CN109863409B - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种电流传感器，其包括具有外壳(12)的壳体(6)、配置成环绕至少一个主导体的磁路芯(3)以及位于磁路芯的磁路间隙(7)中的磁场检测器(8)。该壳体还包括内部支撑部件(14)，该内部支撑部件包括主体部(16)和磁芯支撑部(18)，磁路芯是支撑在主体部和磁芯支撑部上的至少一条非晶体材料的形式，该非晶体材料的磁阻小于磁路间隙的磁阻并且厚度小于0.1mm，磁路间隙形成在该条的遮盖端部(3a、3b)之间。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及一种电流传感器，其用于测量差动电流，尤其是检测剩余电流或漏电流。

背景技术

降低电流传感器的制造成本同时增加其性能和可靠性的期望一直存在，其性能和可靠性可以包括诸如测量精度、大的测量操作范围、对外部磁场干扰的低敏感性、可重复制造性、时间和使用上的稳定性以及坚固性等方面。电流传感器制造成本中的其中一个主要因素是构成该传感器的元件的组装。

发明内容

本发明的目的是提供一种精确、可靠和坚固但是在制造上经济的电流传感器。

提供组装简单且具有少量元件的闭环电流传感器是有利的。

提供坚固而且在时间上稳定的电流传感器是有利的。

提供紧凑的电流传感器是有利的。

通过提供根据权利要求1所述的电流传感器达到了本发明的各个目的。

这里所披露的是一种电流传感器，其包括具有外壳的壳体、配置成环绕至少一个主导体的磁路芯以及位于磁路芯的磁路间隙中的磁场检测器。壳体还包括内部支撑部件，该内部支撑部件包括主体部和磁芯支撑部。磁路芯包括支撑在主体部和磁芯支撑部上的至少一条非晶体材料，该非晶体材料的磁阻小于磁路间隙的磁阻并且厚度小于0.1mm，磁路间隙形成在该条的遮盖的(overlapping)端部之间。

在一个有利的实施方式中，主体部和磁芯支撑部经由铰链部连接，该铰链部配置成使得磁芯支撑部缠绕在主体部周围。

在一个有利的实施方式中，铰链部是与主体部和磁芯支撑部一体成型的柔性网。

在一个有利的实施方式中，该传感器包括主电路单元，该主电路单元包括容纳在内部支撑部件的主体部中的第一电路板和在该电路板上的构成所述至少一个主导体的一部分的至少一条导电迹线(conductive trace)。

在一个有利的实施方式中，第一电路板包括在第一电路板的不同层上的多条电路迹线，从而形成所述至少一个主导体。

在一个有利的实施方式中，该传感器包括配置成携带在彼此相反方向上流动的电流的至少两个主导体，其中该传感器配置成用于差动电流测量。

在一个有利的实施方式中，不同层上的电路迹线在垂直于电路板的方向上看彼此遮盖至少80％。

在一个有利的实施方式中，所述一个或多个主导体部的所述一条或多条导电迹线包括宽度比端部更窄的中间部。

在一个有利的实施方式中，该传感器包括二级电路单元，其包括容纳在内部支撑部件的主体部中的第二电路板，所述磁场检测器安装在该第二电路板上。

在一个有利的实施方式中，二级电路单元包括在第二电路板的一层或多层上的、围绕在磁场检测器周围的电路迹线的绕组形式的补偿线圈。

在一个有利的实施方式中，第二电路板包括在磁场检测器下方的凹槽或孔，该凹槽或孔配置成允许磁路芯的一端能够定位在其中。

在一个有利的实施方式中，磁芯支撑部包括其中定位磁路条的狭槽。

在一个有利的实施方式中，该传感器包括插在磁路上方并且支撑在内部支撑部件的主体部上的U形隔磁套。

在一个实施方式中，磁路芯具有小于0.03mm的厚度。

在一个有利的实施方式中，磁芯支撑部和主体部包括互补的锁定部以在缠绕的位置中将这些部分固定。

附图说明

从权利要求、下面的详细描述以及附图中本发明的另外的目的和有利方面将会变得显而易见，其中：

图1a和1b是根据本发明的一个实施方式的电流传感器的透视图；

图1c是图1a、1b的电流传感器的横截面视图；

图1d是图1a的电流传感器的分解透视图；

图2a到2f是示出了构成图1a-1d的电流传感器的元件的组装透视图；

图3a和3b是根据本发明的一个实施方式的电流传感器的主电路单元的透视图；

图4a和4b是根据本发明的一个实施方式的电流传感器的二级电路单元的透视图。

具体实施方式

参见附图，根据本发明的一个实施方式的电流传感器1包括主电路单元2、二级电路单元4和壳体6。主电路单元2包括主导体9a、9b，要被测量的电流流过主导体9a、9b。

在示出的实施方式中，主电路单元包括第一电路板22和用于将主导体连接到外部主导体的连接部20。连接部20包括连接到主导体的第一和第二端的第一和第二连接器20a、20b。电路板包括电连接到第一和第二连接器20a、20b的电端子的导电线路。

在示出的实施方式中，至少存在第一主导体9a和第二主导体9b。第一和第二主导体可以配置成携带在彼此相反方向上流动的电流，使得由流过主导体的电流产生的磁场相互抵消。主导体尤其携带相同电路的电流，例如电路的正负线路。在正负线路中的电流不平衡的情况下，由相对的主导体产生的磁场不会抵消，从而可以被检测到。这样可以发出漏电流或其他异常信号。

该传感器可以用于检测非零总电流，有时称作差动电流或剩余电流。

该传感器还可以用在形成单个主导体线路的接地连接上用以检测非差动操作模式下的剩余电流。

该传感器还可以用于测量闭环结构中主导体中的电流，藉此通过补偿电流驱动补偿线圈以产生磁场来试图抵消由主电流产生的磁场。

因为上述各个实施方式中在正常操作模式中电流传感器产生的磁场接近为零，所以磁路芯不需要大的横截面来避免磁饱和。

在一个实施方式中，主导体包括形成在第一电路板上的电路迹线。第一主导体部9a由第一电路板22的一层或多层上的一条或多条电路迹线形成，第二主导体部9b由第一电路板22的一层或多个其他层上的一条或多条电路迹线形成。在示出的实施方式中，第一主导体部包括两条电路迹线，电路板的每个外侧上各一条，正如在图1c、3a和3b中最佳看出的。第二主导体部包括位于所述两外侧之间定位在电路板内的层上的两条电路迹线，正如在图1c中最佳看出的。然而在本发明的范围可以设置各种其他配置，例如：

–每个主导体部可以包括在电路板的一层上的仅一条电路迹线，藉此例如第一和第二主导体部设置在电路板的彼此相对外侧上；或者

–每个主导体部可以包括多于两层的多层；或者

–每个主导体部可以包括在电路板外侧上的电路迹线和在电路板内的层上的一条或多条另外的电路迹线；

–不同层上第一和第二主导体部的电路迹线可以在交替层上(即交错)，使得第一主导体部中的至少一个位于两个第二主导体部之间，第二主导体部中的至少一个位于两个第一主导体部之间。

第一和第二主导体部因此可以在电路板的不同层上以任何布置组合形成。

在一个实施方式中，主导体的电路迹线的宽度延伸第一电路板的大部分宽度，以便于能够携带具有相对高振幅的主电流。

在一个实施方式中，主导体部包括宽的端部30a和在这些端部之间延伸的较窄的中间部30b。这种配置有助于增加环绕中间部30b的磁芯中集中的磁通密度。第一和第二主导体的电路迹线可以有利地包括基本相同或相似的表面积和在垂直于电路板表面的方向上看彼此遮盖大于80％的相似形状。

在差动电流检测的情况下，其中第一和第二主导体部携带在相反方向上流动的电流，基本匹配且靠近定位的重叠遮盖层在抵消由振幅相同但方向相反的电流产生的磁场中是有效的。

在一个实施方式中，二级电路单元4包括磁场检测器8，磁场检测器8例如可以呈安装在第二电路板25上并经由导电电路迹线与连接器28相互连接的霍尔传感器的形式，连接器28包括连接到电路板上电路迹线的端子。连接器28在与主电路单元的第一和第二连接器的端子相同的安装侧上具有例如呈针形端子形式的端子29，使得电流传感器可以安装在外部电路板上或者连接到外部连接器，例如可插拔连接器。

第二电路板25可以有利地包括位于磁场检测器8下方的凹槽或孔26以便于允许磁路3的第一端3a能够邻近磁场检测器8的下侧定位，磁路的另一端3b位于磁场检测器上侧上方。在磁路3的相对两端3a、3b之间形成磁路间隙7，磁场检测器8位于磁路间隙中。

在一个实施方式中，二级电路单元包括由连接到磁场传感器的反馈回路电路驱动的补偿线圈10，其配置成产生磁场来试图抵消由主电流产生的磁场。在示出的实施方式中，补偿线圈10有利地包括形成在第二电路板25上的导电电路迹线的绕组，该电路迹线环绕磁场传感器。可以在电路板的单层或者电路板的两个或更多个堆叠的层上设置该电路迹线以便于增加绕组的密度和数量。

壳体6包括外壳12和内部支撑部件14。内部支撑部件14包括主体部16和经由铰链部42a、42b与主体部铰接连接的磁芯支撑部18。内部支撑部件在一个优选实施方式中成型为单个一体部件，例如塑料注塑部件。主体部包括呈狭槽形式的主电路单元容纳部31，其中可以插入主电路单元2的第一电路板22。因此携带主电流的导电电路迹线可以精确地定位在内部支撑部件14内。容纳部31和主电路单元设有互补的定位和固定元件以在两个元件组装之后将主电路单元精确地定位并紧固到内部支撑部件14。

磁路包括磁芯24，在一个有利的实施方式中，磁芯呈非晶体或纳米晶体磁性材料的细条或带的形式。非晶体磁性材料条可以从一卷材料上切出，对于制造来说尤其节省成本。还有，非晶体磁性材料细条容易变形，可以弯曲成基本椭圆形的形状，正如下文要讨论的。带条具有优选小于0.1mm的厚度，例如厚度为0.02mm的钴基非晶体合金。磁芯的磁阻应该是磁路间隙(也称作“气隙”)的磁阻的优选至多五分之一，更优选地至多十分之一。

磁路可以通过非晶体或纳米晶体磁性材料的单个细条或带形成，或者如果需要通过两个或更多个彼此堆叠的条形成，以对于电流传感器的操作条件和操作范围避免芯的磁饱和。

为了说明的目的，下面显示了气隙和磁芯的磁阻的估算示例：

气隙：

长度l＝10^-3m，横截面积A＝3×3×10^-6m²，磁导系数μ_r＝1

R_{M gap}＝1/(μ₀μ_r)×l/A＝1/μ₀×111

磁路：

长度l＝0.1m，横截面积A＝3×0.02×10^-6m²，磁导系数μ_r＝10⁵

R_{M core}＝1/(μ₀μ_r)×l/A＝1/μ₀×16.7

内部支撑部件14的主体部16还包括二级电路单元容纳凹槽32，其中插入二级电路单元的第二电路板25。可以设置固定柱或锁定凸出部或其他固定元件来将二级电路单元4紧固并定位在容纳凹槽32内。固定柱36还确保了磁场检测器8在容纳凹槽内从而关于内部支撑部件14的精确定位。

内部支撑部件14可以有利地包括成型在磁芯支撑部18内而且还成型在主体部16内的定位凹槽或狭槽。定位凹槽或狭槽18的尺寸设置成便于在其中容纳磁芯的纵向条使得条的侧边缘在凹槽内并由凹槽的侧壁保持。定位凹槽或狭槽18可以有利地设有定位部40，定位部40将磁芯24的一端定位在磁场检测器8下方，尤其是在位于磁场检测器8下方的电路板的孔26内。磁芯端部定位部40具有凸起表面使得磁芯位于孔26内。在组装过程中磁芯24可以由锁定凸出部或者通过凹槽的点焊边缘保持在凹槽18内，使得它们超出磁芯条的边缘。

正如在图2a到2f中最佳看出的，示出了电流传感器的组装。首先参见图2a和2b，主电流单元2，尤其是第一电路板22可以插入到内部支撑部件14的主电路单元容纳部31中。在该操作之前或之后，可以将磁芯24插入磁芯支撑部18的定位凹槽中并例如通过限定所述凹槽的壁部的超声焊接将其紧固其中，使得材料超出磁芯条的边缘并将其紧固在定位凹槽内。

正如在图2c中最佳示出的，二级电路单元4插入内部支撑部件14的主体部16的二级电路单元容纳部32中。

内部支撑部件的磁芯支撑部18然后可以围绕铰链部42a、42b枢转，使得磁路条的第二端3b围绕主体部16弯曲，从而进行360°的转动，直到第二端3b位于磁场检测器8上方。磁芯的第二端3b位于磁芯的第一端3a上方，它们之间形成磁路间隙7。磁芯支撑部18可以包括锁定件44a，在完全转动后的位置中，锁定件44a接合互补锁定肩44b，正如在图2d、2e和1c中最佳看出的。在示出的实施方式中，磁芯支撑部18设有两个铰链部42a、42b，它们使磁芯支撑部的端部能够360°旋转，同时中间坚实部42c抵靠主体部16的表面。

一旦磁芯支撑部18折叠360°并且锁定到主体部16，如图2d、2e和2f中所示，可选地将隔磁套5插在内部支撑部件14上方并与内部支撑部件14固定，从而遮盖磁路3。这在图2f和1c中最佳示出。隔磁套可以有利地由磁性材料制成并用于吸收传感器外部的磁通并将磁路与外部磁场隔离。隔磁套5可以有利地是大体U形部件的形式，其由板材形式的软磁材料冲压成型，这对于制造来说特别节省成本。

内部支撑部件14可以有利地设有与隔磁套的横向分支5a、5b的侧边缘13接合的侧壁部43，以便于将隔磁套定位并紧固到内部支撑部件14。侧边缘可以包括插入侧壁部43中的倒钩，或者将该套紧固到内部壳体14的其他设施。

在随后的步骤中，外壳12可以位于内部支撑部件的上方以将磁路和隔磁套覆盖在其中。

在一个有利的实施方式中，外壳可以设有通过铰链12c连接在一起的底部12a和盖12b，例如通过一体形成的铰链，使该盖能够围绕底部12a旋转180°并经由锁定元件12d锁定到底部12a，正如在图2f、1c和1a中示出的。

附图标记列表

电流传感器1

主电路单元2

主导体9a、9b

电路迹线

窄中间部30b

宽端部30a

连接部20

第一和第二连接器20a、20b

第一和第二端子21a、21b

第一电路板22

磁路3

第一端3a

第二端3b

磁芯24

非晶体磁性材料条/带

磁路间隙7(气隙)

二级电路单元4

磁场检测器8

霍尔传感器

补偿线圈10

第二电路板25

孔26

连接器28

隔磁套5

横向分支5a

端分支5b

壳体6

外壳12

底部12a

盖12b

一体铰链12c

锁12d

内部支撑部件14

主体部16

主电路单元容纳部31

狭槽

二级电路单元容纳部32

固定柱36

磁芯支撑部18

定位凹槽/狭槽

磁芯端部定位部40

铰链部42a、42b

锁定部44a、44b

Claims (15)

1.一种电流传感器，其包括具有外壳(12)的壳体(6)、配置成环绕至少一个主导体的磁路芯(3)以及位于磁路芯的磁路间隙(7)中的磁场检测器(8)，其特征在于，所述壳体还包括内部支撑部件(14)，该内部支撑部件包括主体部(16)和磁芯支撑部(18)，所述磁路芯呈支撑在所述主体部和所述磁芯支撑部上的至少一个非晶体材料条的形式，该非晶体材料的磁阻小于所述磁路间隙的磁阻并且厚度小于0.1mm，所述磁路间隙形成在该非晶体材料条的彼此遮盖的端部(3a、3b)之间。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述主体部和所述磁芯支撑部经由铰链部(42a、42b)连接，所述铰链部配置成允许所述磁芯支撑部缠绕在所述主体部周围。

3.根据权利要求2所述的电流传感器，其中所述铰链部是与所述主体部以及所述磁芯支撑部一体成型的柔性网。

4.根据权利要求1所述的电流传感器，包括主电路单元(2)，该主电路单元包括容纳在所述内部支撑部件的所述主体部中的第一电路板(22)和在该第一电路板上的构成所述至少一个主导体的一部分的至少一条电路迹线。

5.根据权利要求4所述的电流传感器，其中所述第一电路板包括在第一电路板的不同层上的多条电路迹线，从而形成所述至少一个主导体。

6.根据权利要求5所述的电流传感器，包括配置成携带在彼此相反方向上流动的电流的两个主导体，其中该电流传感器配置成用于差动电流测量。

7.根据权利要求6所述的电流传感器，其中从垂直于电路板的方向上看，不同层上的电路迹线彼此遮盖至少80％。

8.根据权利要求4所述的电流传感器，其中一个或多个所述主导体的一条或多条所述电路迹线包括宽度比端部(30a)更窄的中间部(30b)。

9.根据权利要求8所述的电流传感器，包括二级电路单元，该二级电路单元包括容纳在所述内部支撑部件的所述主体部中的第二电路板(25)，所述磁场检测器安装在所述第二电路板上。

10.根据权利要求9所述的电流传感器，其中所述二级电路单元包括补偿线圈(10)，该补偿线圈呈第二电路板的一层或多层上的、围绕所述磁场检测器的电路迹线的绕组的形式。

11.根据权利要求10所述的电流传感器，其中所述第二电路板包括在磁场检测器下方的凹槽或孔，该凹槽或孔配置成使所述磁路芯的一端(3a)能够定位在该凹槽或孔中。

12.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述磁芯支撑部(18)包括狭槽，所述磁路芯位于该狭槽中。

13.根据权利要求1所述的电流传感器，包括具有U形形状的隔磁套(5)，该隔磁套插在磁路芯上方并支撑在所述内部支撑部件的所述主体部上。

14.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述磁路芯具有小于0.03mm的厚度。

15.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述磁芯支撑部和所述主体部包括互补的锁定部(44a、44b)，以将所述磁芯支撑部和所述主体部固定在缠绕的位置中。

Images