CN101163974A - 具有磁性螺环的电流传感器 - Google Patents

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CN101163974A CNA2006800136842A CN200680013684A CN101163974A CN 101163974 A CN101163974 A CN 101163974A CN A2006800136842 A CNA2006800136842 A CN A2006800136842A CN 200680013684 A CN200680013684 A CN 200680013684A CN 101163974 A CN101163974 A CN 101163974A
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Abstract

一种用于感测初级源中的电流的电流传感器，包括在由磁性材料形成的螺环的第一部分上形成至少一个绕组的初级导体。来自信号的电流的次级源在螺环的第二部分上形成多个绕组。输出读出器测量通过该多个绕组的信号的瞬时负载作为初级源电流的函数。由具有大大大于材料的矫顽力的磁滞饱和点的非晶磁心磁性材料形成优选的螺环，并且电流的所述初级源是AC或DC电流。该装置包括用于接收信号并且在该多个绕组上布置AC电压或电流的放大器，并且进一步包括测量得到的电压或电流瞬时负载的电阻器形式。

Description

具有磁性螺环的电流传感器
技术领域
本发明涉及电流传感器。更具体地，本发明涉及利用具有通过作为线圈的螺环被缠绕的初级导体并且运载被测量电流的磁性螺环(magnetic toroid)的传感器。
背景技术
存在用于工业应用的多个电流传感器。例子是电动机控制，不间断的电源，可变速度驱动，焊接电源等。对于这些电流传感器存在朝向更小的尺寸和更低的成本的趋势。多个设计利用外部磁场，比如美国专利号No.3,461,387，其利用两个或更多个线圈，并且它是检测外部磁场而非电流的装置。在美国专利号No.5,239,264中已经示出饱和磁心的使用，并且在线圈中产生场电流。美国专利号No.5,831,432利用一对磁阻抗(magneto-impedance)元件来消除均匀扰动磁场，比如地球场。
在美国专利号No.5,994,899中已经提出非晶线的使用。电压的幅值随着外部施加的磁场的变化而不对称地改变。在PCT公开物WO02/061445 A1中示出不对称磁阻抗的类似使用，其被用作电流泄漏检测器。
美国专利申请公开号No.US 2003/0006765 A1公开了一种在开口磁心上的传感器线圈，声称较高的精确度和小型化。美国专利号No.6,512,370也利用在开口磁心上的线圈。
在传统的霍尔效应和MR电流传感器中，磁心用于集中传感器上的通量，并且部分屏蔽杂散场。由于这些传感器具有间隙，因此完全屏蔽外部杂散场是不可能的。
当线圈的负载用于检测电流时，阻抗的幅值随着杂散场，温度，部分变化等而改变。因此，构造取决于阻抗的绝对值的电流传感器是不实际的。
在一些装置中，需要具有一些用以提高精确度的反馈。然而，这不是好的解决方法，因为需要附加线圈来提供反馈信号。
如果能够研制将占据非常小的空间，在10mm见方的占位空间(footprint)的量级的小的、廉价的传感器，那么现有技术是有优势的。
又一优点在于，如果能提供既能感测DC电流又能感测AC电流的传感器。
现有技术中另一个进步在于，如果能够在电流传感器中提供反馈线圈而不用对传感器增加附加的成本和体积。
其他优点将在下文中呈现。
发明内容
现在已经发现可以以下面的方式获得本发明的上述和其他优点。具体地，本发明提供一种电流感测装置，其具有快速的响应时间，具有高精度响应，小尺寸，低成本，其他重要的特性。
采用其最简单的形式，本发明包括具有两个绕组的螺环形磁心。第一绕组包括所关注的初级电流。该初级电流可以是DC或AC。第二绕组包括AC信号，其如此响应使得它的瞬时负载，或者为阻抗或者为导纳，对应于第一或初级电流的函数或者是第一或初级电流的函数。典型地，对于所关注的初级电流仅仅需要一个绕组环。次级绕组是多个环，优选地来自至少二十个绕组。已经利用30匝，100匝和400匝的绕组制造了装置。绕组匝数的实际数量是设计变量，取决于成本和尺寸限制以及灵敏度的程度和需要的响应时间。
由磁性材料，比如非晶磁心磁性材料，形成螺环。优选是具有大大大于材料的矫顽力的磁滞饱和点的磁性材料。一种这样的材料是Metglas2714，可从Metglas Inc得到。它是基于钴的、超高渗透性磁性合金。其他材料也是有用的，比如至少一些形式的坡莫合金(permalloy)。
本发明的装置包括用于接收AC信号和在该多个绕组上布置该AC信号的放大器。电阻器测量信号的瞬时负载，其表示第一绕组中的初级电流。在一个实施例中，电路在绕组上布置AC电压，并且电阻器读出由此产生的电流。在另一个实施例中，电路在绕组上布置AC电流，并且电阻器读出由此产生的电压。
传感器的输出对于在零附近的正或负初级电流是对称的，并且该对称性对在温度、频率、杂散场、制造变化以及部分对部分变化上的变化是恒定的，即使输出的幅值可能随着这些条件改变。
附图说明
为了对本发明的更完整的理解，因此参照附图，其中：
图1是示出了本发明的一个实施例的电路图；
图2是对于螺环上的次级绕组的两个不同绕组或匝数，来自图1的装置的结果的图形表示；
图3是用于本发明的另一导纳形式的电路；
图4是用于本发明的另一导纳形式的电路；
图5是用于本发明的另一导纳形式的电路；
图6是用于本发明的另一阻抗形式的电路；以及
图7是用于本发明的另一阻抗形式的电路。
具体实施方式
本发明提供小的电流测量装置的显著改进。具体地，本发明的装置基于螺环磁心的磁特性随着被施加至缠绕磁心的断开导线(turns off wire)的电流而改变的方式工作。被施加的电流，被称作初级电流或被感测的电流，产生变成在磁心中被截留的磁场。该磁场开始使磁心饱和。饱和改变磁心的AC损耗和电感。磁心特性的该改变被检测为向缠绕磁心的第二线圈里面看的阻抗的改变。
在现有技术霍尔效应和MR电流传感器中，磁心用于集中传感器上的通量，并且部分屏蔽杂散场。在本发明中，通过考察在磁心中阻抗，或者相反地导纳如何随着施加电流改变，磁心自身变成传感器，导致成本节约。此外，在没有用于霍尔效应或MR传感器的间隙的情况下，完全屏蔽外部杂散场。此外，没有间隙的螺环去除了用以切割螺环中的间隙的工艺步骤，其降低了成本和复杂性。
在图1中本发明的优选实施例被示为电路图，通常为10。AC信号11通过电阻器R17被引入并且被放大器LT1358接收，以在线圈15上布置AC电压13。通过限制放大器U16B的电流驱动，R34用于保护放大器。在运算放大器回路中布置电阻器R34，因此它在线圈中非常高的导纳变化下不支配负载。
线圈15是环绕螺环磁心17的多个绕组(图1中的400)，在该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，以及具有高磁渗透率和低矫顽力的其他工业标准螺环材料。该磁心具有非常低的矫顽力和高渗透率。磁滞饱和点尽可能高，并且优选为比所述材料的矫顽力大16倍以上。利用Metglas，该比率至少是16∶1或更大，并因此增大了操作裕度。
还通过螺环磁心17的是初级电流19，其具有缠绕所述磁心17的一个绕组。电流19是设法被测量的电流。本发明的传感器可利用高达200Hz或更大的从DC电流至AC电流的初级电流操作。在图1中，当电压13被施加至磁心17时感测到导纳，并且在电阻器R32中测量电流21，以产生输出信号23。对于超过大约40Hz的频率，次级线圈将充当镜像用匝比(次级上的匝数对初级上的匝数)除的初级中的电流的变压器。变压器带宽被限制在低端处至大约40Hz，并且通过磁性螺环材料被限制在上端。Metglas材料在200MHz以上作出响应。两个分量将DC的总频率响应给予200MHz+。
图2示出了输出信号23。对于处于零的初级电流19导纳是零。曲线25和27表示其中在次级线圈15中的匝数分别是30和100的例子。如果改变温度、杂散场、部分变化、频率或其他环境或制造影响，则该曲线的大小或数量可能改变，但保持对称性。曲线25和27具有不同的绝对值，但是它们都关于零对称。本发明利用该对称性的鲁棒性，甚至在不利的条件下，来制造对这些影响不敏感的传感器。因此除了成本低以外，该传感器还非常精确。
图3，4和5均示出基于导纳的传感器电路，其中输入信号11是以不同方式施加至放大器TL1358的AC电流，从而螺环中的电流，在这些图中未示出，对应于初级电流。类似地，图6和7均示出基于电感器的传感器电路，其中输入信号12是被施加至放大器TL1358的AC电压。LT1358是普遍使用的放大器的模型，并且对于操作不是特别重要。其他运算放大器可以按照需要被替代。放大器施加与该电压成比例的电流至次级线圈。跨越线圈的次级电压对应于初级电流。
尽管已经描述和阐述了本发明的具体实施例，但是除了被下面的权利要求限定之外，其并不旨在限制本发明。

Claims (12)

1.一种用于感测初级源中的电流的电流传感器装置，包括：
包括运载所述初级源电流的初级导体的电流的初级源；
由磁性材料形成的螺环，所述初级导体在所述螺环的第一部分上形成至少一个绕组；
来自信号的电激励的次级源，包括运载所述信号的次级导体，所述次级导体在所述螺环的第二部分上形成多个绕组；以及
输出读出器，用于测量作为所述初级源电流的幅值和极性的函数的次级导体上对通过所述多个绕组的所述信号的瞬时响应。
2.权利要求1的装置，其中所述螺环由具有对称的磁和电磁特性的非晶磁心磁性材料形成，并且电流的所述初级源是AC或DC电流。
3.权利要求2的装置，其中所述非晶磁心磁性材料具有大大大于所述材料的矫顽力的磁滞饱和点。
4.权利要求1的装置，其中所述多个绕组至少是20。
5.权利要求1的装置，其进一步包括用于接收所述信号的放大器，所述放大器适于在所述多个绕组上布置AC电压，并且进一步包括用于测量得到的电流瞬时负载的电阻器。
6.权利要求1的装置，其进一步包括用于接收所述信号的放大器，所述放大器适于在所述多个绕组上布置AC电流，并且进一步测量和指示得到的电压瞬时负载。
7.一种感测初级源中的电流的方法，包括：
通过在由磁性材料形成的螺环的第一部分上形成至少一个绕组，从初级导体经过电流的初级源，所述初级导体运载所述初级源电流；
通过所述螺环的第二部分上的多个绕组，经过来自信号的电激励的次级源；以及
测量作为所述初级源电流的幅值和极性的函数的次级导体上对通过所述多个绕组的所述信号的瞬时响应。
8.权利要求7的方法，其中由具有对称的磁和电磁特性的非晶磁心磁性材料形成所述螺环，并且电流的所述初级源是AC或DC电流。
9.权利要求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矫顽力的磁滞饱和点。
10.权利要求7的方法，其中所述多个绕组至少是20。
11.权利要求7的方法，其中所述信号被放大，并且在所述多个绕组上布置AC电压，以及在电阻器中测量得到的电流瞬时负载。
12.权利要求7的方法，其中所述信号被放大，并且在所述多个绕组上布置AC电流，以及在电阻器中测量得到的电压瞬时负载。
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