CN111755218A - 一种r型开口铁芯及其在霍尔电流传感器中的应用 - Google Patents

一种r型开口铁芯及其在霍尔电流传感器中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种R型开口铁芯及其在霍尔电流传感器中的应用。所述铁芯由一个长条形的金属片由内至外卷绕成形，并在其非绕线圈的侧边位置切割出一个开口气隙，所述铁芯的导磁截面为圆形；所述金属片包括多个首尾相连的分段，所述金属片各处厚度均等且宽度从中间向两端逐段减小，同一分段内各处宽度均等，在相邻分段间设有宽度渐变的过渡连接段，其中，中间分段的宽度与铁芯导磁截面的直径相等，而关于中间分段位置对称的两个分段的宽度相等，各分段的长度设置为可在在先卷绕的基础上继续完整卷绕一周。将上述铁芯用于霍尔电流传感器中，可实现漏磁极小、磁阻低、铁损小、线圈内阻最小的目标，进而提高传感器的准确度及性能。

Description

一种R型开口铁芯及其在霍尔电流传感器中的应用
技术领域
本发明涉及霍尔电流传感器技术领域，特别地，涉及一种R型开口铁芯及其在霍尔电流传感器中的应用。
背景技术
霍尔电流传感器是一种基于霍尔效应、并由半导体材料制作的电-磁-电转换器件。霍尔电流传感器可实现原边(主回路)与次边(次回路)之间的隔离和信号变换，进而实现对工况电路中的强电流以及大电流的检测与监视，并输出一定比列关系的弱电信号或其它通信信号，以满足上位级控制和保护系统的数据采集。
现有技术中的霍尔电流传感器大多采用C型(环形)或U型的传统铁芯，在性能、结构和制造工艺上均存在不尽人意之处，主要包括如下缺陷：
1、C型铁芯
当被测电流流过铜排(即汇流排)汇时，按照右手螺旋定则，沿铜排电流方向环绕产生磁场，而根据仪器检测与实验分析，发现在铜排汇流截面的宽边侧(上下两道宽边侧)中间区域分布的磁感应强度最大，即磁力线最密集；而窄边侧分布的磁感应强度相对较小。
因此，当C型铁芯配合铜排使用时，铜排汇流截面的四个角距铁芯及线圈最近，而两个宽边距铁芯及线圈最远，在被测电流经过原边汇流铜排时，铁芯及线圈周围不能获得均匀磁场，即C型铁芯不能精准的聚集铜排周边的磁场。
此外，C型铁芯因自身结构特点存在次边补偿线圈绕制不平衡的问题，线圈中相邻两匝间的距离位于环内一侧的较近而位于环外一侧的较远，因此线圈出现环内排布较为密集而环外排布较为稀散的现象，当补偿电流通过时，铁芯内环聚集的磁密大于外环，造成磁场从铁芯内环中心漏损。
2、U型铁芯
U型铁芯在使用时两两开口相对，使得铁芯磁路内存在接缝面，且接缝面与磁感线垂直，形成断磁层，即磁通在空隙处的磁通密度明显降低，产生了漏磁及磁阻且导磁磁场分布不均匀。此外，受环境温度影响，铁芯出现热胀冷缩导致空隙大小产生变化，造成漏磁量的不稳定以及传感器的温度漂移。
3、现有铁芯的导磁截面呈矩形，因此在铁芯上缠绕一匝线圈所耗费的铜线长度相对较长，线圈的阻值较大，致使传感器输出功耗大、驱动能力弱，同时局限了后级控制系统或信号采集装置的匹配性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可减少漏磁、降低磁阻、缩短同匝数下线圈长度的技术方案，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种R型开口铁芯，所述铁芯由一个长条形的金属片由内至外卷绕成形，并在其非绕线圈的侧边位置切割出一个开口气隙，所述铁芯的导磁截面为圆形；
所述金属片包括多个首尾相连的分段，所述金属片各处厚度均等且宽度从中间向两端逐段减小，同一分段内各处宽度均等，在相邻分段间设有宽度渐变的过渡连接段，其中，中间分段的宽度与铁芯导磁截面的直径相等，而关于中间分段位置对称的两个分段的宽度相等，各分段的长度设置为可在在先卷绕的基础上继续完整卷绕一周。
所有分段的总数为奇数，其中一个为中间分段，位于金属片的最中心位置，在中间分段的两侧则各设置剩余一半数量的分段。
优选地，所述开口气隙位于其所在侧边的正中间，所述铁芯关于开口气隙的中心导磁截面对称。
优选地，沿金属片的宽度缩窄方向，每一分段的宽度设置为比上一分段的宽度减少2～4倍金属片的厚度值。
优选地，沿金属片的卷绕方向，每一分段的长度设置为比上一分段的长度增加3～8倍金属片的厚度值。
优选地，所述金属片为软磁体；具体如1K107软磁合金或1J85软磁合金等。
优选地，所述金属片的厚度为0.1mm～0.5mm。
优选地，所述开口气隙的宽度为1mm～5mm。
配合使用上述R型开口铁芯，本发明的另一目的在于提高霍尔电流传感器的准确度及性能。
所述霍尔电流传感器包括R型开口铁芯、原边汇流排、第一次边补偿线圈、第二次边补偿线圈和霍尔元件；
所述原边汇流排居中穿过铁芯的中间空腔，所述霍尔元件设置在铁芯的开口气隙处，所述第一次边补偿线圈和第二次边补偿线圈分别设置在铁芯的两对称侧边上且采取对称平衡绕制，两个次边补偿线圈间串联。所述对称平衡绕制是指第一次边补偿线圈和第二次边补偿线圈绕制时的位置正好相对、匝数完全相等。
优选地，在两个次边补偿线圈与铁芯之间敷设有线圈骨架以方便线圈排线。
优选地，在两个次边补偿线圈与原边汇流排之间设置铜箔并做绝缘处理；具体为：在线圈骨架上包绕绝缘膜后再进行次边补偿线圈的绕制，在绕制完成的次边补偿线圈外包绕绝缘膜，并在与原边汇流排相对一侧的表面贴装铜箔，最后将铜箔包绕进绝缘膜内。
本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：
1、本发明中的铁芯采用一整条金属片由内至外卷绕成形的方式，使得整个磁路中除开口气隙位置处外无其它接缝面，减少断磁层数量，加之各金属层之间的空隙与磁感线方向平行，因此，铁芯的磁阻和漏磁极小且铁芯周围磁场分布均匀，有利于提高传感器的准确度。
2、由于在同等面积条件下圆的周长最短，因此，本发明通过对金属片结构的独特设计，使得卷绕形成的铁芯的导磁截面为圆形(也可以是正多边形、椭圆形、近似圆形等)，次边补偿线圈在相同导磁截面积及匝数情况下的总长度最短，线圈阻值(铜阻)最低，有利于减小线圈热损耗，降低传感器输出内置阻抗与功耗，提高传感器的输出驱动能力。
3、本发明在铁芯与次边补偿线圈之间敷设有线圈骨架，便于进行线圈排线；两个次边补偿线圈采用对称平衡绕制，且二者同名端相互串联、磁力线方向相同，该设计极大地降低了漏磁和磁路损耗、提高了传感器准确度。
4、本发明中铁芯只设置一个开口气隙，可降低传感器的漏磁和磁阻，提升传感器的准确度，加之对应的霍尔电流传感器中只设置一个霍尔元件及一路后置电路部分，实现传感器的整体功耗最小。
5、本发明还在两个次边补尝线圈与原边汇流排的相对一侧分别设置铜箔，并包绕绝缘膜绝缘处理，铜箔由引线接出作为传感器PE端接大地，起屏蔽及隔离原边与次边之间的电磁干扰作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明实施例1中的一种R型开口铁芯的结构示意图(图中示出了铁芯截面形状)；
图2是图1中铁芯的侧面剖视图；
图3是图1中铁芯未成形前的金属片展开示意图；
图4是图3中金属片卷绕时的示意图(箭头表示卷绕方向)；
图5是使用图1中铁芯的霍尔电流传感器的结构示意图；
图6是图5中线圈骨架敷设在R型开口铁芯上的结构示意图(仅显示一个线圈骨架分叶)；
图7是本发明中的另一种R型开口铁芯的结构示意图(图中示出了铁芯截面形状)；
图中，1R型开口铁芯，11金属片，12开口气隙，2原边汇流排，3第一次边补偿线圈，4第二次边补偿线圈，5霍尔元件，6线圈骨架，7铜箔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参见图1～4，一种R型开口铁芯1，具体为带有四个圆弧形倒角弧边的方框形结构。所述R型开口铁芯1由一个长条形的金属片11由内至外卷绕成形，并在其非绕线圈的侧边位置切割出一个开口气隙12，所述铁芯的导磁截面为圆形。
所述金属片11包括多个首尾相连的分段，所述金属片11各处厚度均等且宽度从中间向两端逐段减小，同一分段内各处宽度均等，在相邻分段间设有宽度渐变的过渡连接段，其中，中间分段的宽度与铁芯导磁截面的直径相等，而关于中间分段位置对称的两个分段的宽度相等，各分段的长度设置为可在在先卷绕的基础上继续完整卷绕一周。
沿金属片的宽度缩窄方向，每一分段的宽度设置为比上一分段的宽度减少2～4倍金属片的厚度值。
沿金属片的卷绕方向(从一端向另一端)，每一分段的长度设置为比上一分段的长度增加3～8倍金属片的厚度值。
在本实施例中，所述金属片11的材质为1K107软磁合金或1J85软磁合金；所述金属片11的厚度为0.1mm～0.5mm。
在本实施例中，所述开口气隙12的宽度为1mm～5mm且位于其所在侧边的正中间，所述R型开口铁芯1关于开口气隙12的切割面完全对称。
参见图7，所述R型开口铁芯1还可设计成槽口形。
将本实施例中的铁芯用于霍尔电流传感器领域，参见图5，所述霍尔电流传感器包括R型开口铁芯1、原边汇流排2、第一次边补偿线圈3、第二次边补偿线圈4和霍尔元件5。所述原边汇流排2为长方体且居中穿过R型开口铁芯1的中间空腔，所述原边汇流排2选用铜或铝材，用于承载被测电流；所述霍尔元件5设置在R型开口铁芯1的开口气隙12处，并与后置电路连接；所述第一次边补偿线圈3和第二次边补偿线圈4分别设置在R型开口铁芯1的两对称侧边上且采取对称平衡绕制。
参见图6，在本实施例中，在两个次边补偿线圈与R型开口铁芯1之间均敷设有线圈骨架6以方便线圈排线。完整的线圈骨架6是由两个线圈骨架分叶拼合而成，拼合后骨架内形成的空腔刚好可容纳铁芯。两个线圈骨架分叶完全相同，即与拼合面镜像对称。
在本实施例中，在两个次边补偿线圈与原边汇流排2之间均设置有铜箔7并做绝缘处理；具体为：在线圈骨架上包绕绝缘膜后再进行次边补偿线圈的绕制，在绕制完成的次边补偿线圈外包绕绝缘膜，并在与原边汇流排相对一侧的表面贴装铜箔，最后将铜箔包绕进绝缘膜内。
所述霍尔电流传感器还包括运算放大器(放大器A、输入电阻R1和R2)、补偿电流功率管(VT1和VT2)和测量电阻Rm，+Vc表示正直流电源给入端，-Vc表示负直流电源给入端，M表示输出端，PE表示接大地端，GND表示直流电源0V点(公共点)。
所述第一次边补偿线圈3和第二次边补偿线圈4的同名端相互串联，其中一个线圈的引出端接补偿电流功率管VT1和VT2的发射极e，而另一个线圈的引出端作为电流传感器的输出端M，该输出端M经测量电阻Rm接直流电源GND端(0V点)。
所述霍尔元件5的一个输出端与电阻R1串联后接运算放大器的同相输入端(正输入端)，另一个输出端则与电阻R2串联后接运算放大器的反相输入端(负输入端)；运算放大器的输出端接补偿电流功率管VT1和VT2的基极b；补偿电流功率管VT1的集电极c接电流传感器的正直流电源给入端+Vc，补偿电流功率管VT2的集电极c接电流传感器的负直流电源给入端-Vc。
所述铜箔7由引线接出作为传感器PE端外接大地，起屏蔽及隔离原边与次边之间的电磁干扰作用。
在对所述R型开口铁芯1的尺寸进行设计时，以靠近原边汇流排2、并满足传感器原、次边间的绝缘间距和线圈绕制的原则尽量设小，以减短铁芯的磁路长度，从而在相同线圈匝数下使铁芯能获得更高的磁场强度，进而使传感器获得了较高的信噪比及抗干扰能力；同时该设计还能减小磁路磁阻和铁芯铁损，使传感器准确度更高、性能更稳定。
上述霍尔电流传感器的工作过程如下：
当被测电流Ip流过原边汇流排时，产生的磁场被R型开口铁芯聚集，磁场在铁芯开口气隙处穿过霍尔元件感应出相应的电信号。电信号经过运算放大器A放大输出驱动补偿电流功率管VT1或VT2，从而获得一个补偿电流Is。补偿电流Is流过次边补偿线圈产生一个补偿磁场，补偿磁场与原边汇流排流过的被测电流Ip产生的磁场方向相反，因而补偿(削弱)了原边的磁场，使霍尔元件的感应输出逐渐减小。
当补偿磁场与原边磁场相等时，补偿电流Is不再增大，此时的霍尔元件起到指示零磁通的作用，并可通过Is来测量Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔元件有信号输出，重复上述过程可重新达到平衡。
由于被测电流的任何变化都会破坏这一平衡；一旦磁场失去平衡，霍尔元件就有信号输出，经放大驱动后，立即就有相应的电流流过次边补偿线圈以对失衡的磁场进场补偿，从磁场失衡到再次平衡，耗费时间理论上不到1us，形成了一个快速响应的闭环式控制过程。
本发明技术方案已在轨道机车牵引和发电系统中作为系统电流检测部件应用，作用于隔离检测牵引和发电系统的输出电流，通过对传感器输出信号进行采集处理，设定限流工作点，确保发电系统的输出功率不会高于电机的额定功率；即实现闭环系统的控制过程及检测保护目的。
在实际应用中发现，在相同磁场强度和导磁材料条件下取样对比磁通密度，C型铁芯平均只有本发明中R型开口铁芯的89.47％，可见本发明的R型开口铁芯的漏磁远小于传统的C型铁芯，从而实现霍尔传感器的准确度更高，不会由此造成较大温度飘移。
此外，次边补偿线圈在相同导磁截面积下的铜阻(内阻)最小，霍尔传感器的功耗降低，驱动能力增强，扩大了与后级系统的匹配性，而且温度飘移小。设置的铜箔明显增强了霍尔传感屏的抗干扰性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种R型开口铁芯，其特征在于，所述铁芯由一个长条形的金属片由内至外卷绕成形，并在其非绕线圈的侧边位置切割出一个开口气隙，所述铁芯的导磁截面为圆形；
所述金属片包括多个首尾相连的分段，所述金属片各处厚度均等且宽度从中间向两端逐段减小，同一分段内各处宽度均等，在相邻分段间设有宽度渐变的过渡连接段，其中，中间分段的宽度与铁芯导磁截面的直径相等，而关于中间分段位置对称的两个分段的宽度相等，各分段的长度设置为可在在先卷绕的基础上继续完整卷绕一周。
2.根据权利要求1所述的R型开口铁芯，其特征在于，沿金属片的宽度缩窄方向，每一分段的宽度设置为比上一分段的宽度减少2～4倍金属片的厚度值。
3.根据权利要求2所述的R型开口铁芯，其特征在于，沿金属片的卷绕方向，每一分段的长度设置为比上一分段的长度增加3～8倍金属片的厚度值。
4.根据权利要求3所述的R型开口铁芯，其特征在于，所述金属片为软磁体。
5.根据权利要求3所述的R型开口铁芯，其特征在于，所述金属片的厚度为0.1mm～0.5mm。
6.根据权利要求3所述的R型开口铁芯，其特征在于，所述开口气隙的宽度为1mm～5mm。
7.如权利要求1～6任意一项所述的R型开口铁芯在霍尔电流传感器中的应用。
8.一种如权利要求7所述的霍尔电流传感器，其特征在于，还包括原边汇流排、第一次边补偿线圈、第二次边补偿线圈和霍尔元件；
所述原边汇流排居中穿过铁芯的中间空腔，所述霍尔元件设置在铁芯的开口气隙处，所述第一次边补偿线圈和第二次边补偿线圈分别设置在铁芯的两对称侧边上且采取对称平衡绕制，两个次边补偿线圈间串联。
9.根据权利要求8所述的霍尔电流传感器，其特征在于，在两个次边补偿线圈与铁芯之间敷设有线圈骨架以方便线圈排线。
10.根据权利要求9所述的霍尔电流传感器，其特征在于，在两个次边补偿线圈与原边汇流排之间设置铜箔并做绝缘处理；具体为：在线圈骨架上包绕绝缘膜后再进行次边补偿线圈的绕制，在绕制完成的次边补偿线圈外包绕绝缘膜，并在与原边汇流排相对一侧的表面贴装铜箔，最后将铜箔包绕进绝缘膜内。
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