CN1283795A - 用于电气装置的电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于电装置的电流传感器,包括一个初级电流流经的初级电路。一个磁路包括两个相同的U型元件,其间设有两个用于气隙的短柱。一个次级电路包括两个相同的柱形线圈,串联安装并环绕该气隙,其中,这两个线圈以连续的方式仅用一次缠绕操作制成,两线圈之间没有任何电连接。通过改变两线圈之间初级电路的通过数、次级电路的缠绕数和气隙的厚度,该传感器能适用于多种初级电流的额定范围。

Description

用于电气装置的电流传感器

本发明涉及到一种电流传感器，它可用于像断路器、继电器这样的提供热、磁或短路保护功能的电力装置中。

众所周知，电流传感器包括一个所测量的电流流过的初级电路，具有气隙的磁路以及一个次级电路，该次级电路提供待测电流的特征信号。

某些类型的电流传感器提供一个环形铁芯形状的磁路，一个次级绕组围绕该环形铁芯缠绕，做为一个磁场的检测器。与柱形相比较，这种布线导致相对于磁路环形铁芯的次级绕组更大的制造成本。

其它类型的电流传感器具有仅一个气隙的磁路。因此，它们对于外部磁场产生的可能的干扰更加敏感，所以，为了限制这些干扰的影响，需要一个围绕次级绕组金属屏蔽或次级绕组下方的特殊电子电路。进一步讲，减少了传感器的动态范围。

最后，US 5617019描述了一种电流传感器，该传感器包括一个由位于两U型对称部分之间的两气隙构成的磁路，它包括两个次级线圈，这两个次级线圈或放在两气隙里侧或围绕两个气隙。在这种电流传感器中，初级电路仅穿过磁路一次，它使传感器对低值的初级电流不灵敏。此外，该传感器需要在两线圈之间的数据抽头，该抽头被引向一个电连接点，因此，需要焊接，使之可用于下面的电子处理中。

本发明的目的是，提供一种电流传感器，它对于外部磁场具有良好的抗扰性，并减少体积，特别是对于初级电流来讲可覆盖一个大的调节范围，对于批量生产可以用简便的方式和最经济的手段来实现。

根据本发明，该电流传感器包括一个待测电流流过的初级电路、作为磁场检测器的次级电路以及一磁路，该磁路包括两个相同的元件，这些元件由铁磁材料构成，它们中间有两个完全等厚度的气隙。该传感器的特征在于，次级电路包括两个柱形的相同线圈，它们串联安装，次级电路的每个线圈相对于穿过磁路气隙的中间平面对称设置，两个线圈通过一个缠绕操作连续制造，在两线圈之间无需任何电连接，由此减化了它们的批量生产。

根据本发明的最佳实施例，该磁路由一个具有圆截面的拉伸型材制成。该次级电路包括一个电导体，该电导体形成一个固定横截面的柱形绕组，该导体环绕次级电路两个线圈中的一个并相对中间平面对称设置，该导体具有大于1的两线圈之间的通过数。

该传感器被设定成通过改变围绕次级电路的线圈初级电流的通过数、次级电路的匝数以及气隙的厚度，使之可以采用初级电流的多个规范范围，同时保持充分的线性和同样的输出信号，因此，它可以广泛地使用并使之有更多的经济性。

现参照实施例和相应的附图更详细地说明本发明，附图说明如下：

图1为根据本发明的电流传感器的实施例断面示意图；

图2为根据同一实施例的侧视图；

图3为表示次级电路的连接图；

图4表示另一实施例，其中初级电路的导线仅以一次完整的通过穿过磁路；

图5和图6表示对根据图4实施例的初级电路形状举例的断面示意图。

图1所示的电流传感器可用于象接触器/断路器、断路器或其它类型的，用于提供热、磁或短路保护功能的任何电力开关装置中。一个电力装置可以包括一个或更多的如本发明所述的电流传感器(例如，每相一个传感器)。该电流传感器具有一个磁路，该磁路包括两个相同的具有圆弧角的U型元件21、22。这两个元件21、22最好由圆形截面的拉伸型材制成，这种型材可以使制造非常经济。每个元件21、22具有两个完全平行的支路21a、21b，它们均为柱形，并具有完全相等的长度和横截面。这两个元件21、22面对面地放置，这样，一边的两个支路21a、22a和另一边的21b、22b对齐并在一平面上。磁路包括两个气隙23、24，它们由两个相同的短柱25、26实现，这些短柱由非磁性材料制成，具有厚度E，其圆形截面与元件21、22的横截面大致相等。这些短柱25、26被分别放在支路21a、22a和21b、22b的端部，使得元件21、22与这些柱相毗邻。

磁路元件21、22的U形形状的圆弧角及圆截面，与矩形或方形截面相比，其优点是，显著减少了初级电路上的电动应力，尤其是在发生短路的时候。拉伸型材的使用减化了磁路的制造工艺，进一步讲，采用层叠和组装起来的箔片联接是不可能获得元件21、22的圆形截面。

此外，用于磁路两元件21、22的材料具有高导磁率，在其磁感应与磁场比的伸延范围上具有非常好的线性特性，即，它包括非常窄的磁畴周期和较高的磁饱和性。对于可接受的成本来讲，有至少36％镍并进行磁退火工艺的镍铁合金可满足这些要求。

次级电路包括两个相同的柱形线圈32、33，这些线圈具有相等数量的匝数Ns，线圈由漆包线制成，它们均匀地分布在两个薄的线圈架34、35上，并具有柱形形状，从而构成两个两柱形分部30、31。分部30将磁路的支路21a、气隙23和支路22a成一环路，分部31将磁路的支路21b、气隙24和支路22b成一环路。分部30、31相对于穿过气隙23、24的水平中间平面B-B对称地设置，并与和该中间平面B-B正交的垂直轴X平行。

在次级电路的输出上，位于与垂直轴X基本平行的方向上的两连接器38、39被用于收取由传感器提供的输出信号Vs。图3表示了次级电路连接图的一个例子，其中，连接器38连接到线圈32的端部32a，连接器39连接到线圈33的端部33b。与环形铁芯相比，线圈32、33的柱形状具有大大简化绕组制造的优点。

如图3中箭号36、37指示的，为了达到环形磁铁的磁特性，同时保持简便的制造方法，两线圈32、33以串联方式定位，为相反的缠绕方向，从而通过差动补偿消除了外磁场的影响，与用仅有一个气隙的磁路获得的情况相反。另外，还有一个优点是，每个分部30、31的绕组层数为偶数，有助于外磁场的差动补偿效果。

实际上两个线圈32、33类似于一个单独的绕组，以同一种方式围绕两个柱形线圈架34、35分布，从而形成两个分部30、31。该绕组以连续的方式，通过围绕柱形线圈架34、35的单个缠绕操作制成，其中，它们的圆形截面具有减少应力的好处，该应力出现在缠绕过程中次级电路的导线上。在连续进行缠绕操作时，不需要在线圈32、33之间电连接，从而避免了任何线圈间的焊接。因此，对于制成次级电路仅需要两个焊接点(用于连接连接器38和39)，而如果分别制造两个线圈32、33的话则需要有三或四个连接点，然后将其串联，或者在两个线圈的中点抽取接头，例如用于传感器下方的电子处理。

根据图1的实施例，初级电路包括一个电导体，它形成一固定截面的柱绕组11，位于次级电路的两个线圈32、33之一的周围并与中间平面B-B对称。两线圈32、33之间的初级导线通过数Np大于1，因此至少构成一匝。在绕组11的端部11a和11b上初级电路分别通过电导体的直段12和13延伸，直段12和13沿垂直轴X位于垂直面A-A的两侧，并且这两个直段12和13以适当方式被连接到初级电路的连接器14和15上。这些导体14和15相对于垂直面A-A对称并沿垂直轴X定向，但与次级电路的连接器38、39相反。通过数Np可以变化，因此，可以用于初级电流Ip大范围的调节。

在图4表示的另一实施例对应于高值初级电流Ip的传感器的使用，两线圈32、33之间的初级电路的通过数等于1，因此，后者形成一未完整的匝。通过一平板导体16代替初级电路的绕组11，该导体包括一个第一垂直板16a，它平行垂直轴X并与垂直面A-A正交，并具有一个等于次级电路线圈32、33的高度。第一板16a直接穿过位于两线圈32、33之间的气隙27，距磁路气隙22、23等距离并相对于中间平面B-B对称。

围绕次级电路线圈32、33的平板导体的定位影响电流传感器输出信号的线性。因此，图5、图6表示了两种可能和非限定性定位的例子，其中，导体16局部环绕次级电路的线圈32、33，从而给出对电流传感器整个测量范围上的更好的线性。在图5中第一个垂直板16a通过两个另外的垂直板16b、16c延伸，垂直板16b、16c与板16a正交，然后在板16b、16c的端部上通过两个新的垂直板16d、16e延伸，两个新的垂直板16d、16e与板16b、16c正交，而局部地环绕次级电路的每个线圈32、33，由此，导体16的横截面B-B呈现出S或Z形。在图6中板16d、16e本身经过两个新的垂直板16f、16g延伸，垂直板16f、16g与板16d、16e正交并平行板16b、16e，但具有一个较短的宽度，从而比较完整地包绕次级电路的线圈32、33。板16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g全部对称于中间平面B-B，并具有基本相等的高度。

在本发明所讨论的传感器的一个目的是用于各种电力装置规范的潜力，从而覆盖次级电路Ip最宽的调节范围，而对于所有考虑的规范，保持完全线性和同样的输出信号电平Vs，这样，位于传感器后面的电子处理单元可独立于该标准规范，从而简化设计和制造。对此，所使用的原理允许几个参数的调节：

-围绕线圈32、33的初级电路的绕组11的通过数Np：

-磁路气隙的短柱25、26的厚度E；

-次级电路的线圈32、33的匝数Ns。

这三个参数被直接包含在比例系数内，该比例系数存在于传感器输出信号Vs和初级电流Ip的导数之间。从而当Np数增加时，信号Vs增加，同样当Ns数增加时，信号Vs增加，但是，当厚度E增加时，信号Vs减少。通过以适当方式根据规范范围改变这些参数可以获得输出信号Vs，对于变化的Ip电流调节范围是同样的。

在断路器或接触器/断路器类型的电力装置中，在最小电流Imin的有效值和最大电流Imax的有效值之间，初级电流的调节范围对应于用户所用的调节范围。特别是由于在该磁路中所用的材料，在本发明中可得到Imin和Imax之间的大的差值，象Imax等于4×Imin，它具有对给定范围可提供较大使用灵活性的好处。为了确保热保护，电流传感器能够测量小至0.5×Imin的初级电流。为了确保磁保护和短路时发生脱扣，电流传感器能够完成高达18×Imax的测量。因此，对于给定的额定范围和传感器的调节范围等于4，电流传感器的测量范围等于144。

当保持电流传感器下方的同一个电子处理单元时，下面的表格表示了初级电流Ip有效值的各种调节范围的实例，对应各电力装置的各种规范，其中，根据本发明的电流传感器能够通过改变线圈32、33之间初级电路通过数Np，次级线圈的匝数Ns和气隙垫块25、26的厚度E。

范围Imin-Imax(A)	Np	Ns	E(mm)
				0.1-0.4	8	2400	0.2
0.35-1.4	8	1400	0.65
				1.25-5	3	1400	0.65
3-12	2	1400	0.65
				4.5-18	1	1200	1
8-32	1	1400	3

最后，对该类型电流传感器得到的输出信号Vs被电子处理单元积分，从而能够根据和次级电流成正比的信号工作。在本发明中，电子处理单元可以通过无源RC型元件获得，而不使用任何有源集成元件。利用这种结构，获得了充分的结果，而且可以以自然的方式补偿次级电流的不同频率(典型的是50Hz或60Hz)。

可以理解的是，不脱离本发明的范围的情况下，可以想出各种细节的替换和改进，甚至还可以想出使用等效的方法。

Claims (8)

1.一种电流传感器，用于提供热、磁或短路保护功能的继电器等电气装置中，所述的电流传感器包括待测电流(Ip)流过的初级电路、作为磁场检测器的次级电路以及一磁路，该磁路包括由铁磁材料构成的两个相同元件(21，22)，这两个元件间有两个厚度(E)基本相等的气隙，其特征在于：次级电路包括串联安装的两个柱形的相同线圈(32，33)，每个线圈相对于穿过磁路气隙(23，24)的中间平面(B-B)对称设置，这两个线圈(32，33)通过一个缠绕操作连续制造，在两线圈之间没有电连接。

2．根据权利要求1的电流传感器，其特征在于：该磁路的两个元件(21，22)由具有圆截面的拉伸型材制成，该拉伸型材由含有至少36％的镍的铁镍合金组成，并进行磁退火处理。

3．根据权利要求1的电流传感器，其特征在于：所述初级电路包括一个电导体，该电导体形成一个固定横截面的柱形(11)的绕组，该绕组环绕次级电路两个线圈(32，33)中的一个并相对中间平面(B-B)对称设置，该导体具有大于1的两线圈(32，33)之间的通过数。

4．根据权利要求1的电流传感器，其特征在于：初级电路包括一个平板导体(16)，所述平板导体具有与中间平面(B-B)正交的第一垂直板(16a)，其高度与次级电路线圈(32，33)基本相等，并直接穿过位于次级电路两线圈(32，33)之间的间隙(27)，距离磁路的两气隙(23，24)等距，并相对中间平面(B-B)对称。

5．根据权利要求4的电流传感器，其特征在于：所述平板导体(16)在第一垂直板(16a)的两侧通过至少两个与中间平面(B-B)正交的附加垂直板伸延，相邻的垂直板之间正交连接，局部环绕次级电路的两个线圈(32，33)。

6．根据前述任一权利要求的电流传感器，其特征在于：通过改变围绕次级电路的线圈(32，33)的初级电路的通过数、次级电路的匝数以及气隙的厚度，对于初级电流(Ip)的多种调整范围，该电流传感器能够产生基本上为线性的、一致的输出信号(Vs)，因此，可以用于多种电气装置规范中。

7．根据权利要求6的电流传感器，其特征在于：该电流传感器可以用于多种电气装置规范中，覆盖初级电流(Ip)从0.1A到32A的范围。

8．一种电气装置，其特征在于：包括至少一个前述权利要求的电流传感器。

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