JP2007292548A

JP2007292548A - 大電流検出装置

Info

Publication number: JP2007292548A
Application number: JP2006119305A
Authority: JP
Inventors: Masato Noro; 正人野呂; Makoto Tejima; 信手嶋
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】全体の大電流値を、簡便に検出することが可能な大電流検出装置を提供すること。
【解決手段】幹流ラインを４分割し、その分割幹流ライン３１は、分流ライン２を中心に、その廻りに上下左右対称位置に配置され、分割幹流ライン３１で発生する磁束を打ち消しあうことで、幹流ラインより小電流の分流ライン２に挿入した電流センサ１で高周波領域での電流検知を可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、大電流検出装置に関するものである。

図６は従来の電流センサの構成を示す斜視図である。特許文献１に開示されているように、この種の電流センサは、高い比透磁率特性を有する矩形状コアの一部を切除して形成したＣ字型の磁性コア７のコアギャップ１８内に、磁気検出素子１１、例えば、ホール素子を挿入するとともに、磁性コア７及び磁気検出素子１１を基板１２に接着剤等により固着している。そして、磁性コア７の磁路に一次コイル１３を巻回し、一次コイル１３に流れる電流と、磁性コア７に巻回した一次コイル１３の巻数に比例してコアギヤップ１８に発生した磁束を磁気検出素子１１で検出し、磁気検出素子１１の出力を増幅回路１４により増幅するように構成している。このような構成による従来の電流センサにおいては、一次コイル１３に被検出電流を流し、これによってコアギャップ１８に発生する磁束に比例して磁気検出素子１１に発生する電圧を測定し、電流値を検出している。

特開平０７−０４３３８８号公報

しかしながら、最近のハイブリッド車や電気自動車では、例えば６００アンペア以上の大電流を検出しなければならない。また、その周波数は直流電流のみではなく直流電流に重畳する１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの交流電流を検出する必要がある。その場合に、特許文献１に記載されている構成では、一次コイル１３を流れる被検出電流が６００アンペア以上の大電流においては、使用するコアが大型化してしまい、また一次コイル１３の電線も太線化するため、全体的に大型で、重厚で、高価な電流センサになってしまうという問題点があった。

また検出電流が１０ｋＨｚまで高周波化すると隣り合うラインへの磁気結合により測定精度が劣化するという問題点があった。

本発明は、従来の電流センサの欠点を解消し、直流電流の検出と、直流電流が重畳している交流電流の検出を小型の電流センサで大電流が検出可能な大電流検出装置を提供することにある。

本発明は、前記課題の解決のため、直流電流と直流電流に重畳する交流電流からなる大電流電気回路において、大電流電気回路を幹流ラインと分流ラインとに分割し、分流ラインに電流センサを挿入したことを特徴とする大電流検出装置である。

さらに、大電流電気回路は単相または二相あるいは三相構造からなり、電流センサは、高い比透磁率特性を有する磁性コアからなる磁気回路内の一部にコアギャップを形成し、磁性コアには被検出電流が通電された分流ラインを貫通または複数回巻回し、コアのギャップ内に磁気検出素子を挿入したことを特徴とする大電流検出装置である。

また、幹流ラインは、同じ電流が均等に流れるように分割された分割幹流ラインを形成し、隣り合う分割幹流ラインで発生する磁束を、互いに打ち消しあうように配置し、互いに隣接する単相毎の相間に磁気シールドを施したことを特徴とする大電流検出装置である。

また、分割幹流ラインは、分流ラインを中心に、その廻りに上下左右対称位置にて、互いの磁束が打ち消しあうように配置されたことを特徴とする大電流検出装置である。

分割幹流ラインは、ツイストペア導体からなり導体のおのおのが、ひとつの磁性コアに貫通または複数回巻回され磁気結合し、ツイストペア位置にて、互いの磁束が打ち消しあうように配置されたことを特徴とする大電流検出装置でもある。即ち、ツイストペア導体にすることより、外部磁場発生を抑止する効果や、隣合うループ同士が、外来ノイズの影響や、発生ノイズの放射を相殺する効果がある。

従って、本発明によれば、大電流回路を幹流ラインと分流ラインとに分割することにより、分流ラインの小電流値を検知することで全体の大電流値を検出することができる。また、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの高周波領域では、発生する磁束が隣接するラインに結合するため、幹流ラインをさらに複数に分割して分割幹流ラインとしてその各々の分割幹流ライン同士で発生する磁束を打ち消しあうようにすることで小型、軽量、安価の電流センサで大電流・高周波の電流検出を精度良く行うことができる。

図１は、本発明の実施の形態に係わる大電流検出装置の説明図である。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は回路図である。本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１（ｂ）の回路図より、単相インバータの場合、４個のＩＧＢＴ（スイッチング素子）６ａ〜６ｄをモータ５（負荷）に対してブリッジに組んで、対角線のＩＧＢＴ（スイッチング素子）６ａ、６ｄを開けば、電流源４から電圧がかかり６ａ→６ｄに電流が流れる。逆に６ａ、６ｄを閉じ、６ｂ、６ｃを開くと６ｃ→６ｂに電流が流れる。その際、ブリッジ内に接続された分流ライン上の磁気センサからなる電流を検出するための電流センサ１に電流が流れる。４個のＩＧＢＴ（スイッチング素子）６ａ〜６ｄをそれぞれターンオン、ターンオフさせ、その間隔を可変すれば、周波数も可変することになる。

例えば、Ａアンペア（Ａ＝Ａ１＋Ａ２）の大電流の場合、Ａ１アンペアの幹流ライン３とＡ２アンペアの分流ライン２に分岐することでＡ２アンペアの分流ライン２を電流センサ１で検知するだけで、全体のＡアンペアの電流を検知できる。ただし、Ａ１とＡ２との電流値の差が大きい時（Ａ１＞＞Ａ２）、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの高周波電流においては幹流側の大電流（Ａ１アンペア）は上記の例では電流センサ１を装着している分流ライン２（Ａ２アンペア）のＡ1／Ａ２倍の大きな磁束が発生して、分流に干渉しているため真の電流値が検知できない。

図２は、本発明の実施の形態に係わる分割幹流ラインを形成した時の大電流検出装置の説明図である。図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は回路図である。本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図２（ｂ）の回路図の場合も、図１（ｂ）と同様に４個のＩＧＢＴ（スイッチング素子）６ａ〜６ｄをそれぞれターンオン、ターンオフさせ、そのオン・オフの間隔を可変させて、周波数を変化させている。

図２は、図１の問題点、即ちＡ１とＡ２との電流値の差が大きい時の問題点を解決するための手段として、幹流ラインを４分割し、その分割幹流ライン３１の隣り合うラインで発生する磁束が互いに打ち消しあうように配置した場合であり、このように分割することにより、幹流ラインより小電流の分流ライン２に挿入した電流センサ１で高周波領域での電流検知を可能とした。

図３は、本発明の実施の形態に係わる別の大電流検出装置の説明図である。図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は回路図である。本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図３（ｂ）の回路図の場合も、図１（ｂ）、図２（ｂ）と同様、４個のＩＧＢＴ（スイッチング素子）６ａ〜６ｄをそれぞれターンオンさせ、そのオン・オフの間隔を可変させて、周波数を変化させている。

図３は、幹流ライン３から分流ライン２に干渉する磁束をキャンセリングする例で幹流ライン３の往路と復路が同電流で互いに逆位相のとなるように、同一磁性コア７に巻線することで互いに発生磁束が打ち消しあうようにした場合である。

図４は、本発明の実施の形態に係わる電流センサの説明図である。図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は分流ラインを貫通した状態を示す図、図４（ｃ）は分流ラインを複数回巻回した状態を示す図である。本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。磁気検出素子１１は、磁気信号を電気信号に変換する磁気センサで、磁性コア７に生じた磁束に応じた出力電圧を発生する。磁性コア７は、薄板状のパーマロイを絶縁積層したＣ字型鉄心で、ギャップに磁気検出素子１１を設けて閉磁路を形成している。また、電流センサ１に分流ライン２を貫通させた場合を図４（ｂ）に、電流センサ１に分流ライン２を複数回巻回した場合を状態図４（ｂ）に示した。

次に、具体的な実施例を挙げ、本発明の大電流検出装置について、さらに詳しく説明する。

表１に、図１の実施例として５０アンペアの電流回路を幹流ラインと分流ラインとに２等分に分割した場合の、周波数を１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚに変化させた時の分流ラインでの直流電流値と、図２の実施例として５０アンペアの電流回路を、分流ライン１本を中心に、その廻りに上下左右対称に幹流ライン４本とに５等分に分割した場合の、周波数を１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚに変化させた時の分流ラインでの直流電流値の値を示した。比較例として、分流させない時の幹流ラインのみの周波数を１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚに変化させた時の直流電流値も示した。

表１より、２等分に分割した（分流ライン１本）場合、１００Ｈｚで２５．０アンペア、１０００Ｈｚでも２４．３アンペアの実測値が得られ実用可能であることが確認できた。なお周波数の増加とともに直流電流値が低下するのは、比較例の分流させない時の幹流ラインのみの周波数を１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚに変化させた時も直流電流値が低下することにより、試験に用いた増幅器の周波数特性に起因していることが推定される。

同様に分流ライン１本を中心に、その廻りに上下左右対称に幹流ライン４本とに５等分に分割した（分流ライン４本）場合、１００Ｈｚで１０．２アンペア、１０００Ｈｚでも９．８アンペアの実測値が得られ実用可能であることが確認できた。図５は、本発明の実施例に係わる分流数と周波数特性との関係を示した説明図である。分流数４本の方が、分流数１本に比べれば、周波数特性の傾向は分流数なしの単品に近いことがわかる。

表２に、図２で示した分割幹流ラインを形成した時、相間に板状の珪素鋼板を挿入し磁気シールド有無での影響度を示した。５０アンペアの電流を幹流ラインに流し、磁気シールドを施した場合と、そうでない場合について、隣接する位置にて電流を流さない状態で、ラインに電流センサを装着し測定した。５０アンペア、周波数１００Ｈｚで、磁気シールドを施した場合を、暗ノイズレベルとし、それを基準に影響度を算出した。

表２より、磁気シールドなしでは、１０００Ｈｚで４．２％の影響度があったものが、磁気シールドにより、１０００Ｈｚでも０．９％の影響度まで改善され、磁気シールドの効果が認められた。

本発明は、ハイブリッド車や電気自動車に好適なバッテリー、モーター等の回路の大電流検出装置であって、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの高周波領域において、高周波電流により発生する磁束を打ち消しあうような構成の小型で、軽量で、安価な検出精度を向上させた大電流検出装置である。

本発明の実施の形態に係わる大電流検出装置の説明図。図１（ａ）は斜視図。図１（ｂ）は回路図。本発明の実施の形態に係わる分割幹流ラインを形成した時の大電流検出装置の説明図。図２（ａ）は斜視図。図２（ｂ）は回路図。本発明の実施の形態に係わる別の大電流検出装置の説明図。図３（ａ）は斜視図。図３（ｂ）は回路図。本発明の実施の形態に係わる電流センサの説明図。図４（ａ）は斜視図。図４（ｂ）は分流ラインを貫通した状態を示す図。図４（ｃ）は分流ラインを複数回巻回した状態を示す図。本発明の実施例に係わる分流数と周波数特性との関係を示した説明図。従来の電流センサの構成を示す斜視図

符号の説明

１電流センサ
２分流ライン
３幹流ライン
３１分割幹流ライン
４電流源
５モータ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄＩＧＢＴ（スイッチング素子）
７磁性コア
８ケース
１１磁気検出素子
１２基板
１３一次コイル
１４増幅回路
１５二次コイル
１６，１７交流電流に対応した信号出力端子
１８コアギャップ
１９直流電流に対応した信号出力端子

Claims

直流電流と前記直流電流に重畳する交流電流からなる大電流電気回路において、前記大電流電気回路を幹流ラインと分流ラインとに分割し、前記分流ラインに電流センサを挿入したことを特徴とする大電流検出装置。
前記大電流電気回路は単相または二相あるいは三相構造からなり、前記電流センサは、磁性コアからなる磁気回路内の一部にコアギャップを形成してなり、前記磁性コアには被検出電流が通電された前記分流ラインを貫通または複数回巻回し、前記コアのギャップ内に磁気検出素子を挿入してなることを特徴とする請求項１に記載の大電流検出装置。
前記幹流ラインは、同じ電流が均等に流れるように分割された分割幹流ラインを形成し、隣り合う前記分割幹流ラインで発生する磁束を、互いに打ち消しあうように配置し、互いに隣接する前記単相毎の相間に磁気シールドを施したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の大電流検出装置。
前記分割幹流ラインは、前記分流ラインを中心に、その廻りに上下左右対称位置にて、互いの磁束が打ち消しあうように配置されたことを特徴とする請求項３に記載の大電流検出装置。
前記分割幹流ラインは、ツイストペア導体からなり前記ツイストペア導体のおのおのが、ひとつの磁性コアに貫通または複数回巻回され磁気結合し、ツイストペア位置にて、互いの磁束が打ち消しあうように配置されたことを特徴とする請求項３に記載の大電流検出装置。