CN102866276A - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流传感器。闭环电流传感器，包括磁路、磁场传感器、及补偿电路，该补偿电路配置成产生磁场，该磁场与由待被测量的、在一个或更多个初级导体（10）中流动的电流产生的磁场相反，该一个或更多个初级导体（10）延伸穿过磁路的中央开口（38）。磁路包括由组装在一起的至少两个芯部分（28a、28b）制成的磁芯（4），以形成大体闭合的磁路，其中，磁路的第二支路（32）包括由至少部分地围绕空腔部分（44）的一个或更多个侧部壁部分（46a、46b、46a′、46b′）接合的内部壁部分（40a、40b）和外部壁部分（42a、42b），该空腔部分（44）在其中接纳磁场传感器（8），侧部和外部壁部分从内部壁部分的一个或两个侧部边缘延伸。

Description

电流传感器

本申请是申请日期为2009年1月21日、申请号为200980102885.3、发明名称为“电流传感器”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种电流传感器，该电流传感器具有磁路和磁场传感器。

本发明具体地（但不是唯一地）涉及闭环类型的电流传感器，该电流传感器具有补偿电路，该补偿电路具有用来抵消在磁路中感应的磁通的次级线圈。

背景技术

闭环电流传感器被广泛地用在大量的电流和电压测量用途中。在这样的传感器中，磁路中的磁通量非常低，因为补偿电路在反馈回路中被驱动，以抵消由待被测量的电流（初级电流）感应的磁场，生成的磁场由磁场传感器拾取，为了电流传感器的准确和快速响应，该磁场传感器因而需要具有高灵敏度。

各种磁场传感器-包括霍尔效应检测器、拾波线圈、或磁通门传感器，可以用在所谓的闭环电流传感器中。磁场检测器可以布置在磁路的气隙中，或者在部分气隙中，或者在气隙附近，或者简单地在磁路的支路附近或周围。

为了减小外部磁场的影响，考虑到某些磁场传感器的灵敏度，有利的是，将磁场传感器定位在磁芯内或者靠在内周缘旁边，如与磁性线圈的外侧相对，在该处，外部磁场对于磁场传感器具有较大影响。

具有灵敏磁场检测器的闭环电流传感器例如在德国专利申请DE102005028572中描述。在最近的公报中，电流传感器具有由软磁材料（即，具有高磁导率的材料）的均匀宽度带条制成的磁芯，该均匀宽度带条折叠成按镜像对称性组装在一起的两个相同部分。磁芯具有延伸部，这些延伸部在它们之间形成空间，在该空间内，定位磁场磁通门传感器。用于磁场检测器的空间由臂的外部对和内部对限制，外部对假想地处于边缘邻接关系，并且臂的内部对假想地提供气隙。

磁路的不连续性，如在磁路的邻接外部臂之间，具有寄生气隙效应，该寄生气隙效应影响传感器的测量精度和响应。在邻接边缘之间的接触程度的轻微变化、或微小间隙的产生，可能对于磁通线具有重要影响，并因而对于传感器的测量精度具有重要影响。在上述公报中描述的传感器因而对于组装精度和重复性非常敏感。磁芯由折叠的带条材料制成，这种折叠的带条材料具有低刚度，并且在制造和组装期间要求认真处置。此外，在臂的第一和第二对之间的空间中定位的磁通门传感器，也有些受到来自开口侧的外部场影响。

鉴于可以使用闭环型、还有开环型的电流传感器的各种用途，有对于具有各种工作范围的传感器的需要，这些传感器可以按成本有效方式生产。

德国专利DE 40 17 280描述了一种电流传感器，该电流传感器包括用来连接到外部电路板上的多个U形初级导体部分，借此U形初级导体部分在电路板上可按不同配置互连，以形成一个或更多个绕组。这使得传感器能够容易地配置用于不同的工作电流范围。然而，初级导体部分部分地组装在壳体中，并且设置在树脂中或被超模压，使得初级导体部分的数量或位置的变化，如果希望，则要求昂贵的工具变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流传感器，该电流传感器精确而且制造经济。

有利的是，提供一种组装容易且经济的电流传感器。

本发明的目的是提供一种电流传感器，该电流传感器是多用途的，具体地说，可容易地制成用于不同工作范围。

有利的是，提供一种对于外部场影响具有良好耐受力的闭环电流传感器。

有利的是，提供一种牢固和可靠的闭环电流传感器。

有利的是，提供一种紧凑的闭环电流传感器。

本发明的各种目的通过提供根据权利要求1、15、17及22的电流传感器已经实现。

这里公开的是一种电流传感器，该电流传感器包括：壳体；具有中央开口的磁路，；磁场传感器；及一个或更多个部分地绕磁路的支路延伸的基本成U形的初级导体部分，其中，壳体包括穿过磁路的中央开口在壳体的相对的侧部外部面之间延伸的多个预制的初级导体导向空腔，预制的初级导体导向空腔配置成，用于在壳体中组装磁场传感器和磁路之后，穿过预制的初级导体导向空腔插入所述一个或更多个初级导体部分，并且其中，传感器具有比预制的初级导体导向空腔小的初级导体部分。

这里也公开的是一种闭环电流传感器，该闭环电流传感器包括：磁路；磁场传感器；及补偿电路，配置成产生磁场，该磁场与由待被测量的、在一个或更多个初级导体中流动的电流产生的磁场相反，该一个或更多个初级导体延伸穿过磁路的中央开口，磁路包括由组装在一起的至少两个芯部分制成的磁芯，以形成大体闭合的磁路，其中，磁路的支路包括由围绕空腔部分的侧部壁部分接合的内部和外部壁部分，该空腔部分在其中接纳磁场传感器，侧部和外部壁部分被弯曲，并且从内部壁部分的侧部边缘延伸。

优选地，磁芯部分之一的外部壁部分包括延伸部，该延伸部与另一个磁芯部分的支路的外部壁部分相交叠。气隙可以有利地形成在内部壁部分的端部边缘之间。

折叠的侧部和外部壁部分、及交叠的外部壁部分除屏蔽外部场外，在磁芯部分之间提供精确且可靠的气隙效应，因而能够实现精确且可靠的电流测量。磁芯部分可以有利地按对于工业规模的成本有效方式通过由金属薄板冲压和成形制造。形成空腔的支路的上述配置—磁场传感器插入在该空腔内—易于组装且对于组装公差不是特别敏感，并因而制造经济。

磁芯可以具有大体平行六面体形状，该平行六面体形状具有接合相对的第一和第二支路的相对侧支路。鉴于分离的芯部分，第一和第二支路被分开。

磁芯的第一和第二支路可以插入在次级电路的线圈支撑件的空腔中。次级电路可以有利地地包括一对线圈，绕每个线圈支撑件缠绕一个线圈，该线圈支撑件绕磁路的第一和第二支路延伸。

互连相对的第一和第二支路的磁路的侧支路，可以有利地包括在形成磁芯部分的冲压操作期间预制的隆起或凸起形式的加强件。

磁场传感器可以有利地包括介电支撑件、安装在其上的磁通门芯、及绕支撑件和磁通门芯缠绕的磁通门线圈。电气端子可以有利地牢固地固定到支撑件上，优选地通过将支撑件超模压在电气端子的部分上，或者通过压配合方式将端子压合在支撑件的对应安放处中，端子包括用于电气连接到线圈的端部上的线圈连接部分、和用来将磁场检测器连接到信号处理电路上的端子部分。磁通门传感器的端子可以有利地布置在从次级线圈支撑件的空腔的端部伸出的传感器的端部处，用来连接到与次级电路的第一和第二线圈的相应端部相邻布置的电路板上。

传感器可以有利地包括内部信号处理电路，该内部信号处理电路包括电路板，该电路板具有连接到磁场检测器的端子上和连接到次级电路的线圈上的电气触点，电路板有利地沿次级电路线圈的相应端部的面安装。这使传感器紧凑，具体地说当安装到电路板上时具有相对低的高度。此外，在信号处理电路的电路板与线圈和磁场检测器之间的连接具有短路径，并且容易接近，比如为了焊接连接件。

信号处理电路包括用于连接到外部单元上的端子，尤其对于电源和测量信号的传输，端子有利地从配置用于安装在外部电路板上的传感器的安装面伸出。

传感器可以有利地包括一个或更多个基本U形的初级导体部分，这些基本U形的初级导体部分部分地绕接纳磁场检测器的磁路的第二支路延伸。初级导体部分可以有利地设有端子，这些端子超越传感器的安装面伸出，以便连接到外部电路板上。

传感器壳体可以有利地包括穿过磁路的中央开口在壳体的相对侧部外部面之间延伸的多个预制的初级导体导向空腔。预制的初级导体导向空腔配置成，用于在壳体中组装磁场传感器和磁路之后，穿过预制的初级导体导向空腔插入一个或更多个初级导体部分，其中，传感器具有比预制的初级导体导向空腔小的初级导体部分。根据电流传感器的希望工作范围，可以选择组装到壳体上的初级导体的数量和位置。壳体还可以有利地包括沿壳体的侧部外部壁的导向槽，这些导向槽在用来定位初级导体部分的侧部支路的安装面附近。U形初级导体部分可以被弯曲成使得它延伸穿过在与安装面正交的平面中定位的导向槽，该安装面偏离与其相平行的、延伸穿过对应空腔的平面，U形初级导体延伸穿过该对应空腔。弯曲的初级导体部分可以有利地增大在初级导体与补偿电路的端子（次级导体）之间的爬电距离。

附图说明

由权利要求书、下面详细的描述、及附图，本发明的另外目的和有利方面将是显然的，在附图中：

图1a是根据本发明实施例的电流传感器的透视和部分横截面视图，该电流传感器具有除去的壳体（用虚线表示）；

图1b是图1a的电流传感器实施例的透视分解图；

图2a是在图1中表示的传感器的磁路的透视图；

图2b至2f是磁路的变形的透视图；

图3a是根据本发明实施例的电流传感器的磁场检测器的部分横截面的透视图；

图3b是在除去线圈的情况下磁场检测器的透视图；

图4是图1的电流传感器的部分的透视图，其示出了次级（补偿）电路和磁路的组件；

图5是根据本发明的电流传感器的透视图，其中壳体的一部被除去；

图6a是根据本发明的电流传感器的透视图，具有根据第一变形的初级导体的布置；

图6b是与图6a相类似的视图，其示出了根据第二变形的初级导体布置；

图6c是与图6a相类似的视图，其示出了根据第三变形的初级导体布置；及

图6d是与图6a相类似的视图，其示出了根据第四变形的初级导体布置。

具体实施方式

参照附图，特别是图1a，电流传感器2包括壳体3（用轮廓线表示）、磁路4、补偿电路6、磁场检测器8、及信号处理或连接电路12。补偿电路在这里也称作次级电路。

电流传感器还可以包括初级导体部分10，这些初级导体部分10优选地具有U形构造，这些U形构造具有超出壳体的安装面5突出的连接端子端部22。

具体地参照图2a，磁路包括由至少两个芯部分28a、28b形成的磁芯，这两个芯部分28a、28b当组装在一起时，形成大体闭合的电路，该闭合的电路具有相对的第一和第二支路30、32，该第一和第二支路30、32由端部支路34、36互连，这些支路围绕中央开口38，初级导体可穿过该中央开口38。第一支路30通过相应的芯部分28b、28a的第一支路部分30b、30a相交叠而形成。第一支路部分优选地具有倒角自由端部31a、31b，以便于它们在次级线圈16之一的支撑件14a、14b的对应空腔38中的插入和组装（见图1）。当在空腔中组装时，支路部分30a、30b被按压在一起，以便减小在支路部分之间的寄生气隙效应，即改进磁通量的传导率。

第二支路32由支路部分32a、32b形成，这些支路部分32a、32b从相应磁芯部分28a、28b的侧支路34、36的相应端部延伸。第二支路32包括内部壁部分40a、40b；和外部壁部分42a、42b，在内部壁部分40a、40b与外部壁部分42a、42b之间形成空腔44，该空腔44用来在其中接纳磁场检测器8。内部和外部壁部分由相应的侧部壁部分46a、46b整体地互连。在示出的实施例中，一个芯部分28b的侧部壁部分46b布置在空腔44的与另一个芯部分28a的侧部壁部分46a相对的一侧上。

芯部分28a、28b可以有利地由具有高导磁率的金属合金薄板冲压和成形，借此第二支路的侧部和外部壁部分在冲压过程期间折叠到内部壁部分的平面外。

如在图2b、2c和2e、2f的变形中示出的那样，第二支路32也可以在空腔44的两侧上设有侧部壁部分46a、46a′和46b、46b′。在图2c、2f的变形中，金属薄板从内部壁部分的一个侧部边缘卷绕到另一个侧部边缘。在图2b、2e的变形中，金属薄板从内部壁部分40a、40b的两个侧部边缘弯曲，以沿外部壁部分42a、42b的侧部边缘接合。

侧部和外部壁部分的自由端部边缘可以有利地设有倒角48，以便于磁场检测器8插入在第二支路空腔44中。

如在图2a、2b、2c中最清楚看到的那样，芯部分28a的外部壁部分42a有利地包括外部延伸部50，该外部延伸部50与另一个芯部分28b的外部壁部分42b的一段相交叠。两个芯部分28a、28b的外部壁部分42a、42b优选地布置在基本上同一平面中，借此外部延伸部50偏移，使得它抵靠另一个芯部分的外部壁部分的外部面放置。偏移由靠近第二支路部分的中心定位的大体S形的弯曲52产生。

内部壁部分40a、40b的相对自由端部边缘53a、53b在它们之间形成气隙54。在交叠外部延伸部50与外部壁部分42b之间的界面56，也形成影响横过磁场检测器的磁通量的气隙，如在空腔44的侧面上的开口那样。磁场检测器的操作和控制考虑气隙和开口的存在。然而，两个芯部分的延伸部50与外部壁部分42b的交叠关系，与其中外部壁芯部分的相对自由端部边缘要邻接的配置-借此间隙尺寸的轻微差别对磁通线具有重要影响并因而对测量信号具有重要影响-相比，显著减小了制造公差的影响。外部壁延伸部50也提供降低外部磁场影响对于测量信号的影响的屏蔽效果。延伸部50和外部壁部分42b彼此相接触，并且通过在补偿电路的第二线圈16b的支撑体15中的空腔56的相对壁按压在一起（见图1）。两个芯部分28a、28b从相对端部插入到线圈支撑件的相应空腔38、56中，借此倒角58可以有利地设在延伸部50的自由端部边缘上，以便于相对于另一个芯部分的外部壁部分42b的插入和导向。

如图2a-2f所示，也可以提供从侧部壁部分46b延伸的侧部壁延伸部50′，该侧部壁延伸部50′与另一个芯部分28a的侧部壁部分46a的一段相交叠。除外部壁延伸部50之外，或代替外部壁延伸部，可以提供侧部壁延伸部50′。为了气隙耦合空腔44周围的两个磁路部分的较好屏蔽和/或较好控制或优化，也有可能在任一侧上（即在两个侧部壁上）和/或在内部壁40a、40b上提供侧部壁延伸部，其中在该空腔44中接纳磁场检测器8。

互连第一和第二支路的侧支路34、36可以有利地包括在芯部分的冲压操作期间形成的加固隆起或凸起60，因而加强芯部分和减小在制造、处置、及组装期间变形的风险。后者也保证端部支路34、36和第一和第二支路30、32一旦组装在壳体3中就具有较好平行度。

参照图3并且参照图1，在所示的电流传感器实施例中的磁场检测器是磁通门传感器，该磁通门传感器包括：磁通门芯62，它可以有利地是铁磁性非晶材料的带条的形式，例如钴基合金，像来自HitachiMetals/Metglas的合金2714A，其安装在介电支撑件64中或其上，该介电支撑件64可以例如有利地由注射塑料形成；和磁通门线圈20，该磁通门线圈20绕支撑件64的一段和在其上或其中的磁通门芯缠绕。在示出的实施例中，磁通门芯18安装在支撑件19的凹槽68中。然而，磁通门芯可以是圆柱形或矩形杆的形式，或者采用其它形状，并且也可以安装在支撑件64内的空腔中。

磁通门芯也可以由支撑件超模压。容纳磁通门芯的支撑件19的段也可以有利地起线圈架的作用，该线圈架用于磁通门线圈20绕其的缠绕。线圈连接端子72可以例如通过超模压或通过在支撑件中的预布置的空腔中的压合而有利地安装在支撑件19中。在所示的实施例中，端子被超模压。端子72包括：一对连接端口74，用来连接到磁通门线圈绕组的相应端部上；和电路板端子端部76，用来连接到信号处理电路12的电路板26上。在将芯部分组装到补偿电路的线圈支撑件之后，磁场检测器8可以有利地插入到磁路4的空腔44中，借此其端子端部76在与传感器安装面5相正交的电路板的方向上伸出，与次级线圈的端子端部83a、83b类似（见图4）。这种配置紧凑，并且容易组装。

参照图4，结合图1，补偿电路优选地包括两个线圈16a、16b，一个线圈围绕磁路的第一支路，并且另一个线圈围绕磁路的第二支路，在该第二支路中安装磁场检测器。次级线圈16a、16b安装在相应的线圈支撑件14a、14b上，这两个线圈支撑件14a、14b可以有利地由注射塑料制成。在所示的实施例中，两个线圈具有分离的绕组，每个绕组具有一对连接端部。可选择地，两个线圈支撑件可以经整体模压连接铰链整体地连接，该整体模压连接铰链使得线圈支撑件对于其上的线圈的绕组能够基本上对准，并且随后折叠在一起、到与在图4中所示的位置相类似的组装位置。在后一实施例中，两个线圈因而可以由仅具有两个连接端部的单一导线绕组形成，从一个线圈到下一个线圈的导线在互连支撑件的铰链的附近通过。

线圈连接端子80a、80b可以有利地安装在相应线圈支撑件中，端子具有用于连接线圈端部的接触柱81a、81b、和用来连接到信号处理和连接电路12上的电路板端子端部83a、83b。线圈连接端子80a、80b可以有利地由线圈支撑件超模压，或者通过压合或其它手段安装在其中。

线圈支撑件还可以有利地容纳补偿电路连接端子24，该补偿电路连接端子24具有用来连接到外部电路上的端子端部、和用来连接到信号处理连接电路12上的电路板连接端部24b。

信号处理电路12可以有利地沿传感器的面布置在线圈的端部处。这有利地使得传感器的整体高度尽可能低，并且能够使电路板能够紧凑和容易地连接到补偿电路和磁场检测器的各种连接端子。

参照图5和6a至6d，传感器壳体3有利地设有多个预制的贯通空腔82，这些预制的贯通空腔82定位在补偿电路线圈16a、16b之间，并且横过磁路4的中央空腔38。贯通空腔82可以有利地按彼此间的规则空隙对齐和布置，并且配置成接纳和安装U形初级导体10的中间部分23。空腔可以具有适应初级导体的横截面轮廓的任何形状（例如所示出的圆形、正方形、矩形或多边形）。

壳体还可以有利地包括导向通道84，这些导向通道84布置在壳体的相对侧面上，用来接纳和定位U形初级导体的臂。通道84因而有利地帮助初级导体的连接端部22的准确定位，连接端部22例如可以是引线端子端部的形式，如在所示的实施例中示出的那样，以便连接到外部电路板上。

然而，初级导体以及次级导体的连接端部也可以配置为可插入连接到外部连接器，或者配置作为用于在电路板的接触点上的表面安装连接的表面安装端子端部。

在信号处理电路、次级线圈及壳体的组装之后，通过插过导线或其它杆形部分的直线长度的预制的空腔82，初级导体可以有利地安装到电流传感器上，其中端部随后被弯曲以形成U形的初级导体，侧臂卡合到对应的壳体通道84中。

初级导体可依据传感器的希望工作范围，按任何数量或任何位置设置在多个可得到的贯通空腔中。U形初级导体的侧臂相对于它们的相应中间部分23可以偏离。在其它方面，U形初级导体部分被弯曲成使得它延伸穿过在与安装面正交的平面中定位的导向槽，该安装面偏离与其平行的、延伸穿过对应的预制的空腔的平面，U形初级导体延伸穿过该对应的预制的空腔。这种配置增加了将初级绕组和次级端子24分离的距离，并因而增加在外部电路板上的爬电通路，其中电流传感器打算要安装在该外部电路板上。

在用于差动电流测量的用途中，承载不同初级电流的初级导体或初级导体组可以有利地由空隙分离，该空隙通过在其间保留预制的壳体空腔82空闲而生成，如在图6a和6b中所示的那样。由此增加在承载不同电流的初级导体之间在外部电路板上的爬电通路。

当不是全部空腔都用来安装初级导体时通过贯通空腔的随意选择改变初级导体位置的配置的能力，使得对于外部电路板具有较大设计灵活性-电流传感器打算要安装在该外部电路板上、或者可选择地安装在外部电气连接器上，同时保持制造成本低。事实上，用来生产壳体和其它元件的工具变化是不需要的，仅有的变化是在初级导体组装操作中，借此可以使用相同的导体插入和弯曲工具。

可能注意到，用于初级导体的选择性插入的上述壳体配置也可以有利地在开环电流传感器（即，没有补偿电路的电流传感器）中实施，而不脱离本发明的范围。

根据本发明的磁路的优点是其较好支持在初级导体中的电流超载的能力，这些电流超载有时发生在装置的起动期间。在次级电路补偿产生的磁场之前，电流超载产生磁通门芯饱和的风险。第二支路32的配置，具体地说用侧部和外部壁部分对空腔44的部分或基本上完全包绕、以及外部壁延伸部50和/或侧部壁延伸部50′的存在，有效防止了在空腔44中磁通门磁场传感器位置的饱和问题。

Claims (5)

1.一种电流传感器，包括壳体、具有中央开口的磁路、磁场传感器、及一个或更多个基本U形的初级导体部分，这些基本U形的初级导体部分部分地绕磁路的支路延伸，其中，壳体包括穿过磁路的中央开口在壳体的相对侧部外部面之间延伸的多个预制的初级导体导向空腔，预制的初级导体导向空腔配置成，用于在壳体中组装磁场传感器和磁路之后，穿过预制的初级导体导向空腔插入所述一个或更多个初级导体部分，并且其中，传感器具有比预制的初级导体导向空腔小的初级导体部分。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，壳体包括沿壳体的侧部面的导向槽，所述导向槽用来定位初级导体部分的侧部支路。

3.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，初级导体或初级导体组由空隙分离，该空隙通过在其间保留至少一个预制的壳体空腔（82）空闲而生成。

4.根据权利要求3所述的电流传感器，其中，每个U形的初级导体部分被弯曲成使得它延伸穿过在与安装面正交的平面中定位的导向槽，该安装面偏离与其相平行的、延伸穿过对应的预制的导向空腔的平面，U形的初级导体延伸穿过该对应的预制的导向空腔。

5.根据权利要求1所述的电流传感器，进一步包括补偿电路，所述补偿电路配置成产生磁场，所述磁场与由待被测量的、在所述一个或更多个初级导体中流动的电流产生的磁场相反，磁路包括由组装在一起的至少两个芯部分制成的磁芯，以形成大体闭合的磁路，所述磁芯具有大体平行六面体形状，所述平行六面体具有接合相对的第一和第二支路的相对侧支路，补偿电路包括信号处理电路（12）、围绕磁路的第一支路的线圈（16a）、及围绕磁路的第二支路的线圈（16b），线圈安装在相应的线圈支撑件（14a、14b）上，其中，信号处理电路包括沿传感器的面在线圈的端部处定位的电路板，所述电路板与传感器的安装面（5）大体正交，并且其中，磁路的第二支路（32）包括至少部分地围绕空腔部分（44）的内部壁部分（40a、40b）和外部壁部分（42a、42b），所述空腔部分（44）具有与电路板相邻的敞开端部，允许磁场传感器（8）在与电路板正交的方向上可插入地接纳在该空腔部分（44）中。

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