磁芯及電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁芯，包括第一磁芯部件和第二磁芯部件，第一磁芯部件和第二磁芯部件均包括一個中柱、設(shè)置在中柱兩側(cè)的第一側(cè)柱和第二側(cè)柱，所述第一磁芯部件和第二磁芯部件有間隔的對稱設(shè)置且第一磁芯部件的中柱正對第二磁芯部件的中柱；第一磁芯部件的第一側(cè)柱和第二磁芯部件的第一側(cè)柱之間形成第一氣隙，第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱之間形成第二氣隙，第一磁芯部件的第二側(cè)柱和第二磁芯部件的第二側(cè)柱之間形成第三氣隙。本發(fā)明還公開了包括該磁芯的一種電流傳感器。采用該磁芯的電流傳感器在采用閉環(huán)式設(shè)計提高測量精度的基礎(chǔ)上，可以降低功耗。
【專利說明】
磁芯及電流傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及磁性傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是磁芯及電流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]電流傳感器廣泛應用于新能源、智能交通、工業(yè)控制、智能家電以及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。
[0003]常用的電流傳感器以磁性傳感元件為敏感元件，分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩大類。開環(huán)式電流傳感器是在被測導線周圍設(shè)置一個帶氣隙的磁芯，而磁性傳感單元位于氣隙中，由于電磁感應定律，磁芯產(chǎn)生感生電勢，磁性傳感單元可測量磁芯氣隙處的磁場，后端可根據(jù)磁性傳感單元的輸出信號計算出被測電流的大小。
[0004]開環(huán)式電流傳感的工作方式為直接測量磁場，因此在大電流作用下，磁芯的會出現(xiàn)磁滯和飽和，影響測量精度。為了克服上述問題，本領(lǐng)域技術(shù)人員采用閉環(huán)式電流傳感器測量電流。和開環(huán)式電流傳感器不同的是，閉環(huán)式電流傳感器的磁芯上纏繞有補償線圈，補償線圈和磁性傳感單元電連接，補償線圈由磁性傳感單元的輸出電壓供電，用以補償被測電流產(chǎn)生的磁場，當達到磁平衡時，補償電流產(chǎn)生的磁場和被測電流產(chǎn)生的磁場大致相同，因此磁芯通常工作在無磁通或磁通量很小的環(huán)境下，故，可以克服磁滯和飽和現(xiàn)象。后端可通過直接測量補償線圈的電流大小計算出被測電流大小。
[0005]傳統(tǒng)的閉環(huán)式電流傳感器克服了開環(huán)式電流傳感器的缺陷，但是依然存在一個缺陷，由于補償電流(單匝電流X線圈匝數(shù))的大小和被測電流大小相同，因此該類傳感器的功率很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供磁芯及電流傳感器，采用該磁芯的電流傳感器在提高測量精度的基礎(chǔ)上，可以降低功耗。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
根據(jù)本發(fā)明提出的一種磁芯，包括第一磁芯部件和第二磁芯部件，第一磁芯部件和第二磁芯部件均包括一個中柱、設(shè)置在中柱兩側(cè)的第一側(cè)柱和第二側(cè)柱，所述第一磁芯部件和第二磁芯部件有間隔的對稱設(shè)置且第一磁芯部件的中柱正對第二磁芯部件的中柱；
第一磁芯部件的第一側(cè)柱和第二磁芯部件的第一側(cè)柱之間形成第一氣隙，第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱之間形成第二氣隙，第一磁芯部件的第二側(cè)柱和第二磁芯部件的第二側(cè)柱之間形成第三氣隙。
[0008]作為本發(fā)明所述的一種磁芯進一步優(yōu)化方案，第一磁芯部件和第二磁芯部件為E形。
[0009]—種電流傳感器，包括上述的磁芯，以及磁性傳感單元、放大單元和線圈；其中，磁性傳感單元、放大單元與線圈依次連接，磁性傳感單元、放大單元與線圈構(gòu)成電路回路。
[0010]作為本發(fā)明所述的一種電流傳感器進一步優(yōu)化方案，所述磁性傳感單元位于第二氣隙處，所述線圈纏繞在第一磁芯部件的第一側(cè)柱和第二磁芯部件的第一側(cè)柱上，被測導線位于第二氣隙和第三氣隙之間或者纏繞在磁芯上。
[0011]作為本發(fā)明所述的一種電流傳感器進一步優(yōu)化方案，所述磁性傳感單元位于第一氣隙處，線圈纏繞在第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱上，被測導線位于第二氣隙和第三氣隙之間或者纏繞在磁芯上。
[0012]作為本發(fā)明所述的一種電流傳感器進一步優(yōu)化方案，所述磁性傳感單元位于第三氣隙處，線圈纏繞在第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱上，被測導線位于第二氣隙和第一氣隙之間或者纏繞在磁芯上。
[0013]作為本發(fā)明所述的一種電流傳感器進一步優(yōu)化方案，還包括取樣電阻，所述取樣電阻串聯(lián)在電路回路中。
[0014]作為本發(fā)明所述的一種電流傳感器進一步優(yōu)化方案，所述磁性傳感單元為單電阻、半橋結(jié)構(gòu)或全橋結(jié)構(gòu)，所述單電阻包括一個磁電阻，所述半橋結(jié)構(gòu)包括兩個串聯(lián)的磁電阻，所述全橋結(jié)構(gòu)包括兩個并聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)。
[0015]作為本發(fā)明所述的一種電流傳感器進一步優(yōu)化方案，所述磁電阻由一個磁性傳感元件構(gòu)成或者由兩個以上的磁性傳感元件并聯(lián)和/或串聯(lián)構(gòu)成，磁性傳感元件包括霍爾元件、各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件和/或磁性隧道結(jié)元件。
[0016]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
(1)本發(fā)明旨在提出一種閉環(huán)式電流傳感器的磁芯，使用該磁芯的閉環(huán)式電流傳感器可降低功耗；
(2)采用該磁芯的電流傳感器在采用閉環(huán)式設(shè)計提高測量精度的基礎(chǔ)上，可以降低功耗。
【附圖說明】
[0017]通過閱讀下文優(yōu)選實施方式的詳細描述，各種其他的優(yōu)點和益處對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實施方式的目的，而并不認為是對發(fā)明的限制。在附圖中:
圖1為閉環(huán)式電流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明磁芯實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3a為本發(fā)明磁芯實施例一的被測電流磁場分布圖；
圖3b為本發(fā)明磁芯實施例一的補償電流磁場分布圖；
圖4a為本發(fā)明磁芯實施例一的被測電流磁場分布圖；
圖4 b為本發(fā)明磁芯實施例一去除第一氣隙后被測電流磁場分布圖；
圖5為本發(fā)明磁芯實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為第一氣隙寬度對被測電流磁場大小的影響；
圖7為第二氣隙寬度對被測電流磁場大小的影響；
圖8為第三氣隙寬度對被測電流磁場大小的影響；
圖9為本發(fā)明電流傳感器實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]附圖中的標記解釋為:14-線圈，10-磁芯，15-放大單元，11-磁性傳感單元，30-氣隙，21-被測導體，16-取樣電阻，12-第一磁芯部件，13-第二磁芯部件，31-第一氣隙，32-第二氣隙，33-第三氣隙。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
圖1是傳統(tǒng)的非接觸式閉環(huán)式電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，閉環(huán)式電流傳感器包括環(huán)繞在被測導體21周圍的磁芯10、磁性傳感單元11、放大單元15、取樣電阻16以及繞在磁芯10上面的線圈14，其中磁性傳感單元11、放大單元15、取樣電阻16以及線圈14電連接，被測導體21內(nèi)通有被測電流Iin。
[0020]當被測導體21通入被測電流Iin時，被測導體21周圍產(chǎn)生磁場凡磁場/納大小與流過導線的被測電流Iin值成正比，這一磁場//可以通過磁芯10來聚集至氣隙30處，然后位于氣隙30處的磁性傳感單元11可對該處的磁場進行檢測，由于磁場況的變化與磁性傳感單元11的輸出電壓Kciut有良好的線形關(guān)系，因此可利用磁性傳感單元11測得的輸出電壓Kciut，直接反應出被測導線21中的被測電流Tin，即:
ImCCffCC Vout
對于閉環(huán)式電流傳感器來說，磁性傳感單元11的輸出電壓Kciut經(jīng)過放大單元15處理后相當于線圈14的驅(qū)動電源，進而線圈14產(chǎn)生一個感生磁場，補償被測電流Iin產(chǎn)生的感生磁場相互作用，當達到磁平衡時，線圈14中的補償電流Im(單匝電流ImX線圈匝數(shù)N)和被測電流I?大致相等，即:
/lN^N.Im
因此可以通過測量補償電流Λ的大小得到被測電流ilN的大小。在閉環(huán)式電流傳感器中，磁性傳感單元11既是測量單元，又是驅(qū)動單元，由于磁平衡原理，傳感器始終工作在零磁通附近，因此可以克服磁芯10的磁滯和飽和現(xiàn)象。整個電路回路串聯(lián)的取樣電阻16用以將電流輸出Im轉(zhuǎn)化為電流傳感器的電壓輸出KQUT，若后端只需要電流輸出，就不需要取樣電阻16，因此取樣電阻16不是必要結(jié)構(gòu)。
[0021 ]放大單元15接受磁性傳感單元11的輸出電壓Kcmt，并為線圈14提供驅(qū)動電流，線圈14在磁芯1中產(chǎn)生的補償電流磁場與被測電流磁場在氣隙3 O處大小相等，方向相反，抵消被測電流磁場，形成負反饋閉環(huán)控制電路。若補償電流Im過小，產(chǎn)生的磁場不足以抵消被測電流磁場，放大單元15將輸出更大的電流，反之，放大單元15輸出電流減小，從而維持氣隙處的磁場平衡。若被測電流ilN發(fā)生變化，氣隙處磁場平衡被破壞，負反饋閉環(huán)控制電路同樣會調(diào)節(jié)補償電流Λ，使磁場重新達到平衡。宏觀上講，氣隙30處將一直維持零磁通，保持磁平衡。后端可根據(jù)電壓輸出Kqut計算出被測電流ΙΙΝ，也可以通過直接測量單匝電流/m計算出被測電流/IN。
[0022]由上述不難看出，閉環(huán)式電流傳感器的功率和單匝電流Im和線圈匝數(shù)N直接相關(guān)，而IjPN也是相關(guān)的，若降低線圈匝數(shù)N，單匝電流人也會相應增加，換言之，閉環(huán)式電流傳感器的功率和補償電流Im相關(guān)。由于補償電流Im和被測電流Jin基本相等，在實際應用中，該類傳感器功率非常大。
[0023]為了克服上述缺陷，本發(fā)明提出了一種電流傳感器所用的磁芯，可以使補償電流Im遠小于被測電流I1N，進而降低閉環(huán)式電流傳感器的功率。
[0024]圖2是本發(fā)明電流傳感器磁芯實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖，如2圖所示，該磁芯包括第一磁芯部件12以及第二磁芯部件13。所述第一磁芯部件12和第二磁芯部件13的形狀都為E形，第一磁芯部件12和第二磁芯部件13保持一定的距離，對稱拼接使用。所述磁芯依次具有第一氣隙31、第二氣隙32以及第三氣隙33，磁性傳感單元11位于第二氣隙32處，被測導線21位于第二氣隙32和第三氣隙33之間，或者被測導線21直接纏繞在磁芯上；線圈14纏繞在該磁芯的第一氣隙31附近。
[0025]圖3a為本發(fā)明磁芯實施例一的被測電流磁場分布圖，圖3b為為本發(fā)明磁芯實施例一的補償電流磁場分布圖。圖中虛線表示被測電流磁場分布，在測量區(qū)域，即第二氣隙32處，被測電流磁場的磁通量占比較小，補償電流磁場的磁通量占比較大，因此在被測電流磁場與補償電流磁場在測量位置，即第二氣隙32處，補償電流Im只需比被測電流Iin小，就可以達到磁平衡，進而，采用該磁芯的電流傳感器在采用閉環(huán)式設(shè)計提高測量精度的基礎(chǔ)上，可以降低功耗。
[0026]第三氣隙33的作用是使磁芯不至于飽和，使磁性傳感單元11工作在線性區(qū)域，第一氣隙31的作用是保證第二氣隙32處有一定的磁通，否則就無法降低位于第一氣隙31處的補償電流，達到降低功耗的目的。圖4a為本發(fā)明磁芯實施例一的被測電流磁場分布圖，圖4b為本發(fā)明磁芯實施例一去除第一氣隙后被測電流磁場分布圖。如圖所示，圖中虛線表示被測電流磁場分布，不難看出，沒有第一氣隙31的磁芯在第二氣隙32處的被測電流磁場磁通量基本為零。
[0027]綜上所述，要實現(xiàn)補償電流Λ遠小于被測電流Tin，需要滿足的條件為:磁芯具有分散補償電流磁場的中柱，從形狀上來說，磁芯要具有三個氣隙。因此，磁芯的形狀不局限于實施例一，可以不是規(guī)整的方形，例如邊角可以有一定弧度，因此本發(fā)明所指的E形是指第一磁芯部件12和第二磁芯部件13的形狀大體上是E形，而不是特指嚴格意義上的E形。
[0028]圖5為本發(fā)明磁芯實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，本發(fā)明實施例二的磁芯包括第一磁芯部件12以及第二磁芯部件13，第一磁芯部件12和第二磁芯部件13都為設(shè)置有中柱的半環(huán)形，第一磁芯部件12和第二磁芯部件13保持一定的距離，對稱拼接使用。所述磁芯依次具有第一氣隙31、第二氣隙32以及第三氣隙33，磁性傳感單元11位于第二氣隙32處，被測導線21位于第二氣隙32和第三氣隙33之間，或者被測導線21直接纏繞在磁芯上；線圈14纏繞在該磁芯的第一氣隙31附近。
[0029]由于實現(xiàn)補償電流Im遠小于被測電流Iin的實質(zhì)是磁芯具有分散磁場的中柱，因此不需要磁性傳感單元11 一定位于第二氣隙處，也可以是磁性傳感單元11位于第一氣隙31處，線圈14纏繞在該磁芯的第二氣隙32附近，被測導線21位于第二氣隙32和第三氣隙33之間，或者被測導線21直接纏繞在磁芯上；同理，也可以將磁性傳感單元11設(shè)置于第三氣隙33處，線圈14纏繞在第二氣隙32附近，被測導線21位于第二氣隙32和第一氣隙31之間，或者被測導線21直接纏繞在磁芯上。
[0030]圖6-圖8是三個氣隙寬度對磁性傳感單元11所在位置的被測電流磁場分布影響的模擬計算結(jié)果。
[0031]如圖6所示，隨著第一氣隙31的寬度的增加，位于第二氣隙32處的被測電流磁場有明顯的增加。
[0032]如圖7所示，隨著第二氣隙32的寬度的增加，位于該處的被測電流磁場有明顯的降低。
[0033]如圖8所示，隨著第三氣隙33的寬度的增加，位于第二氣隙32處的被測電流磁場有一定的減少。
[0034]第一氣隙31、第二氣隙32以及第三氣隙33的寬度可根據(jù)需求進行調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)第二氣隙32處的被測電流磁場磁通量大小。通常來說，第二氣隙32處的磁通量占比越小越好，這樣會提高磁性傳感單元11輸出的線性度，但是隨之帶來的缺陷是會增加第一氣隙31處的磁通量占比，進而增加了電流傳感器的功耗，因此實際使用中會對針對這一問題根據(jù)需求做出合理的設(shè)計。
[0035]上述關(guān)于三個氣隙寬度對被測磁場分布的影響是建立在三個氣隙處磁芯的截面積一定的情況下的，磁芯實際最終形狀可根據(jù)需求調(diào)節(jié)三個氣隙寬度以及對應的磁芯截面積。
[0036]需要注意的是，圖6-圖8的被測電流磁場大小指的是磁性傳感單元11所在位置，SP第二氣隙32處的被測電流磁場大小，由上述可知，磁性傳感單元11可以位于第一氣隙31、第二氣隙32以及第三氣隙33的任一處，因此圖6-圖8對磁性傳感單元11位于其他位置的情況也具有參考價值。
[0037]圖9為本發(fā)明電流傳感器實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，所述電流傳感器包括磁芯(12和13)、磁性傳感單元11、放大單元15以及線圈14;其中，磁性傳感單元11、放大單元15與線圈14依次連接，磁性傳感單元11、放大單元15與線圈14構(gòu)成電路回路;所述磁性傳感單11元位于第二氣隙32處，所述線圈14纏繞在第一氣隙31處的磁芯上。該電流傳感器的工作方式和電連接方式與傳統(tǒng)的閉環(huán)式電流傳感器相同，如前述。
[0038]被測導線21通常是穿過所述磁芯的第二氣隙32和第三氣隙33之間的空隙，或，該被測導線21直接纏繞在磁芯上。
[0039]如前述，由于實現(xiàn)補償電流Λ遠小于被測電流Iin的實質(zhì)是磁芯具有分散磁場的中柱，因此不需要磁性傳感單元11 一定位于第二氣隙處，也可以是磁性傳感單元11位于第一氣隙31處，線圈14纏繞在該磁芯的第二氣隙32附近，被測導線21位于第二氣隙32和第三氣隙33之間，或者被測導線21直接纏繞在磁芯上；同理，也可以將磁性傳感單元11設(shè)置于第三氣隙33處，線圈14纏繞在第二氣隙32附近，被測導線21位于第二氣隙32和第一氣隙31之間，或者被測導線21直接纏繞在磁芯上。
[0040]本發(fā)明的電流傳感器還可以包括取樣電阻16，所述取樣電阻16串聯(lián)在電路回路中，其作用是將電流輸出(即單匝電流im)轉(zhuǎn)化為電壓輸出Kout。
[0041]通常所述磁性傳感單元11為單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)，所述單電阻包括一個磁電阻，所述半橋包括兩個串聯(lián)的磁電阻，所述全橋包括兩個并聯(lián)的半橋。所述磁電阻由一個磁性傳感元件構(gòu)成，或，由兩個以上的磁性傳感元件并聯(lián)和/或串聯(lián)構(gòu)成。將多個磁性傳感元件串聯(lián)和/或并聯(lián)的有益效果是可以通過預先設(shè)置磁性傳感元件的個數(shù)來解決磁性傳感元件在納米加工或微加工中的一致性(Uniformity)問題，同時還可以降低磁性傳感元件的電子遂穿幾率，提高其靜電防護能力。
[0042 ]所述磁性傳感元件包括霍爾元件、各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件和/或磁性隧道結(jié)元件。其中，靈敏度高、精度高、體積小、溫漂性能好的各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件以及磁性隧道結(jié)元件為優(yōu)選。
[0043]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種磁芯，其特征在于，包括第一磁芯部件和第二磁芯部件，第一磁芯部件和第二磁芯部件均包括一個中柱、設(shè)置在中柱兩側(cè)的第一側(cè)柱和第二側(cè)柱，所述第一磁芯部件和第二磁芯部件有間隔的對稱設(shè)置且第一磁芯部件的中柱正對第二磁芯部件的中柱； 第一磁芯部件的第一側(cè)柱和第二磁芯部件的第一側(cè)柱之間形成第一氣隙，第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱之間形成第二氣隙，第一磁芯部件的第二側(cè)柱和第二磁芯部件的第二側(cè)柱之間形成第三氣隙。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁芯，其特征在于，第一磁芯部件和第二磁芯部件為E形。3.—種電流傳感器，其特征在于，包括權(quán)利要求1或2任一所述的磁芯，以及磁性傳感單元、放大單元和線圈；其中，磁性傳感單元、放大單元與線圈依次連接，磁性傳感單元、放大單元與線圈構(gòu)成電路回路。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電流傳感器，其特征在于，所述磁性傳感單元位于第二氣隙處，所述線圈纏繞在第一磁芯部件的第一側(cè)柱和第二磁芯部件的第一側(cè)柱上，被測導線位于第二氣隙和第三氣隙之間或者纏繞在磁芯上。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電流傳感器，其特征在于，所述磁性傳感單元位于第一氣隙處，線圈纏繞在第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱上，被測導線位于第二氣隙和第三氣隙之間或者纏繞在磁芯上。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電流傳感器，其特征在于，所述磁性傳感單元位于第三氣隙處，線圈纏繞在第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱上，被測導線位于第二氣隙和第一氣隙之間或者纏繞在磁芯上。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電流傳感器，其特征在于，還包括取樣電阻，所述取樣電阻串聯(lián)在電路回路中。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電流傳感器，其特征在于，所述磁性傳感單元為單電阻、半橋結(jié)構(gòu)或全橋結(jié)構(gòu)，所述單電阻包括一個磁電阻，所述半橋結(jié)構(gòu)包括兩個串聯(lián)的磁電阻，所述全橋結(jié)構(gòu)包括兩個并聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種電流傳感器，其特征在于，所述磁電阻由一個磁性傳感元件構(gòu)成或者由兩個以上的磁性傳感元件并聯(lián)和/或串聯(lián)構(gòu)成，磁性傳感元件包括霍爾元件、各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件和/或磁性隧道結(jié)元件。
【文檔編號】G01R19/00GK106093524SQ201610457478
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】諸敏, 魏冬, 白建民, 王建國, 黎偉
【申請人】無錫樂爾科技有限公司