CN117594340A - 一种闭环霍尔电流传感器线圈设计结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电流传感器领域，公开了一种闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，包括骨架和安装在骨架内的铁芯，还包括绕制在骨架上的次级线圈，整段次级线圈分为n段绕线线圈，且n段绕线线圈以首尾相接的方式绕制在骨架上，相邻两段绕线线圈之间存在间隔。本发明将整段次级线圈分成多段绕线线圈，能够在相同待测电流通过时，明显降低铁芯内磁通密度，有效地避免铁芯饱和问题，进而提高传感器对于较大原边电流的测量精度和量程。
Description
技术领域
本发明属于电流传感器领域，特别涉及一种闭环霍尔电流传感器线圈设计结构。
背景技术
霍尔效应电流传感器有直测式（开环）和磁平衡式（闭环）两种。其中，开环霍尔电流传感器虽然结构简单、成本低，但是铁芯的非线性导致该传感器的精度不高、响应速度慢、温漂大、线性度差。而闭环霍尔电流传感器就是为了克服开环霍尔电流传感的不足而研制的，大大提高了传感器精度，且使得测量信号和被测信号之间的电器绝缘、响应时间快、线性度好。
闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡，如图1所示，磁平衡发生在霍尔元件处。原边电流利用次级线圈产生的磁场来平衡被测电流在铁芯上产生的磁场，通过检测次级线圈信号间接得到被测电流的大小。在测量被测电流的过程中，被测电流产生的磁场被铁芯聚集并被霍尔元件所感应，通过对霍尔电压的处理，间接得到补偿电流，补偿电流通过绕制的次级线圈产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，补偿了原来的磁场，从而使霍尔元件处的磁场稳定在零磁场。
而次级线圈作为闭环霍尔电流传感器的核心零部件，对传感器量程与测量精度至关重要。传统电流传感器由一个磁芯和一段线圈等部件构成，气隙中装有霍尔元件，磁平衡时，气隙中磁场强度为0，铁芯中磁场强度随离霍尔的距离增加而增加，而且磁芯中磁场强度随原边电流增大而增大。当磁场强度接近Bs时，磁芯导磁率下降，传感器输出发生变化，带来测量误差，从而限制传感器的量程。因此为了增加量程，必然需要增大线圈尺寸从而导致传感器产品尺寸增大，如图2和图3所示，为现有的两款不同量程的传感器尺寸，这导致传感器生产成本也随之增加。而在空间尺寸有限的情况下，比如汽车BMS电流传感器，要求500A电流传感器尺寸与1500A电流传感器尺寸一致，给闭环霍尔电流传感器的应用带来很大困难。因此，在铁芯形状和尺寸一定的条件下，如何有效的降低次级线圈在铁芯内产生的磁感应强度，避免铁芯磁饱和，是现在亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，将整段次级线圈分成多段绕线线圈，能够在相同待测电流通过时，明显降低铁芯内磁通密度，有效地避免铁芯饱和问题，进而提高传感器对于较大原边电流的测量精度和量程。
本发明中主要采用的技术方案为：
一种闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，包括骨架和安装在骨架内的铁芯，还包括绕制在骨架上的次级线圈，整段次级线圈分为n段绕线线圈，且n段绕线线圈以首尾相接的方式绕制在骨架上，相邻两段绕线线圈之间存在间隔。
优选地，n段绕线线圈以同一绕线方向逐段绕制在骨架上。
优选地，将各段绕线线圈的匝数记为Ns i ，其中i=1,2,3…n，则满足：
Ns 1 + Ns 2 + Ns 3 +…+ Ns n =Ns；
其中，Ns为整段次级线圈的总匝数。
优选地，相邻两段绕线线圈之间仅通过一匝绕线连接。
优选地，n的取值大于等于2。
优选地，所述骨架包括相互配合安装的上骨架和下骨架，所述上骨架和下骨架上均沿周向设置有n个间隔凸台，且上骨架和下骨架上的间隔凸台一一对应设置，用于间隔相邻两段绕线线圈，所述上骨架中的一个间隔凸台上设有穿孔，用于穿过霍尔元件。
优选地，所述间隔凸台的宽度与相邻两段绕线线圈的间距相适应。
有益效果：本发明提供一种闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，与现有技术相比，具有如下优点：
（1）本发明可在电流传感器外形一定的局限性下，可根据实际需求通过将次级线圈分成多段，降低铁芯内磁通密度，有效避免铁芯饱和问题，进而提高传感器的测量量程和测量精度，实现小尺寸大量程。
（2）本发明的次级线圈采用多段式结构设计，与单段绕制线圈相比，可以有效降低铁芯磁场，可以降低传感器安装环境中铜排磁场叠加的影响，有利于提高电流传感器的抗干扰能力，而且还实现了小尺寸大量程，进一步提高了传感器在应用端安装使用的灵活性。
附图说明
图1为闭环霍尔电流传感器原理图；
图2为现有的量程为500A的电流传感器尺寸示意图；
图3为现有的量程为1200A的电流传感器尺寸示意图；
图4为实施例1的闭环霍尔电流传感器线圈爆炸示意图；
图5为实施例1的整段次级线圈的分段示意图；
图6为实施例1的3段式闭环霍尔电流传感器线圈正面示意图；
图7为实施例1的3段式闭环霍尔电流传感器线圈反面示意图；
图8为实施例1的分段式绕线线圈绕制示意图；
图9为实施例1的闭环霍尔电流传感器线圈的径向截面示意图；
图10为对比例的闭环霍尔电流传感器整段线圈仿真模拟效果图；
图11为实施例1的闭环霍尔电流传感器三段线圈仿真模拟效果图；
图12为实施例1的闭环霍尔电流传感器的尺寸示意图；
图13为实施例1的小尺寸霍尔电流传感器量程测试示意图。
图中：骨架1、上骨架1-1、上定位环板1-11、下骨架1-2、下定位环板1-21、间隔凸台1-3、穿孔1-4、铁芯2、次级线圈3、绕线线圈3-1、霍尔元件4。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请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，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1，如图4所示，一种闭环霍尔电流传感器，包括骨架1和安装在骨架1内的铁芯2和绕制在骨架1上的次级线圈3。
如图5所示，原有的整段次级线圈可分为n段绕线线圈3-1，且n段绕线线圈以首尾相接的方式绕制在骨架上，相邻两段绕线线圈之间仅通过一匝绕线连接，相邻两段绕线线圈之间存在间隔。次级线圈的分段数量n≥2，如图6和7所示，本实施例1中，分段数量n优选为3。
本实施例1中，将各段绕线线圈的匝数记为Ns i ，其中i=1,2,3…n，则满足：
Ns 1 + Ns 2 + Ns 3 +…+ Ns n =Ns；
其中，Ns为原有的整段次级线圈的总匝数。本发明中，每段绕线线圈的匝数可以一样也可以不一样，可由本领域技术人员根据继续需求进行选择性设计，即整段次级线圈可以等分或者不等分为n段绕线线圈。
如图8所示，n段绕线线圈可以通过自动绕线机，以同一绕线方向逐段绕制在骨架1上。
如图4所示，骨架1包括相互配合安装的上骨架1-1和下骨架1-2，所述上骨架1-1和下骨架1-2上均沿周向设置有n个间隔凸台1-3，且上骨架1-1和下骨架1-2上的间隔凸台1-3一一对应设置，用于间隔相邻两段绕线线圈3-1，上骨架1-1中的一个间隔凸台1-3上设有穿孔，用于穿过霍尔元件4。
上骨架1-1上还成型有上定位环板1-11，且上定位环板1-11位于所述上骨架1-1的内径，用于定位铁芯2的内径面。下骨架1-2上还成型有下定位环板1-21，且下定位环板位于所述下骨架1-2的外径，用于定位铁芯2的外径面。如图9所示，上骨架1-1和下骨架1-2配合安装形成铁芯容纳槽，用于放置铁芯2。
本发明中，骨架结构可以但不仅限于实施例1记载的骨架结构，现有的可以实现多段绕线线圈间隔以及铁芯安装的骨架结构均可适用。
本发明中，如图6和7所示，位于霍尔元件两侧的绕线线圈3-1之间的间距Ls1可由本领域技术人员根据实际需求进行选择性设计，其他相邻两段绕线线圈3-1之间的间距Ls可保持一致或者由本领域技术人员根据实际需求进行选择性设计，各间距Ls可不一致。间隔凸台1-3的宽度与相邻两段绕线线圈3-1的间距相适应。
本发明中，分段数量n，相邻两段绕线线圈的间距以及各段绕线线圈的匝数可根据仿真实验结果，可由本领域技术人员以实现磁芯的磁场强度最低，提高量程为目的进行选择性设计。
（1）霍尔电流传感器仿真模拟对比测试
在相同工作条件下，对实施例1（3段式次级线圈）和对比例（整段式次级线圈）的霍尔电流传感器线圈进行仿真模拟（两者其他结构参数相同），仿真模拟效果图如图10和图11所示。从图中可以看出，实施例1采用三段式次级线圈进行分段绕线，其铁芯内磁感应强度明显低于对比例1采用整段绕制线圈的铁芯内磁感应强度。相比于对比例，实施例1的铁芯中的磁感应强度可降低50%以上。
（2）小尺寸霍尔电流传感器的量程测试
采用实施例1的3段式次级线圈制得的小尺寸霍尔电流传感器如图12所示，其尺寸大小与图2所示的500A闭环霍尔电流传感器的安装尺寸相近，且明显小于图3所示的1200A闭环霍尔电流传感器的安装尺寸。如图13所示，经过实际量程测试，该小尺寸霍尔电流传感器能够实现1500A量程测试。
这是因为目前闭环霍尔电流传感器（如图2和3所示）普遍使用的为整段线圈，而次级线圈的尺寸与形状直接影响到次级线圈产生的磁场。当次级线圈流过比较大的电流时，会造成次级线圈中铁芯因磁通密度过大而产生饱和情况，从而会影响到产品对于大电流的测量精度及测量量程。而本发明将次级线圈分成多段，使得次级线圈在通过相同电流时，铁芯内磁通密度将明显降低，从而有效的避免铁芯饱和问题，进而提高产品对于较大原边电流的测量精度以及测量量程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，包括骨架（1）和安装在骨架（1）内的铁芯（2），其特征在于，还包括绕制在骨架（1）上的次级线圈（3），整段次级线圈（3）分为n段绕线线圈（3-1），且n段绕线线圈（3-1）以首尾相接的方式绕制在骨架上，相邻两段绕线线圈（3-1）之间存在间隔。
2.根据权利要求1所述闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，其特征在于，n段绕线线圈（3-1）以同一绕线方向逐段绕制在骨架（1）上。
3.根据权利要求1所述闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，其特征在于，将各段绕线线圈（3-1）的匝数记为Ns i ，其中i=1,2,3…n，则满足：
Ns 1 + Ns 2 + Ns 3 +…+ Ns n =Ns；
其中，Ns为整段次级线圈的总匝数。
4.根据权利要求1所述闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，其特征在于，相邻两段绕线线圈（3-1）之间仅通过一匝绕线连接。
5.根据权利要求1所述闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，其特征在于，n的取值大于等于2。
6.根据权利要求1所述闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，其特征在于，所述骨架（1）包括相互配合安装的上骨架（1-1）和下骨架（1-2），所述上骨架（1-1）和下骨架（1-2）上均沿周向设置有n个间隔凸台（1-3），且上骨架（1-1）和下骨架（1-2）上的间隔凸台（1-3）一一对应设置，用于间隔相邻两段绕线线圈（3-1），所述上骨架中的一个间隔凸台（3-1）上设有穿孔，用于穿过霍尔元件（4）。
7.根据权利要求6所述闭环霍尔电流传感器线圈设计结构，其特征在于，所述间隔凸台（1-3）的宽度与相邻两段绕线线圈（3-1）的间距相适应。
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