JP2018194514A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】車両に応じて昇圧部品やモータの数が異なる場合であっても、低コストで実現することが可能な電流センサを提供する。【解決手段】電流センサ１は、測定対象となる三相回転電機を流れる三相電流が通電される複数のバスバー２と、複数のバスバー２を個別に周方向に沿って囲むように配置されるコア１０と、複数のバスバー２及びコア１０を収容する第１ユニット２０と、三相回転電機の個数の第１ユニット２０を収容する第２ユニット３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、導体に流れる電流を測定する電流センサに関する。

近年、モータとインバータとを備えるハイブリッド車両や電気自動車が普及している。このようなモータの回転を適切に制御する上で、モータに流れる電流を測定することは重要である。そこで、従来、このようなモータに流れる電流を測定する技術が検討されてきた（例えば特許文献１及び２）。

特許文献１には、半導体素子を収容する複数のパワーカードと複数の冷却器とを積層して構成した積層ユニットが記載されている。この積層ユニットは、パワーカードとして、バッテリの直流電圧を昇圧する電圧コンバータと、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備えている。

特許文献２には、ギャップを有するコアの中央にバスバーを通し、当該バスバーに流れる電流に応じて変化するコアの磁束を、ギャップに配設されたセンサ素子で検知することにより、電流を検出する電流センサが記載されている。この電流センサは、コアとバスバーとを予めコアホルダに取り付け、コアとバスバーとが取り付けられた状態のコアホルダを樹脂で覆って、コアとバスバーとをコアホルダで一体化している。

特開２０１６−１１１１６７号公報 特開２０１３−２４２２９４号公報

ここで、ハイブリッド車両や電気自動車においては、車両に応じて昇圧部品（例えばリアクトル）やモータの数が異なることがある。このような用途に特許文献１に記載の積層ユニットを用いると、パワーカードや冷却器を積層する数（以下「積層数」とする）をバリエーションに合わせて、都度、新たに設計する必要があり、低コスト化の余地がある。また、特許文献２に記載の技術においても、特許文献１に記載の積層ユニットと同様に、上記用途への適用を考えた場合には、都度、設計する必要があり、低コスト化の余地がある。

そこで、車両に応じて昇圧部品やモータの数が異なる場合であっても、低コストで実現することが可能な電流センサが求められる。

本発明に係る電流センサの特徴構成は、測定対象となる三相回転電機を流れる三相電流が通電される複数のバスバーと、前記複数のバスバーを個別に周方向に沿って囲むように配置されるコアと、前記複数のバスバー及び前記コアを収容する第１ユニットと、前記三相回転電機の個数の前記第１ユニットを収容する第２ユニットと、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、第１ユニットを共通要素とし、第２ユニットを可変要素とすることができる。このため、例えば三相回転電機の数が１つである場合には、１つの第１ユニットを第２ユニットに収容した状態で電流センサを構成し、三相回転電機の数が２つである場合には、２つの第１ユニットを第２ユニットに収容した状態で電流センサを構成し、更に三相回転電機の数が３つである場合には、３つの第１ユニットを第２ユニットに収容した状態で電流センサを構成することで、電流センサが利用されるシステムのバリエーションに応じて柔軟に対応することが可能となる。したがって、本電流センサによれば、車両に応じて昇圧部品やモータの数が異なる場合であっても、第１ユニットを共通化することができるので、第１ユニットに関しては再度設計する必要がない。このため、設計に係るコストを低減することができる。また、第１ユニットを共通化することにより、部材管理コストも低減することができ、低コストで実現することが可能となる。

また、前記コアで集磁された磁束の密度を検出する検出素子が実装された基板を更に備え、前記第１ユニットは、前記基板が固定される固定部を有し、前記固定部は、当該固定部に隣接するバスバーに対して、前記複数のバスバーのうち互いに隣接するバスバーのピッチの半分のピッチで規定される範囲内に設けられていると好適である。

このような構成とすれば、複数の第１ユニットを並設して第２ユニットを構成した場合であっても、全てのバスバー間のピッチを均一にすることができる。したがって、例えば三相回転電機が有する端子との接続を簡便に行うことが可能となる。

また、前記基板には、前記測定対象の三相電流が通電されるバスバーの数に応じた前記検出素子が実装されていると好適である。

このような構成とすれば、基板とコアとの位置決めを適切に設定しておくことにより、複数の検出素子を同時にコアに対する適切な位置に配置することができる。

また、前記複数のバスバーのうち互いに隣接するバスバーのピッチが、複数の電子部品が収容されたパワーカードと複数の冷却器とが積層された冷却ユニットのインバータが有する端子と同じピッチであると好適である。

このような構成とすれば、第１ユニットにおけるバスバーのピッチと、第２ユニットにおけるバスバーのピッチとを、インバータが有する端子と同じピッチとすることができる。したがって、電流センサのバスバーとインバータの端子との接続が簡便に行うことができ、電流センサを冷却ユニットに簡便に組み付けることが可能となる。

電流センサの斜視図である。 電流センサの上面図である。 図２のIII−III線の断面図である。 第１ユニットの上面図である。 図４のV−V線の断面図である。 ２つの三相回転電機向け電流センサが有する第１ユニットの上面図である。 ２つの三相回転電機向け電流センサの上面図である。

本発明に係る電流センサは、バスバーを流れる電流を測定することができるように構成されている。ここで、導体に電流が流れる場合には、当該電流の大きさに応じて導体を軸心として磁界が発生し、当該磁界により磁束が生じる。本電流センサは、このような磁束の密度（磁束密度）を検出し、検出された磁束密度に基づいてバスバーに流れる電流（電流値）を測定する。

図１には本実施形態に係る電流センサ１の斜視図が示される。理解を容易にするために、電流センサ１を貫通するバスバー２が延出する方向をＡ方向とし、複数のバスバー２が並ぶ方向をＢ方向とし、Ａ方向及びＢ方向の双方に直交する方向をＣ方向とする。図２には電流センサ１をＣ方向から見た図（上面図）が示され、図３には電流センサ１をＡ方向から見た図（側面図）が示される。以下、図１−図３を用いて説明する。本電流センサ１は、バスバー２、コア１０、第１ユニット２０、第２ユニット３０、基板４０を備えて構成される。

バスバー２には、測定対象となる三相回転電機を流れる三相電流が通電される。バスバー２は、図示しない三相回転電機（三相モータの総称）と当該三相回転電機に通電するインバータの端子との接続に利用される。三相回転電機は、ハイブリッド車両や電気自動車等の動力源に用いられる。インバータは、バッテリ等から出力される直流電力を交流電力に変換する。バスバー２は、このようなインバータにより交流電力に変換された電圧及び電流を三相回転電機に供給する。したがって、本実施形態ではバスバー２は、図１−図３に示されるように、３つから構成される。電流センサ１は、このような複数のバスバー２に流れる電流（三相電流）を測定対象とする。

コア１０は、複数のバスバー２を個別に周方向に沿って囲むように配置される。本実施形態では、コア１０は、複数の溝部１１、且つ、互いに隣接する溝部１１の間を隔てる隔壁部１２を有して構成される。また、複数の溝部１１の両外側には外壁部１３を有する。本実施形態では、図１−図３に示されるように、コア１０は３つの溝部１１を有して構成される。したがって、本実施形態のコア１０は２つの隔壁部１２を有する。このようなコア１０は、磁性体から構成される。本実施形態に係るコア１０は、溝部１１を有する金属磁性体よりなる平板を図１−図３のＡ方向に積層して形成される。上記金属磁性体は、軟磁性の金属であり、電磁鋼板（珪素鋼板）やパーマロイ等が相当する。このような磁性体として、例えば無方向電磁鋼板を用いることが可能である。もちろん、その他の電磁鋼板を用いることも可能である。コア１０は、このような金属磁性体を打ち抜いて構成される。なお、コア１０は粉末磁性体を焼結して構成することも可能である。

図１−図３に示されるように、各溝部１１には対応するバスバー２が挿通される。したがって、コア１０は複数のバスバー２の夫々を周方向に沿って囲むことになる。このようにコア１０が、バスバー２の夫々を周方向に沿って囲むことにより、バスバー２の周囲に生じる磁束を集磁し易くなる。なお、本実施形態ではコア１０は複数の溝部１１、且つ、互いに隣接する溝部１１の間を隔てる隔壁部１２を有して構成されるとして説明したが、複数のバスバー２の夫々に対して個別に設けても良い（１つのコア１０が１つのバスバー２を囲むように設けても良い）。係る場合、１つのコア１０のＡ方向視がＵ字状に形成しても良いし、Ａ方向視がＣ字状であっても良い。

図４には第１ユニット２０の上面図が示され、図５には図４のV−V線の断面図が示される。図４及び図５に示されるように、第１ユニット２０は、複数のバスバー２及びコア１０を収容する。本実施形態では、複数のバスバー２とは３つのバスバー２である。第１ユニット２０は、これら３つのバスバー２及びコア１０の夫々の少なくとも一部を樹脂で内包して構成される。上述した溝部１１には、少なくとも凹部４３（後述する）が形成されるように樹脂が充填されても良い。このような第１ユニット２０は樹脂成形により構成すると好適である。

図１−図３に戻り、第２ユニット３０は、三相回転電機の個数に応じた第１ユニット２０を収容する。本実施形態では、三相回転電機は１つである。したがって、第２ユニット３０は、１つの第１ユニット２０を収容する。このような第２ユニット３０は第１ユニット２０を内包する状態で樹脂成形により構成すると好適である。

基板４０は、コア１０で集磁された磁束の密度を検出する検出素子４１が実装される。検出素子４１は、コア１０の各溝部１１の開口部分に設けられ、開口部分に生じる磁束の密度（磁束密度）を検出する。上述したように、本実施形態ではコア１０は３つ設けられる。したがって、基板４０には３つの検出素子４１が実装される。このような検出素子４１は、公知のホールＩＣや磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いると良い。また、夫々の検出素子４１は、磁束密度の検出結果に含まれる検出誤差を小さくするために、同じプロセスで製造されたもの、好ましくは同じロットで製造されたものを用いると良い。

本実施形態では、基板４０には、測定対象の三相電流が通電されるバスバー２の数に応じた検出素子４１が実装される。本実施形態では、上述したように検出素子４１は３つ備えられる。この３つの検出素子４１は、１枚の基板４０に実装される。

基板４０は、第１ユニット２０に固定される。このため、第１ユニット２０には、基板４０が固定される固定部４２が設けられる。本実施形態では、基板４０は第１ユニット２０にネジ５０を介して固定される。したがって、本実施形態では、固定部４２はネジ５０が螺合されるネジ孔が相当する。

固定部４２は、当該固定部４２に隣接するバスバー２に対して、複数のバスバー２のうち互いに隣接するバスバー２のピッチの半分のピッチ規定される範囲内に設けられる。本実施形態では固定部４２は、互いに離間して２つ設けられる。固定部４２に隣接するバスバー２とは、図２において互いの固定部４２から最も近いバスバー２である。理解を容易にするために、２つの固定部４２を固定部４２Ａ、４２Ｂとし、バスバー２をバスバー２Ａ、２Ｂ、２Ｃとすると、固定部４２Ａに隣接するバスバー２とはバスバー２Ａが相当し、固定部４２Ｂに隣接するバスバー２とはバスバー２Ｃが相当する。

複数のバスバー２のうち互いに隣接するバスバー２のピッチとは、バスバー２Ａとバスバー２Ｂとの間隔Ｐ１、及びバスバー２Ｂとバスバー２Ｃとの間隔Ｐ２が相当する。したがって、半分のピッチとは、間隔Ｐ１の半分の長さ、及び間隔Ｐ２の半分の長さが相当する。なお、本実施形態では、間隔Ｐ１と間隔Ｐ２とは同じ間隔Ｐで構成される。したがって、固定部４２Ａは、バスバー２Ａから距離Ｐ／２で規定される範囲内に設けられ、固定部４２Ｂは、バスバー２Ｃから距離Ｐ／２で規定される範囲内に設けられる。このように構成することにより、第１ユニット２０をコンパクトに構成することが可能となる。

なお、複数のバスバー２のうち互いに隣接するバスバー２のピッチが、複数の電子部品が収容されたパワーカードと複数の冷却器とが積層された冷却ユニットのインバータが有する端子と同じピッチで構成すると好適である。これにより、電流センサ１のバスバー２とインバータの端子との接続が簡便に行うことができ、電流センサ１を冷却ユニットに簡便に組み付けることが可能となる。

このような第１ユニット２０は、上述したように樹脂成形により構成される。この時、第１ユニット２０には、固定部４２としてのネジ孔を設けると良い。また、検出素子４１が、挿入される凹部４３も設けられる。基板４０に実装された検出素子４１は、基板４０を第２ユニット３０に固定する際に、当該凹部４３に挿入された状態となる。なお、この凹部４３は、検出素子４１がコア１０の溝部１１を通る磁束を精度良く検出できる位置に配置されるように設けると良い。

また、検出素子４１が実装される基板４０にも孔部４４が設けられ、孔部４４とネジ孔（固定部４２）とを一致させた状態でネジ５０を介して基板４０が第１ユニット２０に締結固定される。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、第２ユニット３０が１つの第１ユニット２０を収容する例を挙げて説明したが、第２ユニット３０は複数の第１ユニット２０を収容するように構成することも可能である。図６には、２つの三相回転電機向け電流センサ１が有する第１ユニット２０の上面図が示される。この場合には、図６に示されるように、三相回転電機の数に合わせて、２つの第１ユニット２０が用いられる。第１ユニット２０は電流センサ１が接続される三相回転電機やパワーカードの端子のピッチに合わせて設けられた状態で樹脂成形され、図７に示されるように第２ユニット３０に収容される。このように本電流センサ１によれば、第１ユニット２０を共通化し、電流センサ１が設けられる環境に応じて個数を増減するだけで良いので、第１ユニット２０に関しては再度設計する必要がない。また、部材管理コストを低減することもできる。したがって、低コストで電流センサ１を実現することが可能となる。また、固定部４２を、当該固定部４２に隣接するバスバー２に対して、複数のバスバー２のうち互いに隣接するバスバー２のピッチの半分のピッチ規定される範囲内に設けたので、複数の第１ユニット２０を隣接して設けても、全てのバスバー２間のピッチを均一にすることができる。

上記実施形態では、第１ユニット２０の固定部４２は、当該固定部４２に隣接するバスバー２に対して、複数のバスバー２のうち互いに隣接するバスバー２のピッチの半分のピッチで規定される範囲内に設けられているとして説明したが、固定部４２は互いに隣接するバスバー２のピッチに拘らずに設けることも可能である。

上記実施形態では、基板４０には、測定対象の三相電流が通電されるバスバー２の数に応じた検出素子４１が実装されているとして説明したが、基板４０にはバスバー２の数に関連しない数の検出素子４１を実装することも可能である。

上記実施形態では、１つの第１ユニット２０に１つの基板４０を固定したが、複数の第１ユニット２０に対して１つの基板４０を固定することも可能である。

上記実施形態では、複数のバスバー２のうち互いに隣接するバスバー２のピッチが、複数の電子部品が収容されたパワーカードと複数の冷却器とが積層された冷却ユニットのインバータが有する端子と同じピッチであるとして説明したが、これは単なる例示である。したがって、バスバー２のピッチを他の装置の接続端子のピッチに合わせて構成することも可能であるし、当該接続端子のピッチと無関係に構成することも可能である。

上記実施形態では、基板４０は第１ユニット２０に固定されるとして説明したが、第２ユニット３０に固定するように構成しても良い。

本発明は、導体に流れる電流を測定する電流センサに用いることが可能である。

１：電流センサ
２：バスバー
１０：コア
２０：第１ユニット
３０：第２ユニット
４０：基板
４１：検出素子
４２：固定部

Claims (4)

1. 測定対象となる三相回転電機を流れる三相電流が通電される複数のバスバーと、
   前記複数のバスバーを個別に周方向に沿って囲むように配置されるコアと、
   前記複数のバスバー及び前記コアを収容する第１ユニットと、
   前記三相回転電機の個数の前記第１ユニットを収容する第２ユニットと、
   を備える電流センサ。
2. 前記コアで集磁された磁束の密度を検出する検出素子が実装された基板を更に備え、
   前記第１ユニットは、前記基板が固定される固定部を有し、
   前記固定部は、当該固定部に隣接するバスバーに対して、前記複数のバスバーのうち互いに隣接するバスバーのピッチの半分のピッチで規定される範囲内に設けられている請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記基板には、前記測定対象の三相電流が通電されるバスバーの数に応じた前記検出素子が実装されている請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記複数のバスバーのうち互いに隣接するバスバーのピッチが、複数の電子部品が収容されたパワーカードと複数の冷却器とが積層された冷却ユニットのインバータが有する端子と同じピッチである請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。

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