专利名称：具有磁芯的电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有环形磁芯的电流传感器，所述磁芯包围具有将要被测量的电流的主导体，并且所述磁芯具有包含传感器元件的空气隙，所述传感器元件用于测量所述磁芯的电磁感应。
背景技术：
本发明尤其涉及能够测量交流(AC)和直流(DC)电流的开环和闭环两种类型的电流传感器。这些传感器的特征在于具有软磁环形磁芯，其包围具有将要被测量的电流的主 导体。所述磁芯通常由带绕的金属磁带、堆叠的磁钢片或大块铁氧体构成。所述磁芯还具有沿所述磁芯的周向排布的空气隙。图I以简图方式示出了这种根据已知现有技术的配置。环形是指除所述空气隙(假设很小)之外，所述磁芯具有周向上几乎封闭的外形。该意义上的环形可以为例如圆形、卵形或矩形。这里将所述空气隙的方向定义为所述空气隙中磁场的主方向。所述空气隙的横截面积与所述磁芯的横截面积相同。所述空气隙包含用于测量所述磁芯的电磁感应的传感器元件，所述传感器元件可以为霍尔传感器(Hall-sensor)、基于集成电路的霍尔传感器、磁阻传感器或磁选通(fluxgate)传感器。现有技术中已知的电流传感器应用运用了平面形状的空气隙以及平面形状的传感器元件。根据补偿原理操作的电流传感器通常也被称为闭环电流传感器。如果所述电流传感器为闭环类型，则所述磁芯设置有承载补偿电流的次级绕组。补偿电流的目的是为了抵消主电流所产生的磁通密度，以确保AC和DC的几乎零磁通操作。为此，位于所述空气隙中的磁通传感器元件将检测该电路中所感应出的任意磁通量，并且将产生与之成比例的信号。该信号由被称为升压电路的将通过次级绕组产生电流的某一电子功率级放大。因此，次级电流与主电流相对，建立了负反馈，并且将补偿其对磁路的影响。开环尤其是闭环电流传感器可以相当精确，但是，在具有其他导体和电流的多相系统中，磁串扰可能对所述传感器的精确性产生影响。这主要是由于所述空气隙的影响，其由于所述磁芯的电磁感应而产生杂散磁场，同时使得所述电流传感器易受外部磁场的损坏。可以通过减小所述空气隙的磁阻来减小磁串扰灵敏度，所述磁阻与所述空气隙的方向上的长度和所述空气隙的横截面积之比成比例。据目前已知的电流传感器的设计技术水平，磁阻的减小限于磁芯仅具有很小的磁芯横截面积的情况，这是因为所述空气隙的长度不能被减小为低于所述磁通传感器元件的最小厚度，并且所述传感器要求特定的最小横向尺寸，这意味着所述磁通传感器元件可能没有被所述磁芯充分屏蔽，甚至将从所述空气隙突出而暴露于外部杂散场的干扰。
发明内容
因此，本发明要解决的问题是提供一种在开环和闭环配置中磁串扰灵敏度均减小的电流传感器，尽管磁芯的横截面积仍受到潜在限制。根据本发明，该问题由具有权利要求I的特征的电流传感器解决。因此，根据本发明，所述空气隙的横截面积大于所述磁芯的横截面积。所述空气隙的横截面积是指垂直于所述空气隙的方向的横截面的面积，其中所述空气隙的方向被定义为所述空气隙中磁场的主方向。所述磁芯的横截面积是指所述磁芯的垂直于所述磁芯的周向的横截面的面积。根据本发明的电流传感器设计的有益效果在于，不需要过大地增大所述磁芯的横 截面积，而所述空气隙的磁阻被尽可能地减小。因此，根据本发明的电流传感器设计具有减小的空气隙磁阻，其中不需要考虑由于磁传感器元件的厚度以及磁芯的大小和形状所引起的任意限制。根据本发明的优选实施例，所述空气隙的方向朝向所述环形磁芯的轴向。该轴向为垂直于所述环形磁芯所在平面的方向。根据另一优选实施例，所述磁芯具有至少一个重叠区，其中当所述磁芯被装配成其环形形式时，第一和第二端片重叠形成重叠区，所述重叠区形成所述空气隙，所述空气隙被配置为包含所述传感器元件。所述重叠区的横截面可以被制成为大于所述磁芯的横截面，其中形成在所述重叠区中的所述空气隙的横截面也将大于所述磁芯的横截面。根据另一优选实施例，所述磁芯由第一和第二部分构成，装配时，所述第一和第二部分形成所述环形磁芯，并且所述第一和第二部分在第一和第二重叠区以第一和第二重叠面积重叠，其中所述第一重叠区形成被配置为包含所述传感器元件的所述空气隙，并且所述第二重叠区在所述第一和第二部分之间提供直接接触。所述磁芯可以为圆形、卵形或矩形。在优选实施例中，所述磁芯由至少两部分堆叠的由一片或几片磁性材料制成的磁芯构成，堆叠的磁芯形成包围所述主导体的环，并且其在所述磁芯的两个平面区内重叠。根据另一优选实施例，所述第一和第二重叠区形成第一和第二空气隙，所述第一空气隙被配置为空气隙来包含所述传感器元件，所述第二空气隙填充有软磁间隔装置，用于磁短路所述第二空气隙。因此，所述重叠之一形成一个窄空气隙，其包含所述传感器元件。另一个重叠使两个表面之间进行良好的磁接触，而不有意形成空气隙。根据另一优选实施例，所述间隔装置由非磁性间隔材料或第二磁通传感器制成。根据另一优选实施例，所述第二重叠区中的重叠面积大于所述第一重叠区中的重叠面积。因此，通过使用不对称的部分，可以使第二重叠区中的重叠大于所述空气隙处的重叠，以改善磁通转换。根据本发明的传感器配置的优点在于，所述空气隙的横截面大于所述磁芯的横截面，并且足够大来对所述传感器元件进行良好的覆盖和屏蔽。为了在制造期间同时在所述第一和第二磁芯部分之间形成有空气隙的和无空气隙的平面重叠，所述磁芯部分中的至少一个可以设置有金属片的平面外弯曲，所述金属片形成堆叠磁芯。该弯曲可以仅限于所述磁芯的很小的区域，或者可以均匀地分布在其外围的整个长度，以例如使得机械扭曲的面积或水平最小，或者将所述磁芯的主要部分保持在相同平面内。但是，任意中间情况的弯曲分布也是可行的。构成堆叠磁芯的金属片可以在单次冲压弯曲处理中从大的成卷的片突出。优选地，其在机械处理之后经历退火处理，以恢复最佳的软磁性能。然后，可以通过机械夹紧、铆接、树脂填充、模制、捆缚、或罩在塑料外壳中来固定装配的磁芯。所述传感器元件可以装在所述空气隙中，其连接针脚指向径向、周向或轴向，以满足应用的具体要求。这些具体要求例如可以来自次级绕组的形成过程或者来自所述磁芯在外壳中或在印刷电路板(PCB)上的安装。在另一个实施例中，可以从堆叠的、带绕或大块例如铁氧体材料突出的两个或更多个磁芯部分为平面状，即不弯曲。它们彼此叠在一起安装，并具有两个重叠区，一个重叠 区形成一个空气隙，而另一个重叠区直接接触。这通过使一个磁芯部分关于另一个磁芯部分倾斜而实现，从而产生两个端面不完全平行的空气隙和接触。为了使倾斜度保持较小，该方法优选地使用伸长的磁芯，其中所述重叠区在所述磁芯的短边侧。在另一个实施例中，所述平面状的磁芯部分以平行方向彼此叠在一起安装，以使得在重叠区中形成相等的空气隙。所述第二空气隙可以填充有第二传感器、非磁性间隔物或软磁材料，其将对所述空气隙进行磁短路。在两种配置中，所述重叠的横截面均大于所述磁芯的横截面。在另一个优选实施例中，所述环形磁芯具有无空气隙的第一部分磁芯和有空气隙的第二部分磁芯，所述空气隙朝向所述磁芯的轴向，并且包含用于测量所述磁芯的电磁感应的传感器元件，其中所述空气隙的横截面积大于所述第二部分磁芯的横截面积，第一和第二部分磁芯彼此叠在一起放置，并且形成可以设置有公共次级绕组的组合磁芯。在另一个优选实施例中，所述第一部分磁芯还具有比所述第二部分磁芯大的高度，并且可以由高饱和度磁性材料制成。如果承载磁通传感器的第一部分磁芯具有较低的磁芯高度和较高品质(例如，高U、低He)的磁芯材料，则后面的实施例将尤其有利。上述磁芯设计类型适合于将它们放置在具有相同外形的同轴无空气隙磁芯的顶部上，但是具有由高饱和度磁性材料制成的较大高度。然后，两部分磁芯将形成组合磁芯，其可以设置有公共次级绕组。通过该方式，可以建立闭环电流传感器，同时具有大动态范围、低串扰和低DC偏移的特征。在另一个优选实施例中，所述空气隙的方向朝向所述环形磁芯的径向。所述径向被定义为基本垂直于上文定义的轴向。同时，在该实施例中，所述磁芯可以具有大体上的圆形、卵形或矩形，或者可以由堆叠的磁芯片或几层薄带绕磁带制成，所述堆叠的磁芯片或几层薄带绕磁带形成包围主导体的环。所述磁芯可以在磁芯的平面区内重叠，其在磁芯的平面区内形成完全包围所述磁通传感器元件的空气隙。所述磁芯可以具有弯曲的部分或者局部弯曲来产生所需的重叠。其可以通过树脂填充、点焊、模制、塑料包装等来固定。所述重叠的横截面大于所述磁芯的横截面。在另一个优选实施例中，所述环形磁芯具有无空气隙的第一部分磁芯和有空气隙的第二部分磁芯，所述空气隙朝向所述磁芯的径向，并且所述空气隙包含用于测量所述磁芯的电磁感应的传感器元件，其中所述空气隙的横截面积大于所述第二部分磁芯的横截面积，两个环形磁芯中的一个位于另一个的内部，所述第一和第二部分磁芯形成可以设置有公共次级绕组的组合磁芯。在另一个优选实施例中，所述第一部分磁芯比所述第二部分磁芯具有较大的径向厚度，并且可以由高饱和度磁性材料制成。如果承载所述磁通传感器的第一部分磁芯具有较小的径向磁芯厚度、与第二部分磁芯相同的磁芯高度、以及高品质(例如，高U、低He)的磁芯材料，则后面的实施例将尤其有利。通过该方式，可以建立闭环电流传感器，同时具有大动态范围、低串扰和低DC偏移的特征。在另一个优选实施例中，所述空气隙的方向与所述环形磁芯的径向或轴向形成一个角度。该角度可以为约45°，但是10°与80°之间的任意角度也都是可行的。所述磁芯可以基于带绕、堆叠或大块材料，其可以通过上述方法之一固定。总之，上述解决方案的一些优点在于
-可以以小的磁芯横截面实现大的空气隙横截面；-更好地保护了所述传感器元件，使其免受外部磁场干扰；-针对较小的磁芯横截面，也可以实现完全的传感器覆盖；-如果仅需要较小的磁芯横截面，则节约了空间和材料；-所述空气隙可以沿干扰场较小的方向定向。本发明描述了所述磁芯和所述空气隙的可能配置，其目的是在所述磁芯的横截面所给定的一般限制之外，通过更便利的空气隙定向以及通过减小所述空气隙的磁阻来减小串扰灵敏度。
以下根据上述说明以及附图来描述几种配置，附图中图I示出了根据现有技术的空气隙中具有传感器的磁芯设计；图2示出了根据本发明的第一实施例的空气隙中具有传感器的磁芯设计；图3示出了根据图2所示的实施例的变型的空气隙中具有传感器的磁芯设计；图4示出了根据本发明的第二实施例的空气隙中具有传感器的磁芯设计；图5示出了根据图4所示的实施例的替换磁芯设计；图6示出了根据本发明的第三实施例的空气隙中具有传感器的磁芯设计。
具体实施例方式图I至图6中以相同的参考标号表不具有相同功能和操作模式的兀件。图I简要地示出了闭环电流传感器的现有技术中已知的磁芯设计I。该电流传感器基于包括高渗透性材料的磁芯I的磁路。磁芯I包围这里由具有十字形的圆圈2表示的主导体，主导体2承载将要被测量的电流。所述磁芯具有圆角的基本为矩形的形式。除了较小的空气隙3之外，所述磁芯具有封闭的圆形外形，因此其可以被描述为环形磁芯I。所述磁芯的环形定义了环形磁芯I所在的平面4。圆圈2中的十字形表示垂直于环形磁芯I的平面4的方向。垂直于平面4的方向被称为所述环形磁芯的轴向。附图中，主导体具有垂直于平面4的方向。当然，其方向也可以倾斜于平面4，与平面4成不同于90°的角度。
箭头5表不垂直于磁芯I的轴向2的方向，其由所述磁芯的中心和空气隙3的位置限定。其也被称为径向5。箭头6表示通过垂直于所述轴向和径向而限定的方向。其被称为周向6。如上文所述，磁芯I具有空气隙3。所述空气隙的横截面积垂直于磁芯I的周向6而定向。因此，空气隙3的横截面积与磁芯I的横截面积一样大，并且不能被制成为更大。在空气隙3内，磁场的主方向朝向垂直于空气隙3的横截面积的方向,例如沿磁芯I的周向6。空气隙3包含用于测量所述磁芯的电磁感应的传感器元件7。所述传感器元件可以为霍尔传感器、基于集成电路的霍尔传感器、磁阻传感器或磁选通传感器。可以看出，该电流传感器运用了平面形状的空气隙3和平面形状的传感器元件7。在图I的左侧的图Ia所示的实施例中，传感器元件7的连接针脚8指向径向5。在图I的右侧的图Ib所示的实施例中，传感器元件7的连接针脚8指向轴向2。当图I所示的磁芯排布用在闭环电流传感器中时，磁芯I设置有承载补偿电流的次级绕组(附图中未示出)。补偿电流的目的是为了抵消主电流所产生的磁通密度，从而确保AC和DC的几乎零磁通操作。为此，位于空气隙3中的磁通传感器元件7将检测该电路中所引起的任意磁通量，并且将产生与之成比例的信号。该信号由被称为升压电路的将通过次级绕组产生电流的某一电子功率级(附图中未示出)放大。因此，次级电流与主电流相对，建立了负反馈，并且将补偿其对磁路的影响。图2示出了根据本发明的第一实施例的空气隙3’中具有传感器7’的磁芯设计。磁芯I’由第一部分Ia和第二部分Ib构成，装配时，所述第一部分Ia和第二部分Ib形成环形磁芯I ’。所述第一部分Ia和第二部分Ib在第一重叠区9和第二重叠区10中重叠第一和第二重叠面积。第一重叠区9形成空气隙3’，其配置来包含传感器元件7’。在左侧的图2a中，传感器元件7’的连接针脚8’的方向沿磁芯I’的周向6。可替换地，它们也可以沿如图Ib中的径向或者周向与径向之间的任意方向。第二重叠区10在第一部分Ia与第二部分Ib之间提供直接接触。环形磁芯I’可以为圆形、卵形或矩形形状。在左侧的图2a中，示出了沿环形磁芯I’的轴向的视图，其中所述磁芯具有圆角的基本上为矩形的形状。右侧的图2b示出了沿所述空气隙的径向的视图，从两个重叠部分Ia和Ib示出了磁芯I’的装配。该情况下，所述磁芯具有椭圆形状，并且所述传感器元件的针脚沿所述径向方向。可以看出，形成在第一重叠区9中的空气隙3’的方向朝向磁芯I’的轴向2。这使得第一重叠区9的面积大于所述磁芯的横截面(由图2b中的线11表不)，从而形成在第一重叠区9中的空气隙3’的横截面大于磁芯I’的横截面11。第一磁芯部分Ia和第二磁芯部分Ib中的每一个都为由一片或几片磁性材料制成的堆叠的磁芯部分，其在装配为磁芯I’时形成包围主导体2的环形结构，并且在磁芯的两个平面重叠区9、10中重叠。
通过使用不对称的部分，可以使第二重叠区10中的重叠面积大于第一重叠区9中的重叠面积，从而改进了第二重叠区10中的磁通转换。根据本发明的传感器配置的优点在于，所述空气隙的横截面大于所述磁芯的横截面，并且足够大来对所述传感器元件进行良好的覆盖和屏蔽。
图3a示出了另一个实施例，其中可以从堆叠的、带绕或大块例如铁氧体材料突出的两个磁芯部分la’和lb’均为平面的不弯曲的。它们彼此叠在一起安装，并具有两个重叠区9’和10’。第一重叠区9’形成包含磁通传感器元件7”的空气隙3’，而第二重叠区10’使得第一部分la’和第二部分lb’直接接触。这通过使磁芯部分la’和lb’中的一个相对于另一个倾斜而实现，从而产生两个端面彼此不完全平行的空气隙和接触。为了使倾斜度保持较小，该方法优选地使用伸长的、重叠区在所述磁芯的短边侧的磁芯。图3b示出了另一个实施例，其中平面磁芯部分la”和lb”彼此叠在一起安装，并具有平行定向，从而在重叠区9”和10”中形成相等的空气隙3”’和3a”’。第二重叠区10”中的空气隙3a”’可以填充有第二传感器7a”(如图3b中所示)、非磁性间隔物、或软磁材料，其将对所述空气隙进行磁短路。在两种配置中，均可以使重叠9’、10’、9”、10”的横截面大于所述磁芯的横截面11’。图4示出了本发明的另一个实施例。其示出了一种磁芯配置，其中空气隙3b和所 述传感器元件7b的敏感轴(sensitive axis)朝向磁芯Ic的径向5。可以具有大体上的圆形、卵形或矩形(图4中示出的是大体上的矩形)的环形磁芯Ic由堆叠的磁芯片或者几层薄带绕磁带制成，所述堆叠的磁芯片或几层薄带绕磁带形成包围主导体2的环形结构。磁芯Ic的两个端部13和14在平面区9b中重叠，形成完全包围传感器元件7b的空气隙3b。磁芯Ic具有通过局部弯曲而形成的弯曲部分12，以产生所需的重叠％。磁芯Ic的形成重叠区9b的两个端片13和14可以通过树脂填充、点焊、模制、塑料包装等固定。可以使重叠9b的横截面大于所述磁芯的横截面lib。图5a、图5b和图5c示出了所述配置的替换实施例，其中空气隙3b’、3b”、3b”’和传感器元件7b’、7b”、7b”’的敏感轴朝向磁芯lb，、lb”、lb”，的径向5。在图5a和图5b的配置中，在重叠区9b’、9b”附近没有弯曲部分和局部弯曲。图5a示出了磁芯具有基本上为矩形的形状的实施例，所述磁芯的重叠端片相对于位于对面的纵向分支15倾斜。在图5b的配置中，所述磁芯具有基本上为矩形的形状，所述磁芯的重叠端片平行于分支15。在图5c的配置中，所述磁芯具有基本上为圆形的形状。图6示出了如下配置的实施例，其中所述空气隙以某一角度围绕轴向轴或径向轴旋转。在图6a中，空气隙3c和传感器元件7c的敏感轴16以角度a围绕磁芯Id的轴向5旋转。在图6b中，空气隙3c’和传感器元件7c’的敏感轴16’以角度P围绕径向旋转。这些旋转的任意组合都是可行的。这里，磁芯ld、ld’均具有基本上为矩形的形状，其他形式也是可行的。图6a示出了沿磁芯Id的轴向的视图，而图6b示出了沿磁芯Id’的空气隙的径向的视图。角度a和0可以为约45°，但是10°与80°之间的任意其他角度也是可行的。同样，来自给定范围的a和P的任意组合加上90° (通常空隙定向)也是可行的。磁芯Id可以基于带绕的、堆叠的或大块的材料，其可以通过上述方法之一固定。空气隙3c、3c’的区域中的重叠面积由对磁芯ld、ld’的倾斜切割产生。由于空气隙的倾斜，其横截面积大于所述磁芯的横截面积。附图标号说明
权利要求
1.一种电流传感器，具有环形磁芯(I)，所述磁芯(I)包围主导体(2)，所述主导体(2)具有将要被测量的电流，所述磁芯(I)具有空气隙(3)，所述空气隙(3)包含用于测量所述磁芯(I)的电磁感应的传感器兀件(7),其中所述空气隙(3)的横截面积大于所述磁芯(I)的横截面积。
2.根据权利要求I的电流传感器，其中所述空气隙(3)的方向朝向所述环形磁芯(I)的轴向。
3.根据权利要求2的电流传感器，其中所述磁芯(I)具有至少一个重叠区(9)，其中当所述磁芯(I)被装配成其环形形式时，第一和第二端片(13，14)重叠形成重叠面积，所述重叠区(9)形成所述空气隙(3)，所述空气隙(3)被配置为包含所述传感器元件(7)。
4.根据权利要求3的电流传感器，其中所述磁芯(I)由第一和第二部分(la，lb)构成，装配时，所述第一和第二部分(la，lb)形成所述环形磁芯(I)，并且所述第一和第二部分(la, Ib)在第一和第二重叠区(9，10)重叠第一和第二重叠面积，其中所述第一重叠区(9)形成被配置为包含所述传感器元件(7)的所述空气隙(3)，并且所述第二重叠区(10)在所述第一和第二部分(la，lb)之间提供直接接触。
5.根据权利要求4的电流传感器，其中所述第二重叠区(10)中的重叠面积大于所述第一重叠区(9)中的重叠面积。
6.根据权利要求4的电流传感器，其中所述第一和第二重叠区(9，10)形成第一和第二空气隙，所述第一空气隙被配置为包含所述传感器元件(7)的空气隙(3)，所述第二空气隙填充有软磁间隔装置，用于磁短路所述第二空气隙。
7.根据权利要求I的电流传感器，其中所述环形磁芯(I)具有无空气隙的第一部分磁芯和有空气隙(3)的第二部分磁芯，所述空气隙(3)包含用于测量所述磁芯(I)的电磁感应的传感器元件(7)，其中所述空气隙(3)的横截面积大于所述第二部分磁芯的横截面积，第一和第二部分磁芯形成能够设置有公共次级绕组的组合磁芯(I)。
8.根据权利要求7的电流传感器，其中所述第一部分磁芯具有比所述第二部分磁芯大的磁芯横截面，并且由高饱和度磁性材料制成。
9.根据权利要求I的电流传感器，其中所述空气隙(3)的方向朝向所述环形磁芯(I)的径向。
10.根据权利要求I的电流传感器，其中所述空气隙(3)的方向与所述环形磁芯(I)的轴向形成一个角度，该角度不等于90°。
11.根据权利要求I的电流传感器，其中所述空气隙(3)的方向与所述环形磁芯(I)的径向形成一个角度，该角度不等于90°。
12.根据权利要求10的电流传感器，其中所述角度处于10°与80°之间。
13.根据权利要求11的电流传感器，其中所述角度处于10°与80°之间。
14.根据权利要求I的电流传感器，其中所述磁芯(I)由堆叠的磁芯片形成。
15.根据权利要求6所述的电流传感器，其中所述间隔装置由非磁性间隔材料或第二磁通传感器制成。
全文摘要
本发明涉及一种具有磁芯的电流传感器，其具有环形磁芯，所述磁芯包围主导体(2)，所述主导体(2)具有将要被测量的电流，所述磁芯具有一个空气隙，所述空气隙包含用于测量所述磁芯的电磁感应的传感器元件，其中所述空气隙的横截面积大于所述磁芯的横截面积。
文档编号G01R19/00GK102749491SQ201210120799
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月23日 优先权日2011年4月21日
发明者罗尔夫·迪赛恩柯特尔, 阿德里安·霍佐伊 申请人:Abb股份有限公司