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HINTERGRUND
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1. TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Strommessmodul, einen Strommessleiter und eine Strommessvorrichtung.
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2. STAND DER TECHNIK
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Patentdokument 1 offenbart „Eine Strommessvorrichtung und ein Strommessverfahren zum Messen einer Stromgröße, die durch zwei parallel zu einer Längsrichtung angeordnete zu messende Stromleiter fließt“. Patentdokument 2 offenbart „eine Stromerfassungsvorrichtung und ein Stromerfassungsverfahren zur Erfassung eines durch einen Strompfad fließenden Stroms unter Verwendung eines Magnetfeldsensorelements“.
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Zitateliste
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Patentdokument
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- Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung JP 2005-283451 A
- Patentdokument 2: Internationale Veröffentlichung Nr. WO 2016/056135 A
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ZUSAMMENFASSUNG
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In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Strommessmodul bereitgestellt. Das Strommessmodul kann einen Leiter umfassen, der zwei Hauptkörperbereiche und zwei Strompfade aufweist, die zwischen den beiden Hauptkörperbereichen angeordnet sind und sich parallel zu einem Spalt erstrecken. Das Strommessmodul kann zwei Magnetfeldsensorelemente enthalten, die jeweils eine magnetempfindliche Oberfläche aufweisen, die so angeordnet ist, dass Magnetfelder, die durch den durch die beiden Strompfade fließenden Strom erzeugt werden, die magnetempfindliche Oberfläche in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchdringen. Das Strommessmodul kann ein Substrat enthalten, das die beiden Magnetfeldsensorelemente trägt und an dem Leiter befestigt ist. Die beiden Hauptkörperbereiche können jeweils einen Schlitz aufweisen, der sich von dem Spalt aus erstreckt und schmaler ist als der Spalt, und das Substrat kann in den Schlitz und den Spalt eingeführt werden.
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Das Strommessmodul kann außerdem einen Befestigungsteil umfassen, der das Substrat an den beiden Hauptkörperbereichen fixiert.
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Die beiden Strompfade können in einer Richtung, in der die beiden Strompfade angeordnet sind, weiter innen angeordnet sein als die Außenkanten der beiden Hauptkörperbereiche.
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Eine Querschnittsbreite L1 jedes der beiden Strompfade in einer Richtung, in der die beiden Strompfade angeordnet sind, eine Länge L2 eines Spalts zwischen den beiden Strompfaden, eine Querschnittsbreite L4 orthogonal zur Querschnittsbreite L1 und ein Abstand L5 zwischen den beiden Magnetfeldsensorelementen können die Beziehung L2 > 1,5 × L1 und L5 > L4 erfüllen.
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Außerdem kann eine Beziehung L2 ≤ 4 × L1 erfüllt sein.
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Die beiden Hauptkörperbereiche können Verlängerungsbereiche aufweisen, die sich in einer Richtung orthogonal zu einer Richtung erstrecken, in der Strom durch die beiden Strompfade fließt, und die Verlängerungsbereiche der beiden Hauptkörperbereiche können sich in entgegengesetzten Richtungen erstrecken.
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In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Strommessleiter bereitgestellt. Der Strommessleiter kann das Strommessmodul gemäß einem der vorstehenden Punkte umfassen.
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In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Strommessleiter bereitgestellt. Der Strommessleiter kann zwei Hauptkörperbereiche und zwei Strompfade umfassen, die zwischen den beiden Hauptkörperbereichen angeordnet sind und sich parallel zu einem Spalt erstrecken. Die beiden Hauptkörperbereiche können jeweils einen Schlitz aufweisen, der sich von dem Spalt erstreckt und schmaler ist als der Spalt.
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Die beiden Hauptkörperbereiche können Verlängerungsbereiche aufweisen, die sich in einer Richtung orthogonal zu einer Richtung erstrecken, in der Strom durch die beiden Strompfade fließt, und die Verlängerungsbereiche der beiden Hauptkörperbereiche können sich in entgegengesetzten Richtungen erstrecken.
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In einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Strommessleiter bereitgestellt. Der Strommessleiter kann zwei Hauptkörperbereiche und zwei Strompfade umfassen, die zwischen den beiden Hauptkörperbereichen angeordnet sind und sich parallel zu einem Spalt erstrecken. Die beiden Hauptkörperbereiche können Verlängerungsbereiche umfassen, die sich in einer Richtung orthogonal zu einer Richtung erstrecken, in der Strom durch die beiden Strompfade fließt, und die Verlängerungsbereiche der beiden Hauptkörperbereiche können sich in entgegengesetzten Richtungen zueinander erstrecken.
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In einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Strommessmodul bereitgestellt. Das Strommessmodul kann den Strommessleiter gemäß dem vierten Aspekt umfassen. Das Strommessmodul kann zwei Magnetfeldsensorelemente umfassen, die jeweils eine magnetosensitive Oberfläche aufweisen, die so angeordnet ist, dass Magnetfelder, die durch den durch die beiden Strompfade fließenden Strom erzeugt werden, die magnetosensitive Oberfläche in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchdringen. Das Strommessmodul kann ein Substrat umfassen, das die beiden Magnetfeldsensorelemente trägt und an dem Strommessleiter befestigt ist.
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In einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Strommessvorrichtung bereitgestellt. Die Strommessvorrichtung kann ein Substrat umfassen, das eine Vielzahl von Vorsprüngen und eine Vielzahl von Strommessleitern einschließlich des Strommessleiters umfasst. Jeder der mehreren Vorsprünge kann zwei Magnetfeldsensorelemente tragen und an jedem der mehreren Strommessleiter befestigt sein. Die mehreren Vorsprünge können nebeneinander in einer Richtung angeordnet sein, die parallel zu einer Erstreckungsrichtung der beiden Strompfade in den mehreren Strommessleitern verläuft.
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In einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Strommessvorrichtung bereitgestellt. Die Strommessvorrichtung kann ein Substrat umfassen, das eine Vielzahl von Vorsprüngen umfasst; Die Strommessvorrichtung kann ein Substrat, das eine Vielzahl von Vorsprüngen enthält, und eine Vielzahl von Strommessleitern, die den Strommessleiter enthalten, umfassen, wobei jeder der Vielzahl von Vorsprüngen zwei Magnetfeldsensorelemente tragen und an jedem der Vielzahl von Strommessleitern befestigt sein kann, wobei die Vielzahl von Vorsprüngen nebeneinander in einer Richtung parallel zu einer Erstreckungsrichtung der beiden Strompfade in der Vielzahl von Strommessleitern angeordnet sein kann, und wobei, von einer Richtung aus betrachtet, in der sich die Verlängerungsbereiche erstrecken, Mittellinien der beiden Strompfade zwischen den beiden Magnetfeldsensorelementen in einem Zustand angeordnet sein können, in dem das Substrat und die Vielzahl von Strommessleitern aneinander angrenzen.
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Die Zusammenfassung beschreibt nicht notwendigerweise alle notwendigen Merkmale der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung kann auch eine Unterkombination der oben beschriebenen Merkmale beinhalten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine schematische Konfiguration eines Strommessmoduls 100 in einer ersten Ausführungsform illustriert.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine schematische Konfiguration eines Strommessleiters 10 gemäß der ersten Ausführungsform illustriert.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine schematische Konfiguration eines Substrats 20 in der ersten Ausführungsform illustriert.
- 4 illustriert ein Beispiel für die Strommessleitungen der Fälle 1 bis 4.
- 5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Frequenz (Hz: horizontale Achse) und dem Betrag der Magnetfeldänderung (dB: vertikale Achse) illustriert.
- 6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine schematische Konfiguration eines Strommessleiters 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform illustriert.
- 7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine schematische Konfiguration einer Wechselrichtereinheit 300 in einer dritten Ausführungsform illustriert.
- 8 ist ein Diagramm, das die Richtung des Magnetfeldes der Wechselrichtereinheit 300 in der dritten Ausführungsform illustriert.
- 9 ist ein Verdrahtungssystemdiagramm der Wechselrichtereinheit 300 gemäß der dritten Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die folgenden Ausführungsformen dienen jedoch nicht zur Einschränkung der Erfindung gemäß den Ansprüchen. Darüber hinaus sind nicht alle der Kombinationen von Merkmalen, die in den Ausführungsformen beschrieben sind, wesentlich für die Lösungsmittel der Erfindung.
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Konfiguration der ersten Ausführungsform
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für einen schematischen Aufbau eines Strommessmoduls 100 gemäß einer ersten Ausführungsform illustriert. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für einen schematischen Aufbau eines Strommessleiters 10 gemäß der ersten Ausführungsform illustriert. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine schematische Konfiguration eines Substrats 20 gemäß der ersten Ausführungsform illustriert. In jeder Zeichnung ist ein xyz-Koordinatensystem illustriert. Wie in 1 illustriert, verfügt das Strommessmodul 100 über einen Strommessleiter 10 und das Substrat 20.
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Wie in 2 illustriert, weist der Strommessleiter 10 zwei Hauptkörperbereiche 11 und 12 und zwei Strompfade 13 und 14 auf. Die beiden Strompfade 13 und 14 sind zwischen den beiden Hauptkörperbereichen 11 und 12 angeordnet und verlaufen parallel zueinander. Zwischen den beiden Strompfaden 13 und 14 ist ein Spalt 15 angeordnet. Die beiden Hauptkörperbereiche 11 und 12 weisen Schlitze 16 und 17 auf, die sich von dem Spalt 15 aus erstrecken bzw. schmaler sind als der Spalt 15. Man beachte, dass der Strommessleiter 10 auch als Stromschiene bezeichnet wird.
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In jedem der beiden Strompfade 13 und 14 fließt ein zu messender Strom in dieselbe Richtung. In der vorliegenden Ausführungsform sind die beiden Strompfade 13 und 14 Leiter, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und sich linear erstrecken. Es ist zu beachten, dass die beiden Strompfade 13 und 14 auch als Leiter mit kreisförmigem Querschnitt und insgesamt linearer Form ausgebildet sein können. Die beiden Strompfade 13 und 14 sind weiter innen angeordnet als die Außenkanten der beiden Hauptkörperbereiche 11 und 12 in einer Richtung, in der die beiden Strompfade 13 und 14 angeordnet sind.
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Wie in 2 illustriert, haben die beiden Strompfade 13 und 14 jeweils eine Länge (Querschnittsbreite) L1 in einer x-Richtung in der Richtung, in der die beiden Strompfade 13 und 14 angeordnet sind. Darüber hinaus weist der Spalt 15 zwischen den beiden Strompfaden 13 und 14 eine Länge L2 in x-Richtung auf. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Länge L1 und die Länge L2 so eingestellt, dass die Beziehung Länge L2 > 1,5 × Länge L1 und Länge L2 ≤ 4 × Länge L1 erfüllt ist. Darüber hinaus haben die beiden Schlitze 16 und 17 eine Länge L3 in x-Richtung. Die Länge L3 ist kürzer als die Länge L2. Darüber hinaus hat der Strommessleiter 10 eine Länge (Querschnittsbreite) L4 in y-Richtung.
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Wie in 3 illustriert, sind zwei Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 versiegelt und durch ein Gehäuse 21 auf dem Substrat 20 befestigt. Das Gehäuse 21 ist mit Leitungsanschlüssen zur Ansteuerung der Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 und zum Abgreifen von Signalen von den Magnetfeldsensorelementen 22 und 23 versehen. Als Gehäuse 21 kann ein IC-Gehäuse oder ähnliches verwendet werden. In dem in 1 dargestellten Strommessmodul 100 sind die beiden Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 oberhalb und unterhalb des Spalts 15 angeordnet, wobei der Spalt dazwischen liegt.
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Jedes der Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 detektiert die Intensität (Größe) des Magnetfelds, das durch den zu messenden Strom, der durch jeden der beiden Strompfade 13 und 14 fließt, auf jeder magnetosensitiven Oberfläche erzeugt wird, und gibt ein der Detektionsintensität entsprechendes Detektionssignal aus. Jedes der Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 ist so angeordnet, dass die Magnetfelder, die durch die zu messenden Ströme erzeugt werden, die durch die beiden Strompfade 13 und 14 in derselben Richtung fließen, die magnetosensitive Oberfläche in entgegengesetzten Richtungen durchdringen. Das heißt, dass die Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 so angeordnet sind, dass die Richtungen der magnetosensitiven Oberflächen zwischen den beiden Strompfaden 13 und 14 miteinander übereinstimmen. Außerdem sind die Magnetfelderfassungselemente 22 und 23 vorzugsweise an symmetrischen Positionen in Bezug auf die Strompfade 13 und 14 angeordnet. Insbesondere sind die magnetosensitive Oberfläche des Magnetfeldsensorelements 22 und die magnetosensitive Oberfläche des Magnetfeldsensorelements 23 in gleichen Abständen zu der durch die Strompfade 13 und 14 gebildeten Ebene angeordnet, und jede der magnetosensitiven Oberflächen der Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 ist in der Mitte des Spalts zwischen dem Strompfad 13 und dem Strompfad 14 angeordnet.
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Im Beispiel von 3 ist die Richtung der magnetosensitiven Oberfläche, d.h. die Normalenrichtung der Oberfläche, eine +x-Richtung. Die beiden Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 sind so angeordnet, dass sie durch einen Abstand der Länge L5 in einer Richtung (y-Richtung) orthogonal zur Längsrichtung der beiden Strompfade 13 und 14 getrennt sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Länge L5 so eingestellt, dass die Länge L5 > Länge L4 ist. Durch Bildung einer Differenz zwischen den von den beiden Magnetfeldsensoren 22 und 23 erhaltenen Erfassungssignalen können die Größen der durch die beiden Strompfade 13 und 14 fließenden Ströme genau gemessen werden.
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Als Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 kann ein magnetoelektrisches Wandlerelement verwendet werden, und als magnetoelektrisches Wandlerelement kann z.B. ein Hall-Element verwendet werden, das in der Lage ist, ein Erfassungssignal proportional zur Größe einer magnetischen Flussdichte zu erhalten. Beachten Sie, dass als magnetoelektrisches Wandlerelement neben dem Hall-Element auch ein MR-Element (magnetoresistives Element), ein MI-Element (magnetisches Impedanzelement) oder Ähnliches verwendet werden kann. Darüber hinaus kann jedes Element, in dem ein Erfassungssignal eindeutig in Bezug auf eine angelegte magnetische Flussdichte bestimmt wird, wie z. B. ein Magnetsensor-IC, in dem diese magnetoelektrischen Umwandlungselemente und die IC-Verarbeitungsschaltung kombiniert sind, als die Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 verwendet werden.
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Wie in 1 illustriert, wird das Substrat 20, das die beiden Magnetfelderfassungselemente 22 und 23 trägt, in den Spalt 15 des Strommessleiters 10 und die beiden Schlitze 16 und 17, die sich vom Spalt 15 aus erstrecken, eingesetzt. Das eingefügte Substrat 20 wird durch zwei Befestigungsabschnitte 24 und 25 an dem Strommessleiter 10 angebracht und befestigt. Der Befestigungsabschnitt 24 fixiert das Substrat 20 am Strommessleiter 10 an einer Position, die dem Schlitz 16 entspricht. Der Befestigungsteil 25 fixiert das Substrat 20 am Strommessleiter 10 an einer Position, die dem Schlitz 17 entspricht.
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4 illustriert Strommessleiter der Fälle 1 bis 4. Der Fall 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Strommessleiters 110 in einem Vergleichsbeispiel, der Fall 2 zeigt einen schematischen Aufbau eines Strommessleiters 120 in einem ersten Beispiel, der Fall 3 zeigt einen schematischen Aufbau eines Strommessleiters 130 in einem zweiten Beispiel, und der Fall 4 zeigt einen schematischen Aufbau eines Strommessleiters 140 in einem dritten Beispiel. Obwohl in 4 nicht dargestellt, ist in allen Fällen das Substrat 20, auf dem die beiden Magnetfeldsensoren montiert sind, in dem Schlitz im mittleren Teil des Strommessleiters angeordnet. Der Abstand L5, um den die beiden Magnetfelderfassungselemente in y-Richtung voneinander getrennt sind, beträgt 2,5 mm.
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Der Strommessleiter 110 des Gehäuses 1 hat eine Länge von 23 mm in der x-Richtung und eine Länge von 2 mm in der y-Richtung und hat eine Form, die sich in der z-Richtung erstreckt. Der Strommessleiter 110 hat einen Schlitz 111 zum Einführen des Substrats 20 im mittleren Bereich. Der Schlitz 111 hat eine Länge von 3 mm in der x-Richtung. Eine Länge zwischen dem Endbereich des Schlitzes 111 in x-Richtung und dem Endbereich des Strommessleiters 110 in x-Richtung beträgt 5 mm.
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Der Strommessleiter 120 des Gehäuses 2 hat eine Länge von 23 mm in der x-Richtung und eine Länge von 2 mm in der y-Richtung und hat eine Form, die sich in der z-Richtung erstreckt. Der Strommessleiter 120 hat zwei Hauptkörperbereiche 121 und 122 und zwei Strompfade 123 und 124. Die beiden Strompfade 123 und 124 sind zwischen den beiden Hauptkörperbereichen 121 und 122 angeordnet und verlaufen parallel zueinander. Zwischen den beiden Strompfaden 123 und 124 ist ein Spalt 125 angeordnet.
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Die beiden Hauptkörperbereiche 121 und 122 haben Schlitze 126 und 127, die sich vom Spalt 125 aus erstrecken und schmaler sind als der Spalt 125. Das Substrat 20 aus 1, auf dem die Magnetfelderfassungselemente montiert sind, wird in die Schlitze 126 und 127 eingesetzt. Die Länge L1 der beiden Strompfade 123 und 124 in x-Richtung beträgt 5 mm, und die Länge L2 des Spalts 125 in x-Richtung beträgt 8 mm. Das heißt, dass eine Beziehung zwischen der Länge L2 > 1,5 × Länge L1 und der Länge L2 ≤ 4 × Länge L1 erfüllt ist.
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Der Strommessleiter 130 des Gehäuses 3 hat eine Länge von 23 mm in der x-Richtung und eine Länge von 2 mm in der y-Richtung und hat eine Form, die sich in der z-Richtung erstreckt. Der Strommessleiter 130 hat zwei Hauptkörperbereiche 131 und 132 und zwei Strompfade 133 und 134. Die beiden Strompfade 133 und 134 sind zwischen den beiden Hauptkörperbereichen 131 und 132 angeordnet und verlaufen parallel zueinander. Zwischen den beiden Strompfaden 133 und 134 ist ein Spalt 135 angeordnet.
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Die beiden Hauptkörperbereiche 131 und 132 haben Schlitze 136 und 137, die sich vom Spalt 135 aus erstrecken und schmaler sind als der Spalt 135. Das Substrat 20 aus 1, auf dem die Magnetfeldsensorelemente montiert sind, wird in die Schlitze 136 und 137 eingesetzt. Die Länge L1 der beiden Strompfade 133 und 134 in x-Richtung beträgt 2,5 mm, und die Länge L2 des Spalts 135 in x-Richtung beträgt 8 mm. Das heißt, dass eine Beziehung zwischen der Länge L2 > 1,5 × Länge L1 und der Länge L2 ≤ 4 × Länge L1 erfüllt ist.
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Der Strommessleiter 140 des Gehäuses 4 hat eine Länge von 23 mm in der x-Richtung und eine Länge von 2 mm in der y-Richtung und hat eine Form, die sich in der z-Richtung erstreckt. Der Strommessleiter 140 hat zwei Hauptkörperbereiche 141 und 142 und zwei Strompfade 143 und 144. Die beiden Strompfade 143 und 144 sind zwischen den beiden Hauptkörperbereichen 141 und 142 angeordnet und verlaufen parallel zueinander. Zwischen den beiden Strompfaden 143 und 144 ist ein Spalt 145 angeordnet.
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Die beiden Hauptkörperbereiche 141 und 142 weisen Schlitze 146 und 147 auf, die sich vom Spalt 145 aus erstrecken und schmaler sind als der Spalt 145. Das Substrat 20 aus 1, auf dem die Magnetfelderfassungselemente montiert sind, wird in die Schlitze 146 und 147 eingesetzt. Die Länge L1 der beiden Strompfade 143 und 144 in x-Richtung beträgt 2,5 mm, und die Länge L2 des Spalts 145 in x-Richtung beträgt 10 mm. Das heißt, dass eine Beziehung Länge L2 > 1,5 × Länge L1 und Länge L2 ≤ 4 × Länge L1 erfüllt ist.
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5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Frequenz (Hz: horizontale Achse) und einem Magnetfeldänderungsbetrag (dB: vertikale Achse) in Bezug auf die Strommessleiter der Fälle 1 bis 4 darstellt. Die vertikale Achse repräsentiert den Magnetfeldänderungsbetrag basierend auf der Magnetfeldintensität bei einer Frequenz von 100 Hz. In 5 ist der Fall 1 durch einen runden Punkt gekennzeichnet, ist der Fall 2 durch einen dreieckigen Punkt gekennzeichnet, ist der Fall 3 durch ein Quadrat gekennzeichnet und ist der Fall 4 durch ein Häkchen gekennzeichnet.
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Bei dem Strommessleiter 110 in dem in Fall 1 dargestellten Vergleichsbeispiel nimmt die magnetische Feldstärke mit steigender Frequenz ab. Dies wird durch einen Skineffekt verursacht, der in einem leitenden Draht des Strommessleiters 110 erzeugt wird. Der Skineffekt bezieht sich auf ein Phänomen, bei dem, wenn ein Wechselstrom durch einen leitenden Draht fließt, sich der Strom auf der Oberfläche des leitenden Drahts konzentriert und der Strom mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des leitenden Drahts (d.h., wenn sich der Strom dem mittleren Teil des leitenden Drahts nähert) weniger wahrscheinlich fließt. Der Einfluss des Skineffekts nimmt mit steigender Frequenz des Stroms zu. Wenn der Einfluss des Skineffekts groß ist, können die Größen der zu messenden Ströme, die durch die beiden Strompfade 13 und 14 fließen, nicht genau gemessen werden.
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Wenn ein Schlitz so konfiguriert ist, dass er in einer plattenförmigen Stromschiene wie in dem Strommessleiter 110 des Gehäuses 1 vorgesehen ist, konzentriert sich die Stromdichte auf den äußeren Teil der plattenförmigen Stromschiene. Wenn der Strom, der durch den Strommessleiter 110 fließt, in der Frequenz zunimmt, bewegt sich daher der Strompfad weg von dem Magnetfeldsensorelement, das in dem Schlitz 111 in dem zentralen Abschnitt angeordnet ist, wodurch das Magnetfeld, das an das Magnetfeldsensorelement angelegt wird, abnimmt, und die Ausgabe des Magnetfeldsensorelements abnimmt. Daher kann in dem Strommessleiter 110 des Gehäuses 1 die Größe des zu messenden Stroms, der durch den Strompfad fließt, nicht genau gemessen werden.
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Um den Einfluss des Skin-Effekts zu verringern, gibt es die folgenden zwei Möglichkeiten. Erstens ist es durch Verkleinerung der Querschnittsfläche des leitenden Drahtes möglich, einen relativen Unterschied zwischen einem Abstand zwischen dem Magnetfeldsensorelement und der Mitte des Leiters, wo die Stromdichte abnimmt, in Bezug auf einen Abstand zwischen dem Magnetfeldsensorelement und der Oberfläche des Leiters, wo die Stromdichte zunimmt, zu verringern, wodurch der Einfluss des Skineffekts reduziert wird. Das heißt, wenn die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes in Bezug auf eine Skin-Tiefe bei einer Frequenz, bei der eine Verwendung angenommen wird, ausreichend klein ist, fließt der Strom auch durch die Nähe der Mitte des leitenden Drahtes, was gleichbedeutend damit ist, dass der Einfluss des Skineffekts nicht wesentlich ausgeübt wird. Zweitens kann durch Vergrößerung des Abstands zwischen dem Leiter und dem Magnetfeldsensorelement die relative Differenz zwischen dem Abstand zwischen dem Magnetfeldsensorelement und der Mitte des Leiters, wo die Stromdichte abnimmt, und dem Abstand zwischen dem Magnetfeldsensorelement und der Oberfläche des Leiters, wo die Stromdichte zunimmt, verringert werden, wodurch der Einfluss des Skineffekts reduziert wird. Das heißt, wenn ein Abstand zwischen dem Magnetfeldsensorelement und dem leitenden Draht ausreichend lang ist, selbst wenn der Strom durch die Außenseite in dem leitenden Draht bei einer hohen Frequenz im Vergleich zu der bei einer niedrigen Frequenz fließt, ist ein Unterschied in der Fließposition des Stroms aufgrund dessen relativ klein im Vergleich zu dem Abstand zwischen dem Magnetfeldsensorelement und dem leitenden Draht, und der Einfluss des Skineffekts wird unterdrückt.
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Unter Verwendung der beiden oben genannten Mittel ist in der vorliegenden Ausführungsform die Länge L2 > 1,5 x Länge L1 in Bezug auf die Länge L1 der beiden Strompfade und die Länge L2 des Spalts zwischen den beiden Strompfaden erfüllt. Es ist zu beachten, dass, wenn die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes zu klein ist, die Menge des durch den leitenden Draht fließenden Stroms begrenzt ist und das zu detektierende Magnetfeld eher abnimmt. Daher ist es wünschenswert, die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes in gewissem Umfang zu sichern. Wenn der Abstand zwischen den beiden Strompfaden übermäßig vergrößert wird, wird der Strompfad von dem Magnetfeldsensorelement getrennt, und das zu detektierende Magnetfeld nimmt ab. Außerdem wird durch die Vergrößerung des Abstands zwischen den beiden Strompfaden der Strommessleiter vergrößert, und die Größe des Strommessmoduls nimmt ebenfalls zu. Daher ist es wünschenswert, dass der Abstand zwischen den beiden Strompfaden gleich oder kleiner als eine vorgegebene Größe ist. Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, dass die Länge L2 ≤ 4 × Länge L1 sein sollte.
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Im Gegensatz zum Strommessleiter 110 des Falles 1 wird im Strommessleiter 120 des ersten Beispiels des Falles 2 eine Abnahme der magnetischen Feldstärke durch eine Erhöhung der Frequenz unterdrückt. Dies liegt daran, dass die Querschnittsflächen der beiden Strompfade 123 und 124 abnehmen, so dass der Einfluss des Skineffekts verringert wird. In einem Bereich, in dem die Frequenz 1000 bis 10000 beträgt, nimmt die magnetische Feldstärke jedoch leicht ab.
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Im Strommessleiter 130 gemäß dem zweiten Beispiel des Falles 3 wird die Abnahme der Magnetfeldstärke aufgrund der Zunahme der Frequenz weiter unterdrückt. Insbesondere wird die Abnahme der magnetischen Feldstärke in dem Bereich, in dem die Frequenz 1000 bis 10000 beträgt, im Vergleich zu dem Strommessleiter 120 in Fall 2 unterdrückt. Dies liegt daran, dass die Querschnittsflächen der beiden Strompfade 133 und 134 weiter abnehmen, so dass der Einfluss des Skineffekts weiter reduziert wird.
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In dem Strommessleiter 140 gemäß dem dritten Beispiel des Falls 4 wird die Abnahme der Magnetfeldstärke aufgrund des Anstiegs der Frequenz weiter unterdrückt. Insbesondere wird die Abnahme der magnetischen Feldstärke in dem Bereich, in dem die Frequenz 10000 oder mehr beträgt, im Vergleich zu dem Strommessleiter 130 in Fall 3 unterdrückt. Dies liegt daran, dass der Einfluss des Skineffekts durch Verkleinerung der Querschnittsfläche der beiden Strompfade 143 und 144 und durch Vergrößerung des Abstands zwischen den beiden Strompfaden 143 und 144 und dem Magnetfeldsensorelement durch Vergrößerung des Spalts 145 zwischen den beiden Strompfaden 143 und 144 verringert wird.
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Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, dass die Abnahme der magnetischen Feldstärke aufgrund der Erhöhung der Frequenz in der Reihenfolge Fall 1, Fall 2, Fall 3 und Fall 4 unterdrückt wird. Daher ist zu erkennen, dass der Strommessleiter 110 von Fall 1 am stärksten vom Skineffekt betroffen ist und der Strommessungsleiter 140 von Fall 4 am wenigsten vom Skineffekt betroffen ist.
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Effekte der ersten Ausführungsform
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Gemäß dem Strommessmodul 100 in der ersten Ausführungsform weisen die beiden Hauptkörperbereiche 11 und 12 die Schlitze 16 bzw. 17 auf, und das Substrat 20, das die beiden Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 trägt, wird in die Schlitze 16 und 17 eingesetzt und daran befestigt. Infolgedessen können die Größen der zu messenden Ströme, die durch die beiden Strompfade 13 und 14 fließen, mit einer einfachen Konfiguration gemessen werden.
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Gemäß dem Strommessmodul 100 der ersten Ausführungsform erfüllen die Länge L1 der beiden Strompfade 13 und 14 in x-Richtung und die Länge L2 des Spalts 15 zwischen den beiden Strompfaden 13 und 14 in x-Richtung die Beziehung Länge L2 > 1,5 × Länge L1 und Länge L2 ≤ 4 × Länge L1. Dadurch kann der Einfluss des Skineffekts zum Zeitpunkt der Strommessung verringert werden, und die Größen der zu messenden Ströme, die durch die beiden Strompfade 13 und 14 fließen, können genau gemessen werden.
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Konfiguration der zweiten Ausführungsform
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6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine schematische Konfiguration eines Strommessleiters 200 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Wie in 6 dargestellt, hat der Strommessleiter 200 zwei Hauptkörperbereiche 201 und 202 und zwei Strompfade 203 und 204. Die beiden Strompfade 203 und 204 sind zwischen den beiden Hauptkörperbereichen 201 und 202 angeordnet und verlaufen parallel zueinander. Zwischen den beiden Strompfaden 203 und 204 ist ein Spalt 205 angeordnet. Die beiden Hauptkörperbereiche 201 und 202 haben Schlitze 206 und 207, die sich von dem Spalt 205 aus erstrecken und schmaler sind als der Spalt 205.
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In jedem der beiden Strompfade 203 und 204 fließt ein zu messender Strom in dieselbe Richtung. In der vorliegenden Ausführungsform sind die beiden Strompfade 203 und 204 Leiter mit rechteckigem Querschnitt, die sich linear erstrecken. Es ist zu beachten, dass die beiden Strompfade 203 und 204 auch als Leiter mit kreisförmigem Querschnitt und insgesamt linearer Form ausgebildet sein können.
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Wie in 6 dargestellt, haben die beiden Strompfade 203 und 204 eine Länge L1 in x-Richtung. Darüber hinaus hat der Spalt 205 zwischen den beiden Strompfaden 203 und 204 eine Länge L2 in der x-Richtung. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Länge L1 und die Länge L2 so eingestellt, dass die Beziehung Länge L2 > 1,5 × Länge L1 und Länge L2 < 4 × Länge L1 erfüllt ist. Darüber hinaus haben die beiden Schlitze 206 und 207 eine Länge L3 in x-Richtung. Die Länge L3 ist kürzer als die Länge L2.
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Wie in 6 dargestellt, weisen die beiden Hauptkörperbereiche 201 und 202 jeweils Verlängerungsbereiche 208 und 209 auf, in denen sich die beiden Hauptkörperbereiche 201 und 202 in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, und zwar in einer Richtung (x-Richtung) orthogonal zu einer Richtung (z-Richtung), in der Strom durch die beiden Strompfade 203 und 204 fließt. Das heißt, dass der Hauptkörperbereich 201 den Verlängerungsbereich 208 hat, in dem sich der Hauptkörperbereich 201 in der -x-Richtung erstreckt, und der Hauptkörperbereich 202 den Verlängerungsbereich 209 hat, in dem sich der Hauptkörperbereich 202 in der +x-Richtung erstreckt.
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Jeder der Verlängerungsbereiche 208 und 209 ist mit einem Anschluss einer Vorrichtung verbunden, an der der Strommessleiter 200 befestigt ist, wobei der Strommessleiter 200 an der Vorrichtung befestigt ist. In der zweiten Ausführungsform wird als Beispiel eine Konfiguration so vorgenommen, dass die Länge des Verlängerungsbereichs 208 in der x-Richtung länger ist als die Länge des Verlängerungsbereichs 209 in der x-Richtung. Die Längen der Verlängerungsbereiche 208 und 209 in x-Richtung können jedoch entsprechend der Konfiguration der Vorrichtung, an der der Strommessleiter 200 montiert ist, entsprechend ausgelegt werden.
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Da die beiden Hauptkörperbereiche 201 und 202 die jeweiligen Verlängerungsbereiche 208 und 209 aufweisen, kann der Strommessleiter 200 an der Vorrichtung nur durch Verbinden und Befestigen der Verlängerungsbereiche 208 und 209 an dem Anschluss der Vorrichtung, an dem der Strommessleiter 200 montiert ist, befestigt werden, und es kann eine Struktur erhalten werden, bei der die Montagefähigkeit berücksichtigt wird.
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Auswirkungen der zweiten Ausführungsform
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Mit dem Strommessleiter 200 der zweiten Ausführungsform lassen sich ähnliche Effekte erzielen wie mit dem Strommessmodul 100 der ersten Ausführungsform.
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Gemäß dem Strommessleiter 200 in der zweiten Ausführungsform weisen die beiden Hauptkörperbereiche 201 und 202 die jeweiligen Verlängerungsbereiche 208 und 209 auf, so dass eine Struktur erhalten werden kann, bei der die Montierbarkeit berücksichtigt wird.
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Konfiguration der dritten Ausführungsform
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7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine schematische Konfiguration einer Wechselrichtereinheit 300 gemäß einer dritten Ausführungsform illustriert. Wie in 7 illustriert, hat die Wechselrichtereinheit 300 gemäß der dritten Ausführungsform eine Leiterplatte 301, ein Leistungsmodul 302 und eine Strommessvorrichtung 210. Die Strommessvorrichtung 210 hat drei Strommessleiter 211 bis 213. Die drei Strommessleiter 211 bis 213 haben eine ähnliche Konfiguration wie der Strommessleiter 200 in der zweiten Ausführungsform, die in 6 illustriert ist. Die drei Strommessleiter 211 bis 213 sind nebeneinander in vorbestimmten Abständen in z-Richtung angeordnet.
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Die Verlängerungsbereiche 208 der Strommessleiter 211 bis 213 sind elektrisch mit dem Leistungsmodul 302 verbunden, und die Verlängerungsbereiche 209 der Strommessleiter 211 bis 213 sind elektrisch mit einem Drehstrommotor (einem Motor 307 in 9) verbunden. Der linke Strommessleiter 211 ist ein mit der U-Phase (U-Anschluss) des Drehstrommotors verbundener Leiter, der mittlere Strommessleiter 212 ist ein mit der V-Phase (V-Anschluss) des Drehstrommotors verbundener Leiter, und der rechte Strommessleiter 213 ist ein mit der W-Phase (W-Anschluss) des Drehstrommotors verbundener Leiter.
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Wie in 7 illustiert, ist auf der Leiterplatte 301 eine elektronische Komponente 303 mit einer Steuerschaltung und dergleichen angebracht. Die Leiterplatte 301 hat drei Vorsprünge 304 zur Befestigung der Strommessleiter 211 bis 213 an der Leiterplatte 301. Der Vorsprung 304 ist ein Teil der Leiterplatte 301, der in -y-Richtung vorsteht. Die Magnetfeldsensoren 305 und 306 sind auf dem Vorsprung 304 montiert. Der Vorsprung 304, auf dem die Magnetfeldsensorelemente 305 und 306 montiert sind, hat eine ähnliche Konfiguration wie das Substrat 20, auf dem die Magnetfeldsensorelemente 22 und 23 in der ersten Ausführungsform montiert sind. In der Wechselrichtereinheit 300 sind die magnetosensitiven Oberflächen der auf dem Vorsprung 304 montierten Magnetfeldsensorelemente 305 und 306 in die +x-Richtung gerichtet. Die auf dem Vorsprung 304 montierten Magnetfeldsensorelemente 305 und 306 erfassen die Magnetfelder, die von den zu messenden Strömen erzeugt werden, die durch die beiden Strompfade 203 und 204 in der z-Richtung fließen, und erfassen dadurch die zu messenden Ströme, die durch die beiden Strompfade 203 und 204 fließen.
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8 ist ein Diagramm, das eine Magnetfeldrichtung der Wechselrichtereinheit 300 in der dritten Ausführungsform illustriert. In der Wechselrichtereinheit 300 fließt Strom durch die Strommessleiter 211 bis 213 in einer durch einen schraffierten Pfeil angegebenen Richtung. Man beachte, obwohl es sich bei dem Strom um einen Wechselstrom handelt, wird der Einfachheit halber der Fall, dass der Strom vom Hauptkörperbereich 201 zum Hauptkörperbereich 202 fließt, durch einen Pfeil dargestellt. Das heißt, dass in den beiden Hauptkörperbereichen 201 und 202 der Strom in x-Richtung fließt, und in den beiden Strompfaden 203 und 204 der Strom in z-Richtung fließt. Daher sind die Magnetfelder 320, die durch den Strom erzeugt werden, der durch die beiden Hauptkörperbereiche 201 und 202 in x-Richtung fließt, ringförmige Magnetfelder, die auf Achsen parallel zur x-Achse zentriert sind, und die Magnetfelder 321, die durch den zu messenden Strom erzeugt werden, der durch die beiden Strompfade 203 und 204 in z-Richtung fließt, sind ringförmige Magnetfelder, die auf Achsen parallel zur z-Achse zentriert sind.
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Die drei Strommessleiter 211 bis 213 sind in vorgegebenen Abständen in einer Richtung parallel zur Erstreckungsrichtung der Strompfade 203 und 204 angeordnet. Wie oben beschrieben, sind die Magnetfelder 320, die durch den Strom, der durch die Hauptkörperbereiche 201 und 202 in der x-Richtung fließt, erzeugt werden, ringförmige Magnetfelder, die auf den Achsen parallel zur x-Achse zentriert sind, und sie sind orthogonal zur x-Richtung, die die Erfassungsrichtung der Magnetfeldsensorelemente 305 und 306 ist (d.h. die normale Richtung der magnetosensitiven Oberfläche) . Daher können beispielsweise die Magnetfelder 321, die von den Magnetfelderfassungselementen 305 und 306 des Strommessleiters 211 erfasst werden, genau gemessen werden, ohne von den Magnetfeldern 320 beeinflusst zu werden, die von dem Strom erzeugt werden, der durch die beiden Hauptkörperbereiche 201 und 202 jedes Strommessleiters 212 oder des Strommessleiters 213 der benachbarten Phase fließt.
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9 ist ein Verdrahtungsdiagramm der Wechselrichtereinheit 300 gemäß der dritten Ausführungsform. Der Verlängerungsbereich 209 des Strommessleiters 211 ist mit der U-Phase des Motors 307 verbunden, der Verlängerungsbereich 209 des Strommessleiters 212 ist mit der V-Phase des Motors 307 verbunden, und der Verlängerungsbereich 209 des Strommessleiters 213 ist mit der W-Phase des Motors 307 verbunden. Darüber hinaus sind die Verlängerungsbereiche 208 der Strommessleiter 211 bis 213 elektrisch mit dem Leistungsmodul 302 verbunden. Die Strommessvorrichtung 210 misst den dem Motor 307 zugeführten Strom, und die Wechselrichtereinheit 300 steuert den Strom durch die Steuerschaltung der elektronischen Komponente 303.
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Wenn die Vorsprünge 304 in die drei Strommessleiter 211 bis 213 eingeführt werden, stoßen die +y-Seitenflächen der drei Strommessleiter 211 bis 213 an die -y-Seitenfläche der Leiterplatte 301, wodurch die drei Strommessleiter 211 bis 213 in y-Richtung positioniert werden. In diesem Fall können die Mittelpunkte der beiden Strompfade 203 und 204 in y-Richtung, von der x-Richtung aus gesehen, zwischen den Magnetfeldsensorelementen 305 und 306 in y-Richtung liegen. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass die Zentren der beiden Strompfade 203 und 204 in y-Richtung in der Mitte zwischen den Magnetfeldsensorelementen 305 und 306 in y-Richtung angeordnet sind. Mit einer solchen Konstruktion können die drei Strommessleiter 211 bis 213 leicht an der Wechselrichtereinheit 300 montiert werden, und Fehler bei der Montage der drei Strommessleiter 211 bis 213 an der Leiterplatte 301 können reduziert werden, und somit kann eine Positionsbeziehung zwischen den Magnetfeldsensorelementen 305 und 306 und den drei Strommessleitern 211 bis 213 genauer bestimmt werden, und es kann ein Effekt der Reduzierung von Fehlern in der Ausgabe der Magnetfeldsensorelemente 305 und 306 erzielt werden.
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Effekte der dritten Ausführungsform
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Mit der Wechselrichtereinheit 300 in der dritten Ausführungsform lassen sich ähnliche Effekte erzielen wie mit dem Strommessmodul 100 in der ersten Ausführungsform und dem Strommessleiter 200 in der zweiten Ausführungsform.
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Gemäß der Wechselrichtereinheit 300 in der dritten Ausführungsform kann die Strommessvorrichtung 210 auf der Leiterplatte 301 mit einer einfachen Konfiguration montiert werden, und die Wechselrichtereinheit 300 kann leicht zusammengebaut werden.
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Gemäß der Wechselrichtereinheit 300 in der dritten Ausführungsform werden die Magnetfeldsensorelemente 305 und 306 jedes der Strommessleiter 211 bis 213 nicht von dem Magnetfeld beeinflusst, das von dem Strommessleiter der benachbarten Phase erzeugt wird, und daher ist es möglich, eine genaue Messung durchzuführen, ohne Rauschen von der benachbarten Phase zu empfangen.
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In der ersten bis dritten Ausführungsform werden alle Strommessleitungen 10 und 200 sowie 211 und 212 und 213 beispielsweise durch Stanzen einer Kupferplatte hergestellt. Man beachte, dass stattdessen auch Aluminium verwendet werden kann.
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Während die vorliegende Erfindung mit den Ausführungsformen beschrieben wurde, ist der technische Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Verbesserungen zu den oben beschriebenen Ausführungsformen hinzugefügt werden können. Es ist auch aus der Beschreibung der Ansprüche ersichtlich, dass die Ausführungsformen, an denen solche Änderungen oder Verbesserungen vorgenommen werden, in den technischen Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung einbezogen werden können.
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Die Vorgänge, Verfahren, Schritte und Stufen jedes Prozesses, der von einer Vorrichtung, einem System, einem Programm und einer Methode durchgeführt wird, die in den Ansprüchen, der Spezifikation oder den Zeichnungen dargestellt sind, können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden, solange die Reihenfolge nicht durch „vorher“, „vor“ oder ähnliches angegeben ist und solange der Ausgang eines vorherigen Prozesses nicht in einem späteren Prozess verwendet wird. Selbst wenn der Prozessablauf in den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen mit Ausdrücken wie „zuerst“ oder „als nächstes“ beschrieben wird, bedeutet dies nicht unbedingt, dass der Prozess in dieser Reihenfolge durchgeführt werden muss.
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ERLÄUTERUNG DER REFERENZEN
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- 10
- Strommessleiter;
- 11
- Hauptkörperbereich;
- 12
- Hauptkörperbereich;
- 13
- Strompfad;
- 14
- Strompfad;
- 15
- Spalt;
- 16
- Schlitz;
- 17
- Schlitz;
- 20
- Substrat;
- 21
- Gehäuse;
- 22
- Magnetfeld-Sensorelement;
- 23
- Magnetfeld-Sensorelement;
- 24
- Befestigungsteil;
- 25
- Befestigungsteil;
- 100
- Strommessmodul;
- 110
- Strommessleiter;
- 111
- Schlitz;
- 120
- Strommessleiter;
- 121
- Hauptkörperbereich;
- 122
- Hauptkörperbereich;
- 123
- Strompfad;
- 124
- Strompfad;
- 125
- Spalt;
- 126
- Schlitz;
- 127
- Schlitz;
- 130
- Strommessleiter;
- 131
- Hauptkörperbereich;
- 132
- Hauptkörperbereich;
- 133
- Strompfad;
- 134
- Strompfad;
- 135
- Spalt;
- 136
- Schlitz;
- 137
- Schlitz;
- 140
- Strommessleiter;
- 141
- Hauptkörperbereich;
- 142
- Hauptkörperbereich;
- 143
- Strompfad;
- 144
- Strompfad;
- 145
- Spalt;
- 146
- Schlitz;
- 147
- Schlitz;
- 200
- Strommessleiter;
- 201
- Hauptkörperbereich;
- 202
- Hauptkörperbereich;
- 203
- Strompfad;
- 204
- Strompfad;
- 205
- Spalt;
- 206
- Schlitz;
- 207
- Schlitz;
- 208
- Verlängerungsbereich;
- 209
- Verlängerungsbereich;
- 210
- Strommessvorrichtung;
- 211
- Strommessleiter;
- 212
- Strommessleiter;
- 213
- Strommessleiter;
- 300
- Wechselrichtereinheit;
- 301
- Leiterplatte;
- 302
- Leistungsmodul;
- 303
- elektronische Komponente;
- 304
- Vorsprung;
- 305
- Magnetfeld-Sensorelement;
- 306
- Magnetfeld-Sensorelement;
- 307
- Motor;
- 320
- Magnetfeld; und
- 321
- Magnetfeld.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2005283451 A [0002]
- WO 2016056135 A [0002]
