CN111183362A - 电流检测器 - Google Patents

Abstract

提高通过磁性体铁芯的磁通密度，并且根据磁性体铁芯的结构使探测线圈的配置最优化。电流传感器(10)具备：多个磁性体铁芯部件(22、23)，它们的板状的长腿部(22b、23b)在沿着一个长边的位置处在厚度方向上彼此重叠，板状的上短腿部(22c、23c)彼此以及下短腿部(22d、23d)彼此在沿着另一个长边的位置处以隔开空隙而相对的状态层叠；探测线圈单元(50)，其在磁路上配置在沿着另一个长边的位置；次级绕组(60a、70a)，其使磁路产生如下磁场，该磁场相对于因被检测电流而产生的磁场为反方向；检测电路，其根据使探测线圈的输出电流消失所需的次级电流，输出与被检测电流对应的检测信号；以及初级导体(30)，其形成贯穿磁路的内侧并且包围着探测线圈的外侧而延伸的形态的流通路径。

Description

电流检测器

技术领域

本发明涉及磁通门型的电流检测器。

背景技术

关于这种电流检测器，以往，已知一种电流传感器的现有技术：由进行折弯加工而得到的两个板状部件形成构成磁路的磁性体铁芯，从隔着空隙(气隙)的两侧将两个弯曲部相对配置(例如，参照专利文献1)。两个板状部件是将分别弯曲成大致“コ”字形状的两个板状一体地连接而成的一对大致3字状，在弯曲成大致“コ”字形状的部分连接的部位形成有上述弯曲部。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第5926911号公报

发明内容

发明所要解决的课题

上述现有技术由于能够仅通过两个板状部件构成磁性体铁芯，因此在结构简单从而能够抑制制造成本方面是有用的。

然而，现有技术的电流传感器是将磁性体铁芯沿厚度方向进行弯曲加工而形成的，因此在磁通的通过方向上观察到的截面积较小，不能使磁通密度太大。

此外，虽然现有技术的电流传感器构成为将探测线圈配置在安装面的相反侧(将下表面作为安装面时的上侧)的结构，但在变更了磁性体铁芯的结构的情况下，该配置是否最佳还是未知数。

因此，本发明提供一种提高通过磁性体铁芯的磁通密度并且根据磁性体铁芯的结构使探测线圈的配置最优化的技术。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明采用以下解决手段。

本发明提供一种电流检测器。本发明的电流检测器采用将多个板状的磁性体铁芯部件在被检测电流的流通方向上层叠的结构。此外，本发明的电流检测器采用了贯穿磁路的内侧并包围探测线圈的外侧而延伸的形态的初级导体。

磁性体铁芯部件构成使因被检测电流的流通而产生的磁场收敛的矩形形状的磁路。这时，在磁性体铁芯部件中，在沿着磁路的一个长边的位置处，相互对置地延伸的板状的长腿部彼此在厚度方向上重叠，在沿着另一个长边的位置处，相互对置地延伸的板状的短腿部彼此以在末端间隔开空隙而相对的状态在被检测电流的流通方向(磁路的横切方向)上层叠。由此，在多个磁性体铁芯部件层叠的状态下，能够按照层叠片数增大在磁路的横切方向上观察时的截面积，因此能够提高通过的磁通密度。此外，初级导体是包围探测线圈的外侧的配置，相对于层叠有多个磁性体铁芯部件的结构，能够设为最佳的配置。

优选的是，磁性体铁芯部件在探测线圈的除了磁路的内侧外的的周围，不遮蔽初级导体与探测线圈之间而使探测线圈开放。由此，能够进一步提高相对于层叠有多个磁性体铁芯部件的结构的配置的最优化。

发明效果

根据本发明，能够提高通过磁性体铁芯的磁通密度，能够根据磁性体铁芯的结构使探测线圈的配置最优化。

附图说明

图1是概要地示出一个实施方式的电流传感器的结构的立体图。

图2是概要地示出一个实施方式的电流传感器的结构的主视图。

图3是示出磁性体铁芯的结构的分解立体图。

图4是电流传感器的纵剖视图(沿图2中的IV-IV线的剖视图)。

图5是图4所示的磁性体铁芯的立体图。

图6是概要地示出电流传感器的电路结构的框图。

图7是概要地示出作为比较例的电流传感器的结构的立体图。

图8是示出由本实施方式的电流传感器在被检测电流阶跃地发生了变化的情况下得到的输出电压的响应特性的波形图。

图9是示出由比较例的电流传感器在被检测电流阶跃地发生了变化的情况下得到的输出电压的响应特性的波形图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的实施方式中，作为电流检测器的一例举出了磁通门型电流传感器，但本发明不限于此。

图1是概要地示出一个实施方式的电流传感器10的结构的立体图。此外，图2是概要地示出一个实施方式的电流传感器10的结构的主视图。

[磁路]

电流传感器10具备磁性体铁芯20，磁性体铁芯20构成了矩形形状的磁路，其沿着与被检测电流的贯穿方向(在图1中为水平方向)垂直的方向。磁性体铁芯20通过将多个呈板状的磁性体铁芯部件22、23重叠(在被检测电流的贯穿方向上层叠)而构成，磁性体铁芯部件22、23具有彼此成对地对称的形状。另外，关于磁性体铁芯部件22、23，进一步参照其他附图在后面叙述。

[次级绕组]

电流传感器10具备两个线轴单元60、70，各线轴单元60、70在内侧收纳磁性体铁芯20(磁性体铁芯部件22、23)，并且在外侧保持次级绕组60a、70a。在图1、图2所示的状态下，一方的线轴单元60位于上方，另一方的线轴单元70位于下方。虽然未图示，但各线轴单元60、70除了具有上述次级绕组30a、40a外，还可以具有多个引线端子。电流传感器10能够经由这些引线端子安装于电路基板或与其他电子设备连接。另外，也可以是除了配置有线轴单元60、70外，还配置有未图示的线轴单元的结构。

[探测线圈(场探头)]

如图2所示(在图1中省略)，电流传感器10具备探测线圈单元50，探测线圈单元50收纳在下方的线轴单元70的内侧。更具体地，两个磁性体铁芯部件22、23在线轴单元70的内部构成了收纳部(无标号)，探测线圈单元50以配置在该收纳部内的状态收纳在线轴单元70的内侧。此外，探测线圈单元50具有未图示的探测线圈(场探头)，在电流传感器10的组装状态下，探测线圈配置在磁路上(磁性体铁芯20的气隙内)。探测线圈单元50还可以具备未图示的多个引线端子，能够通过这些引线端子与探测线圈连接。

电流传感器10具备例如树脂制的框体40，上述磁性体铁芯20、线轴单元60、70、探测线圈单元50等被收纳在框体40的内侧。此外，框体40在磁路的内侧(磁性体铁芯20的内周)具有未图示的贯穿路径(或贯穿孔)，该贯穿路径能够供被检测电流贯穿。

[初级导体]

电流传感器10例如具备两个初级导体30。这些初级导体30贯穿磁路的内侧而配置，在使用电流传感器10时，被检测电流在两个初级导体30中通过。在图1、图2所示的状态下，由于磁路正好处于直立的姿势，因此两个初级导体30沿水平方向贯穿磁路的内侧。此外，这些初级导体30在贯穿磁路的两侧均向一个方向(在图1、图2中为下方向)弯曲，且各自的两端部向同一方向延伸，整体上呈倒U字形状。这样的初级导体30在被检测电流通过时，形成贯穿磁路的内侧并且包围探测线圈单元50的外侧而延伸的形态的流通路径。另外，两个初级导体30以支承于框体40的状态配置在磁路的内侧，在框体40上形成有与上述贯穿路径连通的保持槽，初级导体30的折弯的两端部被保持在保持槽内。此外，初级导体30的数量不限于两个，可以是一个，也可以是三个以上。

[检测电路]

在探测线圈单元50上连接有电路基板(未图示)，在该电路基板上安装有信号输出IC(同样未图示)。在使用电流传感器10时，进行如下控制：当通过被检测电流的流通而在初级导体30的周围(磁路)产生磁场时，信号输出IC将次级电流(反馈电流)输出到次级线圈60a、70a而产生反方向的磁场，从而使探测线圈的输出电流消失。这时，信号输出IC通过分流电阻而将次级电流转换成电压信号，并作为与被检测电流对应的检测信号而输出。

图3是示出磁性体铁芯20的结构的分解立体图。如上所述，磁性体铁芯20通过将多个板状的磁性体铁芯部件22、23重叠而构成。在该例中，磁性体铁芯部件22、23分别以规定片数(例如6片)交替重叠。

磁性体铁芯部件22、23例如使用坡莫合金等高磁导率材料构成。磁性体铁芯部件22、23呈关于在矩形形状的磁路的长度方向上观察时的中心线对称的形状，在沿磁路的两侧的短边的位置处，磁性体铁芯部件22、23分别具有短边部22a、23a。此外，在沿磁路的一个(这里为上方)长边的位置处，磁性体铁芯部件22、23分别具有长腿部22b、23b，这些长腿部22b、23b从短边部22a、23a的上端起分别沿长度方向以彼此对置的方式延伸，在长度方向上的大致整个区域交替重叠地配置。在沿磁路的另一个(这里为下方)长边的位置处，磁性体铁芯部件22分别具有上短腿部22c、23c和下短腿部22d、23d，其中，下短腿部22d、23d从短边部22a、23a的下端起分别沿长度方向相互对置地延伸。上短腿部22c、23c在从下短腿部22d、23起向上方隔开间隔的位置处从短边部22a、23a起分别沿长度方向对置地延伸。

这里，关于上短腿部22c、23c以及下短腿部22d、23d，它们不是交替地重叠，而是在长度方向上对置着相对配置。因此，在磁性体铁芯20的组合状态下，上短腿部22c、23c彼此和下短腿部22d、23d彼此在磁路上以相对的方式连接。这时，在上短腿部22c、23c上分别形成有上抵接部22e、23e，在下短腿部22d、23d上分别形成有下抵接部22f、23f(参照图4)。这些上抵接部22e、23e以及下抵接部22f、23f以组合状态相互接触、或者隔开微小间隙(例如0.1mm左右)地接近。由此，在上短腿部22c、23c之间以及下短腿部22d、23d之间设置了空隙(气隙)，并且能够提高上抵接部22e、23e以及下抵接部22f、23f处的磁通密度。

图4是电流传感器10的纵剖视图(沿图2中的IV-IV线的剖视图)。此外，图5是图4所示的磁性体铁芯22的立体图。如上所述，在磁性体铁芯20的组合状态下，在沿磁路上方的长边的位置处，磁性体铁芯部件22、23的长腿部22b、23b彼此重叠而密集，因此磁路构成比较大的截面积。在沿磁路下方的长边的位置处，上短腿部22c、23c彼此以及下短腿部22d、23d彼此为彼此相对的状态，但在上抵接部22e、23e以及下抵接部22f、23f以外为非接触，形成空隙(气隙)。并且，通过在上抵接部22e、23e与下抵接部22f、23f之间配置上述探测线圈单元50，使得漏出到空隙的磁通通过探测线圈单元50。

由图4可知，初级导体30贯穿磁路的内侧，并且如上述那样形成包围探测线圈单元50的外侧而延伸的形态的流通路径。

此外，磁性体铁芯部件22、23在上短腿部22c、23c以及下短腿部22d、23d以外之处不包围探测线圈单元50，处于不遮蔽探测线圈单元50与初级导体30之间而使探测线圈单元50与初级导体30之间向周围开放的状态。由此，能够使探测线圈单元50相对于磁性体铁芯部件22、23的配置最优化。

[电流传感器的电路结构]

图6是概要地示出电流传感器10的电路结构的框图。探测线圈50a与信号输出IC80连接，在信号输出IC80中内置有未图示的脉冲电源电路。探测线圈50a卷绕于磁通门铁芯50c上，当从脉冲电源电路向探测线圈50a供给高频矩形波电流时，磁通门铁芯50c内的磁通密度周期性地饱和。因此，当因流过初级导体30的被检测电流Ip而在磁路(磁性体铁芯20)内产生磁场时，施加于探测线圈50a的电压的波形会由于在磁路内产生的磁场而产生变形。

此外，在信号输出IC80中内置有接口电路84，接口电路84将探测线圈50a间的电压转换成PWM信号。从接口电路84输出的PWM信号在磁通门铁芯50c中未产生磁场的状态(被检测电流Ip的非流通状态)下为规定占空比(例如50％)的脉冲信号。PWM信号的占空比根据施加在磁通门铁芯50c的磁场强度而发生变化。

此外，在信号输出IC80中内置有滤波器86和驱动电路88，滤波器86对来自接口电路84的PWM信号进行模拟转换，并将转换得到的输出电压输出到驱动电路88。在驱动电路88上通过两个端子Ic1、Ic2连接有次级绕组60a、70a。在驱动电路88中，检测来自滤波电路86的输出电压与规定的基准电压Vref之间的差分，并将基于该差分的大小的次级电流输出到次级线圈60a、70a。进行如下控制：通过利用次级电流产生反馈磁场，来抵消因在初级导体30中流通的被检测电流Ip而感应出的磁路内的磁场，使探测线圈50a的输出电流消失。

电流传感器10提取出利用分流电阻Rs检测次级电流而得到的输出电压Vout，输出与被检测电流Ip对应的检测信号。另外，虽然在次级线圈60a、70a中流动的次级电流因上述的负反馈而周期性地发生变化，但通过在信号输出IC80内使用差分放大电路89的信号处理，输出电压Vout的波形会与被检测电流Ip的波形一致，因此实质上成为与被检测电流Ip的大小相关的值。

[优越性验证]

通过与比较例对比来验证如上所述的本实施方式的电流传感器10的优越性。

[比较例]

图7是概要地示出作为比较例的电流传感器200的结构的立体图。比较例中的电流传感器200与本实施方式的不同点在于，初级导体30向与探测线圈单元50相反的方向弯曲，换言之，初级导体30相对于图1所示的电流传感器10而言是如下的位置关系：使磁性体铁芯20及其附属物整体沿磁路的周向旋转了半圈。其他结构与本实施方式是共同的，对于那样的共同的结构，包括图示在内标注相同的参照标号，省略重复的说明。

[阶跃响应特性]

图8是示出本实施方式的电流传感器10在被检测电流Ip阶跃地发生了变化的情况下得到的输出电压Vout的响应特性的波形图。与此相对，图9是示出由比较例的电流传感器200在被检测电流Ip阶跃地发生了变化的情况下得到的输出电压Vout的响应特性的波形图。以下，与比较例对比，具体地说明本实施方式的优越性。

[本实施方式]

图8中的(A)：在某时刻t1，被检测电流Ip的波形阶跃地变化(上升)。这样的阶跃的波形变化例如可能在由于应用了电流传感器10的对象设备通过电源接通而启动(或输出PWM电流)，从而被检测电流Ip急剧上升的情况等下发生。

[比较例]

图9中的(A)：在比较例中，在与本实施方式相同的条件下，被检测电流Ip的波形也阶跃地变化。

[本实施方式]

图8中的(B)：在本实施方式的情况下，从时刻t1起电流传感器10的输出电压Vout的波形也阶跃地响应。另外，可以确认，在时刻t1的紧后，虽然在响应波形中看到暂时的起伏，但总体上出现稳定的阶跃响应波形。

[比较例]

图9中的(B)：与之相对的比较例中，即使输出电压Vout的波形从时刻t1起发生变化，也未示出本实施方式那样的阶跃的响应特性，而是出现急剧祈福的波形的紊乱。

[Ic1-Ic2端子间电压观测]

本发明的发明人在图6所示的电路结构中，着眼于Ic1-Ic2端子间电压的变化与输出电压Vout的变化有关这一点，进行了以下的验证。

[本实施方式]

图8中的(C)：即，在本实施方式中，当在时刻t1被检测电流Ip阶跃地变化时，Ic1-Ic2端子间电压的波形追随于此而在短时间内上升，之后，Ic1-Ic2端子间电压也被维持了较长的期间Tf，直到时刻t2为止。此外，在时刻t2以后，Ic1-Ic2端子间电压的变化也变得缓和。

[比较例]

图9中的(C)：在与之相对的比较例中，与在时刻t1被检测电流Ip上升相反，Ic1-Ic2端子间电压暂时转为下降，虽然从该时刻起经过一段时间后上升，但可知能够将Ic1-Ic2端子间电压维持在高电平的期间Tf与本实施方式相比极短。此外，在时刻t2以后，Ic1-Ic2端子间电压的变化也比本实施方式更为急剧。

[本实施方式]

图8中的(A)、(B)：其结果，可知在本实施方式中，在被检测电流Ip阶跃状地变化的整个期间，输出电压Vout大致显示出良好的阶跃响应特性。

[比较例]

图9中的(A)、(B)：与之相对的比较例中，可知在被检测电流Ip刚变化为阶跃状之后，输出电压Vout的波形产生剧烈的紊乱，整体上显示出不期望的阶跃响应特性。

如上所述，根据本实施方式，具有以下优点。

(1)由于将磁性体铁芯20构成为多个板状的磁性体铁芯部件22、23层叠而成的结构，因此与弯曲板材的形态相比，能够增大截面积，提高磁通密度。

(2)此外，由于初级导体30配置成将探测线圈单元50卷入，因此能够使探测线圈单元50相对于多个板状的磁性体铁芯部件22、23层叠而成的结构的配置最优化，能够改善输出电压Vout的响应特性。

(3)此外，在磁路的内侧以外的区域，磁性体铁芯部件22、23不遮蔽探测线圈单元50与初级导体30之间而使其开放，因此能够进一步优化探测线圈50a相对于磁性体铁芯部件22、23的配置，从而能够进一步改善输出电压Vout的响应特性。

(4)特别是，即使在被检测电流Ip阶跃地发生了变化的情况下，也能够得到良好且稳定的输出电压Vout的响应特性。

本发明不受上述实施方式的限制，可以进行各种变形来实施。例如，虽然磁性体铁芯部件22、23为构成矩形形状的磁路的形状，但也可以是以其他形状来构成磁路的形状。

此外，电流传感器10不仅可用作磁通门类型的电流检测器，还可用作利用霍尔元件的磁平衡类型的电流检测器而适用。

此外，在实施方式中与图示一起列举的结构仅为优选的一例，即使在基本结构上附加各种要素或置换掉一部分，显然也能够恰当地实施本发明。

产业上的可利用性

能够提高通过磁性体铁芯的磁通密度，能够根据磁性体铁芯的结构使探测线圈的配置最优化。

标号说明

10：电流传感器；

20：磁性体铁芯；

22、23：磁性体铁芯部件；

22b、23b：长腿部；

22c、23c：上短腿部；

22d、23d：下短腿部；

30：初级导体；

40：框体；

50：探测线圈单元；

50a：探测线圈；

60、70：线轴单元；

60a、70a：次级绕组。

Claims (2)

1.一种电流检测器，其具备：

多个板状的磁性体铁芯部件，它们构成使因被检测电流的流通而产生的磁场收敛的矩形形状的磁路，在沿着所述磁路的一个长边的位置处，相互对置地延伸的板状的长腿部彼此在厚度方向上重叠，在沿着另一个长边的位置处，相互对置地延伸的板状的短腿部彼此以在末端间隔开空隙而相对的状态在被检测电流的流通方向上层叠；

探测线圈，其配置于在所述磁路上沿着另一个长边的位置；

次级绕组，其在所述磁路中产生如下磁场，该磁场相对于因被检测电流的流通而产生的磁场而为反方向；

检测电路，其根据使所述探测线圈的输出电流消失所需的所述次级绕组的次级电流，输出与被检测电流对应的检测信号；以及

初级导体，其形成呈如下形态的流通路径，该流通路径在被检测电流流通时贯穿所述磁路的内侧并且包围着所述探测线圈的外侧而延伸。

2.根据权利要求1所述的电流检测器，其特征在于，

所述磁性体铁芯部件在所述探测线圈的除了所述磁路的内侧以外的周围，不遮蔽所述初级导体与所述探测线圈之间而使所述探测线圈开放。

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