JP2013195381A

JP2013195381A - 電流検出装置

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Publication number: JP2013195381A
Application number: JP2012066017A
Authority: JP
Inventors: Kei Tsujimoto; 慧辻本
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-09-30
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: JP5985847B2

Abstract

【課題】磁気シールド体の収磁機能を利用しつつ、検出最大電流を増大させる電流検出装置を提供する。
【解決手段】電流検出装置１は、底壁部１０と、底壁部１０の両端から起立する側壁部１１とを有し、電流測定対象のバスバー８を内面側に収容する。ホール素子４は、２つの側壁部１１の先端間に延在する磁束線上に配置され、その配置場所の磁束からバスバー８に流れる電流の値を検出する。底壁部１０には、磁路の延在方向に前後に分断する間隙１２が形成される。
【選択図】図１

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。

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。

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）。

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。

特開２０１０−２２７７号公報特開２０１０−８０５０号公報特開２０１０−１４４７７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

電流検出装置の斜視図。バスバーの延在方向から見た電流検出装置の構造図。電流検出装置を長辺側壁部の側から見た構造図。電流検出装置のその他の構造例の斜視図。３相交流用の３相電流検出装置の斜視図。図５の３相電流検出装置を磁気シールド体の基板側から見た構造図。図５の３相電流検出装置について短辺側壁部の側から見た内部構造図。シミュレーションによる計算結果に基づく電流検出装置の検出出力の特性図。隣接する構造単位間における漏れ磁束に因る影響についてのシミュレーションによる計算結果に基づく電流検出装置の検出出力の特性図。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。）。

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。

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。）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims

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電流検出装置。
請求項１の電流検出装置において、
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。
請求項２の電流検出装置において、
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。