JP6878083B2

JP6878083B2 - 電流検出装置

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Publication number: JP6878083B2
Application number: JP2017064566A
Authority: JP
Inventors: 信治大岡; 航中山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: JP2018169188A

Description

本発明は、電流検出装置に関し、特に、バスバに流れる電流を検出する電流検出装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる回転電機は、外部との電気的接続のために三相交流電源（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）用の３本のバスバを備えている。そして、バスバを流れる電流を検出して回転電機の制御を行っている。バスバを流れる電流を検出する装置として、各バスバをそれぞれ囲うＣ字状の３つの磁性体ブロック（集磁コア）と、Ｃ字の切欠きに配置された３つの磁電変換素子とを備えた電流検出装置が、例えば、特許文献１に記載されている。

また、回転電機の小型化のためにバスバ間のピッチを狭くすることが要求され、それに伴って電流検出装置の小型化も必要となっており、集磁コアを用いずに磁電変換素子のみでバスバの電流を検出するコアレス電流センサも採用されている。

特開２０１０−００２２７７号公報

特許文献１に記載の電流検出装置は、各相のバスバに対する集磁コアが必要であるために小型化が困難である。また、集磁コアがあるために部品点数が多くコストを低減することが困難である。

一方、コアレス電流センサは、集磁コアを用いていないので小型化が可能であるが、所定相のバスバを流れる電流を検出するときに、他相のバスバを流れる電流の磁束の影響を受ける。この影響は検出誤差の要因となり、高精度な電流検出が困難になる。

そこで、本発明では、他相のバスバからの磁束の影響を抑制し、高精度な電流検出を行うことを目的とする。

本発明の電流検出装置は、第１の方向に対して平行に配置されるとともに、それぞれ前記第１の方向と直交する第２の方向に延在する複数のバスバと、前記バスバに流れる電流を検出する磁電変換素子と、前記第１の方向及び前記第２の方向に対して直交する第３の方向において、前記バスバ及び前記磁電変換素子を挟み込むように配置された一対の磁気シールドと、を備えており、前記各バスバは、側面から切り欠いた幅狭部を有し、前記幅狭部は、隣接する前記幅狭部と対向しない位置、かつ、一方の前記磁気シールドに近接する位置に配置され、前記磁電変換素子は、前記幅狭部と前記幅狭部が近接する側の前記磁気シールドとの間に配置される、ことを特徴とする。
本発明の電流検出装置において、前記各バスバの前記幅狭部は、前記各バスバの一端側のみを切り欠くことにより形成されている、としてもよい。

本発明によれば、他相のバスバからの磁束の影響を抑制し、高精度な電流検出を行うことができる。特に、集磁コアを用いないコアレスの電流検出装置において、高精度な電流検出を行うことができるとともに、装置の小型化を図ることができる。

回転電機の回路図である。第１の実施形態における電流検出装置の概略構成を示す斜視図である。図２のａ−ａ断面図である。図３のｂ−ｂ断面図である。図３のｃ−ｃ断面図である。電流ＩＷ，ＩＶの特性を重ね合わせた特性図である。図２のａ−ａ断面における磁束分布のシミュレーション結果を示す特性図である。図３のｂ−ｂ断面における磁束分布のシミュレーション結果を示す特性図である。第２の実施形態における電流検出装置の概略構成を示す斜視図である。第２の実施形態における磁気シールドの平面図である。第３の実施形態における電流検出装置の概略構成を示す斜視図である。第３の実施形態におけるバスバの側面図である。

図１は、第１の実施形態における電流検出装置６が用いられる回転電機１の概略回路図である。図１に示すように、回転電機１は、直流電源２と、インバータ３と、モータジェネレータ４とを備えている。インバータ３とモータジェネレータ４とは、バスバＢによって電気的に接続されている。

インバータ３は、直流を交流に変換する電力変換部５と、バスバＢに設けられた電流検出装置６と、電力変換部５を制御する制御装置７とを備えている。電力変換部５は、ＭＯＳトランジスタやダイオード等からなる回路によって構成されている。電流検出装置６は、バスバＢに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置７に出力する。なお、電流検出装置６の詳しい構成については後述する。

制御装置７は、電流検出装置６から入力された電流値に基づいて電力変換部５を制御してモータジェネレータ４の回転駆動を制御する。

次に、電流検出装置６について図２〜５を参照して説明する。図２は、電流検出装置６の概略構成を示す斜視図である。また、各図においてＸＹＺ座標系を示しており、ＸＹＺ座標系を用いて各方向を説明する。Ｘ方向（第２の方向）はバスバＢの延在方向を示し、Ｙ方向（第１の方向）はバスバＢの平行配置の方向を示し、Ｚ方向（第３の方向）は電流検出装置６の上下方向を示している。

電流検出装置６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のバスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷを含むバスバＢと、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷの電流をそれぞれ検出する磁電変換素子ＳＵ，ＳＶ，ＳＷと、磁電変換素子ＳＵ，ＳＶ，ＳＷへの磁気干渉を抑制する一対の磁気シールド１０，１１とを備えている。

バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷは、Ｙ方向において互いに平行に配置されており、Ｘ方向に延在している。磁気シールド１０，１１は、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷ及び磁電変換素子ＳＵ，ＳＶ，ＳＷをＺ方向において上下両側から挟み込むように配置されている。なお、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷ及び磁電変換素子ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの配置構成等を示すために、磁気シールド１０を仮想線で示している。

磁気シールド１０，１１は、例えば、高透磁率の鉄やフェライト等の磁性材料から形成されており、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷ及び磁電変換素子ＳＵ，ＳＶ，ＳＷを覆うことが可能な平板形状である。また、磁気シールド１１には、磁電変換素子ＳＵ，ＳＶ，ＳＷが実装された基板ＰＵ，ＰＶ，ＰＷがそれぞれ設けられている。

磁電変換素子ＳＵ，ＳＶ，ＳＷは、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷに電流が流れたときに発生する磁束を検出して、これに対応する電流値を算出するものである。磁電変換素子ＳＵ，ＳＶ，ＳＷとしては、ホール素子、ＭＩ素子（磁気インピーダンス素子）、ＭＲ素子（磁気抵抗素子）等を使用することができる。

次に、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷの構成について詳しく説明する。バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷは、Ｘ方向に細長い平板形状の金属板により形成されている。バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷは、その幅広の側面が互いに対向するようにＹ方向に対して平行に配置されている。

バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷは、幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬと、幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬを幅方向から切り欠いて形成された幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳとを有している。幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳの断面積は、幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬの断面積よりも小さい。また、幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬの断面積は互いに同一であり、幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳの断面積も互いに同一である。

幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬと幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳとは、千鳥状に配置されている。すなわち、幅狭部ＢＵＳは隣接する幅狭部ＢＶＳと対向しないように、幅狭部ＢＶＳは隣接する幅狭部ＢＷＳと対向しないようにそれぞれ配置されている。換言すると、幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳは、Ｚ方向から見ると略Ｖ字状に配置されている。また、幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳは、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷに流れる電流を検出するための部分であり、幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳ以外は、幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬとなっている（図２のバスバＢＶ参照）。

図４は、図３のｂ−ｂ断面図を示している。図４において、符号ＷＬＣは、幅広部ＢＷＬの中心線を示している。また、符号ＷＳＣは、幅狭部ＢＷＳの中心線を示している。幅狭部ＢＷＳの中心線ＷＳＣは、幅広部ＢＷＬの中心線ＷＬＣに対して、距離ＤＷだけ磁気シールド１１側に近接している。すなわち、幅狭部ＢＷＳは、幅広部ＢＷＬに対して磁気シールド１１側にオフセットして配置されている。この点について、図３を参照すると、幅狭部ＢＷＳは、磁気シールド１０，１１の間において、磁気シールド１０との間隔が距離Ｈ１となり、磁気シールド１１との間隔が距離Ｈ２（距離Ｈ１＞距離Ｈ２）となって、磁気シールド１１に近接して配置される。

幅狭部ＢＷＳと磁気シールド１１との間には、磁電変換素子ＳＷが配置されている。磁電変換素子ＳＷは、図３に示すように、幅狭部ＢＷＳに対向して感磁方向がＹ方向を向くように配置されている。

また、バスバＢＵはバスバＢＷと同様の構成であり、幅狭部ＢＵＳが幅広部ＢＵＬに対して、磁気シールド１１側にオフセットして配置されており、幅狭部ＢＵＳに対向する部分に磁電変換素子ＳＵが配置されている。

図２、５に示すように、バスバＢＶの幅狭部ＢＶＳはバスバＢＷの幅狭部ＢＷＳとは配置位置が異なっているが、バスバＢＷの幅狭部ＢＷＳと同様に、幅狭部ＢＶＳが幅広部ＢＶＬに対して磁気シールド１１側にオフセットして配置されており、幅狭部ＢＶＳに対向する部分に磁電変換素子ＳＶが配置されている。なお、図４、５においては、図面の煩雑化を避けるため他のバスバの図示を省略している。

次に、自相バスバの磁束を検出する際の他相バスバからの磁束の影響について説明する。ここでは、バスバＢＷ（自相）の磁束を検出する際のバスバＢＶ（他相）からの磁束の影響について説明するが、他のバスバＢＵ、ＢＶの関係についても同様である。

図４、５において、バスバＢＶ，ＢＷを流れる電流の中心をそれぞれ電流ＩＶ，ＩＷとして模式化して示す。図４に示すように、電流ＩＷは、幅狭部ＢＷＳでは中心線ＷＳＣを通り、幅広部ＢＷＬでは中心線ＷＬＣを通る。このように、電流ＩＷも、磁気シールド１１側にオフセットされた状態で流れることになる。

そして、幅狭部ＢＷＳを流れる電流ＩＷを磁電変換素子ＳＷによって検出する。幅狭部ＢＷＳは断面積が小さいので、電流ＩＷが集中して流れる。このため、幅狭部ＢＷＳでは大きな磁束が発生する。磁電変換素子ＳＷはこの磁束を検出して電流値に変換する。このとき、磁電変換素子ＳＷは、図３において矢印で示すＹ方向成分の磁束を検出する。

一方、図５に示すように、電流ＩＶは、幅広部ＢＶＬでは中心線ＶＬＣを通り、幅狭部ＢＶＳでは中心線ＶＳＣを通る。つまり、電流ＩＶは、中心線ＶＬＣから中心線ＶＳＣに沿うように流れる。このように、電流ＩＶも、磁気シールド１１側にオフセットされた状態で流れることになる。

図６に、磁電変換素子ＳＷからみたときの電流ＩＷ，ＩＶを重ねた状態を示す。図６に示すように、磁電変換素子ＳＷに対して、電流ＩＶが流れる位置は、電流ＩＷが流れる位置よりも距離Ｄ１だけ離れているので、電流ＩＶによる磁束の影響を受けにくくなる。この結果、電流ＩＶの磁束の影響を抑制することができる。

この理由について、図７、８を参照して説明する。図７は図２のａ−ａ断面におけるＹ方向の磁束分布のシミュレーション結果を示し、図８は図３のｂ−ｂ断面におけるＹ方向の磁束分布のシミュレーション結果を示している。図７、８において、符号ＧＬは磁束が小さい領域を示し、符号ＧＨは磁束が大きい領域を示している。

図７において、バスバＢＶの上部の領域ＧＨ１の磁束が最も大きく、次にバスバＢＶの下部の領域ＧＨ２の磁束が大きい。また、磁気シールド１０，１１の近傍の領域では磁束が小さく、領域ＧＨ１，ＧＨ２から離れた領域ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３，ＧＬ４の磁束も小さい。特に、領域ＧＬ３，ＧＬ４の磁束が最も小さい。

図８において、バスバＢＷの幅狭部ＢＷＳの上方であって、磁気シールド１０の後方の領域ＧＨ３の磁束が大きい。また、磁気シールド１０，１１の近傍の領域では磁束が小さく、領域ＧＨ３から離れた領域ＧＬ５，ＧＬ６，ＧＬ７の磁束も小さい。特に、領域ＧＬ６の磁束が最も小さい。なお、図７、８において、磁電変換素子ＳＷを一点鎖線で示す。

図６に示す磁電変換素子ＳＷと電流ＩＷ，ＩＶとの関係、図７、８に示すシミュレーション結果からわかるように、磁電変換素子ＳＷの位置は、電流ＩＶが流れる位置から離れており、電流ＩＶによって発生する磁束の影響を受けにくくなっている。すなわち、磁電変換素子ＳＷは、図７においては領域ＧＬ４に位置しており、図８においては領域ＧＬ６に位置している。このように、磁電変換素子ＳＷは、バスバＢＶを流れる電流ＩＶによる磁束の影響が小さい位置に配置されている。

このため、上述したように、バスバＢＷの幅狭部ＢＷＳを磁気シールド１１に近接するとともに、隣接するバスバＢＵの幅狭部ＢＵＳと互い違いに配置して、磁電変換素子ＳＷを幅狭部ＢＷＳの近傍に配置することによって、バスバＢＷの磁束を良好に検出することができ、また、隣接するバスバＢＵの磁束の影響を抑制することができる。この結果、高精度な電流検出を行うことができる

また、一対の磁気シールド１０，１１によりバスバＢをＺ方向の両側から挟み込むように配置しているので、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷを個別に囲む必要がなく、磁気シールドの部品点数を削減することができ、また、その大きさも小型化することができる。この結果、電流検出装置６を小型化することができ、部品点数の削減によりコストも低減することができる。よって、高精度な電流検出と、小型化及び低コスト化とを両立することができる。

次に、第２の実施形態について図９、１０を参照して説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態とは磁気シールド１２，１３の構成が異なり、その他の構成については第１の実施形態と同様なので、磁気シールド１２，１３の構成について説明し、その他の構成についての説明は省略する。

図１０に示すように、磁気シールド１２は、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷの幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬに対応する部分がそれぞれ切り欠かれたスリット１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを有している。磁気シールド１３も同様に、スリット１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗを有している（図９参照）。

このため、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷの幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬを干渉することなく、磁気シールド１２，１３の間隔を狭めることができる。この結果、電流検出装置６のＺ方向の大きさを小さくすることができる。第１の実施形態の電流検出装置６による効果に加え、電流検出装置６をさらに小型化することができる。

次に、第３の実施形態について図１１、１２を参照して説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態とはバスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷの形状が異なり、その他の構成については第１の実施形態と同様なので、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷの形状について説明し、その他の構成についての説明は省略する。

図１１、１２に示すように、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷの幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳは、幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬの一側端側を切り欠くことによって形成されている。このため、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷの幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳを形成する際に、第１の実施形態のバスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷと比べて、バスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷの切り欠き加工工数を低減することができる。

すなわち、第１の実施形態のバスバＢＵ，ＢＶ，ＢＷでは、幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬの両側から幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬを切り欠くことによって幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳを形成していたが、第３の実施形態の幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳは、幅広部ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬの片側のみを切り欠くことによって幅狭部ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳを形成することができるので、加工工数を低減することが可能になる。

１回転電機、２直流電源、３インバータ、４モータジェネレータ、５電力変換部、６電流検出装置、７制御装置、１０，１１，１２，１３磁気シールド、Ｂ，ＢＵ，ＢＶ，ＢＷバスバ、ＢＵＬ，ＢＶＬ，ＢＷＬ幅広部、ＢＵＳ，ＢＶＳ，ＢＷＳ幅狭部、ＧＨ１，ＧＨ２，ＧＨ３，ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３，ＧＬ４，ＧＬ５，ＧＬ６，ＧＬ７領域、ＩＶ，ＩＷ電流、ＰＵ，ＰＶ，ＰＷ基板、ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ磁電変換素子、ＶＬＣ，ＶＳＣ，ＷＬＣ，ＷＳＣ中心線。

Claims

第１の方向に対して平行に配置されるとともに、それぞれ前記第１の方向と直交する第２の方向に延在する複数のバスバと、
前記バスバに流れる電流を検出する磁電変換素子と、
前記第１の方向及び前記第２の方向に対して直交する第３の方向において、前記バスバ及び前記磁電変換素子を挟み込むように配置された一対の磁気シールドと、
を備えており、
前記各バスバは、側面から切り欠いた幅狭部を有し、前記幅狭部は、隣接する前記幅狭部と対向しない位置、かつ、一方の前記磁気シールドに近接する位置に配置され、
前記磁電変換素子は、前記幅狭部と前記幅狭部が近接する側の前記磁気シールドとの間に配置される、
ことを特徴とする電流検出装置。
請求項１に記載の電流検出装置において、
前記各バスバの前記幅狭部は、前記各バスバの一端側のみを切り欠くことにより形成されている、
ことを特徴とする電流検出装置。