JP6869476B2 - 電流センサ - Google Patents

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (2)

1. 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電流センサ。
2. 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請求項１に記載の電流センサ。

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