JP2020148484A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力検出装置のダイナミックレンジを広げる技術を提供する。【解決手段】電力検出装置は、バスバ８００ｕ，ｖ，ｗと、第１磁電変換素子１１０と、第２磁電変換素子１２０と、コントローラを備える。バスバは、第１断面積の第１部位８１０と、第１断面積よりも大きい第２断面積の第２部位８２０を有する。第１磁電変換素子は、第１部位に対向して配置され、第２磁電変換素子は、第２部位に対向して配置される。コントローラは、いずれかの磁電変換素子からの出力電圧に基づいて、バスバに流れる電流の推定値を得る。コントローラは、推定値が所定値を下回る場合、第１磁電変換素子の出力電圧から算出される電流値を、バスバに流れる電流値として検出信号を出力する。コントローラは、推定値が所定値を超える場合、第２磁電変換素子の出力電圧から算出される電流値を、バスバに流れる電流値として検出信号を出力する。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は電流検出装置に関する。

電流検出装置としては、コアを必要としないコアレス型の電流検出装置が知られている。特許文献１には、バスバ（電流路）に対して２個の磁電変換素子を配置したコアレス型の電流検出装置が開示されている。この電流検出装置における２個の磁電変換素子は、バスバから発生する磁界を同等に受けるように配置されている。特許文献１の電流検出装置は、２個の磁電変換素子からの出力電圧の差に基づいて、２個の磁電変換素子における故障の有無を判別する。

特開２０１０−１２７８９６号公報

磁電変換素子には、高い精度で検知することのできる磁束量の許容範囲が存在する。許容範囲を外れた量の磁束を検知する場合には精度が低下する。高い精度で検知することのできる磁束量の許容範囲は磁電変換素子のダイナミックレンジと呼ばれる。ダイナミックレンジの広い素子はコストが嵩む。本明細書は、磁電変換素子のダイナミックレンジに関わらずに、電流計測装置としてのダイナミックレンジを広くする技術を提供する。

本明細書が開示する電力検出装置は、バスバと、第１磁電変換素子と、第２磁電変換素子と、コントローラを備えている。バスバは、計測対象の電流（被計測電流）が流れる細長の導電部材である。バスバは、第１断面積の第１部位と前記第１断面積よりも大きい第２断面積の第２部位を有している。第１部位と第２部位は、バスバの長手方向に沿って隣り合うように設けられている。第１磁電変換素子は、バスバの第１部位に対向するように配置されている。第２磁電変換素子は、バスバの第２部位に対向するように配置されている。コントローラは、第１磁電変換素子または第２磁電変換素子の出力電圧に基づいて、バスバに流れる電流値を示す検出信号を出力する。コントローラは、第１磁電変換素子と第２磁電変換素子の一方の出力電圧に基づいて、バスバに流れる電流の推定値を取得する。コントローラは、推定値が所定の閾値を下回っている場合、第１磁電変換素子の出力電圧から算出される電流値を、バスバに流れる電流値として検出信号を出力する。コントローラは、推定値が閾値を超えている場合、第２磁電変換素子の出力電圧から算出される電流値を、バスバに流れる電流値として検出信号を出力する。なお、推定値が閾値に等しい場合に第１磁電変換素子の出力電圧を用いるか、第２磁電変換素子の出力電圧を用いるかは、任意に選定してよい。

第１断面積は第２断面積よりも狭い。それゆえ、バスバに電流が流れるときにバスバに生じる磁束密度は第１断面積の第１部位の方が第２断面積の第２部位よりも大きくなる。コントローラは、バスバに流れる電流が小さいときには、電流に対して比較的に高い磁束密度が生じる第１部位に対向している第１磁電変換素子の出力電圧から算出される電流値を、バスバを流れる電流値として出力する。コントローラは、バスバに流れる電流が大きいときには、電流に対して比較的に低い磁束密度が生じる第２部位に対向している第２磁電変換素子の出力電圧から算出される電流値を、バスバを流れる電流値として出力する。コントローラは、バスバに流れる電流が大きいか小さいかは、第１磁電変換素子と第２磁電変換素子の一方の出力電圧に基づいて判断する。本明細書が開示する電流検出装置は、流れる電流に対して比較的に大きい磁束密度が発生する第１部位と比較的に小さい磁束密度が発生する第２部位を有するバスバと、それぞれの部位に対向配置された２個の磁電変換素子を備えることで、電流計測装置としてのダイナミックレンジを磁電変換素子のダイナミックよりも広くすることができる。

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。

電流検出装置の構成を示す説明図である。 第１磁電変換素子および第２磁電変換素子の配置を示す図である。 変形例における第１磁電変換素子および第２磁電変換素子の配置を示す図である。

図面を参照して実施例の電流検出装置１００を説明する。図１は、電流検出装置１００の構成を示す説明図である。電流検出装置１００は、バスバ（電流路）に流れる電流を検出する。電流検出装置１００は、三相交流モータの各相に流れる電流を検出する。

電流検出装置１００は、バスバ８００ｕ、８００ｖ、８００ｗと、第１磁電変換素子１１０と、第２磁電変換素子１２０と、コントローラ１３０を備えている。計測対象の電流（被計測電流）は、バスバ８００ｕとバスバ８００ｗを流れる電流である。しかし、三相交流を通すために、電流検出装置１００は、計測対象でない電流が流れるバスバ８００ｖも備えている。三相交流の各相の電流の合計はゼロであるので、２本のバスバを流れる電流値から、残りのバスバを流れる電流を推定することができる。

第１磁電変換素子１１０および第２磁電変換素子１２０は、ホール素子とも呼ばれ、ホール効果を用いて磁束密度に応じた電圧信号を出力する。コントローラ１３０は、第１磁電変換素子１１０の出力電圧Ｖ１と、第２磁電変換素子１２０の出力電圧Ｖ２のいずれかに基づいて、バスバに流れる電流値を示す検出信号Ｓｄを出力する。コントローラ１３０の機能は、コンピュータプログラムに基づいてソフトウェア的に実現される。コントローラ１３０の各部による機能の少なくとも一部は、回路構成に基づいてハードウェア的に実現されてもよい。

図２は、第１磁電変換素子１１０および第２磁電変換素子１２０の配置を示す図である。図２（ａ）は、第１磁電変換素子１１０および第２磁電変換素子１２０の配置を示す平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＦ２ｂ−Ｆ２ｂ断面を示す断面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）におけるＦ２ｃ−Ｆ２ｃ断面を示す断面図である。理解を助けるため、図２（ａ）では、センサ基板１０５（後述）を仮想線で描いてある。

図２には、三相交流を通す３本のバスバ８００ｕ、８００ｖ、８００ｗに対する第１磁電変換素子１１０および第２磁電変換素子１２０の配置が図示されている。３本のバスバは、バスバ８００ｕ、バスバ８００ｖ、バスバ８００ｗの順に、同一平面上に幅方向に並んで配置されている。別言すれば、３本の細長のバスバ８００ｕ、８００ｖ、８００ｗは、幅広面が同一平面に並ぶように平行に配置されている。

バスバ８００ｕは、一定の厚みを有する帯状を成す導体である。バスバ８００ｕは、帯状の一部を切り欠いた切欠部８０５を有する。バスバ８００ｕの切り欠いた部位を第１部位８１０と称し、バスバ８００ｕの長手方向で第１部位８１０に隣り合う部位を第２部位８２０と称する。第２部位８２０は、切欠部８０５が形成されていない部分である。

第１部位８１０における幅Ｗ１は、切欠部８０５によって第２部位８２０における幅Ｗ２よりも狭くなっている。言い換えると、第２部位８２０における幅Ｗ２は、第１部位８１０における幅Ｗ１よりも広くなっている。

バスバ８００ｕの厚みは一定であることから、第１部位８１０におけるバスバの断面積（第１断面積Ｓ１）は、第２部位８２０におけるバスバの断面積（第２断面積Ｓ２）よりも小さい。言い換えると、バスバ８００ｕの第２部位８２０の断面積（第２断面積Ｓ２）は、第１部位８１０の断面積（第１断面積Ｓ１）よりも大きい。

バスバに電流が流れると、バスバを囲むように磁界が発生する。第１部位８１０の断面積（第１断面積Ｓ１）は、第２部位８２０の断面積（第２断面積Ｓ２）よりも小さい。そのため、バスバ８００ｕに電流が流れた場合、第１部位８１０における磁束密度は、第２部位８２０における磁束密度よりも高くなる。言い換えると、バスバ８００ｕに電流が流れた場合、第２部位８２０における磁束密度は、第１部位８１０における磁束密度よりも低くなる。

バスバ８００ｖは、切欠部８０５を有していない点を除き、バスバ８００ｕと同様である。言い換えると、バスバ８００ｖは、一定の厚みおよび一定の幅Ｗ２を有する帯状を成す導体である。

バスバ８００ｗは、バスバ８００ｕと同様である。バスバ８００ｗにおける第１部位８１０は、バスバ８００ｕにおける第１部位８１０と同様に、Ｆ２ｂ−Ｆ２ｂ断面に位置する。バスバ８００ｗにおける第２部位８２０は、バスバ８００ｕにおける第２部位８２０と同様に、Ｆ２ｃ−Ｆ２ｃ断面に位置する。

図２の例では、バスバ８００ｕに対して１組目の第１磁電変換素子１１０および第２磁電変換素子１２０が配置されており、バスバ８００ｗに対して２組目の第１磁電変換素子１１０および第２磁電変換素子１２０が配置されている。それぞれの第１磁電変換素子１１０および第２磁電変換素子１２０の組は、センサ基板１０５に実装されている。センサ基板１０５は、３本のバスバ８００ｕ、８００ｖ、８００ｗから一定の距離を置いて固定されている。

バスバ８００ｕおよびバスバ８００ｗの各バスバにおいて、第１磁電変換素子１１０は、第１部位８１０に対向するように配置されている。図２の例では、第１磁電変換素子１１０は、第１部位８１０の上方に配置されている。

バスバ８００ｕおよびバスバ８００ｗの各バスバにおいて、第２磁電変換素子１２０は、第２部位８２０に対向するように配置されている。図２の例では、第２磁電変換素子１２０は、第２部位８２０の上方に配置されている。

コントローラ１３０は、バスバ８００ｕに対応する第１磁電変換素子１１０の出力電圧Ｖ１と第２磁電変換素子１２０の出力電圧Ｖ２の少なくとも一方に基づいて、バスバ８００ｕに流れる電流の推定値を得る。コントローラ１３０は、出力電圧Ｖ１、Ｖ２の一方を単純に電流値に換算した値を推定値とする。出力電圧と電流値の間には線形関係があるので、コントローラ１３０は、単に出力電圧Ｖ１、Ｖ２の一方を推定値としてもよい。あるいは、コントローラ１３０は、出力電圧Ｖ１、Ｖ２のそれぞれを電流値に換算し、２個の電流値の平均を推定値としてもよい。

バスバ８００ｕに流れる電流の推定値を得た後、コントローラ１３０は、その推定値が所定の閾値Ｔｈを下回っている場合、バスバ８００ｕに対応する第１磁電変換素子１１０の出力電圧Ｖ１から算出される電流値を、バスバ８００ｕに流れる電流値として検出信号Ｓｄを出力する。また、その推定値が閾値Ｔｈ以上である場合、コントローラ１３０は、バスバ８００ｕに対応する第２磁電変換素子１２０の出力電圧Ｖ２から算出される電流値を、バスバ８００ｕに流れる電流値として検出信号Ｓｄを出力する。

コントローラ１３０は、バスバ８００ｗに対してもバスバ８００ｕと同様に、バスバ８００ｗに対応する第１磁電変換素子１１０の出力電圧Ｖ１と第２磁電変換素子１２０の出力電圧Ｖ２の少なくとも一方に基づいて、バスバ８００ｗに流れる電流の推定値を得る。その後、コントローラ１３０は、その推定値が所定の閾値Ｔｈを下回っている場合、バスバ８００ｗに対応する第１磁電変換素子１１０の出力電圧Ｖ１から算出される電流値を、バスバ８００ｗに流れる電流値として検出信号Ｓｄを出力する。また、その推定値が閾値Ｔｈ以上である場合、コントローラ１３０は、バスバ８００ｗに対応する第２磁電変換素子１２０の出力電圧Ｖ２から算出される電流値を、バスバ８００ｗに流れる電流値として検出信号Ｓｄを出力する。

図２の例では、コントローラ１３０は、２本のバスバ８００ｕ、８００ｗに対応する２系統の検出信号Ｓｄを出力する。検出信号Ｓｄの出力先では、２本のバスバ８００ｕ、８００ｗに対応する２系統の検出信号Ｓｄに基づいて、残りのバスバ８００ｖに流れる電流を算出することが可能である。

（変形例）図３は、変形例における第１磁電変換素子１１０および第２磁電変換素子１２０の配置を示す図である。図３（ａ）は、第１磁電変換素子１１０および第２磁電変換素子１２０の配置を示す平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＦ３ｂ−Ｆ３ｂ断面を示す断面図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）におけるＦ３ｃ−Ｆ３ｃ断面を示す断面図である。図３（ａ）におけるＦ３ｂ−Ｆ３ｂ断面は、図２（ａ）におけるＦ２ｂ−Ｆ２ｂ断面に対応する位置にある。図３（ａ）におけるＦ３ｃ−Ｆ３ｃ断面は、図２（ａ）におけるＦ２ｃ−Ｆ２ｃ断面に対応する位置にある。図３（ａ）でも、理解を助けるためにセンサ基板１０５を仮想線で描いてある。

図３の変形例では、中央に配置されているバスバ８００ｖの形状が異なる点、ならびに、バスバ８００ｖに対して３組目の第１磁電変換素子１１０および第２磁電変換素子１２０が配置されている点を除き、図２の配置と同じである。図３の変形例では、バスバ８００ｖにおける第１部位８１０は、バスバ８００ｕ、８００ｗにおいて第２部位８２０が位置するＦ３ｃ−Ｆ３ｃ断面に位置し、バスバ８００ｖにおける第２部位８２０は、バスバ８００ｕ、８００ｗにおいて第１部位８１０が位置するＦ３ｂ−Ｆ３ｂ断面に位置する。これらの点を除き、図３の変形例におけるバスバ８００ｖは、２本のバスバ８００ｕ、８００ｗと同様である。図３の変形例では、３本のバスバ８００ｕ、８００ｖ、８００ｗの各バスバにおいて、第１磁電変換素子１１０は、第１部位８１０に対向するように配置されており、第２磁電変換素子１２０は、第２部位８２０に対向するように配置されている。

図３の変形例では、コントローラ１３０は、２本のバスバ８００ｕ、８００ｗに流れる電流値と同様に、バスバ８００ｖに流れる電流値を示す検出信号Ｓｄを出力する。したがって、コントローラ１３０は、３本のバスバ８００ｕ、８００ｖ、８００ｗに対応する３系統の検出信号Ｓｄを出力する。

以上説明した実施形態の電流検出装置１００によれば、所定の閾値Ｔｈを下回る電流値の帯域では、比較的に磁束密度が大きくなる第１部位８１０に対向するように配置された第１磁電変換素子１１０を用いて電流値を算出し、閾値Ｔｈ以上の電流値の帯域では、比較的に磁束密度が小さくなる第２部位８２０に対向するように配置された第２磁電変換素子１２０を用いて電流値を算出する。すなわち、第１磁電変換素子１１０による計測電流値のダイナミックレンジと、第２磁電変換素子１２０による計測電流値のダイナミックレンジが異なっており、それら２個のダイナミックレンジの全体が電流検出装置１００のダイナミックレンジとなる。電流検出装置１００のダイナミックレンジは、個々の磁電変換素子のダイナミックレンジよりも広くなる。なお、第１磁電変換素子１１０による計測電流値のダイナミックレンジの一部と、第２磁電変換素子１２０による計測電流値のダイナミックレンジの一部が重なっていてもよい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電流検出装置１００のコントローラ１３０は、電流の推定値が閾値Ｔｈを下回っている場合、第１磁電変換素子１１０の出力電圧Ｖ１から算出される電流値を検出信号Ｓｄに用い、推定値が閾値Ｔｈ以上である場合、第２磁電変換素子１２０の出力電圧Ｖ２から算出される電流値を検出信号Ｓｄに用いた。コントローラ１３０は、電流の推定値が閾値Ｔｈ以下の場合、第１磁電変換素子１１０の出力電圧Ｖ１から算出される電流値を検出信号Ｓｄに用い、推定値が閾値Ｔｈを超えていた場合、第２磁電変換素子１２０の出力電圧Ｖ２から算出される電流値を検出信号Ｓｄに用いてもよい。すなわち、コントローラ１３０は、電流の推定値が閾値Ｔｈに等しい場合は、第１磁電変換素子１１０と第２磁電変換素子１２０のどちらの出力電圧を用いてもよい。

第１磁電変換素子１１０と第２磁電変換素子１２０が検出する磁束密度のダイナミックレンジは同じであってもよいし、異なっていてもよい。検出する磁束密度のダイナミックレンジが同じであっても、バスバに電流が流れたとき、第１部位８１０で発生する磁束密度と第２部位８２０で発生する磁束密度が異なるので、第１磁電変換素子１１０の電流計測値のダイナミックレンジと、第２磁電変換素子１２０の電流計測値のダイナミックレンジは相違することになる。

２個の磁電変換素子のダイナミックが同じであっても相違する場合であっても、いずれの場合も、第１部位８１０に対向している第１磁電変換素子１１０の電流計測値のダイナミックレンジと、第２部位８２０に対向している第２磁電変換素子１２０の電流計測値のダイナミックレンジが異なっていればよい。第２部位８２０に対向している第２磁電変換素子１２０の電流計測値のダイナミックレンジは、第１部位８１０に対向している第１磁電変換素子１１０の電流計測値のダイナミックレンジよりも電流値が大きい範囲をカバーするように構成されていればよい。

実施例の電流検出装置１００は、３本のバスバを備えている。本明細書が開示する電流検出装置は、少なくとも１本のバスバと、そのバスバに対向するように配置されている第１、第２磁電変換素子を備えていれば良い。

以上、実施形態を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面において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、出願時の請求項に記載した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おいて説明した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、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。

１００：電流検出装置
１０５：センサ基板
１１０：第１磁電変換素子
１２０：第２磁電変換素子
１３０：コントローラ
８００ｕ、８００ｖ、８００ｗ：バスバ
８０５：欠部
８１０：第１部位
８２０：第２部位

Claims (1)

1. 被計測電流が流れるバスバであって第１断面積の第１部位と前記第１断面積よりも大きい第２断面積の第２部位を有しているバスバと、
   前記第１部位に対向するように配置されている第１磁電変換素子と、
   前記第２部位に対向するように配置されている第２磁電変換素子と、
   前記第１磁電変換素子または前記第２磁電変換素子の出力電圧に基づいて、前記バスバに流れる電流値を示す検出信号を出力するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記第１磁電変換素子と前記第２磁電変換素子の一方の出力電圧に基づいて、前記バスバに流れる電流の推定値を取得し、
   前記推定値が所定の閾値を下回っている場合、前記第１磁電変換素子の出力電圧から算出される電流値を、前記バスバに流れる電流値として前記検出信号を出力し、
   前記推定値が前記閾値を超えている場合、前記第２磁電変換素子の出力電圧から算出される電流値を、前記バスバに流れる電流値として前記検出信号を出力する、電流検出装置。

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