CN106093524A - 磁芯及电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁芯，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个中柱、设置在中柱两侧的第一侧柱和第二侧柱，所述第一磁芯部件和第二磁芯部件有间隔的对称设置且第一磁芯部件的中柱正对第二磁芯部件的中柱；第一磁芯部件的第一侧柱和第二磁芯部件的第一侧柱之间形成第一气隙，第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱之间形成第二气隙，第一磁芯部件的第二侧柱和第二磁芯部件的第二侧柱之间形成第三气隙。本发明还公开了包括该磁芯的一种电流传感器。采用该磁芯的电流传感器在采用闭环式设计提高测量精度的基础上，可以降低功耗。
Description
技术领域
本发明涉及磁性传感技术领域，特别是磁芯及电流传感器。
背景技术
电流传感器广泛应用于新能源、智能交通、工业控制、智能家电以及智能电网等领域。
常用的电流传感器以磁性传感元件为敏感元件，分为开环式和闭环式两大类。开环式电流传感器是在被测导线周围设置一个带气隙的磁芯，而磁性传感单元位于气隙中，由于电磁感应定律，磁芯产生感生电势，磁性传感单元可测量磁芯气隙处的磁场，后端可根据磁性传感单元的输出信号计算出被测电流的大小。
开环式电流传感的工作方式为直接测量磁场，因此在大电流作用下，磁芯的会出现磁滞和饱和，影响测量精度。为了克服上述问题，本领域技术人员采用闭环式电流传感器测量电流。和开环式电流传感器不同的是，闭环式电流传感器的磁芯上缠绕有补偿线圈，补偿线圈和磁性传感单元电连接，补偿线圈由磁性传感单元的输出电压供电，用以补偿被测电流产生的磁场，当达到磁平衡时，补偿电流产生的磁场和被测电流产生的磁场大致相同，因此磁芯通常工作在无磁通或磁通量很小的环境下，故，可以克服磁滞和饱和现象。后端可通过直接测量补偿线圈的电流大小计算出被测电流大小。
传统的闭环式电流传感器克服了开环式电流传感器的缺陷，但是依然存在一个缺陷，由于补偿电流（单匝电流×线圈匝数）的大小和被测电流大小相同，因此该类传感器的功率很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供磁芯及电流传感器，采用该磁芯的电流传感器在提高测量精度的基础上，可以降低功耗。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种磁芯，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个中柱、设置在中柱两侧的第一侧柱和第二侧柱，所述第一磁芯部件和第二磁芯部件有间隔的对称设置且第一磁芯部件的中柱正对第二磁芯部件的中柱；
第一磁芯部件的第一侧柱和第二磁芯部件的第一侧柱之间形成第一气隙，第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱之间形成第二气隙，第一磁芯部件的第二侧柱和第二磁芯部件的第二侧柱之间形成第三气隙。
作为本发明所述的一种磁芯进一步优化方案，第一磁芯部件和第二磁芯部件为E形。
一种电流传感器，包括上述的磁芯，以及磁性传感单元、放大单元和线圈；其中，磁性传感单元、放大单元与线圈依次连接，磁性传感单元、放大单元与线圈构成电路回路。
作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述磁性传感单元位于第二气隙处，所述线圈缠绕在第一磁芯部件的第一侧柱和第二磁芯部件的第一侧柱上，被测导线位于第二气隙和第三气隙之间或者缠绕在磁芯上。
作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述磁性传感单元位于第一气隙处，线圈缠绕在第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱上，被测导线位于第二气隙和第三气隙之间或者缠绕在磁芯上。
作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述磁性传感单元位于第三气隙处，线圈缠绕在第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱上，被测导线位于第二气隙和第一气隙之间或者缠绕在磁芯上。
作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，还包括取样电阻，所述取样电阻串联在电路回路中。
作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述磁性传感单元为单电阻、半桥结构或全桥结构，所述单电阻包括一个磁电阻，所述半桥结构包括两个串联的磁电阻，所述全桥结构包括两个并联的半桥结构。
作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述磁电阻由一个磁性传感元件构成或者由两个以上的磁性传感元件并联和/或串联构成，磁性传感元件包括霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明旨在提出一种闭环式电流传感器的磁芯，使用该磁芯的闭环式电流传感器可降低功耗；
（2）采用该磁芯的电流传感器在采用闭环式设计提高测量精度的基础上，可以降低功耗。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对发明的限制。在附图中：
图1为闭环式电流传感器结构示意图；
图2为本发明磁芯实施例一的结构示意图；
图3a为本发明磁芯实施例一的被测电流磁场分布图；
图3b为本发明磁芯实施例一的补偿电流磁场分布图；
图4a为本发明磁芯实施例一的被测电流磁场分布图；
图4b为本发明磁芯实施例一去除第一气隙后被测电流磁场分布图；
图5为本发明磁芯实施例二的结构示意图；
图6为第一气隙宽度对被测电流磁场大小的影响；
图7为第二气隙宽度对被测电流磁场大小的影响；
图8为第三气隙宽度对被测电流磁场大小的影响；
图9为本发明电流传感器实施例的结构示意图。
附图中的标记解释为：14-线圈，10-磁芯，15-放大单元，11-磁性传感单元，30-气隙，21-被测导体，16-取样电阻，12-第一磁芯部件，13-第二磁芯部件，31-第一气隙，32-第二气隙，33-第三气隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
图1是传统的非接触式闭环式电流传感器的结构示意图。如图所示，闭环式电流传感器包括环绕在被测导体21周围的磁芯10、磁性传感单元11、放大单元15、取样电阻16以及绕在磁芯10上面的线圈14，其中磁性传感单元11、放大单元15、取样电阻16以及线圈14电连接，被测导体21内通有被测电流I IN。
当被测导体21通入被测电流I IN时，被测导体21周围产生磁场H，磁场H的大小与流过导线的被测电流I IN值成正比，这一磁场H可以通过磁芯10来聚集至气隙30处，然后位于气隙30处的磁性传感单元11可对该处的磁场进行检测，由于磁场H的变化与磁性传感单元11的输出电压V out有良好的线形关系，因此可利用磁性传感单元11测得的输出电压V out，直接反应出被测导线21中的被测电流I IN，即：
I IN∝H∝V out
对于闭环式电流传感器来说，磁性传感单元11的输出电压V out经过放大单元15处理后相当于线圈14的驱动电源，进而线圈14产生一个感生磁场，补偿被测电流I IN产生的感生磁场相互作用，当达到磁平衡时，线圈14中的补偿电流I M（单匝电流I m×线圈匝数N）和被测电流I IN大致相等，即：
I IN≈N·I m
因此可以通过测量补偿电流I M的大小得到被测电流I IN的大小。在闭环式电流传感器中，磁性传感单元11既是测量单元，又是驱动单元，由于磁平衡原理，传感器始终工作在零磁通附近，因此可以克服磁芯10的磁滞和饱和现象。整个电路回路串联的取样电阻16用以将电流输出I m转化为电流传感器的电压输出V OUT，若后端只需要电流输出，就不需要取样电阻16，因此取样电阻16不是必要结构。
放大单元15接受磁性传感单元11的输出电压V out，并为线圈14提供驱动电流，线圈14在磁芯10中产生的补偿电流磁场与被测电流磁场在气隙30处大小相等，方向相反，抵消被测电流磁场，形成负反馈闭环控制电路。若补偿电流I M过小，产生的磁场不足以抵消被测电流磁场，放大单元15将输出更大的电流，反之，放大单元15输出电流减小，从而维持气隙处的磁场平衡。若被测电流I IN发生变化，气隙处磁场平衡被破坏，负反馈闭环控制电路同样会调节补偿电流I M，使磁场重新达到平衡。宏观上讲，气隙30处将一直维持零磁通，保持磁平衡。后端可根据电压输出V OUT计算出被测电流I IN，也可以通过直接测量单匝电流I m计算出被测电流I IN。
由上述不难看出，闭环式电流传感器的功率和单匝电流I m和线圈匝数N直接相关，而I m和N也是相关的，若降低线圈匝数N，单匝电流I m也会相应增加，换言之，闭环式电流传感器的功率和补偿电流I M相关。由于补偿电流I M和被测电流I IN基本相等，在实际应用中，该类传感器功率非常大。
为了克服上述缺陷，本发明提出了一种电流传感器所用的磁芯，可以使补偿电流I M远小于被测电流I IN，进而降低闭环式电流传感器的功率。
图2是本发明电流传感器磁芯实施例一的结构示意图，如2图所示，该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的形状都为E形，第一磁芯部件12和第二磁芯部件13保持一定的距离，对称拼接使用。所述磁芯依次具有第一气隙31、第二气隙32以及第三气隙33，磁性传感单元11位于第二气隙32处，被测导线21位于第二气隙32和第三气隙33之间，或者被测导线21直接缠绕在磁芯上；线圈14缠绕在该磁芯的第一气隙31附近。
图3a为本发明磁芯实施例一的被测电流磁场分布图，图3b为为本发明磁芯实施例一的补偿电流磁场分布图。图中虚线表示被测电流磁场分布，在测量区域，即第二气隙32处，被测电流磁场的磁通量占比较小，补偿电流磁场的磁通量占比较大，因此在被测电流磁场与补偿电流磁场在测量位置，即第二气隙32处，补偿电流I M只需比被测电流I IN小，就可以达到磁平衡，进而，采用该磁芯的电流传感器在采用闭环式设计提高测量精度的基础上，可以降低功耗。
第三气隙33的作用是使磁芯不至于饱和，使磁性传感单元11工作在线性区域，第一气隙31的作用是保证第二气隙32处有一定的磁通，否则就无法降低位于第一气隙31处的补偿电流，达到降低功耗的目的。图4a为本发明磁芯实施例一的被测电流磁场分布图，图4b为本发明磁芯实施例一去除第一气隙后被测电流磁场分布图。如图所示，图中虚线表示被测电流磁场分布，不难看出，没有第一气隙31的磁芯在第二气隙32处的被测电流磁场磁通量基本为零。
综上所述，要实现补偿电流I M远小于被测电流I IN，需要满足的条件为：磁芯具有分散补偿电流磁场的中柱，从形状上来说，磁芯要具有三个气隙。因此，磁芯的形状不局限于实施例一，可以不是规整的方形，例如边角可以有一定弧度，因此本发明所指的E形是指第一磁芯部件12和第二磁芯部件13的形状大体上是E形，而不是特指严格意义上的E形。
图5为本发明磁芯实施例二的结构示意图，如图所示，本发明实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都为设置有中柱的半环形，第一磁芯部件12和第二磁芯部件13保持一定的距离，对称拼接使用。所述磁芯依次具有第一气隙31、第二气隙32以及第三气隙33，磁性传感单元11位于第二气隙32处，被测导线21位于第二气隙32和第三气隙33之间，或者被测导线21直接缠绕在磁芯上；线圈14缠绕在该磁芯的第一气隙31附近。
由于实现补偿电流I M远小于被测电流I IN的实质是磁芯具有分散磁场的中柱，因此不需要磁性传感单元11一定位于第二气隙处，也可以是磁性传感单元11位于第一气隙31处，线圈14缠绕在该磁芯的第二气隙32附近，被测导线21位于第二气隙32和第三气隙33之间，或者被测导线21直接缠绕在磁芯上；同理，也可以将磁性传感单元11设置于第三气隙33处，线圈14缠绕在第二气隙32附近，被测导线21位于第二气隙32和第一气隙31之间，或者被测导线21直接缠绕在磁芯上。
图6-图8是三个气隙宽度对磁性传感单元11所在位置的被测电流磁场分布影响的模拟计算结果。
如图6所示，随着第一气隙31的宽度的增加，位于第二气隙32处的被测电流磁场有明显的增加。
如图7所示，随着第二气隙32的宽度的增加，位于该处的被测电流磁场有明显的降低。
如图8所示，随着第三气隙33的宽度的增加，位于第二气隙32处的被测电流磁场有一定的减少。
第一气隙31、第二气隙32以及第三气隙33的宽度可根据需求进行调节，进而调节第二气隙32处的被测电流磁场磁通量大小。通常来说，第二气隙32处的磁通量占比越小越好，这样会提高磁性传感单元11输出的线性度，但是随之带来的缺陷是会增加第一气隙31处的磁通量占比，进而增加了电流传感器的功耗，因此实际使用中会对针对这一问题根据需求做出合理的设计。
上述关于三个气隙宽度对被测磁场分布的影响是建立在三个气隙处磁芯的截面积一定的情况下的，磁芯实际最终形状可根据需求调节三个气隙宽度以及对应的磁芯截面积。
需要注意的是，图6-图8的被测电流磁场大小指的是磁性传感单元11所在位置，即第二气隙32处的被测电流磁场大小，由上述可知，磁性传感单元11可以位于第一气隙31、第二气隙32以及第三气隙33的任一处，因此图6-图8对磁性传感单元11位于其他位置的情况也具有参考价值。
图9为本发明电流传感器实施例的结构示意图，所述电流传感器包括磁芯（12和13）、磁性传感单元11、放大单元15以及线圈14；其中，磁性传感单元11、放大单元15与线圈14依次连接，磁性传感单元11、放大单元15与线圈14构成电路回路；所述磁性传感单11元位于第二气隙32处，所述线圈14缠绕在第一气隙31处的磁芯上。该电流传感器的工作方式和电连接方式与传统的闭环式电流传感器相同，如前述。
被测导线21通常是穿过所述磁芯的第二气隙32和第三气隙33之间的空隙，或，该被测导线21直接缠绕在磁芯上。
如前述，由于实现补偿电流I M远小于被测电流I IN的实质是磁芯具有分散磁场的中柱，因此不需要磁性传感单元11一定位于第二气隙处，也可以是磁性传感单元11位于第一气隙31处，线圈14缠绕在该磁芯的第二气隙32附近，被测导线21位于第二气隙32和第三气隙33之间，或者被测导线21直接缠绕在磁芯上；同理，也可以将磁性传感单元11设置于第三气隙33处，线圈14缠绕在第二气隙32附近，被测导线21位于第二气隙32和第一气隙31之间，或者被测导线21直接缠绕在磁芯上。
本发明的电流传感器还可以包括取样电阻16，所述取样电阻16串联在电路回路中，其作用是将电流输出（即单匝电流I m）转化为电压输出V OUT。
通常所述磁性传感单元11为单电阻、半桥或全桥结构，所述单电阻包括一个磁电阻，所述半桥包括两个串联的磁电阻，所述全桥包括两个并联的半桥。所述磁电阻由一个磁性传感元件构成，或，由两个以上的磁性传感元件并联和/或串联构成。将多个磁性传感元件串联和/或并联的有益效果是可以通过预先设置磁性传感元件的个数来解决磁性传感元件在纳米加工或微加工中的一致性（Uniformity）问题，同时还可以降低磁性传感元件的电子遂穿几率，提高其静电防护能力。
所述磁性传感元件包括霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。其中，灵敏度高、精度高、体积小、温漂性能好的各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件为优选。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种磁芯，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个中柱、设置在中柱两侧的第一侧柱和第二侧柱，所述第一磁芯部件和第二磁芯部件有间隔的对称设置且第一磁芯部件的中柱正对第二磁芯部件的中柱；
第一磁芯部件的第一侧柱和第二磁芯部件的第一侧柱之间形成第一气隙，第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱之间形成第二气隙，第一磁芯部件的第二侧柱和第二磁芯部件的第二侧柱之间形成第三气隙。
2.根据权利要求1所述的一种磁芯，其特征在于，第一磁芯部件和第二磁芯部件为E形。
3.一种电流传感器，其特征在于，包括权利要求1或2任一所述的磁芯，以及磁性传感单元、放大单元和线圈；其中，磁性传感单元、放大单元与线圈依次连接，磁性传感单元、放大单元与线圈构成电路回路。
4.根据权利要求3所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁性传感单元位于第二气隙处，所述线圈缠绕在第一磁芯部件的第一侧柱和第二磁芯部件的第一侧柱上，被测导线位于第二气隙和第三气隙之间或者缠绕在磁芯上。
5.根据权利要求3所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁性传感单元位于第一气隙处，线圈缠绕在第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱上，被测导线位于第二气隙和第三气隙之间或者缠绕在磁芯上。
6.根据权利要求3所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁性传感单元位于第三气隙处，线圈缠绕在第一磁芯部件的中柱和第二磁芯部件的中柱上，被测导线位于第二气隙和第一气隙之间或者缠绕在磁芯上。
7.根据权利要求3所述的一种电流传感器，其特征在于，还包括取样电阻，所述取样电阻串联在电路回路中。
8.根据权利要求3所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁性传感单元为单电阻、半桥结构或全桥结构，所述单电阻包括一个磁电阻，所述半桥结构包括两个串联的磁电阻，所述全桥结构包括两个并联的半桥结构。
9.根据权利要求8所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁电阻由一个磁性传感元件构成或者由两个以上的磁性传感元件并联和/或串联构成，磁性传感元件包括霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161109 |