CN109782047A - 一种基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，包括：带气隙的三角异型磁芯、垂直穿过磁芯正中心的导体、气隙中心的霍尔元件以及与霍尔元件相连的信号输出装置；所述的三角异型磁芯由若干层三角异型结构的非晶纳米晶软磁宽带通过胶粘剂层层粘合而成，所述三角异型磁芯的表面涂覆有胶粘薄膜。利用本发明，可以降低直放式电流传感器内部异型磁芯的发热，并且提高了直放式电流传感器的稳定性、测量精度和测量范围。

Description

一种基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器

技术领域

本发明属于电流传感器技术领域，尤其是涉及一种基于非晶纳米晶磁芯的直放式电流传感器。

背景技术

电流传感器是一种检测装置，能感受到被测电流的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。直放式电流传感器是一种用软磁材料建立低磁阻通道，并通过霍尔器件测量其中磁场强度来等比例描述被测电流的装置或模块。直放式电流传感器的副边电磁输出与磁芯气隙处的磁感应强度成正比，而磁芯由高导磁软磁材料制作而成，故其非线性和磁滞现象受软磁材料影响。因此构成低磁阻的软磁材料的特性和使用方法是这种方式传感器的核心材料和关键技术。它们决定了电流传感器的线性度、信噪比、抗外场干扰能力和回差等特性。微型化、集成化、数字系统化是现代霍尔传感器的研究方向，同时还将朝着新型材料应用、高可靠性、宽温度范围、微功耗及无源化的方向发展。

目前直放式电流传感器通用的软磁材料为坡莫合金。而坡莫合金存在饱和磁感应强度、应力敏感和温度稳定性差等缺点，因此直放式电流传感器以下问题：1)电量偏差大，电量偏差是霍尔电流传感器工作时温升引起的，电量偏差大直接影响电流传感器测量的可靠性。2)温度稳定性差，温度稳定性影响测量时霍尔元件感应的磁信号和后续放大输出的电压信号，进而影响传感器的测量精确度。3)工作区间线性度差，线性度偏差是由磁芯的磁饱和引起的，坡莫合金的饱和磁感应强度低，影响直放式电流传感器的测量范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，具有低温升、高测量精度和高测量范围的优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，包括：带气隙的三角异型磁芯、垂直穿过磁芯正中心的导体、设置在气隙中心的霍尔元件以及与霍尔元件相连的信号输出装置；

所述的三角异型磁芯由若干层非晶纳米晶软磁宽带通过胶粘剂层层粘合而成，所述三角异型磁芯的表面涂覆有胶粘薄膜。

工作状态时，长导体上通过的电流在磁芯气隙处产生磁场，信号输出装置将霍尔元件测得磁信号进行转换和放大，输出电压信号进行测量。

三角异型磁芯是由低矫顽力和高饱和磁感应强度的非晶纳米晶软磁宽带按异型结构切割后再通过胶粘剂层层粘合而成。为了保护非晶纳米晶软磁异型磁芯的完整性，同时防止异型磁芯与外界环境接触，所述异型磁芯通过胶粘剂层层粘合形成的，且磁芯表面也涂覆一层胶粘薄膜。

通过胶粘剂粘合三角异性磁芯可保证磁芯的磁力线均匀分布；无需通过螺钉固定，避免磁力线分布不均匀，且保证磁芯中心气隙的磁通密度与电流的线性度更好。

所述的非晶纳米晶软磁宽带为铁基非晶宽带、钴基非晶宽带、铁基纳米晶宽带中的一种或两种。

非晶软磁宽带和纳米晶软磁宽带采用快速急冷技术制备而成。高冷速条件是获得无长程有序、无晶体缺陷存在的非晶结构的关键，这是由于非晶软磁宽带内部微观结构表现为无周期性的点阵结构，因而具有高饱和磁感应强度、低矫顽力和低损耗的优异软磁性能。纳米晶软磁宽带是通过热处理调控在非晶基体上析出均匀分布的纳米晶颗粒，因此具有更低的矫顽力和更低的损耗等优良的综合软磁性能。

与坡莫合金等传统材料相比，非晶纳米晶软磁宽带具有以下的优点：1)能耗低，由于非晶和纳米晶合金材料比传统晶体金属软磁材料电阻率高，其涡流损耗非常小；2)饱和磁感应强度高，非晶纳米晶软磁宽带的饱和磁感应强度高于1.6T,是坡莫合金的饱和磁感应强度的一倍以上；3)制备工艺简单快速、绿色环保，非晶纳米晶软磁宽带通过急冷快速制成带材，工艺流程短；4)温度稳定性高，非晶和纳米晶合金材料的磁性能在器件工作温度范围内(-50℃至180℃范围内)变化微小；5)时效稳定性高；6)磁冲击稳定性好；7)对应力的敏感程度弱于坡莫合金。

因此，由非晶纳米晶软磁宽带制备的直放式电流传感器的综合性能较高，可提高传感器的线性度，同时提高电流传感器的灵敏度和精确度。

所述的非晶纳米晶软磁宽带的宽度为30～200mm。

非晶纳米晶软磁宽带粘合采用的胶粘剂包括环氧树脂、AB胶、聚胺酯和酚醛树脂中的一种或几种。

胶粘薄膜的材料与胶粘剂相同，也为环氧树脂、AB胶、聚胺酯和酚醛树脂中的一种或几种。

作为优选，所述的胶粘薄膜的厚度为1～3μm。起到与外界环境隔离的作用，避免了异型磁芯直接接触外部环境而发生氧化、腐蚀或摩擦掉渣等问题，且可以经受湿热、油污等极端工作环境。

作为优选，所述三角异型磁芯的气隙数量为1～4个，每个气隙的间距为1～5mm。气隙数量的增大可提高最大工作线性输入电流，从而使得直放式电流传感器拥有更大的测量范围和精度。

所述三角异型磁芯为等腰对称结构，设置在三角异型磁芯的顶角处的一个气隙用于设置霍尔元件。在三角异型磁芯的气隙数量为2个时，另一个气隙设置在三角异型磁芯的底边的中心处；在三角异型磁芯的气隙数量为3个时，另外两个气隙分别对称设置在三角异型磁芯的两条侧边上；在三角异型磁芯的气隙数量为4个时，另外三个气隙分别对称设置在三角异型磁芯的三条边上。为了进一步提高直放式电流传感器的线性度和测量精度，所述的三角异型磁芯为等腰对称结构，所述三角异型磁芯的顶角设有气隙，两个底角设置倒角过渡，所述霍尔元件设置在顶角的气隙中心。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)与坡莫合金等传统材料相比，非晶纳米晶软磁宽带具有高饱和次感应强度、低损耗、高温度稳定性和宽响应频率范围的优点，降低了直放式电流传感器内部异型磁芯的发热，并且提高了直放式电流传感器的稳定性、测量精度和测量范围；

(2)本发明非晶纳米晶异型磁芯通过胶粘剂粘合而成且表面涂覆一层胶粘薄膜，起到与外界环境隔离的作用，避免了异型磁芯直接接触外部环境而发生氧化、腐蚀或摩擦掉渣等问题，且可以经受湿热、油污等极端工作环境。

(3)本发明的基于非晶纳米晶异型铁芯的直放式电流传感器磁芯不需要通过螺钉固定，避免磁力线分布不均匀，且磁芯中心气隙的磁通密度与电流的线性度更好。

附图说明

图1为本发明实施例1中一种基于铁基非晶异型磁芯的直放式电流传感器示意图；

图2为对比例1中一种基于坡莫合金磁芯的直放式电流传感器示意图；

图3为本发明实施例1与对比例1的初始磁化曲线对比图；

图4为本发明实施例1与对比例1中磁芯开口气隙中心的磁通密度与流过导体的电流关系图；

图5为本发明实施例2中一种基于铁基纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

如图1所示，一种基于铁基非晶异型磁芯的直放式电流传感器，该传感器包括霍尔元件1、三角异型磁芯2、导体3、磁芯开口气隙4和信号输出装置5。霍尔元件1位于磁芯开口气隙2的中心位置，霍尔元件1与信号输出装置5相连接。导体3位于三角异型磁芯2窗口的正中心。

三角异型磁芯2是由低矫顽力和高饱和磁感应强度的铁基非晶宽带按异型结构切割而成；为了保护铁基非晶异型磁芯的完整性，同时防止异型磁芯与外界环境接触，三角异型磁芯2通过胶粘剂层层粘合形成的，且三角异型磁芯2表面涂覆一层胶粘薄膜。

本实施例中，胶粘剂为AB胶，胶粘薄膜的厚度为1μm，铁基非晶软磁宽带的宽度为30mm，三角异型磁芯开口气隙4的数量为1个，磁芯开口气隙4的间距为1mm。

工作状态时，导体3上通过的电流在磁芯开口气隙4处产生磁场，信号输出装置5将霍尔元件1测得磁信号通过信号输出装置5进行转换和放大，输出电压信号进行测量。

对比例1

本对比例提供了一种基于坡莫合金异型磁芯的直放式电流传感器，该直放式电流传感器结构如2所示，该结构与实施例1中的直放式电流传感器结构基本相同，所不同的是：(1)三角异型磁芯2为坡莫合金材料；(2)本对比例的三角异型磁芯2是由坡莫合金片叠压后再经螺钉6固定而成。由于螺钉6的存在，使得三角异型磁芯2内部的磁力线分布不均匀。且坡莫合金材料的饱和磁感应强度低，因此本对比例的直放式电流传感器的测量范围和测量精度要远低于实施例1。

通过直流B-H仪测试上述实施例1制得铁基非晶磁芯2的初始磁化曲线，将测试结果与对比例1的坡莫合金磁芯的初始磁化曲线进行对比，结果如图3所示，显示该铁基非晶磁芯的饱和磁感应强度为1.64T，远高于坡莫合金磁芯的饱和磁感应强度。

采用三维高斯计(CH-3600)测试铁基非晶磁芯开口气隙4中心的磁通密度与流过导体3的电流的关系曲线，将测试结果与对比例1的坡莫合金磁芯开口气隙4中心的磁通密度与流过导体3的电流关系曲线对比，对比结果如图4所示。由图4可知，输入电流在0–500A范围内，实施例1中的磁通密度与输入电流保持很好的线性度；而对比例1只在输入电流为0–180A范围内，对比例1中的磁通密度与电流保持好的线性度。因此，实施例1的直放式电流传感器可提高传感器的测量范围和测量精度。

实施例2

如图5所示，本实施例提供一种基于铁基纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，该结构与实施例1中的直放式电流传感器结构基本相同，所不同的是：(1)三角异型磁芯2为铁基纳米晶宽带材料；(2)本实施例中，三角异型磁芯开口气隙4的数量为2个。本实施的铁基纳米晶宽带的软磁性能优于铁基非晶纳米晶软磁材料，且气隙数量的增大可提高最大工作线性输入电流，因此本实施例的直放式电流传感器提高了传感器的测量范围和精度。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，其特征在于，包括：带气隙的三角异型磁芯、垂直穿过磁芯正中心的导体、设置在气隙中心的霍尔元件以及与霍尔元件相连的信号输出装置；

所述的三角异型磁芯由若干层非晶纳米晶软磁宽带层层粘合而成，所述三角异型磁芯的表面涂覆有胶粘薄膜。

2.根据权利要求1所述的基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，其特征在于，所述的非晶纳米晶软磁宽带为铁基非晶宽带、钴基非晶宽带、铁基纳米晶宽带中的一种或两种。

3.根据权利要求1所述的基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，其特征在于，所述的非晶纳米晶软磁宽带的宽度为30～200mm。

4.根据权利要求1所述的基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，其特征在于，所述的非晶纳米晶软磁宽带粘合采用的胶粘剂包括环氧树脂、AB胶、聚胺酯和酚醛树脂中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，其特征在于，所述的胶粘薄膜为环氧树脂、AB胶、聚胺酯和酚醛树脂中的一种或几种，厚度为1～3μm。

6.根据权利要求1所述的基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，其特征在于，所述三角异型磁芯的气隙数量为1～4个。

7.根据权利要求1或6所述的基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，其特征在于，每个气隙的间距为1～5mm。

8.根据权利要求1所述的基于非晶纳米晶异型磁芯的直放式电流传感器，其特征在于，所述的三角异型磁芯为等腰对称结构，所述三角异型磁芯的顶角设有气隙，两个底角设置倒角过渡，所述霍尔元件设置在顶角的气隙中心。