JP2015175757A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、Ｌ字に屈曲しているバスバ（導電部材）のＬ字の近傍に磁電変換素子を設置しなければならないときに好適な電流センサの形態を提供する。
【解決手段】電流センサ２０は、Ｌ字に屈曲しており計測対象の電流を通すバスバ２と磁電変換素子３と磁気遮蔽板４を備える。磁電変換素子３は、バスバのＬ字の一方の直線部分２１の側面であってＬ字の屈曲の外側の側面２１ａに隣接して配置されている。磁気遮蔽板４は、バスバのＬ字の他方の直線部分２２の側面であってＬ字の屈曲の内側の側面２２ａに沿って配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関する。

三相交流モータを電流フィードバック制御するシステムでは、三相の出力電流をモニタする電流センサが備えられる。モータの出力が大きい場合、三相交流出力の伝達にはバスバと呼ばれる細長い金属棒あるいは金属板が使われる。三相交流電力は、平行に伸びるバスバで伝達される。電流センサは少なくとも１本のバスバに備えられる。電流センサは、典型的には磁電変換素子であり、バスバを流れる電流に起因する磁界を検知する。検知した磁界の大きさでバスバを流れる電流の大きさが解る。

従来は計測対象のバスバをＣ字型の集磁コアで囲み、Ｃ字の切れ目に磁電変換素子を配置していた。近年、磁電変換素子の感度が向上し、集磁コアなしで磁電変換素子だけで電流を計測する電流センサが登場している。集磁コアを要しないため、この電流センサは小型で低コストである。しかし、集磁コアを備えないため、磁電変換素子は、計測対象以外のバスバを流れる電流に起因する磁界を検知してしまう。すなわち、計測精度が高くはない。

そこで、集磁コアを備えず、計測対象の電流を流す細長平板状の金属部材（バスバ）と磁電変換素子で構成された電流センサの感度を高める技術が検討されている（特許文献１−２）。特許文献１の技術は次の通りである。計測対象の電流を流す導電部材の一部がＬ字に屈曲させられる。そのＬ字の屈曲の内側に磁電変換素子が配置される。磁電変換素子は、その２方向をＬ字の導電部材で囲まれる。Ｌ字を含む平面内で、Ｌ字の導電部材で囲まれていない磁電変換素子の他の２方向が磁気遮蔽板によって囲まれる。導電部材を流れる電流により、Ｌ字の２つの直線部分の夫々が発生する磁束が磁電変換素子を貫通する。従って磁電変換素子が計測する磁束が強くなり、その結果、電流の計測精度が高まる。また、Ｌ字の導電部材は、Ｌ字が囲む２方向から来るノイズを遮断する役割も果たす。磁気遮蔽板は、他の２方向から来るノイズを遮断する。

特許文献２に開示された技術は次の通りである。計測対象の電流を流す細長平板状の金属材がＵ字に曲げられ、Ｕ字の先端を互いに逆方向に直角に屈曲させた導電部材のＵ字の内側に磁電変換素子が配置される。Ｕ字部分が空芯コアとなり、導電部材を流れる電流による磁束はＵ字の内側に集中する。従って磁電変換素子が計測する磁束が強くなり、その結果、電流の計測精度が高まる。

以下では、集磁コアを備えずに導電部材と磁電変換素子で構成される電流センサをコアレス電流センサと称することにする。

特開２００６−０３８６４０号公報 特開２００７−１８３２２１号公報

電流センサの適用先の一つに電動車両に搭載され、走行用のモータに電力を供給する電力変換器が挙げられる。電力変換器は走行用モータを電流制御するので三相交流出力用のバスバの夫々に電流センサが設けられる。例えば、図４にそのようなバスバの一例を示す。図４に示すように、三相交流を出力するため、３本のバスバ９１が平行に並んでいる。バスバ９１の一端９１ａは、インバータ回路のパワーデバイスの端子に接続される。バスバ９１の孔が設けられた他端９１ｂは、モータに電力を供給するパワーケーブルが接続されるコネクタの端子に相当する。図４の例では、各バスバに電流センサの集磁コア９２が配置されている。Ｃ字の集磁コアの切れ目に磁電変換素子が配置されるが図４ではその図示は省略されている。なお、符号９３は、磁電変換素子の信号を処理する基板である。図では省略しているが、３個の集磁コア９２と磁電変換素子、及び、基板９３は、樹脂でモールドされる。

車載機器には小型化も求められる。バスバの配索も自由度が少なく、図４に典型的に示されているように、バスバを数回屈曲させることも珍しくない。長く直線的な導電部材であれば、発生する磁界は導電部材を中心に円筒状に形成されるので、磁電変換素子に影響を与える磁束は導電部材に直交する平面内だけで考慮すればよい。しかしながら、図４に示すように導電部材が屈曲している場合、屈曲している箇所では磁界は三次元的な拡がりを有する。そのようなバスバにコアレス電流センサが採用されると、隣接するバスバだけでなく、計測対象の電流が流れる自らのバスバが発生する磁束が磁電変換素子のノイズとなる可能性がある。

本明細書は上記の課題に鑑みて創作された。本明細書が開示する技術は、例えば他のデバイスとの搭載レイアウトの都合でＬ字に屈曲しているバスバ（導電部材）のＬ字の近傍に磁電変換素子を設置しなければならないときに好適な電流センサの形態を提供する。

本明細書が開示する電流センサの一態様は、Ｌ字に屈曲しており、計測対象の電流を通す導電部材と、磁電変換素子と、磁気遮蔽板を備える。磁電変換素子は、導電部材のＬ字の一方の直線部分の側面であってＬ字の屈曲の外側の側面に隣接して配置されている。磁気遮蔽板は、導電部材のＬ字の他方の直線部分の側面であってＬ字の屈曲の内側の側面に沿って配置されている。以下では、Ｌ字の導電部材の一部であって、磁電変換素子が隣接している直線部分を「計測部位」と称し、計測部位に対して屈曲している他方の直線部分を「非計測部位」と称する。

上記の電流センサでは、磁電変換素子が計測部位から発生する磁束を計測する。同時に上記の電流センサでは、磁気遮蔽板が、非計測部位から発生する磁束を磁電変換素子から遮断する。本明細書が開示する技術は、特許文献１や２の技術ように導電部材を意図的に屈曲させて磁電変換素子を貫通する磁束を増大させるのではなく、むしろ逆に、磁電変換素子には隣接する近傍の導電部材の部位からの磁束だけを選択的に計測させる。即ち、この技術により、他の部位が発生する磁束が遮断される。そのような機能により、磁電変換素子が計測する磁束と電流の関係を精密に特定することができ、それによって電流センサの感度が高まる。

本明細書が開示する技術によれば、集磁コアを要しない電流センサの感度を高めることができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例の電流センサの斜視図である。 第２実施例の電流センサの斜視図である。 平行に伸びるバスバに実施例の電流センサを取り付けた一例を示す斜視図である。 平行に伸びるバスバと従来技術による電流センサの一例を示す斜視図である。

（第１実施例）図１を参照して第１実施例の電流センサ２０を説明する。図１に示すように、電流センサ２０は、屈曲したバスバ２（導通部材）と磁電変換素子３と磁気遮蔽板４により構成されている。図１に示すように、電流センサ２０は、集磁コアを有していない。図中の太線矢印の方向に示すように、バスバ２には計測対象の電流が流れると仮定する。図中に示すバスバ２は、延伸するバスバの一部である。なお、本明細書で開示する技術は、特定の形状を有しているバスバに対する磁電変換素子と磁気遮蔽板のレイアウトにより磁電変換素子の計測精度を高めることに関する。そのため、特定の形状を有しているバスバの一部も、電流センサ２０を構成する要素の一部である。以下、電流センサ２０を「コアレス電流センサ２０」と称する。また、図中には座標系が示されており、本明細書では適時その座標系を用いて、実施例の構成を説明する。

図１に示すように、バスバ２は２箇所でＬ字形状に屈曲している。以下、２箇所の内、電流の流れにおける下流側に位置するＬ字に屈曲した部分について説明する。ここで、このＬ字部分において、Ｌ字の一方の直線部分であって、電流の下流側に位置する部位を「計測部位２１」と称し、Ｌ字の他方の直線部分であって、電流の上流側に位置する部位を「非計測部位２２」と称する。

磁電変換素子３は、計測部位２１の側面であってＬ字の屈曲の外側の側面２１ａに隣接して配置されている。
図中では、側面２１ａは計測部位２１の上面に相当する。計測部位２１には、電流の流れる方向（Ｙ軸の負の方向）に直交する断面を囲うように磁束が発生し、この磁束は計測部位２１の側面２１ａに配置された磁電変換素子３を通過する。磁電変換素子３を通過するこの磁束の大きさから計測部位２１（バスバ２）を流れる電流の大きさを計測することができる。

磁気遮蔽板４は、強磁性体材料、具体的には鉄で作られた平板である。磁気遮蔽板４は、バスバ２の非計測部位２２の側面であってＬ字の屈曲の内側の側面２２ａに沿って配置されている。
磁気遮蔽板４は、その幅広の側面と側面２２ａが対向するように配置されている。また、磁気遮蔽板４は、計測部位２１の延伸方向（Ｙ軸方向）から見たときに、非計測部位２２を挟んで線対称になっている。

理論的には、バスバを流れる電流に起因する磁束は、電流の流れ方向と直交するバスバの断面を囲うように発生する。しかし、実施例のように、バスバが屈曲している場合、屈曲している箇所では磁束は三次元的な拡がりを有する。図１では、符号ＭＦ１で示す矢印が、その磁束の一例を表している。なお、非計測部位２２が発する磁束は前述したように３次元的に拡がるが、矢印線ＭＦ１は、その一部だけを示している。磁束ＭＦ１は、非計測部位２２を流れる電流に起因して発生する磁束であり、磁束ＭＦ１は、非計測部位２２の電流の流れ方向と直交する断面に対して、計測部位２１が位置する方向に向かって斜めになるように発生する。ここで、Ｌ字の屈曲の内側には、磁気遮蔽板４が非計測部位２２の側面２２ａに沿って配置されている。実線矢印ＭＦ１に続く破線矢印で示すように、磁束ＭＦ１は磁気遮蔽板４によって遮断され、磁気遮蔽板４を境に計測部位２１が位置する側には、非計測部位２２に流れる電流に起因する磁束がほとんど発生しない（破線矢印は、磁束が存在しない、あるいは、磁束ＭＦ１よりも遥かに弱い磁束しか存在しないことを表している）。したがって、計測部位２１に位置する磁電変換素子３は、計測部位２１を流れる電流に起因する磁束だけを選択的に計測することができる。よって、磁電変換素子が計測する磁束と電流の関係を精密に特定することができ、それによって電流センサ２０の感度を高めることができる。

（第２実施例）図２を参照して第２実施例の電流センサ１００について説明する。電流センサ１００のバスバ１２は、第１実施例の電流センサ２０のバスバ２の下流側の先をさらにＬ字に屈曲させた形状をしている。即ち、バスバ１２の延伸方向と直交するバスバ幅方向（Ｘ軸方向）から見ると、バスバ１２はＵ字に直角に屈曲した形状をしている。磁電変換素子１３は、そのＵ字形状の底に相当する直線部分１２１の側面であって、Ｕ字の屈曲の外側に相当する側面１２１ａに隣接して配置されている。また、電流センサ１００は２枚の磁気遮蔽板１４ｂ、１４ｃを備えている。磁気遮蔽板１４ｂは、Ｕ字形状の一方の縦の直線に相当する直線部分１２２の側面であって、Ｕ字の屈曲の内側に相当する側面１２２ａに沿って配置されている。磁気遮蔽板１４ｃは、Ｕ字形状の他方の縦の直線に相当する直線部分１２３の側面であって、Ｕ字の屈曲の内側に相当する側面１２３ａに沿って配置されている。即ち、電流センサ１００を観察すると、直線部分１２１と直線部分１２２と磁電変換素子１３と磁気遮蔽板１４ｂを有する構成は、第１実施例の電流センサ２０と同様の構成をしている。同様に、直線部分１２１と直線部分１２３と磁電変換素子１３と磁気遮蔽板１４ｃを有する構成も、第１実施例の電流センサ２０と同様の構成をしている。この場合、直線部分１２１が第１実施例の計測部位２１に相当し、直線部分１２２、１２３が第１実施例の非計測部位２２に相当する。

このような構成によれば、第１実施例と同様に、図２の矢印で示す磁束ＭＦ２、ＭＦ３のように、非計測部位である直線部分１２２、１２３から発生する磁束は磁気遮蔽板１４ｂ、１４ｃにより遮断される。実線矢印ＭＦ２、ＭＦ３に続く破線矢印が、磁束が遮断されて磁気遮蔽板１４ｂと１４ｃの間の空間には磁束が及ばないことを表している。したがって、磁電変換素子１３は、計測部位である直線部分１２１を流れる電流による磁束だけを選択的に計測することができる。よって、第１実施例と同様に、電流センサ１００の感度を高めることができる。

図３を参照して、上記の実施例の電流センサを三相交流出力用のバスバに適用した一例を説明する。図３の電流センサ４００は、３本のバスバ４２と３個の磁電変換素子４３と、３個の磁気遮蔽板４４で構成される。図３に示すバスバ４２は走行用の三相交流モータに電力を供給する電力変換器に内蔵される。この電力変換装置は、電動車両に搭載される。この電力変換器の小型化に伴いバスバ４２の配策は制限され、それによりバスバ４２は複数回屈曲して配策される。バスバ４２は、三相出力に対応するために３本備えられており、各バスバ４２は互いに平行に並んでいる。バスバ４２の一端４２ｄには、電力変換器に内蔵されたインバータ回路のパワーデバイスの端子が接続される。一方、バスバ４２の孔が設けられた他端４２ｅには、三相交流モータに電力を供給するパワーケーブルが接続される。図３に示すように、複数回屈曲したバスバ４２の一部のＬ字に屈曲した部分に磁電変換素子４３及び磁気遮蔽板４４が配置されている。磁電変換素子４３は、Ｌ字の一方の直線部分４２１の側面であって、Ｌ字の屈曲の外側の側面４２１ａに隣接して配置されている。また、磁気遮蔽板４４は、Ｌ字の他方の直線部分４２２の側面であって、Ｌ字の屈曲の内側の側面４２２ａに沿って配置されている。即ち、バスバ４２の直線部分４２１、４２２と磁電変換素子４３と磁気遮蔽板４４を有する構成は、第１実施例の電流センサ２０と同様の構成をしている。残り２本のバスバ４２についても、同様に磁電変換素子４３と磁気遮蔽板４４が備えられている。この構成により、第１実施例と同様の効果を有した電流センサを三相交流出力用のバスバに適用することができる。

なお、直線部分４２１と別の直線部分４２３もＬ字に屈曲している。直線部分４２１が発する磁束が磁電変換素子４３を貫く方向と、直線部分４２３が発する磁束が磁電変換素子４３を貫く方向はほぼ直交する。磁電変換素子３は磁束を検知する方向と検知しない方向を有している。直線部分４２１が発する磁束が磁電変換素子４３を貫く方向が磁束を検知する方向であるとき、直線部分４２３が発する磁束が磁電変換素子４３を貫く方向は磁束を検知しない方向に相当する。それゆえ、図３の電流センサ４００は、別の直線部分４２３が発する磁束を遮断する遮蔽板は備えない。ただし、本明細書が開示する技術は、別の直線部分４２３が発する磁束を遮断する遮蔽板を備えることを除外するものではないことに留意されたい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、１２、４２：バスバ
３、１３、４３：磁電変換素子
４、１４ｂ、１４ｃ、４４：磁気遮蔽板
２１、１２１、４２１：計測部位（直線部分）
２２、１２２、４２２：非計測部位（直線部分）
ＭＦ１、ＭＦ２、ＭＦ３：磁束
２０、１００、４００：電流センサ

Claims (1)

1. Ｌ字に屈曲しており、計測対象の電流を通す導電部材と、
   前記導電部材のＬ字の一方の直線部分の側面であってＬ字の屈曲の外側の側面に隣接して配置されている磁電変換素子と、
   前記導電部材のＬ字の他方の直線部分の側面であってＬ字の屈曲の内側の側面に沿って配置されている磁気遮蔽板と、
   を備えることを特徴とする電流センサ。

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