JP2018207726A - Current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の三相回転電機と複数の冷却機能付きインバータとの夫々に亘って流れる電流を測定する電流センサに関する。 The present invention relates to a current sensor that measures current flowing through a plurality of three-phase rotating electrical machines and a plurality of inverters with a cooling function.
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)。
In recent years, hybrid vehicles and electric vehicles equipped with a motor and an inverter have become widespread. In order to appropriately control the rotation of such a motor, it is important to measure the current flowing through the motor. Therefore, conventionally, techniques for measuring the current flowing in such a motor have been studied (for example,
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。
In
電流センサは、入力された電力の周波数を変換するインバータと三相回転電機との間に設けられ、インバータと三相回転電機とを接続するバスバーには電流センサが設けられる。このため、電流センサが備えるコアや検出素子は、バスバーに流れる電流に応じて発生する熱(ジュール熱)の影響を大きく受けることになる。一般的に、検出素子は半導体を用いて形成されており、熱を受けることにより特性が変化(温度ドリフト)するため、特許文献1に記載の技術では、バスバーを流れる電流を精度良く検出することができず、係る場合、三相回転電機の制御に対して悪影響を与える可能性がある。
The current sensor is provided between the inverter that converts the frequency of the input electric power and the three-phase rotating electric machine, and the current sensor is provided on the bus bar that connects the inverter and the three-phase rotating electric machine. For this reason, the core and the detection element provided in the current sensor are greatly affected by the heat (Joule heat) generated according to the current flowing through the bus bar. In general, the detection element is formed using a semiconductor, and its characteristics change (temperature drift) by receiving heat. Therefore, the technique described in
また、特許文献2に記載の技術では、電流検出部を千鳥配置しているが、電流検出部は夫々インバータ側と三相回転電機側とに配置される。インバータが冷却機能付きである場合にはインバータの周辺は熱伝導率が大きく、放熱され易い構造となっているが、電流検出部の少なくとも1相が三相回転電機側に配置されることになるため、三相回転電機側に配置された電流検出部に対する温度の影響が大きくなることが想定される。したがって、三相回転電機側に配置された相の温度変化量が大きくなり、三相回転電機の制御に対して悪影響を与える可能性がある。また、検出素子には耐熱温度があり、この耐熱温度を守るためには三相回転電機側に配置された相の温度を基準に律速させる必要がある。その結果、他の相では、耐熱温度に至らない温度域で使用することになるため、検出素子の能力を活用しきれない可能性がある。
In the technique described in
そこで、検出素子の能力を活用しつつ、三相回転電機とインバータとに亘って流れる電流を精度良く測定することが可能な電流センサが求められる。 Therefore, there is a demand for a current sensor that can accurately measure the current flowing between the three-phase rotating electrical machine and the inverter while utilizing the capability of the detection element.
本発明に係る電流センサの特徴構成は、複数の三相回転電機と複数の冷却機能付きインバータとの夫々に亘って流れる電流を測定する電流センサであって、前記複数の三相回転電機の夫々の接続端子と、前記複数のインバータの夫々の接続端子とに亘って、所定のピッチで前記三相回転電機毎に隣接するように並設される複数のバスバーと、前記複数のバスバーのうち、前記三相回転電機毎に、前記バスバーの延出方向に位置をずらして前記バスバーを周方向に沿って囲むように配置される複数のコアと、前記複数のコアが集磁した磁束の密度を検出する複数の検出素子と、を備え、前記複数の三相回転電機に接続されたバスバーのうち、最大電流が流れるバスバーを囲むように配置されるコアが、前記インバータ側に配置されている点にある。 A characteristic configuration of the current sensor according to the present invention is a current sensor that measures a current flowing through each of a plurality of three-phase rotating electrical machines and a plurality of inverters with a cooling function, and each of the plurality of three-phase rotating electrical machines. And a plurality of bus bars arranged side by side so as to be adjacent to each of the three-phase rotating electrical machines at a predetermined pitch across the connection terminals of the plurality of inverters, and among the plurality of bus bars, For each of the three-phase rotating electrical machines, a plurality of cores arranged so as to surround the bus bar along the circumferential direction by shifting the position in the bus bar extending direction, and the density of magnetic flux collected by the plurality of cores. A plurality of detection elements for detection, and a core disposed so as to surround a bus bar through which a maximum current flows among bus bars connected to the plurality of three-phase rotating electrical machines is disposed on the inverter side In .
冷却機能付きインバータは、冷却器により熱伝導率が大きく放熱し易い構造になっている。一方、電流センサを貫通するバスバーは、インバータの端子と接続されているため、バスバーに生じる熱(ジュール熱)は冷却器へ放熱され、この放熱効果は冷却器との距離が近い程、大きくなる。そこで、上記特徴構成とすれば、最大電流が流れるバスバーを囲むように配置されるコアをインバータ側に配置することで、コア及びコア近傍の温度上昇を抑制することができる。このため、コアに生じる磁束の密度を検出する検出素子の温度上昇も抑制することができるので、温度ドリフトを小さく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、検出素子の能力を活用しつつ、三相回転電機とインバータとに亘って流れる電流を精度良く測定することができ、三相回転電機の制御性を維持することが可能となる。 The inverter with a cooling function has a structure in which the thermal conductivity is large and the heat is easily radiated by the cooler. On the other hand, since the bus bar that penetrates the current sensor is connected to the terminal of the inverter, the heat (Joule heat) generated in the bus bar is radiated to the cooler, and this heat radiation effect becomes larger as the distance from the cooler is shorter. . Therefore, with the above-described characteristic configuration, it is possible to suppress a temperature increase in the core and in the vicinity of the core by disposing the core disposed on the inverter side so as to surround the bus bar through which the maximum current flows. For this reason, since the temperature rise of the detection element which detects the density of the magnetic flux which arises in a core can also be suppressed, it becomes possible to make temperature drift small. Therefore, according to the current sensor, the current flowing between the three-phase rotating electric machine and the inverter can be accurately measured while utilizing the capability of the detection element, and the controllability of the three-phase rotating electric machine can be maintained. Is possible.
また、前記複数の検出素子のうち、前記最大電流が流れるバスバーを囲むように配置されるコアが集磁した磁束の密度を検出する検出素子は、前記インバータからの距離が一様となる位置に配置されていると好適である。 In addition, among the plurality of detection elements, the detection element that detects the density of the magnetic flux collected by the core arranged so as to surround the bus bar through which the maximum current flows is located at a position where the distance from the inverter is uniform. It is preferable that they are arranged.
このような構成とすれば、検出素子に対する冷却器による冷却効果を一様にすることができる。したがって、三相回転電機毎に検出素子の温度ドリフトを一様にすることができるので、三相回転電機とインバータとに亘って流れる電流をより精度良く測定することが可能となる。 With such a configuration, the cooling effect of the cooler on the detection element can be made uniform. Therefore, since the temperature drift of the detection element can be made uniform for each three-phase rotating electrical machine, the current flowing through the three-phase rotating electrical machine and the inverter can be measured with higher accuracy.
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。 The current sensor according to the present invention is configured to measure the current flowing through the bus bar. Here, when a current flows through the conductor, a magnetic field is generated with the conductor as an axis according to the magnitude of the current, and a magnetic flux is generated by the magnetic field. The current sensor detects the density of the magnetic flux (magnetic flux density) and measures the current (current value) flowing through the bus bar based on the detected magnetic flux density.
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10が延出する方向をA方向とし、複数のバスバー10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には図2におけるIII−III線の断面図が示される。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10、コア20、検出素子40を備えて構成される。
FIG. 1 is a perspective view of a
ここで、図2に示されるように、電流センサ1は、複数の三相回転電機2と複数の冷却機能付きインバータ3との夫々に亘って流れる電流を測定する。このため、バスバー10は、複数の三相回転電機2の夫々の接続端子と、複数のインバータ3の夫々の接続端子とに亘って複数、設けられる。本実施形態では、三相回転電機2及びインバータ3は夫々2つずつである場合の例を挙げて説明する。三相回転電機2は、例えばハイブリッド車両や電気自動車等の動力源となるモータ2Aや、電力を発電する発電機2Bが相当する。インバータ3は、例えば入力される電力の周波数を変換する。バスバー10は、三相回転電機2とインバータ3との間において電力送電を行う。本実施形態では、三相回転電機2及びインバータ3は夫々2つずつであるので、バスバー10は、図1−図3に示されるように、6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10に流れる電流(三相電流)を測定対象とする。
Here, as shown in FIG. 2, the
2つの三相回転電機2の夫々には、U相端子、V相端子、W相端子の3つの接続端子が設けられ、2つのインバータ3の夫々にも、U相端子、V相端子、W相端子の3つの接続端子が設けられる。2つの三相回転電機2の一方(モータ2A)のU相端子と2つのインバータ3の一方(インバータ3A)のU相端子とが1つのバスバー10(以下「バスバー10A」とする)により接続され、当該一方の三相回転電機2(モータ2A)のV相端子と当該一方のインバータ3(インバータ3A)のV相端子とが1つのバスバー10(以下「バスバー10B」とする)により接続され、当該一方の三相回転電機2(モータ2A)のW相端子と当該一方のインバータ3(インバータ3A)のW相端子とが1つのバスバー10(以下「バスバー10C」とする)により接続される。
Each of the two three-phase rotating
また、2つの三相回転電機2の他方(発電機2B)のU相端子と2つのインバータ3の他方(インバータ3B)のU相端子とが1つのバスバー10(以下「バスバー10D」とする)により接続され、当該他方の三相回転電機2(発電機2B)のV相端子と当該他方のインバータ3(インバータ3B)のV相端子とが1つのバスバー10(以下「バスバー10E」とする)により接続され、当該他方の三相回転電機2(発電機2B)のW相端子と当該他方のインバータ3(インバータ3B)のW相端子とが1つのバスバー10(以下「バスバー10F」とする)により接続される。
The U-phase terminal of the other (
また、複数のバスバー10は、所定のピッチで三相回転電機2毎に隣接するように並設される。図2に示されるように、所定のピッチで並設されるとは、6つのバスバー10における互いに隣接する2つのバスバー10の間隔Pが等しくなるように並んで配置されることをいう。三相回転電機2毎に隣接するとは、本実施形態ではモータ2Aに接続されるバスバー10A、バスバー10B、バスバー10Cが順番に並んで配置され、発電機2Bに接続されるバスバー10D、バスバー10E、バスバー10Fが順番に並んで配置されることを意味する。なお、図2ではバスバー10Cとバスバー10Dとの間を間隔Pとして示しているが、バスバー10Cとバスバー10Dとの間は間隔Pでなくても良い。
The plurality of
コア20は、複数のバスバー10のうち、三相回転電機2毎に、バスバー10の延出方向に位置をずらしてバスバー10を周方向に沿って囲むように配置される。「複数のバスバー10のうち、三相回転電機2毎に配置される」とは、バスバー10A、バスバー10B、バスバー10Cと、バスバー10D、バスバー10E、バスバー10Fとで区分して配置されることを意味する。「バスバー10の延出方向」とは、三相回転電機2及びインバータ3の一方から他方に向けてバスバー10が設けられる方向であり、具体的には図1−図3におけるA方向が相当する。
The
ここで、本実施形態では、コア20は、複数の溝部21、及び、互いに隣接する溝部21の間を隔てる隔壁部22を有して構成される。また、複数の溝部21の両外側には外壁部23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20は3つの溝部21を有して構成される。したがって、本実施形態のコア20は2つの隔壁部22を有する。このようなコア20は、磁性体から構成される。本実施形態に係るコア20は、溝部21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20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20は粉末磁性体を焼結して構成することも可能である。
Here, in the present embodiment, the
図1−図3に示されるように、各溝部21には対応するバスバー10が挿通される。したがって、コア20は複数のバスバー10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20が、バスバー10の夫々を周方向に沿って囲むことにより、バスバー10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20は複数の溝部21、及び、互いに隣接する溝部21の間を隔てる隔壁部22を有して構成されるとして説明したが、複数のバスバー10の夫々に対して個別に設けても良い(1つのコア20が1つのバスバー10を囲むように設けても良い)。係る場合、1つのコア20のA方向視がU字状になるように形成しても良いし、A方向視がC字状になるように形成しても良い。
As shown in FIGS. 1 to 3, the corresponding
このようなコア20は、図1−図3に示されるように複数(本実施形態では2つ)設けられる。2つのコア20の一方(以下「コア20A」とする)が、バスバー10A、バスバー10B、バスバー10Cを周方向に沿って囲むように配置され、2つのコア20の他方(以下「コア20B」とする)が、バスバー10D、バスバー10E、バスバー10Fを周方向に沿って囲むように配置される。
A plurality (two in this embodiment) of
本電流センサ1では、複数の三相回転電機2に接続されたバスバー10のうち、最大電流が流れるバスバー10を囲むように配置されるコア20が、インバータ側に配置される。本実施形態では、複数の三相回転電機2としてモータ2A及び発電機2Bを例に挙げている。バスバー10は、モータ2Aの端子に接続されたバスバー10A、10B、10Cと、発電機2Bの端子に接続されたバスバー10D、10E、10Fとがある。最大電流が流れるバスバー10とは、バスバー10A、10B、10C、10D、10E、10Fのうち、最も大きい電流が流れるバスバー10をいい、本実施形態ではモータ2Aに接続されたバスバー10A、10B、10Cであるとする。この場合、図2に示されるように、バスバー10A、10B、10Cを囲むように配置されるコア20Aがインバータ3側に配置され、バスバー10D、10E、10Fを囲むように配置されるコア20Bが三相回転電機2(発電機2B)側に配置される。
In the
コア20は、上述のような位置に配置され、且つ、バスバー10が挿通された状態で樹脂成形される。これにより、バスバー10及びコア20の夫々の少なくとも一部が樹脂で内包される。上述した溝部21には、少なくとも凹部50(後述する)が形成されるようにすると好適である。以下では樹脂成形により一体化されたバスバー10、コア20を樹脂成形ユニット60と称して説明する。
The
検出素子40は基板30に実装され、複数のコア20で集磁した磁束の密度を検出する。検出素子40は、コア20の各溝部21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20は2つ設けられる。したがって、基板30には複数(本実施形態では6つ)の検出素子40が実装される。このような検出素子40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40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。
The
基板30は、樹脂成形ユニット60に固定される。このため、樹脂成形ユニット60には、基板30が固定される固定部61が設けられる。本実施形態では、基板30は樹脂成形ユニット60にネジ70を介して固定される。したがって、本実施形態では、固定部61はネジ70が螺合されるネジ孔が相当する。固定部61は、図2に示されるように、互いに隣接する2つのバスバー10の間に設けられる。本実施形態では固定部61は、互いに離間して2つ設けられる。
The
以上のように電流センサ1を構成することで、インバータ3には冷却機能が設けられているので、バスバー10A、10B、10Cに生じるジュール熱を冷却することが可能となる。したがって、コア20に設けられる検出素子40の周囲温度の上昇を抑制でき、検出素子40の電気的特性における温度ドリフトを低減することが可能となる。
By configuring the
また、特に、上述した複数の検出素子40のうち、最大電流が流れるバスバー10を囲むように配置されるコア20が集磁した磁束の密度を検出する検出素子40は、インバータ3からの距離が一様となる位置に配置すると好適である。これにより、インバータ3に設けられる冷却機能による冷却効果を検出素子40に対して一様にすることができる。したがって、検出素子40の電気的特性における温度ドリフトを更に低減することが可能となる。
In particular, among the plurality of
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、複数の三相回転電機2としてモータ2Aと発電機2Bとを例に挙げて説明したが、複数の三相回転電機2は3つ以上であっても良い。また、全ての三相回転電機2がモータ2Aであっても良いし、全ての三相回転電機2が発電機2Bであっても良い。
[Other Embodiments]
In the above embodiment, the
上記実施形態では、複数の三相回転電機2に接続されたバスバー10のうち、最大電流が流れるバスバー10がモータ2Aに接続されたバスバー10A、10B、10Cであるとして説明したが、最大電流が流れるバスバー10が発電機2Bに接続されたバスバー10D、10E、10Fである場合には、コア20Bをインバータ3B側に配置し、コア20Aをモータ2A側に配置すると良い。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、複数の検出素子40のうち、最大電流が流れるバスバー10を囲むように配置されるコア20が集磁した磁束の密度を検出する検出素子40は、インバータ3からの距離が一様となる位置に配置すると好適であるとして説明したが、当該検出素子40はインバータ3からの距離が一様となる位置に配置しなくても良い。
In the above embodiment, among the plurality of
上記実施形態では、基板30に6つの検出素子40が実装されるとして説明したが、検出素子40は夫々、個別に基板30に実装するように、すなわち基板30を検出素子40の数だけ用意し、1枚の基板30に1つ検出素子40を実装するように構成することも可能である。
In the above-described embodiment, it has been described that six
本発明は、複数の三相回転電機と複数の冷却機能付きインバータとの夫々に亘って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。 The present invention can be used for a current sensor that measures current flowing through a plurality of three-phase rotating electrical machines and a plurality of inverters with a cooling function.
1:電流センサ
2:三相回転電機
3:インバータ
10:バスバー
20:コア
40:検出素子
1: Current sensor 2: Three-phase rotating electric machine 3: Inverter 10: Bus bar 20: Core 40: Detection element
Claims (2)
前記複数の三相回転電機の夫々の接続端子と、前記複数のインバータの夫々の接続端子とに亘って、所定のピッチで前記三相回転電機毎に隣接するように並設される複数のバスバーと、
前記複数のバスバーのうち、前記三相回転電機毎に、前記バスバーの延出方向に位置をずらして前記バスバーを周方向に沿って囲むように配置される複数のコアと、
前記複数のコアが集磁した磁束の密度を検出する複数の検出素子と、を備え、
前記複数の三相回転電機に接続されたバスバーのうち、最大電流が流れるバスバーを囲むように配置されるコアが、前記インバータ側に配置されている電流センサ。 A current sensor that measures current flowing through each of a plurality of three-phase rotating electrical machines and a plurality of inverters with a cooling function,
A plurality of bus bars arranged in parallel so as to be adjacent to each of the three-phase rotating electrical machines at a predetermined pitch across the connecting terminals of the plurality of three-phase rotating electrical machines and the connecting terminals of the plurality of inverters. When,
Among the plurality of bus bars, for each of the three-phase rotating electrical machines, a plurality of cores arranged so as to surround the bus bar along the circumferential direction by shifting the position in the bus bar extending direction,
A plurality of detection elements for detecting the density of magnetic flux collected by the plurality of cores,
A current sensor in which a core disposed so as to surround a bus bar through which a maximum current flows among bus bars connected to the plurality of three-phase rotating electrical machines is disposed on the inverter side.
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