电流传感器模块的制作方法
【专利摘要】一种电流传感器模块，其包括具有磁芯(2)和气隙(20)的磁路，该磁芯具有构造为能接收携带有带测量主电流的主导体(14)的中央通道(18)。该电流传感器模块还包括：具有电路板(17)和用于与外部电路相连的接触端子(32)的信号处理电路(8)，以及至少部分地设置在磁路的气隙(20)中的磁场检测器(4)。该电流传感器模块还包括磁芯安装支撑件(6)，所述磁芯安装支撑件(6)具有模制支撑件(15)和接地并固定机构(12)，所述接地并固定机构构造为能保持并刚性地将磁芯(2)固定在模制基座上以形成磁路单元(3)。该磁路单元(3)构造为能固定地装配到印刷电路板上。
【专利说明】电流传感器模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电流传感器模块，其包括磁路和位于磁路的气隙中的磁场检测器，并用于测量插入在磁路的中央通道中的主导体中所流经的电流。
【背景技术】
[0002]用于电流感测应用的电流传感器模块通常包括由高磁导率的磁性材料制成并围绕中心孔的磁芯，其中携带待测电流的主导体穿过所述中心孔。磁芯通常具有大致矩形或圆形的形状，并提供其中安置有磁场检测器(诸如，ASIC形式的霍尔效应传感器)的气隙。流经主导体的电流所产生的磁通通过磁芯来汇聚，并穿过气隙。气隙中的磁场代表主电流。在开环型电流传感器中，气隙中的磁场传感器产生了能表示测量信号的待测电流的图像。在闭环型电流传感器中，在反馈回路中将磁场传感器连接到通常围绕一部分磁芯缠绕的线圈上，以产生趋于抵消由主导体所产生的磁场的补偿电流。因此，补偿电流表示待测电流的图像。磁芯与测量信号处理电路之间的电位差会对测量信号产生不利影响，因此，普遍地将磁芯电连接于信号处理电路的参考电压上，即接地。
[0003]在某些传统电流传感器模块中，例如通过粘合剂、机械固定等直接将磁芯安装到电路板上。这种磁芯在大多数情况下例如经由抵靠磁芯设置的导电构件来与作为参考电压的大地相接。
[0004]当采用具有气隙的磁路时，气隙的宽度对气隙中的磁场强度有影响。这种电场强度由放置在气隙中的磁场检测器来测量。因此，即使在高温范围内也应当尽可能地使气隙的览度保持恒定。
[0005]将磁芯安装在电路板上导致了不同问题。由于振动和冲击造成的机械应力以及由于磁芯和电路板的不同热膨胀系数所导致的热应力都可能导致电触点或机械触点破裂或断裂，或者造成气隙大小的变化。
[0006]在某些传统的已知实施例中，磁芯不固定于电路板，而是固定在模制壳体的腔体中。然而，由于温度变化或振动或冲击造成的磁芯、外壳和电路板(其上安置有磁场传感器)之间的相对移动会对测量精度产生不利影响。
[0007]在某些应用中，空间是有限的；但是，开环式电流传感器的尺寸通常会作为待测量的最大额定电流的函数而增加，以避免磁芯饱和度。
【发明内容】
[0008]本发明的一个目的在于提供一种精确、经济且紧凑的电流传感器模块。
[0009]优选的是，提供一种易于生产及装配的电流传感器模块。
[0010]优选的是，提供一种结实且稳定的电流传感器模块。
[0011]优选的是，提供一种针对在有限空间应用中的使用而呈现为紧凑的但可测量大电流的电流传感器模块。
[0012]优选的是，提供一种构造成能接收主导体从中穿过的紧凑的、但仍允许主导体自由移动的电流传感器模块。
[0013]优选的是，提供一种在构造上具灵活性的电流传感器模块。
[0014]本发明的目的可通过提供根据权利要求1所述的电流传感器来实现。
[0015]本文所公开的是一种电流传感器模块，其包括:具有磁芯、气隙和中央通道的磁路，所述中央通道构造为能接收携带有待测主电流的主导体穿过；包括电路板和用于与外部电路相连的电气端子的信号处理电路；和至少部分地设置在所述磁路的气隙中的磁场检测器。所述传感器还包括磁芯安装支承件，所述磁芯安装支承件包括模制支承件和构造为能将所述磁芯保持并刚性地固定到所述模制支承件上的接地并固定机构。
[0016]在一个优选实施例中，所述磁芯的中央通道包括椭圆形形状，并且所述模制支承件包括基本上与所述中央通道吻合的主导体通道。所述模制支承件相应地围绕所述中央通道而形成机械闭合回路，这为所述磁芯提供了牢固性和稳定性，具体说是稳定了所述气隙的宽度。所述通道的椭圆形形状提供了紧凑的磁路布局，所述磁路布局减少了会导致磁饱和的压紧区(pinch zone)，并且还允许在所述椭圆形通道的主轴方向上的定位自由度，以便当主电缆离开传感器时主缆可弯曲偏离。所述磁场检测器固定在所述模制支承件上。
[0017]所述模制支承件可以优选地制造成单个的注射塑料部件。在一优选实施例中，所述模制支承件包括基座和从所述基座突出且接合在互补定位腔中的至少一个定位柱，所述互补定位腔形成在所述磁芯中，并构造为能将所述磁芯定位在所述磁芯安装支承件上。
[0018]所述模制支承件可以优选包括多个定位柱，并且所述磁芯包括对应的多个互补定位腔，其中至少两个定位柱和两个互补定位腔设置在所述气隙的相对侧上。所述定位柱和互补定位腔可取地以强制配合的方式接合。
[0019]所述模制支承件可以优选包括构造为能将所述磁场检测器定位并保持在所述气隙内的磁场传感器引导件。
[0020]所述接地并固定机构包括至少一个固定销，所述固定销刚性地固定在所述模制支承件上，并且构造为一端机械地固定于所述磁芯上而另一端固定于所述电路板上。所述固定销中的至少一个销还优选地形成能将所述磁芯电连接于所述信号处理电路的电气接地接触件上的导电接地构件。所述固定销优选地压接在所述磁芯上。所述固定销优选通过强制配合地插入所述支承件中的通孔中或者通过所述支承件的重叠模制的方式来安装到所述模制支承件上，并且所述固定销优选地延伸经过所述定位柱。所述固定销优选包括用于机械和/或焊接式连接于电路板的端部。通过强制配合或重叠模制使压接的固定销连接于模制支承件的组装方式提供了一种经济但紧凑却可靠的布局，其中所述销也可用作连接到所述电路板的机械及电连接件。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]本发明的其他目的以及有利特征将在权利要求书、【具体实施方式】和附图中显而易见，其中:
[0022]图1是根据本发明实施例的电流传感器模块的立体图；
[0023]图2是根据图1的移除了壳体的实施例的立体图；
[0024]图3是图1的实施例的俯视图；
[0025]图4是沿着图3的线C-C的横截面视图；
[0026]图5是沿着图3的线A-A的横截面视图；
[0027]图6是沿着图3的线B-B的横截面视图；
[0028]图7是用在根据本发明的电流传感器模块中的磁芯实施例的立体图；
[0029]图8是安装于用在根据本发明的电流传感器模块中的安装支承件实施例上的图7的磁芯的立体图；
[0030]图9是图8的磁芯和安装支承件的另一立体图；和
[0031]图10是沿着图3的线C-C的横截面放大视图。
【具体实施方式】
[0032]参照附图，电流传感器模块I的示例性实施例包括壳体10、信号处理电路8，以及磁路单元3。信号处理电路8包括电路板17。
[0033]磁路单元3包括具有由高导磁性材料制成的磁芯2和气隙20的磁路、上面安装有磁芯2的磁芯安装支承件6，以及磁场检测器4。
[0034]磁路单元3包括中央通道18，主导体14可被引导穿过该中央通道。磁芯2由高导磁性的叠层22制成。在一个变型中，磁芯2可由构造为能传导并汇聚由流经主导体的电流所产生的磁场的铁质或其他高导磁性材料制成。磁场检测器4可以是本身为本领域所公知的ASIC形式的霍尔效应传感器24。
[0035]磁芯安装支承件6包括构造为定位并保持磁芯2的模制支承件15，以及构造为能将磁芯2加固到磁芯安装支承件6上并进一步经由电路板17上的连接件将磁芯电接地的接地并固定机构12。
[0036]模制支承件15包括底座16、构造为能接合并定位磁芯的定位部26、构造为能定位磁场传感器的磁场传感器引导件28、与磁芯的中央通道18对准并吻合以允许主导体延伸通过的主导体通道29，以及具有用于将磁芯安装支承件6固定于电路板17和/或壳体10上的接合台肩的一个或多个锁定部56。模制支承件15例如通过聚合物材料的注射成型而优选地整体形成为单个部件，该部件包括基体16、定位柱26、磁场传感器引导件28和锁定部56。定位部优选地为柱体、例如如附图所示实施例所示的圆柱形柱体的形式，其突出于基座16,并构造为能容纳在磁芯2的互补式定位腔40中。
[0037]所述接地并固定机构包括至少一个导电接地件38，该导电接地件与磁芯2物理接触，并构造为能与信号处理电路8的电气接地导体电连接。
[0038]在所示实施例中，壳体10包括盖部34和基部36，它们构造为能装配并固定在一起，从而将信号处理电路和磁路容纳在其中。电路板17包括用于将信号处理电路8连接到外部电路的导电迹线、电端子32 (例如，销式端子)，以及与磁芯的中央通道18对准并吻合以允许主导体从中延伸通过的主导体通道33。
[0039]壳体10的盖部34优选包括构造为能引导主导体穿过磁芯的中央通道18且当导体离开盖部34的顶侧时允许导体偏离轴向方向弯曲的通道49。在拥挤条件下，这为电流传感器的安装提供了更大的灵活性。
[0040]如图2所最佳示出的那样，磁芯2、磁场检测器4和磁芯安装支承件6安装在信号处理电路8的电路板17上。电路板17的连接端子32用于将电路板8和磁芯2接地，并且还用于将电流传感器模块I连接到外部电路(未示出)，以用于传输测量信号及供电。
[0041]磁芯2包括优选具有大致椭圆形形状的中央通道18，以接收从中延伸穿过的主导体14。根据具体应用和相关的空间限制，中央通道18可以具有所示形状以外的其他各种形状，诸如圆形或矩形。然而，当主导体14是挠性电缆并且随着其离开传感器而需要偏离轴向方向地弯曲时，椭圆形状是有利的，其中轴向方向定义为垂直于电路板17的方向。
[0042]磁路包括构造为能至少部分地接收磁场检测器4的气隙20。磁场检测器4可例如是ASIC形式的霍尔传感器。主导体14产生汇聚在磁芯2中的电磁场。在气隙20中，磁通密度由磁场检测器4来测量。气隙20中的磁通密度与主导体14中的电流成比例，并因此可通过磁场检测器4(及其他)来确定。为提供可靠且精确的电流传感器模块I，有利的是在针对所关注的应用而指定该传感器来处理的温度和振动或机械冲击的范围上保持气隙20的稳定宽度。如果气隙20的宽度改变，则气隙20中的磁通密度也会改变，并且测量精度降低。
[0043]磁芯2可以由为本领域所公知的铁素体或高导磁性材料22的堆叠片材(例如，软铁片)制成。
[0044]参照图8和9，磁芯安装支承件6与安装在该支承件上的磁芯2和磁场检测器4 一起示出，共同形成了磁路单元3。优选地，磁场检测器4通过模制支承件15来精确并稳定地定位在磁路的气隙20中。
[0045]模制支承件15可优选地通过聚合物材料的注射成型来制造。模制支承件15包括基座16和构造为能与形成于磁芯2中的互补定位腔或定位部40相接合的定位柱或定位部26。定位柱26与互补定位腔40优选地以紧密配合或强制配合的方式相接合，并且将磁芯2保持和固定到磁芯安装支承件6的模制支承件15上。还可以通过诸如形状配合的另一种方式或通过使用粘合剂来使定位柱26与互补定位腔40接合。
[0046]模制支承件15包括至少大约与磁芯2的中央通道18相吻合的主导体通道29。在注射成型工艺中，基座16可以与定位柱26和磁场传感器引导件28 —体式形成。
[0047]模制支承件15优选地还包括构造为当磁场检测器4直接安装在模制支承件15上或者当磁场检测器4安装在电路板17上时能引导并保持磁场检测器4就位的磁场传感器引导件28。
[0048]在一个变型中，定位柱26和互补定位腔40可以具有其他的形状和接合表面。定位柱26可以是一体成形在模制支承件15的基座16上的刚性框架,该框架与磁芯2的侧表面或顶表面相接合。优选地，模制支承件15、定位柱26和互补定位腔40确保将磁芯2刚性地连接到磁芯安装支承件6上，从而即使当温度变化或者发生振动时也能使得气隙20的宽度变化最小。为了最小化气隙20的宽度变化，有利的是，当像图2和7所最佳示出的那样安装磁芯2时，在气隙20两侧分别提供定位柱26和互补定位腔40。这种方式阻止了气隙20区域中的磁芯2移动。
[0049]如图2和图4至10所示，接地并固定机构12的导电接地构件38可以是可压接到磁芯2上的固定销52。本领域技术人员知晓的关于接地金属的其他方案(诸如使用与磁芯2物理接触的金属丝或金属板)也同样落入本发明的范围内。在本发明的一个优选变型中，导电接地构件38直接安装并预先装配到模制支承件15上(例如，在注射成型工艺过程中)，或者被强制配合到形成在模制支承件15中用于接收接地构件38的孔内。
[0050]一旦如图1和图4至9所示那样地将磁芯2装配到磁芯安装支承件6上，则导电接地构件38还可以通过将固定销52压接到磁芯2上而具有紧固功能。
[0051]磁路单元3可以例如像图2所示那样地安装到电路板17上，并且通过固定销和/或接地销38，52来固定其上，其中所述固定销和/或接地销一方面固定到模制支承件15上并压接到磁芯2上方，另一方面则焊接或强制配合地连接到电路板17上。电路板17包括与模制支承件15的主导体通道29以及磁芯2的中央通道18相吻合的主导体通路33。
[0052]磁路单元3的模制支承件15还可以包括锁定台肩56，其构造为与壳体10上的互补锁定台肩相接合。
[0053]在所示实施例中，磁芯2中设置有三个互补定位腔40，并且模制支承件15中设置有对应的定位柱26，其中有两个分别定位在紧靠气隙20的两侧。在一个变型中，磁芯2和模制支承件15可以包括四个或更多的定位腔40和定位柱26。
[0054]图4是沿着图3中线C-C的电流传感器模块I的横截面视图。固定销52形式的导电接地构件38压接到磁芯2上，从而建立与磁芯2的电接触。磁芯2由高磁导片材22构成。固定销52延伸过互补定位腔40、定位柱26、基座16以及磁芯安装支承件6的模制支承件15，并且穿过电路板17(相比图10)。固定销52通过强制配合式插入来穿过电路板17的电镀通孔和/或通过焊接连接于电路板上的金属迹线来将磁芯2接地。
[0055]接地并固定机构12可优选包括三个或更多的固定销52，其中仅有一个固定销52或者多个或全部固定销52能提供电气接地连接。
[0056]图5是沿着图3的线A-A的电流传感器模块I的横截面视图，而图6是沿着图3的线B-B的电流传感器模块I的横截面视图。可以看到，磁场检测器4包括接连接于电路板17的接触端子48。固定销52可在注射成型工艺中装配并固定在模制支承件15和定位柱26上，或者可以在强制配合式压合工艺中打入到模制支承件15的预制孔内。
[0057]模制支承件15的定位柱26设置在气隙20的两侧上，并且与互补定位部40，40’接合。
[0058]图9从另一角度示出了磁路单元3，其中固定和/或接地销38，52的端部62延伸到基座16的下方以连接到电路板。电路板连接端62可用于插入到形成在电路板17的孔中。从图9可以看出，磁路单元3的模制基座15跨越气隙20的宽度，由此形成了能稳定气隙任一侧磁路部分的桥。
[0059]图10是磁芯2与磁芯安装支承件6之间的固定连接的详细视图。在装配之前，定位柱26具有比互补定位腔40稍大的直径，从而可在强制配合式连接中接合在互补定位腔40中。
[0060]定位柱26可以具有构造成能强制配合到磁芯的腔体中的圆柱形形状，或者例如多边形或星形等的非圆柱形形状。柱26也可以具有轻度圆锥形或锥形形状，其直径/尺寸朝向柱26的自由端而变得越来越小。从基座16起开始测量，在一个变型中，定位柱26的高度可以比磁芯2的厚度稍低，从而为了磁芯2和固定/接地销38，52之间的优良机械和/或电连接而确保所压接的固定/接地销38，52与腔体40的边缘相接触。然而，在本发明的范围内，定位柱26可以具有不同的闻度。
[0061 ] 在制造方法的一个实施例中，支承件6安装在电路板8中，随后将磁场检测器4安装在电路板上，并且对这种组件进行焊接(例如通过波峰焊接)以便将磁场检测器以及安装支承件6上的销38，52的电路板连接端62连接到电路板上，并将其他部件连接到电路板上，然后，将磁芯安装到安装支承件6上，并且对销38，52进行压接以牢固地将磁芯固定到支承件上。在一个变型中，磁芯2和/或磁场检测器4可预先装配到磁芯安装支承件6上，该支承件6随后将安装到电路板8上。
【权利要求】
1.一种电流传感器模块,包括:壳体(10);包括磁芯(2)和气隙(20)的磁路,其中所述磁芯具有构造为能接收主导体(14)的中央通道(18)，所述主导体携带流经所述中央通道的待测主电流；包括电路板(17)和用于与外部电路相连的电气端子(32)的信号处理电路(8);和至少部分设置在所述磁路的气隙(20)中的磁场检测器(4)，其特征在于，所述传感器还包括磁芯安装支承件(6)，所述磁芯安装支承件(6)具有模制支承件(15)和接地并固定机构(12)，所述接地并固定机构(12)构造为能将所述磁芯(2)保持并刚性地固定在所述模制支承件上以形成磁路单元(3)，所述磁路单元(3)构造为能固定地装配到所述电路板(17)上。
2.根据权利要求1所述的电流传感器模块，其中，所述磁芯(2)的中央通道(18)包括椭圆形形状，并且所述模制支承件(15)包括基本上与所述中央通道(18)吻合的主导体通路(29)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器模块，其中，所述模制支承件(15)包括基座(16)和从所述基座中突出且接合在互补定位腔(40)中的至少一个定位柱(26)，所述互补定位腔(40)形成在所述磁芯(2)中，并且构造为能将所述磁芯(2)定位在所述磁芯安装支承件(6)上。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的电流传感器模块，其中，所述模制支承件(15)包括多个定位柱(26)，并且所述磁芯(2)包括对应的多个互补定位腔(40)，其中至少两个所述定位柱(26)和两个互补定位腔(40)设置在所述气隙(20)的相对侧上。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的电流传感器模块，其中，所述定位柱(26)和互补定位腔(40)以强制配合的方式接合。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器模块，其中，所述模制支承件(15)包括构造为能将所述磁场检测器(4)定位在所述气隙(20)内的磁场传感器引导件(28)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器模块，其中，所述模制支承件(15)制造成单个的注射塑料部件。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器模块，其中，所述接地并固定机构(12)包括至少一个固定销(52)，所述固定销刚性地固定于所述模制支承件上，并且构造为一端机械地固定于所述磁芯上而另一端固定于所述电路板上。
9.根据权利要求8所述的电流传感器模块，其中，所述至少一个固定销中的至少一个还形成了能将所述磁芯电连接于所述信号处理电路的电接地接触件上的导电接地构件(38)。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的电流传感器模块，其中，存在三个或更多的固定销(52)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的电流传感器模块，其中，所述固定销(52)压接在所述磁芯上。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的电流传感器模块，其中，所述固定销(52)延伸经过根据权利要求4至6中任一项所述的定位柱。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的电流传感器模块，其中，所述固定销(52)通过强制配合地插入所述支承件的通孔中或者通过所述支承件的重叠模制的方式来安装到所述模制支承件(15)上。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的电流传感器模块，其中，所述固定销(52)包括用于机械和/或焊接式连接于所述电路板的端部。
【文档编号】G01R15/20GK104272118SQ201380022704
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年4月17日 优先权日:2012年4月30日
【发明者】皮埃尔·托宾, 菲利普·萨热, 弗里德里克·卡塔尼奥 申请人:莱姆知识产权公司