專利名稱：具在磁性螺環(huán)的電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電流傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及利用具有通過作 為線團(tuán)的螺環(huán)被纏繞的初級導(dǎo)體并且運(yùn)載被測量電流的磁性螺環(huán)(magnetic toroid)的傳感器。
技術(shù)背景存在用于工業(yè)應(yīng)用的多個(gè)電流傳感器。例子是電動(dòng)機(jī)控制，不間 斷的電源，可變速度驅(qū)動(dòng)，焊接電源等。對于這些電流傳感器存在 朝向更小的尺寸和更低的成本的趨勢。多個(gè)設(shè)計(jì)利用外部磁場，比 如美國專利號(hào)No. 3， 461， 387，其利用兩個(gè)或更多個(gè)線圈，并且它是 檢測外部磁場而非電流的裝置。在美國專利號(hào)No. 5, 239, 264中已經(jīng) 示出飽和磁心的使用，并且在線圏中產(chǎn)生場電流。美國專利號(hào) No. 5， 831， 432利用一對磁阻抗(magneto—impedance )元件來消除 均勻擾動(dòng)磁場，比如地球場。在美國專利號(hào)No. 5， 994， 899中已經(jīng)提出非晶線的使用。電壓的 幅值隨著外部施加的磁場的變化而不對稱地改變。在PCT公開物WO 02/061445 Al中示出不對稱磁阻抗的類似4吏用，其4皮用作電流泄漏 檢測器。美國專利申請/>開號(hào)No. US 2003/0006765 Al />開了一種在開 口磁心上的傳感器線圏，聲稱較高的精確度和小型化。美國專利號(hào) No. 6， 512， 370也利用在開口磁心上的線團(tuán)。在傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)和MR電流傳感器中，磁心用于集中傳感器上 的通量，并且部分屏蔽雜散場。由于這些傳感器具有間隙，因此完 全屏蔽外部雜散場是不可能的。當(dāng)線圏的負(fù)載用于檢測電流時(shí)，阻抗的幅值隨著雜散場，溫度， 部分變化等而改變。因此，構(gòu)造取決于阻抗的絕對值的電流傳感器 是不實(shí)際的。在一些裝置中，需要具有一些用以提高精確度的反饋。然而，這 不是好的解決方法，因?yàn)樾枰郊泳€圏來提供反饋信號(hào)。
如果能夠研制將占據(jù)非常小的空間，在10mm見方的占位空間 (footprint )的量級的小的、廉價(jià)的傳感器，那么現(xiàn)有技術(shù)是有優(yōu) 勢的。又一優(yōu)點(diǎn)在于，如果能提供既能感測DC電流又能感測AC電流的 傳感器。現(xiàn)有技術(shù)中另一個(gè)進(jìn)步在于，如果能夠在電流傳感器中提供反饋 線圏而不用對傳感器增加附加的成本和體積。 其他優(yōu)點(diǎn)將在下文中呈現(xiàn)。發(fā)明內(nèi)容現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以以下面的方式獲得本發(fā)明的上述和其他優(yōu) 點(diǎn)。具體地，本發(fā)明提供一種電流感測裝置，其具有快速的響應(yīng)時(shí) 間，具有高精度響應(yīng)，小尺寸，低成本，其他重要的特性。采用其最簡單的形式，本發(fā)明包括具有兩個(gè)繞組的螺環(huán)形磁心。 第一繞組包括所關(guān)注的初級電流。該初級電流可以是DC或AC。第二 繞組包括AC信號(hào)，其如此響應(yīng)使得它的瞬時(shí)負(fù)栽，或者為阻抗或者 為導(dǎo)納，對應(yīng)于第一或初級電流的函數(shù)或者是第一或初級電流的函 數(shù)。典型地，對于所關(guān)注的初級電流僅僅需要一個(gè)繞組環(huán)。次級繞 組是多個(gè)環(huán)，優(yōu)選地來自至少二十個(gè)繞組。已經(jīng)利用30匝，100匝 和400匪的繞組制造了裝置。繞組匪數(shù)的實(shí)際數(shù)量是設(shè)計(jì)變量，取 決于成本和尺寸限制以及靈敏度的程度和需要的響應(yīng)時(shí)間。由磁性材料，比如非晶磁心磁性材料，形成螺環(huán)。優(yōu)選是具有大 大大于材料的矯頑力的磁滯飽和點(diǎn)的磁性材料。 一種這樣的材料是 Metglas⑧2714，可從Metglas Inc得到。它是基于鈷的、超高滲透 性磁性合金。其他材料也是有用的，比如至少一些形式的坡莫合金 (perma1loy )。本發(fā)明的裝置包括用于接收AC信號(hào)和在該多個(gè)繞組上布置該AC 信號(hào)的放大器。電阻器測量信號(hào)的瞬時(shí)負(fù)載，其表示第一繞組中的 初級電流。在一個(gè)實(shí)施例中，電路在繞組上布置AC電壓，并且電阻 器讀出由此產(chǎn)生的電流。在另一個(gè)實(shí)施例中，電路在繞組上布置AC 電流，并且電阻器讀出由此產(chǎn)生的電壓。傳感器的輸出對于在零附近的正或負(fù)初級電流是對稱的，并且該
對稱性對在溫度、頻率、雜散場、制造變化以及部分對部分變化上 的變化是恒定的，即使輸出的幅值可能隨著這些條件改變。


為了對本發(fā)明的更完整的理解，因此參照附圖，其中 圖1是示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電路圖； 圖2是對于螺環(huán)上的次級繞組的兩個(gè)不同繞組或匝數(shù)，來自圖1 的裝置的結(jié)果的圖形表示；圖3是用于本發(fā)明的另一導(dǎo)納形式的電路；圖4是用于本發(fā)明的另一導(dǎo)納形式的電路；圖5是用于本發(fā)明的另一導(dǎo)納形式的電路；圖6是用于本發(fā)明的另一阻抗形式的電路；以及圖7是用于本發(fā)明的另一阻抗形式的電路。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供小的電流測量裝置的顯著改進(jìn)。具體地，本發(fā)明的 裝置基于螺環(huán)磁心的磁特性隨著被施加至纏繞磁心的斷開導(dǎo)線 (turns off wire)的電流而改變的方式工作。被施力口的電流，被 稱作初級電流或被感測的電流，產(chǎn)生變成在磁心中被截留的磁場。 該磁場開始使磁心飽和。飽和改變磁心的AC損耗和電感。磁心特性 的該改變被檢測為向纏繞磁心的第二線圏里面看的阻抗的改變。在現(xiàn)有技術(shù)霍爾效應(yīng)和MR電流傳感器中，磁心用于集中傳感器 上的通量，并且部分屏蔽雜散場。在本發(fā)明中，通過考察在磁心中 阻抗，或者相反地導(dǎo)納如何隨著施加電流改變，磁心自身變成傳感 器，導(dǎo)致成本節(jié)約。此外，在沒有用于霍爾效應(yīng)或MR傳感器的間隙 的情況下，完全屏蔽外部雜散場。此外，沒有間隙的螺環(huán)去除了用 以切割螺環(huán)中的間隙的工藝步驟，其降低了成本和復(fù)雜性。在圖1中本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例被示為電路圖，通常為10。 AC信 號(hào)11通過電阻器R17被引入并且被放大器LT 1358接收，以在線圏 15上布置AC電壓13。通過限制放大器U16B的電流驅(qū)動(dòng)，R34用于 保護(hù)放大器。在運(yùn)算放大器回路中布置電阻器R34,因此它在線圏中 非常高的導(dǎo)納變化下不支配負(fù)載。 線圏15是環(huán)繞螺環(huán)磁心17的多個(gè)繞組(圖1中的400 )，在該 例子中是由非晶磁性材料比如Metglas 2714制成的。其他材料包括 坡莫合金，超透磁合金，以及具有高磁滲透率和低矯頑力的其他工 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)螺環(huán)材料。該磁心具有非常低的矯頑力和高滲透率。磁滯飽 和點(diǎn)盡可能高，并且優(yōu)選為比所述材料的矯頑力大16倍以上。利用 Metglas ,該比率至少是16: 1或更大，并因此增大了操作裕度。還通過螺環(huán)磁心17的是初級電流19，其具有纏繞所述磁心17 的一個(gè)繞組。電流19是設(shè)法被測量的電流。本發(fā)明的傳感器可利用 高達(dá)200Hz或更大的從DC電流至AC電流的初級電流操作。在圖1 中，當(dāng)電壓13被施加至磁心17時(shí)感測到導(dǎo)納，并且在電阻器R32 中測量電流21,以產(chǎn)生輸出信號(hào)23。對于超過大約40Hz的頻率， 次級線圏將充當(dāng)鏡像用匝比(次級上的匝數(shù)對初級上的匝數(shù))除的 初級中的電流的變壓器。變壓器帶寬被限制在低端處至大約40Hz， 并且通過磁性螺環(huán)材料被限制在上端。Metglas材料在200MHz以上 作出響應(yīng)。兩個(gè)分量將DC的總頻率響應(yīng)給予200MHz+。圖2示出了輸出信號(hào)23。對于處于零的初級電流19導(dǎo)納是零。 曲線25和27表示其中在次級線圏15中的匝數(shù)分別是30和100的 例子。如果改變溫度、雜散場、部分變化、頻率或其他環(huán)境或制造 影響，則該曲線的大小或數(shù)量可能改變，但保持對稱性。曲線25和 27具有不同的絕對值，但是它們都關(guān)于零對稱。本發(fā)明利用該對稱 性的魯棒性，甚至在不利的條件下，來制造對這些影響不敏感的傳 感器。因此除了成本低以外，該傳感器還非常精確。圖3， 4和5均示出基于導(dǎo)納的傳感器電路，其中輸入信號(hào)11 是以不同方式施加至放大器TL 1358的AC電流，從而螺環(huán)中的電流， 在這些圖中未示出，對應(yīng)于初級電流。類似地，圖6和7均示出基 于電感器的傳感器電路，其中輸入信號(hào)12是被施加至放大器TL 1358 的AC電壓。LT 1358是普遍使用的放大器的模型，并且對于操作不 是特別重要。其他運(yùn)算放大器可以按照需要被替代。放大器施加與 該電壓成比例的電流至次級線圏?？缭骄€圏的次級電壓對應(yīng)于初級 電流。盡管已經(jīng)描述和闡述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是除了被下面的 權(quán)利要求限定之外，其并不旨在限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1、一種用于感測初級源中的電流的電流傳感器裝置，包括包括運(yùn)載所述初級源電流的初級導(dǎo)體的電流的初級源；由磁性材料形成的螺環(huán)，所述初級導(dǎo)體在所述螺環(huán)的第一部分上形成至少一個(gè)繞組；來自信號(hào)的電激勵(lì)的次級源，包括運(yùn)載所述信號(hào)的次級導(dǎo)體，所述次級導(dǎo)體在所述螺環(huán)的第二部分上形成多個(gè)繞組；以及輸出讀出器，用于測量作為所述初級源電流的幅值和極性的函數(shù)的次級導(dǎo)體上對通過所述多個(gè)繞組的所述信號(hào)的瞬時(shí)響應(yīng)。
2、 權(quán)利要求l的裝置，其中所述螺環(huán)由具有對稱的磁和電磁特 性的非晶磁心磁性材料形成，并且電流的所述初級源是AC或DC電 流。
3、 權(quán)利要求2的裝置，其中所述非晶磁心磁性材料具有大大大 于所述材料的矯頑力的磁滯飽和點(diǎn)。
4、 權(quán)利要求l的裝置，其中所述多個(gè)繞組至少是20。
5、 權(quán)利要求l的裝置，其進(jìn)一步包括用于接收所述信號(hào)的放大 器，所述放大器適于在所述多個(gè)繞組上布置AC電壓，并且進(jìn)一步包 括用于測量得到的電流瞬時(shí)負(fù)栽的電阻器。
6、 權(quán)利要求l的裝置，其進(jìn)一步包括用于接收所述信號(hào)的放大 器，所述放大器適于在所述多個(gè)繞組上布置AC電流，并且進(jìn)一步測量和指示得到的電壓瞬時(shí)負(fù)載。
7、 一種感測初級源中的電流的方法，包括 通過在由磁性材料形成的螺環(huán)的笫一部分上形成至少一個(gè)繞組，從初級導(dǎo)體經(jīng)過電流的初級源，所述初級導(dǎo)體運(yùn)載所述初級源 電流；通過所述螺環(huán)的第二部分上的多個(gè)繞組，經(jīng)過來自信號(hào)的電激勵(lì) 的次級源；以及測量作為所述初級源電流的幅值和極性的函數(shù)的次級導(dǎo)體上對 通過所述多個(gè)繞組的所述信號(hào)的瞬時(shí)響應(yīng)。
8、 權(quán)利要求7的方法，其中由具有對稱的磁和電磁特性的非晶 磁心磁性材料形成所述螺環(huán)，并且電流的所述初級源是AC或DC電 流。
9、 權(quán)利要求8的方法，其中所述非晶磁心磁性材料具有大大大 于所述材料的矯頑力的磁滯飽和點(diǎn)。
10、 權(quán)利要求7的方法，其中所述多個(gè)繞組至少是20。
11、 權(quán)利要求7的方法，其中所述信號(hào)被放大，并且在所述多個(gè) 繞組上布置AC電壓，以及在電阻器中測量得到的電流瞬時(shí)負(fù)栽。
12、 權(quán)利要求7的方法，其中所述信號(hào)被放大，并且在所述多個(gè) 繞組上布置AC電流，以及在電阻器中測量得到的電壓瞬時(shí)負(fù)載。
全文摘要
一種用于感測初級源中的電流的電流傳感器，包括在由磁性材料形成的螺環(huán)的第一部分上形成至少一個(gè)繞組的初級導(dǎo)體。來自信號(hào)的電流的次級源在螺環(huán)的第二部分上形成多個(gè)繞組。輸出讀出器測量通過該多個(gè)繞組的信號(hào)的瞬時(shí)負(fù)載作為初級源電流的函數(shù)。由具有大大大于材料的矯頑力的磁滯飽和點(diǎn)的非晶磁心磁性材料形成優(yōu)選的螺環(huán)，并且電流的所述初級源是AC或DC電流。該裝置包括用于接收信號(hào)并且在該多個(gè)繞組上布置AC電壓或電流的放大器，并且進(jìn)一步包括測量得到的電壓或電流瞬時(shí)負(fù)載的電阻器形式。
文檔編號(hào)G01R15/14GK101163974SQ200680013684
公開日2008年4月16日 申請日期2006年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月25日
發(fā)明者A·佩察爾斯基, D·A·桑德奎斯特 申請人:霍尼韋爾國際公司