KR102475347B1 - 통합된 주 도전체 바를 갖는 전류 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전류 트랜스듀서는 측정될 전류를 전달하기 위한 주 도전체 바(4); 자기 회로 갭(22), 회로 기판(24)을 포함하는 자기장 센서(8) 및 자기 회로 갭 내에 위치된 자기장 감지기(9)를 포함하는 자기 코어(6); 그리고 자기 코어와 자기장 센서를 둘러싼 절연 하우징(10)을 포함하되, 주 도전체 바는 외부 주 도전체로의 연결을 위하여 구성된 하우징의 밖에서 연장된 연결 터미널 종단(12a, 12b)을 포함한다. 주 도전체 바는 하우징의 밖에서 연장된 연결 터미널 종단(12a, 12b)과 비교하여 감소된 폭(W1)을 갖는 코어 통로 부분(16)을 더 포함하여, 그로 인하여 자기장 감지기가 안에 위치된 톱니부(17)를 제공하여 자기 코어의 중앙 통로(18)가 주 도전체 연결 종단(12a, 12b)의 폭(W2)보다 작은 폭(W3)을 갖는다. 절연 하우징은 주 도전체 바의 코어 통로 부분(16) 주변에 오버몰드된 메인 하우징 부분(20)을 포함하며, 메인 하우징 부분은 자기 회로 갭 내에서의 배치를 위하여 주 도전체 바 톱니부 내로의 자기장 센서의 슬라이딩 가능한 삽입을 허용하도록 구성된 자기장 센서 수용 슬롯(44)을 포함한다.

Description

통합된 주 도전체 바를 갖는 전류 트랜스듀서{Current Transducer with Integrated Primary Conductor Bar}

본 발명은 자기 코어 그리고 자기 코어의 에어-갭 내의 자기장 감지기를 포함하는, 자기 코어의 중앙 통로를 통하여 연장된 주 도전체 바 내를 흐르는 전류를 측정하기 위한, 전류 트랜스듀서(electric current transducer)에 관한 것이다.

전류 측정 적용을 위한 전류 트랜스듀서 모듈은 전형적으로 고투자율 자성 재료로 제조되며 측정될 전류를 전달하는 주 도전체가 통과하는 중앙 개구를 둘러싼다. 자성 코어는 전형적으로 대체로 사각형 또는 원형 형상을 가질 수 있으며 그리고 예를 들어 주문형 반도체(ASIC) 형태의 홀 효과 센서와 같은 자기장 감지기가 안에 위치된 에어-갭(air-gap)을 구비할 수 있다. 주 도전체 내를 흐르는 전류에 의하여 발생된 자속은 자기 코어에 의하여 집속되며 그리고 에어-갭을 통하여 지나간다. 에어-갭 내의 자기장은 1차 전류를 대표한다.

전류 센서는 전자 장치와 시스템을 모니터링 또는 제어하기 위하여 많은 다양한 종류의 적용에 사용되고 있으며, 많은 적용에서 이러한 부품의 제조 비용과 실행의 비용을 줄이고 그리고 전기 회로 내의 부품을 이용한다는 중요한 이점이 있다. 흔히, 부품이 안에 장착된 장치를 소형화하기 위하여 그리고/또는 무게를 줄이기 위하여 콤팩트한 부품을 제공한다는 중요한 이점 또한 있다.

본 발명의 목적은 콤팩트하고 그리고 제조하는데 경제적인, 주 도전체 내를 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 트랜스듀서를 제공하는 것이다.

내구성있고 그리고 안정적인 전류 트랜스듀서를 제공하는 것이 유리하다.

경량의 전류 트랜스듀서를 제공하는 것이 유리하다.

정확하고, 실행하기 용이하며 또한 사용하는데 경제적인 전류 트랜스듀서를 제공하는 것이 유리하다.

본 발명은 측정될 전류를 전달하기 위한 주 도전체 바; 자기 회로 갭, 회로 기판을 포함하는 자기장 센서 및 회로 기판 상에 장착되고 그리고 자기 회로 갭 내에 위치된 자기장 감지기를 포함하는 자기 코어; 그리고 자기 코어와 자기장 센서를 둘러싼 절연 하우징을 포함하는 전류 트랜스듀서를 개시한다. 주 도전체 바는 외부 주 도전체로의 연결을 위하여 구성된 하우징의 밖에서 연장된 연결 터미널 종단을 포함한다. 주 도전체 바는 하우징의 밖에서 연장된 연결 터미널 종단과 비교하여 감소된 폭을 갖는 코어 통로 부분을 포함하여, 그로 인하여 자기장 감지기가 안에 위치된 톱니부(indent)를 제공한다. 절연 하우징은 주 도전체 바의 코어 통로 부분 주변에 오버몰드된 메인 하우징 부분을 포함하며, 메인 하우징 부분은 자기 회로 갭 내에서의 배치를 위하여 주 도전체 바 톱니부 내로의 자기장 센서의 슬라이딩 가능한 삽입을 허용하도록 구성된 자기장 센서 수용 슬롯을 포함한다.

메인 하우징 부분은 유리하게는 중앙 오버몰드 부분을 포함할 수 있으며, 이 중앙 몰드 부분은 주 도전체 바 주변에서 자기 코어를 안내하고 그리고 위치시키기 위하여 구성된 배치 리브를 포함할 수 있다.

중앙 오버몰드 부분은 연장부를 포함할 수 있으며, 여기서 이 연장부는 오버몰드 부분을 자기장 센서 수용 슬롯의 입구 종단에 연결한다. 연장부는 레일을 제공하여 주 도전체 톱니부 그리고 자기 코어 회로 갭 내로 자기장 센서를 슬라이딩 가능하게 안내하고 그리고 위치시킨다.

중앙 오버몰드 부분은 유리하게는 조립 동안에 자기 회로 갭을 통한 슬라이딩을 위하여 구성된 얇은 벽 영역을 포함할 수 있으며, 이 얇은 벽 영역은 0.3mm 내지 1.2mm 범위, 바람직하게는 0.3 내지 0.8mm 범위의 벽 두께를 갖는다. 조립 동안에 자기 회로 갭이 얇은 벽 영역에 걸쳐 슬라이딩하기 때문에 이는 중앙 오버몰드 부분이 주 도전체 바를 둘러싸는 것을 허용하지만 자기 코어 내의 자기 회로 갭을 감소시키는 것을 허용한다.

메인 하우징 부분은 외부 케이싱을 포함할 수 있으며 그리고 단일 사출 오버몰드된 부품으로서 컨넥터 시라우드와 일체로 형성될 수 있다.

자기 코어는 톱니부 내의 자기장 센서의 슬라이딩 가능한 삽입 방향에 직교적인 방향으로 하우징의 측부를 통하여 메인 하우징 부분 내에 삽입 가능하다.

하우징의 커버 부분은 그 안의 자기 코어를 밀폐하기 위하여 메인 하우징 부분의 측부에 대하여 장착될 수 있다. 한 실시예에서, 커버 부분은 주 도전체 바를 위한 오리피스를 포함하며, 커버 부분은 톱니부 내의 자기장 센서의 슬라이딩 가능한 삽입 방향에 직교적인 삽입 방향으로 하우징의 측부에 대하여 장착 가능하다.

하우징은 자기장 센서 수용 슬롯 내의 자기장 센서를 밀폐하기 위한 캡 부분을 더 포함할 수 있다.

유리한 실시예에서, 전류 트랜스듀서는 외부 컨넥터로의 플러거블 연결을 위하여 구성된 컨넥터를 더 포함하되, 컨넥터는 컨넥터 시라우드 및 자기장 센서의 회로 기판에 직접적으로 장착되고 그리고 연결된 터미널을 포함한다.

유리한 실시예에서, 자기장 감지기는 ASIC 형태이며 또한 홀 효과 셀을 포함한다.

유리한 실시예에서, 전류 트랜스듀서는 개방 루프 전류 트랜스듀서이다.

유리한 실시예에서, 주 도전체 바의 연결 종단 중 적어도 하나는 주 도전체로의 클램핑 또는 볼트 연결을 위한 연결 터미널 형태이다.

자기 코어는 가공된 갭을 구비한, 예를 들어 Si-Fe 재료의 스트립으로 만들어진 권취 테이프로 이루어질 수 있으며, 또는 변형예에서는 단일 부재 페라이트 부품으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 목적 그리고 유리한 특징이 특허청구범위, 상세한 설명 그리고 첨부된 도면으로부터 명백할 것이다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 전류 트랜스듀서의 분리 사시도.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 전류 트랜스듀서의 분리 사시도.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 실시예에 따른 전류 트랜스듀서의 조립을 도시한 사시도.

도면을 참고하면, 전류 트랜스듀서(2)의 예시적인 실시예는 자기 회로 갭(22)을 포함하는 자기 코어(6), 자기 회로 갭(22) 내에 적어도 부분적으로 삽입되는 자기장 센서(8), 유전체 하우징(10) 그리고 자기 코어의 중앙 통로(18)를 통하여 연장되는 주 도전체 바(4; primary conductor bar)를 포함한다. 주 도전체 바(4)는 트랜스듀서 내에 일체화되며 그리고 측정될 전류를 공급하는 외부 주 도전체(도시되지 않음)로의 연결을 위하여 각 종단에 터미널(12a, 12b)을 포함한다.

외부 도전체(도시되지 않음)로의 볼트 또는 클램프 연결을 위해 예를 들어 도시된 바와 같이 터미널(12a, 12b)은 의도된 적용에 따른 다양한 구성의 연결 종단을 포함할 수 있다. 크림프(crimp) 또는 플러그(plug) 또는 다른 형태의 연결이 또한 제공될 수 있다.

실시예에서, 자기장 센서(8)는 유리하게는 회로 기판(24) 및 예를 들어 회로 기판 상에 장착된 ASIC (26: 주문형 반도체) 형태로 제공될 수 있는 자기장 감지기(9)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 자기장 감지기(9)는 그 자체가 본 기술 분야에서 잘 알려진 홀 효과 센서(Hall effect sensor)를 포함할 수 있거나, 또는 본 기술 분야에서 잘 알려져 있는 자기-저항(magneto-resistive) 센서 또는 플럭스게이트 센서(fluxgate sensor)와 같은 다른 자기장 감지 기술에 기초할 수 있다. 낮은 가격 그리고 개방 루프 적용에서의 양호한 측정 성능 때문에 홀 셀 자기장 감지기는 개방 루프 전류 감지 적용 분야에서 널리 사용된다.

회로 기판(24)은 전원 공급 및 측정 신호 전송을 위하여 측정 신호의 일부 처리 그리고 자기장 감지기와 (외부 회로(도시되지 않음)에 연결된) 전기 터미널(32) 간의 전원 공급을 수행할 수 있는 회로 트레이스 및 다양한 회로 요소를 포함한다. 각 터미널은, 도금된 관통 홀을 통하여 회로 기판(24) 내에 삽입된 프레스-피트(press-fit) 핀 터미널 형태의 또는 그 자체가 본 기술 분야에서 잘 알려진 다른 회로 기판 연결 수단 형태의 회로 기판 연결 종단(32a)을 포함한다. 터미널(32)은 컨넥터 시라우드(30) 내에 위치된 또는 컨넥터 시라우드에 둘러싸인, 예를 들어 핀 또는 탭 터미널 형태의 외부 연결 종단(32b)을 더 포함한다. 여기서 컨넥터 시라우드는 외부 회로(도시되지 않음)에 전원을 공급하고 그리고 측정 신호를 전송하는 상호 보완적인 외부 컨넥터로의 플러그블 연결(pluggable connection)을 위하여 구성된다.

컨넥터 시라우드(30)는 상호 보완적인 컨넥터를 컨넥터 시라우드에 록킹시키기 위한 랫칭 돌출부 또는 오리피스(35)와 같은 다양한 고정 수단을 포함할 수 있다. 따라서 외부 플러그형 컨넥터(pluggable connector)에 의하여 전류 측정 신호는 랜스듀서로부터 전달되고 그리고 전원은 트랜스듀서로 된다.

주 도전체에 의하여 생성된 자속은 자기 코어(6) 내를 순환하며 그리고 자기 회로 갭(22) 내에 위치된 자기장 감지기(9)에 의하여 감지(pick-up)된다. 자기 코어(6)는 바람직하게는, 자체가 본 기술 분야에서 잘 알려진 단일 부재 페라이트 재료로 이루어지나, 자체가 본 기술 분야에서 잘 알려진 자성체의 적층된 라미네이트 시트와 같은 다른 재료로 또한 이루어질 수 있다.

주 도전체 바(4)는 연결 터미널들(12a, 12b) 사이에서 연장된 코어 통로 부분(16)을 포함한다. 코어 통로 부분(16)은 코어(6)의 중앙 통로(18) 밖의 도전체 바(4)의 폭(W2)보다 작은 폭(W1)을 갖는다. 연결 종단(12a, 12b)에서 주 도전체 바(4)의 재료의 폭은 코어 통로 부분(16)보다 대체로 넓다. 따라서 코어 통로 부분(16)은 자기 코어(6)가 코어 통로 부분(16)을 둘러싸는 것을 허용하는 적어도 하나의 톱니부(indent: 17)를 제공하며, 자기 코어의 갭(22)은 주 도전체 바(4)의 톱니부(17) 내에 위치된다. 이는 전달될 전류를 고려하여 주 도전체로의 충분한 연결을 위하여 도전체 바가 비교적 넓은 횡단면 연결 표면적을 갖는 것을 허용하는 반면에, 트랜스듀서가 콤팩트한 치수 및 개선된 성능을 갖는 것을 허용한다.

하우징(10)은 코어 수용 부분(28) 그리고 컨넥터 시라우드(30; connector shroud)를 포함한다. 코어 수용 부분(28)은 자기 코어(6)와 자기장 센서(8)를 수용한다. 컨넥터 시라우드(30)는 외부 컨넥터로의 연결을 위하여, 특히 외부 컨넥터로의 플러그블(pluggable) 연결을 위하여 구성된다. 코어 수용 부분(28)은 주 도전체 바(4) 상에 직접적으로 오버몰드된 메인 하우징 부분(20)을 포함한다. 유리한 실시예에서, 메인 하우징 부분 그리고 컨넥터 시라우드는 사출 오버몰딩 공정에서 주 도전체 바(4) 상에 직접적으로 일체로 형성될 수 있다.

메인 하우징 부분(20)은 주 도전체 바와 직접 접촉하는 중앙 오버몰드 부분(40)을 포함하며, 이 중앙 오버몰드 부분은 주 도전체 바의 코어 통로 부분(16)을 덮어 씌고 그리고 완전하게 둘러싼다. 중앙 오버몰드 부분(40)은 톱니부(17)의 측부와 나란한 방향으로 연장된 그리고 가이드 레일(46)을 제공하도록 구성된 연장부(41)를 포함하며, 여기서 가이드 레일은 자기장 센서(8)를 안내하고 위치시키도록 구성되어 자기장 감지기(9)는 톱니부(17) 내에 그리고 자기 코어의 자기 회로 갭(22) 내에 위치된다. 가이드 레일(46)은 회로 기판(24)의 측부 에지와 맞물리는 슬롯 형태일 수 있어 자기장 감지기가 톱니부 내에 위치될 때까지 회로 기판이 슬롯 내로 삽입되는 것을 허용한다. 오버몰드된 메인 하우징 부분은 콤팩트하고 비용 면에서 효과적인 방식으로 하우징 내에서의 자기 코어와 자기장 센서의 안전하고 튼튼한 배치를 제공한다.

중앙 오버몰드 부분(40)은 유리하게는 메인 하우징 부분(20) 내에서의 자기 코어(6)의 삽입 방향으로 연장된 리브(42)를 포함하며, 리브(42)는 주 도전체 바(4) 주변에서 자기 코어를 안내하고 그리고 단단하게 중심을 잡도록 한다. 리브(42)는 중앙 통로(18)를 둘러싸는 자기 코어의 내부 표면에 억지끼워 맞춤 형태로 맞물린다.

중앙 오버몰드 부분(40)은 감소된 벽 두께를 갖는 얇은 벽 영역(43)을 포함하여 에어 갭 면이 이 영역을 따라 슬라이딩할 필요가 있는 자기 코어의 장착을 허용한다. 유리하게 작은 공기 갭을 얻기 위하여, 사용된 재료에 따라 오버몰드의 두께는 0.3 mm 내지 1.2mm의 범위 내의, 바람직하게는 0.3mm 내지 0.8mm의 범위 내의 공칭 값까지 감소된다.

자기장 센서의 삽입에 직교하는 방향으로의 자기 코어(6)의 조립 후에, 커버 부분이 메인 하우징 부분의 개방 측부에 맞물릴 때까지 오리피스(35)를 포함하는 커버 부분(34)이 메인 하우징 부분(20)의 측부를 통하여 주 도전체 바의 연결 종단(12b)에 걸쳐 삽입될 수 있다. 커버 부분과 메인 하우징 부분은 클립핑 수단에 의하여, 접합에 의하여, 또는 용접, 예를 들어 초음파 용접에 의하여 서로 록킹될 수 있다. 적용 그리고 변형에 따라, 커버 부분이 메인 하우징 부분에 대하여 닫히기 전에 유전체 포팅 재료(dielectric potting material)가 외부 케이싱(38) 내에 채워질 수 있다.

자기장 센서 수용 슬롯(44) 내에서의 자기장 센서(8)의 조립 후에, 회로 기판(24)과 연결될 때까지 컨넥터 터미널(32)이 예를 들어, 회로 기판의 도금된 관통 홀 내에 삽입된 프레스-피트 핀 터미널 부분(32a)에 의하여 컨넥터 시라우드(30) 내로 삽입될 수 있다.

하우징(10)은 슬롯(44)의 개방된 입구를 닫도록 구성된 캡 부분(36)을 더 포함할 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에서, 캡 부분(36)은 탄성 클립 아암(48)을 포함하며, 이 클립 아암은 하우징 메인 부분과 커버 부분의 반대 측부 상에서 상호 보완적인 래칫 요소(49)에 맞물린다. 캡 부분은 하우징 내에서 상호 보완적인 구멍(50) 내에 맞물리는 핀(50)을 구비할 수 있어 캡 부분을 메인 하우징 부분으로 향하게 하고 그리고/또는 메인 하우징 부분에 록킹시킨다. 대안적으로 또는 래칫 수단(48, 49)에 더하여 캡 부분은 다른 하우징 부분에 접합 또는 용접될 수 있다.

Claims (15)

1. 측정될 전류를 전달하기 위한 주 도전체 바(4); 자기 회로 갭(22), 회로 기판(24)을 포함하는 자기장 센서(8) 및 자기 회로 갭 내에 위치된 자기장 감지기를 포함하는 자기 코어(6); 그리고 자기 코어와 자기장 센서를 둘러싼 절연 하우징(10)을 포함하되, 주 도전체 바는 외부 주 도전체로의 연결을 위하여 구성된 하우징의 밖에서 연장된 연결 터미널 종단(12a, 12b)을 포함하고, 주 도전체 바는 하우징의 밖에서 연장된 연결 터미널 종단(12a, 12b)과 비교하여 감소된 폭(W1)을 갖는 코어 통로 부분(16)을 더 포함하여, 그로 인하여 자기장 감지기가 안에 위치된 톱니부(17)를 제공하여 자기 코어의 중앙 통로(18)가 주 도전체 연결 종단(12a, 12b)의 폭(W2)보다 작은 폭(W3)을 가지며, 절연 하우징은 주 도전체 바의 코어 통로 부분(16) 주변에 오버몰드된 메인 하우징 부분(20)을 포함하며, 메인 하우징 부분은 자기 회로 갭 내에서의 배치를 위하여 주 도전체 바 톱니부 내로의 자기장 센서의 슬라이딩 가능한 삽입을 허용하도록 구성된 자기장 센서 수용 슬롯(44)을 포함하는 전류 트랜스듀서.
2. 제1항에 있어서, 메인 하우징 부분은 중앙 오버몰드 부분(40)을 포함하되, 이 중앙 몰드 부분은 주 도전체 바 주변에서 자기 코어를 안내하고 그리고 위치시키기 위하여 구성된 배치 리브를 포함하는 전류 트랜스듀서.
3. 제2항에 있어서, 중앙 오버몰드 부분(40)은 연장부(41)를 포함하되, 연장부는 오버몰드 부분을 자기장 센서 수용 슬롯(44)의 입구 종단에 연결하고 그리고 레일(46)을 제공하여 톱니부(17) 내로 자기장 센서를 슬라이딩 가능하게 안내하고 그리고 위치시키는 전류 트랜스듀서.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 중앙 오버몰드 부분(40)은 조립 동안에 자기 회로 갭을 통한 슬라이딩을 위하여 구성된 얇은 벽 영역을 포함하되, 얇은 벽 영역은 0.3mm 내지 1.2mm 범위의 벽 두께를 갖는 전류 트랜스듀서.
5. 제4항에 있어서, 얇은 벽 영역은 0.3 내지 0.8mm 범위의 벽 두께를 갖는 전류 트랜스듀서.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 메인 하우징 부분은 외부 케이싱(38)을 포함하며 그리고 단일 사출 오버몰드된 부품으로서 컨넥터 시라우드(30)와 일체로 형성된 전류 트랜스듀서.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 자기 코어는 톱니부 내의 자기장 센서의 슬라이딩 가능한 삽입 방향에 직교적인 방향으로 하우징의 측부를 통하여 메인 하우징 부분 내에 삽입 가능한 전류 트랜스듀서.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징은 자기 코어를 내부에서 밀폐하기 위하여 메인 하우징 부분의 측부에 대하여 장착된 커버 부분(34)을 포함하되, 커버 부분은 주 도전체 바를 위한 오리피스(35)를 포함하며 그리고 톱니부 내의 자기장 센서의 슬라이딩 가능한 삽입 방향에 직교적인 삽입 방향으로 하우징의 측부에 대하여 장착 가능한 전류 트랜스듀서.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징은 자기장 센서 수용 슬롯 내의 자기장 센서를 폐쇄하기 위한 캡 부분(36)을 더 포함하는 전류 트랜스듀서.
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 컨넥터로의 플러거블 연결을 위하여 구성된 컨넥터(14)를 더 포함하되, 컨넥터는 컨넥터 시라우드(30) 및 자기장 센서의 회로 기판(24)에 직접적으로 장착되고 그리고 연결된 터미널(32)을 포함하는 전류 트랜스듀서.
11. 제10항에 있어서, 자기장 감지기(9)는 ASIC 형태이며 그리고 홀 효과 셀을 포함하는 전류 트랜스듀서.
12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전류 트랜스듀서는 개방 루프 전류 트랜스듀서인 전류 트랜스듀서.
13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 주 도전체 바(4)의 연결 종단(12b) 중 적어도 하나는 주 도전체로의 클램핑 또는 볼트 연결을 위한 연결 터미널 형태인 전류 트랜스듀서.
14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 자기 코어는 페라이트 부분과 일체로 형성된 단일 부재로 형성된 전류 트랜스듀서.
15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 자기 코어는 가공된 갭을 갖는 권취된 테이프로 형성된 전류 트랜스듀서.

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