A”，并且图4A左侧上的屏蔽体50表示为“第二屏蔽体50B”。因为每个屏蔽体50的形状和排布在示例性实施例中是共同的，所以将设置于V相电流路径60中的屏蔽体50作为例子详细描述。

第一屏蔽体50A的平坦部52A的长度表示为“LA”，并且第二屏蔽体50B的平坦部52B的长度表示为“LB”。此外，第一屏蔽体50A的端面与第二屏蔽体50B的端面之间的距离表示为“W”。在示例性实施例中，LA等于LB。从图4B曲线图能够理解，通过改变平坦部52的长度L（LA，LB），找到最佳相位差状态。虽然当供应交流电时在电流路径60中产生涡流，因而由磁检测元件40检测的磁场相位与流过电流路径60的电流的相位相比延迟，但是通过调整平坦部52的长度L能够消除相位延迟。

在图4B所示曲线图中，纵轴表示相位差，横轴表示平坦部52的长度L。此外，根据长度L的中心磁场相位变化的测量结果（参照“曲线图”）绘制在图4B中。相位差中无延迟的点定义为0°（其中磁检测元件40的响应性良好），在曲线与相位差0°直线的交点处平坦部32的长度L定义为最佳值，并且在曲线最大值处平坦部32的长度L定义为MAX。从这个曲线图应当理解，平坦部32的长度L的理想范围（容许范围）的取值范围从最佳值到MAX。此外，从这个曲线图可以说，平坦部52的长度L与响应性改善效果之间存在强相关性。因此，通过基于待使用的频率和最大峰值电流来调整平坦部的长度L，能够进行最佳相位控制设计。在U相和W相电流路径中效果相同。

图5A和图5B为示意性示出通过本发明屏蔽体50改变磁场的状态的说明图。

当正弦交流电电流A在箭头（图5中从前到后）方向上经过电流路径60时，产生具有与电流幅值随时间变化的变化率对应的强度的磁场M，并且在磁场M周围产生涡流Q。当电流A为交流电时，磁场M变为交流磁场，其中磁场M的幅值和方向随时间重复变化。当电流路径60周围未设置屏蔽体50时，如图5A所示，产生残余磁场，因而磁检测元件40的检测延迟。当电流路径60周围设置第一屏蔽体50A和第二屏蔽体50B（参见图5B）并且第一屏蔽体50A和第二屏蔽体50B的每个平坦部52A、52B向电流路径60中心延伸时，从第一屏蔽体50A的平坦部52A的端部53A到第二屏蔽体50B的平坦部52B的端部53B产生磁场N。由于磁场N穿过电流路径60，所以磁场N与电流路径60中产生的磁场M之间引起磁场对消。因此，残余磁场得到抑制，因而能够防止涡流发生。此外，电流路径60的横截面中的电流密度分布变得均匀，因而消除磁检测元件40的检测响应的延迟。在U相和W相电流路径中效果相同。同时，虽然只描述了一个方向，但是当电流为交流电时，磁场方向在短时间内交替。

图6A为示出现有技术和本发明示例性实施例中90%-90%响应时间的比较曲线图。如图6B所示，相对于流过电流路径60的电流（输入电流）的90%输出，90%-90%响应时间是指当通过磁检测元件40测量与对应于电流输出的磁场成比例的电压值（输出电压90%）时的响应时间。在基于图6A的实际测量结果中，响应时间从现有技术中的60μs提高到本发明中的6μs（响应时间6μs对应于实际测量中使用的磁检测元件理论值）（提高约90%）。从这个结果显而易见，由于屏蔽体50结构的效果已经清楚显示，并且磁检测元件40的响应性得到改善。特别是，能够确保高速响应性。

图7A为示出归因于根据本发明的屏蔽体50的平坦部52的长度的磁场相位和偏移误差的曲线图，图7B为示出电流值和磁通密度特性的曲线图。

在图7A的曲线图中，左纵轴表示磁场相位[°]，右纵轴表示偏移误差[±%Vdd]，横轴表示平坦部52的长度L。实线表示磁场相位（各相中是共同的），虚线表示V相电流路径的偏移误差，并且点划线表示U相和W相电流路径的偏移误差。从这个曲线图可以理解以下点。随着平坦部52的长度L变长，磁场相位从－（负）变为＋（正）（参照实线曲线），并且相位延迟得到改善。同时，在U相和W相电流路径中看到偏移误差。例如，当以相位0°的U相电流路径为0[A]，相位120°的V相电流路径为510[A]并且相位-120°的W相电流路径为-510[A]这样一种方式使三相电流路径中初相位彼此不同时，从电流传感器泄漏的V相和W相电流路径的磁场传播到U相电流路径，因而在U相电流路径中产生偏移误差。同样，从电流传感器泄漏的V相和U相电流路径的磁场传播到W相电流路径，因而在W相电流路径中产生偏移误差。随着平坦部52变长，以此方式引起的偏移误差减少并且能够接近理想基准值。特别是，可以看出，在U相和W相电流路径中，长度L在偏移误差最小值处具有“最佳”值。偏移误差以此方式减少的原因是，平坦部52在垂直方向上使通过与从另一相电流路径泄漏的磁场合成获得的磁场向量偏移，并且通过磁检测元件40未测量到在垂直方向上偏移的磁场向量。例如，虽然从V相和W相电流路径的屏蔽体50泄漏的磁场传播到U相电流路径，但是位于U相电流路径中的屏蔽体50的平坦部52在垂直方向上使通过与从V相电流路径泄漏的磁场和从W相电流路径泄漏的磁场合成获得的磁场向量偏移，并且通过排布于U相电流路径中的磁检测元件40未测量到在垂直方向上偏移的磁场向量。根据平坦部52的长度L，判定偏移磁场向量的程度。特别是，在U相和W相电流路径中，长度L在偏移误差最小值处具有“最佳”值。

此外，在图7A曲线图中，不管长度L，V相电流路径的偏移误差变化都保持在低水平。原因是，因为V相电流路径位于U相电流路径和W相电流路径中间，换言之，U相电流路径和W相电流路径排布于相对于V相电流路径的对称位置中，所以从U相电流路径和W相电流路径传播的磁场在V相电流路径中相互对消。

上文中，通过放置一对左右L形屏蔽体50，偏移误差减少，并且在U相和W相电流路径中减少输出误差。此外，因为流过V相电流路径的电流具有与U相和W电流路径60相同的不同方向，所以从两相电流路径泄漏并且由磁检测元件40接收的磁场向量为两侧对称，左右方向上磁场量对消并且磁干扰得到抑制。因此，其输出不提供偏移误差。

在图7B曲线图中，纵轴表示磁通密度[mT]，横轴表示电流[A]。从这个曲线图可以理解，当电流[A]变大（参照曲线）时，磁饱和有可能发生。然而，在本发明中，即使当高频的大电流流动时，磁饱和发生也受到抑制，使得能够延长保持线性的区段（线性区段）。通过参照图7B中磁通密度[mT]与电流[A]之间的关系，视为线性区段的区段取决于参考图4B描述的平坦部32的长度L。随着平坦部32的长度接近MAX，延长的线性区段缩小为0。因此，同样在图7A和图7B中，根据本发明的屏蔽体50结构的效果显著。

此外，本发明并不限于上述示例性实施例，并且可对示例性实施例作出各种修改和改善。此外，上述示例性实施例中每个组件的材料、形状、尺寸、数值、形式、数目和位置没有限制，只要可实现本发明目的，就可任意设定。

Claims (4)

1.一种设置于电流流过的电流路径中的电流传感器，该电流传感器包括：

外壳；

基板，该基板容纳在所述外壳中；

安装于所述基板上的多个磁检测元件；和

一对屏蔽体，该对屏蔽体分别设置于每个所述磁检测元件的两侧上，

其中，所述一对屏蔽体容纳在所述外壳中，并且分别为大体L形状，从而在所述电流路径的两侧上包围所述电流路径；并且，所述一对屏蔽体被保持为使得所述一对屏蔽体的相应的一端部具有预定间隔，另一端部形成为开口，

其中，所述磁检测元件和所述屏蔽体设置于三相交流电的各相电流路径中，

其中，每个所述屏蔽体包括：平板状支撑部；和在大致垂直于所述支撑部的方向上从所述支撑部延伸的平坦部，并且

其中，平坦部的、在大致垂直于支撑部的方向上的长度，被基于流过的电流的频率和最大峰值电流调整。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，

其中，所述平坦部排布为覆盖所述电流路径的一部分。

3.根据权利要求2所述的电流传感器，其中，每个所述平坦部的长度相同。

4.根据权利要求3所述的电流传感器，其中，排布于所述各相电流路径中的每个所述屏蔽体具有相同形状。