CN110108920B - 一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，属于霍尔电流传感器领域；具体包括封装在磁屏蔽组件内的：电路板、垫片、霍尔元件、多气隙磁环和骨架。磁屏蔽组件固定在智能型接触器的端面上；骨架内部对称分布六个形状相同“刘海状”凹槽；每两个凹槽之间留有一个气隙。多气隙磁环由六块完全相同的分布式磁芯组成，通过紧配合嵌入到骨架的“刘海状”凹槽内，霍尔元件插入骨架上磁环之间留出的气隙中，同时霍尔元件上四个引脚焊接在电路板上，电路板引出四个脚穿入磁屏蔽盖中。本发明在气隙长度一定的前提下，有效增强了磁环的聚磁作用，减小了气隙处漏磁量。

Description

一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器

技术领域

本发明涉及霍尔电流传感器领域，具体是一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器。

背景技术

接触器是一种适用于远距离频繁接通和分断交直流主电路的开关电器，本身不具备过电流保护功能。传统接触器的主触头接于主电路，通过热过载继电器辅助接点及起动停止按钮控制其线圈的得电或失电，使接触器释放或吸合，控制主电路的通或断。相对来说结构复杂、使用不方便。近年来发展起来的智能型接触器在传统直流接触器的主体部分上增加了智能保护控制器，该控制器要求具备电流检测功能，能够检测到流经接触器端子的电流大小，并将其转换成电压信号输入到单片机中，根据电压值大小得到电流大小，决定是否发出分闸指令。

霍尔电流传感器是应用霍尔效应原理研制出的一种对原边电流进行隔离检测的电流检测元件，磁环将导体电流产生的磁通线集中在气隙中心，位于此处的霍尔元件对该磁场进行采集，产生一个与原边磁场等比例的霍尔电压。通过测量该霍尔电压的大小，就可实现对原边电流的隔离检测。霍尔电流传感器具有测量范围宽、线性度好、抗干扰能力强、响应速度快和安装简单等特点，根据工作原理可以分为开环霍尔传感器和闭环霍尔传感器。

闭环霍尔传感器相对来说具有带宽大和响应速度快等特点，但是体积过大不适合集成到小型开关器件中。开环霍尔传感器具有工艺简单、成本低和体积小的特点，但是市面上的霍尔传感器产品无法适配开关器件端子的形状尺寸，而且相对于某些应用的开关电器的参数来说，存在体积过大的问题。

因此，一种保持较高精度、较好线性度，同时具备能测量大电流、体积小、能用于小型开关电器的霍尔电流传感器是亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器；能测量1500A瞬态大电流，且体积小，集成到小体积开关电器中，具有测量范围宽、电气隔离性能好、测量精度高、抗干扰能力强、响应速度快、安装简单和方便等特点。

所述的可嵌入式开环霍尔电流传感器，具体包括多气隙磁环、霍尔元件、骨架、电路板、垫片和磁屏蔽组件。

所述磁屏蔽组件为圆柱状壳体，包括磁屏蔽盖板和磁屏蔽底座，磁屏蔽底座为中心挖空的圆筒，穿透智能型接触器的端子A，固定在智能型接触器的接触器端面上；磁屏蔽盖板为中心挖空的圆片，在表面设有单排四孔；穿透智能型接触器的端子A后，与磁屏蔽底座配合内封装多气隙磁环、霍尔元件、骨架、电路板和垫片。

在磁屏蔽组件内部从上到下依次为：电路板、垫片、霍尔元件、多气隙磁环和骨架。

所述骨架选用内部中空的圆环，通过高精度3D打印成型；嵌套在智能型接触器的端子A上，在圆环内部对称分布六个形状相同“刘海状”凹槽；每两个凹槽之间留有一个气隙。

多气隙磁环由六块完全相同的分布式磁芯组成，单个磁芯采用小于0.3mm的片状坡莫合金堆叠而成，各片层之间涂硅，且整体呈现中间截面积小、端面面积大的“刘海状”外观，使得端面有效截面积增加30％以上，通过紧配合嵌入到骨架的“刘海状”凹槽内，通过骨架将六块磁芯整体固定成型。

选用六块磁芯的计算如下：

根据待测电流大小为1500A，得到气隙长度为6mm，再根据霍尔元件尺寸得到单个气隙的最小长度为1mm，从而得到气隙数目为6。

计算公式如下：

B为霍尔元件能够检测的最大磁感应强度，I₁为待测电流1500A，气隙长度δ为6.3mm，考虑漏磁，近似取值为6mm。N₁是待测电流的匝数；μ₀是真空导磁率。

多气隙磁环的每个磁芯的端面处留有气隙，在气隙内设置霍尔元件；对于不同的测量场合，用户根据精度要求对霍尔元件的数目进行选择，包括：单霍尔元件、双霍尔元件、三霍尔元件和六霍尔元件；单霍尔元件放置在最远离接触器另一个端子B的气隙中；双霍尔元件对称分布，三霍尔元件围绕圆周均匀分布，所有霍尔元件的输出端并联。

霍尔元件四个引脚焊接在电路板上，电路板为中心为空的环形四层板，中间两层分别为电源层和地层，内圆处留出1mm宽的圆环形空间不焊接元器件。

电路板通过接插件或者线缆方式引出四个脚，分别为输入电压、输入地、输出电压V+、输出电压V-。电路板通过运放搭建恒流源模块为霍尔元件供电，并将霍尔元件的输出电势进行处理，使得处理后的电压信号能够进入单片机中进行AD转换。

电路板引出四个的脚穿入磁屏蔽盖中的单排四孔中，同时，在磁屏蔽盖板，电路板，骨架和磁屏蔽底座上均在同样的边缘位置上打有通孔，装配时插入定位柱，贯穿并限定各组件的周向自由度。

在电路板与多气隙磁环之间布置一个中心为空的垫片防止短路。

所述的可嵌入式开环霍尔电流传感器的安装过程为：

首先，选择导热双面胶带将磁屏蔽底座固定在接触器端面上；

让磁屏蔽底座的两个定位孔的连线与两个接触器端子的连线在一条直线上，并将定位柱插入到磁屏蔽底座中；

然后，将多气隙磁环通过紧配合嵌入到骨架的凹槽中，并将骨架通过轴孔配合套入接触器端子A上，保证定位柱插入骨架的定位孔中；

之后，将垫片套入接触器端子A上，使得垫片位于磁环上面；同时将各霍尔元件焊接到电路板上；

同理，将电路板通过轴孔配合套入接触器端子A上，保证定位柱插入到电路板的定位孔中，同时使得各霍尔元件插入多气隙磁环的各气隙中；

接着，将磁屏蔽盖板套入接触器端子A上，使得定位柱插入磁屏蔽盖板的定位孔中，并保证电路板的接线端子能够通过磁屏蔽盖板上的孔中伸出来；

最后，将组装好的霍尔元件整体进行灌封胶固化即可。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，通过合理优化体积，有效满足了小型智能开关电器对于同时具备体积小和能测量大电流两个方面性能的霍尔传感器的需求，在形状外观上也能满足可嵌入到小型智能开关电器的要求。

2.一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，采用分布式多气隙磁环的设计，在气隙长度一定的前提下，有效增强了磁环的聚磁作用，减小了气隙处漏磁量，分布式多气隙磁环也为多霍尔元件方案抵消空间均匀磁场干扰、消除不对心误差提供了结构上的可能性。

3.一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，单个磁芯在端面的有效横截面积增加，呈现“刘海状”，有效减小了气隙处的漏磁量；另外磁芯采用厚度小于0.3mm的片状坡莫合金堆叠而成，各层之间涂硅处理，显著降低了涡流效应的影响，有效提高了电流检测精度。

4.一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，用磁屏蔽底座和磁屏蔽盖板作为外壳，有效减小了空间磁场对于霍尔元件的干扰作用，在测量大电流时作用尤其显著；同时，磁屏蔽组件还可以作为整体霍尔传感器的外壳封装，对里面的磁环和电路板等组件起到了保护作用。

附图说明

图1是本发明用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器的结构分解图；

图2是本发明安装在智能型接触器上的可嵌入式开环霍尔电流传感器装配图；

图3是本发明磁屏蔽盖板的轴测图；

图4是本发明单霍尔元件方案采用的电路板轴测图；

图5是本发明双霍尔元件方案采用的电路板轴测图；

图6是本发明三霍尔元件方案采用的电路板轴测图；

图7是本发明六霍尔元件方案采用的电路板轴测图；

图8是本发明多气隙磁环的轴测图；

图9是本发明多气隙磁环中单个磁芯的上视图；

图10是本发明单霍尔元件插入多气隙磁环时的骨架轴测图；

图11是本发明智能型接触器的应用环境框图；

图12是本发明可嵌入式开环霍尔电流传感器的组装工序流程图；

图中：1-磁屏蔽盖板；2-电路板；3-定位柱；4-垫片；5-霍尔元件；6-多气隙磁环；7-骨架；8-磁屏蔽底座；9-接触器端子A；10-接触器端面；11-接触器端子B。

具体实施方案

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种可用于智能型开关电器大电流检测的开环霍尔电流传感器，采用可嵌入式小体积开环霍尔电流传感器集成到小型开关器上，外形为圆柱状，用于智能型接触器的瞬态1500A大电流检测。

所述的可嵌入式开环霍尔电流传感器，嵌套在智能型接触器的一个端子上；如图1和图2所示，具体包括多气隙磁环6、霍尔元件5、骨架7、电路板2、垫片4和磁屏蔽组件。

所述磁屏蔽组件为圆柱状壳体，外径为34mm，高度为10mm，包括磁屏蔽盖板1和磁屏蔽底座8，磁屏蔽底座8为中心挖空的圆筒，穿透智能型接触器的端子A9，固定在智能型接触器的接触器端面10上；如图3所示，磁屏蔽盖板1外径为34mm，厚度小于1mm，材料为导磁材料，为中心挖空的圆片，在表面设有单排四孔方便电路板2的四脚接插件引出来；穿透智能型接触器的端子A9后，与磁屏蔽底座8配合内封装多气隙磁环6、霍尔元件5、骨架7、电路板2和垫片4。磁屏蔽盖板1与磁屏蔽底座8共同构成磁屏蔽组件，既起到了屏蔽外界干扰磁场的作用，又起到了作为霍尔传感器封装的作用。

在磁屏蔽组件内部从上到下依次为：电路板2、垫片4、霍尔元件5、多气隙磁环6和骨架7。

如图10所示，所述骨架7选用内部中空的圆环，为高性能树脂或尼龙材料，通过高精度3D打印成型；外径为32mm，厚度为3.2mm，通过紧配合固定在小型开关电器的端子上，在圆环内部对称分布六个形状相同“刘海状”凹槽；凹槽具有中间截面积小、端面面积大的特点；每两个凹槽之间留有一个气隙。

如图8所示，多气隙磁环6由六块完全相同的“刘海状”分布式坡莫合金磁芯组成，单个磁芯如图9所示，采用厚度小于0.3mm的片状坡莫合金堆叠铆合而成，各片层之间涂硅，有利于减小涡流和磁滞损耗，提高精度；且整体呈现中间截面积小、端面面积大的“刘海状”外观，使得端面有效截面积增加30％以上，有效减小了漏磁通，起到了提高精度的作用，同时，“刘海状”的结构也有利于磁芯与骨架7的固定与配合。通过紧配合嵌入到骨架7的“刘海状”凹槽内，通过骨架7将六块磁芯整体固定成型。由于各分布式磁芯具有同样形状的片状结构，因此只需要一个模具就能够完成生产任务，提高了生产加工效率。

随着测量范围的增大，气隙长度势必会增加，但是单个气隙长度的增加会造成气隙处磁场发散，导致电流线性检测范围的减小，而且增大的气隙容易受到外界干扰磁场的影响，使得测量精度下降，选用分布式多气隙磁环方案能够避免这一问题。

本发明选用六块磁芯的计算如下：

在忽略磁环铁芯磁阻的前提下，根据待测电流大小为1500A，得到气隙长度为6mm，再根据霍尔元件尺寸得到单个气隙的最小长度为1mm，从而得到气隙数目为6。

计算公式如下：

B为霍尔元件能够检测的气隙处的最大磁感应强度，本实施例选择HG-302C型霍尔元件检测的磁感应强度范围为0.3T，Φ为气隙处磁通密度；S为磁芯端面截面积；I₁为待测电流1500A，N₁是待测电流的匝数，本实施例中选择1；R_δ为气隙总磁阻；气隙总长度δ为6.3mm，考虑漏磁，近似取值为6mm。μ₀是真空导磁率，本实施例中选择4π×10^-7。

多气隙磁环6的六个磁芯的端面之间具有同样大小的气隙，相邻两个磁芯端面距离均为1mm，相应的在其中一个或多个气隙内设置霍尔元件5。对于不同的测量场合，用户根据精度要求对霍尔元件5的数目进行选择，包括：单霍尔元件、双霍尔元件、三霍尔元件和六霍尔元件；单霍尔元件放置在最远离接触器另一个端子B11的气隙中；双霍尔元件对称分布，三霍尔元件围绕圆周均匀分布，所有霍尔元件的输出端并联。

由于待测的初级电流载流导体在磁环中移动会引起气隙中磁感应强度B的改变，导致出现穿心线的位置误差，将多个霍尔元件的输出霍尔电势进行算术平均计算等效于将多个霍尔元件输出端并联，有利于减小穿心线的位置误差，且霍尔元件数目越多，误差越小。对于空间中存在的电磁干扰，对称分布的多个霍尔元件同样具有消除均匀干扰磁场的作用。由于磁环中气隙数目所限，最多可以有6个霍尔元件并联输出。随着霍尔元件数目的不断增多，对于误差的减小和精度的提高作用不再显著，且会导致耗电和成本的提高，以及装置体积的增大。

霍尔元件5四个引脚焊接在电路板2上，引脚走线尽量走长走宽，与印刷电路板走线进行面接触。

电路板2选用外径为32mm，板厚度为1mm，中心为空的环形四层板，中间两层分别为电源层和地层，内圆处留出1mm宽的圆环形空间不焊接元器件，起到了增大绝缘能力和方便装配的作用。

电路板2通过接插件或者线缆方式引出四个脚，分别为输入电压、输入地、输出电压V+、输出电压V-。如图11所示，电路板2通过运放搭建恒流源模块为霍尔元件5供电，并将霍尔元件5的输出电势进行处理，使得处理后的电压信号能够进入单片机中进行AD转换。如图4，图5，图6和图7所示，分别对应单霍尔元件，双霍尔元件，三霍尔元件以及六霍尔元件分别采用的电路板。

电路板2引出四个的脚穿入磁屏蔽盖1中的单排四孔中，同时，在磁屏蔽盖板1，电路板2，骨架7和磁屏蔽底座8上均在同样的边缘位置上打有0.8mm的同心圆通孔，各通孔中心线离接触器端子A9中心线的距离均为15mm。装配时插入定位柱3，贯穿并限定各组件的周向自由度，定位柱还可以避免霍尔元件引脚受力以致脱落的发生。

在电路板2与多气隙磁环6之间布置一个中心为空的垫片4，垫片4为树脂或尼龙材料的圆环状结构，通过3D打印加工成型，内外径分别为16mm和18mm。作用是将电路板2和多气隙磁环6物理上隔开，因为磁环材料为坡莫合金，是导电材料，如果与电路板贴在一起，可能会导致电路板上元件发生短路。

所述的可嵌入式开环霍尔电流传感器的安装过程，如图12所示，为：

首先，选择粘性强、导热系数高的导热双面胶带将磁屏蔽底座固定在接触器端面上；

让磁屏蔽底座的两个定位孔的连线与两个接触器端子的连线在一条直线上，这样可以使得磁屏蔽发挥最佳的效果，并将定位柱插入到磁屏蔽底座中；

然后，将多气隙磁环通过紧配合嵌入到骨架的凹槽中，并将骨架通过轴孔配合套入接触器端子A上，保证定位柱插入骨架的定位孔中；

之后，将垫片套入接触器端子A上，使得垫片位于磁环上面；同时将电路板组件和各霍尔元件焊接到电路板上；

同理，将电路板通过轴孔配合套入接触器端子A上，保证定位柱插入到电路板的定位孔中，同时使得各霍尔元件插入多气隙磁环的各气隙中；

霍尔元件位于远离另一个接触器端子的气隙中；

接着，将磁屏蔽盖板套入接触器端子A上，使得定位柱插入磁屏蔽盖板的定位孔中，并保证电路板的接线端子能够通过磁屏蔽盖板上的孔中伸出来；

最后，将组装好的霍尔元件整体进行灌封胶固化即可。

如图11所示，智能型接触器是一种电路中的开关器件，串联在电路中用于保护电路中的负载。供电电路给霍尔元件提供恒流源电路以及为运放提供单电源电路等。在使用时霍尔电流传感器嵌套在智能型接触器的一个端子上，利用一种分布式多气隙磁环，将穿过磁环的电流信号转换成磁场信号；然后，位于磁环气隙中的四脚线性霍尔元件感知到外加磁场后，将气隙中的磁场信号输出成比例的电压信号。输出的电压信号送入霍尔调理电路中，霍尔调理电路再将电压信号进行放大等处理，变成单片机能够接收AD采样的电压信号，送入单片机中，单片机利用采样得到的AD数值还原出流过接触器端子的电流大小，根据电流大小进行逻辑判断，决定是否发出跳闸指令，避免过流故障或者短路故障损坏负载。如果电流在一定时间范围内过大，满足反时限过载保护条件或者短路故障条件，单片机发出跳闸动作指令，线圈绕组从吸合状态变为释放状态，主触点断开，起到保护负载电路和线路电缆的作用。

本发明中外部的磁屏蔽组件具有减小外界磁场干扰和端子磁场干扰的作用；和现有技术相比，本发明能够实现将霍尔电流传感器体积控制在外径34mm，高度10mm，并能够测量1500A瞬态大电流，在测量大电流方面具有体积小、延时少、准确度高、灵敏度高、抗干扰能力强的特点，有助于将电流检测模块集成到小型化的智能型接触器中。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，其特征在于，包括封装在磁屏蔽组件内的，且从上到下依次为：电路板、垫片、霍尔元件、多气隙磁环和骨架；

骨架选用内部中空的圆环，嵌套在智能型接触器的端子A上，在圆环内部对称分布六个形状相同“刘海状”凹槽；每两个凹槽之间留有一个气隙；

多气隙磁环由六块完全相同的分布式磁芯组成，单个磁芯采用小于0.3mm的片状坡莫合金堆叠而成，各片层之间涂硅，且整体呈现中间截面积小、端面面积大的“刘海状”外观，使得端面有效截面积增加30％以上，通过紧配合嵌入到骨架的“刘海状”凹槽内，通过骨架将六块磁芯整体固定成型；

在气隙内设置霍尔元件；霍尔元件四个引脚焊接在电路板上；

电路板引出四个脚穿入磁屏蔽组件中的磁屏蔽盖板上的单排四孔中。

2.如权利要求1所述的一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，其特征在于，所述磁屏蔽组件为圆柱状壳体，包括磁屏蔽盖板和磁屏蔽底座，磁屏蔽底座为中心挖空的圆筒，穿透智能型接触器的端子A，固定在智能型接触器的接触器端面上；磁屏蔽盖板为中心挖空的圆片，在表面设有单排四孔，材料选用导磁材料。

3.如权利要求1所述的一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，其特征在于，所述骨架为高性能树脂或尼龙材料；凹槽具有中间截面积小、端面面积大的特点。

4.如权利要求1所述的一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，其特征在于，所述的多气隙磁环选用六块磁芯的计算如下：

根据待测电流大小为1500A，得到气隙长度为6mm，再根据霍尔元件尺寸得到单个气隙的最小长度为1mm，从而得到气隙数目为6；

计算公式如下：

B为霍尔元件能够检测的最大磁感应强度，I₁为待测电流1500A，气隙长度δ为6.3mm，考虑漏磁，近似取值为6mm；N₁是待测电流的匝数；μ₀是真空导磁率。

5.如权利要求1所述的一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，其特征在于，所述的多气隙磁环中相邻两个磁芯端面距离均为1mm，对于不同的测量场合，用户根据精度要求对霍尔元件的数目进行选择，包括：单霍尔元件、双霍尔元件、三霍尔元件和六霍尔元件；单霍尔元件放置在距离接触器端子B最远的气隙中；双霍尔元件对称分布，三霍尔元件围绕圆周均匀分布，所有霍尔元件的输出端并联。

6.如权利要求1所述的一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，其特征在于，所述的电路板选用中心为空的环形四层板，中间两层分别为电源层和地层，内圆处留出1mm宽的圆环形空间不焊接元器件；电路板通过接插件或者线缆方式引出四个脚，分别为输入电压、输入地、输出电压V+、输出电压V-。

7.如权利要求1所述的一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，其特征在于，在所述的磁屏蔽组件，电路板和骨架上同样的边缘位置上均打有通孔，装配时插入定位柱，贯穿并限定各组件的周向自由度。

8.如权利要求1所述的一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，其特征在于，在所述的电路板与多气隙磁环之间布置一个中心为空的垫片防止短路。

9.如权利要求1所述的一种用于智能型接触器的可嵌入式开环霍尔电流传感器，其特征在于，所述的可嵌入式开环霍尔电流传感器的安装过程为：

首先，选择导热双面胶带将磁屏蔽底座固定在接触器端面上；

让磁屏蔽底座的两个定位孔的连线与两个接触器端子的连线在一条直线上，并将定位柱插入到磁屏蔽底座中；

然后，将多气隙磁环通过紧配合嵌入到骨架的凹槽中，并将骨架通过轴孔配合套入接触器端子上，保证定位柱插入骨架的定位孔中；

之后，将垫片套入接触器端子上，使得垫片位于磁环上面；同时将各霍尔元件焊接到电路板上；

同理，将电路板通过轴孔配合套入接触器端子上，保证定位柱插入到电路板的定位孔中，同时使得各霍尔元件插入多气隙磁环的各气隙中；

接着，将磁屏蔽盖板套入接触器端子上，使得定位柱插入磁屏蔽盖板的定位孔中，并保证电路板的接线端子能够通过磁屏蔽盖板上的孔中伸出来；

最后，将组装好的霍尔元件整体进行灌封胶固化即可。

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