CN113574393A

CN113574393A - 电流传感器

Info

Publication number: CN113574393A
Application number: CN202080020700.0A
Authority: CN
Inventors: 罗永辉; 松本功; 堀龙麿; 浜村尚宏; 长田贵; 上正史
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2021-10-29
Also published as: JP2020148734A; EP3940394A1; JP7322442B2; EP3940394A4; WO2020189444A1; US20220178972A1

Abstract

本发明提供一种电流传感器，其具有即使在母线中流动的电流的电流量非常大的情况下，磁传感器也不易饱和的结构。电流传感器(1)具备：母线(10)，流动有成为测定对象的电流；和磁传感器(20)，检测由母线(10)中流动的电流而产生的磁场。母线(10)包含：具有筒状结构的旁路母线(11)和配置在被旁路母线(11)包围的中空区域(13)的感测母线(12)。磁传感器(20)配置在中空区域(13)。由此，在旁路母线(11)的中空区域(13)形成成为零磁场的区域。因此，如果将感测母线(12)配置在成为零磁场的区域，则即使母线(10)中流动的电流为大电流，磁传感器(20)也不会饱和并且可以正确地进行测定。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及电流传感器，特别涉及使用磁传感器的电流传感器。

背景技术

作为使用磁传感器的电流传感器，已知有专利文献1、2中公开的电流传感器。专利文献1中公开的电流传感器公开了以下结构：在母线(busbar)中设置有沿一个方向流动有成为测量对象的电流的电流路径与沿相反方向流动有成为测量对象的电流的电流路径，并且在它们之间配置有磁传感器。另外，在专利文献2中公开了一种电流传感器，母线被分成两部分，并且磁传感器被分配给各电流路径。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第5971398号公报

专利文献2：国际公开第2017/018306号手册

发明内容

发明要解决的问题

然而，专利文献1中记载的电流传感器，由于由一个电流路径产生的磁场与由另一个电流路径产生的磁场相互加强，因此存在成为测定对象的电流的电流量大时，磁传感器饱和的问题。另外，专利文献2中记载的电流传感器，由于母线被分支成2部分，因此施加至各个磁传感器的磁场的强度被抑制为1/2。但是，即使在这种情况下，在成为测定对象的电流的电流量非常大时，磁传感器也容易饱和。

因此，本发明的目的在于，提供一种电流传感器，其具有即使在母线中流动的电流的电流量非常大的情况下，磁传感器也不易饱和的结构。

用于解决问题的手段

本发明的电流传感器具备：母线，流动有成为测定对象的电流；磁传感器，检测由在母线中流动的电流而产生的磁场，母线包含：具有筒状结构的旁路母线和配置在被旁路母线包围的中空区域的感测母线，磁传感器配置在中空区域。

根据本发明，由于旁路母线具有筒状结构，因此在中空区域形成成为零磁场的区域。因此，如果将感测母线配置在成为零磁场的区域，即使母线中流动的电流是大电流，磁传感器也不会饱并且可以正确地进行测定。

在本发明中，也可以是，旁路母线的内壁的截面形状为圆形。由此，能够使中空区域的几乎整个区域成为零磁场。

在本发明中，也可以是，在中空区域填充有绝缘材料。由此，能够使旁路母线与感测母线的位置关系固定。

在本发明中，也可以是，在旁路母线的一端设置有狭缝，感测母线嵌合于狭缝。由此，能够使旁路母线与感测母线可靠地短路，并且使两者的位置关系固定。

在本发明中，也可以是，感测母线具有使电流沿与旁路母线中流动的电流的方向不同的方向流动的区间。由此，能够更有效地排除由旁路母线中流动的电流而产生的磁场的影响。

发明的效果

这样，根据本发明，能够提供一种电流传感器，其具有即使在母线中流动的电流的电流量非常大的情况下，磁传感器也不易饱和的结构。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施方式的电流传感器1的外观的大致立体图。

图2是电流传感器1的大致分解立体图。

图3是用于说明测定单元U的结构的大致立体图。

图4是电流传感器1的xy截面图。

图5是用于说明磁检测元件21、22为磁阻元件的情况的连接关系的电路图。

图6是示出使感测母线(sensing busbar)12和磁传感器20从中心偏移的第一例的xy截面图。

图7是示出使感测母线12和磁传感器20从中心偏移的第二例的xy截面图。

图8是示出使感测母线12的一部分以圆弧状弯曲的例子的切割模型(cut model)。

图9示出旁路母线11的截面形状的变化的图。

图10是示出将2个旁路母线11、15以同心圆状配置的例子的图。

图11是根据第一变形例的电流传感器的大致立体图。

图12(a)是根据第二变形例的电流传感器的大致分解立体图，图12(b)是根据第二变形例的电流传感器的大致立体图。

图13是根据第三变形例的电流传感器的大致分解立体图。

图14是根据第三变形例的电流传感器的xy截面图。

图15是示出根据本发明的第二实施方式的电流传感器2的外观的大致立体图。

图16是示出根据本发明的第三实施方式的电流传感器3的外观的大致立体图。

图17是示出根据本发明的第四实施方式的电流传感器4的外观的大致立体图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明本发明的优选实施方式。

图1是示出根据本发明的第一实施方式的电流传感器1的外观的大致立体图。另外，图2是电流传感器1的大致分解立体图。

如图1和图2所示，根据本实施方式的电流传感器1具有：安装于流动有成为测定对象的电流I的电流电缆41、42的母线(busbar)10。电流电缆41使用夹紧部件51固定于母线10的一端，并且电流电缆42使用夹紧部件52固定于母线10的另一端。通过在夹紧部件51、52设置有多个螺纹孔S，在螺纹孔S插入未图示的螺栓，将螺母螺接至螺栓，而将夹紧部件51与电流电缆41和母线10的一端紧固，并且将夹紧部件52与电流电缆42和母线10的另一端紧固。由此为，当使电流I流动于电流电缆41、42时，在母线10流动有z方向的电流。

母线10包括：具有筒状结构的旁路母线11和配置在被旁路母线11包围的中空区域13的感测母线12。旁路母线11和感测母线12均由铜和铝等良导体构成。在本实施方式中，旁路母线11的内径和外径为大致正圆。旁路母线11与感测母线12并联连接，由此，在母线10中流动的电流I的一部分流过旁路母线11，电流I的剩余的部分流过感测母线12。在本实施方式中，与感测母线12的截面积相比，旁路母线11的截面积非常大，由此，在母线10中流动的电流I的大部分流过旁路母线11，流过感测母线12的电流量为电流I的几分之一，优选成为1/10以下。

在旁路母线11的中空区域13，配置包含上述的感测母线12的测定单元。

图3是用于说明测定单元U的结构的大致立体图。

如图3所示，测定单元U包括：电路基片30、固定在电路基片30的背面侧的感测母线12、以及搭载在电路基片30的表面侧的磁传感器20。感测母线12是对y方向上的厚度为一定的板状金属板进行加工而成的部件，并且具有x方向上的宽度窄的测定区间12a和位于测定区间12a的两端的端部区间12b、12c。磁传感器20是检测由在感测母线12的测定区间12a流动的电流而产生的磁场的器件，并且从z方向看，搭载在与测定区间12a重叠的位置。

在磁传感器20设置有z方向位置不同的2个磁检测元件21、22。磁检测元件21的磁敏方向为+x方向，磁检测元件22的磁敏方向为-x方向，彼此相差180°。对磁检测元件21、22的种类没有特别限定，可以使用霍尔元件和磁阻元件等。

感测母线12的端部区间12b具有x方向上的宽度与旁路母线11的外径大致相同的尺寸，通过嵌合于设置在旁路母线11的端部的狭缝(slit)11s，而与旁路母线11的一端短路。另一方面，感测母线12的端部区间12c具有x方向上的宽度与旁路母线11的内径大致相同的尺寸。由此，当将感测母线12插入旁路母线11时，旁路母线11的另一端与感测母线12的端部区间12c短路。其结果是，旁路母线11与感测母线12并联连接。

在电路基片30的z方向上的一端设置有与磁传感器20连接的端子31。端子31经由配线32与连接器(connector)33连接。连接器33与外部的控制电路及电源电路等连接。

图4是根据本实施方式的电流传感器1的xy截面图。

在本实施方式中，旁路母线11的内径和外径为大致正圆，其壁厚T也在周向上大致一定。因此，在旁路母线11中流动的z方向的电流的电流密度在周向上大致均匀。其结果是，在旁路母线11的中空区域13，由旁路母线11中流动的电流而产生的磁场几乎完全被消除。即，中空区域13成为几乎不存在由旁路母线11中流动的电流而引起的磁场的零磁场区域。

而且，在根据本实施方式的电流传感器1中，由于在这样的中空区域13配置感测母线12和磁传感器20，因此施加于磁传感器20的磁场实质上仅为由感测母线12中流动的电流而引起的磁场。由此，磁传感器20能够选择性地检测由感测母线12中流动的电流而产生的磁场。而且，由于设置在磁传感器20的磁检测元件21、22的磁敏方向彼此相差180°，因此在磁检测元件21的输出与磁检测元件22的输出中，产生与感测母线12中流动的电流相应的差异。另外，中空区域13也未必为空洞，也可以在中空区域13填充绝缘材料。

在磁检测元件21、22为磁阻元件的情况下，将其串联连接到电源Vcc与接地GND之间。而且，磁检测元件21与磁检测元件22的连接点的电位Vout经由连接器33向外部输出。如上所述，由于磁检测元件21、22的磁敏方向彼此相差180°，因此当电流流动于感测母线12时，磁检测元件21、22的电阻值发生变化，由此，输出电位Vout发生变化。输出电位Vout的水平(level)与感测母线12中流动的电流成比例，因此能够基于此算出电流I的电流量。对于磁检测元件21、22，还能够通过使用补偿线圈施加抵消(cancel)磁场进行闭环控制。

这样，在本实施方式中，由于将母线10分支成筒状结构的旁路母线11和感测母线12，并且将感测母线12配置在旁路母线11的中空区域13，因此磁传感器20能够选择性地检测由感测母线12而产生的磁场。由此，即使母线10中流动的电流I为大电流，也由于施加于磁传感器20的磁场强度被大幅抑制，而能够防止磁传感器20的饱和。

而且，在本实施方式中，由于旁路母线11的内径和外径为大致正圆，因此由旁路母线11中流动的电流而产生的磁场在中空区域13的大致整个区域被消除。即，由于中空区域13的大致整个区域为零磁场，因此能够将感测母线12和磁传感器20配置在中空区域13内的任意的位置。例如，既可以如图6所示那样，将感测母线12和磁传感器20在+y方向上偏移配置，也可以如图7所示那样，将感测母线12在-x方向上偏移配置，并且将磁传感器20在+x方向偏移配置。图7所示的配置，能够如作为旁路母线11的切割模型的图8所示那样，通过使感测母线12的一部分以圆弧状弯曲而得到。在图8所示的例子中，感测母线12的一部分将y轴作为中心以圆弧状弯曲。由此，磁场的y方向分量施加于磁传感器20，因此只要使用磁敏方向为y方向的磁传感器20即可。

然而，在本发明中，不必将旁路母线11的内径和外径设为正圆，只要具有筒状结构，就能够采用各种形状。如果列举一些具体例，则如图9(a)～(h)所示那样，旁路母线11的xy截面也可以三角形，也可以为正方形，也可以为长方形，也可以为梯形，也可以为五角形，也可以为六角形，也可以为椭圆形，也可以为具有一部分平坦地凹下的形状的圆形。另外，如图9(i)～(k)所示那样，旁路母线11的内表面或外表面也可以不平坦，具有凹凸。

然而，在旁路母线11的内径和外径不是正圆的情况下，由旁路母线11中流动的电流而产生的磁场在中空区域13的一部分区域未被完全消除而有残留。例如，如图9(a)所示，在旁路母线11的截面为三角形的情况下，在靠近角部的区域，残留有由旁路母线11中流动的电流而产生的磁场，因此当将磁传感器20配置于这样的区域时，会产生测定误差。但是，即使在旁路母线11的内径和外径不是正圆的情况下，在中空区域13的一部分也存在磁场被完全消除的零磁场区域14，因此将磁传感器20配置于零磁场区域14即可。在这种情况下，如果通过在中空区域13填充绝缘材料，将中空区域13的磁传感器20的位置固定，则能够将磁传感器20可靠地配置于零磁场区域14。

零磁场区域14虽然取决于旁路母线11的截面形状，但主要存在于中空区域13的中心部。旁路母线11的截面形状越接近正圆，零磁场区域14占中空区域13的比例就越大。例如，如图9(i)所示，仅在旁路母线11的外表面存在凹凸的情况下，旁路母线11中流动的电流的电流密度在周向上产生与壁厚相应的若干差异，但是由于旁路母线11的内表面是平坦的，因此在这样的情况下，中空区域13的大致整个区域为零磁场区域14。

另外，旁路母线11不必为一个，也可以如图10所示，使用2个旁路母线11、15。旁路母线15是直径更大的筒状体，在其中空区域配置有旁路母线11。即，2个旁路母线11、15以同心圆状配置。这样，如果将旁路母线11、15设为双重结构，则能够进一步降低感测母线12中流动的电流的比例，并且能够使中空区域13的大致整个区域为零磁场区域。在这种情况下，如果在位于旁路母线11与旁路母线15的间隙的区域16填充绝缘材料，则能够将旁路母线11与旁路母线15的位置关系固定。

另外，对夹紧部件51、52的形状也没有特别限定，也可以如图11所示的第一变形例那样，将与母线10紧固的夹紧部件51a、52a和与电流电缆41、42连接的端子部件51b、52b设为不同部件，并且使用螺栓和螺母将两者紧固。

另外，旁路母线11为单一部件这点也并非必须，也可以如图12(a)、(b)所示的第二变形例那样，由2个旁路部件11A、11B构成旁路母线11，并且通过将两者组合而构成具有筒状结构的旁路母线11。在图12(a)、(b)所示的例子中，电路基片30具有T字型，沿x方向延伸的部分34的端部从旁路母线11突出。在从旁路母线11突出的部分34，能够配置与磁传感器20连接的端子电极或连接器。

另外，也可以如图13所示的第三变形例那样，由3个旁路部件11C～11E构成旁路母线11，并且通过由具有将筒状体切断为一半的形状的2个旁路部件11D、11E夹持板状的旁路部件11C，来构成具有筒状结构的旁路母线11。在板状的旁路部件11C设置有沿z方向延伸的2个狭缝SL1、SL2，由这些狭缝SL1、SL2夹着的区域为感测母线12。而且，当通过旁路部件11D、11E夹持旁路部件11C时，如作为xy截面图的图14所示，成为感测母线12被由旁路部件11C～11E构成的旁路母线11包围的状态。而且，只要将未图示的磁传感器20配置在由旁路母线11包围的中空区域13，就能够选择性地测定仅在感测母线12中流动的电流。

如图15所示，根据本实施方式的电流传感器2的感测母线12在z方向上未直线延伸，而是测定区间12a相对于z方向斜向延伸。即，测定区间12a的x方向位置根据z方向位置而变化。由此，当电流流动于感测母线12的测定区间12a时，z方向分量包含在由此产生的磁场中。在本实施方式中，通过由磁传感器20检测磁场的z方向分量，能够测定母线10中流动的电流量。

这样，感测母线12也可以具有使电流沿与旁路母线11中流动的电流的方向(z方向)不同的方向流动的区间。根据这样的结构，能够进一步降低测定误差。这是因为，由于在旁路母线11中电流沿z方向流动，因此实质上z方向分量未包含在由此产生的磁场中。

如图16所示，根据本实施方式的电流传感器3的感测母线12的测定区间12a具有以z轴为中心的圆弧形状。由此，当电流在感测母线12的测定区间12a流动时，z方向分量包含在由此产生的磁场中。在本实施方式中，也能够通过由磁传感器20检测磁场的z方向分量，来测定母线10中流动的电流量。

如图17所示，根据本实施方式的电流传感器4的感测母线12的测定区间12a具有以z轴为中心的螺旋形状。由此，当电流在感测母线12的测定区间12a流动时，z方向分量包含在由此产生的磁场中。在本实施方式中，也能够通过由磁传感器20检测磁场的z方向分量，来测定母线10中流动的电流量。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，不过本发明并不限定于上述的实施方式，可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更，这些变更当然也包含在本发明的范围内。

符号的说明

1～4 电流传感器

10 母线(busbar)

11、15 旁路母线(bypass busbar)

11A～11E 旁路部件

11s 狭缝(slit)

12 感测母线(sensing busbar)

12a 测定区间

12b、12c 端部区间

13、16 中空区域

14 零磁场区域

20 磁传感器

21、22 磁检测元件

30 电路基片

31 端子

32 配线

33 连接器(connector)

34 突出部分

41、42 电流电缆(cable)

51、52、51a、52a 夹紧部件

51b、52b 端子部件

S 螺纹孔

SL1、SL2 狭缝(slit)

U 测定单元

Claims

1.一种电流传感器，其特征在于，

具备：

母线，流动有成为测定对象的电流；和

磁传感器，检测由在所述母线中流动的电流而产生的磁场，

所述母线包含：具有筒状结构的旁路母线和配置在被所述旁路母线包围的中空区域的感测母线，

所述磁传感器配置在所述中空区域。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，

所述旁路母线的内壁的截面形状为圆形。

3.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，

在所述中空区域填充有绝缘材料。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的电流传感器，其特征在于，

在所述旁路母线的一端设置有狭缝，所述感测母线嵌合于所述狭缝。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的电流传感器，其特征在于，

所述感测母线具有使电流沿与所述旁路母线中流动的电流的方向不同的方向流动的区间。