WO2020189444A1 - 電流センサ - Google Patents

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エイドリアン ロー
松本 功
竜麿 堀
尚宏 ▲浜▼村
貴 長田
正史 上
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Tdk株式会社
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    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
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    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0092Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only

Definitions

  • the present invention relates to a current sensor, and more particularly to a current sensor using a magnetic sensor.
  • Patent Document 1 discloses a configuration in which a bus bar is provided with a current path in which a current to be measured flows in one direction and a current path in which the current flows in the opposite direction, and a magnetic sensor is arranged between them.
  • Patent Document 2 discloses a current sensor in which a bus bar is branched into two and a magnetic sensor is assigned to each current path.
  • an object of the present invention is to provide a current sensor having a structure in which the magnetic sensor is less likely to be saturated even when the amount of current flowing through the bus bar is very large.
  • the current sensor according to the present invention includes a bus bar through which a current to be measured flows and a magnetic sensor that detects a magnetic field generated by the current flowing through the bus bar.
  • the bus bar is surrounded by a bypass bus bar having a tubular structure and a bypass bus bar. It is characterized in that the magnetic sensor is arranged in the hollow region, including the sensing bus bar arranged in the hollow region.
  • the bypass bus bar since the bypass bus bar has a tubular structure, a region having a zero magnetic field is formed in the hollow region. Therefore, if the sensing bus bar is arranged in a region where the magnetic field is zero, even if the current flowing through the bus bar is a large current, the magnetic sensor can be correctly measured without being saturated.
  • the hollow region may be filled with an insulating material. According to this, it is possible to fix the positional relationship between the bypass bus bar and the sensing bus bar.
  • a slit is provided at one end of the bypass bus bar, and the sensing bus bar may be fitted in the slit. According to this, it is possible to fix the positional relationship between the bypass bus bar and the sensing bus bar while reliably short-circuiting them.
  • the sensing bus bar may have a section in which a current flows in a direction different from the direction of the current flowing in the bypass bus bar. According to this, the influence of the magnetic field generated by the current flowing through the bypass bus bar can be more effectively eliminated.
  • the present invention it is possible to provide a current sensor having a structure in which the magnetic sensor is less likely to be saturated even when the amount of current flowing through the bus bar is very large.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing the appearance of the current sensor 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a substantially exploded perspective view of the current sensor 1.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining the structure of the measurement unit U.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of xy of the current sensor 1.
  • FIG. 5 is a circuit diagram for explaining a connection relationship when the magnetic detection elements 21 and 22 are magnetoresistive elements.
  • FIG. 6 is an xy cross-sectional view showing a first example in which the sensing bus bar 12 and the magnetic sensor 20 are offset from the center.
  • FIG. 7 is an xy cross-sectional view showing a second example in which the sensing bus bar 12 and the magnetic sensor 20 are offset from the center.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing the appearance of the current sensor 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a substantially exploded perspective view of the current sensor 1.
  • FIG. 3 is a schematic perspective
  • FIG. 8 is a cut model showing an example in which a part of the sensing bus bar 12 is curved in an arc shape. It is a figure which shows the variation of the cross-sectional shape of the bypass bus bar 11.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example in which two bypass bus bars 11 and 15 are arranged concentrically.
  • FIG. 11 is a schematic perspective view of the current sensor according to the first modification.
  • FIG. 12A is a substantially exploded perspective view of the current sensor according to the second modification
  • FIG. 12B is a schematic perspective view of the current sensor according to the second modification.
  • FIG. 13 is a substantially exploded perspective view of the current sensor according to the third modification.
  • FIG. 14 is an xy cross-sectional view of the current sensor according to the third modification.
  • FIG. 15 is a schematic perspective view showing the appearance of the current sensor 2 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a schematic perspective view showing the appearance of the current sensor 3 according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic perspective view showing the appearance of the current sensor 4 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing the appearance of the current sensor 1 according to the first embodiment of the present invention. Further, FIG. 2 is a substantially exploded perspective view of the current sensor 1.
  • the current sensor 1 has a bus bar 10 attached to current cables 41 and 42 through which the current I to be measured flows.
  • the current cable 41 is fixed to one end of the bus bar 10 by using the clamp member 51
  • the current cable 42 is fixed to the other end of the bus bar 10 by using the clamp member 52.
  • a plurality of screw holes S are provided in the clamp members 51 and 52.
  • the bus bar 10 includes a bypass bus bar 11 having a tubular structure and a sensing bus bar 12 arranged in a hollow region 13 surrounded by the bypass bus bar 11.
  • the bypass bus bar 11 and the sensing bus bar 12 are both made of a good conductor such as copper or aluminum.
  • the inner and outer diameters of the bypass bus bar 11 are substantially perfect circles.
  • the bypass bus bar 11 and the sensing bus bar 12 are connected in parallel, whereby a part of the current I flowing through the bus bar 10 flows through the bypass bus bar 11, and the remaining part of the current I flows through the sensing bus bar 12.
  • the cross-sectional area of the bypass bus bar 11 is sufficiently larger than the cross-sectional area of the sensing bus bar 12, so that most of the current I flowing through the bus bar 10 flows through the bypass bus bar 11 and reaches the sensing bus bar 12.
  • the amount of current flowing is a fraction of the current I, preferably 1/10 or less.
  • a measurement unit including the above-mentioned sensing bus bar 12 is arranged in the hollow region 13 of the bypass bus bar 11.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining the structure of the measurement unit U.
  • the measurement unit U includes a circuit board 30, a sensing bus bar 12 fixed to the back surface side of the circuit board 30, and a magnetic sensor 20 mounted on the front surface side of the circuit board 30.
  • the sensing bus bar 12 is a member formed by processing a plate-shaped metal plate having a constant thickness in the y direction, and has a narrow measurement section 12a in the x direction and end sections 12b located at both ends of the measurement section 12a. It has 12c.
  • the magnetic sensor 20 is a device that detects a magnetic field generated by a current flowing in the measurement section 12a of the sensing bus bar 12, and is mounted at a position overlapping the measurement section 12a when viewed from the z direction.
  • the magnetic sensor 20 is provided with two magnetic detection elements 21 and 22 having different positions in the z direction.
  • the magnetic sensing element 21 has a magnetic sensing direction of + x
  • the magnetic detecting element 22 has a magnetic sensing direction of ⁇ x, which are 180 ° different from each other.
  • the type of the magnetic detection elements 21 and 22 is not particularly limited, but a Hall element, a magnetoresistive element, or the like can be used.
  • the end section 12b of the sensing bus bar 12 has a width in the x direction that is substantially the same as the outer diameter of the bypass bus bar 11, and is fitted into the slit 11s provided at the end of the bypass bus bar 11. It is short-circuited with one end of the bypass bus bar 11.
  • the end section 12c of the sensing bus bar 12 has a width in the x direction substantially the same as the inner diameter of the bypass bus bar 11.
  • a terminal 31 connected to the magnetic sensor 20 is provided at one end of the circuit board 30 in the z direction.
  • the terminal 31 is connected to the connector 33 via the wiring 32.
  • the connector 33 is connected to an external control circuit, power supply circuit, or the like.
  • FIG. 4 is an xy cross-sectional view of the current sensor 1 according to the present embodiment.
  • the inner diameter and outer diameter of the bypass bus bar 11 are substantially perfect circles, and the wall thickness T thereof is also substantially constant in the circumferential direction. Therefore, the current densities of the currents flowing in the bypass bus bar 11 in the z direction are substantially uniform in the circumferential direction. As a result, in the hollow region 13 of the bypass bus bar 11, the magnetic field generated by the current flowing through the bypass bus bar 11 is almost completely canceled. That is, the hollow region 13 is a zero magnetic field region in which there is almost no magnetic field caused by the current flowing through the bypass bus bar 11.
  • the magnetic field applied to the magnetic sensor 20 is substantially the sensing bus bar. Only the magnetic field caused by the current flowing through 12. As a result, the magnetic sensor 20 can selectively detect the magnetic field generated by the current flowing through the sensing bus bar 12. Since the magnetic sensing directions of the magnetic detection elements 21 and 22 provided in the magnetic sensor 20 differ from each other by 180 °, the output of the magnetic detection element 21 and the output of the magnetic detection element 22 are connected to the sensing bus bar 12. There is a difference depending on the flowing current. It is not essential that the hollow region 13 remains hollow, and the hollow region 13 may be filled with an insulating material.
  • FIG. 5 is a circuit diagram for explaining the connection relationship when the magnetic detection elements 21 and 22 are magnetoresistive elements.
  • the magnetic detection elements 21 and 22 are magnetoresistive elements, they are connected in series between the power supply Vcc and the ground GND. Then, the potential Vout at the connection point between the magnetic detection element 21 and the magnetic detection element 22 is output to the outside via the connector 33.
  • the resistance value of the magnetic detection elements 21 and 22 changes, thereby outputting.
  • the potential Vout changes. Since the level of the output potential Vout is proportional to the current flowing through the sensing bus bar 12, the current amount of the current I can be calculated based on this. It is also possible to perform closed loop control on the magnetic detection elements 21 and 22 by applying a canceling magnetic field using a compensation coil.
  • the magnetic sensor 20 can selectively detect only the magnetic field generated by the sensing bus bar 12. As a result, even if the current I flowing through the bus bar 10 is a large current, the magnetic field strength applied to the magnetic sensor 20 is significantly suppressed, so that saturation of the magnetic sensor 20 can be prevented.
  • the sensing bus bar 12 and the magnetic sensor 20 can be arranged at arbitrary positions in the hollow region 13.
  • the sensing bus bar 12 and the magnetic sensor 20 may be arranged offset in the + y direction, or as shown in FIG. 7, the sensing bus bar 12 may be arranged offset in the ⁇ x direction.
  • the magnetic sensor 20 may be arranged offset in the + x direction. The arrangement shown in FIG.
  • FIG. 7 can be obtained by bending a part of the sensing bus bar 12 in an arc shape as shown in FIG. 8 which is a cut model of the bypass bus bar 11.
  • a part of the sensing bus bar 12 is curved in an arc shape about the y-axis.
  • the y-direction component of the magnetic field is applied to the magnetic sensor 20, so that the magnetic sensor 20 whose magnetic sensing direction is the y-direction may be used.
  • the inner and outer diameters of the bypass bus bar 11 are perfect circles, and as long as they have a tubular structure, they can have various shapes.
  • the xy cross section of the bypass bus bar 11 may be triangular, square, or rectangular. It does not matter, it may be trapezoidal, it may be pentagonal, it may be hexagonal, it may be elliptical, or it may be a circle having a partially concave shape. It doesn't matter.
  • the inner surface or the outer surface of the bypass bus bar 11 may be uneven and may have irregularities.
  • the magnetic field generated by the current flowing through the bypass bus bar 11 remains without being completely canceled in a part of the hollow region 13.
  • the cross section of the bypass bus bar 11 is triangular as shown in FIG. 9A
  • the magnetic field generated by the current flowing through the bypass bus bar 11 remains in the region near the corners, so that the magnetic field remains in such a region.
  • the sensor 20 is arranged, a measurement error will occur.
  • the zero magnetic field region 14 exists in a part of the hollow region 13 because the magnetic field is almost completely canceled.
  • the magnetic sensor 20 may be arranged in the above. In this case, if the position of the magnetic sensor 20 in the hollow region 13 is fixed by filling the hollow region 13 with an insulating material, the magnetic sensor 20 can be reliably arranged in the zero magnetic field region 14.
  • the zero magnetic field region 14 exists mainly in the central portion of the hollow region 13 although it depends on the cross-sectional shape of the bypass bus bar 11.
  • the ratio of the zero magnetic field region 14 to the hollow region 13 increases as the cross-sectional shape of the bypass bus bar 11 approaches a perfect circle.
  • FIG. 9 (i) when only the outer surface of the bypass bus bar 11 has irregularities, the current density of the current flowing through the bypass bus bar 11 has a slight difference depending on the wall thickness in the circumferential direction. Since the inner surface of the bypass bus bar 11 is flat, in such a case, almost the entire region of the hollow region 13 becomes the zero magnetic field region 14.
  • bypass bus bar 11 it is not necessary to have one bypass bus bar 11, and as shown in FIG. 10, two bypass bus bars 11 and 15 may be used.
  • the bypass bus bar 15 is a tubular body having a larger diameter, and the bypass bus bar 11 is arranged in a hollow region thereof. That is, the two bypass bus bars 11 and 15 are arranged concentrically. In this way, if the bypass bus bars 11 and 15 have a double structure, the ratio of the current flowing through the sensing bus bar 12 can be further reduced, and almost the entire region of the hollow region 13 can be set to the zero magnetic field region. It becomes. In this case, if the region 16 located in the gap between the bypass bus bar 11 and the bypass bus bar 15 is filled with an insulating material, the positional relationship between the bypass bus bar 11 and the bypass bus bar 15 can be fixed.
  • the shapes of the clamp members 51 and 52 are not particularly limited, and are connected to the clamp members 51a and 52a fastened to the bus bar 10 and the current cables 41 and 42 as in the first modification shown in FIG.
  • the terminal members 51b and 52b may be separated from each other and fastened with bolts and nuts.
  • bypass bus bar 11 is a single member, and the bypass bus bar 11 is composed of two bypass members 11A and 11B as in the second modification shown in FIGS. 12A and 12B.
  • the bypass bus bar 11 having a tubular structure may be configured by combining the two.
  • the circuit board 30 has a T-shape, and the end of the portion 34 extending in the x direction protrudes from the bypass bus bar 11.
  • a terminal electrode or a connector connected to the magnetic sensor 20 can be arranged on the portion 34 protruding from the bypass bus bar 11.
  • the bypass bus bar 11 is composed of three bypass members 11C to 11E, and the two bypass members 11D and 11E having a shape obtained by cutting the tubular body in half.
  • a bypass bus bar 11 having a tubular structure may be formed by sandwiching the plate-shaped bypass member 11C.
  • the plate-shaped bypass member 11C is provided with two slits SL1 and SL2 extending in the z direction, and the region sandwiched by these slits SL1 and SL2 serves as the sensing bus bar 12.
  • the sensing bus bar 12 is surrounded by the bypass bus bars 11 composed of the bypass members 11C to 11E, as shown in FIG. 14 which is a cross-sectional view of xy. If a magnetic sensor 20 (not shown) is arranged in the hollow region 13 surrounded by the bypass bus bar 11, only the current flowing through the sensing bus bar 12 can be selectively measured.
  • FIG. 15 is a schematic perspective view showing the appearance of the current sensor 2 according to the second embodiment of the present invention.
  • the sensing bus bar 12 does not extend linearly in the z direction, but the measurement section 12a extends diagonally with respect to the z direction. That is, the x-direction position of the measurement section 12a changes depending on the z-direction position.
  • the magnetic field generated by the current includes a z-direction component.
  • the amount of current flowing through the bus bar 10 can be measured by detecting the z-direction component of the magnetic field with the magnetic sensor 20.
  • the sensing bus bar 12 may have a section in which the current flows in a direction different from the direction (z direction) of the current flowing in the bypass bus bar 11. According to such a configuration, it is possible to further reduce the measurement error. This is because the current flows through the bypass bus bar 11 in the z direction, and the magnetic field generated by the current does not substantially contain the z direction component.
  • FIG. 16 is a schematic perspective view showing the appearance of the current sensor 3 according to the third embodiment of the present invention.
  • the measurement section 12a of the sensing bus bar 12 has an arc shape centered on the z-axis.
  • the magnetic field generated by the current includes a z-direction component.
  • the amount of current flowing through the bus bar 10 can be measured by detecting the z-direction component of the magnetic field with the magnetic sensor 20.
  • FIG. 17 is a schematic perspective view showing the appearance of the current sensor 4 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the measurement section 12a of the sensing bus bar 12 has a spiral shape centered on the z-axis.
  • the magnetic field generated by the current includes a z-direction component.
  • the amount of current flowing through the bus bar 10 can be measured by detecting the z-direction component of the magnetic field with the magnetic sensor 20.

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Abstract

【課題】バスバーに流れる電流の電流量が非常に大きい場合であっても磁気センサが飽和しにくい構造を有する電流センサを提供する。 【解決手段】電流センサ1は、測定対象となる電流が流れるバスバー10と、バスバー10に流れる電流によって生じる磁界を検出する磁気センサ20とを備える。バスバー10は、筒状構造を有するバイパスバスバー11と、バイパスバスバー11に囲まれた中空領域13に配置されたセンシングバスバー12とを含む。磁気センサ20は、中空領域13に配置されている。これによれば、バイパスバスバー11の中空領域13にはゼロ磁界となる領域が形成される。このため、センシングバスバー12をゼロ磁界となる領域に配置すれば、バスバー10に流れる電流が大電流であっても、磁気センサ20が飽和することなく正しく測定することが可能となる。

Description

電流センサ
 本発明は電流センサに関し、特に、磁気センサを用いた電流センサに関する。
 磁気センサを用いた電流センサとしては、特許文献1及び2に記載された電流センサが知られている。特許文献1に記載された電流センサは、バスバーに測定対象となる電流が一方向に流れる電流経路と逆方向に流れる電流経路を設け、これらの間に磁気センサを配置した構成が開示されている。また、特許文献2には、バスバーを2分岐させ、それぞれの電流経路に磁気センサを割り当てた電流センサが開示されている。
特許第5971398号公報 国際公開第2017/018306号パンフレット
 しかしながら、特許文献1に記載された電流センサは、一方の電流経路から生じる磁界と他方の電流経路から生じる磁界が互いに強め合うことから、測定対象となる電流の電流量が大きいと磁気センサが飽和してしまうという問題があった。また、特許文献2に記載された電流センサは、バスバーを2分岐させていることから、それぞれの磁気センサに印加される磁界の強度は1/2に抑えられる。しかしながら、この場合であっても、測定対象となる電流の電流量が非常に大きい場合には、磁気センサが容易に飽和してしまう。
 したがって、本発明は、バスバーに流れる電流の電流量が非常に大きい場合であっても磁気センサが飽和しにくい構造を有する電流センサを提供することを目的とする。
 本発明による電流センサは、測定対象となる電流が流れるバスバーと、バスバーに流れる電流によって生じる磁界を検出する磁気センサとを備え、バスバーは、筒状構造を有するバイパスバスバーと、バイパスバスバーに囲まれた中空領域に配置されたセンシングバスバーとを含み、磁気センサが中空領域に配置されていることを特徴とする。
 本発明によれば、バイパスバスバーが筒状構造を有していることから、中空領域にはゼロ磁界となる領域が形成される。このため、センシングバスバーをゼロ磁界となる領域に配置すれば、バスバーに流れる電流が大電流であっても、磁気センサが飽和することなく正しく測定することが可能となる。
 本発明において、バイパスバスバーの内壁の断面形状は、円形であっても構わない。これによれば、中空領域のほぼ全領域をゼロ磁界とすることが可能となる。
 本発明において、中空領域に絶縁材料が充填されていても構わない。これによれば、バイパスバスバーとセンシングバスバーの位置関係を固定することが可能となる。
 本発明において、バイパスバスバーの一端にスリットが設けられており、センシングバスバーはスリットに嵌合していても構わない。これによれば、バイパスバスバーとセンシングバスバーを確実に短絡しつつ、両者の位置関係を固定することが可能となる。
 本発明において、センシングバスバーは、バイパスバスバーに流れる電流の方向と異なる方向に電流を流す区間を有していても構わない。これによれば、バイパスバスバーに流れる電流によって生じる磁界の影響をより効果的に排除することが可能となる。
 このように、本発明によれば、バスバーに流れる電流の電流量が非常に大きい場合であっても磁気センサが飽和しにくい構造を有する電流センサを提供することが可能となる。
図1は、本発明の第1の実施形態による電流センサ1の外観を示す略斜視図である。 図2は、電流センサ1の略分解斜視図である。 図3は、測定ユニットUの構造を説明するための略斜視図である。 図4は、電流センサ1のxy断面図である。 図5は、磁気検出素子21,22が磁気抵抗素子である場合の接続関係を説明するための回路図である。 図6は、センシングバスバー12及び磁気センサ20を中心からオフセットさせた第1の例を示すxy断面図である。 図7は、センシングバスバー12及び磁気センサ20を中心からオフセットさせた第2の例を示すxy断面図である。 図8は、センシングバスバー12の一部を円弧状に湾曲させた例を示すカットモデルである。 バイパスバスバー11の断面形状のバリエーションを示す図である。 図10は、2つのバイパスバスバー11,15を同心円状に配置した例を示す図である。 図11は、第1の変形例による電流センサの略斜視図である。 図12(a)は、第2の変形例による電流センサの略分解斜視図であり、図12(b)は、第2の変形例による電流センサの略斜視図である。 図13は、第3の変形例による電流センサの略分解斜視図である。 図14は、第3の変形例による電流センサのxy断面図である。 図15は、本発明の第2の実施形態による電流センサ2の外観を示す略斜視図である。 図16は、本発明の第3の実施形態による電流センサ3の外観を示す略斜視図である。 図17は、本発明の第4の実施形態による電流センサ4の外観を示す略斜視図である。
 以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
 図1は、本発明の第1の実施形態による電流センサ1の外観を示す略斜視図である。また、図2は電流センサ1の略分解斜視図である。
 図1及び図2に示すように、本実施形態による電流センサ1は、測定対象となる電流Iが流れる電流ケーブル41,42に取り付けられたバスバー10を有している。電流ケーブル41はクランプ部材51を用いてバスバー10の一端に固定され、電流ケーブル42はクランプ部材52を用いてバスバー10の他端に固定されている。クランプ部材51,52には複数のネジ穴Sが設けられており、ネジ穴Sに図示しないボルトを挿入し、ボルトにナットを螺着することによって、クランプ部材51と電流ケーブル41及びバスバー10の一端が締結され、クランプ部材52と電流ケーブル42及びバスバー10の他端が締結される。これにより、電流ケーブル41,42に電流Iを流すと、バスバー10にはz方向の電流が流れることになる。
 バスバー10は、筒状構造を有するバイパスバスバー11と、バイパスバスバー11に囲まれた中空領域13に配置されたセンシングバスバー12とを含んでいる。バイパスバスバー11及びセンシングバスバー12は、いずれも銅やアルミニウムなどの良導体からなる。本実施形態においては、バイパスバスバー11の内径及び外径がほぼ真円である。バイパスバスバー11とセンシングバスバー12は並列に接続されており、これにより、バスバー10に流れる電流Iの一部がバイパスバスバー11を流れ、電流Iの残りの部分がセンシングバスバー12を流れる。本実施形態においては、センシングバスバー12の断面積よりもバイパスバスバー11の断面積の方が十分に大きく、これにより、バスバー10に流れる電流Iの大部分がバイパスバスバー11を流れ、センシングバスバー12に流れる電流量は電流Iの数分の1、好ましくは1/10以下となる。
 バイパスバスバー11の中空領域13には、上述したセンシングバスバー12を含む測定ユニットが配置される。
 図3は、測定ユニットUの構造を説明するための略斜視図である。
 図3に示すように、測定ユニットUは、回路基板30と、回路基板30の裏面側に固定されたセンシングバスバー12と、回路基板30の表面側に搭載された磁気センサ20とを備えている。センシングバスバー12は、y方向における厚みが一定である板状金属板を加工してなる部材であり、x方向における幅の狭い測定区間12aと、測定区間12aの両端に位置する端部区間12b,12cを有している。磁気センサ20は、センシングバスバー12の測定区間12aに流れる電流によって生じる磁界を検出するデバイスであり、z方向から見て測定区間12aと重なる位置に搭載されている。
 磁気センサ20には、z方向位置の異なる2つの磁気検出素子21,22が設けられている。磁気検出素子21の感磁方向は+x方向、磁気検出素子22の感磁方向は-x方向であり、互いに180°相違している。磁気検出素子21,22の種類については特に限定されないが、ホール素子や磁気抵抗素子などを用いることができる。
 センシングバスバー12の端部区間12bは、x方向における幅がバイパスバスバー11の外径とほぼ同じサイズを有しており、バイパスバスバー11の端部に設けられたスリット11sに嵌合することにより、バイパスバスバー11の一端と短絡される。一方、センシングバスバー12の端部区間12cは、x方向における幅がバイパスバスバー11の内径とほぼ同じサイズを有している。これにより、センシングバスバー12をバイパスバスバー11に挿入すると、バイパスバスバー11の他端とセンシングバスバー12の端部区間12cが短絡される。その結果、バイパスバスバー11とセンシングバスバー12は、並列に接続されることになる。
 回路基板30のz方向における一端には、磁気センサ20に接続された端子31が設けられている。端子31は、配線32を介してコネクタ33に接続されている。コネクタ33は、外部の制御回路や電源回路などに接続される。
 図4は、本実施形態による電流センサ1のxy断面図である。
 本実施形態においては、バイパスバスバー11の内径及び外径がほぼ真円であり、その肉厚Tも周方向にほぼ一定である。このため、バイパスバスバー11に流れるz方向の電流の電流密度は、周方向にほぼ均等となる。その結果、バイパスバスバー11の中空領域13においては、バイパスバスバー11に流れる電流によって生じる磁界がほぼ完全に打ち消される。つまり、中空領域13は、バイパスバスバー11に流れる電流に起因する磁界がほぼ存在しないゼロ磁界領域となる。
 そして、本実施形態による電流センサ1においては、このような中空領域13にセンシングバスバー12及び磁気センサ20が配置されていることから、磁気センサ20に印加される磁界は、実質的に、センシングバスバー12に流れる電流に起因する磁界のみとなる。これにより、磁気センサ20は、センシングバスバー12に流れる電流によって生じる磁界を選択的に検出することが可能となる。そして、磁気センサ20に設けられた磁気検出素子21,22の感磁方向は互いに180°相違していることから、磁気検出素子21の出力と磁気検出素子22の出力には、センシングバスバー12に流れる電流に応じた差が生じる。尚、中空領域13が空洞のままであることは必須でなく、中空領域13に絶縁材料を充填しても構わない。
 図5は、磁気検出素子21,22が磁気抵抗素子である場合の接続関係を説明するための回路図である。
 磁気検出素子21,22が磁気抵抗素子である場合、これらは電源VccとグランドGNDの間に直列に接続される。そして、磁気検出素子21と磁気検出素子22の接続点の電位Voutがコネクタ33を介して外部に出力される。上述の通り、磁気検出素子21,22の感磁方向は互いに180°相違していることから、センシングバスバー12に電流が流れると、磁気検出素子21,22の抵抗値が変化し、これにより出力電位Voutが変化する。出力電位Voutのレベルは、センシングバスバー12に流れる電流に比例することから、これに基づいて電流Iの電流量を算出することが可能となる。磁気検出素子21,22に対しては、補償コイルを用いてキャンセル磁界を印加することによりクローズドループ制御を行うことも可能である。
 このように、本実施形態においては、バスバー10を筒状構造のバイパスバスバー11とセンシングバスバー12に分岐するとともに、センシングバスバー12をバイパスバスバー11の中空領域13に配置していることから、磁気センサ20は、センシングバスバー12によって生じる磁界だけを選択的に検出することが可能となる。これにより、バスバー10に流れる電流Iが大電流であっても、磁気センサ20に印加される磁界強度が大幅に抑えられることから、磁気センサ20の飽和を防止することが可能となる。
 しかも、本実施形態においては、バイパスバスバー11の内径及び外径がほぼ真円であることから、バイパスバスバー11に流れる電流によって生じる磁界は、中空領域13のほぼ全領域において打ち消される。つまり、中空領域13のほぼ全領域がゼロ磁界となることから、センシングバスバー12及び磁気センサ20を中空領域13内の任意の位置に配置することが可能となる。例えば、図6に示すように、センシングバスバー12及び磁気センサ20を+y方向にオフセットして配置しても構わないし、図7に示すように、センシングバスバー12を-x方向にオフセットして配置し、磁気センサ20を+x方向にオフセットして配置しても構わない。図7に示す配置は、バイパスバスバー11のカットモデルである図8に示すように、センシングバスバー12の一部を円弧状に湾曲させることによって得ることができる。図8に示す例では、センシングバスバー12の一部がy軸を中心に円弧状に湾曲している。これにより、磁気センサ20には磁界のy方向成分が印加されることから、感磁方向がy方向である磁気センサ20を使用すればよい。
 但し、本発明において、バイパスバスバー11の内径及び外径を真円とすることは必須でなく、筒状構造を有している限り、種々の形状とすることが可能である。いくつかの具体例を挙げれば、図9(a)~(h)に示すように、バイパスバスバー11のxy断面が三角形であっても構わないし、正方形であっても構わないし、長方形であっても構わないし、台形であっても構わないし、五角形であっても構わないし、六角形であっても構わないし、楕円形であっても構わないし、一部が平坦に凹んだ形状を有する円形であっても構わない。また、図9(i)~(k)に示すように、バイパスバスバー11の内表面または外表面が平坦ではなく、凹凸を有していても構わない。
 但し、バイパスバスバー11の内径及び外径が真円ではない場合、バイパスバスバー11に流れる電流によって生じる磁界は、中空領域13の一部領域においては完全には打ち消されずに残る。例えば、図9(a)に示すようにバイパスバスバー11の断面が三角形である場合、角部に近い領域においては、バイパスバスバー11に流れる電流によって生じる磁界が残存するため、このような領域に磁気センサ20を配置すると、測定誤差が生じてしまう。しかしながら、バイパスバスバー11の内径及び外径が真円ではない場合であっても、中空領域13の一部には、磁界がほぼ完全に打ち消されるゼロ磁界領域14が存在するため、ゼロ磁界領域14に磁気センサ20を配置すれば良い。この場合、中空領域13に絶縁材料を充填することによって、中空領域13における磁気センサ20の位置を固定すれば、磁気センサ20を確実にゼロ磁界領域14に配置することが可能となる。
 ゼロ磁界領域14は、バイパスバスバー11の断面形状にも依るが、主に中空領域13の中心部に存在する。中空領域13に占めるゼロ磁界領域14の割合は、バイパスバスバー11の断面形状が真円に近いほど大きくなる。例えば、図9(i)に示すように、バイパスバスバー11の外表面にのみ凹凸がある場合、バイパスバスバー11に流れる電流の電流密度は、周方向において肉厚に応じた多少の差が生じるが、バイパスバスバー11の内表面については平坦であることから、このような場合、中空領域13のほぼ全領域がゼロ磁界領域14となる。
 また、バイパスバスバー11が一つである必要はなく、図10に示すように、2つのバイパスバスバー11,15を用いても構わない。バイパスバスバー15は、より径の大きな筒状体であり、その中空領域にバイパスバスバー11が配置されている。つまり、2つのバイパスバスバー11,15が同心円状に配置されている。このように、バイパスバスバー11,15を二重構造とすれば、センシングバスバー12に流れる電流の割合をより低減することができるとともに、中空領域13のほぼ全領域をゼロ磁界領域とすることが可能となる。この場合、バイパスバスバー11とバイパスバスバー15の隙間に位置する領域16に絶縁材料を充填すれば、バイパスバスバー11とバイパスバスバー15の位置関係を固定することも可能である。
 また、クランプ部材51,52の形状についても特に限定されず、図11に示す第1の変形例のように、バスバー10に締結されるクランプ部材51a,52aと、電流ケーブル41,42に接続される端子部材51b,52bを別部材とし、ボルト及びナットを用いて両者を締結しても構わない。
 また、バイパスバスバー11が単一部材である点も必須でなく、図12(a),(b)に示す第2の変形例のように、バイパスバスバー11を2つのバイパス部材11A,11Bによって構成し、両者を組み合わせることによって筒状構造を有するバイパスバスバー11を構成しても構わない。図12(a),(b)に示す例では、回路基板30がT字型を有しており、x方向に延在する部分34の端部がバイパスバスバー11から突出している。バイパスバスバー11から突出した部分34には、磁気センサ20に接続される端子電極又はコネクタを配置することができる。
 さらには、図13に示す第3の変形例のように、バイパスバスバー11を3つのバイパス部材11C~11Eによって構成し、筒状体を半分に切断した形状を有する2つのバイパス部材11D,11Eによって板状のバイパス部材11Cを挟み込むことにより、筒状構造を有するバイパスバスバー11を構成しても構わない。板状のバイパス部材11Cにはz方向に延在する2本のスリットSL1,SL2が設けられており、これらスリットSL1,SL2によって挟まれた領域がセンシングバスバー12となる。そして、バイパス部材11Cをバイパス部材11D,11Eによって挟み込むと、xy断面図である図14に示すように、センシングバスバー12がバイパス部材11C~11Eからなるバイパスバスバー11によって囲まれた状態となる。そして、バイパスバスバー11によって囲まれた中空領域13に図示しない磁気センサ20を配置すれば、センシングバスバー12に流れる電流だけを選択的に測定することが可能となる。
 図15は、本発明の第2の実施形態による電流センサ2の外観を示す略斜視図である。
 図15に示すように、本実施形態による電流センサ2は、センシングバスバー12がz方向に直線的に延在するのではなく、測定区間12aがz方向に対して斜め延在している。つまり、測定区間12aのx方向位置は、z方向位置によって変化する。これにより、センシングバスバー12の測定区間12aに電流が流れると、これによって生じる磁界にz方向成分が含まれることになる。本実施形態においては、磁界のz方向成分を磁気センサ20によって検出することによって、バスバー10に流れる電流量を測定することができる。
 このように、センシングバスバー12は、バイパスバスバー11に流れる電流の方向(z方向)と異なる方向に電流を流す区間を有していても構わない。このような構成によれば、測定誤差をより低減することが可能となる。これは、バイパスバスバー11にはz方向に電流が流れるため、これによって生じる磁界には実質的にz方向成分が含まれないからである。
 図16は、本発明の第3の実施形態による電流センサ3の外観を示す略斜視図である。
 図16に示すように、本実施形態による電流センサ3は、センシングバスバー12の測定区間12aがz軸を中心とした円弧形状を有している。これにより、センシングバスバー12の測定区間12aに電流が流れると、これによって生じる磁界にz方向成分が含まれることになる。本実施形態においても、磁界のz方向成分を磁気センサ20によって検出することによって、バスバー10に流れる電流量を測定することができる。
 図17は、本発明の第4の実施形態による電流センサ4の外観を示す略斜視図である。
 図17に示すように、本実施形態による電流センサ4は、センシングバスバー12の測定区間12aがz軸を中心とした螺旋形状を有している。これにより、センシングバスバー12の測定区間12aに電流が流れると、これによって生じる磁界にz方向成分が含まれることになる。本実施形態においても、磁界のz方向成分を磁気センサ20によって検出することによって、バスバー10に流れる電流量を測定することができる。
 以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
1~4  電流センサ
10  バスバー
11,15  バイパスバスバー
11A~11E  バイパス部材
11s  スリット
12  センシングバスバー
12a  測定区間
12b,12c  端部区間
13,16  中空領域
14  ゼロ磁界領域
20  磁気センサ
21,22  磁気検出素子
30  回路基板
31  端子
32  配線
33  コネクタ
34  突出部分
41,42  電流ケーブル
51,52,51a,52a  クランプ部材
51b,52b  端子部材
S  ネジ穴
SL1,SL2  スリット
U  測定ユニット

Claims (5)

  1.  測定対象となる電流が流れるバスバーと、
     前記バスバーに流れる電流によって生じる磁界を検出する磁気センサと、を備え、
     前記バスバーは、筒状構造を有するバイパスバスバーと、前記バイパスバスバーに囲まれた中空領域に配置されたセンシングバスバーとを含み、
     前記磁気センサは、前記中空領域に配置されていることを特徴とする電流センサ。
  2.  前記バイパスバスバーの内壁の断面形状が円形であることを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。
  3.  前記中空領域に絶縁材料が充填されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電流センサ。
  4.  前記バイパスバスバーの一端にスリットが設けられており、前記センシングバスバーは前記スリットに嵌合していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電流センサ。
  5.  前記センシングバスバーは、前記バイパスバスバーに流れる電流の方向と異なる方向に電流を流す区間を有していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電流センサ。
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