CN117377882A - 用于电流传感器的磁芯 - Google Patents
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Abstract
该专利申请涉及一种用于电流传感器的磁芯。根据一个实施例，磁芯具有由第一软磁材料组成的的第一芯部以及由第二软磁材料组成的环形的第二芯部，其具有比第一材料更低的磁导率、更高的饱和感应和更高的矫顽力。
Description
技术领域
本说明书涉及电流传感器的技术领域，特别是一种用于闭环补偿电流传感器或开环电流传感器的磁芯。
背景技术
对于导体中电流的非接触测量，即无电位测量，已知的是所谓的直接成像电流传感器，其检测磁回路中由电流引起的磁通量，例如通过霍尔传感器或磁场探头，并产生与电流成比例的测量信号。这种直接成像电流传感器也称为开环电流传感器，其没有闭环控制回路。
此外，已知补偿电流传感器，其中通过磁路(铁芯)中的闭环控制回路连续产生与待测电流的磁场相同大小的反向磁场，从而连续产生(近似)完全的磁场补偿，并且可以从产生反向磁场的参数确定待测电流的大小。对于较高频率的电流，补偿电流传感器因其铁芯的存在，实质上起到了电流互感器的作用。
电流传感器的特性取决于铁芯的磁性。在给定铁芯横截面的情况下，小测量误差和大测量范围是相互矛盾的设计目标。因此，可以针对不同的应用考虑使用不同的铁芯合金，从而根据其磁性能对合金进行优化，使其适用于特定类别的应用。
发明者为自己设定的任务是为电流传感器创造一种磁芯，这种磁芯可以灵活地用于不同的应用，并且可以以简单的方式制造。
发明内容
下面将描述一种用于电流传感器的磁芯。根据一个实施例，磁芯具有由第一软磁材料组成的环形的第一芯部以及由第二软磁材料组成的环形的第二芯部，第二软磁材料具有比第一材料更低的磁导率、更高的饱和感应和更高的矫顽力。
根据另一实施例，磁芯具有由第一软磁材料组成的环形的第一芯部以及由第二软磁材料组成的环形的第二芯部，其中，(1)第一材料是69至82％的含镍重量的镍铁合金且第二材料是36至55％的含镍重量的镍铁合金，或(2)第一材料是36至55％的含镍重量的镍铁合金且第二材料是4％的含硅重量的硅铁合金，或(3)第一材料是69至82％的含镍重量的镍铁合金且第二材料是4％的含硅重量的硅铁合金。
附图说明
下面将通过附图对实施例进行更详细的说明。所述图示不一定按比例表示，并且实施例不仅限于所述方面。相反，重点是说明实施例的基本原则。在附图中：
图1通过框图示出了带磁通栅极探头的补偿电流传感器的示例。
图2示出了根据实施例的用于电流传感器的磁芯的示意图。
图3示出了根据另一实施例的磁芯的示意图。
图4示出了具有卷绕芯部的另一实施例。
具体实施方式
这里描述的实施例涉及用于补偿电流传感器的磁芯。在详细讨论磁芯的各个方面之前，首先简述一种补偿电流传感器的基本结构，其本身就是众所周知的。示例如图1所示。
根据图1，电流传感器包括软磁性芯3，其磁耦合到初级绕组5(通常只有单匝)和次级绕组/补偿绕组4。初级绕组5引导待测初级电流iP，补偿绕组4引导补偿电流iS(次级电流)。由初级电流iP和次级电流iS引起的磁通分量在芯3中破坏性地重叠，由此产生的磁通量在芯3中被调节为零。对于次级电流，使用稍后描述的电流调节器进行调节。
通过磁场探头20测量剩余磁通量，磁场探头20包括称为“传感器条”的铁磁金属条21和包围传感器条21的传感器线圈22。传感器线圈22连接到提供表示磁通量的测量值B的评估电路41。各种合适的评估电路本身是已知的，因此这里不再进一步解释。大多数情况下，评估电路41包括产生励磁电流iM的振荡器，该励磁电流iM被馈送到传感器线圈22中，并以变化的极性周期性地将其磁化，直到传感器条21饱和。由于传感器条21的对称的、理想的矩形磁滞特性，传感器线圈22的交替磁化过程中的任何不对称都表明磁芯3中的磁通量不等于零。这种不对称是可以评估的。评估电路耦合到电流调节器42，该电流调节器42可调节次级电流iS，使得上述不对称现象消失或测量值B(理想情况下)变为零。这样的磁场探头也被称为磁通栅极探头。DE 102008029475 A1中描述了一个例子。
在该状态下(测量值B为零)，补偿电流iS与初级电流iP成正比，其中，比例因子取决于初级绕组5和补偿绕组4的匝数之比。例如，通过测量电阻RS可以非常精确地测量受控的补偿电流iS，由于上述比例特性，所得到的测量值(例如，输出电压VO＝RS×iS)代表初级电流iP。
具有磁通栅极探头的电流传感器需要磁芯3来引导待测初级电流iP的磁通量。对于磁芯来说，磁芯需要具备几种特性。例如，其应该由一种高磁导率的软磁材料组成，以“收集”尽可能多的磁场线。磁滞是影响测量精度的参数。磁滞应尽可能小。理想情况下，磁芯的高磁导率的软磁材料还能提供较高可操控性，而不会达到饱和。此外，磁芯还应具有缺陷，以便在确定的位置产生杂散磁场，探头20可以检测到杂散磁场，以重新调节补偿电流iS(次级电流)。当补偿电流传感器用于测量直流电流(DC电流)时，探头20检测磁芯3的杂散磁场并通过补偿绕组4重新调节补偿电流iS(见图1)，直到磁芯变得无磁场为止。不过，所提到的缺陷不能太大，以免磁芯被剪切得太严重，否则电感会下降，变换器/变压器性能会恶化。对于较高频率的初级电流，传感器的铁芯基本上起着电流互感器的作用，磁通栅极探头只起着辅助的作用。在这种工作模式下，闭合的、非剪切的磁路提供了最佳的变压器特性。
另一类电流传感器是所谓的开环电流传感器，其中不需要补偿绕组4，因此也不需要电流调节器42。在这种情况下，流经绕组5的电流iP在磁芯的气隙中产生的场由探头20直接测量(而不是通过补偿电流间接测量)。这里描述的磁芯适用于这两种类型的电流传感器。
在已知的传感器中，磁芯由一种材料制成，该材料可以根据磁性材料特性针对电流传感器的预定应用领域进行优化。如前所述，对于给定的铁横截面，测量误差小和测量范围大至少是部分相互排斥的设计目标。芯材料的矫顽力直接影响测量误差。然而，已知的矫顽力较小的合金不具有特别高的饱和极化，这反过来又限制了可用的测量范围。为了扩大这个范围，必须增加磁芯的铁横截面，但这在许多应用中不是一个选择。然而，当使用在饱和极化方面优化的合金时，矫顽力也可以增加(最多增加3-4倍)。虽然铁芯在大场强下饱和的速度不是那么快，待测的初级电流可以增加，但测量误差较大。
因此，需要改进的磁芯，其至少尽可能地结合了上述一些理想的特性。
图2示出了根据实施例的用于补偿电流传感器的磁芯3的示意图。根据图2，磁芯3具有第一(内)芯部11和第二(外)芯部12。在本文描述的实施例中，第一芯部11由第一材料组成，该第一材料具有高磁导率、低饱和感应和非常低矫顽力。另一方面，第二芯部12由第二材料组成，该第二材料与第一材料相比具有比第一材料更低的磁导率、更高的饱和感应和更高的矫顽力。内芯部具有至少一个气隙15，磁场探头20位于其紧邻处。
例如，内芯部11的第一材料可以是含镍重量约为69至82％，特别是约为80％的镍铁合金。市售的此类合金包括Mu金属和100。这些材料提供最低的矫顽力，但也只有很低的饱和感应。例如，外芯部12的第二材料可以是镍铁(NiFe)合金，其含镍重量约为36至55％，特别是约为50％。例如，市售的此类合金可以是/>5000V5。这种材料提供了高饱和感应，但也提供了更高的矫顽力。百分比以重量百分比表示。
由于内芯部11的(相对)较高的磁导率和由此产生的较低的磁阻，其中的磁通量占主导地位，并且磁场探头20能够测量气隙15处的漏磁通量(见图2)。
如前所述，外芯部12具有较高的饱和感应，因此不像内芯部11那样迅速饱和。如果初级导体层位置选择不当，并且磁芯3受控(磁化)不均匀，就会出现这种情况。对于较高的初级电流，也可以使用50％镍铁合金和硅铁合金(例如N4)的组合。
芯部11和12为环形。在这种情况下，环形并不意味着芯部是圆形的，而是沿着一条封闭的曲线伸缩，这并不排除气隙的存在。例如，环形芯可以具有圆形、椭圆形、矩形、正方形或六边形结构。
芯部11和12由不同宽度的金属带材制成(带材可以切割成所需的宽度)。带材可以以其自身已知的方式卷绕成线圈、切割并弯曲成例如近似u形元件11a、11b、12a、12b。根据图2所示的示例，两个u形元件11a和11b被组装成形成具有气隙15和19的近似矩形结构。这种结构构成了内芯部11。类似地，u形元件12a和12b被组装在一起。这些也形成一个近似矩形结构，但没有气隙。该结构形成外芯部12。u形元件11a和11b可以具有两个近似平行但不等长的支腿。气隙15和19保持在元件11a和11b的支腿之间。然而，元件11a和11b的支腿也可以是相同的长度。在所示的示例中，元件11a和11b的形状相等，但彼此以点对称的方式排列。
u形元件12a和12b的(例如等长的)支腿彼此相邻(即重叠)。这样形成的近似矩形的外芯部12包围内芯部11。在图2所示的示例中，内芯部分段地(在图2中，四个边中的三个边)与外芯部12的内侧直接相邻。在较短的部分中，内芯部11不直接与外芯部12的内侧相邻，因为磁场探头20设置在其之间。在所示的示例中，磁场探头20在横向上限制了气隙15。与气隙15相对的另一气隙19通过外芯部11磁性短路，因为此时两个芯部11和12彼此直接接触。在图3所示的示例中，唯一具有磁性的有效气隙是气隙15。在工作时，在该位置产生磁性杂散场，该杂散磁场可以被磁场探头20检测到。磁场探头20可以设置在内芯部11和外芯部12之间的磁芯3的角17中。探头20在边缘上的布置有助于其更容易地制造(组装和卷绕)。
如前所述，第一芯部11和第二芯部12由不同的材料组成。第一芯部11的材料具有高的相对磁导率μR、低的饱和感应BS和非常低的矫顽力HC。与第一材料相比，第二芯部12的材料具有比第一材料更低的磁导率μR、更高的饱和感应BS和更高的矫顽力HC。在图2中，第一芯部11(具有较高的磁导率μR和较低的饱和感应BS)位于内部，第二芯部12(具有较低的磁导率μR和较高的饱和感应BS)位于外部。据了解，这种布置也可以互换，使得具有较高磁导率μR(和较低饱和感应BS)的芯部位于外部。
单个芯元件11a、11b、12a、12b由多个带材层(类似于切割带芯)组成。通过改变带材的厚度和宽度，可以很容易地调整磁芯的尺寸。具有气隙15的第一芯部11可以仅由几层非晶或纳米晶合金组成。
图3示出了另一个实施例，该实施例基本上是对图2的实施例的修改。与图2不同的是，在本示例中，组成外芯部12的芯元件12a和12b的支腿的长度不相等。尽管如此，与前一示例一样，u形元件12a的支腿与元件12b的相应支腿直接相邻，从而形成表示外芯部12的矩形结构。顺便说一句，图3所示的示例与图2相同，并参考了上面的实施方案。
图4图示了用于电流传感器的磁芯的另一个实施例。再次，磁芯由软磁材料组成的两个环形芯部11和12组成。在所示的示例中，芯部11和12是圆形，其中，内芯部11可以是开槽的。所以其有一个气隙15。外芯部12没有气隙。内芯部11由第一软磁材料组成，外芯部12由第二软磁材料组成，第二软磁材料具有比第一材料更低的磁导率μR、更高的饱和感应BS和更高的矫顽力HC。
两个芯部11和12可以例如通过卷绕软磁性带材来制造。在这种情况下，两个芯部11和12本身是环形带芯，即，根据图4的磁芯由两个同轴布置的环形带芯部11、12组成，其中，只有内芯部11具有气隙。磁场探头20设置在气隙15中或气隙15处。例如，对于补偿电流传感器，磁场探头20是磁通栅极探头；对于开环电流传感器、霍尔传感器或磁阻(MR)传感器通常用作磁场探头。
例如，所使用的材料组合可以是含镍重量约为69至82％的镍铁合金(第一材料)和含镍重量约为36至55％的镍铁合金(第二材料)的组合。例如，100(第一材料，约77％镍)的相对磁导率μR为350,000；饱和极化BS为0.74特斯拉(T)，矫顽力HC为0.8安培/米(A/m)。/>5000V5(第二材料，45至50％镍)的磁导率μR为135,000、饱和极化BS为1.55T且矫顽力HC为4A/m。
对于较高的初级电流，可以使用5000V5等材料(第二材料)作为内芯部11，第三材料是含硅重量最高为4％的硅铁合金，如/>N4(第三材料，约3％硅)作为外芯部12。/>的相对磁导率μR为30,000、饱和极化BS为2.03T且矫顽力HC为20A/m。显然，所提到的数字只是示例。可以看到，对于镍铁合金，随着含镍重量的增加，磁导率增加且饱和极化降低。对于硅铁合金，磁导率比镍铁合金低且饱和极化大。
Claims (21)
1.一种用于电流传感器的磁芯，其具有以下：
由第一软磁材料组成的环形的第一芯部(11)，以及
由第二软磁材料组成的环形的第二芯部(12)，其具有比所述第一材料更低的磁导率，更高的饱和感应和更高的矫顽力。
2.根据权利要求1所述的磁芯，
其中，所述第二芯部(12)在外包围所述第一芯部(11)，或其中，所述第一芯部(11)在外包围所述第二芯部(12)。
3.根据权利要求1或2所述的磁芯，
其中，所述第一芯部(11)由两个相互连接的元件(11a，11b)组成，其中，在所述两个相互连接的元件(11a，11b)之间至少有一个气隙。
4.根据权利要求3所述的磁芯，
其中，所述第一芯部(11)的所述两个元件(11a，11b)基本上是u形的。
5.根据权利要求4所述的磁芯，
其中，所述两个u形元件(11a，11b)相同，并且分别具有两个不同长度的支腿。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁芯，
其中，所述第二芯部(12)由两个元件(12a，12b)组成，这两个元件(12a，12b)在没有气隙的情况下连接在一起，并以部分重叠的方式相互连接。
7.根据权利要求6所述的磁芯，
其中，所述第二芯部(12)的所述两个元件(12a，12b)基本上是u形的，并且具有相同或不同长度的支腿。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁芯，
其中，所述第一芯部(11)和所述第二芯部(12)至少分段地相互接触。
9.根据权利要求8所述的磁芯，
其中，所述第一芯部(11)和所述第二芯部(12)基本上具有矩形形状，并且在所述矩形形状的四个边中的三个边相互接触。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的磁芯，
其中，所述第一芯部(11)和所述第二芯部(12)基本上具有矩形形状，并且在所述矩形形状的四个边中的三个边相互接触。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的磁芯，
其中，所述第一芯部(11)和所述第二芯部(12)沿着在所述第一芯部(11)和所述第二芯部(12)之间设置有磁场探头(20)的部分相互相对。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的磁芯，就权利要求3而言，
其中，所述磁场探头(20)横向限制所述气隙(20)。
13.根据权利要求1或2所述的磁芯，
其中，所述第一芯部(11)是带气隙的环形芯，所述第二芯部(12)是无气隙的环形芯，并且其中，所述第二芯部(12)包围所述第一芯部(11)，反之亦然。
14.根据权利要求13所述的磁芯，
其中，所述第一芯部(11)和所述第二芯部(12)分别为环形带芯或由冲压板堆组成。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的磁芯，
其中，所述第一材料是镍铁合金，其含镍重量约为69至82％。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的磁芯，
其中，所述第二材料是镍铁合金，其含镍重量约为36至55％，或
其中，所述第二材料是硅铁合金，其含硅重量约为4％。
17.根据权利要求1至14中任一项所述的磁芯，
其中，所述第一材料是镍铁合金，其含镍重量约为36至55％，并且
其中，所述第二材料是硅铁合金，其含硅重量约为4％。
18.一种补偿电流传感器，其具有以下：
根据权利要求1至17中任一项所述的磁芯(3)，
围绕所述磁芯(3)设置的初级绕组(5)和围绕所述磁芯(3)设置的次级绕组(4)，以及
传感器电路(40)，其用于根据借助所述磁场探头(20)产生的表示所述磁芯(3)中存在的磁通密度的测量信号向所述次级绕组(4)注入次级电流(iS)。
19.一种开环电流传感器，其具有以下：
根据权利要求1至17中任一项所述的磁芯(3)，
围绕所述磁芯(3)设置的初级绕组(5)，以及
传感器电路(40)，其用于根据借助所述磁场探头(20)产生的表示所述磁芯(3)中存在的磁通密度的测量信号。
20.一种用于电流传感器的磁芯，其具有以下：
由第一软磁材料组成的环形的第一芯部(11)，以及
由第二软磁材料组成的环形的第二芯部(12)，
其中，所述第一材料是69至82％的含镍重量的镍铁合金，所述第二材料是36至55％的含镍重量的镍铁合金，或
其中，所述第一材料是36至55％的含镍重量的镍铁合金，所述第二材料是4％的含硅重量的硅铁合金，或
其中，所述第一材料是69至82％的含镍重量的镍铁合金，所述第二材料是4％的含硅重量的硅铁合金。
21.根据权利要求20所述的磁芯，
其中，所述第二芯部(12)在外包围所述第一芯部(11)，或其中，所述第一芯部(11)在外包围所述第二芯部(12)。
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