CN100504402C - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种电流传感器包含具有气隙的磁路、位于所述气隙中的磁场传感器、以及围绕着所述磁路的一个分支的次级线圈。所述磁路包含至少两个被组装在一起的部件(18、20)，每个部件的一个分支部分(45、46)在轴向(A)上被可***地容纳在所述次级线圈的中心空腔中。气隙(30)被安置在重叠的每个磁场电路部件的分支部分之间。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及一种电流传感器，特别地，涉及一种具有次级线圈的电流传感器。

背景技术

用于测量流动在初级导线中的电流的闭环电流传感器被提供有一个次级线圈，从而初级电流的测量是通过测量在次级线圈中注入的用于消除感应磁场的补偿电流来确定的。将被施加给次级线圈的补偿电流量由磁场传感器确定，诸如位于磁路的气隙中的霍尔效应传感器或磁通门传感器。已知可将次级线圈和磁场传感器连接到一个印刷电路板，该印刷电路板还包含其它用于信号处理的电子元件。提供U形导线的所述初级导线也是已知的，其围绕着所述磁路的分支并且具有连接端子用于连接到一个印刷电路板，如在美国专利No.5,004,974中所述。初级导线的前述配置增加了传感器的使用范围，因为通过在电路板上的U形管脚圈数的适当的互联，能够容易地按逐个传感器修改绕着所述磁路的所述初级导线的圈数。

在上述专利中描述的电流传感器是可靠的、性能良好且多功能的，并且还形成了一个装配紧密的单元。然而，其中各种元件的组装和互联使得制造相当耗时且昂贵，特别是在大型连续工业规模中。进一步增加上述类型的传感器的使用范围和动态性能同时保持该单元尽可能地紧密，也将是一个优势。

发明内容

鉴于上文，本发明的一个目的是提供一种具有次级线圈和集成的初级导线的电流传感器，其是紧密的且在制造上是经济的。

进一步的目的是提供一种通用的特别是可以测量大范围电流并且有良好动态性能的闭环电流传感器。

通过提供电流传感器，实现了本发明的目的。

在此公开的是一种电流传感器，其包含具有气隙的磁路、位于所述气隙中的磁场传感器、以及围绕着所述磁路的分支的次级线圈组件，其中所述磁路包含至少两个被组装在一起的部件，每个部件的分支部分被可***地在轴向上容纳于所述次级线圈组件的中心空腔中且相互重叠，所述气隙被安置在所述重叠的分支部分之间。因而，所述磁场传感器被可***地容纳于基本上与所述磁路的重叠分支部分相平行的所述气隙中。

有利的是，由于很容易将磁路部分组装到所述次级电路以及将磁场探测器组装到所述气隙中，依照本发明的电流传感器可以以自动且快速的方式非常经济地组装。

所述次级线圈组件可被有利地配备一个线圈，其绕在一个支撑该线圈的次级线圈外壳上，并且该次级线圈外壳定义了所述磁路分支部分所***的所述中心空腔。该次级线圈外壳包含导向和定位装置，以定位各个分支部分并确定其间的所述气隙。该次级线圈外壳可以进一步配备有压制且成形的端子，该端子被连接到所述次级线圈的末端并集成模制在其中，具有用于连接到电流传感器的印刷电路板的连接端子。次级线圈外壳还可配备有一个空腔或其它固定装置，其中所述磁路的分支相对于配备有气隙的分支的被***且保持在一起。

所述磁路可以有利地由一条可磁性渗透的金属板组成，所述金属板被压制并从板平面中弯曲以形成所述磁路的分支。磁路部件之一可以有利地包含一个在其末端的管脚端子，用于连接到电流传感器的电路板上。该管脚端子有利地与所述次级线圈组件的端子在相同的方向凸出，以便次级电路可在轴向上一次操作即***所述端子。安装在所述印刷电路板中的磁场探测器可被同时***所述气隙中。所述磁路到印刷电路板的电气连接提供了一个接地连接以避免在磁路中建立任何电容性充电，以及还可能的额外的机械连接。

次级线圈组件的外壳可以有利地具有螺栓或其它固定装置，以用于牢固地固定到配备有印刷电路板上，所述印刷电路板具有互补的孔或其它固定装置。

电流传感器可以有利地进一步包含U形的初级导线部分、压制且成形的金属板，其在所述外壳的盖子部分中被部分地过压成型(overmold)。当组装该盖子部分时，通过夹紧、粘合、焊接或通过其它方式到组装到其上的另一外壳部件，在所述盖子部分中的初级导线部分的过压成型使该导线部分能被相互精确地放置并且能绕着所述磁路的分支被自动地组装。该盖子部分还有利地提供了在初级导线和传感器中其它导线之间所需的电气绝缘，特别是次级线圈和磁路之间，其处于不同电压电平。所述次级线圈组件、磁路、磁场探测器和电路板可以被完全地容纳并且放置在两个被夹在一起的外壳部件中。外壳部件之一可以有利地包含一个集成模制的铰链折板(hinged flap)，其允许在制造处理期间接近电路板以进行测试，一旦测试完成，所述折板通过夹紧或焊接或其他被封闭。

U形初级导线部分可以以偏移的方式彼此相邻地排列，以便增加在相邻触点之间的距离，从而允许初级导线端子的更紧密布局以连接到一个互补PCB。这还允许在传感器外壳中安装更多数量的U形导线部分，从而增加初级导线圈数的可能数量并且从而增加传感器的使用范围同时保持非常紧密的总体配置。

附图说明

从权利要求书及下述的描述和附图中，本发明进一步的目的和有利的特征将是显而易见的，其中：

图1是一种依照本发明的电流传感器的分解透视图；

图2是对图1的电流传感器的截面图；

图3a是移去外壳部分的传感器的部分截面的透视图；

图3b是依照本发明的传感器的次级线圈组件的透视图；

图3c是一个安装在依照本发明的传感器的一个印刷电路板上的磁路的透视图；

图4a和4b是对依照本发明的电流传感器的一个外壳盖子部分的实施例的截面图，图4a表示过压成型的导线端子，并且图4b表示被***所述外壳盖子部分的空腔中的导线部分；

图5a是在一种依照本发明的传感器中可实现的U形初级导线部分的配置的变化的透视图；

图5b是在一种依照本发明的传感器中可实现的U形初级导线部分的配置的另一变化的透视图；以及

图6是表示依照本发明的传感器的磁路以及磁路变化的截面图。

具体实施方式

参见附图，电流传感器2包含一个具有盖子部分6和基座8的外壳4、一个包含绕在次级线圈外壳14上的次级线圈12的次级线圈组件10、一个包含第一和第二独立部分18、20的磁路16、一个磁场探测器22、以及一个信号处理电路24，该信号处理电路24包含一个其上安装所述磁场探测器以及其它用于控制提供给次级线圈的电流并处理所述测量信号的电子元件的印刷电路板26。

该传感器可以进一步包含U形初级导线部分28，其绕着磁路的一部分(在本实施例中是所述磁路的基本上直线的分支)安装。通过将在磁路中测量的初级电流产生一个磁场，其由位于磁路的气隙30中的磁场探测器读出。信号处理电路24通过在次级线圈12中施加一个补偿电流以产生一个与由初级导线产生的磁场基本上相同大小但相反方向的磁场，来设法消去由磁场探测器探测的所述磁场。这是在本技术领域众所周知的所谓的闭环型传感器的功能原理。

磁场探测器22可以是一个霍尔效应探测器，鉴于其相对较低的成本和可靠精确的性能，霍尔效应探测器在电流传感器中有广泛的应用。然而，在本发明的范畴内，还可以实施其它磁场探测器。

图1所示的电流传感器的实施例被设计为被安装并电气连接到一个需要电流测量传感器的外部设备或装置(未画出)的印刷电路板上。该外部装置的电路板可以配备有电路轨线或其它传导部件以连接在各个配置中、电流传感器的U形导线，以便产生一个或选择的数量的绕着磁路的初级导线圈数。这允许对不同的操作范围配置所述电流传感器，并且是现有技术中已知的。

在本发明中，U形初级导线部分28被有利地直接固定在盖子部分6中，盖子部分6还用于通过固定到互补基座部分8来封闭并保护其中的印刷电路板、磁路和次级线圈组件。基座部分8可以配备有各种定位和导向装置以容纳并放置次级线圈组件10、磁路16以及印刷电路板26，其被事先组装在一起以形成一个如图3a所示的单元。因此，图3a所示的单元通过以图1所示的方向V***基座部分8中而被安装在其中，并且随后具有初级导线部分28的盖子部分6夹到基座部分8上。如图4a所示，导线部分28可以有利地通过过压成型所述导线部分的一部分而被固定到盖子部分上。替代地，导线部分28可被***盖子部分6a、6b中的对应空腔中。注入模制的外壳部件6、8可被有利地配备互补固定装置，其形式为夹子以及互补闭锁凸起32、33，但也可以通过其它方式例如超声波焊接来粘合在一起，以便自动化所述制造步骤。

传感器外壳有利地包含一个可封闭的折片34，其可铰链地附着到外壳部件之一，在本实施例中是基座部件8。折片34的位置与电路板24相邻，并且在传感器被组装之后，出于测试目的而允许接近电路板的外侧36。一旦测试完成，折片可被转动以封闭外壳并保护电路板。当被外壳封闭时，折片可以配备有闭锁装置35以夹到外壳的互补闭锁凸起上。在测试之后，折片还可通过其它方式例如超声波焊接或使用粘接剂，被永久地粘合到所述外壳。

特别参见图2至图3c，现在将更详细地描述容纳在外壳之内的传感器元件。

次级线圈组件10具有次级线圈12，其绕着次级线圈外壳14的线圈支撑部分38，所述线圈支撑部分具有在其中延伸的空腔40以容纳基本上为矩形的磁路的分支42，沿着该分支布置气隙30并且在其中放置磁场传感器22。从而，次级线圈围绕着所述气隙和磁场传感器，以便确保由该次级线圈产生的磁场被最有效地耦合至该磁场探测器。

支撑空腔40有利地配备有导向装置，例如形状为凹槽或适当凸起43、44，以定位并引导磁路分支42的分离的延伸体45、46。磁路延伸体46、45有利地重叠并且相距小于气隙宽度W的距离D，以便改善磁路的频率响应，并且从而改善电流传感器的频率响应。然而应当注意，还可以提供没有重叠的延伸体的磁路，除了那些在磁场传感器的每侧上提供的45′、46′，以建立气隙，如图6所示。

次级线圈组件的外壳可以进一步配备包含固定装置的基座部分48，所述固定装置例如是弹性螺栓49，用于可插拔地将次级线圈组件10固定到电路板26。例如通过过压成型、粘合、焊接或压入装配***进基座部分中的空腔中，电气端子50a、50b、50c、50d、50e可被固定到基座部分。所述端子配备有连接末端25b以可插拔和/或焊接连接到一个外部PCB，和/或连接末端25a用于可插拔和/或焊接连接到信号处理单元的电路板26。端子50d、50e被连接到次级线圈的末端12a、12b，从而端子之一50e被配置来直接连接到一个安装了所述传感器的外部PCB(未画出)，并且另一端子50d被连接到信号处理单元24。端子50c被连接到次级线圈周围的护罩以及连接到信号处理单元24以保护次级线圈免受外部电磁噪声的影响，以及减小从次级线圈发出的噪声。端子50a、50b被连接到所述信号处理单元和外部PCB，并且被配置来向所述传感器提供电能。

所述次级线圈外壳的基座部分48还可以支撑所述磁路的一个分支52，并且包含一个空腔54，其作为定位装置用于在其中容纳与其中提供气隙30的分支42相对的磁路分支57的重叠的延伸体55、56。两个延伸体55、56在外壳中被彼此接触地保持在一起，以便减少对磁感应的阻抗。

磁路16可被有利地从可磁性渗透的金属板压制且形成两个部件18、20，所述部件通过安装在次级线圈组件10上可被组装在一起，特别是通过以轴向A***，如附图所示。因此，可以快速且容易地将磁路组装到次级线圈组件10，次级线圈组件10随后可被快速且容易地组装到电路板26，电路板26被***到其上以形成一个单元62，该单元被容纳在外壳的基座8中，所述外壳的基座8随后与盖子部件6闭合。从而，所有的组装步骤可被容易地自动化。

磁路部件18之一的延伸体可以进一步包含一个PCB接触部分60，以连接到印刷电路板上的接地连接，以避免在磁路中建立电容性充电。

在磁路的两个平行延伸体45、46之间的气隙30的方向是特别有利的，因为当一个次级线圈组件10被固定到预装了磁场探测器22的电路板26上时，它允许该磁场探测器22在轴向上***气隙30。

沿着磁路的相邻延伸体45、46的长度具有非恒定宽度(d、w)的气隙30增加了等效变压器的耦合系数，从而改善了在交流电中的传感器的性能，特别是增加了带宽以及对电流中的变化di/dt的响应。

参见图5a，U形初级导线部分可以有利地具有连接末端29，其在相对于中间部分27轴向A上偏移，以增加在连接端子29和次级线圈组件的端子25之间的距离。该配置使传感器能够非常紧密，同时满足在主次电路之间电气分离的要求和标准，以及实现了在U形初级导线部分和次级线圈之间的良好磁耦合。

参见图5b，U形初级导线部分可以在垂直于轴向A的方向B上交错，以便增加在相邻端子的连接末端29之间的距离S。这使导线部分能被一起靠近放置，以减小连接导线端子(到一个外部装置)所需要的占脚面积，或者使更大数量的导线部分能被在传感器中提供，而保持传感器尽可能地紧密。

Claims (11)

1、一种电流传感器，其包含，具有气隙(30)的磁路(16)、位于所述气隙中的磁场传感器(22)、以及围绕着所述磁路的一个分支(42)的次级线圈(12)，其中所述磁路包含至少两个被组装在一起的磁场电路部件(18、20)，每个磁场电路部件的分支部分(45、46)被可***地容纳在所述次级线圈的中心空腔(40)中，以及其中所述气隙被安置在每个磁场电路部件的重叠的分支部分(45、46)之间。

2、依照权利要求1的电流传感器，其中所述磁场传感器被可***地容纳在平行于所述磁路的分支(42)的所述气隙中。

3、依照权利要求1的电流传感器，其中所述次级线圈(12)被绕在一个次级线圈外壳(14)上，该次级线圈外壳(14)支撑所述次级线圈并定义所述中心空腔(40)。

4、依照权利要求1的电流传感器，其中所述次级线圈外壳在所述中心空腔中包含导向和定位装置，用于定位容纳在其中的所述分支部分(45、46)并确定其间的气隙(30)。

5、依照权利要求1的电流传感器，其中次级线圈外壳包含端子(50a、50b、50c、50d、50e)，其被过压成型在该次级线圈外壳的基座部分(48)中，并且所述端子具有连接端以用于互连所述次级线圈、信号处理单元(24)以及外部电路板。

6、依照权利要求1的电流传感器，其中所述磁路和包含所述次级线圈及所述次级线圈外壳的次级线圈组件被组装到信号处理单元(24)，其包含电路板(26)以及以平行于所述磁路的所述分支部分(45、46)的方向(A)可***所述气隙(30)中的所述磁场传感器(22)。

7、依照权利要求1的电流传感器，其中所述至少两个磁场电路部件(18、20)由一条可磁性渗透的金属板制成，所述金属板被压制并从所述金属板的平面弯曲出来以形成所述磁路的分支。

8、依照权利要求7的电流传感器，其中所述磁场电路部件之一包含一个管脚端子(60)，用于连接到所述传感器的一个电路板。

9、依照权利要求1的电流传感器，其进一步包含一个包括盖子部分(6)和基座部分(8)的外壳(4)，在其中容纳所述磁路和次级线圈，以及U形初级导线部分(28)，其被部分地过压成型在所述盖子部分中并被设置为部分地围绕所述磁路的分支。

10、依照权利要求1的电流传感器，其包含多个并列放置的U形初级导线部分(28、28′)，从而相邻的导线部分彼此相对地偏移以便增加所述相邻导线部分的连接末端之间的距离。

11、依照权利要求1的电流传感器，其包含外壳(4)，外壳(4)包括可铰链连接的折片(34)，所述折片的位置与所述传感器的信号处理电路(24)相邻，以允许在制造期间出于测试目的接近所述信号处理电路。

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