具有多个气隙的霍尔效应传感器芯体的制作方法
【专利摘要】一种霍尔效应电流传感器，包括安装支架、传感器组件和传感器芯体。传感器组件包括通量传感器。传感器芯体包括第一部分和第二部分。第一部分和第二部分在第一部分与第二部分之间限定了第一气隙和第二气隙。第一气隙适于接纳传感器组件。
【专利说明】具有多个气隙的霍尔效应传感器芯体
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]不适用。
[0003]关于联邦政府资助的研究或开发的声明
[0004]不适用。
【技术领域】
[0005]文中公开的主题总体上涉及霍尔效应传感器，并且更具体，涉及包括多于一个气隙的霍尔效应传感器芯体。
【背景技术】
[0006]霍尔效应电流传感器在电子领域中是众所周知的。霍尔效应电流传感器用于确定通过电流导体的电流。典型的霍尔效应电流传感器容许电流导体穿过芯体的中央开口部。芯体包含安装有电路板的单个气隙。在该电路板上安装有霍尔效应装置以用于测量穿过芯体中的气隙的通量密度。穿过气隙的通量密度与流经设计完善的霍尔效应电流传感器的导体的电流成线性且正比关系。
[0007]当流经定位在芯体的中央开口部中的导体的电流超过临界值时，通量密度处于峰值并且芯体变得饱和。芯体的饱和导致了霍尔效应电流传感器的非线性输出以及霍尔效应电流传感器的精度降低。可以采用多种方法来增加芯体的峰值通量密度。可以增加芯体的尺寸和芯体中的间隙。另外，降压变压器可以包括在该装置中。这些方法导致了制造起来更加昂贵并且占据更多空间的更大的装置。
[0008]因此，理想的是使霍尔效应传感器芯体提供改善的电流感测性能但又不具有与已知的霍尔效应传感器芯体相关联的缺点。
【发明内容】
[0009]霍尔效应芯体中的第二气隙的添加减小了芯体的磁动势。磁动势的减小降低了穿过第一气隙的通量和通量密度水平。减小的通量密度防止了芯体饱和并且允许在较高的电流值范围上的线性输出。与可比较的单个气隙芯体相比，具有多于一个气隙的霍尔效应芯体可以为能够感测更大电流值的装置的更小、更便宜的部件。
[0010]根据本发明的一方面，霍尔效应电流传感器包括安装支架、传感器组件和传感器芯体。传感器组件还包括通量传感器。传感器芯体还包括第一部分和第二部分。第一部分和第二部分在该第一部分与第二部分之间限定第一气隙和第二气隙。第一气隙适于接纳传感器组件。
[0011]根据本发明的另一方面，芯体包括第一构件、第二构件、第一气隙和第二气隙。第一构件包括第一脊部、第一臂部和第一腿部。第二构件包括第二脊部、第二臂部和第二腿部。第一气隙由第一臂部与第二臂部之间的第一距离限定。第二气隙由第一腿部与第二腿部之间的第二距离限定。
[0012]根据本发明的又一方面，霍尔效应电流传感器芯体包括本体。本体包括多个气隙。本体构造成使通量线穿过所述多个气隙中的每个气隙。
[0013]为实现上述及相关目的，于是，实施方式包括下文充分描述的特征。以下描述和附图详细地阐述了本发明的特定说明性方面。然而，这些方面表示了可以采用本发明的原理的各种方式中的一些方式。在结合附图考虑时，通过以下对本发明的详细描述，本发明的其他方面、优势和新颖特征将变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下文将参照附图对实施方式进行描述，其中，相同的附图标记表示相同的元件，并且:
[0015]图1为组装在导体上的具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的立体图；
[0016]图2为如图1中所示的在导体周围的具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的分解图；
[0017]图3为根据本发明的实施方式的包括多于一个气隙的霍尔效应传感器芯体的主视图；
[0018]图4为根据本发明的实施方式的包括多于一个气隙的霍尔效应传感器芯体的侧视图；
[0019]图5为用于具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的传感器基座的实施方式的立体图；
[0020]图6为用于具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的传感器基座的替代性实施方式的立体图；
[0021]图7为具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的替代性实施方式的立体图；
[0022]图8为示出了具有单个气隙的霍尔效应电流传感器的性能的曲线图；
[0023]图9为示出了具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的改善性能的曲线图；
[0024]图10为采用了三个根据本发明的实施方式的具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的智能电动机控制器的立体图；以及
[0025]图11为根据本发明的另一实施方式的具有多个气隙的霍尔效应电流传感器芯体的主视图。
【具体实施方式】
[0026]提出以下论述以使本领域的技术人员能够制造并使用本发明的实施方式。所示出的实施方式的各种改型对本领域的技术人员将是很明显的，并且文中的一般原理在不背离本发明的实施方式的情况下可以应用于其他实施方式和应用。因此，并非试图将本发明的实施方式限制于示出的实施方式，而是给予本发明的实施方式以符合文中公开的原理和特征的最宽范围。
[0027]参照附图来阅读详细的说明书。附图描绘了所选的实施方式而并非意在限制本发明的实施方式的范围。技术人员将认识到文中所提供的示例具有许多有用并且落入本发明的实施方式的范围内的替代方案。另外，应当理解的是，文中所使用的措辞和术语是出于描述的目的而不应该被视为限制性的。“包括”、“包含”或“具有”以及其变体在文中的使用意在囊括其后列出的项和其等同替代以及附加项。
[0028]除非另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支承”和“联接”以及其变体会被广泛地使用并且囊括直接及间接的安装、连接、支承和联接。此外，“连接”和“联接”不局限于物理或机械的连接或联接。如文中所使用的，除非另有明确说明，否则“连接”是指将一个元件/特征件直接地或间接地连接至另一个元件/特征件，而不一定是通过电气或机械的方式。同样地，除非另有明确说明，否则“联接”是指将一个元件/特征件直接地或间接地联接至另一个元件/特征件，而不一定是通过电气或机械的方式。
[0029]将结合霍尔效应传感器芯体对本发明的各种实施方式进行描述。这是由于本发明的特点和优势非常适用于该目标。另外，应当理解的是，本发明的各方面可以以其他形式应用并且可以应用于利用霍尔效应感测的其他电子装置中。
[0030]现在翻至附图并且首先参照图1和图2，具有多个气隙的霍尔效应电流传感器10可以安装在电导体12上。导体12可以为采用电流传感器10的较大装置的一部分。电流传感器10可以组装在导体12的变窄部14的周围。在示出的实施方式中，电流传感器10还可以包括传感器板组件20、围绕变窄部14定位的介电包覆物16、绝缘体支架18、传感器基座22以及两个可穿过的传感器芯体半部一第一部分24a和第二部分24b。两个螺钉26可以穿过绝缘体支架18并且进入传感器基座22中的螺孔28中以保持电流传感器10相对于传感器基座22的定位。
[0031]参照图3和图4，其详细示出了所述两个可穿过的传感器芯体半部24a和24b。所述两个传感器芯体半部24a和24b可以彼此相同并且可以在通过传感器基座22保持成彼此适当定向时形成传感器芯体。每个传感器芯体半部均可以分别包括脊部32a和32b。臂部34a和34b可以从脊部32a和32b的一个端部延伸并终止于远端36a和36b处。远端36a与36b之间的空间可以限定第一气隙38,通量线在远端36a与36b之间、于该第一气隙38处通过。腿部42a和42b可以从脊部32a和32b的相反端延伸并终止于远端44a和44b处。远端44a与44b之间的空间可以限定第二气隙46，通量线在远端44a与44b之间、于该第二气隙46处通过。传感器芯体半部24a和24b可以限定用于导体穿过的中央开口部48。
[0032]第一气隙38可以由远端36a与36b之间的空间的第一长度39限定。第二气隙46可以由远端44a与44b之间的空间的第二长度47限定。在一些实施方式中，第一长度39可以大于第二长度47。在其他实施方式中，第二长度47可以等于或大于第一长度39。第一气隙长度39和第二气隙长度47可以由本领域的普通技术人员进行确定以在霍尔效应电流传感器中产生不同的电流测量特性。
[0033]第一气隙38可以是用于将传感器板组件20附接至传感器芯体半部24a和24b的位置。在本实施方式中，两个槽口 52a和52b可以位于远端36a和36b中。槽口 52a和52b的目的是可以与传感器板组件20上的保持结构(未示出)相互作用。可以设想，存在本领域的普通技术人员已知的将传感器板组件20附接至本发明的传感器芯体半部24a和24b的方法。对于本领域的普通技术人员而言，传感器板组件20的一个或更多个通量传感器21和附加的电气和电子部件(未示出)是众所周知的并且能够在市场上买到。
[0034]图4示出了传感器芯体半部24a的侧视图。在一些实施方式中，每个传感器芯体半部都可以包括用于形成传感器芯结构的多个金属叠片54。金属叠片54的堆叠体可以通过穿过脊部32a和32b的端部的铆钉56保持在一起。通常，霍尔效应传感器芯体呈大体上为环形的形状并具有单个气隙以便放置传感器组件。本领域的普通技术人员可以容易地对本发明的叠片54的数目和形状进行修改以开发用于特定应用的具有所需电流范围的传感器。在一些实施方式中，传感器芯体半部24a和24b可以为实心磁性材料件或通过各种方法保持在一起的一系列件。
[0035]参照图5，示出了传感器基座22的实施方式。可以具有定位于传感器基座22中的两个保持空间58a和58b。保持空间58a和58b包括可以在传感器芯体半部24a和24b于组装期间被插入时形成摩擦配合的侧壁突出部62。侧壁突出部62的布置还可以在保持空间58a和58b的每一侧上形成槽口 64。槽口 64可以用于可以从传感器芯体半部表面的表面略微地延伸的铆钉56的通道。传感器基座22可以允许具有多个气隙的霍尔效应传感器10在导体周围组装。传感器基座22可以保持传感器芯体半部24a和24b处于使得分别保持第一气隙38的第一长度39和第二气隙46的第二长度47的定向。存在可以用来将传感器芯体相对于彼此定位的许多可能的形状和结构。本领域普通技术人员可以设计多种安装构型以使具有多个气隙的霍尔效应传感器10用于各种应用。
[0036]图6中示出了替代性实施方式。传感器芯体半部24a和24b可以通过作为可以由铆钉56保持的堆叠体的一部分的板68保持就位。该实施方式在传感器芯体半部24a和24b的每一侧上均具有板68。根据应用的要求，本领域的普通技术人员可以设计出各种板和保持结构。替代性地，气隙的数目不必局限于仅两个。可以设想具有多个气隙的传感器芯体(见图11)。板68可以允许可以具有任意数目的间隙的芯体。
[0037]任何霍尔效应装置的一个限制因素会是能够穿过中央开口部的导体的尺寸。另一限制因素为对于给定尺寸的芯体，传感器能够测量的最大电流。图7展示了利用具有多个气隙的霍尔效应传感器的替代性实施方式。霍尔效应传感器70包括第一气隙71和第二气隙73。导体72穿过传感器70的中央开口部75。导体72在端子77处连接至大型芯体76。大型芯体76中的大开口部78允许导体(未示出)穿过从而使传感器70能够测量电流。该实施方式允许导体有可能明显大于霍尔效应电流传感器70中的中央开口部。电流传感器70可以在任何位置安装在装置(未示出)中并仍用于测量大型导体的电流。对该类型的应用而言具有多个气隙的霍尔效应电流传感器可以是有利的，因为传感器芯体的尺寸可以最小化而仍保持大的待感测的电流范围。本领域的普通技术人员可以以许多不同的有用构型来构想大型芯体76和导体72的尺寸和形状。与同等尺寸的单个气隙传感器相比，具有多个气隙的电流传感器70可以用来测量更大的电流。
[0038]利用具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的一个示例性装置可以为智能电动机控制器(见图10)。图8示出了所测量的来自智能电动机控制器中的具有仅单个气隙的霍尔效应电流传感器的输出的曲线图。曲线图上的线82表示以毫伏计的电流传感器的输出与以安培计的通过导体的实际电流之间的理想关系。线84表示在较大的通过智能电动机控制器中的导体的电流的范围上从具有单个气隙的霍尔效应电流传感器收集的数据。线84在大约1900安培处开始远离线82弯曲。这证实了，对于感测通过导体的电流而言，具有单个气隙的传感器会具有有限的范围。
[0039]相比之下，图9示出了来自包含具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的智能电动机控制器的曲线图。图8和图9中所使用的智能电动机控制器的模型均相同。所使用的传感器之间仅有的差异是芯体。线86为所测量的来自智能电动机控制器中的具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的输出。曲线图示出线86在输出至2300安培的范围上是线性的。所述多个气隙的优势在于可以精确地感测的电流的范围增大。可以不必添加如降压变压器的昂贵部件或者增加芯体的尺寸来实现相同的改善性能。通过对图8和图9进行比较，显示出了智能电动机控制器中的具有多个气隙的霍尔效应电流传感器的优势。
[0040]现在翻至图10，在该实施方式中，可以利用安装在导体94a、94b和94c上的三个霍尔效应电流传感器92a、92b和92c对智能电动机控制器90进行描述。可以设想，本领域的普通技术人员可以构想出任何数目的组合和应用。
[0041]图11示出了具有多个气隙的霍尔效应电流传感器芯体的另一替代性实施方式。芯体组件100可以包括第一气隙105以及两个第二气隙110和115。第一气隙105可以由芯体部段126的远端122与芯体部段128的远端124之间的第一长度120限定。第二气隙110和115可以由第一长度130和第二长度132限定。第一长度130可以由芯体部段128的远端134与芯体部段138的远端136之间的距离限定。第二长度132可以由芯体部段126的远端140与芯体部段138的远端142之间的距离限定。第一气隙长度120可以大于第二气隙长度130和132的长度。替代性地，第一长度120可以等于或小于气隙长度130和132。气隙的长度可以全部相等或者全部不等。本领域的普通技术人员可以构想许多不同的组合从而确定用于芯体尺寸的不同电流范围。
[0042]本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，以及还使用示例来使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。可取得专利的本发明的范围由权利要求限定并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的文字语言相同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的文字语言无实质性差别的等同结构元件，则这些其他示例被视为落入权利要求的范围。
[0043]最后，可以明确地预期到文中所述的任何过程或步骤可以进行组合、去除或重新排列。因此，意在仅以举例的方式进行该描述，而非意在以其他方式限制本发明的范围。
【权利要求】
1.一种霍尔效应电流传感器，包括: 安装支架； 传感器组件，所述传感器组件包括通量传感器；以及 传感器芯体，所述传感器芯体包括第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分在所述第一部分与所述第二部分之间限定了第一气隙和第二气隙，其中，所述第一气隙适于接纳所述传感器组件。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述安装支架为非磁性材料并且所述第二气隙由所述安装支架至少部分地填充。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第二气隙能够为大致空的。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一气隙的长度大于所述第二气隙的长度。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一气隙的长度等于或小于所述第二气隙的长度。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第二气隙基本上无磁性材料。
7.—种芯体,包括: 第一构件和第二构件，其中，所述第一构件包括第一脊部、第一臂部和第一腿部，并且其中，所述第二构件包括第二脊部，第二臂部和第二腿部； 第一气隙，其中，所述第一气隙由所述第一臂部与所述第二臂部之间的第一距离限定；以及 第二气隙，其中，所述第二气隙由所述第一腿部与所述第二腿部之间的第二距离限定。
8.根据权利要求7所述的芯体，其中，所述第一距离大于所述第二距离。
9.根据权利要求7所述的芯体，其中，所述第一距离小于或等于所述第二距离。
10.根据权利要求7所述的芯体，其中，通量线穿过所述第一气隙和所述第二气隙两者。
11.根据权利要求7所述的芯体，还包括传感器组件，所述传感器组件包括通量传感器，所述传感器组件定位在所述第一气隙内。
12.—种霍尔效应电流传感器芯体，包括: 本体，所述本体包括多个气隙，使得所述本体构造成使通量线穿过所述多个气隙中的每个气隙。
13.根据权利要求12所述的芯体，其中，所述多个气隙具有相同的长度。
14.根据权利要求12所述的芯体，其中，所述多个气隙包括第一气隙和多个第二气隙。
15.根据权利要求14所述的芯体，其中，所述第一气隙的长度大于所述多个第二气隙的长度。
16.根据权利要求14所述的芯体，其中，所述第一气隙的长度小于或等于所述多个第二气隙的长度。
17.根据权利要求14所述的芯体，其中，所述多个第二气隙具有不同的长度。
【文档编号】G01R19/00GK104515893SQ201410525791
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2013年10月2日
【发明者】罗伯特·G·鲁什默, 杰弗里·安妮斯, 理查德·D·马拉施, 格雷格·沃博尔斯基 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司