CN103080752B - 环形磁通门电流换能器 - Google Patents

Abstract

一种环形磁通门电流换能器，其包括环形磁通门感测单元（6），所述环形磁通门感测单元包括环形支座（40）、安装在所述支座（40）上的饱和磁芯（38）、围绕所述支座和饱和磁芯缠绕的激励线圈（44）以及围绕所述激励线圈、环形支座和饱和磁芯安装的磁壳（32）。所述支座为环形并且包括固定到所述支座的端子（50、48），第一对所述端子连接到所述激励线圈的端部，第二对所述端子连接到所述电流换能器的次级线圈的端部。

Description

环形磁通门电流换能器

技术领域

本发明涉及具有用于闭环应用的次级线圈的环形磁通门电流换能器。

背景技术

磁通门换能器具有由激励线圈围绕的饱和磁芯，所述激励线圈施加交替地饱和磁芯的交替磁场。在存在外部磁场的情况下，偏压施加于饱和磁芯的饱和，使得实现激励信号的对称。该不对称与外部磁场的幅度相关并且因此用于读取外部磁场的幅度。在磁力计中，激励电流由电子电路处理，所述电子电路向围绕磁通门换能器缠绕的次级线圈（也被称为补偿线圈）或向联接到磁通门换能器的磁路生成反馈信号。补偿电流设法消除外部磁场的影响，由此次级（或补偿）电流因此代表磁场的幅度。在电流换能器中，磁场由在初级导体中流动的初级电流（待测量的电流）生成。初级导体典型地定位成穿过由磁场换能器形成或联接到磁场换能器的磁路。

某些已知的磁通门换能器具有围绕初级导体所穿过的中心孔的环形。磁通门换能器具有高灵敏度并且因此很适合于测量小电流或小幅差动电流，然而，它们与基于霍尔效应磁场检测器的开环电流换能器或闭环电流换能器相比制造和实施成本较高。影响基于磁通门原理的电流换能器的成本的因素是激励线圈和次级线圈的提供、饱和磁芯的提供以及线圈与电子电路的互连。

磁通门换能器的灵敏度也导致线圈和各部件的相对位置的更严格制造公差，这也导致增加的制造成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于环形磁通门磁场检测器的闭环电流换能器，其精确、可靠并且制造成本经济。

提供一种大规模制造经济的闭环环形磁通门电流换能器将是有利的。

提供一种紧凑的闭环环形磁通门电流换能器将是有利的。

提供一种结实的闭环环形磁通门电流换能器将是有利的。

通过提供根据权利要求1所述的闭环环形磁通门电流换能器实现本发明的目的。

本文中公开了一种环形磁通门电流换能器，其包括环形磁通门感测单元，所述环形磁通门感测单元包括介电或绝缘支座，安装在所述支座上的饱和磁芯，围绕所述支座和饱和磁芯缠绕的激励线圈以及围绕所述激励线圈安装的磁壳。所述支座为环形并且包括固定到所述支座的端子，第一对所述端子连接到所述激励线圈的端部，并且第二对所述端子连接到所述电流换能器的次级线圈的端部。有利地，用于次级和激励线圈的连接端子整合到用于饱和磁芯的支座中简化感测单元组装和互连到信号处理电路的制造。该配置也提供更紧凑、可靠和稳定的布置。

在本文中所使用的术语“环形”和“环”不限于圆形，而是包含围绕孔以允许一个或多个初级导体穿过其中的方形、矩形、多边形、椭圆形或任何规则或不规则的闭合或几乎闭合形状。

信号处理电路可以包括连接到所述感测单元的端子的电路板。

所述感测单元还可以包括介电罩壳，所述介电罩壳围绕所述激励线圈和饱和磁芯安装并且形成次级磁芯围绕其缠绕的支座。所述介电罩壳可以有利地包括多个间隔开的向内径向翼片，所述径向翼片用于侧向地支撑线圈并且将感测单元定位在换能器的外壳中。所述介电罩壳可以有利地包括突起，所述突起接合在所述换能器的电路板中的互补孔中以相对于所述感测单元和所述换能器的外壳定位所述电路板。

用于所述饱和磁芯和激励线圈的环形介电或绝缘支座也可以包括提供定位表面的多个间隔开的径向翼片，所述定位表面配置成相对于围绕所述介电支座和激励导体安装的磁壳定位所述支座。

换能器可以有利地包括例如由折叠成环形的具有高磁导率材料的条或带制成的环形内部磁屏蔽罩和环形外部磁屏蔽罩。内部磁屏蔽罩用于减小通过中心通道的偏心初级导体位置的影响，而外部磁屏蔽罩用于减小来自外部磁场的干涉。

通过提供根据权利要求7所述的闭环环形磁通门电流换能器实现本发明的目的。

在本发明的另一个方面中，所述换能器包括作为单独部件提供的初级导体单元，所述初级导体单元包括介电体和配置成传送待测量的电流的多个导体，所述多个导体一起保持在所述介电体内，所述介电体形成通过所述外壳的中心通道可单独安装并且可锁定到所述外壳的大体U形或V形部件。所述介电体可以是模制在所述初级导体上的塑料主体并且包括整体模制弹性夹臂，所述夹臂与所述换能器外壳中的互补夹子相互接合以将所述初级导体单元固定和锁定到所述换能器外壳。所述介电体还包括定位肩部或凸缘，所述定位肩部或凸缘抵靠所述换能器外壳以相对于所述外壳定位所述初级导体单元。

在实施例中，所述初级导体单元可以包括形成至少第一和第二对导体的至少四个初级导体，第一对初级导体用于在第一方向上传送电流并且第二对初级导体用于在相反方向上传送电流，所述第一和第二对初级导体布置成使得一对初级导体中的导体定位在另一对初级导体的导体之间并且交错。在该配置中，所述换能器可以作为差动换能器操作以测量具有相反电流的两个导体或导体对之间的电流的差异。

在实施例中，所述初级导体单元可以包括用于传送三相电流和三相系统的中性点或测试电流的至少四个初级导体，所述测试电流用于自动测试所述换能器在其中使用的系统能力。在该配置中，所述换能器可以用作差动（或求和）电流换能器，其测量在正常操作期间应当接近零的三相系统中的电流和。

所述初级导体可以呈挤出导线的形式或由金属片压制或形成，其由所述介电体包覆模制或插入所述初级导体单元的所述介电体中。备选地，所述初级导体可以形成为镀覆在板（例如印刷电路板）上的电迹。

附图说明

从权利要求和关于附图进行的本发明的实施例的以下详细描述将显而易见本发明的另外优点和特征。

图1a是根据本发明的实施例的环形磁通门电流换能器的具有部分横截面的透视图；

图1b是图1a的实施例的透视分解图；

图1c和1d是根据图1a的实施例的透视图，其中使外壳透明以便更好地显示外壳内部的部件；

图2a是根据本发明的实施例的磁通门电流换能器的透视图，换能器带有预组装到换能器外壳的初级导体；

图2b和2c是图2a的实施例的透视图，显示初级导体元件正组装到换能器外壳；

图2d是图2a的实施例的横截面图；

图3是环形磁通门感测单元的分解透视图；

图4a是根据本发明的实施例的饱和磁芯和激励线圈单元的具有部分横截面的透视图；

图4b是图4a的单元的分解图。

具体实施方式

参考附图，首先从图1a至1d开始，根据本发明的实施例的电流换能器2包括外壳4、安装在外壳中的环形磁通门感测单元6、例如包括印刷电路板7的信号处理电路8，所述信号处理电路也安装在外壳中并且具有延伸通过外壳以用于连接到用于供电的外部电路的电端子18和测量信号的输出。换能器可以包括中心通道16，传送待测量的电流的一个导体或多个导体20、20a、20b延伸通过所述中心通道。待测量的电流将被称为初级电流并且导体被称为初级导体。换能器还包括分别在径向内部并且径向地围绕磁通门感测单元6定位的内部磁屏蔽罩12和外部磁屏蔽罩10。磁屏蔽罩10、12可以有利地由具有高磁导率的材料的折叠条或带制成，例如硅钢、透磁合金、超合金、非晶态或纳米晶体合金等。屏蔽罩也可以由挤出或铸造材料的圆柱形部分制成或者具有其它非圆柱形状并且由其它工艺形成，例如由片状材料压制和形成。外部屏蔽罩10用于减小外部磁场的影响，特别是在中心通道16的外部生成的磁场，例如来自电导体、电动马达和围绕或邻近电流换能器定位的其它磁场生成设备的干扰。内部屏蔽罩12用于形成磁路，该磁路再分布延伸通过中心通道16的初级导体的磁场以便减小延伸通过通道16的初级导体的偏心影响。

环形磁通门感测单元6可以具有闭合圆形，如图中所示，或者可以具有围绕孔以允许一个或多个初级导体穿过其中的其它闭合或几乎闭合形状，例如方形、矩形、多边形、椭圆形或任何规则或不规则形状。

根据本发明的换能器可以有利地用于测量所谓的差动电流，该差动电流是在多个初级导体中流动的电流的和。这例如可以用于确定电路中的泄漏。例如，穿过中心通道16的闭合电路的一对导体在正常操作的情况下将具有幅度相等但是方向相反的电流，由相反电流生成的磁场彼此抵消。如果在电路中有泄漏，则供应和返回电流将不具有相等的幅度，并且最后产生的差异生成与差动电流相关的非零磁场。内部径向屏蔽罩12用作磁路，该磁路捕获由导体生成的双极磁场并且在磁屏蔽罩内循环该磁场，因此减小每个导体对磁场感测单元6的偏心影响。

电路板8连接到感测单元6的激励线圈并且连接到感测单元的次级（补偿）线圈，并且还可以包括用于对测量信号进行滤波或预处理的部件。电路板将激励线圈和次级线圈经由通过换能器的安装面17突出的连接端子18互连到外部电路。连接端子18包括用于连接到电源的端子和用于将输送测量信号的端子。安装面17可以带有安装腔15，安装销14压力配合插入该安装腔中，由金属片压制和形成的安装销适合于软焊、熔焊或通过端子18也连接到其上的外部电路板的孔压力配合插入。两个端子和安装销14的连接用于将换能器机械地固定到外部装置。

现在结合图2a至2c参考图1a至1d，根据变型的换能器还可以包括初级导体单元19，该初级导体单元包括被一起保持在可以为塑料主体形式的介电体22内的多个导体20，所述塑料主体模制在导线20上以形成通过换能器外壳4的中心通道16可安装的大体U形或V形部件。在初级导体单元19的两个端部的初级导体20的连接端24平行并且在相同方向上突出。连接端24突出超过介电体的安装面25，该安装面布置在与换能器的安装面17相同的平面内，或者处于大致相同水平，使得连接端子18、安装销14和初级导体连接端24可以同时安装在外部大致平面电路板上。

初级导体单元17有利地作为单独部件被提供，其单独地被制成并且可以取决于换能器的用途和应用可选地安装到换能器外壳4。大致U形或V形初级导体单元19配置成通过换能器2的中心通道16插入，从一端开始并且进给通过通道16直到它对称地定位，连接端24突出超过安装面14。介电体22可以有利地包括整体模制弹性夹臂26，所述夹臂与出现在换能器外壳4中的互补夹子相互接合以将初级导体单元固定和锁定到换能器外壳。介电体22还可以包括定位肩部或凸缘27，所述定位肩部或凸缘抵靠换能器外壳4以相对于外壳定位初级导体单元。初级导体单元19可以有利地包括至少四个导体20，所述至少四个导体形成至少第一和第二对导体，第一对导体20a用于在一个方向上传送电流，并且另一对导体20b用于在相反方向上传送电流。导体对布置成使得一对导体中的导体定位在另一对导体中的导体之间并且与之交错。该布置改善磁场的分布并且特别地消除由幅度相等但是方向相反的电流引起的磁场，由此导致一对导体和另一对导体之间的差动电流的最佳拾取。

如图1a至1d中所示，外壳4可以制成两个部分4b、4a，一个部分4a用作夹在外壳部分4b上的盖部分，在所述外壳部分中包括感测单元6、径向屏蔽罩10、12并且最后包括电路板8的部件在轴向A上组装在主外壳部分4b中。电路板8作为邻近盖部分4c的最后部件之一安装成使得连接端子18可以定位成穿过位于盖部分4a与主外壳部分4b相遇的界面21处的腔23。电路板8在组装到外壳中之前可以预连接和预固定到感测单元6。备选地，当将部件组装在主外壳部分4b中时，可以执行将电路板8连接和一起固定到感测单元6。盖4a可以借助于夹子27或通过焊接（例如粘结）或通过这两种方式永久地固定到主外壳部分4b。外壳部分4b的内部也可以填充有介电树脂。

现在参考图3，将更详细地描述环形磁通门感测单元6。感测单元6包括饱和磁芯单元30，该磁芯单元由两个部分32a、32b所形成的屏蔽罩32围绕，还由具有两个部分34a、34b的介电罩壳34围绕，所述两个部分还由次级线圈36（也被称为补偿线圈）围绕。在闭环换能器中众所周知，次级或补偿线圈36由在反馈环中连接到饱和磁芯单元30的电子电路驱动，由此次级线圈被驱动以生成设法消除由初级导体生成的磁场对饱和磁芯单元的影响的磁场。次级电流的幅度和方向形成初级电流的状态并且因此可以用作初级电流的测量值，所述初级电流可以是差动电流，如上所述。

次级线圈36由围绕介电罩壳34缠绕的具有绝缘涂层的细导线制成。图3中的视图因此被简化，原因在于未描述线圈的导线，但是应当理解元件36由围绕介电罩壳34的线圈绕组形成。

饱和磁芯单元30包括饱和磁芯38，该饱和磁芯可以有利地呈非晶态磁性材料的条或带的形式，例如Metglas2714A，其安装在介电支座40上，该介电支座为环形并且例如由注射塑料材料制成。支座40优选地由单个部件制成，如图所示，但是也可以由在换能器的组装期间固定在一起的两个或更多部件制成。非晶态磁性材料的条38可以在粘合剂涂覆在条的一侧或涂覆在介电支座40上或优选地设在绝缘胶带39上的情况下安装，使得非晶态磁性材料条38可以粘结到介电支座的外表面42。非晶态磁性材料的条可以在支座上形成单层，可选地在相对自由端部具有一定重叠，或者在支座上形成两个或更多层，作为围绕支座缠绕的单条或作为多个单独叠条。

激励线圈44围绕介电支座40和位于其上的非晶态磁性材料条38缠绕。考虑到可能导致线圈绕组和非晶态磁性材料条之间的摩擦的任何振动和运动，绝缘胶带39可以有利地用作激励线圈的绕组之间的保护介电分离以防止非晶态饱和磁芯和激励线圈的绕组之间的任何电接触。环形介电支座40可以有利地包括围绕环分布并且径向向内突出的多个间隔开的径向翼片46，例如三至七个径向翼片，径向翼片不仅用于提供激励线圈的侧向定位支撑，而且用于在围绕其定位的屏蔽元件32a、32b内并且相对于所述屏蔽元件径向地居中支座。径向翼片也用作间隔件以避免激励线圈和屏蔽元件32a、32b之间的直接接触。

在变型中，饱和磁芯单元可以作为线性单元产生，由此非晶态磁性材料的线性条或带安装在线性绝缘支座上，并且激励线圈围绕其缠绕，线性单元然后弯曲成最终的环形。

激励线圈可以由细铜线或其它导电材料制成。考虑到线的小厚度，未在图中描绘绕组，激励线圈由示出激励线圈所占据的体积的附图标记44表示。多个连接端子48、50安装到介电支座40。端子可以压力配合方式位于介电支座中的预成形腔中，或由互相接合夹子锁定或通过介电支座的包覆模制在端子48、50的部分上进行固定。在支座40由组装在一起的多于一个的部分制成的实施例中，在将支座部分组装在一起形成完整支座之前，端子可以预组装到支撑部分之一。

有利地，根据本发明的方面，设有至少两对端子，第一对端子50连接到激励线圈44的端部并且第二对端子48连接到次级线圈36的端部。激励线圈的端部和次级线圈的端部可以通过各种已知连接技术连接到相应的端子48、50，例如熔焊、软焊、卷边、卷绕柱连接技术或在导线和连接端子之间的任何其它已知的连接技术。端子连接部分可以呈销或绝缘位移片或卷边连接的形式。

用于激励线圈和次级线圈的连接端子整合到用于饱和磁芯的支座环中减小部件的数量以及制造和组装的成本。而且该配置提供特别紧凑的布置。

围绕介电支座40和饱和磁芯条38的环形磁屏蔽壳32a、32b带有孔52以允许连接端子50、48通过其中突出以用于连接到在一侧的电路板8并且用于连接到在相对侧的次级线圈。端子对48的连接部分48a足够长以延伸通过屏蔽壳并且通过设在介电罩壳54a中的孔54，从而在围绕饱和磁芯单元组装外壳和屏蔽壳之后允许次级线圈的导线连接并且围绕外壳缠绕。端子48、50和屏蔽壳32a、32b和绝缘壳34a、34b中的相应通道可以以非对称方式布置以保证屏蔽壳和绝缘壳正确定向和组装到饱和磁芯单元30。例如，激励导体的端子48可以以不规则距离与次级线圈的端子50间隔。

屏蔽壳32a、32b由具有高磁导率的磁性材料制成并且可以有利地由一片磁性材料形成，两个屏蔽壳32a、32b具有相同形状。当围绕饱和磁芯单元30组装在一起时，屏蔽壳32a、32b沿着它们的径向外缘56彼此接触，而在它们的径向内缘58处提供小气隙。该结构保证屏蔽壳相对于彼此并且围绕饱和磁芯单元的精确定位，以及避免由于内部径向气隙引起的围绕检测器的短路回路。

绝缘壳34a、34b有利地包括间隔开并且围绕环形绝缘壳分布的径向翼片59。径向翼片用于侧向地支撑围绕绝缘壳缠绕的次级线圈以及提供将磁通门感测单元6定位在换能器外壳4内的定位边缘或表面。绝缘壳还可以带有定位或固定突起60，所述突起接收在设在电路板8中的互补孔61中以将电流板定位和稳固地保持到感测单元。两个壳34a、34b可以包括允许壳部分在组装期间固定在一起的接合夹子。备选地或附加地，其它固定或粘结手段（例如超声焊接）可以用于将两个绝缘壳34a、34b围绕次级线圈和饱和磁芯单元固定在一起。

Claims (6)

1.一种环形磁通门电流换能器，所述环形磁通门电流换能器包括环形磁通门感测单元，所述环形磁通门感测单元包括由导电线制成的次级线圈、环形介电支座、安装在所述环形介电支座上的饱和磁芯、由导电线制成的且围绕所述环形介电支座和饱和磁芯缠绕的激励线圈以及围绕所述激励线圈、环形介电支座和饱和磁芯安装的磁壳，其特征在于，所述环形介电支座包括固定到所述环形介电支座的端子，第一对所述端子连接到所述激励线圈的端部，第二对所述端子连接到所述环形磁通门电流换能器的所述次级线圈的端部。

2.根据权利要求1所述的环形磁通门电流换能器，所述环形磁通门电流换能器还包括连接到所述环形磁通门感测单元的所述端子的电路板。

3.根据权利要求1所述的环形磁通门电流换能器，其中所述环形磁通门感测单元还包括介电罩壳，所述介电罩壳围绕所述激励线圈和饱和磁芯安装并且形成周围围绕着所述次级线圈的支座件。

4.根据权利要求3所述的环形磁通门电流换能器，其中所述介电罩壳包括多个间隔开的径向翼片。

5.根据权利要求1所述的环形磁通门电流换能器，其中所述介电罩壳包括突起，所述突起接合在所述环形磁通门电流换能器的电路板中的互补孔中。

6.根据权利要求1所述的环形磁通门电流换能器，其中所述环形磁通门感测单元的所述环形介电支座包括提供定位表面的多个间隔开的径向翼片，所述定位表面被构造成相对于围绕所述环形介电支座和激励线圈安装的磁壳定位所述环形介电支座。