CN109932548A - 电流传感器 - Google Patents

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CN109932548A CN201811183593.4A CN201811183593A CN109932548A CN 109932548 A CN109932548 A CN 109932548A CN 201811183593 A CN201811183593 A CN 201811183593A CN 109932548 A CN109932548 A CN 109932548A
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秋元克弥
二口尚树
驹野晴保
梅津润
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Abstract

本发明提供脉冲响应性良好的电流传感器。具备：形成为板状并且在其板宽方向上分离地排列配置且流动三相交流中的各相电流的三条母线(2)；配置为在与板宽方向垂直的厚度方向上一并地夹入三条母线(2)的由磁性材料构成的第一屏蔽板(3)以及第二屏蔽板(4)；分别配置于各母线(2)与第一屏蔽板(3)之间并检测由在对应的母线(2)流动的电流产生的磁场的强度的三个磁检测元件(5)；以及配置于各磁检测元件(5)与第一屏蔽板(3)之间且在与第二屏蔽板(4)之间一并地夹入三条母线(2)地配置的由非磁性的导电材料构成的导电板(6)。

Description

电流传感器
技术领域
本发明涉及电流传感器。
背景技术
现今，作为电流传感器，公知有具备检测由成为测定对象的电流产生的磁场的强度的磁检测元件的电流传感器(例如参照专利文献1)。通过利用磁检测元件来检测磁场的强度，能够基于该磁场的强度并利用运算来求解电流。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-14477号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在逆变器与马达间传输三相交流。在进行PWM(Pulse WidthModulation：脉冲宽度调制)控制的逆变器中，向各相输出脉冲状的电流。因而，例如对在进行PWM控制的逆变器与马达间传输的三相交流的各相电流进行测定的电流传感器中，需求针对电流的响应性、即脉冲响应性良好。
因此，本发明的目的在于提供脉冲响应性良好的电流传感器。
用于解决问题的方案
本发明以解决上述课题为目的，提供一种电流传感器，具备：三条母线，其形成为板状并在其板宽方向上分离地排列配置且流动三相交流中的各相电流；第一屏蔽板以及第二屏蔽板，它们由磁性材料构成，配置为在与上述板宽方向垂直的厚度方向上一并地夹入上述三条母线；三个磁检测元件，其分别配置于上述各母线与上述第一屏蔽板之间并检测由在对应的上述母线流动的电流产生的磁场的强度；以及导电板，其由非磁性的导电材料构成，配置于上述各磁检测元件与上述第一屏蔽板之间，并且该导电板在与上述第二屏蔽板之间一并地夹入上述三条母线地配置。
发明的效果如下。
根据本发明，能够提供脉冲响应性良好的电流传感器。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式的电流传感器的图，(a)是透视第二屏蔽板的立体图，(b)是其A-A线剖视图。
图2是示出本发明的实施例以及现有例中的脉冲响应特性的图表。
图3的(a)是成为本发明的比较对象的比较例的电流传感器的剖视图，(b)是示出本发明的实施例、现有例、以及比较例中的脉冲响应特性的图表。
符号的说明
1—电流传感器，2—母线，3—第一屏蔽板，4—第二屏蔽板，5—磁检测元件，6—导电板。
具体实施方式
[实施方式]
以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是示出本实施方式的电流传感器的图，(a)是透视第二屏蔽板的立体图，(b)是其A-A线剖视图。
电流传感器1具备三条母线2、第一屏蔽板3、第二屏蔽板4、三个磁检测元件5、以及导电板6。
母线2是由铜、铝等良电导体构成的板状的导体，成为电流流动的电流路。母线2例如用作电动汽车、混合动力车中的马达与逆变器间的电源线。在本实施方式中，对使用与三相交流对应的三条母线2a～2c的情况进行说明。三条母线2a～2c在其板宽方向上分离地排列配置。
以下，将图1的(b)的左右方向称作宽度方向，将上下方向称作厚度方向，并将纸面方向称作长度方向。在电流传感器1中，从宽度方向的一侧至另一侧(从图1的(b)的右侧至左侧)依次配置有母线2a、母线2b、母线2c。在各母线2a～2c流动三相交流中的各相电流。在本实施方式中，在母线2a流动U相电流，在母线2b流动V相电流，并在母线2c流动W相电流。母线2a～2c的厚度为3mm。
在各母线2a～2c分别形成有两个切口21。两个切口21形成为向各母线2a～2c的宽度方向上的两侧方分别开口，并且形成为在长度方向上的大致相同的位置在宽度方向上对置。通过在各母线2a～2c形成两个切口21，从而形成母线2a～2c的长边方向上的一部分的宽度变窄的窄幅部22。在本实施方式中，以在厚度方向上与该窄幅部22对置的方式配置磁检测元件5。
窄幅部22起到抑制高频时的集肤效应的影响的作用，有助于检测精度的提高。更详细而言，若在母线2流动高频的电流，则因集肤效应而电流分布偏于母线2的表面。表皮厚度根据频率而不同，母线2内部的电流分布变化，因而磁检测元件5的位置的磁通密度发生变化。在以与母线2的宽度方向上的中央部对置的方式配置磁检测元件5的情况下，从磁检测元件5侧观察时，母线2的通电面的截面形状的纵横尺寸比较小的一方的电流分布的扩散(即电流分布的频率依存性)较小，认为集肤效应的影响较小。
磁检测元件5分别配置于各母线2a～2c与第一屏蔽板3之间，检测由在对应的母线2a～2c流动的电流产生的磁场的强度。作为磁检测元件5，例如能够使用霍尔元件、GMR(Giant Magneto Resistiveeffect：巨磁阻效应)元件、AMR(Anisotropic MagnetoResistive：各向异性磁阻)元件、TMR(TunnelingMagneto Resistive：隧道磁阻)元件等。
磁检测元件5构成为输出与沿检测轴方向的磁场的强度(磁通密度)对应的电压的输出信号。在本实施方式中，各磁检测元件5配置为检测轴与母线2的宽度方向(图1的(b)的左右方向)一致。
第一屏蔽板3以及第二屏蔽板4用于遮蔽来自外部的磁场，以便来自外部的磁场不会对磁检测元件5的检测结果产生影响。第一屏蔽板3以及第二屏蔽板4由磁性材料构成。第一屏蔽板3以及第二屏蔽板4形成为具有在宽度方向上对置的两个边和在长度方向上对置的两个边的矩形的板状。
第一屏蔽板3以及第二屏蔽板4以在厚度方向上一并地夹入三条母线2a～2c的方式与母线2分离配置。并且，第一屏蔽板3以及第二屏蔽板4配置为其表面与母线2的表面平行(第一屏蔽板3以及第二屏蔽板4的厚度方向与母线2的厚度方向一致)。
在该电流传感器1中，第一屏蔽板3以及第二屏蔽板4的距磁检测元件5的距离(沿厚度方向的距离)大致相等。也就是说，在电流传感器1中，在第一屏蔽板3与第二屏蔽板4之间的大致中间的位置(与第一屏蔽板3以及第二屏蔽板4的距离大致相等的位置)配置有磁检测元件5。
导电板6因自身所产生的涡流的影响，使磁检测元件5所检测到的磁场的强度的频率特性变化，由此用于实现脉冲响应性的改善。导电板6由铜、铝等非磁性的导电材料构成。导电板6形成为具有在宽度方向上对置的两个边和在长度方向上对置的两个边的矩形的板状。并且，导电板6配置为其表面与母线2的表面平行。
此外，在使用了磁性材料作为导电板6的情况下，导电板6作为屏蔽件发挥功能，需要包括屏蔽板3、4在内的屏蔽构造的再设计。通过使用非磁性材料作为导电板6，不会从已知的构造变更屏蔽构造，仅追加导电板6就能够实现脉冲响应性的改善。
导电板6配置于各磁检测元件5与第一屏蔽板3之间。并且，导电板6在与第二屏蔽板4之间一并地夹入三条母线2地配置。导电板6的宽度方向上的两端部与母线2a、2c的宽度方向上的外侧的端部一致或者比其向外侧突出。若导电板6的宽度方向上的端部相比母线2a或者2c的宽度方向外侧的端部位于内侧，则导电板6所产生的涡流的分布发生变化，有时无法得到足够的脉冲响应性。
导电板6即使是一片也可得到效果，但通过使用多个导电板6，能够更加提高脉冲响应性。在本实施方式中，示出使用三张(三层)导电板6的情况。在使用多个导电板6的情况下，最好在厚度方向上分离地配置各导电板6，并且使它们相互电绝缘。例如，可以在各导电板6之间配置薄片状或者板状的绝缘体，也可以介入空气层来分离地配置各导电板6。
在本实施方式中，作为导电板6，使用了厚度0.1mm的铜板。但是，导电板6并不限定于此，例如也可以是形成于基板的导体图案。也能够作为搭载磁检测元件5的基板(未图示)而使用多层基板，并且使用形成于该多层基板的一个以上的层的导体图案作为导电板6。由此，组装变得容易，有助于部件件数的减少以及低成本化。
虽未图示，但在两屏蔽板3、4之间填充模制树脂，两屏蔽板3、4、母线2、磁检测元件5、以及导电板6通过模制树脂而一体构成。模制树脂兼具如下的作用：将两屏蔽板3、4、母线2、磁检测元件5、以及导电板6的位置关系保持为恒定来抑制振动等所引起的检测误差；和抑制因异物向屏蔽板3、4间侵入而引起的检测误差。
(模拟结果的说明)
通过模拟求出当在配置于宽度方向上的中央的母线2b流动脉冲状的电流时由配置于宽度方向中央的磁检测元件5检测到的磁场的强度(磁通密度)的波形。此外，此处，将各母线2的厚度设为3mm，将各母线2的宽度设为15mm，并将相邻的母线的间隔设为5.5mm。并且，将屏蔽板3、4的厚度设为1mm，将屏蔽板3、4的宽度设为76mm，并将两屏蔽3、4的间隔设为10mm。母线2与第二屏蔽板4的距离设为1mm。并且，导电板6是厚度0.1mm的铜板。
对使用一层由铜板构成的导电板6并将母线2与导电板6的距离d设为3.5mm的实施例1、使用一层由铜板构成的导电板6并将距离d设为2.0mm的实施例2、使用两层由铜板构成的导电板6并将距离d设为3.5mm的实施例3、使用三层由铜板构成的导电板6并将距离d设为3.5mm的实施例4、以及省略了导电板6的现有例分别同样地进行了模拟。总结结果在图2中示出。图2中，示出上升时间为0.01msec的脉冲状电流波形，纵轴以最大值而标准化。并且，在该图中一并地标注有针对该电流波形的磁检测元件5的位置的磁通密度的时间变化。在磁通密度中，以0.05msec时的值为基准而标准化示出。并且，在将导电板6设为多层的情况下，距离d设为最接近母线2的导电板6与母线2的距离。
如图2所示，在不具有导电板6的现有例中，无法充分追随粗实线所示的电流的波形，反应延迟。与该现有例比较，在使用了一层导电板6的实施例1、2中，产生些许的过冲，但相对于电流的追随性变得良好，改善脉冲响应性。并且，与该实施例1、2比较，将导电板6设为两层的实施例3的脉冲响应性较好。另外，与该实施例3比较，将导电板6设为三层的实施例4的脉冲响应性较好。
从图2的结果可知，若将导电板6设为多层，则改善脉冲响应性。但是，在将导电板6设为三层的实施例4中基本追随电流的举动，从而认为即使设置四层以上，脉冲响应性改善的效果也较小。因而，从脉冲响应性改善的观点看，导电板6优选为三层(三片)以上，若进一步考虑成本减少，则更加优选导电板6设为三层(三片)。
并且，通过比较实施例1与实施例2，可知通过使导电板6的位置(距离d)变化，也能够改善脉冲响应性。对于导电板6的位置而言，根据屏蔽板3、4的材质或板厚、母线2的材质或板厚、屏蔽板3、4与母线2的位置关系等而脉冲响应性良好的位置变化。因而，最好是考虑其它部件的材质或位置关系等来在适当的位置决定导电板6的位置。此外，虽在此处未言及，但认为通过改变导电板6的板厚，也能够改善脉冲响应性。
更详细而言，导电板6的导电率越高，涡流的大小越大。因此，涡流的大小根据导电板6的材质而不同。因此，导电板6的适当的位置(距离d)根据导电率而不同。并且，导电率越高，表皮厚度越小，因而在导电板6内产生的涡流欲偏向导电板6的表面(厚度方向上的上下的面)且偏向边缘。因此，导电板6中的涡流的分布也依存于导电板的外形形状。这样一来，在导电板6的给予中，在考虑了导电板6的导电率之后，导电板6的设置位置、厚度、形状的合理化变得重要。例如，当着眼于导电板6的厚度时，与厚度较小(较薄)的情况相比，由于在厚度较大(较厚)的情况下，在低频时磁通所通过的体积较大，因而认为低频时的涡流所产生的效果较大，有助于提高电流波形平坦的部分(例如图2中的0.01ms之后的部分)的追随性。通过将导电板6设为多层，能够得到与在低频时增大厚度的情况相同的效果(即体积增加得到的效果)。另外，通过将导电板6设为多层，对于高频成分，与表皮厚度相当的涡流产生部位增加，能够提高其效果(涡流所引起的影响的大小)，从而有助于提高电流波形的上升部分的追随性。
接下来，如图3的(a)所示，在图1的电流传感器1中，对将导电板6进行三分割并按照每个母线2分别设有导电板6的比较例的电流传感器10同样进行了模拟。图3的(b)示出结果。此外，图3的(b)中，为了参考，也同时示出图2中的实施例4和现有例。
如图3的(b)所示，在比较例的电流传感器10中，比现有例提高了脉冲响应性，但与本发明的实施例4比较时，确认到脉冲响应性较差。认为这是因为，通过分割导电板6，涡流的电流分布(尤其是容易受到集肤效应的影响的高频成分的分布)发生变化，其结果频率特性变差，脉冲响应性变差。这样，通过在各母线2中使用共用的导电板6，与按照每个母线2分别设有导电板6的情况比较，改善脉冲响应性。
(实施方式的作用以及效果)
如上所述，在本实施方式的电流传感器1中，具备由非磁性的导电材料构成的导电板6，该导电板6配置于各磁检测元件5与第一屏蔽板3之间，并且该导电板6在与第二屏蔽板4之间一并地夹入三条母线2地配置。
磁检测元件5所检测到的磁场不仅是由通过母线2的电流产生的磁场，还包括由屏蔽板3、4中的涡流产生的磁场、由母线2中的涡流产生的磁场。因此，认为磁检测元件5所检测到的磁场的强度的频率特性(频率依存性)除了有在母线2流动的电流的集肤效应所引起的影响之外还有涡流所引起的影响。
通过具备导电板6，产生由导电板6中的涡流引起的磁场，并通过适当地调整该产生的磁场，来抑制由设有磁检测元件5的位置的其它部件产生的涡流所引起的磁场的影响，并能够抑制频率依存性(尤其是高频时的灵敏度的劣化)。其结果，能够改善脉冲响应性。
并且，通过在各母线2具备共用的导电板6，与按照每个母线2分别设有导电板6的情况比较，能够改善脉冲响应性，能够实现检测精度较高的电流传感器1。通过使用本发明的电流传感器1，能够高精度地监视逆变器输出波形。
(实施方式的总结)
接下来，从以上说明的实施方式把握的技术思想引用实施方式中的符号等进行记载。但是，以下的记载中的各符号等并非将权利要求书中的构成要素限定为在实施方式中具体地示出的部件等。
[1]一种电流传感器1，具备：三条母线2，其形成为板状，并且在其板宽方向上分离地排列配置，并流动三相交流中的各相电流；第一屏蔽板3以及第二屏蔽板4，它们由磁性材料构成，并配置为在与上述板宽方向垂直的厚度方向上一并地夹入上述三条母线2；三个磁检测元件5，其分别配置于上述各母线2与上述第一屏蔽板3之间，检测由在对应的上述母线2流动的电流产生的磁场的强度；以及导电板6，其由非磁性的导电材料构成，配置于上述各磁检测元件5与上述第一屏蔽板3之间，并且该导电板6在与上述第二屏蔽板4之间一并地夹入上述三条母线2。
[2]根据[1]所述的电流传感器1，具备多个上述导电板6，多个上述导电板(6)在厚度方向上分离地配置，并且相互电绝缘。
[3]根据[2]所述的电流传感器，具备三张以上的上述导电板6。
[4]根据[1]～[3]任一项中所述的电流传感器1，上述导电板6由形成于基板的导体图案构成。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述记载的实施方式并非对权利要求书的发明进行限定。并且，应留意的是，在实施方式中说明的所有的特征组合不限定为用于解决发明的课题的方案所必需的。并且，本发明在不脱离其主旨的范围内能够适当地变形来实施。

Claims (4)

1.一种电流传感器，其特征在于，具备：
三条母线，其形成为板状，并且在其板宽方向上分离地排列配置，并流动三相交流中的各相电流；
第一屏蔽板以及第二屏蔽板，它们由磁性材料构成，配置为在与上述板宽方向垂直的厚度方向上一并地夹入上述三条母线；
三个磁检测元件，其分别配置于上述各母线与上述第一屏蔽板之间，并检测由在对应的上述母线流动的电流产生的磁场的强度；以及
导电板，其由非磁性的导电材料构成，配置于上述各磁检测元件与上述第一屏蔽板之间，并且该导电板在与上述第二屏蔽板之间一并地夹入上述三条母线地配置。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，
具备多个上述导电板，
多个上述导电板在厚度方向上分离地配置，并且相互电绝缘。
3.根据权利要求2所述的电流传感器，其特征在于，
具备三张以上的上述导电板。
4.根据权利要求1～3任一项中所述的电流传感器，其特征在于，
上述导电板由形成于基板的导体图案构成。
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