CN101606071B - 电流检测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电流检测器，该电流检测器(100)具有叠加易磁化方向互相不同的两种薄片芯(104、106)的构造的磁体磁芯(108)。通过采用这样的层积构造，磁体磁芯(108)整体能够发挥良好的磁特性，所以来自霍尔元件(110)的输出电压相对于被检测电流显示出良好的线性。此外，与现有的环型磁芯不同，其加工工时、时间减少，并能够相应地降低制造成本。

Description

电流检测器

技术领域

本发明涉及一种用于电流的测定或检测的磁比例方式的电流检测器。

背景技术

作为有关这种电流检测器的现有技术，公知有如下的电流传感器：用霍尔元件将由于被检测电流而产生的磁场转换成电压，并间接地检测电流值(例如，参照日本特开2003-17347号公报、日本特开平9-281152号公报)。这些公知的电流传感器具有构成磁电路的磁芯(core)，并在形成于该磁芯的间隙(空隙)内配置有霍尔元件。由于被检测电流在磁芯内部产生的磁场穿过间隙之间而进行旋转，从而通过霍尔元件被转换成电压信号。

如这些在先技术所示，电流传感器的磁芯采用环型或层积型的磁芯。其中，首先缠绕带片状的磁性材料形成环状之后，沿直径方向切断其一部分，并在该切断部分中形成磁芯间隙，从而获得的环型的磁芯。当采用环型磁芯时，由于将磁性材料切断加工成带片状使用，所以材料的成品率高，能够相应地较低抑制材料费。

另一方面，层积型的磁芯具有在厚度方向上层积多片片状磁芯的构造。由于每片片状磁芯是冲裁磁性材料的板材而形成的，所以当采用层积型磁芯时，材料的成品率不如环型。

通常，环型的磁芯采用取向硅钢片作为磁性材料。如将取向硅钢片沿其易磁化方向切断而加工成带片状时，由于其缠绕方向和易磁化方向一致，所以最终获得作为电流检测用磁芯的良好的磁特性(饱和特性、线性、磁滞宽度)。但是，环型磁芯在缠绕带状材料之后，为了使材料的方向性恢复，必须经过进行长时间的热处理(退火)、在缠绕的材料间隙中渗透浸渍剂并长时间干燥的工序。因此，当采用环型磁芯时，存在有即使较便宜地抑制材料费本身，加工费用也变高的问题。

针对于此，层积型磁芯在其构造上即使使材料具有易磁化性，其与被检测电流产生的磁的旋转方向也不一致。因此，通常层积型磁芯使用磁特性优越的坡莫合金(铁-镍合金)作为磁性材料。坡莫合金与硅钢相比导磁率非常大，且显示出作为电流检测用磁芯的良好的磁特性(线性、磁滞宽度)。但是，由于坡莫合金材料本身价格高，所以存在有不太适合比较大型的磁芯或层积型磁芯这样的成品率差的形状的问题。

因此，在电流检测器的技术领域中，在降低制造所需的材料费、加工费的同时，维持作为电流检测用磁芯的良好磁特性成为一个课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电流检测器，其将由于被检测电流的导通所产生的磁场穿过磁体磁芯的内部，并利用霍尔元件将通过其间隙的磁场转换成输出电压。该电流检测器采用具有叠加磁性材料互相不同的多个金属片的构造的磁体磁芯来解决上述的课题。

也就是说，由于电流检测器采用具有叠加多个金属片的构造的磁体磁芯，所以与采用环型的磁芯的情况相比，能够降低其加工所需的费用。另一方面，多个金属片磁性材料互相不同，在磁体磁芯中以叠加的状态将这些金属片混合，所以即使当中包含有材料费价格高的磁材料也可以减少其在整体中所占的使用量，能够相应地降低材料费。

此外，由于上述的磁体磁芯将种类不同的磁性材料混合使用，所以作为磁体磁芯整体的磁特性不被任一种磁性材料较大的支配。这时，例如即使一种磁性材料与其他种磁性材料相比磁特性(饱和性、线性、磁滞宽度)差，也能通过以其他种磁性材料所具有的良好磁特性对其进行补偿，使作为磁体磁芯整体发挥良好的磁特性。

作为更实用方式，本发明的电流检测器采用具有叠加易磁化方向互相不统一的多个取向硅钢片的结构的磁体磁芯。通常，当是赋予易磁化方向的取向硅钢片时，自然是作为如现有环型那样地将其在磁旋转方向上缠绕的构造的磁芯而使用状态。相反，当采用叠加几片相同取向硅钢片的构造的磁体磁芯时，由于作为整体易磁化方向被限制为一个，所以当使磁旋转时磁阻大的部分和小的部分分布不均。这时，虽然作为电流检测用磁芯的饱和特性没有问题，但是输出电压对被检测电流的线性极差，此外，由于残留磁通量变大所以作为电流检测器在实用上不适合。

不过，在本发明中，由于易磁化方向互相不同的硅钢片在磁体磁芯中混合，所以作为磁体磁芯整体的易磁化方向不规定为一个，其结果，从上述那样的磁场旋转方向观察，磁阻的偏差被消除。通过这样，能够达到作为电流检测用磁芯的良好的磁特性(良好的线性、更小的磁滞宽度)，获得适合于实用的电流检测器。

上述的磁体磁芯具有叠加易磁化方向互相正交的两种取向硅钢片的结构。或者上述的磁体磁芯具有交替叠加易磁化方向互相正交的两种取向硅钢片的结构。

如上所述，通过使取向硅钢片的易磁化方向互相正交而叠加，从其叠加方向来观察，能够在被检测电流的周围形成大致角形的磁路。因此，通过被检测电流所产生的磁能够穿过在磁体磁芯中形成的磁路良好地进行旋转。

此外，在使取向硅钢片的易磁化方向互相正交而叠加时，作为磁体磁芯整体的形状还适于大致四角形(矩形)。这时，磁体磁芯具有隔着电流导通部对置的一对长边部及一对短边部，并沿这些长边部及短边部的长度方向规定取向硅钢片的易磁化方向。

根据这样的结构，磁体磁芯能够使在其长边部及短边部的磁阻最小，作为整体能够发挥更良好的磁特性。

此外，本发明能够通过采用具有叠加无取向硅钢片和铁-镍合金片的结构的磁体磁芯来解决上述的课题。

无取向硅钢片虽然在作为电流检测用磁芯的线性、饱和特性上没有问题，但由于残留磁通量大，所以是通常在电流检测器中不被使用的磁性材料。但是，当在电流检测用磁芯中采用使具有作为磁性材料特别卓越的特性的铁-镍合金片(坡莫合金)片和无取向硅钢片混合的结构时，能够补偿无取向硅钢片的缺点，并作为磁体磁芯整体发挥良好的磁特性。

此外，由于通过合使用材料费低廉的无取向硅钢片和材料费价格高的铁-镍合金片，从而能够减少价格高的铁-镍合金片在整体中所占的使用量，所以能够相应地降低材料费。

附图说明

图1是表示将第一实施方式的电流检测器分解成构成元件的透视图；

图2是沿图1中II-II线的纵截面图；

图3是表示使用电流检测器检测已知的输入电流(A)时的输出电压(V)的输出线性的图表；

图4是比较例1、比较例2、实施例及现有例的线性误差率的列表；

图5是比较例1、比较例2、实施例及现有例的磁滞宽度的列表；

图6是表示第二至第四实施方式的电流检测器的构成的截面图；以及

图7是表示将第五实施方式的电流检测器分解成构成元件的透视图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1是表示将第一实施方式的电流检测器100分解成构成元件的透视图。电流检测器100具有树脂壳体102，在该树脂壳体102中以多片叠加的状态收容有片状的薄片芯104、106。这些薄片芯(sheet core)104、106以被收容在树脂壳体102内的状态构成一个磁体磁芯108。另外，虽然在图1中示出了薄片芯104、106各两片，但实际的片数要比其多，对其省略了图示。

薄片芯104、106都做成大致四角形的C字形状，这样形状的薄片芯104、106是冲裁板状的磁性材料而形成的。此时，各个薄片芯104、106在其中央位置形成有开口部104a、106a，同时形成有从该开口部104a、106a向一侧边缘延长的间隙用狭缝104b、106b。开口部104a、106a根据薄片芯104、106的外形而大致呈角形。

此外，薄片芯104、106具有隔着中央开口部104a、106a而对置的一对长边部104c、106c及一对短边部104d、106d。其中，在一个短边部104d、106d内形成有上述间隙用狭缝104b、106b。

当在树脂壳体102内以叠加的状态收容有薄片芯104、106时，在叠加方向上观察这些开口部104a、106a及间隙用狭缝104b、106b相互一致。通过这样，能够在由多个薄片芯104、106构成一个磁体磁芯108的状态下，在其中央位置形成有一连续的贯通孔的同时，在圆周方向的一部分上形成有芯间隙。

在树脂壳体102内形成有收容部102a及导套(guide sleeve)102b。收容部102a的图1所示的上面被敞开着，在其下面形成有底板102c。导套102b从底板102c上向上面延伸，其内部形成为中空的电流导通部102d。导套102b的外形比薄片芯104、106的开口部104a、106a稍小，并且，收容部102a的内侧尺寸比薄片芯104、106的外形大。因此，当将薄片芯104、106收容到树脂壳体102内时，通过各个开口部104a、106a沿导套102b的外表面被导向，从而易于进行薄片芯104、106的相互定位。

树脂壳体102在收容有薄片芯104、106的同时还收容有霍尔元件110。霍尔元件110被安装在电路基板112上，且该电路基板112以被叠加在最外层的薄片芯106的上表面上的方式被收容。这时，通过使霍尔元件110通过并插入各个薄片芯104、106的间隙用狭缝104b、106b之间，从而定位安装在磁体磁芯108的芯间隙内。

在第一实施方式中，各个薄片芯104、106采用取向硅钢片。这些薄片芯104、106采用取向(易磁化的方向)互相不同的硅钢片。也就是说，一侧的薄片芯104的易磁化方向(图中的箭头方向)与短边部104d的长度方向一致，另一侧的薄片芯106的易磁化方向(图中的箭头方向)与长边部106c的长度方向一致。

图2是表示电流检测器100在装配的状态下的纵截面图(图1中的II-II截面)。另外，截面的位置(II-II线)处在不被短边部104d、106d上的间隙覆盖的地方。如上所述，当在树脂壳体102内使薄片芯104、106叠加以构成磁体磁芯108，并进一步在收容了安装有霍尔元件110的电路基板112的状态下，通过未图示的注封树脂被密封在树脂壳体102内时，电流检测器100制作为完成品。另外，电路基板112的引线端子不埋设在注封树脂中，因此，可以连接来自外部的配线。此外，图2所示的薄片芯104、106的片数仅用于例示，因此，既可以比其多，又可以比其少。

电流检测器100能够使被检测电流沿上下贯通该电流导通部102d内的方向(图2中的轴线L方向)导通并使用。当在电流导通部102d内被检测电流导通时，由此产生的磁场穿过磁体磁芯108的内部并绕其旋转。这时，穿过磁体磁芯108的间隙的磁场利用霍尔元件110被转换成电压信号，并将通过形成在电路基板112上的放大电路放大该电压信号，将其作为检测信号被取出。

在这里，如上所述可知：各个薄片芯104、106采用易磁化方向互相不同的两种取向硅钢片，尤其在第一实施方式中，薄片芯104、106以互相叠加的状态构成一个磁体磁芯108。也就是说，一侧的薄片芯104在其短边部104d的长度方向上容易穿过磁(导磁率大)，在其长边部104c的长度方向上难以穿过磁(导磁率小)。相反，可以得知另一侧的薄片芯106具有在其长边部106c的长度方向上容易穿过磁(导磁率大)、在其短边部106d的长度方向上难以穿过磁(导磁率小)的特性。

本发明的发明者们着眼于通过根据上述的各个薄片芯104、106的特性，交替地叠加这些薄片芯而构成磁体磁芯108，从而获得以下的优点。也就是说，当只将薄片芯104、106的任一层多片叠加来构成磁体磁芯时，从磁的旋转方向观察到磁阻大的部分和小的部分在其内部分布不均匀，但是，当例如以第一实施方式的方式交替地叠加两种薄片芯104、106时，则能够消除在磁体磁心108内部的磁阻的偏差。

(实施例)

下面，以具体的实施例验证发明者们的认知。

(输出线性的验证)

图3是表示使用电流检测器100检测(测量)已知的输入电流(A)时的输出电压(V)的输出线性的图表。“输出线性”是用于当使穿过电流检测器100的电流导通部102d的被检测电流的值变化时，评价从霍尔元件110输出的电压信号是否直线的变化的指标。在这里，以下面的条件测绘(plot)相对于输入电流(A)的输出电压(V)，并根据其结果中评价输出线性。

将采用第一实施方式的磁体磁芯108的电流检测器作为实施例，并分别准备只叠加薄片芯104而构成磁芯的电流检测器和只叠加薄片芯106而构成磁芯的电流检测器作为其比较例1、比较例2。另外，还准备采用了环型磁芯的电流检测器作为现有例。

在上述的实施例、比较例1、比较例2及现有例中，导通已知的输入电流(A)并观测此时的输出电压(V)。这时，输入电流的额定值为200A，并分别使电流值按五个阶段(50A、100A、150A、200A、250A)变化进行观测。图3中测绘的输出电压(V)的各个点(分别用标记◇、□、△、○表示)是相对于各个输入电流(A)分别将来自霍尔元件110的输出进行4倍、2倍、4/3倍、1倍、1.25倍(额定值换算)变化得到的。

图3中“层积型3(标记△)”表示实施例的结果。其他的“层积型1(标记◇)”是比较例1的结果，“层积型2(标记□)”是比较例2的结果。另外，“环型(标记○)”是现有例的结果。

根据图3所示的输出线性，可知下面的情况。

(1)采用环型磁芯的现有例在输出线性中是最优良的。此外，由于输出电压(V)的电平整体比其他的高，所以可以说作为磁芯的导磁率大。

(2)采用第一实施方式的实施例(层积型3)能够获得不逊色于采用环型磁芯的比较例的输出线性。

(3)对于分别单独采用薄片芯106或薄片芯104的比较例1、2(层积型1、2)，与采用环型磁芯的现有例和采用第一实施方式的实施例(层积型3)进行比较输出线性差。

(4)采用环型磁芯的现有例虽然如已说明的那样材料费本身比较低廉，但是由于在其加工中需要很多工时且时间较长，所以从总体来看的制造成本比实施例高。

当综合评价上述(1)至(4)的结果时，则验证出采用第一实施方式的磁体磁芯108的实施例在发挥卓越的输出线性上，比现有的环型能够较低地抑制制造成本，所以通过采用其为产品可以同时达到削减制造工时和降低成本。

(使用线性误差率的验证)

接着，图4是比较例1、2(层积型1、2)、实施例(层积型3)及采用环型磁芯的现有例的线性误差率的列表。在这里所说的“线性误差率”是取在图3中评价输出线性所用的五个点(输出电压(Vout))的平均A，并用百分比表示各个点对该平均A的误差的误差率。在各个点中的“线性误差率”越小，可以说在数值上输出线性越良好。另外，线性误差率(ε)诸如可以用下面的公式表示。

ε＝(Vout-A)/A×100(％)

根据图4所示的线性误差率的列表，可知下面的情况。

(1)采用环型磁芯的现有例的线性误差率被收在-0.22至0.153(％)的范围内，且从整体上来说在各个点(50A、100A、150A、200A、250A)的误差率也最小(绝对值评价)。

(2)采用第一实施方式的实施例(层积型3)的线性误差率被收在-0.192至0.472(％)范围内，且线性误差率小(绝对值评价)，不逊色于采用环型磁芯的现有例。此外，在各个点上的误差率比其他的比较例(层积型1、2)小(相同绝对值评价)。

(3)对于分别单独采用薄片芯106或薄片芯104的比较例1、2(层积型1、2)，与采用环型磁芯的现有例和采用第一实施方式的实施例(层积型3)相比，线性误差率大(绝对值评价)。

如上所述，得知采用第一实施方式的磁体磁芯108的实施例线性误差率小(绝对值评价)、即使在数值上也发挥良好的输出线性。另一方面，当只单独叠加薄片芯104、106的意一个来构成磁体磁芯108时，都不能获得良好的输出线性。根据发明者们的认知，认为这是因为在磁芯内部的磁阻偏差较大的关系。

(使用磁滞宽度的验证)

接着，图5是比较例1、2(层积型1、2)、实施例(层积型3)及现有例的磁滞宽度的列表。“磁滞宽度”是用于评价电流检测用磁芯的残留磁通特性的指标。具体地说，在分别使被检测电流沿正方向和反方向导通，并在磁芯内部穿过磁场之后，观测停止导通被检测电流时的输出电压(V)。在这里，对霍尔元件110进行当被检测电流为0(A)时输出电压为2.5(V)的初期调整。

图5的列表中，上行(+If(A)→0(A))表示在正方向上导通被检测电流之后，停止其导通时的输出电压(V)的值。此外，中行(-If(A)→0(A))表示在反方向上导通被检测电流之后，停止其导通时的输出电压(V)的值。无论哪种情况，相比2.5(V)的偏移都表示由剩余磁通量导致的输出电压(V)的偏移。而且，下行(磁滞宽度)示出由最后的残留磁通量导致的输出电压(V)的偏移量(上行及下行的中间点)。

根据图5所示的磁滞宽度的列表可知以下的情况。

(1)采用环型磁芯的现有例磁滞宽度为+0.0015(V)，在整体中为最小。

(2)采用第一实施方式的实施例(层积型3)磁滞宽度为+0.0020(V)，不逊色于采用环型磁芯的现有例。

(3)对于分别单独采用薄片芯106或薄片芯104的比较例1、2(层积型1、2)，与采用环型磁芯的现有例和采用第一实施方式的实施例(层积型3)相比，磁滞宽度大。

如上所述，得知采用第一实施方式的磁体磁芯108的实施例磁滞宽度较小，从而作为电流检测用磁芯残留磁通量的特性良好。另一方面，当只单独叠加薄片芯104、106的任一个而构成磁体磁芯108时，相比实施例残留磁通量的特性差，磁滞宽度都较大。

(饱和特性的验证)

此外，本发明的发明者们对实施例、比较例1、2及现有例分别进行了验证磁饱和特性的结果，无论哪种情况，都确认了在被检测电流(±200A)的范围内，没有饱和的情况(未图示)。

以上，按照根据实施例的验证，当如第一实施方式那样交替地叠加薄片芯104、106而构成磁体磁芯108时，确认获得不逊色于现有例的环型的良好的磁特性。

(第二至第四实施方式)

图6是表示第二至第四实施方式的电流检测器120、130、140的构成的截面图。下面，分别进行说明。另外，在下面说明中，对与第一实施方式相同的部分标注了相同的标记，并省略对其的重复说明。

图6中(A)：在第二实施方式的电流检测器120中，从上下叠加的方向观察，两种薄片芯104、106的层被划分成上下层。例如，构成为：其上半部分只是一侧的薄片芯104的层，其下半部分只是另一侧的薄片芯106的层。

图6中(B)：在第三实施方式的电流检测器130中，两种薄片芯104、106以每固定的片数(大于等于2片)的方式交替地叠加。例如，其最上层的两片是一侧的薄片芯104，其下层的两片是另一侧的薄片芯106，再其下层的两片是一侧的薄片芯104。

图6中(C)：在第四实施方式的电流检测器140中，从上下的叠加方向观察，两种薄片芯104、106为不规则地(随机地)配置。各个薄片芯104、106的叠加顺序为完全随机，在磁体磁芯108内的片数并不限定薄片芯104和薄片芯106为相同。在极端的情况下，也可以薄片芯104、106的任一层只为一片，其他完全为另一个。

总之，作为本发明的发明者们进行了验证的结果，确认第二至第四实施方式与第一实施方式获得大致相同的良好的输出线性、磁滞宽度及饱和特性。

(第五实施方式)

图7是表示将第五实施方式的电流检测器150分解成构成元件的透视图。虽然第五实施方式的电流检测器150还具有叠加多种薄片芯204、206而构成的磁体磁芯108，但是薄片芯204、206的磁性材料与第一至第四实施方式不同。也就是说，在第一至第四实施方式中列举的薄片芯104、106都是将取向硅钢片作为材料的薄片芯。在第五实施方式中，一侧的薄片芯204将铁-镍合金(例如PB＝45％坡莫合金、PC＝78％坡莫合金)作为材料，另一侧的薄片芯206将无取向硅钢板作为材料。

在这种情况下，薄片芯206是无取向硅钢片，虽然有作为电流检测用磁芯的磁特性差的部分(尤其磁滞宽度)，但其他薄片芯204是坡莫合金，作为电流检测用磁芯具有良好的磁特性(输出线性、磁滞宽度、饱和特性)。通过将这些不同的磁性材料的薄片芯204、206互相地叠加来构成磁体磁芯108，从而能够通过其他薄片芯204补偿薄片芯206所固有的缺点。其结果，作为磁体磁芯108整体能够发挥良好的磁特性，作为产品能够发挥充分的特性。

此外，在第五实施方式中，由于将比较便宜的磁性材料即无取向硅钢片、和比较昂贵的磁性材料即坡莫合金配合使用，所以能够减少坡莫合金占整体的使用量，并能够有助于相应地节省材料费。

另外，可以对第五实施方式的电流检测器150进一步展开为下面的变化。

(1)从上下叠加方向观察，两种薄片芯204、206的层可以划分为上下。例如，其上半部分是仅一侧的薄片芯204的层，其下半部分是仅另一侧的薄片芯206的层。

(2)也可以将两种薄片芯204、206每固定的片数(大于等于两片)的方式交替地叠加。例如，其最上层的两片是一侧的薄片芯204，其下层的两片是另一侧的薄片芯206，再其下层的两片是一侧的薄片芯204的模式。

(3)从上下的叠加方向观察，可以不规则(随机的)地配置两种的薄片芯204、206。各个薄片芯204、206的叠加顺序为完全随机的，薄片芯204和薄片芯206在磁体磁芯108内的片数也可以不同。在极端的情况下，薄片芯204可以只为一片，其他完全为薄片芯206。在这种情况下，可以把贵重的坡莫合金的使用量抑制为最小限度，并使其材料费最小。

此外，本发明并不仅限定于上述各个实施方式，可以进行各种变形加以实施。例如，薄片芯的具体形状或大小、厚度等规格可以适当地变更以实际符合作为对象的被检测电流的特性。

另外，在各个实施方式中图示并列举的构造完全是优选例，当然在基本构造中添加各种元件或者置换一部分也可以适当地实施本发明。

Claims (5)

1.一种电流检测器，其特征在于，包括：

电流导通部，用于使被检测电流导通；

磁体磁芯，被配置在所述电流导通部的周围，所述磁体磁芯具有在被检测电流的导通方向上叠加多个易磁化方向互相正交的两种取向硅钢片的构造；以及

霍尔元件，被配置在形成于所述磁体磁芯的间隙内，所述霍尔元件将在被检测电流导通时通过所述磁体磁芯而产生的磁场转换成电压信号。

2.一种电流检测器，其特征在于，包括：

电流导通部，用于使被检测电流导通；

磁体磁芯，被配置在所述电流导通部的周围，所述磁体磁芯通过具有在被检测电流的导通方向上叠加多个易磁化方向互相正交的两种取向硅钢片的构造，从其叠加方向来观察，在被检测电流的周围形成角形的磁路；以及

霍尔元件，被配置在形成于所述磁体磁芯的间隙内，所述霍尔元件将在被检测电流导通时通过所述磁体磁芯而产生的磁场转换成电压信号。

3.根据权利要求2所述的电流检测器，其特征在于，

所述磁体磁芯具有隔着所述电流导通部对置的一对长边部及一对短边部，并沿这些长边部及短边部的长度方向规定取向硅钢片的易磁化方向。

4.根据权利要求1所述的电流检测器，其特征在于，

所述磁体磁芯具有交替叠加易磁化方向互相正交的两种取向硅钢片的构造。

5.根据权利要求4所述的电流检测器，其中，

所述磁体磁芯具有隔着所述电流导通部对置的一对长边部及一对短边部，并沿这些长边部及短边部的长度方向规定取向硅钢片的易磁化方向。

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