CN106706990A - 一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及霍尔电流传感器磁芯固定结构组件领域，尤其涉及一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件，它包括：叠片铆冲带气隙的单磁芯上需要时设置有固定孔或定位槽，非导磁金属片铆冲或焊在单磁芯上顶层或最外上下层；卷绕带气隙的单磁芯将非导磁金属片焊在磁芯气隙处的外侧面或顶部；用两个同尺寸、带一个或偶数个气隙的单磁芯以及一个固定架或骨架时，两个带气隙的单磁芯安装在固定架或骨架的上下两面，偶数个气隙错位安装或对称分布或均分整个磁路；固定架或骨架的侧面设置有插槽与磁芯的气隙相通，转换板插在插槽内，磁芯气隙中的霍尔元件直接或用转换板与印制电路板连接。

Description

一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件

技术领域

本发明涉及霍尔电流传感器磁芯固定结构组件领域，尤其涉及一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件。

背景技术

随着电力电子技术的发展，各种变流技术、交流数控装置等日新月异，在这些以电流作为测量和监控对象的自控领域中，特别是在电动汽车、轨道交通等领域中，不但要求电流传感器一致性好、可靠性高，还必须在更宽温区范围内高精度测量；而在全球经济复苏乏力、市场竞争日趋激烈的情况下，对电流传感器提出更高性价比的要求，为适应、满足市场的需求，国内外各厂商竭尽所能，开发出工作温区更宽、性能更高、价格更低的高性价比的电流传感器。

霍尔电流传感器因其优异的性价比被广泛应用而形成产业化；霍尔电流传感器通常有开环、闭环两种工作模式，霍尔电流传感器是一种新型的电流传感器，具有灵敏度高、功耗低、电隔离、性价比高、使用方便等特点，被广泛用于各种变流技术、交流数控装置等以电流作测量和监控对象的自控领域中。

开环型霍尔电流传感器由霍尔元件、软磁材料制成带气隙的磁芯及适当的放大器电路组成；闭环型霍尔电流传感器由软磁材料制成带气隙的磁芯、霍尔元件、次级线圈及适当的功率放大电路组成。这两种工作原理的霍尔电流传感器都必须采用由软磁材料制成的带气隙的磁芯，其磁芯的加工工艺、材料分别为：

开环型：材料一般采用取向硅钢片，加工工艺有叠片铆冲成带1个或偶数个对称气隙的磁芯或者卷绕成磁芯后再加工一个或偶数个对称分布的气隙；

闭环型：材料一般采用坡塻合金，加工工艺有叠片铆冲成带气隙的磁芯或卷绕成磁芯后再加工气隙。

这两类软磁材料制成带气隙的磁芯，其外形一般为圆环形和方形。

这种磁路结构存在以下问题：

如图1和2所示，单磁芯、单气隙结构的霍尔电流传感器由于磁芯的剩磁比较大，霍尔电流传感器零点变化大，严重影响霍尔电流传感器的测量精度。为了减少剩磁影响，采用低剩磁的铁镍合金材料制成磁芯，将大大的增加了霍尔电流传感器的制造成本。

如图3和4所示，单磁芯、多个气隙的结构霍尔电流传感器，磁芯安装固定十分不易，需要先将磁芯逐段定位在塑料外壳中，逐一用与气隙宽度一致的塑料块放置在气隙中并用灌封胶来固定，但灌封胶固化需要时间，无法确保气隙宽度一致性，将影响传感器批量生产时的生产效率和参数的一致性。

单磁芯、单个或多个气隙结构的霍尔电流传感器，其磁芯外形一般为圆环形和方形，在多个气隙时，逐一用与气隙宽度一致的塑料块放置在气隙中来保证气隙宽度一致性、稳定性，但是在宽温度范围条件下，由于机械加工时无法做到磁芯每处形变、应力等都一致，随着温度变化，塑料块和软磁材料的热膨胀系数不可能一致，导致气隙宽度的热膨胀系数不是恒定的常数，从而使得霍尔电流传感器的输出幅度随着温度非线性变化，无法进行线性补偿，从而导致霍尔电流传感器的温度稳定性差，严重影响霍尔电流传感器的测量精度。

单磁芯单个或多个气隙结构霍尔电流传感器，其磁芯由于磁路不闭合，随着磁芯气隙宽度或个数的增加，磁芯的有效磁导率迅速下降，霍尔电流传感器在测量交流电流时，初、次级不能紧耦合，初级载流导体在霍尔电流传感器的穿芯孔中不同位置时，传感器的输出幅度、波形等发生很大的变化，严重影响霍尔电流传感器的工作带宽和测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件，使得霍尔电流传感器的工作温度范围更宽、测量范围大、测量更加精确，同时降低了批量生产霍尔电流传感器的成本。

为解决上述技术问题，本发明的一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件，包括单磁芯气隙固定结构组件和双磁芯气隙固定结构组件，

单磁芯气隙固定结构组件包括一个单磁芯及当需要固定单磁芯的固定架或骨架，单磁芯包括一个或偶数个气隙；

单磁芯包括叠片铆冲带气隙的单磁芯和卷绕带气隙的单磁芯；

叠片铆冲带气隙的单磁芯上需要时设置有固定孔或定位槽，非导磁金属片铆冲或焊在磁芯上顶层或最外上下层，固定时，通过固定针穿过固定孔焊在印制电路板上；

当卷绕带气隙的单磁芯的高度为霍尔元件安装高度的2倍以上，非导磁金属片焊接在磁芯气隙的外侧面；

当卷绕带气隙的单磁芯的高度为霍尔元件安装高度的1.5倍以内，非导磁金属片焊接在磁芯气隙的顶部；

当单磁芯包括偶数个对称分布的气隙时，每个气隙中设置有1个霍尔元件，偶数个霍尔元件的输入、输出端分别并联；

当单磁芯气隙固定结构组件需要固定架或骨架时，所述的固定架或骨架上设置有固定孔和霍尔元件插槽，固定引针穿过单磁芯的固定孔，固定架或骨架的固定孔与印制电路板上的焊孔连接；

双磁芯气隙固定结构组件包括两个同尺寸的所述单磁芯及一个固定两个单磁芯的固定架或骨架，两个单磁芯的气隙错位安装或对称分布或均分整个磁路，两个单磁芯安装在双磁芯气隙固定结构组件固定架或骨架的上下两面，双磁芯气隙固定结构组件的固定架或骨架的侧面设置有插槽，插槽与安装在双磁芯气隙固定结构组件上单磁芯的气隙相通，插槽中插有转换板，单磁芯的每个气隙中均设置有一个霍尔元件，霍尔元件直接或通过转换板与印制电路板连接。

作为本发明的优化方案，非导磁金属片为不锈钢片。

作为本发明的优化方案，单磁芯的形状均为圆形或方形或异形。

作为本发明的优化方案，单磁芯气隙固定结构组件和双磁芯气隙固定结构组件的固定架或骨架形状均为圆形或方形或异形。

本发明具有积极的效果：1)本发明通过将非导磁金属片铆冲或焊在带气隙的单磁芯的上顶层或最外上下层，需要固定针时固定针穿过固定孔焊在印制电路板上，卷绕带气隙的单磁芯将非导磁金属片焊在磁芯气隙处的侧面或顶部，这样带一个或偶数个气隙的单磁芯通过不锈钢片固定成一个整体，同时，由于不锈钢片与单磁芯材料组成成分基本接近、膨胀系数基本接近，因此，单磁芯的气隙宽度及热膨胀系数一致性将得到保障，在电路中对霍尔元件的灵敏度进行了线性温度补偿，大大的提高了霍尔电流传感器的温度稳定性；

2)当带气隙的单磁芯有偶数个对称分布的气隙时，每个气隙中有1个霍尔元件，偶数个霍尔元件输入、输出端分别并联，当单磁芯气隙固定结构组件需要固定架或骨架时，固定架或骨架上设置有固定孔，固定引针穿过叠片铆冲带气隙的单磁芯的固定孔和固定架或骨架的固定孔与印制电路板连接，这样不仅大幅度降低了穿芯式霍尔电流传感器的位置误差，也大大简化霍尔元件的温度补偿电路及安装流程，既提高了穿芯式霍尔电流传感器的测量精度和生产效率，又降低了成本，同时根据并联理论，偶数个霍尔元件输入、输出端分别并联，则霍尔元件的噪声幅度、失调电压温漂等都降低了倍(n＝1,2...)，使穿芯式霍尔电流传感器的最低分辨率、失调电压温漂等性能得到了提高。

3)本发明的双磁芯气隙固定结构组件，用两个同尺寸、带一个或偶数个气隙的单磁芯在骨架或固定架上下安装确保气隙的位置、宽度和霍尔元件安装高度的一致性，提高了穿芯式霍尔电流传感器的一致性、可靠性，同时偶数个气隙错位安装或对称分布或均分整个磁路，把偶数个霍尔元件的输入、输出端分别并联，在理论上既消除了磁芯的剩磁对电流传感器的测量精度的影响，又消除了穿芯式霍尔电流传感器的原理性误差，即位置误差，大大地提高了穿芯式霍尔电流传感器的电流测量精度；印制电路板与骨架或固定架之间设置有相互连接的孔位，大大的提高了产品的一致性以及生产效率，同时也提高了产品的可靠性。

4)用两个同尺寸、所述的带一个或偶数个气隙的单磁芯在骨架或固定架上下安装，偶数个气隙错位安装或对称分布或均分整个磁路；对于带气隙的单磁芯来说磁路是不闭合的，但对于双磁芯组成的磁路来说，磁路是闭合的，只不过此时双磁芯组成磁路的磁导率是带气隙单磁芯的有效磁导率，这样由双磁芯组成的磁路使得闭环型穿芯式霍尔电流传感器在测量高频交流电流时，等效成为一个闭合磁路的互感器，初、次级能紧耦合，初级载流导体在穿芯式霍尔电流传感器的穿芯孔中不同位置时，霍尔电流传感器的输出幅度、波形等几乎没有变化，大大提高了穿芯式闭环型霍尔电流传感器的工作带宽及测量精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为开环型单气隙的单磁芯结构示意图；

图2为闭环型卷绕单气隙的单磁芯结构示意图；

图3为开环型双气隙的单磁芯结构俯视图；

图4为包含塑料块的开环型双气隙的单磁芯结构右视图；

图5为开环型方形叠片铆冲的单磁芯气隙结构俯视图；

图6为开环型方形叠片铆冲的单磁芯气隙结构右视图；

图7为包含非导磁金属片的开环型方形叠片铆冲的单磁芯气隙结构俯视图；

图8为包含非导磁金属片的开环型方形叠片铆冲的单磁芯气隙结构右视图；

图9为包含非导磁金属片的闭环型圆形叠片铆冲的单磁芯气隙固定结构示意图；

图10为包含非导磁金属片的闭环型方形叠片铆冲的单磁芯气隙固定结构示意图；

图11为包含非导磁金属片的开环型卷绕单气隙的单磁芯气隙固定结构俯视图；

图12为包含非导磁金属片的开环型卷绕单气隙的单磁芯气隙固定结构后视图；

图13为非导磁金属片在闭环型卷绕的单磁芯气隙侧面的主视图；

图14为非导磁金属片在闭环型卷绕的单磁芯气隙侧面的左视图；

图15为非导磁金属片在闭环型卷绕的单磁芯气隙顶部的俯视图；

图16为非导磁金属片在闭环型卷绕的单磁芯气隙顶部的左视图；

图17为开环型卷绕单气隙单磁芯的穿芯式霍尔电流传感器正向输出温度曲线图；

图18为开环型卷绕单气隙单磁芯的穿芯式霍尔电流传感器负向输出温度曲线图；

图19为闭环型卷绕双磁芯的穿芯式霍尔电流传感器安装图；

图20为未使用本发明的闭环型卷绕单磁芯的穿芯式霍尔电流传感器A点的di/dt响应图；

图21为未使用本发明的闭环型卷绕单磁芯的穿芯式霍尔电流传感器B点的di/dt响应图；

图22为未使用本发明的闭环型卷绕单磁芯的穿芯式霍尔电流传感器C点的di/dt响应图；

图23为未使用本发明的闭环型卷绕单磁芯的穿芯式霍尔电流传感器D点的di/dt响应图；

图24为使用本发明的闭环型卷绕双磁芯的穿芯式霍尔电流传感器A点的di/dt响应图；

图25为使用本发明的闭环型卷绕双磁芯气隙的穿芯式霍尔电流传感器在B点的di/dt响应图；

图26为使用本发明的闭环型卷绕双磁芯气隙的穿芯式霍尔电流传感器在C点的di/dt响应图；

图27为使用本发明的闭环型卷绕双磁芯气隙的穿芯式霍尔电流传感器在D点的di/dt响应图。

具体实施方式

如图5-12所示，本发明公开了一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件，包括单磁芯气隙固定结构组件和双磁芯气隙固定结构组件，

单磁芯气隙固定结构组件包括一个单磁芯及当需要固定单磁芯的固定架或骨架，单磁芯包括一个或偶数个气隙；

单磁芯包括叠片铆冲带气隙的单磁芯和卷绕带气隙的单磁芯；

图5-10所示，叠片铆冲带气隙的单磁芯上需要时设置有固定孔或定位槽，非导磁金属片铆冲或焊在磁芯上顶层或最外上下层，固定时，通过固定针穿过固定孔焊在印制电路板上；

如图11-14所示，当卷绕带气隙的单磁芯的高度为霍尔元件安装高度的2倍以上，非导磁金属片焊接在磁芯气隙的外侧面；

如图15-16所示，当卷绕带气隙的单磁芯的高度为霍尔元件安装高度的1.5倍以内，非导磁金属片焊接在磁芯气隙的顶部；

当单磁芯包括偶数个对称分布的气隙时，每个气隙中设置有1个霍尔元件，偶数个霍尔元件的输入、输出端分别并联；

如图9-10所示，当单磁芯气隙固定结构组件需要固定架或骨架时，固定架或骨架上设置有固定孔和霍尔元件插槽，固定引针穿过单磁芯的固定孔，固定架或骨架的固定孔与印制电路板上的焊孔连接；

双磁芯气隙固定结构组件包括两个同尺寸的所述单磁芯及一个固定两个单磁芯的固定架或骨架，两个单磁芯的偶数个气隙错位安装或对称分布或均分整个磁路，两个单磁芯安装在双磁芯气隙固定结构组件固定架或骨架的上下两面，双磁芯气隙固定结构组件的固定架或骨架的侧面设置有插槽，插槽与安装在双磁芯气隙固定结构组件上单磁芯的气隙相通，插槽中插有转换板，单磁芯的气隙中均设置有霍尔元件，霍尔元件直接或通过转换板与印制电路板连接。

非导磁金属片为不锈钢片，不锈钢片是主要采用不导磁的以铁、铬、镍为主要成分的不锈钢材料。

单磁芯的形状均为圆形或方形或异形。

单磁芯气隙固定结构组件和双磁芯气隙固定结构组件的固定架或骨架形状均为圆形或方形或异形。

如图11-12所示，为了节省成本，提高材料利用率，采用10mm带材宽度23ZH85型硅钢片卷绕加工成方形开环型卷绕单气隙的单磁芯；对于额定电流为100A的开环型穿芯式霍尔电流传感器，在单磁芯长边的中心线上加工一个宽度为2mm的气隙，将0.3mm的304或316的不锈钢片用激光或电焊在单磁芯气隙的外侧。

100A开环型卷绕单磁芯单气隙的穿芯式霍尔电流传感器输出温度曲线如图17和18所示，在同一电路参数的条件下，对比同一尺寸磁芯在气隙固定和不固定条件下，开环型穿芯式霍尔电流传感器输出幅度的温度系数说明，如表1和表2所示，

表1 100A正向幅度温度值

温度	安装不锈钢片	未安装不锈钢片	基准
				-40	3.981	4.014	4.000
-20	3.991	4.014	4.000
				25	4.000	4.000	4.000
45	4.017	3.967	4.000
				65	4.021	3.932	4.000
85	4.020	3.924	4.000
				105	4.020	3.920	4.000

表2 100A反向幅度温度值

温度	安装不锈钢片	未安装不锈钢片	基准
				-40	-3.982	-4.014	-4.000
-20	-3.990	-4.016	-4.000
				25	-4.000	-4.000	-4.000
45	-4.017	-3.967	-4.000
				65	-4.019	-3.930	-4.000
85	-4.018	-3.923	-4.000
				105	-4.018	-3.923	-4.000

从表1和表2可以看出，使用本发明技术使得开环型穿芯式霍尔电流传感器在整个温区内的测量精度从2.5％FS提高到0.5％FS，输出幅度的温漂从1.5mV/℃降低到0.5mV/℃以内，工作温区从-10-80℃扩展到-40～105℃，大大地提高了开环型穿芯式霍尔电流传感器的电流测量精度，拓展了开环型穿芯式霍尔电流传感器的应用领域。

如图15-16所示，包括两个同尺寸、圆环形的单气隙单磁芯以及一个圆环形骨架，两个圆环形的单气隙单磁芯安装在骨架的上下两面，而气隙旋转180°安装；两个气隙中均设置有一个霍尔元件，两个霍尔元件的输入、输出端分别并联；对于额定电流为300A的闭环型穿芯式霍尔电流传感器，外壳的穿芯孔径为25mm，次级线圈用直径为0.25mm的漆包线绕2000匝；为节省成本，提高软磁材料的利用率，磁芯用带材宽度3.6mm、厚度0.1mm的1J85卷绕而成，加工过圆中心线的1.2mm气隙后，将0.3mm非导磁的不锈钢片304或316用激光或电点焊在单磁芯气隙顶部。

在同一电路参数的条件下，对比在未使用本发明的单磁芯结构组件和使用本发明的双磁芯气隙固定结构组件的di/dt响应图，对于穿芯孔直径为25mm的闭环型穿芯式霍尔电流传感器，如图19，用直径为5mm的载流导体在穿芯孔4个不同位置的di/dt响应图说明，如图20-27所示，其中，横坐标是时间，单位是微秒，纵坐标是电压，单位是伏，每幅图包括输入和输出曲线，通过观察输入和输出曲线的重合度，从图24-27可以看出，采用本发明的闭环型卷绕双磁芯气隙的穿芯式霍尔电流传感器，其交流测量精度大幅度提高，位置误差大幅度减少，同时，由于采用不锈钢片在磁芯气隙处直接焊接，成本不高；用骨架对磁芯安装固定，简单方便，大幅度提高生产效率，亦减低了成本。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件，其特征在于，包括单磁芯气隙固定结构组件和双磁芯气隙固定结构组件，

所述的单磁芯气隙固定结构组件包括一个单磁芯及当需要固定单磁芯的固定架或骨架，所述的单磁芯包括一个或偶数个气隙；

单磁芯包括叠片铆冲带气隙的单磁芯和卷绕带气隙的单磁芯；

叠片铆冲带气隙的单磁芯上需要时设置有固定孔或定位槽，非导磁金属片铆冲或焊在磁芯上顶层或最外上下层，固定时，通过固定针穿过固定孔焊在印制电路板上；

当卷绕带气隙的单磁芯的高度为霍尔元件安装高度的2倍以上，非导磁金属片焊接在磁芯气隙的外侧面；

当卷绕带气隙的单磁芯的高度为霍尔元件安装高度的1.5倍以内，非导磁金属片焊接在磁芯气隙的顶部；

当单磁芯包括偶数个对称分布的气隙时，每个气隙中设置有1个霍尔元件，偶数个霍尔元件的输入、输出端分别并联；

当单磁芯气隙固定结构组件需要固定架或骨架时，所述的固定架或骨架上设置有固定孔和霍尔元件插槽，固定引针穿过单磁芯的固定孔，固定架或骨架的固定孔与印制电路板上的焊孔连接；

所述的双磁芯气隙固定结构组件包括两个同尺寸的所述单磁芯及一个固定两个单磁芯的固定架或骨架，两个单磁芯的气隙错位安装或对称分布或均分整个磁路，两个单磁芯安装在双磁芯气隙固定结构组件固定架或骨架的上下两面，双磁芯气隙固定结构组件的固定架或骨架的侧面设置有插槽，插槽与安装在双磁芯气隙固定结构组件上单磁芯的气隙相通，插槽中插有转换板，单磁芯的每个气隙中均设置有一个霍尔元件，霍尔元件直接或通过转换板与印制电路板连接。

2.根据权利要求1所述的一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件，其特征在于，非导磁金属片为不锈钢片。

3.根据权利要求2所述的一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件，其特征在于，所述单磁芯的形状均为圆形或方形或异形。

4.根据权利要求2所述的一种穿芯式霍尔电流传感器用磁芯气隙固定结构组件，其特征在于，单磁芯气隙固定结构组件和双磁芯气隙固定结构组件的固定架或骨架形状均为圆形或方形或异形。