(57)【要約】【課題】本明細書は、磁電変換素子によってバスバを流れる電流を計測する電流センサに関し、電流密度を高めて電流計測精度を向上するとともに、強度低下と発熱による温度上昇を抑制する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電流センサ１００は、横断面積が他の部位よりも小さい小断面積部２ａを有するバスバ２と、小断面積部２ａに隣接配置されている磁電変換素子４を備えている。そして、小断面積部２ａに突起６が設けられている。突起６には電流が流れ込み難く、それほど電流密度の低下を招かない。その半面、突起６は、バスバの強度向上と放熱に寄与する。【選択図】図１
2015141100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
横断面積が他の部位よりも小さい小断面積部を有するバスバと、
前記小断面積部に隣接配置されている磁電変換素子と、
を備えており、
前記小断面積部に突起が設けられていることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記突起のバスバ長手方向の長さが、前記小断面積部のバスバ長手方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記突起のバスバ長手方向の長さが、前記小断面積部のバスバ横手方向の幅よりも短いことを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記バスバの前記磁電変換素子に対向する側とは反対側に、バスバ長手方向に沿って複数の前記突起が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記小断面積部は、前記バスバに設けられた切欠部であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記バスバと平行に非電流計測対象の隣接バスバが伸びており、前記バスバの長手方向と直交する断面において前記小断面積部の断面積が前記隣接バスバの断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
３相交流モータを電流フィードバック制御するシステムでは、３相の出力電流をモニタする電流センサを備える。モータの出力が大きい場合、３相交流電力の伝達にはバスバと呼ばれる細長い金属棒あるいは金属板が使われる。電流センサは少なくとも１本のバスバに備えられる。電流センサは、典型的には磁電変換素子であり、バスバを流れる電流に起因する磁界を検知する。検知した磁界の大きさでバスバを流れる電流の大きさが解る。
【０００３】
従来はバスバをＣ字型の集磁コアで囲み、Ｃ字の切れ目に磁電変換素子を配置していたが、磁電変換素子が感度が向上し、集磁コアなしで磁電変換素子だけで電流を計測する電流センサが登場している。集磁コアを要しないため、小型で低コストである。しかし、集磁コアを備えないため、磁界検出の性能がまだまだ十分とは言い難く、電流計測精度を高める技術が望まれている。
【０００４】
磁電変換素子の電流計測精度を高める技術の一例が特許文献１に開示されている。その技術はバスバに他の部位よりも断面積の小さい部位（小断面積部）を設け、その小断面積部に磁電変換素子を配置する。小断面積部は他の部位よりも電流密度が高くなり、発生する磁界も強くなる。磁電変換素子が計測する磁界が強くなるので、電流計測精度が高まる。なお、この明細書における「断面」は、バスバの長手方向に直交する断面を意味する。また、この断面のことを「横断面」と称する場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２４４８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
磁電変換素子を配置する部位（上記の小断面積部）の断面積を小さくするほど電流密度が高まり、磁電変換素子が計測する磁束が大きくなる。しかし、小断面積部の断面積を小さくするほど、バスバの強度が下がる。また、電流密度が高まることで小断面積部の発熱量も多くなる。本明細書が開示する発明は、上記課題に鑑みて創作された。本明細書は、バスバの一部を細くして電流密度を高めて電流計測精度を向上するとともに、細くした部位の強度低下と発熱による温度上昇を抑制する電流センサを提供する。
【０００７】
なお、本明細書が開示する技術は、バスバの形状の工夫と磁電変換素子のレイアウトによって電流計測精度を高める。それゆえ、本明細書が開示する電流センサは、バスバから独立して存在するものではなく、特定の形状を有するバスバの一部も電流センサを構成する要素となる点に留意されたい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する技術は、磁電変換素子を配置するバスバの小断面積部に突起を設けることで、小断面積部の強度低下と発熱に対処する。小断面積部は、典型的には、バスバに設けられた切欠で実現される。小断面積部に突起を設けることで、小断面積部の強度が高まる。また、突起は、ヒートスプレッダとしても機能するから、小断面積部の放熱性能が高まり、発熱による温度上昇を抑制できる。なお、突起は、小断面積部の断面積を拡げることになる。しかし、突起のバスバ長手方向の長さは、小断面積部の長手方向の長さよりも短く、断面積が拡大する区間はバスバ長手方向、即ち、電流が流れる方向に対して短い区間だけである。そのため、電流は突起の内部全体には拡がらず、突起の分の断面増加に比べて電流密度の低下を抑えられる。なお、突起内部への電流の拡がりを抑制するには、突起のバスバ長手方向の長さを抑えるのがよい。目安としては、バスバ長手方向の突起長さは小断面積部の長手方向の長さよりも短く、好ましくは小断面部の長手方向の長さの半分以下であるのがよい。さらに好ましくは、バスバ長手方向の突起長さは、小断面積部のバスバ横手方向の幅よりも短いとよい。バスバ長手方向の突起長さを抑制する代わりに、複数の突起を設けることで、電流密度低下を抑制するとともに、さらなる強度向上と放熱性向上が期待できる。なお、バスバ長手方向とは、バスバの長手方向、つまりバスバが延伸する方向を意味する。また、バスバ横手方向とは、バスバの長手方向に直交する方向を意味する。
【０００９】
前述したように、小断面積部は、典型的にはバスバに設けられた切欠で実現される。磁電変換素子と突起のレイアウトとしては、突起は、小断面積部の磁電変換素子に対向する側とは反対側に設けるのがよい。突起の位置、サイズ、個数に関わらずに、磁電変換素子を小断面積部の直近に配置できるからである。また、上記のレイアウトは、突起による磁束密度の変化を磁電変換素子が最も受け難い場所でもある。
【００１０】
平行に伸びる複数のバスバのうちの１本に上記の構造を適用する場合、即ち、電流計測対象のバスバと平行に非電流計測対象の隣接バスバが伸びている場合、バスバの長手方向と直交する断面において小断面積部の断面積が隣接バスバの断面積よりも小さいことが望ましい。磁電変換素子が計測する隣接バスバによる磁束密度が相対的に小さくなるからである。すなわち、上記の構造は、ＳＮ比を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書は、磁電変換素子によってバスバを流れる電流を計測する電流センサに関し、バスバの一部を細くして電流密度を高めて電流計測精度を向上するとともに、細くした部位の強度低下と発熱による温度上昇を抑制する技術を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例の電流センサを示す斜視図である。
【図２】実施例の電流センサに備えられる計測対象のバスバの平面図である。
【図３】図１のIII−III線における電流センサの断面図である。
【図４】実施例の電流センサに備えられる計測対象のバスバの切欠部の長さと磁束密度の関係の一例を示すグラフである。
【図５】実施例の電流センサに備えられるバスバの変形例である。
【図６】実施例の電流センサに備えられるバスバのさらなる変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照して実施例の電流センサを説明する。図１に３相交流モータに３相交流電力を伝達するバスバの一部が示されている。３相交流電力を伝達するためには、３本のバスバが必要になるが、図１ではその内の２本が代表して示されている。図１に示すように２本のバスバ２、３が平行に並んでいる。バスバ２、３はＺ軸方向に延伸しているが、図１では電流センサ１００が位置する部分のみが示されている。本明細書が開示する電流センサ１００は、バスバから独立して存在するものではなく、特定の形状を有するバスバの一部も電流センサを構成する要素となる。実施例の電流センサ１００は、電流を計測する対象となるバスバ２と、バスバ２に隣接する隣接バスバ３と、磁電変換素子４により構成されている。バスバ２はその一部に切欠部５が設けられている。そして、バスバ２の下面には、バスバ長手方向に沿って切欠部５の存在する範囲において、突起６が設けられている。また、切欠部５の内側には、磁電変換素子４が備えられている。磁電変換素子４はバスバ２に流れる電流に起因する磁界を検知する。隣接バスバ３は計測対象ではなく、隣接バスバ３を流れる電流に起因する磁界は磁電変換素子４のノイズ源となる。電流センサ１００は、磁電変換素子４が検知した磁界の大きさによりバスバ２に流れる電流の大きさをモニタする。なお、磁電変換素子４の形状は、説明の便宜上、模式的に直方体で描かれていることに留意されたい。
【００１４】
バスバ２及びバスバ３の長手方向（Ｚ軸方向）に直交する断面の形状は、高さ方向（Ｙ軸方向）に細長い矩形である。以下、この明細書における「断面」は、バスバの長手方向に直交する断面を意味する。バスバ２の切欠部５以外の断面は、隣接バスバ３と高さ、幅ともに同じである。バスバ２と隣接バスバ３は互いに幅広の側面同士が対向するように平行に並んでいる。
【００１５】
バスバ２に設けられる切欠部５の形状は、図２に示すように、矩形である。切欠部５が設けられた箇所は、断面が他の部位よりも小さい小断面積部２ａとなり、その断面形状は矩形となる。図３に示すように、バスバ２の小断面積部２ａの断面積は、バスバ３の断面積よりも小さい。
【００１６】
図２に示すように、突起６は小断面積部２ａの下面に複数、長手方向（Ｚ軸方向）で等間隔に設けられている。各突起６は、小断面積部２ａの下方に同じ長さで伸びている。別言すれば、後述する磁電変換素子４に対向する小断面積部２ａの上面とは反対側の下面に突起６が設けられている。突起６の形状は直方体であり、突起６は、小断面積部２ａの下面の横手方向（Ｘ軸方向）の一端から他端まで伸びている。図１上のＺ軸方向と一致するバスバ２の長手方向（以下、バスバ長手方向）における突起６の長さＢは小断面積部２ａ（切欠部５）のバスバ長手方向の長さＡよりも短い。さらに、突起６のバスバ長手方向の長さＢは、小断面積部２ａ（切欠部５）のバスバ長手方向の長さＡの半分よりも短い。さらにまた、実施例では、突起６のバスバ長手方向の長さＢは、バスバ２の横手方向（Ｘ軸方向）の長さＷよりも短い。別言すれば、突起６のバスバ長手方向の長さＢは、小断面積部２ａの横手方向の幅よりも短い。
【００１７】
磁電変換素子４は、その内部を貫通する磁界の磁束密度を電気信号に変換する素子である。磁電変換素子４は、図３に示すように、小断面積部２ａの上面に隣接している。別言すれば、磁電変換素子４は突起６が設けられている小断面積部２ａの面の反対側の面に対向するように配置されている。そして、磁電変換素子４は、小断面積部２ａの横手方向（Ｘ軸方向）の中央に位置している。図４に示すように、バスバ２のバスバ長手方向（Ｚ軸方向）に向かって流れる電流により発生する磁束Ｍ２の形状は、バスバ長手方向に直交する平面（ＸＹ平面）上で、バスバ２の断面中心を中心とする楕円形となる。したがって、上記の位置に磁電変換素子４を配置することで、バスバ２から発生する磁束Ｍ２を計測することができる。なお、図３において、矢印IIIの方向から見える突起６の形状が省略して描かれていることに留意されたい。
【００１８】
バスバ２、３の材料には、導電性の高い金属、典型的には銅が、用いられる。導電性の高い材料を用いた方が、バスバの内部抵抗を抑えると共に、３相モータに伝達する電力の損失を低く抑えることができる。
【００１９】
バスバ２に切欠部５及び突起６を設ける効果について説明する。バスバ２を通過する電流はどの部位においても等しい。しかし、小断面積部２ａの断面は他の部位の断面よりも小さいため、小断面積部２ａを通過する電流の密度が高まることになる。よって、小断面積部２ａの周囲に発生する磁束密度もバスバ２の他の部位に比べて高くなる。したがって、小断面積部２ａに磁電変換素子４を配置することで、大きな磁束を計測することができる。計測する磁束の量が大きくなるので、その磁束の量に対応する電流の計測精度が向上する。
【００２０】
一方、小断面積部２ａを通過する電流の密度が高まることから、小断面積部２ａは他の部位に比べて発熱しやすくなる。しかし、小断面積部２ａには、複数の突起６が設けられている。複数の突起６により小断面積部２ａの下面の表面積が拡がり、複数の突起６がヒートスプレッダとして機能する。突起６により小断面積部２ａの放熱性能を高め、発熱による温度上昇を抑制することができる。
【００２１】
なお、突起６は、小断面積部２ａの断面積を一部の区間で広げることになる。しかし、断面積が拡大する区間はバスバ長手方向（電流の流れる方向）に対して短い区間である。バスバの長手方向において、突起６はステップ状にバスバの断面積を拡大するが、流れる電流はステップ状には変化しない。したがって、突起６の内部に流れ込む電流は突起６による断面積の拡大分と比較して小さく、小断面積部２ａの電流密度の低下抑えることができる。具体的には、突起６を含む小断面積部２ａにおける電流密度は、突起６として小断面積部２ａの断面積をバスバ長手方向に一様に有するバスバの電流密度よりも高くなる。実施例では、突起６のバスバ長手方向の長さＢは、小断面積部２ａのバスバの横手方向の長さＷよりも短いため、突起６の電流が横手方向に拡がるのに比べ、突起内部へは拡がり難い。したがって、電流密度の低下を抑えることができる。
【００２２】
また、バスバ２に切欠部５を設けたことにより、バスバ２はこの切欠部５により強度が低下する。しかし、上述のように、電流密度の低下を最小限に抑えつつ、複数の突起６を設けることで、小断面積部２ａの強度を高めることができる。
【００２３】
なお、一般に、バスバ２を製造する際、切欠部５はプレス加工により製造される。切欠部５の高さ方向（Ｙ軸方向）の長さは、長いほど小断面積部２ａの断面積を小さくすることができ、電流密度を高めることができる。バスバ２に切欠部５のみが設けられる場合、バスバ２の小断面積部２ａの高さ方向の長さが短くなると、プレス加工の型で押さえられる面積が限られ、製造が困難となる。しかし、突起６を設けることにより、プレス加工の型で押さえられる面積が拡がり、プレス加工による製造が可能となる。
【００２４】
また、突起６は小断面積部２ａの磁電変換素子４に対向する側とは反対側の面に設けられている。これにより、突起６の位置、サイズ、個数に関わらず、磁電変換素子４を小断面積部２ａの直近に配置できる。また、上記の位置は、突起６による磁束密度の変化を磁電変換素子４が最も受け難い場所となる。
【００２５】
なお、発明者は、小断面積部２ａのバスバ長手方向の長さＡ（切欠部５のバスバ長手方向の長さＡ）と小断面積部２ａの周囲に発生する磁束密度の関係を調べた。その結果の一例を図４に示す。図４に示すように、小断面積部２ａの磁束密度は、小断面積部２ａの長さＡが長くなるほど高くなり、その長さＡを伸ばしていくと、一定の値に収束することが分かった。つまり、小断面積部２ａを設けることによる十分な磁束密度の向上効果を得るためには、ある一定以上の小断面積部２ａの長さＡが必要となる。長さＡは、図４に示すグラフを基に、設計上要求される磁束密度（図４の破線で示す値）となるように、決定される。
【００２６】
次に、バスバ２と平行に伸びる隣接バスバ３から磁束により磁電変換素子４が受ける影響について説明する。図１に示すように、隣接バスバ３は、計測対象のバスバ２に隣接して平行に伸びている。ここで、図３に示すように、小断面積部２ａの断面積が、隣接バスバ３の断面積よりも小さい。これにより、小断面積部２ａを流れる電流の密度が、隣接バスバ３を流れる電流の密度より相対的に大きくなる。したがって、隣接バスバ３の磁束Ｍ３の磁束密度は、バスバ２の磁束Ｍ２の磁束密度よりも小さくなる。これにより、非計測対象である隣接バスバ３の磁束密度は、計測対象であるバスバ２の磁束密度より相対的に小さくなり、磁電変換素子４が検出する磁束密度はバスバ２の磁束密度に大きく依存することになる。すなわち、この構成により、電流センサ１００のＳＮ比を高くすることができる。
【００２７】
実施例の突起６の変形例について説明する。図５は、実施例のバスバ２の変形例であるバスバ１２を示した平面図である。バスバ１２では、バスバ２の突起６の形状が、突起１６の形状に変わっている。図５に示すように、突起１６は一つの突起で構成されている。このような構成によれば、磁束密度を高める効果は、実施例よりは劣るものの、小断面積部１２ａの強度は実施例よりも高くすることができる。また、図６に、突起６の形状における他の変形例を示す。突起６のバスバ２の横手方向（Ｘ軸方向）からみた形状は、図６に示すように、半円形でもよい。また、図示は省略するが、三角形や、多角形であってもよい。
【００２８】
以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。実施例では突起６は、複数等間隔に設けられていたが、等間隔に設けられていなくてもよい。また、実施例では、切欠部５の形状は、矩形であったが、切欠部の角部に面取りが施されていてもよい。
【００２９】
また、突起の位置は、実施例のように小断面積部２ａの下面（磁電変換素子と対向する側とは反対側の面）でなくてもよい。小断面積部２ａの横手方向（Ｘ軸方向）の側面に設けられてもよい。さらに、突起の横手方向の長さは、バスバ２（小断面積部２ａ）の横手方向の長さよりも短くてもよい。また、さらに、突起のバスバ長手方向（Ｚ軸方向）から視た形状は、矩形でなくてもよい。半円形や多角形でもよい。
【００３０】
また、実施例では３相交流電力の伝達に用いられる３本のバスバの内１本に電流センサを設けたが、３本のバスバの内の２本、若しくは、３本すべてに電流センサを設けてもよい。この場合、各電流センサに備えられる磁電変換素子が、３本のバスバの並び方向（図１で示すＸ軸方向）から視たときに重ならないように配置するのが良い。さらに、各電流センサに備えられる小断面積部（切欠部）が、３本のバスバの並び方向から視たときに重ならないように配置する方がなお良い。バスバに流れる電流に起因する磁界は、バスバの長手方向と直交する平面（図１で示すＸＹ平面）上に発生するため、上記のように配置すれば各バスバの小断面積部で生じる磁界が各電流センサーに互いに影響を及ぼし合うことが無い。各電流センサが上記の並び方をした場合、各磁電変換素子及び小断面積部は、互いに斜向かいになるように配置される。さらに、３本のバスバに電流センサを設ける場合、コンパクトに収めるためには、バスバの高さ方向（図１で示すＹ軸方向）から視たときに、各磁電変換素子が三角形状の各頂点となるように配置されるとよい。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３２】
２、１２、２２：バスバ
２ａ、１２ａ、２２ａ：小断面積部
３：隣接バスバ
４：磁電変換素子
５、１５、２５：切欠部
６、１６、２６：突起
１００：電流センサ
【図１】
2015141100.tif 000003
【図２】
2015141100.tif 000004
【図３】
2015141100.tif 000005
【図４】
2015141100.tif 000006
【図５】
2015141100.tif 000007
【図６】
2015141100.tif 000008