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Die vorliegende Patentanmeldung beruht auf der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2006-342542 .
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromsensor und ein Gussverfahren für denselben. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Stromsensor mit einem Leiter, durch den ein Strom fließt, einer ringförmigen Abschirmungsplatte und einem magnetoelektronischen Wandlungselement sowie ein Gussverfahren für denselben. Die Abschirmungsplatte ist um die Flussrichtung des Stroms herum angeordnet. Das magnetoelektronische Wandlungselement erfasst die magnetische Flussdichte eines Magnetfelds, das erzeugt wird, wenn der Strom durch den Leiter fließt, und wandelt die magnetische Flussdichte zu einem elektrischen Signal.
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Als bekannter Stromsensor dieser Art kann allgemein wie in 9 gezeigt aufgebaut sein (siehe zum Beispiel die Patentdokumente 1–3). Wie in 9 gezeigt, umfasst der Stromsensor eine Busschiene 1 als Leiter, durch den ein Strom fließt, einen ringförmigen Kern 2 als Abschirmungsplatte und ein magneto-elektronisches Wandlungselement 3. Der Kern 2 ist um die Flussrichtung Y1 des Stroms in der Busschiene 1 herum angeordnet. Das magnetoelektronische Wandlungselement 3 erfasst die magnetische Flussdichte eines Magnetfelds, das erzeugt wird, wenn der Strom durch den Leiter fließt, und wandelt diese zu einem elektrischen Signal. Das magneto-elektronische Wandlungselement 3 ist in einem Spalt in dem Kern 2 angeordnet.
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Wenn ein Strom durch die Busschiene 1 fließt, erzeugt der oben genannte Stromsensor ein Magnetfeld mit einer dem Strom entsprechenden magnetischen Flussdichte. Das magneto-elektronische Wandlungselement 3 wandelt die magnetische Flussdichte eines Magnetfelds, das durch den Kern 2 konvergiert wird, zu einem elektrischen Signal und gibt ein Signal in Übereinstimmung mit dem Strom aus. Weiterhin schirmt der Kern 2 einen Einfluss von außen auf das Magnetfeld ab.
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Die magnetische Flussdichte des Magnetfelds, das in dem Spalt des Kerns 2 erzeugt wird, erreicht in dem zentralen Teil des Spalts einen Spitzenwert und nimmt zu einem Endteil des Spalts hin schnell ab. Folglich werden ein Gehäuse und ein Filter (jeweils aus Kunstharz) in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erweitert und kontrahiert. Wenn die Position des magneto-elektronischen Wandlungselements 3 in dem Spalt verschoben wird, wird die magnetische Flussdichte des magnetischen Wandlungselements 3 verändert. Dadurch wird die Ausgabe des magneto-elektronischen Wandlungselements 3 verändert. Daraus resultiert, dass der Strom nicht genau gemessen werden kann.
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Die Linearität des in die Busschiene 1 fließenden Stroms kann nicht aufrechterhalten werden, sodass der Kern 2 unmittelbar magnetisch gesättigt wird, wenn der Spalt klein ist. Aus diesem Grund ist der durch den Stromsensor messbare Bereich von Strömen schmal.
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Indem also die Spaltfläche vergrößert wird und indem ein Teil behalten wird, mit dem eine Änderung der magnetischen Flussdichte ausgeglichen wird, tritt keine magnetische Sättigung auf, wenn ein großer Strom fließt. Allgemein wird ein Zonenglied aus einem anisotropischen Siliciumstahl ringförmig um den Kern gewickelt, wobei dann ein Spaltteil geschnitten wird. Weiterhin wird der Kern gebildet, indem mehrere Plattenglieder aus einem Mu-Metall laminiert werden, das C-förmig eingeschnitten wird. Wie weiter oben erläutert, muss die Anzahl der Wicklungen des Zonenglieds und die Anzahl der Laminierungen der Plattenglieder erhöht werden, um die Spaltfläche zu vergrößern. Dadurch wird jedoch eine Kostenerhöhung verursacht.
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Patentdokumente 1–3:
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- veröffentlichte japanische Patentanmeldung 2006-78255
- veröffentlichte japanische Patentanmeldung 2005-308527
- veröffentlichte japanische Patentanmeldung 2001-66328
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Weiterer Stand der Technik ist aus den Entgegenhaltungen
JP 2004-170091 A und
JP H04-118561 A bekannt.
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Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, einen Stromsensor anzugeben, der einen breiten Bereich von Strömen genau messen kann und kostengünstig ist.
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Um diese Aufgabe zu lösen, hat der Anmelder herausgefunden, dass eine Änderung in der magnetischen Flussdichte in der Nähe einer minimalen Position der magnetischen Flussdichte, die erzeugt wird, wenn der Strom durch einen Leiter zwischen dem Leiter und einer Abschirmungsplatte fließt, flach ist. Das heißt, der Anmelder hat herausgefunden, dass die Änderung in der magnetischen Flussdichte in Übereinstimmung mit einer Variation einer Anordnungsposition klein vorgesehen werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Stromsensor die Merkmale nach Anspruch 1.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Stromsensor eine Leiterplatte, auf der das magneto-elektrische Wandlungselement montiert ist, eine Halterung, die die Leiterplatte dichtend umgibt, und ein Gehäuse, das die Halterung dichtend umgibt. Die Leiterplatte umfasst eine Außenfläche, die in die Abschirmungsplatte gedrückt ist, und eine Pressvertiefung, in die der Leiter auf der Außenfläche gedrückt ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gussverfahren für einen Stromsensor angegeben. Der Stromsensor umfasst einen Leiter, durch den ein Strom fließt, eine ringförmige Abschirmungsplatte und ein magneto-elektronisches Wandlungselement. Die Abschirmungsplatte ist um die Flussrichtung des Stroms in dem Leiter herum angeordnet. Das magneto-elektronische Wandlungselement erfasst die magnetische Flussdichte eines Magnetfelds, das erzeugt wird, wenn der Strom durch den Leiter fließt, und wandelt die magnetische Flussdichte zu einem elektrischen Signal. Das Gussverfahren für den oben beschriebenen Stromsensor umfasst die nachfolgend beschriebenen Schritte. Während eine Leiterplatte mit einem darauf montierten magneto-elektronischen Wandlungselement in eine Form für eine Halterung eingesetzt ist, wird ein Gussmaterial in die Form für die Halterung eingespritzt. Dadurch wird die Halterung dichtend um die Leiterplatte gegossen. Dann wird der Leiter in eine Pressvertiefung in einer Außenfläche der Halterung eingesetzt. Danach wird die Außenfläche der Halterung in die Abschirmungsplatte gedrückt und wird eine Halterungsanordnung gebildet. Während die Halterungsanordnung in eine Form für eine Gehäuse eingesetzt ist, wird ein Gussmaterial in die Form für das Gehäuse eingespritzt. Dadurch wird Gehäuse dichtend um die Halteanordnung gegossen.
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Gemäß der Erfindung kann das magneto-elektronische Wandlungselement an einer Position angeordnet werden, an der die Änderung der magnetischen Flussdichte ausgeglichen wird. Indem das magneto-elektronische Wandlungselement außerhalb des Spalts der Abschirmungsplatte angeordnet wird, kann der Einfluss auf die magnetische Sättigung der Abschirmungsplatte reduziert werden. Dadurch kann ein breiter Bereich von Strömen genau gemessen werden. Auch wenn die Spaltfläche nicht groß vorgesehen werden kann, können die Kosten reduziert werden, um einen breiten Bereich von Strömen genau zu messen.
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Gemäß der Erfindung können die Leiterplatte, die Abschirmungsplatte und die Busschiene fest an dem Gehäuse gehalten werden. Dadurch kann eine Verschiebung der Position der Leiterplatte, der Abschirmungsplatte und der Busschiene verhindert werden, sodass der Stromsensor den Strom genauer messen kann.
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Gemäß der Erfindung kann verhindert werden, dass die Abschirmungsplatte durch einen kleinen Strom magnetisch gesättigt wird. Der Stromsensor kann also einen breiten Bereich von Strömen genau messen.
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Die oben genannten und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
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1A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform eines Stromsensors der vorliegenden Erfindung zeigt.
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1B ist eine Ansicht aus der Richtung des Pfeils P in dem Stromsensor von 1A.
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2 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen einer Distanz von einer Busschiene auf einer Achse senkrecht zu der Busschiene durch das Zentrum eines Spalts und der magnetischen Flussdichte zeigt.
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3 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen dem durch die Busschiene hindurchgehenden Strom und einem Messfehler in dem Stromsensor der Ausführungsformen und in einem herkömmlichen Stromsensor zeigt.
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4 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Größe einer Abschirmungsplatte in der Y-Richtung und dem Messfehlers zeigt.
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5 ist eine perspektivische Ansicht der Abschirmungsplatte in anderen Ausführungsformen.
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6A bis 6F erläutern einen Herstellungsprozess für einen Stromsensor des wasserdichten Steckertyps.
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7A bis 7F erläutern einen Herstellungsprozess für einen Stromsensor des FPC-Steckertyps.
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8 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie VIII-VIII von 6F und 7F.
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9 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für einen herkömmlichen Stromsensor zeigt.
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Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. 1A ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Stromsensors der vorliegenden Erfindung. 1B ist eine Ansicht aus der Richtung des Pfeils P in dem Stromsensor von 1A. Wie in 1A und 1B gezeigt, umfasst der Stromsensor eine Busschiene 11 als Leiter, eine Abschirmungsplatte 12, ein magneto-elektronisches Wandlungselement 13 und eine Leiterplatte 14. In 1A und 1B entspricht die Y-Achse der Flussrichtung eines Stroms in der Busschiene 11. Die Z-Achse entspricht der Richtung von der Busschiene 11 zu dem magneto-elektronischen Wandlungselement 13. Die X-Achse erstreckt sich senkrecht zu der Y-Achse und der Z-Achse.
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Die Busschiene 11 ist ein plattenförmiger Leiter zum Führen eines Stroms. Die Abschirmungsplatte 12 wird durch das Biegen einer Metallplatte ausgebildet und weist einen Spalt 12A in einer Seite einer rechteckigen Rahmenform auf. Die Abschirmungsplatte 12 ist um die Y-Achse der Flussrichtung des Stroms in der Busschiene 11 herum angeordnet. Weiterhin ist die Abschirmungsplatte 12 in einer Position angeordnet, in welcher der Spalt 12A auf der Z-Achse angeordnet ist. Die Busschiene 11, das magneto-elektronische Wandlungselement 13 und der Spalt 12A sind also nebeneinander auf der Z-Achse angeordnet. Die Busschiene 11 ist seitlich zu dem Spalt 12A in der Abschirmungsplatte 12 angeordnet.
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Das magneto-elektronische Wandlungselement 13 ist zum Beispiel ein Hall-Element. Das magneto-elektronische Wandlungselement 13 erfasst die magnetische Flussdichte eines Magnetfelds, das erzeugt wird, wenn ein Strom durch die Busschiene 11 fließt, und wandelt die magnetische Flussdichte zu einem elektrischen Signal. Das magneto-elektronische Wandlungselement 13 wird an der Leiterplatte 14 montiert. Wenn ein Strom durch die Busschiene 11 fließt, erzeugt der oben genannte Stromsensor ein Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte in Entsprechung mit dem Strom. Das magneto-elektronische Wandlungselement 13 wandelt die magnetische Flussdichte des Magnetfelds, das erzeugt wird, wenn ein Strom durch die Busschiene 11 fließt, zu einem elektrischen Signal, und gibt das Signal in Entsprechung zu dem Strom aus.
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Die Erfinder haben die magnetische Flussdichte auf der Z-Achse gemessen, wenn ein Strom von 100 [A] durch die Busschiene 11 fließt, und die Beziehung zwischen der Distanz von der Busschiene 11 auf der Z-Achse und der magnetischen Flussdichte untersucht. Die Ergebnisse sind in 2 gezeigt. Wie in 2 gezeigt, nimmt die magnetische Flussdichte des Magnetfelds mit der Distanz von der Busschiene 11 ab und nimmt schließlich einen minimalen Wert Ømin an. Unter dem Einfluss eines Leckflusses von der Abschirmungsplatte 12 nimmt die magnetische Flussdichte danach zu, wenn sich die magnetische Flussdichte des Magnetfelds dem Spalt 12A nähert. Daraus resultiert, dass die magnetische Flussdichte den maximalen Wert Ømax in einem zentralen Teil des Spalts 12A annimmt.
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Aus 2 wird deutlich, dass eine Änderung der magnetischen Flussdichte in einem Bereich A1 nahe einer Position Pmin, an der die magnetische Flussdichte den minimalen Wert Ømin annimmt, flach im Vergleich zu dem Bereich A2 ist, in dem die magnetische Flussdichte den maximalen Wert annimmt. Das heißt, die Änderung der magnetischen Flussdichte in Übereinstimmung mit einer Verschiebung der Anordnungsposition ist in dem Bereich A1 kleiner als in dem Bereich A2, und zwar unabhängig von der Breite W der Abschirmungsplatte 12.
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In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das magneto-elektronische Wandlungselement 13 an einer Position Pmin angeordnet, an der die oben gemessene magnetische Flussdichte den minimalen Wert Ømin annimmt. Die Position Pmin, an der die magnetische Flussdichte minimal ist, kann aufgrund von Herstellungsabweichungen variieren.
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Auch wenn die Anordnungsposition des magneto-elektronischen Wandlungselements 13 etwas verschoben wird, kann das magneto-elektronische Wandlungselement 13 in dem Bereich A1 angeordnet werden, sodass die Änderung der magnetischen Flussdichte flach ist. Wenn also die Umgebungstemperatur geändert wird, werden ein Gehäuse, das das magneto-elektronische Wandlungselement hält, und ein Filter (beide aus Kunstharz) erweitert und kontrahiert. Aber auch wenn die Anordnungsposition des magneto-elektronischen Wandlungselements 13 verschoben wird, ist wie oben beschrieben die Änderung der magnetischen Flussdichte klein. Deshalb kann ein Strom genau gemessen werden, sodass sich die Ausgabe des magneto-elektronischen Wandlungselements 13 kaum verändert.
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Wie oben genannt, hat der Anmelder die Beziehung zwischen einem durch die Busschiene 11 gehenden Strom und einem Messfehler in dem Sensor von 1 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und in einem herkömmlichen Stromsensor von 9 untersucht. Bei dem Stromsensor von 1 ist das magneto-elektronische Wandlungselement 13 außerhalb des Spalts 12 angeordnet. Bei dem herkömmlichen Stromsensor von 9 ist das magneto-elektronische Wandlungselement 13 innerhalb des Spalts 12 angeordnet. Das Ergebnis ist in 3 gezeigt. Die Breite W der Abschirmungsplatte 12 ist in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gleich der Breite W der Abschirmungsplatte 12 in einem herkömmlichen Beispiel.
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Wie in 3 gezeigt, ist in dem Stromsensor mit dem magneto-elektronischen Wandlungselement 13 die magnetische Flussdichte an der Anordnungsposition des magneto-elektronischen Wandlungselements 13 gesättigt, wenn der durch die Busschiene 11 gehende Strom größer wird. Deshalb kann die Ausgabe aus dem Stromsensor keine Linearität aufrechterhalten, sodass der Messfehler groß wird. Aus einem Vergleich der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit dem herkömmlichen Beispiel wird deutlich, dass bei einer gleichen Breite W der Stromsensor der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung keine magnetische Sättigung erreicht und der Messfehler auch dann nicht größer wird, wenn der Stromsensor der vorliegenden Erfindung einen größeren Strom führt als der herkömmliche Stromsensor. Deshalb kann der Stromsensor der vorliegenden Erfindung einen breiten Bereich von Strömen messen.
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Die Erfinder haben einen Stromsensor hergestellt, wobei sie die Größe L (1) der Abschirmungsplatte 12 in der Y-Achse variiert haben und die Beziehung zwischen der Größe L der Abschirmungsplatte 12 in der Y-Achse und dem Messfehler des Stromsensors untersucht haben. Das Ergebnis ist in 4 gezeigt. Aus 4 wird deutlich, dass wenn ein gleicher Strom in die Busschiene 11 fließt und die Größe L der Abschirmungsplatte 12 klein ist, die magnetische Flussdichte an der Anordnungsposition des magneto-elektronischen Wandlungselements 13 gesättigt wird. Folglich wird ein Messfehler verursacht. Wenn dagegen die Größe L vergrößert wird, ist es schwierig, die magnetische Flussdichte an der Anordnungsposition des magneto-elektronischen Wandlungselements 13 zu sättigen.
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Insbesondere hängt die magnetische Sättigung an der Anordnungsposition des magneto-elektronischen Wandlungselements 13 in dem Stromsensor von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung von der Größe L in der Y-Richtung der Flussrichtung eines Stroms ab, und zwar unabhängig von der Breite W der Abschirmungsplatte 12. Deshalb kann bei dem Stromsensor der Ausführungsformen die Wirkung der magnetischen Sättigung einfach vermindert werden, indem die Größe L in der Y-Achse vergrößert wird, ohne die Breite W der Abschirmungsplatte 12 wie im herkömmlichen Fall zu vergrößern. Deshalb kann der Stromsensor der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem herkömmlichen Stromsensor die Kosten reduzieren, indem er das Volumen der Abschirmungsplatte 12 reduziert und die Form der Abschirmungsplatte 12 vereinfacht (es ist kein Laminieren oder Wickeln der Abschirmungsplatte 12 erforderlich).
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Bei dem oben genannten Stromsensor ist der Spalt 12A in der Abschirmungsplatte 12 entlang der Y-Achse angeordnet. Deshalb kann der Stromsensor verhindern, dass die Abschirmungsplatte 12 durch einen kleinen Strom magnetisch gesättigt wird, und kann einen größeren Bereich von Strömen messen.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Spaltbreite WG (1) des Spalts 12A in der Abschirmungsplatte 12 in dem Stromsensor vorgesehen, wobei die Erfindung aber nicht darauf beschränkt ist. Zum Beispiel kann wie in 5 gezeigt eine Abschirmungsplatte 12 mit einer in einem Teil vergrößerten Breite des Spalts 12A verwendet werden, um eine Route vorzusehen, die ein Signal eines magneto-elektronischen Wandlungselements 13 nach außen führt. Um jedoch einen Einfluss von außen auf das Magnetfeld abzuschirmen, sollte die Spaltbreite WG im Verhältnis zu dem magneto-elektronischen Wandlungselement 13 klein sein.
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Der Herstellungsprozess des oben genannten Stromsensors wird nachfolgend mit Bezug auf 6A bis 6F und 7A bis 7F erläutert. 6A bis 6F sind erläuternde Diagramme, die einen Herstellungsprozess eines Stromsensors des wasserdichten Steckertyps zeigen. 7A bis 7F sind erläuternde Diagramme, die einen Herstellungsprozess eines Stromsensors des FPC-Steckertyps (FPC = flexible Leiterplatte) zeigen. Wie in 6A und 7A gezeigt, ist das magneto-elektronische Wandlungselement 13 an der Leiterplatte 14 montiert.
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In dem Stromsensor des wasserdichten Steckertyps ist ein Ausgabeanschluss T1 an der Leiterplatte 14 montiert. In dem Stromsensor des FPC-Steckertyps ist ein FPC-Stecker T2 an der Leiterplatte 14 montiert. Wie in 6B und 7B gezeigt, ist eine Leiterplattenanordnung 15 gegossen. Die Leiterplattenanordnung 15 wird in eine Form für eine Halterung eingesetzt, wobei dann ein Gussmaterial in die Form für die Halterung eingespritzt wird. Eine Halterung 16 wird wie in 6C und 7C gezeigt durch Spritzpressen ausgebildet.
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Die Halterung 16 umgibt also dichtend die Leiterplattenanordnung 15. Eine Außenfläche 16A mit einer Drückvertiefung 16B ist an der Halterung 16 ausgebildet. Wie in 6C und 7C gezeigt, wird die Busschiene 11 in die Drückvertiefung 16B in der Außenfläche 16A der Halterung 16 gedrückt. Danach wird wie in 6D und 7D gezeigt die Außenfläche 16A der Halterung 16 in die Abschirmungsplatte 12 gedrückt. Wie in 6E und 7E gezeigt, wird die Halterungsanordnung 17 gegossen.
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Während die Halterungsanordnung 17 in eine Form für ein Gehäuse eingesetzt ist, wird ein Kunstharz als Gussmaterial in die Form für das Gehäuse eingespritzt. Wie in 6F und 7F gezeigt, wird dadurch ein Gehäuse 18 aus Kunstharz gegossen.
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Durch das oben beschriebene Gussverfahren werden wie in 8 gezeigt die Außenfläche der Abschirmungsplatte 12 und der Raum zwischen der Abschirmungsplatte 12 und der Busschiene 11 in der Drückvertiefung 16B durch ein Gehäuse 18 aus Kunstharz gedichtet. Weiterhin wird das magneto-elektronische Wandlungselement 13 durch die in die Abschirmungsplatte 12 gedrückte Halterung 16 gedichtet. Folglich können die Busschiene 11, die Abschirmungsplatte 12 und das magneto-elektronische Wandlungselement 13 durch ein einfaches Gussverfahren fest in dem Gehäuse 18 aus Kunstharz gehalten werden. Dadurch kann eine Verschiebung der Position der Busschiene 11, der Abschirmungsplatte 12 und des magneto-elektronischen Wandlungselements 13 verhindert werden und kann der Strom genauer gemessen werden.
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In den oben genannten Ausführungsformen ist der Spalt 12A in der Abschirmungsplatte 12 angeordnet. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Spalt 12A wird vorzugsweise aber nicht notwendigerweise derart angeordnet, dass eine magnetische Sättigung bald eintritt.
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die Busschiene 11, das magneto-elektronische Wandlungselement 13 und der Spalt 12A nebeneinander auf der Z-Achse angeordnet, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht hierauf beschränkt ist. Der Spalt 12A muss nicht auf der ZAchse angeordnet sein.
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In den vorstehenden Ausführungsformen wird die plattenförmige Busschiene 11 als Leiter verwendet, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es kann auch ein lineares Kabel als Leiter verwendet werden.
