霍尔电流传感器及其磁环、实现霍尔电流传感器用于测量大电流的方法
【专利摘要】本发明涉及电流检测器件，尤其涉及霍尔电流传感器件。本发明提出一种磁环，该磁环是由一导磁材料制成的环状芯体，该磁环具有一个间距为Lg的径向的空隙开口，该空隙开口处被切除一部分，而使磁环空隙开口处切除剩余面的高度d小于磁环的磁环外径R和磁环内径r差值。本发明还提出一种具有上述磁环的霍尔电流传感器。以及本发明还提出一种实现霍尔电流传感器用于测量大电流的方法。本发明改进的霍尔电流传感器及其磁环，从而可以获得更大的有效测量范围，用于电流检测领域。
【专利说明】霍尔电流传感器及其磁环、实现霍尔电流传感器用于测量 大电流的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电流检测器件，尤其涉及霍尔电流传感器件。
【背景技术】
[0002] 霍尔电流传感器是在电力系统中广泛采用的电流测量方式。霍尔电流传感器基于 磁平衡式霍尔原理，即闭环原理。参阅图1所示，当原边电流IP产生的磁通通过高品质磁 芯集中在磁路中，霍尔元件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向 的补偿电流，用于抵消原边IP产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零；并经过特定电 路的处理，传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的电流变化。
[0003] 参阅图2所示的是现有的霍尔电流传感器的剖视结构，主要包括：一环状的封闭 的壳体1，该壳体1的内部的环上设有带一径向的空隙开口的环状铁芯(或称磁环）2,封装 设置在该壳体1内且位于该环状铁芯2的空隙开口处，以及封装设置在该壳体1内的电路 板（图中未画出）和固设在该壳体1外与电路板电连接的接线柱4 (一般是4根)。
[0004] 然而现有霍尔电流传感器的磁环因设计上存在一些有待改进之处，导致现有的霍 尔电流传感器的可有效测量（电流测量）范围不足。
【发明内容】
[0005] 因此，本发明针对此提出一种改进的霍尔电流传感器及其磁环，从而可以获得更 大的有效测量范围。
[0006] 本发明采用如下技术方案实现： 一种磁环，该磁环是由一导磁材料制成的环状芯体，该磁环具有一个间距为Lg的径向 的空隙开口，该空隙开口处被切除一部分，而使磁环空隙开口处切除剩余面的高度d小于 磁环的磁环外径R和磁环内径r差值。
[0007] 其中，该磁环的空隙开口处间距Lg和磁环空隙开口处切除剩余面的高度d的调整 值是使其在大电流磁场下该磁环的空隙开口处两侧区域A2的磁场强度和磁环空隙开口处 对面内侧区域A1的磁场强度大致相同。
[0008] -种霍尔电流传感器，主要包括：一环状的封闭的壳体，该壳体的内部的环上设有 带一径向的空隙开口的磁环，封装设置在该壳体内且位于该磁环的空隙开口处，以及封装 设置在该壳体内的电路板和固设在该壳体外与电路板电连接的接线柱，该磁环是上述的磁 环。
[0009] -种实现霍尔电流传感器用于测量大电流的方法，包括如下步骤： A，提供一个霍尔电流传感器； B，将该霍尔电流传感器的磁环进行切口后使其具有一个间距为Lg的径向的空隙开 口，该空隙开口处在进行线切割后被切除一部分，而使磁环空隙开口处切除剩余面的高度d 小于磁环的磁环外径R和磁环内径r差值； C，调整该磁环的磁环空隙开口处间距Lg和/或磁环空隙开口处切除剩余面的高度d， 从而使其空隙开口处两侧区域A2的磁场强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强 度大致相同。
[0010] 本发明改进的霍尔电流传感器及其磁环，从而可以获得更大的有效测量范围，用 于电流检测领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是霍尔电流传感器的电流检测原理示意图； 图2是霍尔电流传感器的结构示意图； 图3是现有磁环在电流1500安培下的空间磁场分布示意图； 图4是现有磁环在电流1500安培下的位于该磁环的空隙开口处的磁场强度的曲线 图； 图5是改进后磁环在电流1800安培下的空间磁场分布示意图； 图6是改进后磁环在电流1800安培下的位于该磁环的空隙开口处的磁场强度的曲线 图； 图7是一种改进磁环形状结构的磁环其各参数标注示意图； 图8是实施例1的磁环在大电流磁场下所测得的磁场强度分布图； 图9是实施例2的磁环在大电流磁场下所测得的磁场强度分布图； 图10是实施例3的磁环在大电流磁场下所测得的磁场强度分布图； 图11是实施例4的磁环在大电流磁场下所测得的磁场强度分布图； 图12是实施例5的磁环在大电流磁场下所测得的磁场强度分布图； 图13是实施例6的磁环在大电流磁场下所测得的磁场强度分布图。
【具体实施方式】
[0012] 现结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0013] 本案发明人经过大量锐意研究和测试发现：当对霍尔电流传感器中的磁环的空隙 开口处的形状进行改变后，会导致该磁环的导磁分布发生变化，在特定的形状改变后，会获 得相比现在未做任何形状改变的磁环的更不易磁场饱和的效果，从而使得应用该改进磁环 的霍尔电流传感器可以用于测量更大的电流值。
[0014] 参阅图3和图4,分别是现有霍尔电流传感器中未做任何形状改变的磁环在电流 1500安培（A)下的空间磁场分布情况和位于该磁环的空隙开口处的磁场强度的曲线图。该 磁环是选用霍尔电流传感器中最常用的1J85型号的坡莫合金材料的常规大小的磁环进行 测试，在图3中可见，该磁环结构在电流1500A下其磁场分布已显示基本进入饱和状态；在 图4中该磁环的空隙开口处从开口左至右分别是0-5_的距离的横轴坐标，可见该磁环结 构在电流1500A下其空隙开口处的磁场已趋于强度完全饱和，磁场强度并不会随着空隙开 口位置的不同而有所变化。从而从图3和图4的测试结果表明，显然选用测试的该霍尔电 流传感器在1500安培（A)下已经无法准确测量电流值了。
[0015] 参阅图5和图6,分别是选用与上述图3和图4相同的霍尔电流传感器的磁环(与 上述测试磁环的材质和尺寸参数相同）对其磁环的空隙开口处的形状进行切割改变后，在 电流1800安培（A)下的空间磁场分布情况和位于该磁环的空隙开口处的磁场强度的曲线 图。有图5和图6可见，对磁环的空隙开口处的形状进行切割改变后的磁环在电流1800 A 下磁场分布显示接近进入饱和状态，但尚未完全饱和(优于常规磁环在1500A下的磁场分 布情况)，该磁环结构在电流1800A下其空隙开口处的磁场依然尚未完全饱和，磁场强度还 会随着空隙开口位置的不同而有轻微变化。由此可见，在相同磁环材质和尺寸的情况下，对 磁环的空隙开口处的形状进行切割改变后的改进磁环结构相比于常规的磁环结构而言，更 不易发生磁场饱和，从而可以用于测量更高电流值。
[0016] 本案发明人在上述基础上继续大量的研究工作发现，通过改变磁环形状结构是与 如图7所示的磁环空隙开口处切除剩余面的高度d、磁环外径R和磁环内径r、及磁环空隙 开口处间距Lg都有关系。其中，由于相同材料和尺寸型号的磁环的磁环外径R和磁环内径 r是相同因素，可不列入考虑。在相同材料和尺寸型号的磁环的下，磁环空隙开口处切除剩 余面的高度d和磁环空隙开口处间距Lg是影响其最终导磁磁场强度分布的主要因素。
[0017] 本案发明人经过进一步研究发现，只要改变磁环空隙开口处切除剩余面的高度d 和/或磁环空隙开口处间距Lg，使测得其上的磁场分布满足一定的情况下，从而使改变后 的改进磁环结构相比于常规的磁环结构不易发生磁场饱和，可以用于测量更高电流值。经 过大量研究结果表明：最理想的磁环结构改变是使得在大电流磁场的作用下，磁环空隙开 口处对面内侧区域A1的磁场强度和磁环空隙开口处两侧区域A2的磁场强度尽可能相等， 这样的磁环可以用于测量更大的电流。
[0018] 下面分别列举通过改变磁环空隙开口处间距Lg后、以及磁环空隙开口处切除剩 余面的高度d后的磁环结构在大电流磁场下所测得的磁场强度分布图。下面的几个实施例 的磁环均是采用现有霍尔电流传感器中最为常规的磁环材料和尺寸型号进行测试，如磁环 材料是1J85型号的坡莫合金材料的，磁环的磁环外径R和磁环内径r分别是19. 5毫米（mm) 和13毫米。其他磁环材料和尺寸型号的磁环的可参照此规律得出，于此就不再逐一例举。
[0019] 实施例1 :参阅图8所示，是将上述常规磁环的磁环空隙开口处先进行线切割，该 磁环空隙开口处切除剩余面的高度d是6. 5mm，然后对磁环空隙开口处间距Lg进行调整改 变，该磁环空隙开口处间距Lg改变为3_，然而进行磁场强度测试的结果图。从图中可见， 该磁环空隙开口处两侧区域A2的磁场强度会比磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强 度更大，该磁环结构依然不是很理想状态。
[0020] 实施例2 :参阅图9所示，是将上述常规磁环的磁环空隙开口处先进行线切割，该 磁环空隙开口处切除剩余面的高度d是6. 5mm，然后对磁环空隙开口处间距Lg进行调整改 变，该磁环空隙开口处间距Lg改变为5_，然而进行磁场强度测试的结果图。从图中可见， 该磁环空隙开口处两侧区域A2的磁场强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强度 大致相同，该磁环结构是比较理想状态。
[0021] 实施例3 :参阅图10所示，是将上述常规磁环的磁环空隙开口处先进行线切割，该 磁环空隙开口处切除剩余面的高度d是6. 5mm，然后对磁环空隙开口处间距Lg进行调整改 变，该磁环空隙开口处间距Lg改变为8_，然而进行磁场强度测试的结果图。从图中可见， 该磁环空隙开口处两侧区域A2的磁场强度会比磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强 度更小，该磁环结构依然不是很理想状态。
[0022] 实施例4 :参阅图11所示，是将上述常规磁环先进行切口，使其具有磁环空隙开口 处间距Lg为5mm的磁环空隙开口，然后再对其进行线切割，从而使该磁环空隙开口处切除 剩余面的高度d是3. 3_，然而进行磁场强度测试的结果图。从图中可见，该磁环空隙开口 处两侧区域A2的磁场强度会比磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强度更大，该磁环 结构依然不是很理想状态。
[0023] 实施例5 :参阅图12所示，是将上述常规磁环先进行切口，使其具有磁环空隙开口 处间距Lg为5mm的磁环空隙开口，然后再对其进行线切割，从而使该磁环空隙开口处切除 剩余面的高度d是5_，然而进行磁场强度测试的结果图。从图中可见，该磁环空隙开口处 两侧区域A2的磁场强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强度大致相同，该磁环 结构是比较理想状态。
[0024] 实施例6 :参阅图13所示，是将上述常规磁环先进行切口，使其具有磁环空隙开口 处间距Lg为5_的磁环空隙开口，然后再对其进行线切割，从而使该磁环空隙开口处切除 剩余面的高度d是10. 1_，然而进行磁场强度测试的结果图。从图中可见，该磁环空隙开口 处两侧区域A2的磁场强度会比磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强度更小，该磁环 结构依然不是很理想状态。
[0025] 通过上述实施例1-3的比较可见，在磁环的磁环空隙开口处先进行线切割，该磁 环空隙开口处切除剩余面的高度d相同的情况下，调整磁环空隙开口处间距Lg至合适大 小时，使该磁环空隙开口处两侧区域A2的磁场强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的 磁场强度大致相同，则该磁环结构处于比较理想状态(相对更不易磁饱和，从而能对更高电 流值响应而可进行更大电流值的测量)，过大或者过小的磁环空隙开口处间距Lg的磁环，其 空隙开口处两侧区域A2的磁场强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强度会有差 异，并非理想状态的结构。
[0026] 以及，通过上述实施例4-6的比较可见，是将上述常规磁环先进行切口，使其具有 相同磁环空隙开口处间距Lg的磁环空隙开口，然后再对其进行合适程度的（即磁环空隙开 口处切除剩余面的高度d调制至最佳）线切割时，使该磁环空隙开口处两侧区域A2的磁场 强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强度大致相同，则该磁环结构处于比较理 想状态(相对更不易磁饱和，从而能对更高电流值响应而可进行更大电流值的测量)，过大 或者过小的磁环空隙开口处间距Lg的磁环，其空隙开口处两侧区域A2的磁场强度和磁环 空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强度会有差异，并非理想状态的结构。
[0027] 此外，将常规磁环同时进行切口和线切割，对其磁环空隙开口处间距Lg和磁环空 隙开口处切除剩余面的高度d都进行同时调整，也可使该磁环空隙开口处两侧区域A2的磁 场强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强度大致相同，获得一个处于比较理想 状态的磁环结构。从上述实施例2和实施例5中2个较为理想状态的磁环结构可见，分别 调整磁环空隙开口处间距Lg和磁环空隙开口处切除剩余面的高度d获得的较为理想状态 的磁环结构的磁环空隙开口处间距Lg和磁环空隙开口处切除剩余面的高度d也都是较为 接近的（实施例2中d=6. 5mm, Lg=5mm;实施例5中d=5mm, lg=5mm)，且其中对磁环线切割 后的磁环空隙开口处切除剩余面的高度d是影响磁环效果的更为主导因素。
[0028] 本案发明人经过大量测量表明，选用上述常规的磁环，即磁环材料是1J85型号的 坡莫合金材料的，磁环的磁环外径R和磁环内径r分别是19. 5 mm和13mm的磁环进行切口 和线切割，使其磁环空隙开口处间距Lg和磁环空隙开口处切除剩余面的高度d分别在如下 范围内，具体是：Lg是介于4mm至6. 5mm间的范围，d是介于4. 5mm至7. 5mm间的范围，可以 获得较理想状态的磁环结构，相比常规磁环结构具有更大的磁饱和强度，从而可以获得更 大的有效测量范围。
[0029] 选用其他的材质和尺寸大小的磁环进行切口和线切割来改变调整磁环空隙开口 处间距Lg和/或磁环空隙开口处切除剩余面的高度d，从而使其空隙开口处两侧区域A2 的磁场强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强度大致相同，亦可使磁环结构处 于比较理想状态(相对更不易磁饱和，从而能对更高电流值响应而可进行更大电流值的测 量)。
[0030] 综上，本发明提出一种磁环，该磁环是由一导磁材料制成的环状芯体，该磁环(进 行切口后）具有一个间距为Lg的径向的空隙开口，该空隙开口处被(进行线切割后）切除一 部分，而使磁环空隙开口处切除剩余面的高度d小于磁环的磁环外径R和磁环内径r差值。 其中，该磁环的空隙开口处间距Lg和磁环空隙开口处切除剩余面的高度d的调整值是使其 在大电流磁场下该磁环的空隙开口处两侧区域A2的磁场强度和磁环空隙开口处对面内侧 区域A1的磁场强度大致相同。
[0031] 补充说明的是，该磁环的环状芯体的形状除了上述各实施例所列举的圆环状芯体 夕卜，可以是非圆环的环状芯体，如椭圆环芯体、正多边形芯体(如正八边形环）等；同时该磁 环的环状芯体的材料除了上述各实施例所列举的常规的1J85型号的坡莫合金材料外，还 可以是其他类似的导磁材料，如硅钢片、其他型号坡莫合金、非晶及纳米晶合金、铁粉芯、铁 娃错、铁氧体等材料。
[0032] 本发明还提出一种霍尔电流传感器，该霍尔电流传感器与现有的霍尔电流传感器 结构类似，主要包括：一环状的封闭的壳体，该壳体的内部的环上设有带一径向的空隙开口 的磁环，封装设置在该壳体内且位于该磁环的空隙开口处，以及封装设置在该壳体内的电 路板和固设在该壳体外与电路板电连接的接线柱，其中该磁环是具有上述结构的磁环。
[0033] 以及本发明还提出一种实现霍尔电流传感器用于测量大电流的方法，包括如下步 骤： A，提供一个霍尔电流传感器； B，将该霍尔电流传感器的磁环进行切口后使其具有一个间距为Lg的径向的空隙开 口，该空隙开口处在进行线切割后被切除一部分，而使磁环空隙开口处切除剩余面的高度d 小于磁环的磁环外径R和磁环内径r差值； C，调整该磁环的磁环空隙开口处间距Lg和/或磁环空隙开口处切除剩余面的高度d， 从而使其空隙开口处两侧区域A2的磁场强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强 度大致相同。
[0034] 尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明 白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对 本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种磁环，该磁环是由一导磁材料制成的环状芯体，该磁环具有一个间距为Lg的径 向的空隙开口，该空隙开口处被切除一部分，而使磁环空隙开口处切除剩余面的高度d小 于磁环的磁环外径R和磁环内径r差值。
2. 根据权利要求1所述的磁环，其特征在于：该磁环的空隙开口处间距Lg和磁环空隙 开口处切除剩余面的高度d的调整值是使其在大电流磁场下该磁环的空隙开口处两侧区 域A2的磁场强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强度大致相同。
3. 根据权利要求1或2所述的磁环，其特征在于：该磁环的磁环材料是1J85型号的坡 莫合金材料的，该磁环的磁环外径R和磁环内径r分别是19. 5 mm和13mm，该磁环空隙开 口处间距Lg和磁环空隙开口处切除剩余面的高度d分别在如下范围内，具体是：Lg是介于 4mm至6. 5mm间的范围，d是介于4. 5mm至7. 5mm间的范围。
4. 一种霍尔电流传感器，主要包括：一环状的封闭的壳体，该壳体的内部的环上设有 带一径向的空隙开口的磁环，封装设置在该壳体内且位于该磁环的空隙开口处，以及封装 设置在该壳体内的电路板和固设在该壳体外与电路板电连接的接线柱，其特征在于：该磁 环是上述权利要求1-3任一所述的磁环。
5. -种实现霍尔电流传感器用于测量大电流的方法，包括如下步骤： A，提供一个霍尔电流传感器； B，将该霍尔电流传感器的磁环进行切口后使其具有一个间距为Lg的径向的空隙开 口，该空隙开口处在进行线切割后被切除一部分，而使磁环空隙开口处切除剩余面的高度d 小于磁环的磁环外径R和磁环内径r差值； C，调整该磁环的磁环空隙开口处间距Lg和/或磁环空隙开口处切除剩余面的高度d， 从而使其空隙开口处两侧区域A2的磁场强度和磁环空隙开口处对面内侧区域A1的磁场强 度大致相同。
【文档编号】H01F3/00GK104217843SQ201410512141
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】蔡峰毅, 董学智, 苏金土 申请人:厦门振泰成科技有限公司