CN112881778A - 一种全包围开合式小电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全包围开合式小电流传感器，包括磁电层合材料和锯齿形磁芯；锯齿形磁芯为锯齿形开合式结构，且锯齿形磁芯通过全包围夹持的方式将磁电层合材料固定于锯齿形磁芯的气隙处。本发明采用全包围夹持的方式将磁电层合材料固定于锯齿形磁芯的气隙处，全包围式夹持方式的设计相比于双端夹持的方式，能够有效提高材料处的磁场强度，相比于单端夹持和中间支撑的夹持方式既有效提高了材料处的磁场强度还避免了夹具的使用，且易于安装和维护。同时，锯齿形开合式磁芯的设计，不仅能够满足传感器实际使用时便于安装的需求，同时与平口开合式磁芯、齿形开合式磁芯相比较，其有效的增大了磁芯开合处的接触面积，提高了材料处的磁场强度，从而提高了传感器的灵敏度。

Description

一种全包围开合式小电流传感器
技术领域
本发明属于磁电传感器的技术领域，具体涉及一种全包围开合式小电流传感器。
背景技术
对于高压电力设备，在一段运行时间内，由于受到周围环境的影响，会产生毫安至安培级别的弱电流，目前，弱电流的测量广泛应用于评估高压绝缘子、套管、电涌避雷器等设备的运行状况。因此，弱电流的高精度测量在确定电力设备的高压绝缘是否正常运行方面起着重要的作用。随着智能电网的快速发展，非接触式电流传感器越来越广泛应用于需要与一次电流隔离的电气设备状态监测中，而由压电材料和磁致伸缩材料组成的复合磁电传感器由于其在室温下磁电系数较高、灵敏度较高、体积较小和成本较低而受到越来越多的关注。因此，用于弱电流测量的磁电传感器在智能电网的建设中发挥了重要的作用。
通常的弱电流传感器一般有电流互感器、罗氏线圈、霍尔电流传感器、光纤传感器等。电流互感器对弱电流测量精度差、磁芯易饱和且体积较大；罗氏线圈采用非磁性材料作为线圈绕组的框架，在低频使用情况下，线圈绕制过程繁琐，同时易受到外界磁场的干扰，穿芯导线位置对信号影响较大，已经难以满足新一代数字电力网的发展需要；霍尔电流传感器灵敏度、分辨率较低且需要外部供能；光纤电流传感器虽然灵敏度高，但其系统较为复杂、成本较高。
而针对目前已提出的用于测量弱电流的磁电传感器，其使用了磁汇聚器来提高传感器的测量灵敏度，但是，该传感器在实际测量过程中却无法开合，需要改变原有的电路才能正常测量，不利于安装和维护。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种全包围开合式小电流传感器，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种全包围开合式小电流传感器，其包括磁电层合材料和锯齿形磁芯；锯齿形磁芯为锯齿形开合式结构，且锯齿形磁芯通过全包围夹持的方式将磁电层合材料固定于锯齿形磁芯的气隙处。
优选地，锯齿形磁芯通过上部垫块、下部垫块、螺栓和螺帽的配合固定于护盒中。
优选地，上部垫块和下部垫块的中部穿设被测载流导线，被测载流导线通过橡胶垫圈固定。
优选地，护盒的两侧设有用于完成锯齿形磁芯开合过程的卡扣和旋转连接机构。
优选地，上部垫块、下部垫块、护盒、卡扣和旋转连接机构均采用3D打印制备，且材质均为树脂材料。
优选地，锯齿形磁芯的材质为铁基纳米晶合金材料。
优选地，磁电层合材料为长片形层合结构。
优选地，长片形层合结构包括从上至下依次粘结而成的磁致伸缩层、压电层和磁致伸缩层。
优选地，磁致伸缩层为Metglas非晶态合金，压电层为PZT压电陶瓷片。
优选地，在PZT压电陶瓷片两个电极表面引出用于测量输出电压的导线。
本发明提供的全包围开合式小电流传感器，具有以下有益效果：
本发明采用全包围夹持的方式将磁电层合材料固定于锯齿形磁芯的气隙处，全包围式夹持方式的设计相比于双端夹持的方式，能够有效提高材料处的磁场强度，相比于单端夹持和中间支撑的夹持方式既有效提高了材料处的磁场强度还避免了夹具的使用，且易于安装和维护。同时，锯齿形开合式磁芯的设计，不仅能够满足传感器实际使用时便于安装的需求，同时与平口开合式磁芯、齿形开合式磁芯相比较，其有效的增大了磁芯开合处的接触面积，提高了材料处的磁场强度，从而提高了传感器的灵敏度；与霍尔元件、磁阻元件相比，磁电传感器在无需外部电源的条件下能将磁信号转变为电信号，且制备简单、磁电转换系数大，可以实现非接触式测量，因此在无源非接触式电流监测应用方面具有广阔的前景。
附图说明
图1为全包围开合式小电流传感器的齿形磁芯结构图。
图2为全包围开合式小电流传感器的磁电层合材料。
图3为全包围开合式小电流传感器的已封装的泄露电流传感器。
图4为全包围开合式小电流传感器的传感器剖面图。
图5为2齿齿形磁芯与2齿锯齿形磁芯仿真结果。
图6为采用双端夹持式的锯齿形开合式磁芯。
其中，1、磁电层合材料；2、锯齿形磁芯；3、上部垫块；4、下部垫块；5、护盒；6、卡扣；7、旋转连接机构；8、橡胶垫圈；9、螺栓；10、螺帽；11、载流导线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的全包围开合式小电流传感器，包括磁电层合材料1和锯齿形磁芯2；锯齿形磁芯2为锯齿形开合式结构，且锯齿形磁芯2通过全包围夹持的方式将磁电层合材料1固定于锯齿形磁芯2的气隙处。
一个上部垫块3和一个下部垫块4通过螺栓9和螺帽10的配合将齿形磁芯2固定在护盒5中。
护盒5的两侧设有卡扣6和旋转连接机构7，卡扣6和旋转连接机构7用于完成传感器的开合过程。
在上部垫块3和下部垫块4的中部穿设被测载流导线11，并通过橡胶垫圈8将被测载流导线11固定。
上部垫块3、下部垫块4、护盒5、卡扣6和旋转连接机构7均采用3D打印制备，且材质均为树脂材料。
齿形磁芯2采用铁基纳米晶合金材料，可用于毫安至安培级别弱电流的监测，其具有磁导率高、损耗小、矫顽力小等多种优势。
本发明根据传感器的实际使用情况，将磁汇聚器设计成锯齿形开合式结构，且锯齿形磁芯2通过全包围夹持的方式将磁电层合材料1固定于锯齿形磁芯2的气隙处。
磁电层合材料1为长片形层合结构，长片形层合结构包括从上至下依次粘结而成的磁致伸缩层、压电层和磁致伸缩层，选用环氧树脂将其粘合。
其中，磁致伸缩层为Metglas非晶态合金，压电层为PZT压电陶瓷片，并在PZT压电陶瓷片两个电极表面引出用于测量输出电压的导线。
本方案的工作原理为：
根据安培定律可知，带有交流或直流的载流导线会在导线周围产生一个交流或直流的涡流磁场，其产生的磁场强度取决于导线上的电流大小I以及导线的半径r，即(H＝I/2πr)。因此，可以通过间接测量电流所激发的磁场从而达到测量电流的目的。
本发明采用的磁电层合材料1为长片形层合结构，以磁致伸缩层、压电层、磁致伸缩层相互粘结而成。其中，磁致伸缩层和压电层分别选择了Metglas非晶态合金和PZT压电陶瓷片，用环氧树脂将其粘合，在PZT两个电极表面引出导线以测量输出电压。
此外，磁电层合材料1的工作模式为L-T模式，即磁致伸缩层沿长度方向磁化，压电层沿厚度方向极化。导线从磁芯中间穿过，当待测电流流过时，会在材料的长度方向产生交变的磁场，从而使得磁致伸缩层在该方向上发生拉伸和压缩，并通过机械连接将形变传至压电层，在压电层的上下两端产生电荷，最后输出交变电压V。因此，电流的测量可以看作是磁电效应和安培定律的乘积效应(I->H->V)。通过测量输出电压V与电流I的关系，由此可得输入电流的大小。
传感器监测交流电流的能力主要取决于感应元件检测交流磁场的能力。为了增强磁电元件所感受到的磁场强度，提高传感器的灵敏度，可以通过磁汇聚器将载流导线周围产生的交变磁场进行汇聚，从而减少漏磁。由于测量的弱电流为毫安至安培级别，本专利的磁汇聚器采用铁基纳米晶合金材料，它具有磁导率高、损耗小、矫顽力小等多种优势。
根据传感器的实际使用情况，将磁汇聚器设计成为锯齿形开合式结构，其中锯齿形磁芯2采用全包围式夹持的方式，磁电层合材料1放置在磁芯的气隙处。相比较C形开合式磁芯、图6所示的齿形开合式磁芯，本发明的磁芯的结构有效的增大了磁芯开合处的接触面积，从而提高了材料处的磁场强度。根据磁路定理，串联磁路的磁阻等于串联给分磁阻之和，由于全包围情况下磁路的磁阻低于双端夹持情况下磁路的磁阻，由Φ＝F/Rm可知，当磁动势F一定时，磁阻Rm越小，磁通量Φ越大。
参考图5，通过进一步仿真分析，全包围式磁芯在层合材料处的磁场强度比双端夹持式磁芯高出约0.12T，约为双端夹持情况下的33％，具体结果如图5所示。由此可见，全包围磁芯结构有效的提高了层合材料处的磁通密度。
本发明采用全包围夹持的方式将磁电层合材料1固定于锯齿形磁芯2的气隙处，全包围式夹持方式的设计相比于双端夹持的方式，能够有效提高材料处的磁场强度，相比于单端夹持和中间支撑的夹持方式既有效提高了材料处的磁场强度还避免了夹具的使用，且易于安装和维护。同时，锯齿形开合式磁芯的设计，不仅能够满足传感器实际使用时便于安装的需求，同时与平口开合式磁芯、齿形开合式磁芯相比较，其有效的增大了磁芯开合处的接触面积，提高了材料处的磁场强度，从而提高了传感器的灵敏度；与霍尔元件、磁阻元件相比，磁电传感器在无需外部电源的条件下能将磁信号转变为电信号，且制备简单、磁电转换系数大，可以实现非接触式测量，因此在无源非接触式电流监测应用方面具有广阔的前景。
本发明开口位置、夹持位置位于X-Y平面，在实际加工过程或实验中，由于磁芯尺寸的限制，也可将开口位置、夹持位置位于X-Z、Y-Z平面。
本发明所提出的齿形开合式结构不仅适用于矩形，即本发明的保护范围不局限于对矩形状的齿形开合式结构的保护，还适用于圆形磁汇聚器或者其它结构形状的磁汇聚器，具有通用性。
本发明的齿形开合式结构不仅适用于2齿，还适用于n齿(n为大于1的整数)结构。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种全包围开合式小电流传感器，其特征在于：包括磁电层合材料和锯齿形磁芯；所述锯齿形磁芯为锯齿形开合式结构，且锯齿形磁芯通过全包围夹持的方式将磁电层合材料固定于锯齿形磁芯的气隙处。
2.根据权利要求1所述的全包围开合式小电流传感器，其特征在于：所述锯齿形磁芯通过上部垫块、下部垫块、螺栓和螺帽的配合固定于护盒中。
3.根据权利要求2所述的全包围开合式小电流传感器，其特征在于：所述上部垫块和下部垫块的中部穿设被测载流导线，被测载流导线通过橡胶垫圈固定。
4.根据权利要求2所述的全包围开合式小电流传感器，其特征在于：所述护盒的两侧设有用于完成锯齿形磁芯开合过程的卡扣和旋转连接机构。
5.根据权利要求4所述的全包围开合式小电流传感器，其特征在于：所述上部垫块、下部垫块、护盒、卡扣和旋转连接机构均采用3D打印制备，且材质均为树脂材料。
6.根据权利要求1所述的全包围开合式小电流传感器，其特征在于：所述锯齿形磁芯的材质为铁基纳米晶合金材料。
7.根据权利要求1所述的全包围开合式小电流传感器，其特征在于：所述磁电层合材料为长片形层合结构。
8.根据权利要求7所述的全包围开合式小电流传感器，其特征在于：所述长片形层合结构包括从上至下依次粘结而成的磁致伸缩层、压电层和磁致伸缩层。
9.根据权利要求8所述的全包围开合式小电流传感器，其特征在于：所述磁致伸缩层为Metglas非晶态合金，压电层为PZT压电陶瓷片。
10.根据权利要求9所述的全包围开合式小电流传感器，其特征在于：在所述PZT压电陶瓷片两个电极表面引出用于测量输出电压的导线。
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