(57)【要約】【課題】本発明は、電流検出装置及び電流検出用巻線構造に係り、サイズアップやコストアップを招くことなく精度良く電流検出を行うことにある。【解決手段】磁心に巻かれた複数本の巻線からなる導線に流れる電流を検出する電流検出装置において、複数本の巻線のうち一部の巻線は、所定区間で偶数回だけ折り返されており、その一部の巻線に流れる電流値を測定する分流電流測定手段と、分流電流測定手段により測定される電流値に基づいて導線に流れる電流を推定する全電流推定手段と、を設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁心に巻かれた複数本の巻線からなる導線に流れる電流を検出する電流検出装置であって、
前記複数本の巻線のうち一部の巻線は、所定区間で偶数回だけ折り返されており、
該一部の巻線に流れる電流値に基づいて前記導線に流れる電流を推定することを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
前記一部の巻線に流れる電流値を測定する分流電流測定手段と、
前記分流電流測定手段により測定される前記電流値に基づいて前記導線に流れる電流を推定する全電流推定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の電流検出装置。
【請求項３】
前記一部の巻線の所定区間での折り返し回数をｍとし、かつ、前記複数本の巻線のうち前記一部の巻線を除いた主巻線の本数をｎとすると、
前記全電流推定手段は、次式（１）に示す如く、前記分流電流測定手段により測定される前記電流値ｉに（（ｍ＋１）ｎ＋１）を掛けることにより、前記導線に流れる電流Ｉを推定することを特徴とする請求項２記載の電流検出装置。
Ｉ＝（（ｍ＋１）ｎ＋１）ｉ                                  ・・・（１）
【請求項４】
磁心に巻かれた複数本の巻線からなる導線に流れる電流を検出すべく、前記複数本の巻線のうち一部の巻線に流れる電流値が測定される電流検出用巻線構造であって、
前記一部の巻線を所定区間で偶数回だけ折り返したことを特徴とする電流検出用巻線構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流検出装置及び電流検出用巻線構造に係り、特に、磁心に巻かれた複数本の巻線からなる導線に大電流が流れ得る場合にその電流を検出するうえで好適な電流検出装置及び電流検出用巻線構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、導線に流れる電流を検出する電流検出装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。特許文献１記載の装置においては、主巻線に沿って補助巻線を巻回したうえで、主巻線の端部と補助巻線の端部との間の電位差と主巻線の抵抗とに基づいて主巻線に流れる電流を検出する。また、特許文献２記載の装置においては、導体を複数本並列に並べて電流を分流させたうえで、そのうちの一本の導体に流れる電流を検出して複数本の導体の全体に流れる電流を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７３３９号公報
【特許文献２】特開平６−２７３４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１記載の装置では、主巻線の抵抗に応じて出力が変動するので、主巻線自体の温度変化に起因して検出誤差が生ずると共に、主巻線と補助巻線との間に発生するリーケージインダクタンスに起因して出力波形が大きく歪むおそれがある。また、特許文献２記載の装置では、複数本からなる導体全体の電流を検出するのに一部の導体に電流を分流する必要があるが、その一部の導体が単に一本からなるものであるとした場合、その一部の導体に流す電流を小さくして分流比を大きくするためには導体の本数を増やす必要があり、サイズアップやコストアップが招来してしまう。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、導線のサイズアップやコストアップを招くことなく精度良く電流検出を行うことが可能な電流検出装置及び電流検出用巻線構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的は、磁心に巻かれた複数本の巻線からなる導線に流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記複数本の巻線のうち一部の巻線は、所定区間で偶数回だけ折り返されており、該一部の巻線に流れる電流値に基づいて前記導線に流れる電流を推定する電流検出装置により達成される。
【０００７】
また、上記の目的は、磁心に巻かれた複数本の巻線からなる導線に流れる電流を検出すべく、前記複数本の巻線のうち一部の巻線に流れる電流値が測定される電流検出用巻線構造であって、前記一部の巻線を所定区間で偶数回だけ折り返した電流検出用巻線構造により達成される。
【０００８】
これらの態様の発明において、導線を構成する複数本の巻線のうち一部の巻線は、所定区間で偶数回だけ折り返されている。複数本の巻線が束で磁心に巻かれていれば、各巻線それぞれのインダクタンス、リーケージインダクタンス、及び巻線抵抗のそれぞれは互いに等しい。また、上記の如く一部の巻線が所定区間で偶数回だけ折り返されている場合は、その一部の巻線を一本の巻線であると見れば、その一本の巻線により所定区間で奇数本の折り返し巻線が形成されることとなり、この場合も、所定区間での奇数本の折り返し巻線それぞれのインダクタンス、リーケージインダクタンス、及び巻線抵抗のそれぞれは上記した一部の巻線以外の巻線のものと互いに等しい。更に、所定区間で延びる上記した奇数本の折り返し巻線をそれぞれ一本の巻線として含むすべての巻線は、巻線比１：１のトランスとして機能するので、これら各巻線のインダクタンス部分での両端の電位差は互いに等しい一方で、所定区間での奇数本の折り返し巻線から一本を除いた偶数本の折り返し巻線は半分ずつその両端電位差が逆方向に作用するので、それら偶数本の折り返し巻線のインダクタンス部分での両端の電位差はすべて打ち消し合い、これにより、所定区間で偶数回折り返された一本の巻線の両端間でのインダクタンスとしては、巻線一本分の電位差のみが残る。
【０００９】
このため、導線を構成する複数本の巻線にはすべて一本ずつ、インダクタンスとして互いに同じ電位差が発生するので、磁心に巻かれた複数本の巻線のうち折り返された一部の巻線には、その一部の巻線を除いて所定区間で並列に並んだ各巻線のリーケージインダクタンス及び巻線抵抗分の並列インピーダンスと、その一部の巻線の所定区間での折り返しに係る本数（奇数）のリーケージインダクタンス及び巻線抵抗分の直列インピーダンスと、に応じた電流が分流される。一方、上記の如く、所定区間で折り返された奇数本の折り返し巻線をそれぞれ一本の巻線として含むすべての巻線それぞれのリーケージインダクタンス及び巻線抵抗はそれぞれ互いに等しい。従って、本発明によれば、複数本の巻線からなる導線全体に流れる電流に対する折り返された一部の巻線に流れる電流の比（＝分流比の逆数）は、所定区間で折り返された一部の巻線の折り返し本数と、その一部の巻線を除いて所定区間で並列に並んだ巻線の並列本数と、に応じた値となり、インピーダンスの大きさに関係なく一定値に維持される。このため、例え温度変化が生じていても、一部の巻線に流れる電流を検出することで精度良く導線全体の電流を検出することができる。
【００１０】
また、所定区間での一部の巻線の折り返す回数が増えるほど、その倍数で分流比が増加する。このため、所定区間で一部の巻線を偶数回折り返すことで、その折り返しが無い構成と比較して、大きな分流比を得ることができる。従って、本発明によれば、大きな分流比を得るうえで、導線を構成する巻線の本数を比例的に増やす必要はなく、導線の小型化・低コスト化を図ることができる。
【００１１】
尚、上記した電流検出装置において、前記一部の巻線に流れる電流値を測定する分流電流測定手段と、前記分流電流測定手段により測定される前記電流値に基づいて前記導線に流れる電流を推定する全電流推定手段と、を備えることとしてもよい。
【００１２】
また、上記した電流検出装置において、前記一部の巻線の所定区間での折り返し回数をｍとし、かつ、前記複数本の巻線のうち前記一部の巻線を除いた主巻線の本数をｎとすると、前記全電流推定手段は、次式（１）に示す如く、前記分流電流測定手段により測定される前記電流値ｉに（（ｍ＋１）ｎ＋１）を掛けることにより、前記導線に流れる電流Ｉを推定することとしてもよい。
【００１３】
Ｉ＝（（ｍ＋１）ｎ＋１）ｉ                                  ・・・（１）
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、サイズアップやコストアップを招くことなく精度良く電流検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例である電流検出用巻線構造を有する導線を用いたリアクトルの構造図である。
【図２】本実施例の電流検出用巻線構造を有する導線の斜視図である。
【図３】本実施例の電流検出用巻線構造を有する導線の等価回路図である。
【図４】本実施例の電流検出用巻線構造を有する導線に流れる電流を検出する電流検出装置の要部構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を用いて、本発明に係る電流検出装置及び電流検出用巻線構造の具体的な実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施例である電流検出用巻線構造を有する導線を用いたリアクトルの構造図を示す。また、図２は、本実施例の電流検出用巻線構造を有する導線の斜視図を示す。
【００１８】
本実施例において、リアクトル１０は、例えばハイブリッド車両の昇圧コンバータなどの制御に用いられる受動素子であって、電流が流れ得る導線１２を備えている。導線１２は、磁心１４に巻回されている。リアクトル１０においては、過電流の検出や電流フィードバックによる性能改善などのため、導線１２に流れる電流が検出される。尚、導線１２は、磁心１４に巻回されているものであれば、リアクトル１０に限らず、トランスやモータ，ソレノイドなどに用いられるものであってもよい。
【００１９】
導線１２は、複数本の巻線１６が一つに束になったものである。各巻線１６はそれぞれ、磁心１４に同じ数だけ巻回されている。導線１２を構成する巻線１６の本数は、導線１２に流れ得る電流の大きさに応じて設定されている。各巻線１６はそれぞれ、互いに同じ太さに形成されており、互いに単位長さ当たりほぼ等しい抵抗を有している。巻線１６としては、電流が流れる主巻線２０と、電流検出のための分流電流が流れる補助巻線２２と、がある。多数（ｎ本）の巻線１６は主巻線２０であり、補助巻線２２は、複数本の巻線１６の一部をなす。補助巻線２２は、一本であってもよいし、また、２本以上の複数本であってもよい。尚、以下では、補助巻線２２は一本であるものとする。
【００２０】
補助巻線２２は、磁心１４に巻回された部分を含む区間（以下、リアクトル区間と称す）で折り返されている。補助巻線２２のリアクトル区間での折り返しは、偶数回ｍ（但し、２回以上の回数）だけ行われている。このため、一本の補助巻線２２により、リアクトル区間において奇数本（ｍ＋１）の巻線（以下、折り返し巻線と称す）が形成されることとなる。以下、本実施例では、このリアクトル区間に形成される奇数本の折り返し巻線をそれぞれ折り返し巻線２２−１，・・・，２２−（ｍ＋１）とする。これら奇数本（ｍ＋１）の折り返し巻線２２−１，・・・，２２−（ｍ＋１）はそれぞれ、リアクトル区間において互いに同じ長さを有している。補助巻線２２は、全体を見れば、折り返し巻線２２−１，・・・，２２−（ｍ＋１）が直列接続されたものとなると共に、リアクトル区間だけを見れば、それら折り返し巻線２２−１，・・・，２２−（ｍ＋１）が並列に並んだものとなる。
【００２１】
図３は、本実施例の導線１２の等価回路図を示す。尚、図３においては、補助巻線２２のリアクトル区間での折り返し回数を２回として、ｍを“２”としている。また、図３においては、主巻線２０のインダクタンスをＬ１と、リーケージインダクタンスをＬ１ｐと、巻線抵抗をＲ１ｐとし、更に、補助巻線２２を構成する各折り返し巻線２２−１，２２−２，２２−３のインダクタンスをＬ２，Ｌ３，Ｌ４と、リーケージインダクタンスをＬ２ｐと、巻線抵抗をＲ２ｐとしている。図４は、本実施例の導線１２に流れる電流を検出する電流検出装置２４の要部構成図を示す。
【００２２】
本実施例においては、リアクトル区間（図３に示すＡ−Ｂ区間）において、主巻線２０が多数並列に並んでいると共に、補助巻線２２の折り返し巻線２２−１，２２−２，２２−３が直列接続された状態で並列に並ぶように折り返されている。そして、それら主巻線２０及び補助巻線２２である複数本の巻線１６が一つ束になって磁心１４に巻かれている。このため、本実施例の導線１２の構造によれば、リアクトル区間において、各主巻線２０及び補助巻線２２の各折り返し巻線２２−１，２２−２，２２−３のインダクタンス、リーケージインダクタンス、及び巻線抵抗のそれぞれが互いに等しい等価回路が得られることとなる（下記の式（２）〜（４）参照）。
【００２３】
Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４                                        ・・・（２）
Ｌ１ｐ＝Ｌ２ｐ                                                ・・・（３）
Ｒ１ｐ＝Ｒ２ｐ                                                ・・・（４）
本実施例において、電流検出装置２４は、補助巻線２２に流れる電流を測定する測定器２６を有している。測定器２６は、図４（Ａ）に示す如きシャント抵抗２８、或いは、図４（Ｂ）に示す如きオペアンプ３０と抵抗３２とを用いた電流電圧変換器３４である。シャント抵抗２８は、補助巻線２２のＣ−Ｄ端子間に直列接続されており、上記した等価回路（具体的には、主巻線２０に流れる電流と補助巻線２２に流れる電流との比）に大きな影響を与えない程度の小さいインピーダンスに設定されている。また、電流電圧変換器３４は、補助巻線２２のＣ−Ｄ端子間に流れる電流の値を電圧に変換する機器である。
【００２４】
測定器２６には、コントローラ３６が電気的に接続されている。コントローラ３６は、測定器２６がシャント抵抗２８である場合は、そのシャント抵抗２８の両端子間すなわちＣ−Ｄ端子間に生ずる電圧降下を測定して、その測定電圧降下と予め定められたシャント抵抗２８の抵抗値とに基づいて補助巻線２２に流れる電流値を測定する。また、コントローラ３６は、測定器２６が電流電圧変換器３４である場合は、オペアンプ３０の出力を測定して、その測定値と予め定められた抵抗３２の抵抗値とに基づいて補助巻線２２に流れる電流値ｉを測定する。そして、コントローラ３６は、その測定した補助巻線２２に流れる電流値ｉに基づいて、後述の分流比に従って、導線１２全体に流れる電流Ｉを推定する（Ｉ＝（（ｍ＋１）ｎ＋１）ｉ）。
【００２５】
上記の如く、リアクトル区間において、各主巻線２０及び補助巻線２２の各折り返し巻線２２−１，２２−２，２２−３のインダクタンス、リーケージインダクタンス、及び巻線抵抗のそれぞれは互いに等しい。また、リアクトル区間において、各主巻線２０及び補助巻線２２の各折り返し巻線２２−１，２２−２，２２−３は、巻線比１：１のトランスとして機能する。このため、各主巻線２０及び補助巻線２２の各折り返し巻線２２−１，２２−２，２２−３のインダクタンス部分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４での両端の電位差は互いに等しい。一方、リアクトル区間での奇数本の折り返し巻線２２−１，２２−２，２２−３から一本を除いた偶数本の折り返し巻線（例えば２２−２，２２−３）は半分ずつその両端電位差が逆方向に作用するので、それら偶数本の折り返し巻線２２−２，２２−３のインダクタンス部分Ｌ３，Ｌ４での両端の電位差はすべて打ち消し合い、これによって、リアクトル区間で偶数回折り返された一本の補助巻線２２の両端間でのインダクタンスとしては、折り返し巻線２２−１の一本分の電位差のみが残る。
【００２６】
このため、導線１２を構成する複数本の巻線１６にはすべて一本ずつ、トランス機能により互いに同じ電位差が発生するので、各巻線１６のインダクタンスＬ１，Ｌ２の一端が接続されているものとすると、そのインダクタンスＬ１，Ｌ２の他端がすべて等電位となる（図３中の破線で結ばれる部分を参照）。この場合、補助巻線２２には、リアクトル区間で並列に並んだ各主巻線２０のリーケージインダクタンスＬ１ｐ及び巻線抵抗Ｒ１ｐ分の並列インピーダンスと、その補助巻線２２のリアクトル区間での奇数本の折り返し巻線２２−１〜２２−３のリーケージインダクタンスＬ２ｐ及び巻線抵抗Ｒ２ｐ分の直列インピーダンスと、に応じた電流が分流される。
【００２７】
この際、導線１２全体に流れる電流に対する補助巻線２２に流れる電流の比（＝分流比の逆数）αは、主巻線２０の本数をｎとしかつ補助巻線２２のリアクトル区間での折り返し回数をｍとすると、次式（５）に示す如くになる。但し、各巻線１６それぞれのリーケージインダクタンスＬ１ｐ，Ｌ２ｐと巻線抵抗Ｒ１ｐ，Ｒ２ｐとが直列接続された部分におけるインピーダンスをｚ（＝Ｌ１ｐ＋Ｒ１ｐ＝Ｌ２ｐ＋Ｒ２ｐ）とする。
【００２８】
【数１】
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すなわち、上記の分流比１／αは、リアクトル区間で折り返される補助巻線２２の折り返し回数ｍ（すなわちリアクトル区間での補助巻線２２の折り返し巻線の本数（ｍ＋１））と、リアクトル区間で並列に並んだ主巻線２０の並列本数ｎと、に応じた値となり、各巻線１６のリーケージインダクタンスや巻線抵抗によるインピーダンスの大きさに関係なく一定に維持される。
【００２９】
このため、各巻線１６にリーケージインダクタンスが存在しても、その存在が無い場合と同様に、補助巻線２２への所望の電流分流を実現させることができる。また、各巻線１６の巻線抵抗は素材（例えば銅）に応じた温度特性を持つが、主巻線２０及び補助巻線２２の巻線抵抗は共に同じ環境温度下にあり同じ温度特性を有するので、温度が変化して巻線抵抗値の変動が生じても、分流比１／αは変化せず、補助巻線２２への電流分流を正確に行うことができる。従って、本実施例によれば、例え温度変化が生じても、補助巻線２２に流れる電流を検出することで、精度良く導線１２全体に流れる電流を検出することができる。
【００３０】
また、リアクトル区間での補助巻線２２の折り返し回数ｍ（“０”を超える偶数）が増えるほど、その倍数的に分流比１／αが増加する。例えば、補助巻線２２がリアクトル区間で折り返されていない構成では、導線１２全体の電流と補助巻線２２の電流との電流比を５００１：１とするのに、５０００本の主巻線２０と１本の補助巻線２２とを用いる必要があるのに対して、本実施例の構成では、主巻線２０の本数ｎを“１０００”とし、補助巻線２２の折り返し巻線の本数（ｍ＋１）を“５”とすると、α＝５００１となって、補助巻線２２の折り返し巻線をそれぞれ一本の巻線１６として含む１００５本の巻線１６で、導線１２全体の電流と補助巻線２２の電流との電流比を５００１：１とすることができる。
【００３１】
この点、本実施例の構成によれば、リアクトル区間で補助巻線２２を偶数回折り返すことで、その折り返しが無い構成と比較して、大きな分流比を得ることができる。このため、導線１２に流れる電流が大きくても、補助巻線２２に流れる電流をできるだけ小さくすることができるので、導線１２を、例えば大電流（例えば５００アンペア）が流れ得るハイブリッド自動車などの駆動系に用いることができる。また、大きな分流比を得るうえで、導線１２を構成する主巻線２０の本数ｎを比例的に増やす必要はないので、導線１２やリアクトル１０の小型化・低コスト化を図ることができる。
【００３２】
尚、上記の如く、リアクトル区間での補助巻線２２の折り返し回数ｍが増えるほど、その倍数的に分流比１／αが増加するが、所望の分流比を得るうえで、上記の折り返し回数ｍを増やし過ぎると、主巻線２０の本数ｎが飛躍的に減少するため、導線１２に流すことが許容される電流が減少し、導線１２をハイブリッド自動車などの駆動系に用いることは困難となり、その駆動系に用いるときには主巻線２０一本ずつが賄うべき電流が過大となってしまう。従って、リアクトル区間での補助巻線２２の折り返し回数ｍ及び主巻線２０の本数ｎを、導線１２全体に流す電流と所望の分流比とに基づいて設定すべきである。
【００３３】
このように、本実施例の電流検出用巻線構造及び電流検出装置２４によれば、導線１２等のサイズアップやコストアップを招くことなく、精度良く導線１２全体に流れる電流を検出することが可能となっている。
【００３４】
また、本実施例において、測定器２６がシャント抵抗２８である場合は、そのシャント抵抗２８に電流が流れた際に電圧降下が生じて電力損失が発生する。この電力損失は、流れる電流が大きいほど大きくなるが、本実施例では、導線１２に大電流が流れるとしても、大きな分流比で補助巻線２２側に電流が分流されるので、シャント抵抗２８に流れる電流をできるだけ小さくすることができ、シャント抵抗２８での電力損失を低減することができる。
【００３５】
また、本実施例においては、上記の如き大きな分流比を実用的な太さの導線１２で得ることが可能であり、オペアンプ３０等の大電流を流せない回路（一般的には最大１００ミリアンペア程度）への適用が可能である。
【００３６】
また、本実施例において、測定器２６が電流電圧変換器３４である場合は、補助巻線２２のＣ−Ｄ端子間のインピーダンスをほぼゼロにすることができ、これにより、測定器２６がシャント抵抗である場合と異なり、測定器２６の存在が分流比に影響を与えるのを回避することができ、補助巻線２２や導線１２の電流測定を高精度に行うことが可能となる。また、測定器２６がオペアンプ３０からなる電流電圧変換器３４であれば、ＩＣに内蔵することが可能であるので、電流検出装置２４の小型化・低コスト化を図ることが可能となる。
【００３７】
更に、一般的には、大電流の測定には、高価でかつ大型の磁気式電流センサが用いられることが多いが、本実施例においては、導線１２に流れる大電流を測定するのに導線１２に流れる電流を補助巻線２２に分流させつつ、その分流をシャント抵抗２８や電流電圧変換器３４の測定器２６が扱える程度の電流にまで行うことができるので、測定器２６の小型化・低コスト化を図ることが可能となる。
【００３８】
尚、上記した実施例においては、リアクトル区間が特許請求の範囲に記載した「所定区間」に、補助巻線２２が特許請求の範囲に記載した「一部の巻線」に、コントローラ３６が測定器２６を用いて補助巻線２２に流れる電流値を測定することが特許請求の範囲に記載した「分流電流測定手段」に、コントローラ３６が導線１２に流れる電流を推定することが特許請求の範囲に記載した「全電流推定手段」に、それぞれ相当している。
【符号の説明】
【００３９】
１２  導線
１４  磁心
１６  巻線
２０  主巻線
２２  補助巻線
２４  電流検出装置
２６  測定器
３６  コントローラ
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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