KR20210085664A - 홀센서 타입 전류센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

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KR20210085664A
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김우철
김태정
이춘걸
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주식회사 아모그린텍
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Abstract

본 발명은 포화자속밀도가 높고 자기손실이 낮으며 고가의 희소금속을 포함하지 않는 4원계 Fe계 연자성 합금 재료를 자기코어로 채용한 홀센서 타입 전류센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 홀센서 타입 전류센서는 제1 및 제2 피측정 도전체가 관통하는 관형의 제1 및 제2 중공지지부를 갖고, 전면이 개방된 본체케이스; 각각 상기 제1 및 제2 중공지지부에 끼워져서 상기 본체케이스의 내측 바닥에 설치되며 에어갭이 형성된 제1 및 제2 자기코어; 인쇄회로기판(PCB)의 양측에 장착된 제1 및 제2 홀센서가 상기 제1 및 제2 자기코어의 제1 및 제2 에어갭에 삽입되도록 제1 및 제2 자기코어의 상부에 조립되는 홀센서 어셈블리; 및 상기 본체케이스의 개방된 전면에 결합되는 커버;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 자기코어는 각각 포화자속밀도(Bs)가 높고 자기손실이 낮은 4원계 Fe계 연자성 합금 리본을 권선한 후 에어갭을 형성한 것을 특징으로 한다. 그 결과. 본 발명에 따른 홀센서 타입 전류센서는 하나의 전류센서에 2개의 전류를 측정할 수 있는 2채널 구조를 갖는다.

Description

홀센서 타입 전류센서 및 그의 제조방법{Hall Sensor Type Current Sensor and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 홀센서 타입 전류센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
전류센서는 피측정 도전체에 흐르는 전류를 측정하는 전자기 부품이다. 최근 전류센서는 산업 설비분야, 전력 시설 설비분야, 차재용 전류센서 분야 등 다양한 산업 분야에서 이용되고 있다.
전류센서가 적용되는 산업 설비분야로는 전원공급장치(SMPS), 무정전전원장치(UPS), 공작기계, 로봇, 전철, 전기자동차, 풍력 발전기, 용접기 및 태양광 인버터 등을 들 수 있다. 전력 시설 설비분야에서는 에너지 생산 설비에서 생산되는 전력을 관리할 수 있는 전력량계 등의 형태로 전류센서가 적용될 수 있다.
최근 차량에는 차량용 네비게이션 시스템과 같은 다양한 전기부품들의 장착이 증가하고 있으며, 이러한 전기부품들은 차량 배터리의 전력소모를 증가시킨다. 차량 배터리의 충전을 적절히 제어하여 차량에 탑재되는 전기부품들에 안정적으로 전력을 공급하기 위해서는 전류센서를 통한 배터리 전류의 정확한 검출이 필요하다.
전류센서는 전류측정 방법에 따라 크게 전자유도형과 전류자기효과형으로 나눌 수 있다. 전자유도형은 전자계의 유도 현상을 이용한 것으로 교류 전류 측정에는 유리하나, 비정형파형 및 직류 전류 파형의 측정에는 별도의 주변 회로를 포함하지 않고는 측정에 어려움이 있다. 또한, 전자유도형은 주파수 대비 출력 신호의 비선형성(non-linearity)이라는 문제점과 과전류 시에 파괴현상이 나타나는 문제점이 있다.
이에 반하여, 홀효과(Hall effect)를 이용한 전류자기효과형 전류센서는 과전류가 인가되었을시 비파괴 특성을 보이며, 직류 전류 파형이나 비정형 교류 전류 파형의 모든 범위 측정이 가능하다. 또한, 제품의 소형 경량화가 가능하고 균일한 온도특성을 유지하며, 측정 전류 전원과 절연되어 매우 안정되고, 우수한 선형성을 보이는 장점을 갖는다.
전류자기효과형 전류센서는 피측정 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지며, 에어갭을 사이에 두고 서로 마주보는 자기코어 및 에어갭에 배치되는 홀센서로 구성된다. 피측정 도전체에 흐르는 전류에 의하여 자성체 소재의 자기코어에 생성되는 자기장은 에어갭을 통하여 홀센서에 제공되며, 홀센서는 이 자기장으로부터 피측정 도전체에 흐르는 전류를 측정하게 된다.
홀 효과(Hall effect)는 자기장이 전류가 흐르는 도전체를 쇄교할 때, 그 도전체의 양단에 전위차가 생기는 물리 현상을 가리킨다. 홀 효과에 의해 유도되는 전위차는 쇄교하는 자기장(B)에 비례한다. 이 같은 홀 효과를 이용해 도전체에 바이어스 전류를 흘리고 그 양단의 전위차를 측정함으로써 자기장의 세기를 측정하는 것이 홀 센서이다.
이러한 전류자기효과형 전류센서의 성능은 자기코어의 소재로 사용되는 자성체의 성능에 크게 영향을 받는다.
전류자기효과형 전류센서에서 자성체 재료의 이상적인 요구조건으로는 높은 투자율, 높은 포화자속밀도, 낮은 보자력과 온도 변화특성 등을 들 수 있다. 일반적으로 투자율이 높은 자성체 재료는 자속밀도의 포화특성과 온도특성이 나쁘게 나타나는 경향이 있다. 반면에, 투자율이 낮은 자성체 재료는 자속밀도의 포화특성과 온도특성이 양호한 반면, 보자력과 철손 등의 영향으로 고주파수에서 발열하는 불리한 특성을 나타내는 경향이 있다. 따라서 전류측정 환경에 맞추어 적절한 자성체 재료의 선정이 필요하다.
종래에 전류센서의 자성체 소재로는 주로 실리콘 스틸(Silicon Steel)과 퍼멀로이(Permalloy) 소재가 많이 사용되고 있다. 실리콘 스틸은 규소강(Si-Fe)이라고도 불리며, 저전류대의 감도는 떨어지지만 높은 포화자속밀도 특성을 나타내고, 퍼멀로이는 저전류대의 감도는 좋으나 포화자속밀도가 낮은 특성을 나타낸다.
실리콘 함량이 높은 규소 강판은 포화자속밀도(Bs)가 1.9T 이상으로 높으나 교류에서 자기 손실이 크다는 단점이 있다.
또한, 페라이트 코어는 포화자속밀도가 1.0T 이하로 낮아서 고전류 측정은 어렵고 저전류 측정에 적용 가능하다. 5원계 파인메트는 포화자속밀도가 1.2T 이고, 일반적인 비정질 합금인 Fe계 비정질 합금(Fe-Si-B계 합금)은 포화자속밀도가 1.65T이고, Co계 비정질 합금은 포화자속밀도가 1.65T 이하이다.
또한, 열처리에 의해 나노 결정립이 쉽게 석출될 수 있는 5원계의 Fe-Si-B-Cu-Nb 나노 결정립 합금은 우수한 연자성 특성을 나타내나, Nb 등의 희소금속을 포함하여 고가의 재료인 단점이 있다.
이에 따라 저전류대를 측정하는 전류센서에는 자성체로서 퍼멀로이가 많이 활용되며, 고전류대를 측정하는 전류센서에는 자성체로서 실리콘 스틸이 많이 활용되고 있다. 저전류와 고전류대에서 모두 좋은 감도를 가지는 전류센서를 구현하기 위하여 종래에는 퍼멀로이를 이용한 전류센서와 실리콘 스틸을 이용한 전류센서를 각각 제작한 후 이를 함께 사용하여 왔다.
다른 종류의 전류센서는 저전류대에서 높은 감도를 가지며, 동시에 높은 자속밀도 포화도 특성을 가지는 자성체를 구현하기 위하여 서로 다른 특성을 가지는 자성체를 적층시킨 자성체를 제시하고 있다. 서로 다른 특성을 가지는 자성체를 적층하여 형성되는 자기코어는 저전류대에서 큰 투자율을 가지며, 고전류대에서는 높은 자속밀도 포화 특성을 가질 수 있다.
한편, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차는 배터리의 직류 전력을 인버터에 의해 교류로 변환하여 구동모터에 인가함으로써 움직인다. 이러한 전기 구동 자동차에서는 구동모터를 주어진 속도로 제어하도록 인버터에 의해 출력되는 전류를 센싱하는 다수의 전류 센서가 사용된다.
전기 자동차에서 흐르는 전류의 크기는 수백 암페어에 달하는 대전류이다. 이러한 대전류를 직접 적은 비용으로 측정하는 것은 쉽지 않다. 종래 전기 자동차에서 대전류를 측정하기 위해 홀센서를 이용한 것이 알려져 있다.
전기 자동차는 속도 제어를 위해 인버터를 가변 주파수로 구동한다. 이러한 구동 주파수에 대한 요구는 최근 들어 20 kHz에 달하도록 높아졌다. 구동 주파수가 높아지면서 전류센서의 주파수 응답 특성이 이슈가 되고 있다. 이제까지 이러한 주파수 응답 특성의 비선형성(non-linearity)은 주로 요크 내부의 와전류 손실(eddy current loss)에 의한 것으로 알려져 왔다. 요크를 세라믹으로 하는 것이 전기적인 특성상 가장 유리하지만 세라믹은 부스러지기 쉬워서 자동차 응용에는 기피된다. 이에 따라 와전류 손실을 줄이기 위해 규소 강판으로 제조되는 요크의 실리콘 함량을 높이는 것이 시도되었다.
한편, 종래에는 전류센서를 제조할 때, 먼저 PCB기판에 홀센서를 부착한 후 케이스 내에 PCB기판과 자기코어를 순차적으로 배치하고, 케이스 내에 배치된 PCB기판과 자기코어의 유동을 방지하기 위해 케이스 내부에 에폭시 등의 젤 타입의 경화성 밀봉재를 충진하여 고정시키고 있다.
그 결과, 충진된 밀봉재의 긴 경화시간에 따른 생산성 저하와 제조공정의 번거로운 문제점이 있다. 또한, 밀봉재는 액체상태에서 고체로 경화하는 과정에서 큰 응력을 발생시키므로 케이스 내부에 미리 정위치된 PCB기판과 자기코어의 고정 위치에 대한 변위를 야기하여 불량이 발생할 수 있다.
또한, 전류가 흐르는 도선(또는 버스바)이 고정되어 있지 않으면 자기코어에서 발생하는 자기장이 균일하지 못하기 때문에 측정되는 전류값의 정확성이 담보되지 못한다. 이와 반대로 도선은 고정되어 있으나 자기코어가 유동될 경우에도 마찬가지로 자기장이 불규칙하게 형성되고 이로 인하여 측정되는 전류값의 정확성이 담보되지 못한다.
더욱이, 자기코어의 에어갭이 작으면 홀센서를 설치하기 곤란하고, 이와 반대로 에어갭의 치수가 너무 크면 자속밀도가 불균일하게 되어 측정 정도가 저하되므로 에어갭의 크기도 상당한 정도로 고려되어야 하며, 이와 더불어 측정 신뢰도를 높이기 위해서는 일단 설정된 자기코어의 에어갭이 항상 일정하게 유지되어야 한다.
또한, 자기코어의 에어갭에 홀센서를 설치할 때 자기코어의 에어갭의 중앙에 적정한 깊이로 홀센서가 자동 정렬되어 위치설정되는 것이 전류센서 제품의 신뢰성과 생산성을 높이는 데 필요한 사항이나 종래에는 이러한 요구를 충족하고 있지 못하다.
한편, 종래에는 하나의 케이스 내에서 복수개의 전류를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 전류센서를 형성하는 각 구성품의 공통 부품수를 줄일 수 있는 멀티형 전류센서가 제안되어 있다.
그러나, 상기 멀티형 전류센서는 케이스, 터미널 및 코어가 인서트 사출을 통해 일체로 성형되는 구조이므로, 제조가 어려운 문제가 있다.
: 한국등록특허공보 제10-1715792호 : 한국등록특허공보 제10-1049052호
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 그 목적은 포화자속밀도가 높고 자기손실이 낮으며 고가의 희소금속을 포함하지 않는 4원계 Fe계 연자성 합금 재료를 자기코어로 채용함에 따라 주파수 특성이 우수하고 하나의 전류센서에 2개의 전류를 측정할 수 있는 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 부품을 단순화/최소화하고 밀봉재 사용을 배제한 간편한 조립공정에 의한 작업 효율성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전류-전압 특성의 선형성과 자기코어의 응답시간 특성이 우수한 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제1채널(CH1)과 제2채널(CH2)에 대한 전류-전압의 선형성 오차(Linearity Error) 특성과 민감도(Sensing slope) 특성이 우수한 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 자기코어가 높은 포화자속밀도와 우수한 고주파 특성을 가져 소형 경량화가 가능하며, 낮은 보자력 등 자기손실이 적어 고성능, 고효율을 도모할 수 있는 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀센서 타입 전류센서는 제1 및 제2 피측정 도전체가 관통하는 관형의 제1 및 제2 중공지지부를 갖고, 전면이 개방된 본체케이스; 각각 상기 제1 및 제2 중공지지부에 끼워져서 상기 본체케이스의 내측 바닥에 설치되며 에어갭이 형성된 제1 및 제2 자기코어; 인쇄회로기판(PCB)의 양측에 장착된 제1 및 제2 홀센서가 상기 제1 및 제2 자기코어의 제1 및 제2 에어갭에 삽입되도록 제1 및 제2 자기코어의 상부에 조립되는 홀센서 어셈블리; 및 상기 본체케이스의 개방된 전면에 결합되는 커버;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 자기코어는 각각 포화자속밀도(Bs)가 높고 자기손실이 낮은 4원계 Fe계 연자성 합금 리본을 권선한 후 에어갭을 형성한 것을 특징으로 한다. 그 결과. 본 발명에 따른 홀센서 타입 전류센서는 하나의 전류센서에 2개의 전류를 측정할 수 있는 2채널 구조를 갖는다.
상기 4원계 Fe계 연자성 합금은 FeBCuC 합금일 수 있으며, 상기 FeBCuC 합금은 초기합금이 비정질상이고, 자기적 특성 향상을 위한 자기장 열처리가 이루어진 경우 나노결정립으로 결정화된 면적이 53 내지 83%인 결정상과 비정질상을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 4원계 Fe계 연자성 합금은 포화자속밀도(Bs)가 1.8T 이상이고, 보자력(Hc)이 140 A/m 이하일 수 있다.
상기 제1 및 제2 피측정 도전체가 서로 다른 크기로 전류값이 설정된 경우, 상기 제1 및 제2 자기코어는 서로 다른 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 본체케이스는 배면 양측에 돌출되어 내측 바닥에 제1 및 제2 자기코어를 수용하기 위한 제1 및 제2 자기코어수용부를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 자기코어수용부에는 각각 내측 바닥으로부터 돌출된 제1 및 제2 중공지지부의 관통구멍과 연통하여 제1 및 제2 피측정 도전체가 통과하는 관통구멍이 형성될 수 있다.
또한, 상기 본체케이스를 시스템 본체에 설치할 때, 상기 제1 및 제2 자기코어수용부의 내측에 돌출된 복수의 결합돌기를 이용하여 시스템 본체에 구비된 결합요홈에 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 본체케이스의 공간에 돌출되어 제1 및 제2 자기코어의 수용공간을 정의하기 위한 한쌍의 가이드벽; 및 상기 인쇄회로기판을 본체케이스의 바닥으로부터 일정한 간격을 두고 고정하는 데 필요한 복수의 고정돌기;를 더 포함하며, 상기 인쇄회로기판을 복수의 고정돌기에 고정시킴에 따라 상기 제1 및 제2 자기코어의 에어갭에 대한 제1 및 제2 홀센서의 삽입 깊이가 일정하게 결정되고, 에어갭의 중앙부에 제1 및 제2 홀센서의 위치가 자동으로 정렬될 수 있다.
상기 홀센서 어셈블리에 설치된 콘넥터는 상기 본체케이스의 바닥에 형성된 관통구멍을 통하여 노출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀센서 타입 전류센서의 제조방법은 제1 및 제2 피측정 도전체가 관통하는 관형의 제1 및 제2 중공지지부와 복수의 고정돌기가 바닥으로부터 돌출되고, 전면이 개방된 본체케이스를 준비하는 단계; 각각 에어갭이 형성된 트랙형 제1 및 제2 자기코어를 준비하는 단계; 상기 에어갭이 형성된 트랙형 제1 및 제2 자기코어를 각각 제1 및 제2 중공지지부에 끼워 상기 본체케이스의 내측 바닥에 고정 설치하는 단계; 제1 및 제2 홀센서가 장착된 인쇄회로기판(PCB)을 복수의 고정돌기에 고정시킴에 따라 각각 제1 및 제2 홀센서가 제1 및 제2 자기코어의 에어갭에 삽입되도록 조립하는 단계; 및 커버를 상기 본체케이스의 개방된 전면에 결합시키는 단계;를 포함하며, 상기 인쇄회로기판을 복수의 고정돌기에 고정시킴에 따라 상기 제1 및 제2 자기코어의 에어갭에 대한 제1 및 제2 홀센서의 삽입 깊이가 일정하게 결정되고, 에어갭의 중앙부에 제1 및 제2 홀센서의 위치가 자동으로 정렬되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 자기코어를 준비하는 단계는 각각, 4원계 Fe계 연자성 합금 리본을 토로이달 형태로 권취하여 토로이달형 자기코어를 형성하는 단계; 상기 토로이달형 자기코어를 열처리 지그를 이용하여 1차 열처리함에 의해 트랙형 자기코어로 변형시키는 단계; 상기 트랙형 자기코어를 360 ℃ 내지 420 ℃ 범위의 온도에서 5 내지 40 min 2차 열처리하는 단계; 상기 열처리된 트랙형 자기코어를 수지 용액에 함침시킨 후, 건조하여 표면에 도막을 형성하는 단계; 및 상기 표면에 도막이 형성된 트랙형 자기코어에 에어갭을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 2차 열처리 단계는 상기 트랙형 자기코어를 단계적으로 360 ℃-> 380 ℃ -> 400 ℃ -> 420 ℃로 온도가 설정된 소성로 구간을 5 내지 40 min 범위로 통과하도록 자기장 열처리할 수 있다. 상기 2차 열처리 단계의 열처리 시간은 자기코어의 크기에 따라 시간이 결정되며, 바람직하게는 10 내지 20 min 범위로 설정될 수 있다.
이 경우, 열처리 시간이 40 min을 초과하는 경우, 생성되는 결정의 입경이 조대화되고, 5 min 미만으로 열처리되는 경우 목적하는 수준으로 결정질로의 변태가 이루어지지 않을 수 있다.
이 경우, 상기 2차 열처리 단계는 상온에서 90 ℃/min 이하의 승온속도로 360 ℃까지 승온시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 4원계 Fe계 연자성 합금은 FeBCuC 합금으로 이루어지며, 상기 FeBCuC 합금은 초기합금이 비정질상이고, 자기적 특성 향상을 위한 2차 열처리가 이루어진 경우 나노결정립으로 결정화된 면적이 53 내지 83%인 결정상과 비정질상을 포함하며, 포화자속밀도가 1.8T 이상일 수 있다. 이 경우, 상기 4원계 Fe계 연자성 합금은 Fe84.3B13.7Cu1C1 합금일 수 있다.
상기 Fe계 연자성 합금 리본은 18 내지 22 ㎛ 두께를 가지는 스트립형 리본일 수 있다.
상기 열처리 지그는 트랙형의 외주를 갖는 내부금형, 상기 내부금형과 내주부 사이에 트랙형의 공간을 형성하는 제1외부금형 및 상기 제1외부금형에 대응하는 제2외부금형을 포함할 수 있다.
상기 트랙형 자기코어로 변형시키는 단계는 상기 제1외부금형과 제2외부금형 사이에 토로이달형 자기코어를 설치하고 제1외부금형과 제2외부금형을 압착한 상태에서 금형 양단부를 고정기구로 체결하여 압착시키는 단계; 및 상기 제1외부금형과 제2외부금형을 압착한 상태에서 토로이달형 자기코어를 열처리하는 단계;를 포함하며, 상기 토로이달형 자기코어는 트랙형 자기코어로 변형될 수 있다.
또한, 상기 자기코어는 FeBCuC 합금으로 이루어진 Fe계 연자성 합금 리본을 토로이달 형태로 권선한 후, 1차 열처리에 의해 트랙형으로 성형될 수 있으며, 상기 1차 열처리는 320 ℃의 온도로, 1.5H 내지 2H 시간 범위로 실시할 수 있다.
상기 인쇄회로기판(PCB)을 복수의 고정돌기에 고정시킴에 따라 인쇄회로기판(PCB)의 배면에 설치된 콘넥터는 상기 본체케이스의 바닥에 형성된 관통구멍을 통하여 노출되고, 상기 커버를 상기 본체케이스의 개방된 전면에 결합시킴에 따라 제1 및 제2 중공지지부는 커버에 형성된 관통구멍을 통하여 외부로 노출될 수 있다.
더욱이, 상기 제1 및 제2 피측정 도전체가 서로 다른 크기로 전류값이 설정된 경우 제1 및 제2 자기코어는 서로 다른 특성을 가지며, 상기 제1 자기코어의 포화자속밀도는 1.8T 이상이고, 제2자기코어의 포화자속밀도는 1.8T 이하로 설정될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 4원계 FeBCuC 합금에서 Si원소를 배제함에 따라 Fe원소의 함량을 증가시킬 수 있어 포화자속밀도가 1.8T 이상으로 높고 자기손실이 낮으며 고가의 희소금속을 포함하지 않는 4원계 Fe계 연자성 합금 재료를 자기코어로 채용함에 따라 주파수 특성이 우수하다.
또한, 본 발명에서는 자기코어의 전류-전압 특성의 선형성과 응답시간 특성이 우수하여 성형성 주파수 응답 특성이 요구되는 전기 자동차에 적용할 때 정밀 제어가 이루어질 수 있다.
본 발명은 자기코어가 높은 포화자속밀도와 우수한 고주파 특성을 가져 소형 경량화가 가능하며, 낮은 보자력 등 자기손실이 적어 고성능, 고효율을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 한쌍의 전류버스바(Bus Bar)가 통과하는 제1 및 제2 중공지지부는 제1 및 제2 채널을 형성하며, 그 결과 하나의 전류 센서에 의해 2개의 전류를 측정할 수 있다.
제1 및 제2 홀센서가 실장된 인쇄회로기판(PCB)을 본체케이스 내부로부터 돌출된 복수의 고정돌기에 고정시킴에 따라 제1 및 제2 자기코어의 에어갭에 대한 제1 및 제2 홀센서의 삽입 깊이가 일정하게 결정되고, 에어갭의 중앙부에 제1 및 제2 홀센서의 위치가 자동으로 정렬됨에 따라 전류센서 제품의 신뢰성과 조립 생산성을 높일 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 부품을 단순화/최소화하고 밀봉재 사용을 배제한 간편한 조립공정에 의한 작업 효율성 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서의 상부 및 하부에서 본 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서의 상부에서 본 부분 분해사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 상부 및 하부에서 본 분해사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 홀센서 타입 전류센서의 개략 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 홀센서 타입 전류센서의 조립공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 6a 내지 도 6d는 각각 토로이달형 자기코어의 평면도, 트랙형 자기코어를 성형하기 위한 지그를 나타낸 평면도, 트랙형 자기코어의 평면도 및 에어갭이 형성된 자기코어의 평면도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명 및 비교예에 따른 단일 채널 구조의 홀센서 타입 전류센서의 전류-전압 특성의 선형성을 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명 및 비교예에 따른 홀센서 타입 전류센서의 응답시간 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명에 따른 2채널 구조의 홀센서 타입 전류센서의 제1채널(CH1)과 제2채널(CH2)에 대한 전류-전압의 선형성 오차(Linearity Error) 특성을 평가하기 위한 입력전류-출력전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명에 따른 2채널 구조의 홀센서 타입 전류센서의 제1채널(CH1)과 제2채널(CH2)에 대한 민감도(Sensing slope) 특성을 평가하기 위한 입력전류-출력전압 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
도 1a 내지 도 3c를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서(100)는 전면이 개방된 본체케이스(10), 상기 본체케이스(10)의 내측 바닥에 설치되며 각각 에어갭(21a,21b)이 형성된 제1 및 제2 자기코어(20a,20b), 상기 자기코어(20a,20b)의 에어갭(21a,21b)에 각각 삽입되는 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)가 인쇄회로기판(PCB)(32)의 양측에 장착된 홀센서 어셈블리(30) 및 상기 본체케이스(10)의 개방된 전면에 결합되는 커버(40)를 포함한다.
상기 본체케이스(10)는 사각통 형상의 본체(11)의 배면 양측에 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)를 수용하기 위한 제1 및 제2 자기코어수용부(13c,13d)가 트랙형 형상으로 돌출되어 있으며, 제1 및 제2 자기코어수용부(13c,13d)에는 트랙형 형상의 길이방향을 따라 각각 전류버스바(bus bar)(50)(도 4 참조)가 통과하도록 관통된 관통구멍(14a,14b)이 형성되어 있다. 또한, 본체(11)의 배면에 배치된 제1 및 제2 자기코어수용부(13c,14d)의 내측에는 각각 본체에 조립 설치될 때 결합요홈에 결합되는 복수의 결합돌기(13e,13f)가 돌출되어 있다. 이 경우, 상기 복수의 결합돌기(13e,13f)는 라운드 형상, 사각형상 및 라운드 형상과 사각형상의 조합으로 구성될 수 있다.
또한, 사각통 형상의 본체(11)의 전면 양측에는 각각 내부에 피측정 도전체인 전류버스바(bus bar)(50)가 통과하는 관통구멍(14a,14b)을 보유하면서 관형상으로 이루어진 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)가 개방된 전면을 향해 돌출 설치되어 있다.
본체(11)의 전면 내측벽에는 커버(40)가 조립될 때 단턱을 제공하는 단차부(12)가 형성되어 있으며, 본체(11)의 양측 변에는 커버(40)의 대향한 양측 변에 돌출된 결합돌기(42a,42b)가 결합되는 결합요홈(16a,16b)이 형성되어 있으며, 또한, 대향한 단차부(12)에도 커버(40)의 대향한 양측 변에 하방향으로 돌출된 결합돌기(43a,43b)가 결합되는 결합요홈(16c)이 형성되어 있다.
상기 본체케이스(10)에서 본체(11)와 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b) 사이의 공간(18)에는 바닥에 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)가 먼저 고정되고, 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)의 상부에 홀센서 어셈블리(30)와 커버(40)가 조립된다.
이 경우, 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)의 외주부는 각각 트랙 형상으로 이루어진 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)의 내주부와 대응하는 형태를 가지도록 4개의 모서리는 라운드 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 본체(11)의 개방된 전면에 결합되는 커버(40)에는 양측에 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)가 결합되어 노출되는 한쌍의 관통구멍(41a,41b)이 형성되어 있다. 상기 본체(11)의 바닥 중앙에는 콘넥터(34)가 결합되어 노출되는 관통구멍(19)이 형성되어 있다.
상기 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)에는 각각 한쌍의 전류버스바(Bus Bar)(50)가 결합되며, 배면의 관통구멍(19)에는 홀센서 어셈블리(30)로부터 전류센서(100)의 출력을 시스템 본체로 전송하도록 전송케이블의 접속플러그가 끼워지는 콘넥터(34)가 배치된다.
또한, 본체(11)의 공간(15)에는 트랙형 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)의 트랙형 수용공간을 정의하기 위한 한쌍의 가이드벽(17a,17b)이 돌출되어 있고, 가이드벽(17a,17b)에는 각각 홀센서 어셈블리(30)의 인쇄회로기판(PCB)(32)을 본체케이스(10)의 바닥으로부터 일정한 간격을 두고 고정하는 데 필요한 고정볼트 또는 고정나사의 선단부가 체결되는 고정돌기(18)가 복수개 일체로 형성되어 있다.
커버(40)의 대향한 양측 변에 본체(11)의 결합요홈(16a,16b)에 결합 고정되는 결합돌기(42a,42b)가 돌출되어 있으며, 또한, 본체(11)의 대향한 단차부(12)에 형성된 결합요홈(16c)에 결합 고정되도록 커버(40)의 대향한 양측 변에 하방향으로 결합돌기(43a,43b)가 돌출되어 있다.
상기 홀센서 어셈블리(30)는 사각형상으로 이루어진 인쇄회로기판(PCB)(32)을 포함하며, 인쇄회로기판(PCB)(32)에는 인쇄회로기판(PCB)(32)을 복수의 고정돌기(18)에 고정시키기 위한 고정볼트 또는 고정나사를 체결하기 위한 관통구멍(33)이 복수개 형성되어 있다.
제1 및 제2 홀센서(31a,31b)는 인쇄회로기판(PCB)(32)의 배면 양측에 장착되며, 인쇄회로기판(PCB)(32)의 상면 양측에는 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)가 검출한 검출신호를 증폭하기 위한 한쌍의 홀(Hall) 집적회로(IC)(35a,35b)가 실장되어 있다.
제1 및 제2 홀센서(31a,31b)는 각각 전류버스바(50)에 흐르는 전류를 통해 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)에 발생되는 자속에 대응하는 전압을 발생시킨다.
인쇄회로기판(PCB)(32)에는 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)의 에어갭(21a,21b)에 배치된 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)로부터 전류버스바(50)를 통하여 흐르는 전류에 대응한 전압을 발생시킬 때 전압을 증폭시키기 위한 한쌍의 홀(Hall) 집적회로(IC)(35a,35b)가 실장되어 있다.
홀(Hall) 집적회로(IC)(35a,35b)는 각각 도 4에 도시된 바와 같이, OP 앰프(36)를 이용하여 증폭회로(51)를 구성하며, 증폭회로(51)는 홀센서(31)의 양단자와 OP 앰프(36)의 반전 및 비반전 입력단자 사이에는 각각 저항(37,38)이 삽입되어 있고, 출력단자와 접지 사이에도 저항(39)이 삽입되어 있다.
이에 따라 전류버스바(50)를 통하여 전류가 흐르면, 전류버스바(50)에 흐르는 전류에 의해 자기코어(20)를 따르는 자속이 발생되며, 에어갭(21)에 배치된 홀센서(31)는 자속에 대응하는 전압을 발생시킨다. 홀센서(31)에 의해 검출된 전압은 증폭회로(51)의 OP 앰프(36)에 의해 증폭된 후 출력전압(Vo)은 시스템 본체로 전송된다.
인쇄회로기판(PCB)(32)의 배면에는 본체(11)의 관통구멍(19)에 결합되는 콘넥터(34)가 배치되어 있으며, 콘넥터(34)에 전송케이블의 접속플러그를 결합하여 전류센서(100)의 출력을 시스템 본체로 전송할 수 있다.
상기 복수의 고정돌기(18)는 본체(11)의 바닥으로부터 일정한 길이를 가지고 돌출되어 있어 홀센서 어셈블리(30)의 인쇄회로기판(PCB)(32)을 복수의 고정돌기(18)에 지지되도록 고정설치하면 인쇄회로기판(PCB)(32)을 본체(11)의 바닥과 평행상태로 설정할 수 있다.
따라서, 본체(11)의 바닥에 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)를 고정시킨 후, 인쇄회로기판(PCB)(32)을 본체(11)에 돌출된 고정돌기(18)에 고정볼트 또는 고정나사를 체결하여 고정시키면, 도 2와 같이 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)의 상부에 미리설정된 거리를 두고 조립이 이루어지고, 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)의 에어갭(21a,21b)에 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)의 삽입 깊이가 일정하게 결정된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)가 배면에 설치된 인쇄회로기판(PCB)(32)을 복수의 고정돌기(18)에 고정시킴에 따라 에어갭(21a,21b)의 중앙부에 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)의 위치가 자동으로 정렬된다.
본 발명에 따른 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서(100)에서는 각각 한쌍의 전류버스바(Bus Bar)(50)가 통과하는 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)의 외주에 에어갭(21a,21b)이 형성된 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)가 결합되고, 에어갭(21a,21b)에 각각 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)가 삽입되어 전류버스바(Bus Bar)(50)를 통하여 흐르는 전류를 측정한다.
한쌍의 전류버스바(Bus Bar)(50)가 통과하는 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)는 제1 및 제2 채널(CH1,CH2)을 형성하며, 그 결과 하나의 전류 센서(100)에 의해 2개의 전류를 측정할 수 있다.
이하에 도 6a 내지 도 6d를 참고하여 본 발명에 따른 트랙형 자기코어의 제조방법을 설명한다.
상기 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)는 전류버스바(50)의 단면 형태에 대응하여 내주부와 외주부가 토로이달형(원형) 또는 트랙형으로 이루어질 수 있다.
토로이달형 자기코어(22)는 도 6a와 같이 연자성 합금으로 이루어진 스트립 형태의 리본을 토로이달 형태로 권취하여 준비한다.
트랙형 자기코어(25)는 먼저 토로이달 형태의 자기코어(22)를 준비한 후, 도 6b에 도시된 바와 같이, 열처리 지그(23)를 이용하여 1차 열처리함에 의해 도 6c에 도시된 트랙형 자기코어(25)를 얻을 수 있다.
상기 열처리 지그(23)는 예를 들어, 트랙형의 외주를 갖는 내부금형(23c), 상기 내부금형(23c)과 내주부 사이에 트랙형의 공간을 형성하는 제1외부금형(23a) 및 제1외부금형(23a)에 대응하는 제2외부금형(23b)을 포함하며, 제1외부금형(23a)과 제2외부금형(23b)의 양단부에 볼트와 너트로 이루어진 고정기구(24a,24b)를 체결하여 사용할 수 있다.
상기 열처리 지그(23)의 제1외부금형(23a)과 제2외부금형(23b) 사이에 토로이달형 자기코어(22)를 설치하고 제1외부금형(23a)과 제2외부금형(23b)을 압착한 상태에서 금형 양단부를 고정기구(24a,24b)로 체결하여 압착된 상태를 유지하면서, 예를 들어, 320 ℃의 온도로, 1.5 H 내지 2 H 시간 범위로 열처리하면 토로이달형 자기코어(22)를 트랙형 자기코어(25)로 성형할 수 있다.
상기 1차 열처리 온도, 320 ℃는 2차 자기특성 열처리 온도인 420 ℃보다 약100 ℃ 작게 설정되는 것이 적정하며, 이 온도가 결정화가 이루어지지 않으면서 형태유지가 가능한 온도이다. 또한, 열처리 시간이 1.5 H 미만인 경우 열처리 후에 트랙형으로 성형된 형태를 유지하지 못할 수 있으며, 열처리 시간이 2 H를 초과하는 것은 시간만 지체할 뿐 더 이상의 의미를 가지지 못한다.
본 발명에 사용되는 연자성 합금 리본은 Fe계 연자성 합금으로 4원계 FeBCuC 합금을 사용할 수 있다. FeBCuC 합금은 포화자속밀도가 높고 자기손실이 낮으며 고가의 희소금속을 포함하지 않는 4원계 Fe계 연자성 합금 재료이다.
더욱이, 본 발명에 사용되는 Fe계 연자성 합금은 Si 원소를 배제함에 의해 Fe 원소의 함량을 증가시켜 높은 포화자속밀도를 구현할 수 있다.
본 발명에 사용되는 Fe계 연자성 합금은 초기합금은 비정질상이고, 자기적 특성 향상을 위한 열처리가 이루어진 경우 평균입경 30 nm 이하의 나노결정립으로 결정화된 면적이 53 내지 83 %인 결정상과 비정질상을 포함하며, 포화자속밀도(Bs)가 1.8T 이상이고, 보자력(Hc)이 140 A/m 이하인 우수한 자기적 특성을 갖는 연자성 합금이다.
만일, 나노결정립의 평균입경이 30 ㎚를 초과하는 경우 보자력이 증가하는 등 목적하는 자기적 특성을 모두 만족시키기 어려울 수 있다. 고 포화자속밀도(Bs)를 위해 상기 나노결정립의 평균입경은 바람직하게는 20 ㎚ 이하일 수 있다.
상기 연자성 합금에서 결정화된 면적이 53 % 미만인 경우 포화자속밀도(Bs)가 낮아 우수한 자기적 특성 발현이 어려울 수 있고, 결정화된 면적이 83 %를 초과하는 경우 Fe-C계 화합물 등의 다른 금속간의 화합물 결정 생성이 크게 증가하여 포화자속밀도가 낮아지고 보자력 등의 자기손실이 증가할 수 있다.
또한, 연자성 합금의 포화자속밀도(Bs)가 1.8T 이하인 경우 500~1000A와 같은 대전류 측정이 어렵고, 보자력(Hc)이 140 A/m 이상인 경우 자기 손실이 증가하고 열발생이 증가하여 부품의 소형 경량화가 어렵게 되는 문제가 발생한다.
본 발명 실시예에서는 FeBCuC 합금의 일예인 Fe84.3B13.7Cu1C1 합금을 예를 들어, 설명한다.
상기 연자성 합금 리본의 초기합금은 Fe84.3B13.7Cu1C1 로 표시되는 Fe계 모합금이 제조되도록 Fe, B, C 및 Cu 각각의 원소를 포함하는 모재들이 칭량되어 혼합된 Fe계 합금성형 조성물 또는 Fe84.3B13.7Cu1C1 모합금을 용융 후 급냉시키는 방법, 예를 들어, 용융된 모합금을 고속으로 회전하는 롤에 의해 리본이 제조되는 멜트스피닝법으로 제조한 것으로 18 내지 22 ㎛ 두께를 가지는 스트립형 리본으로 얻어진다.
그 후, 상기 연자성 합금 리본을 권취하여 얻어진 자기코어의 자기적 특성을 발현시키기 위한 2차 열처리는 상온에서 예를 들어, 90 ℃/min 이하의 승온속도로 360 ℃까지 승온시킨 후, 단계적으로 온도가 360 ℃-> 380 ℃ -> 400 ℃ -> 420 ℃로 상승하는 소성로(예를 들어, 전기로 방식)에서 설정된 구간을 5 내지 40 min에 걸쳐서 통과하도록 자기장 열처리하여, 평균입경 30 nm 이하의 나노결정립으로 결정화된 면적이 53 내지 83 %인 결정상과 비정질상을 포함하는 연자성 합금 리본을 얻는다.
상기 2차 열처리 시간은 자기코어의 크기에 따라 5 내지 40 min 사이에서 자기장 열처리 시간이 조정될 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 20 min 범위에서 이루어질 수 있다.
이 경우, 열처리 시간이 5 min 미만으로 열처리되는 경우 목적하는 수준으로 결정질로의 변태가 이루어지지 않을 수 있고, 40 min을 초과하는 경우 생성되는 결정의 입경이 조대화된다. 따라서, 자기코어의 자기적 특성을 발현시키기 위한 열처리 시간은 5 내지 40 min 범위로 결정된다.
상기 2차 열처리가 360 ℃ 미만에서 이루어지는 경우 나노결정립이 생성되지 않거나 적게 생성되어 자기적 특성이 낮은 Fe계 연자성 합금이 제조될 수 있고, 상기 열처리가 420 ℃를 초과한 온도에서 이루어지는 경우 합금내 생성되는 결정의 입경이 조대화될 수 있으며, 생성되는 결정의 입경 분포가 매우 넓어져 입경의 균일성이 저하되고, α-Fe 이외에 Fe와 다른 금속간 화합물의 결정이 과도하게 생성되어 α-Fe 결정의 균일한 나노결정질인 Fe계 합금이 얻어지지 않을 수 있다.
또한, 상기 2차 열처리가 단계적으로 온도가 360 ℃ 내지 420 ℃ 사이에서 4단계로 나누어서 20 ℃씩 상승하여 360 ℃-> 380 ℃ -> 400 ℃ -> 420 ℃로 상승하는 소성로를 이용하여 자기코어가 미리 설정된 시간동안 통과하도록 열처리하는 것은 비균질화 결정 생성을 막고 균질한 결정화가 용이하게 이루어지게 하기 위한 것이다.
상기한 자기장 열처리가 이루어진 연자성 합금 리본은 포화자속밀도(Bs)가 1.8T 이상이고, 보자력(Hc)이 140 A/m 이하인 우수한 자기적 특성을 갖는 것으로 나타났다.
2차 열처리를 시행한 트랙형 자기코어(25)는 예를 들어, 바니시 용액에 담궈서 함침하고 건조시킴에 의해 트랙형 자기코어(25)의 표면에 보호용 도막을 형성하며 형상을 고정시킨다.
이어서, 트랙형 자기코어(25)를 컷팅기를 이용하여 도 6d에 도시된 바와 같은 에어갭(21)을 형성하여 오픈 루프형(Open loop type) 자기코어(20)를 형성한다. 상기 에어갭(21)은 3~5 mm 범위로 설정될 수 있다.
이하에 본 발명에 따른 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서의 특성 시험을 위해 샘플을 제작하며, 도 5 내지 도 6d를 참고하여 본 발명에 따른 홀센서 타입 전류센서의 샘플 조립공정을 설명한다.
먼저, 폭 8 mm, 두께 22 ㎛의 Fe84.3B13.7Cu1C1 합금계 비정질 리본을 준비한 후, 권취기를 이용하여 토로이달(toroidal) 형태로 리본을 권취하여 도 6a에 도시된 바와 같은 토로이달형 자기코어(코어 사이즈: 외경 20 mm, 내경 12.7 mm)(22)를 형성한다(S11).
그 후, 권취된 토로이달형 자기코어(22)를 도 6b와 같이 열처리 지그(23)를 이용하여 트랙(track)형 형태로 만들고, 1차 열처리를 실시하여 트랙형 형태를 유지하게 한다(S12). 1차 열처리는 320 ℃의 온도에서 1.5H 시간 범위로 실시한다.
1차 열처리를 거친 트랙형 자기코어(25)를 자장 열처리 전기로에 넣고 질소가스 분위기하에서 단계적으로 온도를 변화시키는 2차 열처리를 실시한다(S13). 즉, 2차 열처리를 위한 열처리 온도-시간은 360 ℃-> 380 ℃ -> 400 ℃ -> 420 ℃, 10 min이다.
이어서, 2차 열처리를 시행한 트랙형 자기코어를 바니시 용액에 담궈서 함침한다(S14). 이 경우 함침기내 압력이 (-)0.1 Mpa로 될 때까지 함침을 시행한다.
그 후, 함침된 트랙형 자기코어(25)를 건조기에 넣고 120 ℃에서 3시간 건조한다(S15).
그 후, 건조된 트랙형 자기코어(25)를 도 6d와 같이 컷팅기를 이용하여 3.5 mm의 에어갭(21)을 형성하여 오픈 루프형(Open loop type) 자기코어(20)를 형성한다(S16).
이어서, 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)와 콘넥터(34)가 인쇄회로기판(PCB)(32)의 배면에 실장되고, 상부면에 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)가 검출한 검출신호를 증폭하기 위한 한쌍의 홀(Hall) 집적회로(IC)(35a,35b) 등이 실장된 홀센서 어셈블리(30)를 준비한다.
또한, 한쌍의 전류버스바(Bus Bar)(50)가 통과하는 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)와 복수의 고정돌기(18)가 돌출된 본체케이스(10)를 수지를 이용한 사출성형방식으로 제작한다.
이어서, 본체케이스(10)의 내부에 트랙형 구조를 갖는 에어갭(21a,21b)이 형성된 제1 및 제2 자기코어(20a,20b), 홀센서 어셈블리(30) 및 커버(40)를 순차적으로 조립하여 홀센서 타입 전류센서(100)를 제작한다(S17).
부품의 조립방법은 먼저 본체케이스(10)의 바닥면에 실리콘 접착제를 바르고 컷팅된 트랙형 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)의 내주에 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)가 삽입되도록 장착한 후, 24시간 건조 경화시켜 고정한다.
이어서, 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)와 콘넥터(34)가 인쇄회로기판(PCB)(32)에 실장된 홀센서 어셈블리(30)를 고정볼트를 사용하여 인쇄회로기판(PCB)(32)의 관통구멍(33)에 체결함에 의해 홀센서 어셈블리(30)를 복수의 고정돌기(18)에 고정시킨다. 이에 따라 콘넥터(34)의 선단부는 관통구멍(19)을 통하여 외부로 노출된다.
이어서, 커버(40)의 결합돌기(42a,42b,43a,43b)를 본체케이스(10) 상부의 결합요홈(16a~16c)에 조립하면, 스냅결합 또는 압착결합방식으로 간단하게 조립이 완료된다.
이 경우, 본체케이스(10)의 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)는 선단부가 커버(40)의 관통구멍(41a,41b)을 통하여 외부로 노출되고, 커버(40)의 하단부는 본체케이스(10)의 단턱부(12)에 걸려서 결합위치가 고정된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)가 배면에 설치된 인쇄회로기판(PCB)(32)을 복수의 고정돌기(18)에 고정시킴에 따라 에어갭(21a,21b)의 중앙부에 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)의 위치가 자동으로 정렬될 수 있다.
그 결과, 본 발명에 따른 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서(100)에서는 각각 한쌍의 전류버스바(Bus Bar)(50)가 통과하는 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)의 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)가 결합되고, 에어갭(21a,21b)에 각각 제1 및 제2 홀센서(31a,31b)가 삽입되어 한쌍의 전류버스바(Bus Bar)(50)를 통하여 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
이 경우, 한쌍의 전류버스바(Bus Bar)(50)가 통과하는 제1 및 제2 중공지지부(13a,13b)는 제1 및 제2 채널(CH1,CH2)을 형성하며, 제1 및 제2 채널(CH1,CH2)을 통과하는 한쌍의 전류버스바(Bus Bar)(50)가 유사한 크기로 전류값이 설정된 경우는 제1 및 제2 채널(CH1,CH2)에 동일한 특성을 갖는 제1 및 제2 자기코어(20a,20b)를 적용하나, 그렇지 않는 경우에는 서로 다른 특성을 갖는 자기코어를 적용할 수 있다.
제1채널(CH1)을 통과하는 하나의 전류버스바(Bus Bar)는 고전류가 흐르고, 제2채널(CH2)을 통과하는 나머지 하나의 전류버스바는 저전류가 흐르는 경우, 제1채널(CH1)에는 포화자속밀도(Bs)가 1.8T 이상이고, 보자력(Hc)이 140 A/m 이하인 우수한 자기적 특성을 갖는 연자성 합금, 예를 들어 4원계 FeBCuC 합금으로 이루어진 자기코어를 적용하고, 제2채널(CH2)에는 포화자속밀도가 1.0T 이하로 낮으나 저렴한 자성재료, 예를 들어, 페라이트 자기코어를 적용할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 부품을 단순화/최소화하고 밀봉재 사용을 배제한 간편한 조립공정에 의해 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서의 작업 효율성 및 조립 생산성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 단일 채널을 갖는 홀센서 타입 전류센서의 특성을 먼저 검토한다.
(전류-전압의 선형성 오차(Linearity error) 특성 시험)
단일 채널을 갖는 홀센서 타입 전류센서는 도 6d와 같이 3.5 mm의 에어갭을 갖는 오픈 루프형(Open loop type) 자기코어를 형성한 후, 단일 채널의 중공지지부를 갖는 본체케이스에 자기코어, 단일의 홀센서가 실장된 홀센서 어셈블리와 커버를 순차적으로 조립하여 홀센서 타입 전류센서 샘플을 준비한다.
상기와 같이 제조된 본 발명에 따른 홀센서 타입 전류센서의 샘플과 비교예로서 LEM사의 전류센서 제품(모델명: HASS 100-S)을 이용하여 각각 전류-전압의 선형성 오차(Linearity error)를 측정하였다.
LEM사의 홀센서 타입 전류센서 제품(모델명: HASS 100-S)은 FeSi(Silicon-steel) 박판을 적층하여 구성한 오픈 루프 타입의 자기코어를 채용하고 있다.
전류-전압의 선형성 오차(Linearity error) 측정을 위해 5 kW급 고용량의 전원공급장치(Auto Industrial사의 모델명: KJP-10500-BTS)와 전기부하(Chromd사의 모델명: 63204A-600-280) 사이를 전류버스바로 연결하고, 이 때 전류버스바가 본 발명의 전류센서의 중공지지부를 통과하도록 결합하며, DC Power supply(EZ Digital CO.사의 모델명: GP-4503DU)와 디지털 멀티미터(FLUKE사의 모델명: 117)로부터 전류센서에 DC 구동전원을 공급하면서 전류센서에서 측정한 출력전압을 수신하기 위한 전송케이블을 구성하고 단부에 설치된 접속플러그를 전류센서의 콘넥터에 결합하여 선형성 에러 측정회로를 구성하였다.
그후 5 kW급 고용량의 전원공급장치에 의해 버스바에 -100 ~ +100 A의 대전류를 인가하면서 전류센서로부터 수신한 출력전압을 도 7a에 그래프로 나타내었다.
그 결과, 본 발명의 전류센서의 전류-전압의 선형성 오차(Linearity error) 는 0.20%로 나타났다.
상기와 동일한 방식으로 비교예(LEM사의 전류센서) 제품을 시험한 결과를 도 7b에 그래프로 나타내었다. 그 결과, 비교예(LEM사의 전류센서) 제품의 전류-전압의 선형성 오차(Linearity error) 는 0.24%로 나타났다.
비교예(LEM사의 전류센서) 제품은 포화자속밀도(Bs)가 1.9T 이상으로 높으나 교류에서 자기 손실이 큰 FeSi(Silicon-steel) 박판을 적층하여 자기코어를 구성한 것이고, 본 발명의 전류센서는 포화자속밀도 1.8T 이상의 FeBCuC 합금 리본을 권선하여 자기코어를 구성한 것이다. FeSi(Silicon-steel)의 자기손실값은 0.67 w/kg이고, FeBCuC 합금은 0.21 w/kg이다.
(트랙형 자기코어의 응답시간 특성 시험)
본 발명에 따른 트랙형 자기코어(포화자속밀도 1.8T의 FeBCuC 합금 리본을 권선하여 제작된 자기코어)와 상기한 비교예 전류센서에 사용된 자기코어(FeSi 박판을 적층하여 구성된 자기코어)의 응답시간 특성 시험을 실시하였다.
본 발명에 따른 트랙형 자기코어와 비교예 전류센서에 사용된 자기코어에 대하여 각각 일측에 와이어를 권선하여 입력신호를 인가하고, 자기코어의 타측에 와이어를 권선하여 출력신호를 검출하는 방식을 사용한다. Power Amp(NF사의 모델명: HAS-4052)와 Function Generator(NF사의 모델명: WF1974)에 의해 입력신호(노란색)를 인가하고, 오실로스코프(Teledyne사의 모델명: Wavesurfer 3022)를 사용하여 출력신호(적색)를 검출하는 측정회로를 구성하였다.
자기코어 자체의 응답시간을 측정하기 위해 Function Generator를 사용하여 100 kHz, 40A·turn의 구형파 입력신호(노란색)를 인가하고, 입력전류와 출력전압간 도달시간의 시간차를 오실로스코프로 측정하고 그 결과로 나타난 오실로스코프 화면을 도 8a 및 도 8b에 나타냈다.
상기 측정결과 본 발명에 따른 트랙형 자기코어(1.8 T FeBCuC 샘플)는 12ns로 나타났고, 비교예의 자기코어(FeSi 샘플)는 200ns로 나타났다.
따라서, 상기 응답시간 특성 시험 결과를 참고할 때 본 발명에 따른 트랙형 자기코어를 채용한 홀센서 타입 전류센서는 비교예 샘플과 비교하여 17배 이상 더빠른 응답 특성을 나타냈다.
상기한 전류-전압의 선형성 에러(Linearity error)와 자기코어의 응답시간 특성 시험에서 본 발명과 비교예 사이에 선형성 에러(Linearity error)와 응답시간의 차이는 본 발명에 채용된 FeBCuC 합금은 비교예의 FeSi(Silicon-steel)보다 상대적으로 낮은 보자력(Hc)을 가짐에 따라 자기손실이 낮은 점에 기인하는 것으로 판단된다.
이하에서는 본 발명에 따른 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서의 특성을 검토하였다.
(전류-전압의 선형성 오차(Linearity error) 특성 시험)
전류-전압의 선형성 오차(Linearity Error) 특성 평가를 위한 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서는 도 6d와 같이 3.5 mm의 에어갭을 갖는 오픈 루프형(Open loop type) 자기코어를 형성한 후, 2채널의 제1 및 제2 중공지지부를 갖는 본체케이스에 제1 및 제2 자기코어, 제1 및 제2 홀센서가 실장된 홀센서 어셈블리와 커버를 순차적으로 조립하여 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서 샘플을 준비하였다.
2채널 구조를 갖는 전류센서 샘플에 대하여 각 채널별로 상기한 단일 채널 전류센서의 전류-전압의 선형성 오차(Linearity error) 측정과 동일하게 측정회로를 연결한 후, 5 kW급 고용량의 전원공급장치에 의해 버스바에 -200 ~ +200 A의 대전류를 인가하면서 전류센서로부터 수신한 출력전압을 도 9a 및 도 9b에 그래프로 나타내었다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명에 따른 홀센서 타입 전류센서의 제1채널(CH1)과 제2채널(CH2)에 대한 전류-전압의 선형성 오차(Linearity Error) 특성을 평가하기 위한 입력전류-출력전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b를 참고하면, 전류센서의 제1채널(CH1)에 대한 선형성 오차는 하기 표 1과 같이 0.248 %이고, 제2채널(CH2)에 대한 선형성 오차는 0.194 %로 나타났다.

특성
단위		 기준값 측정값
CH1 CH2 CH1 CH2
1 선형성 오차 ％ ≤1 0.248 0.194
2 민감도 mV/A 3.94≤Rv≤4.06 4.06 4.0
상기 선형성 오차 특성을 실험한 결과 제1채널(CH1)과 제2채널(CH2)의 선형성 오차는 모두 기준값을 충족하는 것으로 나타났다.
(민감도(Sensing slope) 특성 시험)
상기와 동일한 방법으로 각 채널별로 전류버스바에 대한 입력전류를 -200 ~ +200 A로 인가하면서 전류센서로부터 수신한 출력전압을 도 10a 및 도 10b에 그래프로 나타내었다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명에 따른 2채널 구조의 홀센서 타입 전류센서의 제1채널(CH1)과 제2채널(CH2)에 대한 민감도(Sensing slope)(Rv) 특성을 평가하기 위한 입력전류-출력전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10a 및 도 10b를 참고하면, 전류센서의 입력전류-출력전압 특성은 그래프에서 1차함수의 직선으로 표시된다.
상기 직선은 (y = ax + b)로 표현될 수 있으며, 여기서 비례상수(a)로부터 직선의 슬로프(slope)를 구하면, 민감도(Sensing slope)가 얻어진다.
전류센서의 제1채널(CH1)에 대한 민감도는 상기 표 1과 같이 4.06 mV/A이고, 제2채널(CH2)에 대한 민감도는 4.0 mV/A로 나타났다.
상기 민감도(Sensing slope) 특성을 실험한 결과 제1채널(CH1)과 제2채널(CH2)의 민감도는 모두 기준값을 충족하는 것으로 나타났다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 포화자속밀도가 높고 자기손실이 낮으며 고가의 희소금속을 포함하지 않는 4원계 Fe계 연자성 합금 재료를 자기코어로 채용함에 따라 주파수 특성이 우수한 2채널 구조를 갖는 홀센서 타입 전류센서에 관한 것으로, 전원공급장치(SMPS), 무정전전원장치(UPS), 공작기계, 로봇, 전철, 전기자동차, 풍력 발전기, 용접기 및 태양광 인버터, 전력량계 등의 고전류를 측정하는 전류센서에 적용할 수 있다.
10: 본체케이스 11: 본체
12: 단차부 13a,13b: 중공지지부
14a,14b,19,41a,41b: 관통구멍 15: 공간
16a~16c: 결합요홈 17a,17b: 가이드벽
18: 고정돌기부 20,20a,20b: 자기코어
21,21a,21b: 에어갭 22: 토로이달형 자기코어
23: 열처리 지그 24a,24b: 고정기구
25: 트랙형 자기코어 30: 홀센서 어셈블리
31a,31b: 홀센서 32: PCB
33: 관통구멍 34: 콘넥터
35a,35b: 홀 집적회로 40: 커버
42a,42b: 결합돌기 43a,43b: 결합돌기
50: 전류버스바 51: 증폭회로
100: 전류센서

Claims (20)

  1. 제1 및 제2 피측정 도전체가 관통하는 관형의 제1 및 제2 중공지지부를 갖고, 전면이 개방된 본체케이스;
    각각 상기 제1 및 제2 중공지지부에 끼워져서 상기 본체케이스의 내측 바닥에 설치되며 에어갭이 형성된 제1 및 제2 자기코어;
    인쇄회로기판(PCB)의 양측에 장착된 제1 및 제2 홀센서가 상기 제1 및 제2 자기코어의 제1 및 제2 에어갭에 삽입되도록 제1 및 제2 자기코어의 상부에 조립되는 홀센서 어셈블리; 및
    상기 본체케이스의 개방된 전면에 결합되는 커버;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 자기코어는 각각 포화자속밀도(Bs)가 높고 자기손실이 낮은 4원계 Fe계 연자성 합금 리본을 권선한 후 에어갭을 형성한 홀센서 타입 전류센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 4원계 Fe계 연자성 합금은 FeBCuC 합금인 홀센서 타입 전류센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 FeBCuC 합금은 초기합금이 비정질상이고, 자기적 특성 향상을 위한 자기장 열처리가 이루어진 경우 나노결정립으로 결정화된 면적이 53 내지 83%인 결정상과 비정질상을 포함하는 홀센서 타입 전류센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 4원계 Fe계 연자성 합금은 포화자속밀도(Bs)가 1.8T 이상이고, 보자력(Hc)이 140 A/m 이하인 홀센서 타입 전류센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 피측정 도전체가 서로 다른 크기로 전류값이 설정된 경우, 상기 제1 및 제2 자기코어는 서로 다른 특성을 가지는 홀센서 타입 전류센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 본체케이스는 배면 양측에 돌출되어 내측 바닥에 제1 및 제2 자기코어를 수용하기 위한 제1 및 제2 자기코어수용부를 더 포함하며,
    상기 제1 및 제2 자기코어수용부에는 각각 내측 바닥으로부터 돌출된 제1 및 제2 중공지지부의 관통구멍과 연통하여 제1 및 제2 피측정 도전체가 통과하는 관통구멍이 형성되어 있는 홀센서 타입 전류센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 본체케이스를 시스템 본체에 설치할 때, 상기 제1 및 제2 자기코어수용부의 내측에 돌출된 복수의 결합돌기를 이용하여 시스템 본체에 구비된 결합요홈에 결합되는 홀센서 타입 전류센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 본체케이스의 공간에 돌출되어 제1 및 제2 자기코어의 수용공간을 정의하기 위한 한쌍의 가이드벽; 및
    상기 인쇄회로기판을 본체케이스의 바닥으로부터 일정한 간격을 두고 고정하는 데 필요한 복수의 고정돌기;를 더 포함하며,
    상기 인쇄회로기판을 복수의 고정돌기에 고정시킴에 따라 상기 제1 및 제2 자기코어의 에어갭에 대한 제1 및 제2 홀센서의 삽입 깊이가 일정하게 결정되고, 에어갭의 중앙부에 제1 및 제2 홀센서의 위치가 자동으로 정렬되는 홀센서 타입 전류센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 홀센서 어셈블리에 설치된 콘넥터는 상기 본체케이스의 바닥에 형성된 관통구멍을 통하여 노출되는 홀센서 타입 전류센서.
  10. 제1 및 제2 피측정 도전체가 관통하는 관형의 제1 및 제2 중공지지부와 복수의 고정돌기가 바닥으로부터 돌출되고, 전면이 개방된 본체케이스를 준비하는 단계;
    각각 에어갭이 형성된 트랙형 제1 및 제2 자기코어를 준비하는 단계;
    상기 에어갭이 형성된 트랙형 제1 및 제2 자기코어를 각각 제1 및 제2 중공지지부에 끼워 상기 본체케이스의 내측 바닥에 고정 설치하는 단계;
    제1 및 제2 홀센서가 장착된 인쇄회로기판(PCB)을 복수의 고정돌기에 고정시킴에 따라 각각 제1 및 제2 홀센서가 제1 및 제2 자기코어의 에어갭에 삽입되도록 조립하는 단계; 및
    커버를 상기 본체케이스의 개방된 전면에 결합시키는 단계;를 포함하며,
    상기 인쇄회로기판을 복수의 고정돌기에 고정시킴에 따라 상기 제1 및 제2 자기코어의 에어갭에 대한 제1 및 제2 홀센서의 삽입 깊이가 일정하게 결정되고, 에어갭의 중앙부에 제1 및 제2 홀센서의 위치가 자동으로 정렬되는 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 자기코어를 준비하는 단계는 각각,
    4원계 Fe계 연자성 합금 리본을 토로이달 형태로 권취하여 토로이달형 자기코어를 형성하는 단계;
    상기 토로이달형 자기코어를 열처리 지그를 이용하여 1차 열처리함에 의해 트랙형 자기코어로 변형시키는 단계;
    상기 트랙형 자기코어를 360 ℃ 내지 420 ℃ 범위의 온도에서 5 내지 40 min 2차 열처리하는 단계;
    상기 열처리된 트랙형 자기코어를 수지 용액에 함침시킨 후, 건조하여 표면에 도막을 형성하는 단계; 및
    상기 표면에 도막이 형성된 트랙형 자기코어에 에어갭을 형성하는 단계;를 포함하는 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 2차 열처리 단계는
    상기 트랙형 자기코어를 단계적으로 360 ℃-> 380 ℃ -> 400 ℃ -> 420 ℃로 온도가 설정된 소성로 구간을 5 내지 40 min 범위로 통과하도록 자기장 열처리하는 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 2차 열처리 단계는
    상온에서 90 ℃/min 이하의 승온속도로 360 ℃까지 승온시키는 단계를 더 포함하는 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 4원계 Fe계 연자성 합금은 FeBCuC 합금으로 이루어지며,
    상기 FeBCuC 합금은 초기합금이 비정질상이고, 자기적 특성 향상을 위한 2차 열처리가 이루어진 경우 나노결정립으로 결정화된 면적이 53 내지 83%인 결정상과 비정질상을 포함하며, 포화자속밀도가 1.8T 이상인 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 4원계 Fe계 연자성 합금은 Fe84.3B13.7Cu1C1 합금인 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 2차 열처리 단계의 열처리 시간은 10 내지 20 min 범위로 설정되는 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 열처리 지그는 트랙형의 외주를 갖는 내부금형, 상기 내부금형과 내주부 사이에 트랙형의 공간을 형성하는 제1외부금형 및 상기 제1외부금형에 대응하는 제2외부금형을 포함하며,
    상기 트랙형 자기코어로 변형시키는 단계는
    상기 제1외부금형과 제2외부금형 사이에 토로이달형 자기코어를 설치하고 제1외부금형과 제2외부금형을 압착한 상태에서 금형 양단부를 고정기구로 체결하여 압착시키는 단계; 및
    상기 제1외부금형과 제2외부금형을 압착한 상태에서 토로이달형 자기코어를 1차 열처리하는 단계;를 포함하며,
    상기 1차 열처리에 의해 토로이달형 자기코어는 트랙형 자기코어로 변형되는 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 1차 열처리는 320 ℃의 온도로, 1.5H 내지 2H 시간 범위로 실시하는 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판(PCB)을 복수의 고정돌기에 고정시킴에 따라 인쇄회로기판(PCB)의 배면에 설치된 콘넥터는 상기 본체케이스의 바닥에 형성된 관통구멍을 통하여 노출되고,
    상기 커버를 상기 본체케이스의 개방된 전면에 결합시킴에 따라 제1 및 제2 중공지지부는 커버에 형성된 관통구멍을 통하여 외부로 노출되는 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 피측정 도전체가 서로 다른 크기로 전류값이 설정된 경우 제1 및 제2 자기코어는 서로 다른 특성을 가지며,
    상기 제1 자기코어의 포화자속밀도는 1.8T 이상이고, 제2자기코어의 포화자속밀도는 1.8T 이하로 설정되는 홀센서 타입 전류센서의 제조방법.
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