JP2013195381A - Current detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導体に流れる電流の値を磁束に基づいて検出する電流検出装置に関する。 The present invention relates to a current detection device that detects a value of a current flowing through a conductor based on a magnetic flux.
導体の電流値を磁束から検出する一般的な電流検出装置では、環状の磁気コアが、電流測定対象の導体を外側から包囲し、ホール素子等の磁束検出型電流センサが、該磁気コアの周方向の1箇所に形成された間隙に配置され、該間隙における磁束から電流を検出するようになっている。 In a general current detection device that detects a current value of a conductor from a magnetic flux, an annular magnetic core surrounds the conductor to be measured from the outside, and a magnetic flux detection type current sensor such as a Hall element is arranged around the magnetic core. It arrange | positions in the gap | interval formed in one place of the direction, and detects an electric current from the magnetic flux in this gap | interval.
磁気コアの存在は、電流検出装置を小型化する場合の障害となるので、コアレス型電流検出装置が存在する。該コアレス型電流検出装置では、ホール素子等の電流センサが導体からの磁束以外の外部からの磁束の影響を受け易いので、電流センサは導体と共に磁気シールド体の内部に配備される(例:特許文献1〜3)。 Since the presence of the magnetic core is an obstacle to downsizing the current detection device, there is a coreless current detection device. In the coreless type current detection device, since a current sensor such as a Hall element is easily affected by an external magnetic flux other than the magnetic flux from the conductor, the current sensor is disposed inside the magnetic shield body together with the conductor (eg, patent). Literatures 1-3).
特許文献1〜3の電流検出装置では、ホール素子の出力の線形性を改善するために、導体の矩形状横断面の一方の短辺側において導体にほぼ対峙する位置に間隙が形成されている。
In the current detection devices disclosed in
電流検出装置を小型化する場合、磁気シールド体の横断面寸法を小さくする必要があるが、それに伴い、磁気シールド体の飽和磁束が低下する。磁気シールド体は、磁気コアと同様に、収磁機能も有するので、ホール素子が、磁気シールド体の収磁機能を利用して磁束を検出する場合、磁気シールド体の飽和磁束の低下は、検出可能な最大電流の低下につながる。 When the current detection device is downsized, it is necessary to reduce the cross-sectional dimension of the magnetic shield body, and accordingly, the saturation magnetic flux of the magnetic shield body decreases. Like the magnetic core, the magnetic shield body also has a magnetism collecting function. Therefore, when the Hall element detects the magnetic flux using the magnetism collecting function of the magnetic shield body, a decrease in the saturation flux of the magnetic shield body is detected. This leads to a reduction in the maximum current possible.
一方、上記特許文献1〜3の電流検出装置においてホール素子は絶縁層を介して導体に取付けられており、磁気シールド体の収磁機能はホール素子による磁束の検出には利用しない構造になっている。したがって、特許文献1〜3の電流検出装置は、シールド効果は期待できるものの、電流の検出感度は低下する。
On the other hand, in the current detection devices of
本発明の目的は、磁気シールド体の収磁機能を利用しつつ、検出可能な最大電流を増大させることができる電流検出装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a current detection device capable of increasing the maximum detectable current while utilizing the magnetic collecting function of a magnetic shield body.
第1発明の電流検出装置は、矩形状横断面の導体に対して該矩形状横断面の各短辺側に配設される2つの短辺側壁部、及び該矩形状横断面の一方の長辺側に配設される1つの長辺側壁部を有する磁気シールド体と、前記導体の矩形状横断面の他方の長辺側における前記2つの短辺側壁部の端間に延在する磁束線上に配置されて、その配置場所の磁束から前記導体を流れる電流の値を検出する電流センサとを備え、前記磁気シールド体の前記長辺側壁部は間隙又は断面縮小部を有することを特徴とする。 The current detection device according to the first aspect of the present invention includes two short side wall portions disposed on each short side of the rectangular cross section with respect to the conductor of the rectangular cross section, and one length of the rectangular cross section. A magnetic shield body having one long side wall portion disposed on the side and a magnetic flux line extending between the ends of the two short side wall portions on the other long side of the rectangular cross section of the conductor And a current sensor for detecting a value of a current flowing through the conductor from a magnetic flux at the arrangement location, and the long side wall portion of the magnetic shield body has a gap or a cross-sectional reduced portion. .
第1発明によれば、電流センサは、導体に対して磁気シールド体の長辺側壁部とは反対側の2つの短辺側壁部の端間に延在する磁束線上に配置されるので、磁気シールド体の収磁機能により磁束密度が周囲より高められた場所の磁束に基づいて、導体を流れる電流の値を検出することになる。この結果、検出感度を高めることができる。 According to the first invention, the current sensor is disposed on the magnetic flux line extending between the ends of the two short side wall portions opposite to the long side wall portion of the magnetic shield body with respect to the conductor. The value of the current flowing through the conductor is detected based on the magnetic flux in a place where the magnetic flux density is increased from the surroundings by the magnetic collecting function of the shield body. As a result, the detection sensitivity can be increased.
また、導体の電流に因る磁束が磁気シールド体の長辺側壁部における間隙又は断面縮小部を介して磁気シールド体の外面側へ漏れ出るので、その分、磁気シールド体の磁路を通る磁束が減少し、磁気シールド体が飽和磁束に達する時の導体の電流値が増大する。この結果、電流検出装置が検出可能な導体の最大電流値を上げることができる。 In addition, the magnetic flux due to the current of the conductor leaks to the outer surface side of the magnetic shield body through the gap in the long side wall portion of the magnetic shield body or the cross-sectional reduced portion, and accordingly, the magnetic flux passing through the magnetic path of the magnetic shield body. Decreases, and the current value of the conductor increases when the magnetic shield body reaches the saturation magnetic flux. As a result, the maximum current value of the conductor that can be detected by the current detection device can be increased.
第2発明の電流検出装置は、第1発明において、前記電流センサが、前記導体の矩形状横断面の他方の長辺側における前記2つの短辺側壁部の端に結合して該端の間を覆う基板の内面側に取り付けられ、前記磁気シールド体と前記基板とが内面側に画成する内面側空間内において、前記導体は前記内面側空間の中心に対して前記長辺側壁部に偏倚した配置となっていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the current detecting device according to the first aspect, wherein the current sensor is coupled to the ends of the two short side walls on the other long side of the rectangular cross section of the conductor. In the inner surface side space that is attached to the inner surface side of the substrate that covers the magnetic shield body and the substrate, the conductor is biased to the long side wall portion with respect to the center of the inner surface side space. It is characterized by the arrangement.
第2発明によれば、導体は長辺側壁部に十分に接近するので、間隙又は断面縮小部の寸法は比較的小さいにもかかわらず、間隙又は断面縮小部を介して十分な量の磁束を磁気シールド体の外部へ漏れ出させて、その分、磁気シールド体の磁路を通る磁束を減少させることができる。この結果、磁気シールド体の大型化を回避しつつ、磁気シールド体の飽和磁束を十分に高い値にすることができる。 According to the second invention, since the conductor is sufficiently close to the long side wall portion, a sufficient amount of magnetic flux is applied through the gap or the cross-sectional reduced portion even though the size of the gap or the cross-sectional reduced portion is relatively small. By leaking out of the magnetic shield body, the magnetic flux passing through the magnetic path of the magnetic shield body can be reduced accordingly. As a result, the saturation magnetic flux of the magnetic shield body can be set to a sufficiently high value while avoiding an increase in size of the magnetic shield body.
第3発明の電流検出装置は、第2発明において、複数の前記磁気シールド体が、内面側において対応の前記導体により貫通されつつ、前記導体の矩形状横断面の長辺に対して平行な方向に沿って一列に配列され、前記電流センサが内面側に取り付けられている前記基板が、前記磁気シールド体の全ての短辺側壁部の端に結合する1つの共通基板から構成されていることを特徴とする。 A current detection device according to a third invention is the current detection device according to the second invention, wherein the plurality of magnetic shield bodies are penetrated by the corresponding conductor on the inner surface side, and are parallel to the long side of the rectangular cross section of the conductor The substrate on which the current sensor is attached to the inner surface side is arranged from one common substrate that is coupled to the ends of all the short side walls of the magnetic shield body. Features.
第3発明によれば、各磁気シールド体の長辺側壁部における間隙又は断面縮小部から磁気シールド体の外面側への漏れ磁束は、隣りの磁気シールド体とは別の方向へ漏れ出て、隣りの磁気シールド体への侵入を抑制される。これにより、磁気シールド体が飽和磁束に達する時の被電流検出導体の電流値としての最大検出電流値の低下を回避することができる。 According to the third aspect of the invention, the leakage magnetic flux from the gap or cross-sectional reduced portion in the long side wall portion of each magnetic shield body to the outer surface side of the magnetic shield body leaks in a direction different from the adjacent magnetic shield body, Intrusion to the adjacent magnetic shield body is suppressed. As a result, it is possible to avoid a decrease in the maximum detected current value as the current value of the current detection conductor when the magnetic shield body reaches the saturation magnetic flux.
図1〜図3において、電流検出装置1は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される3相モータの相電流の検出に用いられる。電流検出装置1は、矩形枠を形成するように結合された磁気シールド体2及び基板3と、基板3の内面側に取り付けられたホール素子4とを備える。
1 to 3, the
説明の便宜上、電流検出装置1の上下方向について、基板3側(図1の上側に相当)を上、基板3とは反対側(図1の下側に相当)を下とする。しかし、この上下方向は、あくまで、説明の便宜上のものであり、電流検出装置1の実際の使用における上下方向を限定するものではない。
For convenience of explanation, in the vertical direction of the
バスバー8は、上下に短く左右に長い矩形状横断面を有し、磁気シールド体2と基板3とにより構成された矩形枠の内面側に画成される内面側空間を貫通している。電流はバスバー8においてバスバー8の長手方向へ流れる。磁気シールド体2は高透磁率材料から成る。磁気シールド体2は、バスバー8の下側に配設され左右方向へ延在する底壁部10と、バスバー8の左右両端から上方に起立する左右の側壁部11とを備える。
The
基板3は絶縁材料から成る。ホール素子4は、左右方向にバスバー8の左右方向中心点と同一位置で基板3の内面側に固定されている。ホール素子4の感磁面は、左右方向へ向けられている。左右の側壁部11の上端間に延在する磁束線の主要部はほぼ基板3に沿って延在しており、ホール素子4は磁束線のこれらの主要部が通過することになる。この結果、ホール素子4は、磁気シールド体2の収磁機能を利用して、磁束を検出することができ、磁気検出感度が高まる。ホール素子4は、両端に所定電圧を印加されることにより、磁束密度にほぼ比例する電流を出力する。
The
底壁部10は、左右方向へ両端と中心との計3箇所において間隙12を有する。間隙12により、底壁部10に形成される磁路を、その延在方向に前後に分断して、磁気シールド体2の飽和磁束を適当に低下させる機能がある。電流検出装置1は、バスバー8が内面側空間の中心に対して下側、すなわち底壁部10の方へ偏倚して、該内面側空間を貫通している。図2では、上下方向へバスバー8と底壁部10との間が空隙となっているが、電流検出装置1は、絶縁体を介してバスバー8の下面に底壁部10を固定させることにより、バスバー8に取付けることもできる。
The
上記電流検出装置1の作用を説明する。電流がバスバー8をその長手方向へ流れることに伴い、バスバー8の周囲に磁束が生成される。磁気シールド体2は、バスバー8の近傍に配置されていて、収磁機能により、バスバー8の電流に起因する磁束線の主要磁路となる。
The operation of the
磁気シールド体2は上側壁部を省略されているので、磁気シールド体2内の磁束線の主要部は、側壁部11の上端間においてほぼ基板3に沿って延在し、ホール素子4を貫通する。この結果、ホール素子4は、バスバー8の電流にほぼ比例する磁束を高感知度で感知して、該磁束にほぼ比例する電流を出力する。この結果、バスバー8の出力電流はバスバー8の電流にほぼ比例する(後述の図8で詳述する。)。
Since the
磁気シールド体2の磁束の値は、磁気シールド体2の磁束が飽和磁束以下であるときは、バスバー8の電流の値にほぼ比例する。一方、バスバー8の電流の値の増大に伴い、磁気シールド体2の磁束が飽和磁束に到達した後は、磁気シールド体2の磁束値とバスバー8の電流の値との1:1の対応関係が失われるので、ホール素子4がバスバー8の電流の値を検出することは不可能になる。したがって、バスバー8の電流の値に関して電流検出装置1が検出可能な上限は磁気シールド体2の飽和磁束により決まる。以下、バスバー8の電流の値について、磁気シールド体2の飽和磁束により決まる検出可能な最大電流値を「計測可能上限電流値」という。
The value of the magnetic flux of the
電流検出装置1では、間隙12が底壁部10に形成される結果、磁気シールド体2の磁気抵抗が増大し、この増大分に相当する分だけ、計測可能上限電流値を増大することができる(後述の図8で詳述する。)。
In the
電流検出装置1は、バスバー8との相対位置関係を、バスバー8が底壁部10に十分に接近するように、規定されている。この結果、底壁部10に形成された間隙12は、小さい寸法にもかかわらず、バスバー8の電流に起因する磁束のうち、磁気シールド体2の外面側へ漏れ出る分を十分に増大させて、磁気シールド体2を通す磁束を減少させる。この結果、磁気シールド体2の磁路断面積を所望の大きさに保持しつつ、すなわち磁気シールド体2の飽和磁束の減少を抑制しつつ、バスバー8の計測可能上限電流値の増大を図ることができる。
The
図4(a)〜(c)は電流検出装置1の各種変形例を示している。図4の電流検出装置15〜17において、図1の電流検出装置1の構造部と同一の構造部については、電流検出装置1の該構造部に付けた符号と同一の符号を付けて、説明は省略し、相違点についてのみ説明する。
4A to 4C show various modifications of the
電流検出装置15〜17は、底壁部10の間隙12に代替する構造部として切れ込み20、貫通孔24及びザグリ部25を底壁部10にそれぞれ有している。切れ込み20、貫通孔24及びザグリ部25は、電流検出装置1の間隙12と同様に、磁気シールド体2の磁気抵抗を増大させて、この増大分に相当する分だけ、磁気シールド体2の計測可能上限電流値を増大させている。
The
図4(a)の電流検出装置15では、切れ込み20が底壁部10において左右方向へ図1の間隙12と同一箇所に形成されている。電流検出装置15の底壁部10は、電流検出装置1の底壁部10のように左右方向に分断されることなく、側壁部11と共に一品化されるので、部品管理上有利である。
In the
図4(b)の電流検出装置16では、貫通孔24が底壁部10において左右方向へ図1の間隙12と同一箇所に形成されている。電流検出装置16の底壁部10は、電流検出装置1の底壁部10のように左右方向に分断されることなく、側壁部11と共に一品化されるので、部品管理上有利である。
In the
図4(c)の電流検出装置17では、計3つのザグリ部25が底壁部10において左右方向へ等間隔で形成される。電流検出装置17の底壁部10は、電流検出装置1の底壁部10のように左右方向に分断されることなく、側壁部11と共に一品化されるので、部品管理上有利である。
In the
図5、図6及び図7は、3相電流検出装置30の斜視図、上方から見た図、左右側方視の内部構造図である。3相電流検出装置30は、電流検出装置1の構造とほぼ等しい構造の構造単位31を左右方向へ3つ並べた構造となっている。構造単位31において、図1の電流検出装置1の構造部と同一の構造部については、電流検出装置1の該構造部に付けた符号と同一の符号を付けて、説明は省略し、相違点についてのみ説明する。
5, 6, and 7 are a perspective view of the three-phase
3相電流検出装置30は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車の3相交流電動機のU,V,W相の各相の電流を個別に検出するものであり、各バスバー8はU,V,W相の電流が長手方向へ流れる。基板32は、左右方向へ延在して、3つの構造単位31に共通する基板となっている。バスバー8の長手方向両端部には、厚さ方向へ貫通するボルト孔34,35(図6)が穿設され、取付けボルトが、ボルト孔34,35に挿通されて、バスバー8を各相電流の入力部に接続するようになっている。
The three-phase
3相電流検出装置30における間隙12の存在は、電流検出装置1における間隙12の存在の場合と同様に、各相のバスバー8の計測可能上限電流値の増大に寄与する。
The presence of the
間隙12は、側壁部11ではなく、底壁部10に形成されている。したがって、各構造単位31の内面側空間内のバスバー8の電流が生成して間隙12から磁気シールド体2の外面側へ漏れる磁束の磁束線は、隣りの構造単位31の磁気シールド体2に侵入することを抑制される(後述の図9で再説明)。この結果、各構造単位31のホール素子4は、各構造単位31のバスバー8の電流に起因する磁束のみを検出して、検出精度の低下を回避することができる。
The
また、各構造単位31の磁気シールド体2は、隣りの構造単位31におけるバスバー8の電流に起因する磁束の収磁は抑制されるので、各構造単位31の磁気シールド体2の飽和磁束は、該構造単位31内のバスバー8の電流のみに起因する磁束となる。これにより、計測可能上限電流値の低下を回避することができる。
Moreover, since the
図8は、電流検出装置1におけるバスバー8の電流及びホール素子4の出力値をそれぞれ被測定電流及び検出出力として、各種条件における被測定電流と検出出力との関係をシミュレーションにより計算したものである。
FIG. 8 shows a simulation calculation of the relationship between the measured current and the detected output under various conditions, with the current of the
図8(a)及び(b)はそれぞれ電流検出装置1において間隙12が無いとき及び有るときのシミュレーション結果である。電流検出装置1には間隙12が存在するので、電流検出装置1は、図8(b)のシミュレーション結果に従うものとなる。
FIGS. 8A and 8B show simulation results when the
図8(a)及び(b)の対比から分かるように、磁気シールド体2の底壁部10に間隙12が形成されたことにより、間隙12を介して磁束が磁気シールド体2の外面側へ漏れ出て、この分、磁気シールド体2を通る磁束線が低下する。この結果、磁気シールド体2の飽和磁束に対応するバスバー8の電流の値が低下し、飽和磁束の値は、底壁部10の無し及び有りに関係しないものの、計測可能上限電流値は増大する。
As can be seen from the comparison between FIGS. 8A and 8B, the
図9は、図5の3相電流検出装置30のように構造単位31を左右方向に複数並べた3相電流検出装置30において、隣接する2つの構造単位31のうちの一方の構造単位31では、バスバー8に電流を流さず、他方の構造単位31では被測定電流を流したときに、該被測定電流と、一方の構造単位31におけるホール素子4の検出出力との関係を、シミュレーションにより計算したものである。
9 shows a three-phase
図9において、本品とは3相電流検出装置30を意味し、従来品とは例えば特許文献1の図1の3相電流検出装置のように、磁気シールド体の間隙を長辺側壁部の部位に代えて、左右の短辺側壁部におけるバスバー対応高さに形成したものを意味する。
In FIG. 9, this product means a three-phase
図9の本品と従来品との対比から分かるように、本品としての3相電流検出装置30は、検出出力が、隣りの構造単位31からの漏れ磁束からの影響を受けるのを大幅に低下させることができる。
As can be seen from the comparison between this product and the conventional product in FIG. 9, the three-phase
以上、本発明を発明の実施形態について説明したが、本発明は、発明の実施形態に限定されることなく、要旨の範囲内で種々に限定して実施することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated about embodiment of this invention, this invention is not limited to embodiment of this invention, It can implement in various limits within the range of a summary.
例えば、発明の実施形態では、間隙12、切れ込み20、貫通孔24及びザグリ部25はどれも3つずつ形成されているが、その他の個数にすることもできる。また、間隙12同士、切れ込み20同士、貫通孔24同士、又はザグリ部25同士で等形状及び等寸法となっているが、異なる形状又は異なる寸法にすることができる。さらに、間隙12だけ、切れ込み20だけ、貫通孔24だけ、又はザグリ部25だけとするのではなく、底壁部10に1つの切れ込み20と2つのザグリ部25との組み合わせ等、組み合わせて形成することもできる。
For example, in the embodiment of the invention, the
発明の実施形態では、間隙12、切れ込み20、貫通孔24及びザグリ部25は、いずれも底壁部10における磁路をその延在方向に前後に分断しているが、すなわち底壁部10における磁路の延在方向に対して直角方向に長くなっているが、該磁路の延在方向に対して平行に延在していても、電流検出装置の計測可能上限電流値を増大させることができる。
In the embodiment of the invention, the
例えば、図5〜図7の3相電流検出装置30では、基板32は複数の構造単位31の共通の基板となっているが、図1の基板3のように、個々の構造単位31ごとに基板を設けることもできる。
For example, in the three-phase
1・・・電流検出装置、2・・・磁気シールド体、3・・・基板、4・・・ホール素子(電流センサ)、8・・・バスバー(導体)、10・・・底壁部、11・・・側壁部、12・・・間隙、15,16,17・・・電流検出装置、20・・・切れ込み(断面縮小部)、24・・・貫通孔(断面縮小部)、25・・・ザグリ部(断面縮小部)、30・・・3相電流検出装置、31・・・構造単位、32・・・基板。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記導体の矩形状横断面の他方の長辺側における前記2つの短辺側壁部の端間に延在する磁束線上に配置されて、その配置場所の磁束から前記導体を流れる電流の値を検出する電流センサとを備え、
前記磁気シールド体の前記長辺側壁部は間隙又は断面縮小部を有することを特徴とする電流検出装置。 Two short side wall portions disposed on each short side of the rectangular cross section with respect to the conductor of the rectangular cross section, and one disposed on one long side of the rectangular cross section A magnetic shield body having a long side wall portion;
It is arranged on the magnetic flux line extending between the ends of the two short side walls on the other long side of the rectangular cross section of the conductor, and the value of the current flowing through the conductor is detected from the magnetic flux at the arrangement location. And a current sensor
The current detection device according to claim 1, wherein the long side wall portion of the magnetic shield body has a gap or a reduced cross section.
前記電流センサは、前記導体の矩形状横断面の他方の長辺側における前記2つの短辺側壁部の端に結合して該端の間を覆う基板の内面側に取り付けられ、
前記磁気シールド体と前記基板とが内面側に画成する内面側空間内において、前記導体は前記内面側空間の中心に対して前記長辺側壁部に偏倚した配置となっていることを特徴とする電流検出装置。 The current detection device according to claim 1,
The current sensor is attached to the inner surface side of the substrate that is coupled to the end of the two short side wall portions on the other long side of the rectangular cross section of the conductor and covers between the ends,
In the inner surface side space defined by the inner surface side of the magnetic shield body and the substrate, the conductor is arranged to be biased to the long side wall portion with respect to the center of the inner surface side space. Current detector.
複数の前記磁気シールド体が、内面側において対応の前記導体により貫通されつつ、前記導体の矩形状横断面の長辺に対して平行な方向に沿って一列に配列され、
前記電流センサが内面側に取り付けられている前記基板は、前記磁気シールド体の全ての短辺側壁部の端に結合する1つの共通基板から構成されていることを特徴とする電流検出装置。 The current detection device according to claim 2,
A plurality of the magnetic shield bodies are arranged in a line along a direction parallel to the long side of the rectangular cross section of the conductor while being penetrated by the corresponding conductor on the inner surface side,
The current detection device according to claim 1, wherein the substrate to which the current sensor is attached on the inner surface side is constituted by one common substrate coupled to the ends of all the short side walls of the magnetic shield body.
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