JP2018080944A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、シールド枠を備える電流線センサであり、シールド枠のコストと重量の増加を抑えつつノイズ磁界の影響を抑制する。
【解決手段】電流センサ１０は、Ｘ方向に延びている複数のバスバ１３ａ−１３ｃと、複数の磁電変換素子１１ａ−１１ｃとシールド枠１４を備えている。バスバ１３ａ−１３ｃは、Ｙ方向で並んでいる。磁電変換素子１１ａ−１１ｃは、夫々のバスバに対して設けられており、Ｚ方向で対応するバスバに隣接配置されており、感磁方向ＳｄがＹ方向を向くように配置されている。シールド枠１４は、複数の磁電変換素子１１ａ−１１ｃと複数のバスバ１３ａ−１３ｃを囲んでいる。シールド枠１４のＹ方向に延びる長辺１４ａの厚みＷ１が、短辺１４ｂの厚みＷ２よりも大きくなっている。
【選択図】図４

Description

本明細書は、電流センサに関する。特に、複数の導体の夫々を流れる電流を計測する電流センサに関する。

複数の導体の夫々を流れる電流を同時に計測することが求められるときがある。例えば、モータを駆動する三相交流を生成するインバータのフィードバック制御用に、インバータの出力する三相交流を計測したい場合などである。特許文献１、２に、そのような電流センサが開示されている。特許文献１、２の電流センサは、いずれも次の特徴を有している。電流センサは、複数の導体と複数の磁電変換素子を備える。複数の導体は、第１方向に延びているとともに、第１方向と直交する第２方向に沿って並んでいる。複数の磁電変換素子の夫々は夫々の導体に対応しており、各磁電変換素子は、第１方向及び第２方向と直交する第３方向に沿って対応する導体に隣接配置されている。磁電変換素子は、その感磁方向が第２方向を向くように配置されている。

外部のノイズ磁界の影響による計測精度の低下を抑制するため、導体と磁電変換素子の周囲を磁性体のシールドで覆うことがある。特許文献２の電流センサは、一対のシールド板が、上記した第３方向で、導体と磁電変換素子を挟んでいる。また、特許文献３には、導体と磁電変換素子を磁性体のシールド枠で囲むことが開示されている。

特開２０１５−１３２４９９号公報 特開２０１６−０３８２０３号公報 特開２０１０−００８０５０号公報

外部のノイズ磁界の影響を抑えるには、シールド板（シールド枠）の厚みを大きくすればよい。しかし、シールド板（シールド枠）の厚みを増すと、コストが嵩む上、電流センサの重量も増えてしまう。シールド板（シールド枠）の厚みに関して改善の余地がある。

シールド枠は、外部のノイズ磁界を吸収し、内側の磁電変換素子に与える影響を低減する。しかし、シールド板からの漏れ磁束が磁電変換素子に到達し、それが電流センサの計測精度を低下させる。本明細書が開示する技術は、磁電変換素子を囲むシールド枠において、そこからの漏れ磁束が磁電変換素子に大きな影響を与える部位の厚みを大きくし、それ以外の部位の厚みを相対的に薄くする。そうすることで、コストと重量の増加を抑えつつ、ノイズ磁界の影響を効果的に抑制する。

本明細書が開示する電流センサは、複数の導体と複数の磁電変換素子とシールド枠を備えている。複数の導体は、第１方向に延びているとともに、第１方向と直交する第２方向で並んでいる。複数の磁電変換素子の夫々は夫々の導体に対応しており、各磁電変換素子は、第１方向と第２方向に直交する第３方向で対応する導体に隣接配置されている。全ての磁電変換素子は、その感磁方向が第２方向を向く姿勢で配置されている。磁性体のシールド枠は、複数の導体と複数の磁電変換素子を囲んでいる。そして、シールド枠の第２方向に延びる部分の厚みを、他の部分の厚みよりも大きくする。

詳しくは「発明を実施するための形態」にて説明するが、磁電変換素子を囲むシールド枠の漏れ磁束は、シールド枠の各部位ごとに、その部位の延びる方向と概ね平行な方向で磁電変換素子を貫く。従って、感磁方向が第２方向を向いている磁電変換素子にとっては、シールド枠の第２方向に延びている部分からの漏れ磁束が感磁方向に近い方向で磁電変換素子を貫く。それゆえ、シールド枠の第２方向に延びている部分からの漏れ磁束が磁電変換素子の計測精度に大きな影響を及ぼす。そこで、シールド枠の第２方向に沿って延びている部分だけ、厚みを大きくし、その部分からの漏れ磁束を抑制する。シールド板の他の方向を向いている部分に対しては、磁電変換素子の計測精度への影響が比較的に小さいので、第２方向に沿って延びている部分よりは厚みを小さくする。そうすることで、シールド枠のコストと重量の増加を抑えつつノイズ磁界の影響を抑制することができる。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。

実施例の電流センサが適用される電力変換器の回路図である。 電力変換器の平面図である。 電流センサの斜視図である。 図３のIV−IV線に沿った断面図である。 第１変形例の電流センサの断面図である。 第２変形例の電流センサの断面図である。

図面を参照して実施例の電流センサを説明する。まず、電流センサが適用される電力変換器を説明する。図１に、電力変換器２０の回路図を示す。電力変換器２０は、電気自動車において、バッテリ２の直流電力を走行用モータ（モータ２３）の駆動電力に変換するデバイスである。電力変換器２０は、バッテリ２の電圧を昇圧する電圧コンバータ２１と、昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ２２を備える。電圧コンバータ２１は、フィルタコンデンサ３、リアクトル４、２個のトランジスタ６ａ、６ｂ、２個のダイオードを備えている。２個のトランジスタ６ａ、６ｂは、直列に接続されている。夫々のトランジスタ６ａ、６ｂに、還流ダイオードが逆並列に接続されている。トランジスタ６ａ、６ｂの直列接続は、電圧コンバータ２１の高電圧端（インバータ側の端子）に直列に接続されている。２個のトランジスタ６ａ、６ｂの直列接続の中点に、リアクトル４の一端が接続されている。リアクトル４の他端は、電圧コンバータ２１の低電圧端（バッテリ側の端子）の正極に接続されている。低電圧端の正極と負極の間にフィルタコンデンサ３が接続されている。図１の電圧コンバータ２１は、バッテリ２の電圧を昇圧してインバータ２２に供給する昇圧動作と、インバータ２２から送られる電力（モータ２３が発電した回生電力）を降圧してバッテリ２を充電する降圧動作の双方を行うことができる。電圧コンバータ２１は、いわゆる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。図１の電圧コンバータ２１の回路構成と機能はよく知られているので詳しい説明は省略する。

インバータ２２は、２個のトランジスタの直列接続が３組並列に接続された構成を有している。トランジスタ６ｃ、６ｄが直列に接続されており、トランジスタ６ｅ、６ｆが直列に接続されており、トランジスタ６ｇ、６ｈが直列に接続されている。各トランジスタに還流ダイオードが逆並列に接続されている。３組の直列接続の中点から交流が出力される。インバータ２２の交流出力がモータ２３に供給される。図１のインバータ２２の回路構成と動作も良く知られているので詳しい説明は省略する。電圧コンバータ２１とインバータ２２の間に平滑コンデンサ７が並列に接続されている。平滑コンデンサ７は、電圧コンバータ２１とインバータ２２の間を流れる電流の脈動を抑える。

電力変換器２０は、インバータ２２の三相交流出力の夫々を同時に計測する電流センサ１０を備えている。電流センサ１０は、インバータ２２の出力端子から電力変換器２０の出力端子の間を接続する３本のバスバの夫々の近傍に磁電変換素子１１ａ−１１ｃを設置したユニットである。なお、バスバとは、大電流を低損失で伝達するのに適した金属細長板（細長棒）の導体である。電流センサ１０の計測データはコントローラ９に送られる。コントローラ９は不図示の上位コントローラからモータ２３の目標出力を受信し、その目標出力が実現されるように、電圧コンバータ２１のトランジスタ６ａ、６ｂと、インバータ２２のトランジスタ６ｃ−６ｈを駆動する。なお、図１では、破線矢印が信号線を示している。コントローラ９からトランジスタ６ａ、６ｂへの信号線は示してあるが、トランジスタ６ｃ−６ｈへの信号線は図示を省略してある。

図２に電力変換器２０のハードウエアの平面図を示す。電力変換器２０の８個のトランジスタ６ａ−６ｈは、２個ずつカードタイプの半導体モジュール３１ａ−３１ｄに収容されている。電圧コンバータ２１の２個のトランジスタ６ａ、６ｂ（及び還流ダイオード）は、半導体モジュール３１ａに収容されている。２個のトランジスタ６ａ、６ｂは半導体モジュール３１ａの内部で直列に接続されている。還流ダイオードは半導体モジュール３１ａの内部で各トランジスタ６ａ、６ｂに逆並列に接続されている。トランジスタ６ｃ、６ｄの直列接続が半導体モジュール３１ｂに収容されており、トランジスタ６ｅ、６ｆの直列接続が半導体モジュール３１ｃに収容されており、トランジスタ６ｇ、６ｈの直列接続が半導体モジュール３１ｄに収容されている。４個の半導体モジュール３１ａ−３１ｄは、複数の平板型の冷却器３２と積層され、積層ユニット３７を構成する。４個の半導体モジュール３１ａ−３１ｄと複数の冷却器３２は、一つずつ交互に積層されている。半導体モジュール３１ａ−３１ｄのそれぞれは、その両面から冷却される。積層ユニット３７は、筐体３０の内壁と板バネ３９の間で積層方向に加圧されつつ、筐体３０に収容されている。

各半導体モジュール３１ａ−３１ｄの上面から出力端子が延びている。端子３３が、２個のトランジスタの直列接続の中点に導通する端子である。半導体モジュール３１ａの端子３３は、バスバ３５を介してリアクトル４の一端に接続されている。半導体モジュール３１ｂ−３１ｄの端子３３の夫々は、バスバ１３ａ−１３ｃを介して筐体３０の外側に設けられた出力端子３４に接続されている。出力端子３４にモータ２３から延びるパワーケーブルが接続される。バスバ１３ａ−１３ｃの夫々に隣接するように磁電変換素子１１ａ−１１ｃが配置されている。先に述べたように、磁電変換素子１１ａ−１１ｃが、インバータ２２の三相交流出力を同時に計測する電流センサ１０を構成する。

積層ユニット３７に隣接してコンデンサユニット３８が配置されている。コンデンサユニット３８には、図１で説明したフィルタコンデンサ３と平滑コンデンサ７が収容されている。図１で示されているように、２個のトランジスタの直列接続は全て、その高電位側の端子と低電位側の端子が平滑コンデンサ７に並列に接続されている。図２において、半導体モジュール３１ａ−３１ｄのほかの端子、すなわち、２個のトランジスタの直列接続の高電位側の端子と低電位側の端子と、平滑コンデンサ７とを接続するバスバは図示を省略した。

電流センサ１０の磁電変換素子１１ａは、電流計測対象のバスバ１３ａを流れる電流に起因して発生する磁界を計測する。電流センサ１０は、計測された磁界の大きさからそのバスバを流れる電流の大きさを特定する。磁電変換素子１１ｂ、１１ｃも同様である。一方、上記したように電力変換器２０の筐体３０の内部にはバスバ１３ａ−１３ｃ、３５が配策されているとともに、コイル４ａを有するリアクトル４が収容されている。それらは、半導体モジュール３１ａ−３１ｄに収容されているトランジスタ６ａ−６ｈのスイッチング動作に起因してノイズ磁界を発生する。ノイズ磁界は電流センサ１０の電流計測精度を低下させる。そこで、電流センサ１０は、磁電変換素子１１ａ−１３ｃを外部のノイズ磁界から保護するシールド枠を備えている。次に、電流センサ１０の構造について説明する。

図３に、電流センサ１０の斜視図を示す。電流センサ１０は、計測対象の電流を流すバスバ１３ａ−１３ｃと、夫々のバスバに対応した複数の磁電変換素子１１ａ−１１ｃと、シールド枠１４と、不図示のセンサ基板を備える。図３以降には座標系を示している。座標系のＸ軸は、バスバ１３ａ−１３ｃの延設方向に延びており、Ｙ軸は、複数のバスバ１３ａ−１３ｃの並び方向に延びており、Ｚ軸はＸ軸とＹ軸に直交する。バスバ１３ａ−１３ｃの夫々には切欠１２ａ−１２ｃが設けられており、磁電変換素子１１ａ−１１ｃは、夫々、各バスバの切欠に配置されている。複数の切欠１２ａ−１２ｃは、Ｚ方向からみると、互い違いに設けられている。別言すると、隣接するバスバの切欠は、バスバの並び方向（Ｙ方向）からみて重複しないように設けられている。バスバに切欠を設けると、バスバの切欠の残り部分に電流が集中し、周囲に発する磁界が強くなる。磁電変換素子１１ａ−１３ｃを切欠１２ａ−１２ｃに配置することによって、磁電変換素子１１ａ−１３ｃが受信する磁界が強くなり、電流計測精度が高まる。また、隣接するバスバの切欠１２ａ−１２ｃがＹ方向からみて重ならないように設けられているので、各々の磁電変換素子は、計測対象のバスバに隣接するバスバの切欠の残り部分が発する磁界の影響を受けずに済む。

３本のバスバ１３ａ−１３ｃの切欠部分と複数の磁電変換素子１１ａ−１１ｃを囲むようにシールド枠１４が設けられている。シールド枠１４の内部は、樹脂モールド１５で満たされている。即ち、複数の磁電変換素子１１ａ−１１ｃは、樹脂モールド１５に埋設されている。図３でグレーの部分は、樹脂モールド１５の露出した部分を示す。

図３のIV−IV線に沿った断面図を図４に示す。磁電変換素子１１ａは、バスバ１３ａに流れる電流に起因して発生する磁界Ｈａを計測する。磁電変換素子１１ａは、バスバ１３ａに対してＺ方向で隣接しており、磁電変換素子１１ａの位置では、計測対象の磁界ＨａはＹ方向を向く。それゆえ、磁電変換素子１１ａは、その感磁方向がＹ方向を向くように配置される。矢印線Ｓｄが、磁電変換素子１１ａの感磁方向を示している。他の磁電変換素子１１ｂ、１３ｃでも同様であり、対象のバスバが発する磁界を効果的に計測できるように、磁電変換素子１１ｂ、１３ｃも、それらの感磁方向ＳｄがＹ方向を向く姿勢で配置されている。

磁電変換素子１１ａ−１３ｃが外部のノイズ磁界Ｎｅを計測してしまうと、電流センサ１０の計測精度が低下してしまう。電流センサ１０は、外部のノイズ磁界Ｎｅの影響を低減するためにシールド枠１４を備えている。シールド枠１４は、磁性体材料で作られており、外部磁界Ｎｅは、シールド枠１４に吸収され、環状のシールド枠１４の内側には届かない。外部磁界Ｎｅによって、シールド枠１４の内部には磁束Ｂｎが発生する。シールド枠１４は、磁電変換素子１１ａ−１１ｃとバスバ１３ａ−１３ｃを囲うようにループを形成しており、磁束Ｂｎは、図中のＹＺ平面内で、そのループを回るようにシールド枠１４の内部を流れる。シールド枠１４の内部の磁束Ｂｎが強くなると、その一部がシールド枠１４から漏れて漏れ磁束Ｂｒが生じる。図４に示すように、シールド枠１４においてＹ軸に平行な部分（長辺１４ａ）における漏れ磁束Ｂｒの方向は、磁電変換素子１１ａ−１１ｃの位置にとおいてはその感磁方向Ｓｄに近くなる。図示はしていないが、長辺１４ａと直交する短辺１４ｂにおける漏れ磁束の方向は、磁電変換素子１１ａ−１３ｃにおいて、その感磁方向Ｓｄに対して直角に近い角度となる。図４から理解されるように、シールド枠１４の長辺１４ａからの漏れ磁束Ｂｒが、磁電変換素子１１ａ−１３ｃに相対的に強い影響を与え、短辺１４ｂからの漏れ磁束は、磁電変換素子１１ａ−１３ｃに与える影響が相対的に弱い。そこで、長辺１４ａから漏れ磁束が出ないようにするのが、電流センサ１０の計測精度を高める上で重要である。

シールド枠１４の漏れ磁束を抑えるには、シールド枠１４の厚みを増し、ノイズ磁界Ｎｅに起因してシールド枠１４の内部に発生する磁束Ｂｎの密度（磁束密度）を下げればよい。シールド枠１４の厚みを全周囲で厚くすれば、漏れ磁束の影響は抑えられる。しかし、シールド枠１４を全周囲で厚くすることは、コストと重量の増加を招く。図４を参照しつつ説明したとおり、シールド枠１４の長辺１４ａからの漏れ磁束が短辺１４ｂからの漏れ磁束よりも電流計測精度に与える影響が大きい。そこで、実施例の電流センサ１０では、シールド枠の長辺１４ａの厚みＷ１を、短辺１４ｂの厚みＷ２よりも相対的に大きくする。そうすることで、コストと重量の増大を抑えつつ、ノイズ磁界の影響を効果的に抑制することができる。

図５と図６を参照して、シールド枠の変形例（電流センサの変形例）を説明する。図５に第１変形例のシールド枠１１４を備えた電流センサ１０ａの断面図を示す。図５は、図４に対応する断面図である。シールド枠１１４以外の部品は、電流センサ１０と同じであるので説明は省略する。即ち、図示を省略しているが、磁電変換素子１１ａ−１１ｃは、その感磁方向がＹ方向を向くように配置されている。

電流センサ１０ａでは、シールド枠１１４が、２種類のシールド部品で作られている。シールド部品５０は、バスバ１３ａ−１３ｃの切欠１２ａ−１２ｃの部分と磁電変換素子１１ａ−１３ｃを囲む枠状であり、シールド部品５１は、枠状のシールド部品５０の長辺部分のみに貼着される板状である。シールド枠１１４の短辺１１４ｂの厚みは、シールド部品５０の厚みＷ２であり、長辺１１４ａの厚みは、シールド部品５０の厚みとシールド部品５１の厚みを足したＷ１である。長辺１１４ａの厚みＷ１は、短辺１１４ｂの厚みＷ２よりも大きくなる。図５に示すように、シールド枠１１４を２つの部品で構成してもよい。なお、シールド枠の短辺と長辺を別々の部材で制作し、それらを接合してシールド枠を構成してもよい。

図６に、第２変形例のシールド枠２１４を備えた電流センサ１０ｂの断面図を示す。図６も、図４に対応する断面図である。第２変形例のシールド枠２１４は、長辺２１４ａの外面が湾曲している。図６に示されているように、シールド枠２１４の長辺２１４ａの厚みＷ２は、短辺２１４ｂの厚みＷ２よりも厚くなっている。シールド枠２１４の長辺２１４ａの外面が湾曲していても、実施例のシールド枠１４を備える電流センサ１０と同じ効果が得られる。なお、シールド枠の各辺の内面が湾曲していてもよい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電流センサ１０は、バスバの延設方向に直交する断面（図中のＹＺ平面でカットした断面）が矩形筒状のシールド枠１４を備えている。そして、その長辺１４ａの厚みＷ１を、短辺１４ｂの厚みＷ２よりも大きくしている。複数のバスバ１３ａ−１３ｃは、Ｙ方向で並んでおり、長辺１４ａは、シールド枠１４バスバの並び方向、即ち、Ｙ方向に延びる部分である。従って、シールド枠１４において、厚みを大きくする部分は、次のように表現することができる。シールド枠１４は、複数のバスバの並び方向（Ｙ方向）に延びる部分の厚みを、他の部分の厚みよりも大きくしている。

図中のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を、夫々、第１方向、第２方向、第３方向と表現すると、実施例の電流センサ１０の特徴は、次のように表現することができる。電流センサ１０は、複数のバスバ１３ａ−１３ｃと、複数の磁電変換素子１１ａ−１１ｃと、シールド枠１４を備えている。バスバ１３ａ−１３ｃは、計測対象の電流が流れる導体であり、第１方向に沿って延びている。複数のバスバ１３ａ−１３ｃは、第２方向に沿って並んでいる。複数の磁電変換素子１１ａ−１１ｃの夫々は、複数のバスバ１３ａ−１３ｃの夫々に対応しており、第３方向で対応するバスバに隣接配置されている。磁電変換素子１１ａ−１３ｃは、それらの感磁方向が第２方向を向くように配置されている。シールド枠１４は、バスバ１３ａ−１３ｃと磁電変換素子１１ａ−１１ｃを囲んでいる。シールド枠１４の第２方向に沿って延びる部分（長辺１４ａ）の厚みが、他の部分（短辺１４ｂ）の厚みよりも大きくなっている。

実施例の電流センサ１０（１０ａ、１０ｂ）は、３本のバスバ１３ａ−１３ｃの夫々を流れる電流を計測する。本明細書が開示する技術は、４本以上のバスバの電流を計測する電流センサ、あるいは、２本のバスバの電流を計測する電流センサに適用することも可能である。

実施例のＸ方向が請求項の第１方向に相当し、Ｙ方向が第２方向に相当し、Ｚ方向が第３方向に相当する。

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：バッテリ
３：フィルタコンデンサ
４：リアクトル
４ａ：コイル
６ａ−６ｈ：トランジスタ
７：平滑コンデンサ
９：コントローラ
１０、１０ａ、１０ｂ：電流センサ
１１ａ−１１ｃ：磁電変換素子
１２ａ−１２ｃ：切欠
１３ａ−１３ｃ：バスバ
１４、１１４、２１４：シールド枠
１４ａ、１１４ａ、２１４ａ：長辺
１４ｂ、１１４ｂ、２１４ｂ：短辺
１５：樹脂モールド
２０：電力変換器
２１：電圧コンバータ
２２：インバータ
２３：モータ
３０：筐体
３１ａ−３１ｄ：半導体モジュール
３２：冷却器
３３：端子
３５：バスバ
３７：積層ユニット
３８：コンデンサユニット
５０、５１：シールド部品

Claims (1)

1. 第１方向に延びている複数の導体であって、前記第１方向と直交する第２方向に並んでいる複数の導体と、
   夫々の前記導体に対して設けられている磁電変換素子であって、前記第１及び前記第２方向の夫々と直交する第３方向で対応する前記導体に隣接配置されており、感磁方向が前記第２方向を向いている複数の磁電変換素子と、
   複数の前記磁電変換素子と複数の前記導体を囲んでいる磁性体のシールド枠と、
   を備えており、
   前記シールド枠の前記第２方向に延びる部分の厚みが他の部分の厚みよりも大きい、電流センサ。