JP2004518976A - 装置、電流測定器および自動車 - Google Patents

Abstract

電気的な導体（１）における電流強度を測定するために少なくとも１つのセンサ手段（１５）と導体（１）の第１の部分（１０）と導体（１）の第２の部分（２０）とが設けられており、第１の部分および第２の部分に設定されている電流の向きは逆平行に設定されておりかつセンサ手段（１５）は第１の部分および第２の部分（１０，２０）の間に設けられているという装置、電流測定器および自動車が提案される。

Description

【０００１】
従来の技術
少なくとも一時的に電流が貫流している導体の電流強度を正確に検出することは数多くの状況において必要である。このための例は、自動車の分野において例えばゼネレータおよび電気的な駆動装置の電気的なパラメータをこれらの作動期間中に求めることである。この場合電流の無接触の、損失の少ない、電位的に分離している測定が必要である。
【０００２】
電流を測定するための従来技術は現在の所、シャント抵抗である。殊に大電流の際の電流の高い損失電力およびその付加的な固有インダクタンスは望ましくない。更に、測定回路と主電流回路との間の電位の分離が保証されていなければならない。
【０００３】
更に、磁界センサ、例えばホールセンサ、ラテラルな磁気トランジスタ、磁気抵抗素子などが公知である。これらは電流が貫流する導体の磁界作用を正確に測定することができる。この場合殊に、測定回路と主電流回路との間が電位分離されていること、損失電力が僅かしか存在していないまたは全く存在していないことおよび測定すべき電流に影響を及ぼす、例えば誘導帰還結合または抵抗のような量が存在していないことが有利である。
【０００４】
しかし電流測定のために磁界センサを使用する際の問題は、障害ないし漂遊磁界が存在することである。これらは測定すべき電流導体に隣接して配置されている別の電流導体から出でくるものないしゼネレータの周囲に存在している回転する磁界によって引き起こされるものである。それ故に磁界センサによって測定すべき磁界と周囲の寄生漂遊磁界との間を区別することは難しい。
【０００５】
この種の困難を回避するための公知の措置は、磁界センサを障害となる磁界から遮蔽することおよび測定すべき磁界をいわゆる磁気回路によって集中化させることである。しかし感度の高いセンサに対する遮蔽は非常に煩雑でありかつコストがかかる。磁気回路は同様に高価でありかつ更に大きなユニットスペースが必要であり、更にその組み立ては困難である。磁気回路の別の欠点は、それが飽和する傾向にあること、従って電流強度と磁界強度との間に非線形性が生じる可能性があることである。
【０００６】
発明の利点
これに対してそれぞれの請求項に記載の特徴を備えた本発明の装置、本発明の電流測定器および本発明の自動車は、漂遊磁界によって強く負荷されている電磁的な周囲においても、電流が貫流する導体の電磁界は申し分なく測定可能であるという利点を有している。この場合殊に、測定強化が後からの電気的な増幅に基づいているのではなく、測定条件の最適化に基づいていることが有利である。更に、導体ジオメトリーにより磁界の周波数に依存した変化（スキン効果）は少なくとも部分的に取り除くことができかつインテリジェントな評価回路によってコストをかけて考慮する必要はない。更に、提案された導体ジオメトリーにより、電流センサの比較的調整の難しくない組み立ての可能性が得られる。
【０００７】
従属請求項に記載の構成によって、独立請求項に記載の装置、電流測定器および自動車の有利な発展形態および改良形態が可能である。
【０００８】
導体が第１の導体領域において実質的に馬蹄形に設けられておりかつこれにより第１の馬蹄形を形成しており、ここで第１の部分が第１の馬蹄形の一方の脚部の部分を形成しておりかつ第２の部分が第１の馬蹄形の他方の脚部の部分を形成していると殊に有利である。これにより、導体の固有インダクタンスは僅かである。というのは、閉成された電流ループが使用されるからである。
【０００９】
更に、第２のセンサ手段、導体の第３の部分および導体の第４の部分が設けられており、ここで第３および第４の部分に設定されている電流の向きは逆平行に設定されておりかつ第２のセンサ手段は第３および第４の部分間に設けられていると有利である。これにより、導体の測定可能な磁界は付加的な磁界集中手段を使用せずとも、少なくとも係数４だけ増強される。増強は導体を特有に成形しかつ少なくとも２つの相互接続された２つのセンサ手段を使用することだけでも行われる。これにより、場合により製造またはテクノロジーに規定されて生じる信号オフセットを取り除くことができる。これにより更に、例えば温度に依存している漏れ電流、オフセットなどのようなセンサ手段の温度依存性も少なくとも部分的に補償される。
【００１０】
図面
本発明の実施例は図示されておりかつ以下の説明において詳細に説明する。その際
図１は電気的な導体の概略図であり、
図２は電気的な導体の側面略図であり、
図３は電気的な導体の正面略図であり、
図４はセンサ手段に対する組み立ての例が示されている導体の概略図であり、
図５は導体の横断面およびセンサ手段に対する第１実施例の概略図であり、
図６は導体の横断面およびセンサ手段に対する第２実施例の概略図である。
【００１１】
実施例の説明
図１、図２および図３において電気的な導体１が種々様々な表示法で図示されている。導体１は本発明によれば複数の部分を有しており、その際第１の部分には参照番号１が付されており、第２の部分には参照番号２０が付されており、第３の部分には参照番号３０が付されており、第４の部分には参照番号４０が付されている。導体１は更に、実質的に馬蹄形に設けられている第１の導体領域１００を有している。第１の導体領域１００は第１の部分１０および第２の部分２０を有している。第１の導体領域１００における馬蹄形は以下の成形によって生ぜしめられる：第１の導体領域１００は第１の部分１０および第２の部分２０の他に連結部分を有しており、連結部分は実質的に半円形に設けられておりかつこの部分の両端には第１の部分１０および第２の部分２０がそれぞれ、第１の導体領域１００によって形成される馬蹄形の脚として続く。同じように、第３の部分３０、第４の部分および付加的な連結部分によって第２の導体領域２００が馬蹄形に設けられている。導体１は２つの導体領域１００，２００によって２つの馬蹄形の４つの端部を有している。これらのうち本発明によれば異なった導体領域１００，２００の２つの端部が連結部分１５０を用いて次のように連結されている：２つの導体領域１００，２００が連結されておりかつその際に導体領域１００，２００によって形成される馬蹄形の別の２つの端部が電流の供給ないし取り出しのために用いられる。この場合中間部分１５０は殊に、同じように実質的に半円形に設けられている。本発明によれば殊に、２つの導体領域１００，２００が並んで配置されておりかつ同一に配向されているようになっている。本発明によれば導体横断面として殊に、円形の横断面が設けられているが、ここでは原理的に長方形および正方形の横断面が考えられる。
【００１２】
図４には、センサ手段に対する組み立て例を持った導体１が図示されている。ここにも部分１０，２０，３０，４０を持った導体１が図示されており、その際第２および第３の部分２０，３０は斜視図法的な表示によりマウント板５０によって隠されている。マウント板５０には第１のセンサ手段１５および第２のセンサ手段３５が存在している。更に連結部分１５０が図示されている。
【００１３】
図５には、導体１およびセンサ手段１５，３５による第１の実施例が横断面にて示されている。図５の断面図は図４の装置をそこに図示のラインＡ−Ａ′に沿って切断することによって生じる。図５の横断面は装置の平面図として示されており、その際導体部分１０，２０，３０，４０が見えている。第１の部分１０は電流供給のために使用され、それ故に第１の部分１０には図５の第１の部分１０の中に○印が付けられている。これは、第１の部分における電流方向が図平面から出て観察者の方に配向されていることを表すものである。第４の部分４０は電流取り出し部として設けられている。ここで第４の部分４０にはその中に×印が付けられている。これは、この場合の電流方向が図平面に向かって設定されていることを表そうとしている。これにより、第１の磁力線１１に対する配向が生じる。この磁力線は第１の部分１０の周りの磁界を表そうとするものでありかつ第１の部分１０における電流方向のために、図平面から出て反時計方向に配向されている。第２の磁力線２１は第２の部分２０の周りに図示されており、その際その配向は時計方向で示されていて、第２の部分２０に示されている×印と同様に、第２の部分における電流方向が図平面内に配向されていることを表すものである。第３の部分３０において電流はここでも図平面から外に向かっており、それ故に第３の磁力線３１は第３の部分の周りに反時計方向に示されておりかつここでの電流方向が図平面から外に向かって配向されていることを表している。第４の磁力線４１は第４の部分４０の周りに図示されている。磁力線１１，２１，３１，４１の配向は参照番号によって詳細には示されていない矢印によって図示されている。図５に図示の第１のセンサ手段１５は第１の部分１０と第２の部分２０との間に真ん中に配置されていることが分かる。第１の部分１０と第２の部分２０との実質的に平行な配向および第１の部分１０および第２の部分２０における異なっている電流の向きによって、２つの部分１０，２０における電流方向が逆平行に配向されていることになる。この結果として、２つの部分１０，２０に電流が流れることによって引き起こされる磁界が第１のセンサ手段１５のある場所に、すなわち第１および第２の部分１０，２０間の真ん中で重畳されかつ増強される（構造的な重畳）ことになる。同じことが第３の部分３０および第４の部分４０に関して第２のセンサ手段３５の場所においても生じる。更に、第１のセンサ手段１５の場所における合成磁界強度の向きは第２のセンサ手段３５の場所における合成磁界強度の向きとは反対方向に配向されていることが分かる。それ故に、測定信号が磁界の向きに依存して正または負であるセンサ手段１５，３５を使用しかつこれらセンサをマウント板５０上に同一の配向で組み付ければ、一方のセンサ手段が正の磁界を測定し、他方のセンサ手段が負の磁界を測定する。それから図示されていない評価回路において２つの測定信号が相互に減算されるべきであり、これにより総信号は２倍の大きさにされる。２つのセンサの出力信号を直接相互接続することも考えられる。全体として、真っ直ぐな導体に唯一のセンサを使用した場合に比べて４倍の信号が測定される。
【００１４】
導体１は第１の導体領域１００および第２の導体領域２００によって２つのＵ字形と記述することもできる。円形状の導体横断面は有利である。その理由はこのようにすれば導体を流れる電流によって引き起こされる磁界が電流の周波数に無関係であるからである。すなわち長方形の導体の場合、スキン効果により電流の流れが周波数に依存して変形することになる。その場合導体表面に高められた電流密度が生じる。このために磁界経過の強すぎる空間的な変化が生じることになる。このことは円形の横断面を有する導体１では生じない。導体１の直径は用途に応じて、流れる電流の強度および低減すべき固有インダクタンスに相応して選択されるべきである。部分１０，２０，３０，４０の相互間隔は本発明によれば、相互の影響または相互作用が最小化されるように選択される。
【００１５】
既述したように、センサ手段１５，３５の場所における磁界強度は第１および第２の部分１０，２０ないし第３および第４の部分における反対方向のないし逆平行な電流配向によって２倍化される。本発明によれば磁界センサは、センサ表面に対して平行に延在している磁界を感知するセンサ手段１５，３５として使用される。このことは例えばラテラルな磁気トランジスタにおいて生じる。センサ表面に対して垂直方向に延在している磁界を感知するセンサに対しては、その組み込み姿勢を相応に選択すればよい。２つの磁界センサを相互接続すれば、本発明による特有の導体の幾何学的な構成配置、すなわち導体ジオメトリー（２重のＵ字形）と関連して更に次の利点が得られる：磁気センサが、製造またはプロセス技術的な理由が原因で生じる信号オフセットを有している場合に、このオフセットは個別のセンサを使用した際には相応に煩雑なプロセスガイドによって回避されるかまたは後から評価回路によって等化されなければならない。信号オフセットが匹敵し得るものである２つの磁界センサの使用によって、このオフセットは２つのセンサの相互接続によって補償される。これにより、オフセットの場合により生じる温度依存性も同様に自動的に取り除かれる。センサの本発明の配置構成は更に、一方において導体１を漂遊および妨害磁界に対する遮蔽として利用することができるという利点を有している。すなわち、センサの上方および下方の所望しない磁界が遮蔽される。他方において、マウント板５０に平行に延在しておりかつセンサ手段１５，３５が原理的に見て感応してしまう可能性がある妨害磁界も補償される。というのは、このような妨害磁界はセンサの相互接続によって補償されるからである。本発明によればこの配置構成は寄生妨害および漂遊磁界に対して殆ど感応しないように実現されている。２つのセンサ手段１５，３５間の相互の最小間隔は主電流回路に対して必要である導体直径によってだけ制限される。典型的にはセンサ手段１５，３５間の間隔は７数ミリメートルないし数センチメートルである。
【００１６】
選択された導体ジオメトリーは組み立ての際に製造技術的な利点も提供する。マウント板５０は適当な成形によって非常に精確に、Ｕ字形の導体に整合するように組み立てることができる。このために、例えば図示されていない半円形の溝または切り欠きがマウント板５０の上縁部に設けられている。その場合導体に対して相対的な、センサのラテラル方向の配置はストラクチャ化されたマウント板５０へ予め組み付けることによって行い得る。原理的に、センサ手段１５，３５を第１の部分１０および第２の部分２０の間、ないし第３の部分３０および第４の部分４０の間に正確に真ん中に配置することが問題である。この場合真ん中を正確にキープすることが重要である。というのは構造的に重畳される磁界はそこで最大だからである。ここでまた正確でかつ再現可能な組み込みを保証するために、マウント板５０は例えば片側をそれぞれ部分１０，２０，３０，４０の２つの載着することができるかまたは２つのマウント板を設けて、これらの間にセンサ手段１５，３５が来るようにしかつこれらマウント板がセンサ手段１５，３５と一緒にそれぞれ２つの部分１０，２０，３０，４０間の間隔を正確に充たすようにすることができる。この第２の態様に対して、例えばフリップチップ組み立て技術、Ａｓｉｃ集積および類似のものが適している。この手法において図示の自己調整形マウント板による高価でかつ煩雑な精密組み立てが回避される。
【００１７】
図示されていない評価回路はできるだけセンサ手段１５，３５の近傍に配置して、センサ場所と評価場所との間の信号伝送における障害が最小限になるようにすべきである。この場合、マウント板に評価回路を設けることが提案される。
【００１８】
更に本発明によれば、システム全体をパッケージするようになっており、その際必要に応じて延長されている部分１０，２０，３０，４０だけが電流供給のためおよび電流取り出しのためにケーシングから突出しておりかつ更に評価回路に対する接続端子がアクセスできるようになっておりかつその他、導体ジオメトリーはマウント板５０を含めて例えば注型成形材によってパッケージ化されている。このようにしてパッケージ化されたセンサユニットは本発明によれば電流測定器と称される。それからこの種の電流測定器の、適用の主電流回路、例えばゼネレータの位相ストランドへの集積は殊に、適当なアダプタを介してまたは差し込み装着、はんだ付け、溶接などによって行われる。
【００１９】
更にパッケージ化により、付加的に漂遊ないし妨害磁界を遮蔽することが可能になる。測定のために必要な、導体の磁界およびセンサ手段は電流測定器の内部に存在しているので、もし仮に、これまで説明してきた構造的な問題で生じる、装置の遮蔽作用がまだ十分でないとしても、内部を遮蔽材料により外部世界から遮蔽することができる。装置の遮蔽作用が十分でないことは漂遊磁界が空間的に著しく不均質かまたは迅速に変化する場合に起こり得るである。遮蔽作用をするパッケージとして本発明によれば、外部の漂遊磁界の侵入を妨げる特有の溶融物などの注型成形材が設定されている。電流測定器全体に遮蔽材料、例えば遮蔽シート、μメタルなどを被せるまたは蒸着させることも可能である。
【００２０】
図６には、導体ジオメトリーとセンサ手段とから成る本発明の装置の第２の実施例が図示されている。この場合第１のセンサ手段１５および第２のセンサ手段３５の他に更に、第３のセンサ手段１６および第４のセンサ手段３６が設けられており、その際第３のセンサ手段１６は第２の部分と第３の部分３０との間に配置されておりかつ第４のセンサ手段３６は第１の部分１０と第４の部分４０との間に配置されておりかつ第３のセンサ手段１６および第４のセンサ手段３６は別のマウント板５１に配置されている。
【００２１】
この場合評価技術的にはそれぞれ、第１のセンサ手段１５および第２のセンサ手段３５の測定信号を相互に減算しかつ第３のセンサ手段１６の測定信号および第４のセンサ手段３６の測定信号を相互に減算しかつ引き続いてこれらの結果を加算すべきである。これにより、単一の真っ直ぐな導体に比べて、８倍の測定信号が得られ、その際上述したように、第１のセンサ手段１５および第２のセンサ手段３５から成るセンサ対および第３のセンサ手段１６および第４のセンサ手段３６から成るセンサ対はそれぞれ、反対方向のオフセット、温度および漂遊磁界補償を考慮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
電気的な導体の概略図である。
【図２】
電気的な導体の側面略図である。
【図３】
電気的な導体の正面略図である。
【図４】
センサ手段に対する組み立ての例が示されている導体の概略図である。
【図５】
導体の横断面およびセンサ手段に対する第１実施例の概略図である。
【図６】
導体の横断面およびセンサ手段に対する第２実施例の概略図である。

Claims (9)

1. 電気的な導体（１）における電流強度を測定するための装置であって、
   少なくとも１つのセンサ手段（１５）と導体（１）の第１の部分（１０）と導体（１）の第２の部分（２０）とを備えており、
   第１の部分および第２の部分に設定されている電流の向きは逆平行に設定されておりかつ
   センサ手段（１５）は第１の部分および第２の部分（１０，２０）の間に設けられている
   導体の電流強度測定装置。
2. 第１の部分（１０）および第２の部分（２０）はセンサ手段（１５）の最高の感度の領域において実質的に相互に平行に延在している
   請求項１記載の装置。
3. 導体（１）は第１の導体領域（１００）において実質的に馬蹄形に設けられておりかつこれにより第１の馬蹄形を形成しており、ここで第１の部分（１０）は第１の馬蹄形の一方の脚部の部分を形成しておりかつ第２の部分（２０）は第１の馬蹄形の他方の脚部の部分を形成している
   請求項１または２記載の装置。
4. 第２のセンサ手段（３５）、導体（１）の第３の部分（３０）および導体（１）の第４の部分（４０）が設けられており、ここで第３および第４の部分（３０，４０）に設定されている電流の向きは逆平行に設定されておりかつ第２のセンサ手段（３５）は第３および第４の部分（３０，４０）間に設けられている
   請求項１または２記載の装置。
5. 導体（１）は第２の導体領域（２００）において実質的に馬蹄形に設けられておりかつこれにより第２の馬蹄形を形成し、
   第３の部分（３０）は第２の馬蹄形の一方の脚部の部分を形成しており、
   第４の部分（４０）は第２の馬蹄形の他方の脚部の部分を形成しておりかつ
   第１の馬蹄形の脚部と第２の馬蹄形の脚部は連結されている
   請求項４記載の装置。
6. 導体横断面は円形に設定されている
   請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. センサ手段（１５，３５）として磁界センサ、例えばホールセンサ、ラテラルな磁気トランジスタおよび／または磁気抵抗効果抵抗がある
   請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の装置を備えた電流測定器。
9. 請求項１から７までのいずれか１項記載の装置または請求項８記載の電流測定器を備えた自動車。