KR101847011B1 - 전류 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코어리스 전류 센서(Coreless current sensor)에 관한 것이다. 본 발명은 버스 바에 흐르는 전류를 측정하는 전류 센서로서, 상기 버스 바와 간격을 두고 마주보도록 배치된 평판형의 제1 실드와, 상기 버스 바와 제1 실드 사이에 배치되며, 버스 바에 흐르는 전류에 의한 자기장의 변화를 감지하는 센싱 소자와, 상기 버스 바 및 센싱 소자를 감싸며, 상기 제1 실드 쪽이 개방된 U자형의 제2 실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 제공한다. 본 발명에 따른 전류 센서는 버스 바에 대전류가 흐르는 경우에도 작동 필드 범위가 작은 센싱 소자를 사용할 수 있다는 장점이 있다.

Description

전류 센서{Current sensor}

본 발명은 전류 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코어리스 전류 센서(Coreless current sensor)에 관한 것이다.

하이브리드 전기 자동차의 모터 구동 전류, 배터리 전류 등의 측정에 전류 센서가 많이 이용되고 있다. 버스 바에 흐르는 전류를 비접촉 상태에서 측정하는 전류 센서로는 갭이 있는 링형 자성 코어와 갭에 배치되는 센싱 소자를 포함하는 형태의 전류 센서와, 링형 자성 코어를 사용하지 않는 코어리스 전류 센서가 사용된다.

자성 코어를 사용하는 전류 센서는 자성 코어 때문에 경량화 및 소형화가 어렵다는 문제가 있다.

코어리스 전류 센서는 외부 자기장의 영향을 받아 측정 정밀도가 떨어질 수 있기 때문에 자기 차폐를 위해, 센싱 소자 및 버스 바를 둘러싸는 자성체 실드를 사용한다.

코어리스 전류 센서에 있어서, 센싱 소자의 감지면을 통과하는 자속 밀도는 버스 바에 흐르는 전류의 크기, 실드의 폭, 센싱 소자의 위치, 실드의 형태 등에 영향을 받는다. 전류의 크기가 클수록 자속 밀도가 증가하며, 실드의 폭이 좁을수록 자속 밀도가 증가한다. 그리고 센싱 소자가 버스 바에 가까울수록 자속 밀도가 증가한다.

센싱 소자의 감지면을 통과하는 자속 밀도가 큰 경우에는 작동 필드 범위(Operation field range)가 넓은 센싱 소자를 사용해야 한다. 그런데 작동 필드 범위가 넓은 센싱 소자는 고가이므로 이를 사용하면 코어리스 전류 센서의 제조비용이 매우 증가한다는 문제가 있다. 따라서 자속 밀도에 영향을 주는 실드의 형태, 폭, 센싱 소자의 위치 등을 조절하여 센싱 소자의 감지면을 통과하는 자속 밀도를 줄일 필요가 있다. 특히, 버스 바에 고전류가 흐르는 고전류용 전류 센서의 경우에는 더욱 문제가 된다.

상술한 바와 같이, 실드의 폭을 증가시키면 자속 밀도가 작아지지만, 실드의 폭의 증가는 자기 차폐 성능의 저하로 이어지므로, 실드의 폭을 증가시키는 것은 한계가 있다.

도 9는 U자형의 실드를 사용하는 종래의 전류 센서에서 U자형의 실드의 폭에 따른 자기 차폐 성능을 비교하기 위한 도면으로서, 버스 바에 전류가 흐르지 않는 상태에서, 전류 센서 외부에 자기장이 형성될 경우 실드 외부 자속 밀도와 실드 내부 자속 밀도를 나타낸 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, U자형의 실드의 폭이 넓어지면, 외부 자속 밀도와 내부 자속 밀도의 비가 감소한다. 즉, 실드 내부에 외부 자기장의 영향이 미친다. 이러한 외부 자기장의 영향은 전류 센서의 측정 정밀도를 떨어뜨리게 된다.

도 10은 U자형의 실드를 사용하는 종래의 전류 센서에서 센싱 소자의 위치에 따른 자속 밀도의 변화를 나타낸 도면이다. x축은 센싱 소자의 버스 바로부터의 거리를 나타내며, y축은 자속 밀도를 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 센싱 소자의 위치가 버스 바에 가까울수록 자속 밀도가 크며, 멀어질수록 자속 밀도가 감소한다.

그러나 센싱 소자가 U자형 실드의 끝단 사이에 배치되어, 자속 밀도 값이 최소인 경우에도 자속 밀도 값이 59mT로 최대 값인 83mT의 70% 이상이므로, 센싱 소자를 자속 밀도 값이 최소인 위치에 배치한다고 하여도 작동 필드 범위가 매우 넓은 센싱 소자를 사용해야 한다는 문제가 있다.

도 11은 U자형의 실드를 사용하는 종래의 전류 센서에서 센싱 소자의 폭 방향위치 및 버스 바에 흐르는 전류의 주파수에 따른 자속 밀도의 변화를 나타낸 도면이다. x축은 중심으로부터의 폭 방향 거리를 나타내며, y축은 직류가 흐를 때의 자속 밀도와의 비율을 나타낸다. 도 11에 도시된 바와 같이, 버스 바에 직류 전류가 흐를 때에는 센싱 소자의 위치에 따라서 자속 밀도에 큰 차이가 없으나, 버스 바에 흐르는 전류의 주파수가 증가함에 따라서 센싱 소자의 위치에 따라서 자속 밀도에 큰 차이가 생기는 것을 확인할 수 있다. 또한, 같은 위치라도 주파수에 따라서 자속 밀도에 큰 차이가 생긴다. 예를 들어, 센싱 소자가 중앙에 배치된 경우, 버스 바에 흐르는 전류의 주파수가 10㎑까지 증가하면, 자속 밀도가 15% 정도나 감소한다. 이러한 현상은 도체에 교류가 흐를 때 전류 밀도가 도체의 표면 근처에 집중되는 표피 효과(skin effect) 때문이다.

표피 효과를 줄이기 위해서는 버스 바와 실드의 폭을 줄여야 하지만, 상술한 바와 같이, 종래의 전류 센서에서는 실드의 폭을 줄이면, 센싱 소자의 감지면을 통과하는 자속 밀도가 증가하여 작동 필드 범위가 매우 넓은 센싱 소자를 사용해야 하기 때문에 실드 폭을 줄이기 어렵다.

결국, 종래의 전류 센서는 전류의 주파수에 따른 자속 밀도의 변화가 크므로, 버스 바에 흐르는 교류 전류의 측정시 교류 전류의 주파수가 변화에 따른 오차에 의해 측정 정밀도가 떨어질 수 있다는 문제가 있었다.

일본등록특허 제5173768호

본 발명은 상술한 문제점들을 개선하기 위한 것으로서, 외부 자기장 및 버스 바에 흐르는 전류의 주파수 변화에 영향을 덜 받아서 측정 정밀도가 높은 전류 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 버스 바에 대전류가 흐르는 경우에도 작동 필드 범위가 작은 센싱 소자를 사용할 수 있는 전류 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 버스 바에 흐르는 전류를 측정하는 전류 센서로서, 상기 버스 바와 간격을 두고 마주보도록 배치된 평판형의 제1 실드와, 상기 버스 바와 제1 실드 사이에 배치되며, 버스 바에 흐르는 전류에 의한 자기장의 변화를 감지하는 센싱 소자와, 상기 버스 바 및 센싱 소자를 감싸며, 상기 제1 실드 쪽이 개방된 U자형의 제2 실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 제공한다.

본 발명에 따른 전류 센서는 다음과 같은 효과들이 있다.

첫째, 버스 바에 대전류가 흐르는 경우에도 작동 필드 범위가 작은 센싱 소자를 사용할 수 있다.

둘째, 센싱 소자의 감지면을 지나는 자속 밀도를 줄이기 위해서 실드 폭을 넓힐 필요가 없으므로, 소형화가 가능하다.

셋째, 외부 자기장 차폐 효과가 개선된다.

넷째, 버스 바에 흐르는 교류의 주파수 변화에 따른 자속 밀도의 변화가 작으므로, 고주파 전류의 크기도 정확하게 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전류 센서의 일시예의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전류 센서의 단면도이다.
도 3 내지 5는 본 발명에 따른 전류 센서의 일시예들의 단면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 전류 센서의 자기 차폐 성능을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 전류 센서에서 센싱 소자의 위치에 따른 자속 밀도의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 전류 센서에서 센싱 소자의 폭 방향 위치 및 버스 바에 흐르는 전류의 주파수에 따른 자속 밀도의 변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 종래의 전류 센서에서 U자형의 실드의 폭에 따른 자기 차폐 성능을 비교하기 위한 도면이다.
도 10은 종래의 전류 센서에서 센싱 소자의 위치에 따른 자속 밀도의 변화를 나타낸 도면이다.
도 11은 종래의 전류 센서에서 센싱 소자의 폭 방향 위치 및 버스 바에 흐르는 전류의 주파수에 따른 자속 밀도의 변화를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전류 센서의 일시예의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 전류 센서의 단면도이다. 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전류 센서의 일실시예는 버스 바(10), 센싱 소자(20), 제1 실드(30) 및 제2 실드(40)를 포함한다.

버스 바(10)는 평판 또는 스트립 형태의 전도체로서, 구리, 알루미늄 등으로 이루어질 수 있다.

센싱 소자(20)는 홀 효과를 이용하여 자기장의 방향이나 강도를 측정할 수 있는 홀 소자나 자기 저항 효과를 이용하여 자기장의 방향과 강도를 검출하는 자기 저항 소자 소자일 수 있다. 센싱 소자(20)는 절연기판(21)을 통해서 버스 바(10) 위에 고정된다. 센싱 소자(20)는 버스 바(10)의 길이 방향 및 폭 방향 중심에 위치한다. 센싱 소자(20)의 감지면은 버스 바(10)의 폭방향과 거의 수직을 이룬다.

제1 실드(30)는 버스 바(10)와 간격을 두고 마주보도록 배치된다. 제1 실드(30)는 평판형의 투자율이 높은 자성체이다. 제1 실드(30)는 예를 들어, 규소 강판으로 이루어질 수 있다. 제1 실드(30)는 센싱 소자(20)를 완전히 덮을 수 있도록, 센싱 소자(20)와 면적이 같거나, 센싱 소자(20)에 비해서 면적이 넓은 것이 바람직하다.

제2 실드(40)는 버스 바(10) 및 센싱 소자(20)를 감싸는 U자형의 자성체이다. 제2 실드(40)는 제1 실드(30) 쪽이 개방되어 있다. 제2 실드(40) 역시, 규소 강판으로 이루어질 수 있다.

제1 실드(30)는 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 제2 실드(40)의 개방된 끝단 사이 배치될 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 실드(40)의 개방된 끝단의 연장선 사이에 배치될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 실드(40)의 끝단 사이의 아래에 배치될 수도 있다.

또한, 제1 실드(30)는 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 제2 실드(40) 사이 중앙에 배치될 수도 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 한쪽으로 치우치도록 배치될 수도 있다. 단, 제1 실드(30)가 한쪽으로 치우치더라도 위에서 바라보았을 때 제1 실드(30)가 센싱 소자(20)를 완전히 덮어야 한다.

제1 실드(30)와 제2 실드(40)는 버스 바(10)에 흐르는 전류에 의해서 유도된 자기장을 제1 실드(30) 및 제2 실드(40)의 내부로 집중시키고, 외부 자기장을 차폐하는 역할을 한다. 버스 바(10)에 흐르는 전류에 의해서 버스 바(10)의 둘레에 유도되는 자기장은 제1 실드(30)의 폭 방향과 거의 나란한 방향으로 형성된다. 즉, 자기장은 센싱 소자(20)의 감지면에 거의 수직하는 방향으로 형성된다. 자기장의 크기는 버스 바(10)로부터의 거리에 반비례한다.

도 6은 도 1에 도시된 전류 센서의 자기 차폐 성능을 나타낸 도면이다. 즉, 버스 바(10)에 전류가 흐르지 않는 상태에서, 실드 외부에 자기장이 형성되었을 때, 실드 외부 자속 밀도와 실드 내부 자속 밀도를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 있어서, 외부 자속 밀도와 내부 자속 밀도의 비는 300으로, 본 실시예의 전류 센서의 자기 차폐 성능이 도 9에 도시된 종래의 전류 센서의 자기 차폐 성능에 비해서 월등함을 알 수 있다. 본 실시예에서는, 외부 자속 밀도의 1/300에 해당되는 내부 자속 밀도가 실드 내부에 유도되므로 외부 자기장이 거의 완벽하게 차폐된다.

도 7은 도 1에 도시된 전류 센서에서 센싱 소자(20)의 위치에 따른 자속 밀도의 변화를 나타낸 도면이다. x축은 센싱 소자의 버스 바로부터의 거리를 나타내며, y축은 자속 밀도를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 센싱 소자(20)의 위치가 버스 바(10)에 가까울수록 자속 밀도가 크며, 멀어질수록 자속 밀도가 감소한다. 그리고 도 10에 도시된 U자형 실드만으로 이루어진 종래의 전류 센서와 달리 센싱 소자(20)가 제1 실드(30)의 바로 아래에 배치될 때의 자속 밀도 값이 0이 된다. 따라서 버스 바(10)에 흐르는 전류가 큰 경우에는 센싱 소자(20)를 제1 실드(30) 근처에 배치하는 방법으로, 작동 필드 범위가 작은 센싱 소자(20)를 사용할 수 있다. 즉, 측정 대상이 되는 전류에 크기 범위에 따라서 센싱 소자(20)의 위치를 선택하여 배치하면, 작동 필드 범위가 작은 센싱 소자(20)도 고전류 측정용 전류 센서에 사용할 수 있다는 장점이 있다.

도 8은 도 1에 도시된 전류 센서에서 센싱 소자의 폭 방향 위치 및 버스 바에 흐르는 전류의 주파수에 따른 자속 밀도의 변화를 나타낸 도면이다. x축은 중심으로부터의 폭 방향 거리를 나타내며, y축은 직류가 흐를 때의 자속 밀도와의 비율을 나타낸다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전류 센서는 제1 실드(30)에 의해서 센싱 소자(20)의 감지면을 지나는 자속 밀도를 줄일 수 있으므로, 제2 실드(40)의 폭을 줄일 수 있다. 도 8에 도시된 전류 센서의 제2 실드(40)의 폭은 도 11에 도시된 종래의 전류 센서의 실드의 폭의 1/3 정도이다.

제2 실드(40)의 폭이 줄어들면, 표피 효과에 의해서 발생하는, 버스 바(10)에 흐르는 교류 전류의 주파수 변화 따른 자속 밀도의 변화도 줄일 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 센서 소자(20)를 버스 바(10)의 폭 방향 중심에 배치하고, 주파수가 10㎑인 교류를 버스 바(10)에 흘릴 경우 직류를 흘린 때에 비해서 자속 밀도가 8% 정도 감소한다. 도 11에 도시된 U자형 실드만으로 이루어진 종래의 전류 센서와 비교하면, 약 절반 정도 감소하였음을 확인할 수 있다. 따라서 본 실시예의 전류 센서는 버스 바(10)에 흐르는 전류의 주파수가 큰 경우에도 주파수의 변화에 따라서 측정값이 크게 변화하지 않는다는 장점이 있다.

결국, 본 발명에 따른 전류 센서는 제2 실드(40)의 폭을 줄여 외부 자기장 차폐 효과를 향상시키고, 주파수에 따른 자속 밀도의 변화를 최소화시키면서도, 작동 필드 범위가 작은 센싱 소자(20)를 사용할 수 있어서, 제조 비용을 줄이면서도, 소형화 및 정밀도 향상도 이룰 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환할 수 있을 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 버스 바
20: 센싱 소자
30: 제1 실드
40: 제2 실드

Claims (6)

1. 버스 바에 흐르는 전류를 측정하는 전류 센서로서,
   상기 버스 바와 간격을 두고 마주보도록 배치된 평판형의 제1 실드와,
   상기 버스 바와 제1 실드 사이에 배치되며, 버스 바에 흐르는 전류에 의한 자기장의 변화를 감지하는 센싱 소자와,
   상기 버스 바 및 센싱 소자를 감싸며, 상기 제1 실드 쪽이 개방된 U자형의 제2 실드를 포함하며,
   상기 제1 실드는 상기 제2 실드의 사이 또는 상기 제2 실드의 양단에서 연장된 한 쌍의 연장선 사이에 배치되며,
   상기 제1 실드와 상기 제2 실드는 동일한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전류 센서.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 실드는 상기 센싱 소자를 덮을 수 있도록, 그 면적이 상기 센싱 소자의 면적에 비해서 큰 것을 특징으로 하는 전류 센서.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 센싱 소자와 상기 버스 바 사이에는 절연 기판이 배치되는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 센싱 소자는 자기 저항 소자 또는 홀 소자인 것을 특징으로 하는 전류 센서.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 실드는 상기 제2 실드의 사이 또는 상기 제2 실드의 양단에서 연장된 한 쌍의 연장선 사이에서 폭 방향 한쪽으로 치우쳐서 배치되는 것을 특징으로 하는 전류 센서.

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