JP6621530B2 - 電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流検出装置に関する。

交流モータは、電源から供給された直流電圧を交流電圧に変換するインバータによって駆動されている。交流モータの制御部は、例えば３相交流モータとインバータとの間に流れる３相の電流を検出する電流センサを設け、この検出値を基に所定の制御演算を行う。

従来の電流センサにおいては、隣接する他相の磁束の影響を低減するため、電流センサの周囲にフェライトなどの磁性材料を用いた磁性障壁部を配置している（特許文献１）。

特開２０１３−２００３０１号公報

上述した、特許文献１に記載の電流センサでは、磁気シールドが必要になり、コスト高になるとともに、空間的な占有体積も大きくなる問題があった。

本発明の態様によると、電流検出装置は、複数の導電体の各々に対応して設けられ、前記複数の導電体に流れる電流が夫々発生する磁束を検出して前記電流を各々検知する複数の電流センサと、前記複数の電流センサの各々について、前記複数の導電体のうち当該電流センサ以外の他の電流センサに対応する各導電体を流れる電流による前記磁束の影響を低減するための補正電流を出力する補正回路と、前記複数の電流センサの各々に対応して設けられ、前記補正電流が流れる複数の補正導体と、を備え、前記補正回路は、前記複数の電流センサの各々について、前記複数の導電体に電流が夫々流れているときに前記他の電流センサにより検出された前記電流の値に基づいて前記補正電流の値を決定し、前記補正電流を前記複数の補正導体のうち当該電流センサに対応する補正導体に流す。

本発明によれば、磁気シールドを用いることなく、コストおよび占有体積の削減が図れて、隣接する他相の磁束の影響を低減することができる。

本実施形態による全体システム構成図である。 （ａ）（ｂ）は、電流検出装置の配列状態を示す図である。 電流検出装置の機能を説明するブロック図である。 電流センサと磁束の関係を説明する図である。 補正回路の回路構成を示す図である。 全ての補正回路の回路構成を示す図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）バスバに流れる電流を示す図である。

図１は本発明の一実施形態による全体システム構成図である。直流電源１の電力はインバータ回路２に供給され、インバータ回路２は直流電源１の電力を直流から交流に変換してモータ３に供給する。インバータ回路２はパワー半導体素子とダイオードを内包しており、制御部４から出力される駆動信号によりパワー半導体素子が駆動されて直流を交流に変換する。

インバータ回路２は、パワー半導体素子である６つのトランジスタ２１（例えばＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を備え、２つのトランジスタが直列に接続されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上アーム、下アームを構成する。各トランジスタ２１のコレクタとエミッタ間には、電気的に逆並列にダイオード２２が接続されている。

インバータ回路２からバスバ（導電体）６を介してモータ３に流れる各相の電流は電流検出装置５によって検出される。各相の電流の検出信号は電流検出装置５から制御部４へ入力される。電流検出装置５は、電流センサ５１、補正回路５２、補正導体５３を備え、バスバ６に対応して設けられる。

図２（ａ）は、電流検出装置５の配列状態を示す正面図である。図２（ｂ）は、電流検出装置５の配列状態を示す上面図である。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のバスバ６ａ、６ｂ、６ｃに対応して、各相の電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃが基板５４上に配置されている。なお、図示省略するが、各相のバスバ６ａ、６ｂ、６ｃと基板５４の間はモールド剤で充填されており、バスバ６ａ、６ｂ、６ｃと電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃとの距離は固定である。電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、それぞれ内部に、電流によって発生した磁束を検知する磁束検出素子５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃを備える。各磁束検出素子５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃと近接して、補正導体５３ａ、５３ｂ、５３ｃが基板５４上に設けられている。補正導体５３ａ、５３ｂ、５３ｃは基板５４上に配線パターンとして形成されている。

バスバ６ａ、６ｂ、６ｃを流れる電流は、その大きさと向きに応じて、周囲に磁界を発生する。磁界は、電流の正方向に対して右ねじの方向を正として発生し、ある位置における磁束の大きさは、その空間を占める物質の透磁率と、電流の大きさに比例し、電流を流れる位置からの距離に反比例する。すなわち、バスバ６ａ、６ｂ、６ｃのある特定の1相に流れる電流は、電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃ内の磁束検出素子５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃの全てに対し、電流の方向と大きさ、およびバスバ６ａ、６ｂ、６ｃからの距離に応じた磁束を発生させる。他の２相の電流に関しても同様である。電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、内部の磁束検出素子５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃが検出した磁束に応じた電圧値を検出信号として制御部４に出力する。同時に、電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、後述する補正回路５２に、電圧値を出力する。

図３は、電流検出装置５の機能を説明するブロック図である。

バスバ６ａ、６ｂ、６ｃに電流が流れると、磁束Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃが発生し、これを電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃで検知して、電圧値に変換する。この場合に、例えば、電流センサ５１ａは、他の相のバスバ６ｂ、６ｃによる磁束Ｍｂ、Ｍｃの影響を受けてしまう。

補正回路５２は、電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃで検知した電圧値に基づいて、他相より影響を受ける磁束の大きさに対応する補正電流を決定し、この補正電流を補正導体５３ａ、５３ｂ、５３ｃに流す。

各補正導体５３ａ、５３ｂ、５３ｃは、対応する電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃ内の磁束検出素子５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃ（図２参照）に対し、補正磁束を発生する。電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、各バスバ６ａ、６ｂ、６ｃによる磁束に加え、それぞれに対応する相の補正導体５３ａ、５３ｂ、５３ｃより発生した補正磁束を重畳した合成磁束を検出し、制御部４と補正回路５２に電圧値を出力する。

図４は、電流センサ５１aと磁束の関係を説明する図である。図２（ａ）と同様に、バスバ６ａ、６ｂ、６ｃに対応して電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃが横一列に並び、補正導体５３ａ、５３ｂ、５３ｃを電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃの直下に配置している。電流センサ５１aに着目し、電流センサ５１ａの磁束検出素子５１０ａからバスバ６ａ、６ｂ、６ｃまでの距離をそれぞれr_aa、r_ab、r_acとする。また、磁束検出素子５１０ａから補正導体５３ａまでの距離をr_kとする。

バスバ６ａ、６ｂ、６ｃに流れる電流をそれぞれIa、Ib、Icとし、補正導体５３ａに流れる補正電流をIkaとする。電流センサ５１aには、電流Iaに由来の磁束Baの他、電流Ib、Icに由来の磁束Bb、Bc、補正電流に由来の磁束Bkの合成磁界Bが検出される。合成磁界Bを式（１）に示す。

Ｂ＝Ｂａ＋Ｂｂ＋Ｂｃ＋Ｂｋ ・・・（１）
補正導体５３ａが、バスバ６ａ、６ｂ、６ｃに比べて磁束検出素子５１０ａに十分近く、かつ、補正導体５３ａを流れる電流Ikaが、バスバを流れる電流Ia、Ib、Icより十分小さいので、他相の補正導体を流れる電流の影響は無視することができる。

磁束検出素子５１０ａに対して、各バスバ６ａ、６ｂ、６ｃに流れる電流Ia、Ib、Ic、に由来の磁束、および補正電流Ikaに由来の磁束は、無限長の電流が周囲に発生する磁束の式より、以下に示す式（２）〜（５）で表される。これらの式で、μ0は透磁率である。

電流Ib、Icに由来の磁束Bb、Bc、および補正電流Ikaに由来の磁束Bkを排除するには、式（６）を満たせばよい。

Bb+Bc+Bk=0 ・・・（６）
この式（６）より次式（７）が求められる。

Bk=−(Bb+Bc) ・・・（７）
すなわち、この式（７）の磁束を発生させる補正電流Ikaは式（８）となる。

この補正電流Ikaを補正導体５３ａに導通すれば、電流センサ５１aは他相の磁束の影響を低減（排除）して、バスバ６ａを流れる電流Iaの検出値を取得することができる。

図５は、補正回路５２ａの回路構成を示す図である。

電流センサ５１ａの磁束検出素子５１０ａより、検出値として電圧値Ｖ_Iaが出力されている。補正回路５２ａは、オペアンプＴaを用いた加算回路である。補正回路５２ａには、図示省略した電流センサ５１ｂ、５１ｃより、検出された電圧値Ｖ_Ib、Ｖ_Icが入力される。電圧値Ｖ_Ib、Ｖ_Icは入力ゲイン抵抗Rab、Racを経てオペアンプＴaの負入力に接続し、更に、出力ゲイン抵抗Rgaを経てオペアンプＴaの出力端子に接続し、負帰還となっている。オペアンプＴaの正入力には基準電圧2.5V（電流センサ５１ａのオフセット電圧値と等しい電圧)を入力している。オペアンプＴaの出力端子は補正導体５３ａから補正磁束ゲイン抵抗Rmaを経て2.5Vの電源と接続している。

電流センサ５１ａは、一例として、バスバ６ａに流れる電流Ia=±700AをV_Ia=2.5V±2Vの電圧レンジで示すと、以下の動作を行う。すなわち、バスバ６ａに流れる電流Iaが±0Aのとき、V_Ia=2.5V(オフセット電圧)を出力する。さらに、電流Iaが流れた時に(2.5V＋2/700*Ia)Vの電圧を出力する。バスバ６ｂ、６ｃの電流センサ５１ｂ、５１ｃも、それぞれ電流Ib、Icを示す電圧V_Ib、V_Icを出力している。

補正回路５２ａのオペアンプＴaは次の式（９）に示す電圧を出力する。

そして、補正導体５３ａには式（１０）の補正電流Ikaが流れる。

図６は、補正回路５２ａ、５２ｂ、５２ｃの回路構成を示す図である。補正回路５２ａは図５と同様の構成である。

補正回路５２ｂには、電流センサ５１ａ、５１ｃより、検出値として電圧値Ｖ_Ia、Ｖ_Icが入力する。電圧値Ｖ_Ia、Ｖ_Icは入力ゲイン抵抗Rba、Rbcを経てオペアンプＴbの負入力と接続し、更に、出力ゲイン抵抗Rgbを経てオペアンプＴbの出力端子と接続し、負帰還となっている。オペアンプＴbの正入力には基準電圧2.5Vを入力している。オペアンプＴbの出力端子は補正導体５３ｂおよび補正磁束ゲイン抵抗Rmbを経て2.5Vの電源と接続している。

補正回路５２ｃには、電流センサ５１ａ、５１ｂより、検出値として電圧値Ｖ_Ia、Ｖ_Ibが入力する。電圧値Ｖ_Ia、Ｖ_Ibは入力ゲイン抵抗Rcb、Rcaを経てオペアンプＴcの負入力と接続し、更に、出力ゲイン抵抗Rgcを経てオペアンプＴcの出力端子と接続し、負帰還となっている。オペアンプＴcの正入力には基準電圧2.5Vを入力している。オペアンプＴcの出力端子は補正導体５３ｃおよび補正磁束ゲイン抵抗Rmcを経て2.5Vの電源と接続している。

補正回路５２ａで説明したと同様に、補正導体５３ｂ、５３ｃには式（１１）、（１２）で示す補正電流Ikb、Ikcが流れる。

図４で説明した構造に応じて、補正回路５２ａ、５２ｂ、５２ｃの入力ゲイン抵抗、出力ゲイン抵抗による補正ゲイン値を決定することにより、他相の磁束の影響を打ち消す補正電流を流すことができる。

図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、バスバ６ａに流れる電流を示す図である。

図７（ａ）はバスバ６ａに流れた実電流を破線601で示す。電流センサ５１ａは、図４を用いて説明したように、他相のバスバ６ｂ、６ｃに由来の電流である点線602も同時に、区別なく検出する。このため、なんらの補正を行わない場合、電流センサ５１ａの電流検出値は図７（ａ）の実線600のようになる。これは、破線601に対し、他相に由来の検出電流を示す点線602が誤差として重畳したものである。

補正を行った場合の電流を図７（ｂ）に示す。補正は、バスバ６ｂ、６ｃの電流が電流センサ５１ａ内の磁束検出素子５１０ａに発生する磁束を推定して補正回路５２ａの補正ゲイン値を調整する。そして、補正回路は、図７（ｂ）の実線603に示すような、逆位相の電流を補正導体５３ａに流すことによって、他相のバスバ６ｂ、６ｃに由来の電流を相殺する。図７（ｃ）は、このとき、補正導体５３ａが流すべき実線603に示す電流量が、バスバ６ａに相当の電流を流す破線604に示す電流量に比べて少なく済むことを示している。このように、補正導体５３ａを磁束検出素子５１０ａに近接して配置することによって、小電流で補正をすることが可能である。

本実施の形態によれば、電流検出装置５は従来の電流検出装置に比べ、コアや磁気シールドなどのコストが高く、空間占有体積を大きくとるような部品を使わずに、高精度な電流検出を実施することができる。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電流検出装置５は、複数のバスバ６a、６b、６cの各々に対応して設けられ、複数のバスバ６a、６b、６cに流れる電流が夫々発生する磁束を各々検知する電流センサ５１a、５１b、５１cと、電流センサ５１a、５１b、５１cの各々について、バスバ６a、６b、６cのうち当該電流センサ以外の他の電流センサに対応する各バスバを流れる電流による磁束の影響を低減するための補正電流を出力する補正回路５２a、５２b、５２cと、電流センサ５１a、５１b、５１cの各々に対応して設けられ、補正電流が流れる補正導体５３a、５３b、５３cと、を備える。これにより、磁気シールドを用いることなく、コストおよび占有体積の削減が図れて、隣接する他相の磁束の影響を低減することができる。

なお、以上説明した実施形態では、電流検出装置５において、バスバ６ａ、６ｂ、６ｃにより、三相交流モータであるモータ３の各相、すなわちＵ相、Ｖ相、Ｗ相に電流を流し、この電流を電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃによって夫々検出する例を説明した。しかし本発明は、複数の電流センサを用いて、三相モータ以外の多相モータの各相に流れる電流を夫々検出する電流検出装置においても適用可能である。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１ 直流電源
２ インバータ回路
３ モータ
４ 制御部
５ 電流検出装置
６ａ、６ｂ、６ｃ バスバ（導電体）
５１ 電流センサ
５２ 補正回路
５３ 補正導体

Claims (4)

1. 複数の導電体の各々に対応して設けられ、前記複数の導電体に流れる電流が夫々発生する磁束を検出して前記電流を各々検知する複数の電流センサと、
   前記複数の電流センサの各々について、前記複数の導電体のうち当該電流センサ以外の他の電流センサに対応する各導電体を流れる電流による前記磁束の影響を低減するための補正電流を出力する補正回路と、
   前記複数の電流センサの各々に対応して設けられ、前記補正電流が流れる複数の補正導体と、を備え、
   前記補正回路は、前記複数の電流センサの各々について、前記複数の導電体に電流が夫々流れているときに前記他の電流センサにより検出された前記電流の値に基づいて前記補正電流の値を決定し、前記補正電流を前記複数の補正導体のうち当該電流センサに対応する補正導体に流す電流検出装置。
2. 請求項１に記載の電流検出装置において、
   前記複数の補正導体は、対応する電流センサと近接して夫々配置される電流検出装置。
3. 請求項２に記載の電流検出装置において、
   前記複数の電流センサと前記複数の補正導体とが配置された基板を備える電流検出装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電流検出装置において、
   前記複数の導電体は、多相モータの各相に電流を流し、
   前記複数の電流センサは、前記多相モータの各相に流れる電流を夫々検出する電流検出装置。

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