CN110687339A - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供可提高电流的测定精度的电流传感器。电流传感器(1)具有：磁芯(10)，能够配置于被测定电流所流过的导线(2)的轴向周围；励磁线圈(22)，缠绕于磁芯(10)；反馈线圈(32)，缠绕于磁芯(10)和励磁线圈(22)的外侧；励磁电路(24)，向励磁线圈(22)输入励磁电流；检波电路(40)，基于励磁线圈(22)的输出来检测与被测定电流相应的信号；反馈电路(34)，向反馈线圈(32)输出基于与被测定电流相应的信号的反馈信号；积分放大电路(50)，对励磁线圈(22)的输出进行积分，并将以规定倍率放大后的结果作为抵消信号而输出；以及运算电路(60)，从基于流过反馈线圈(32)的反馈线圈电流的信号中减去抵消信号。

Description

电流传感器

对关联申请的交叉引用

本申请主张日本专利申请2018-128109号(2018年7月5日申请)的优先权，并为了参考而将该申请的公开内容整体援引至本申请。

技术领域

本公开涉及电流传感器。

背景技术

以往，已知有一种零通量(Zero Flux)方式的电流传感器(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2006/129389号

发明内容

发明要解决的课题

在零通量方式的电流传感器中，有时励磁电流会使反馈线圈产生噪声。噪声有时会降低电流的测定精度。

本公开的目的在于，提供能够提高电流的测定精度的电流传感器。

用于解决课题的手段

若干的实施方式的电流传感器具有磁芯、励磁线圈、反馈线圈、励磁电路、检波电路、反馈电路、积分放大电路以及运算电路。所述磁芯能够配置于被测定电流所流过的导线的轴向周围。所述励磁线圈缠绕于所述磁芯。所述反馈线圈缠绕于所述磁芯和所述励磁线圈的外侧。所述励磁电路向所述励磁线圈输入励磁电流。所述检波电路基于所述励磁线圈的输出来检测与所述被测定电流相应的信号。所述反馈电路向所述反馈线圈输出基于与所述被测定电流相应的信号的反馈信号。所述积分放大电路对所述励磁线圈的输出进行积分，并将以规定倍率放大后的结果作为抵消信号而输出。运算电路从基于流过所述反馈线圈的反馈线圈电流的信号中减去所述抵消信号。如此，由于反馈线圈电流中含有的因励磁电流而引起的噪声被抵消，电流传感器的测定精度提高。此外，通过比较廉价且小型的结构实现了测定精度的提高。

在一实施方式的电流传感器中，所述反馈电路可以向所述反馈线圈流出反馈电流作为所述反馈信号。这样，电流传感器的测定精度提高。此外，通过比较廉价且小型的结构实现了测定精度的提高。

在一实施方式的电流传感器中，所述磁芯可以是能够开闭的。如此，由于磁芯能够开闭，电流传感器容易安装于导线。其结果是，电流传感器的便利程度提高。

在一实施方式的电流传感器中，所述积分放大电路也可以基于所述反馈线圈电流和所述励磁线圈的输出来决定所述规定倍率。这样，抵消信号高效地接近因励磁信号而引起的噪声。作为抵消信号接近因励磁信号而引起的噪声的结果，电流传感器的测定精度提高。

发明效果

根据本公开，提供可提高电流的测定精度的电流传感器。

附图说明

图1是示出一实施方式的电流传感器的结构例的框图。

图2是示出磁传感器的结构例的俯视图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是示出安装了具有接触部的磁芯的磁传感器的例子的俯视图。

图5是示出图4的磁芯的接触部打开的状态的俯视图。

图6是示出比较例1的电流传感器的结构的框图。

图7是示出比较例2的电流传感器的结构的剖视图。

标号说明：

1 电流传感器

2 导线

10 磁芯

12 集磁器

14 接触部

16 变形部

20 磁传感器

22 励磁线圈

24 励磁电路

32 反馈线圈

34 反馈电路

40 检波电路

50 积分放大电路

60 运算电路

70 输出部

具体实施方式

以往，已知有一种通过围绕被测定电流的芯以及缠绕于该芯的线圈来检测由被测定电流所产生的磁束的传感器。传感器基于由线圈对芯进行励磁的结果来测定被测定电流，或者基于由被测定电流在线圈中感应出的电流来测定被测定电流。

在为了测定被测定电流而对芯进行励磁的情况下，测定结果有时会含有因励磁而引起的噪声。在为了抵消因励磁而引起的噪声而设有彼此被在相反方向上被励磁的两个芯的情况下，会引起传感器的成本增大以及传感器的体积大型化。

另一方面，如图1所示，本公开的一实施方式的电流传感器1具有磁传感器20、励磁电路24、反馈电路34、检波电路40、积分放大电路50、以及运算电路60。磁传感器20具有磁芯10、励磁线圈22以及反馈线圈32。电流传感器1可以还具有输出部70。如后文所述，电流传感器1具有积分放大电路50和运算电路60，由此能够抵消因励磁而引起的噪声。积分放大电路50和运算电路60可以由滤波器或者运算放大器等比较廉价的部件构成。也就是说，本公开的一实施方式的电流传感器1既谋求降低成本和小型化，又能够提高被测定电流的测定精度。

如图2和图3所示，磁芯10位于沿Z轴方向延伸的导线2的轴向周围。也就是说，磁芯10能够围绕导线2的轴向而配置。Z轴被表示为以从纸面的内侧朝向面前侧的方向为正的方向。X轴和Y轴被表示为以与Z轴正交的方式沿纸面延伸的轴。磁芯10绕导线2的轴向形成闭合磁路。在导线2中流过的电流产生绕导线2的轴向的磁束。该磁束的至少一部分通过由磁芯10形成的闭合磁路。电流传感器1通过由磁传感器20检测通过磁芯10的磁束，从而能够测定在导线2中流过的电流的大小。在导线2中流过的电流也称为被测定电流。磁芯10绕导线2的轴向而形成闭合磁路，从而由被测定电流所产生的磁束变得容易通过磁芯10，变得容易被电流传感器1检测到。其结果是，被测定电流的测定精度提高。

电流传感器1可以还具有使磁束集中于磁芯10的集磁器12。集磁器12可以具有外侧集磁器12a和内侧集磁器12b。磁芯10可以位于外侧集磁器12a与内侧集磁器12b之间。由于磁束集中于磁芯10，电流传感器1能够更加容易地检测由被测定电流产生的磁束。

磁芯10可以含有铁或者铁素体等软磁性材料。磁芯10的形状可以是环状。由磁芯10形成的闭合磁路可以是在俯视下呈圆或者与圆相近的形状。在由闭合磁路围成的区域在俯视下具有圆或者与圆相近的形状的情况下，由在与该区域交叉的导线2中流过的电流在闭合磁路中所产生的磁束的大小无论导线2与该区域交叉的位置如何都难以发生变化。其结果是，被测定电流的测定精度提高。

励磁线圈22缠绕于磁芯10。在设有集磁器12的情况下，励磁线圈22可以缠绕于集磁器12的内侧。励磁线圈22可以遍及磁芯10所构成的闭合磁路的整体而缠绕，也可以缠绕于闭合磁路的一部分。励磁线圈22可以由一个线圈构成，也可以分成多个线圈而构成。在励磁线圈22分成多个线圈的情况下，各线圈可以串联连接。在励磁线圈22分成多个线圈的情况下，励磁线圈22的匝数可以是各线圈的匝数之和。

反馈线圈32缠绕于励磁线圈22的更外侧。在设有集磁器12的情况下，反馈线圈32可以缠绕于集磁器12的外侧。励磁线圈22缠绕的方向与反馈线圈32缠绕的方向可以是相同方向，也可以是相反方向。反馈线圈32可以遍及磁芯10所构成的闭合磁路的整体而缠绕，也可以缠绕于闭合磁路的一部分。反馈线圈32可以由一个线圈构成，也可以分成多个线圈而构成。在反馈线圈32分成多个线圈的情况下，各线圈可以串联连接。在反馈线圈32分成多个线圈的情况下，反馈线圈32的匝数可以是各线圈的匝数之和。

励磁线圈22与反馈线圈32可以在沿着闭合磁路的路径的至少一部分重复缠绕，也可以是以在沿着闭合磁路的路径上不重复的方式来缠绕。

励磁电路24与励磁线圈22的端子连接，对端子施加电压，或者向端子输入电流。励磁线圈22的端子电压也称为励磁电压。流过励磁线圈22的电流也称为励磁电流。从励磁电路24输入的励磁电流或者从励磁电路24施加的励磁电压也称为励磁信号。

在励磁电路24从励磁线圈22的端子输入励磁电流的情况下，励磁电压基于在沿着磁芯10的闭合磁路中将由输入的励磁电流所产生的磁束、以及由被测定电流所产生的磁束合并后的磁束来决定。也就是说，与励磁电流的输入相应地出现的励磁电压基于被测定电流的变化而变化。电流传感器1向励磁线圈22输入励磁电流，通过测定励磁电压，能够测定被测定电流。

在励磁电路24向励磁线圈22的两端施加励磁电压的情况下，励磁电流流过，以使产生将与所施加的励磁电压相应的磁束、以及由被测定电流产生的磁束合并后的磁束。也就是说，与励磁电压的施加相应地流过的励磁电流基于被测定电流的变化而变化。电流传感器1向励磁线圈22施加励磁电压，通过测定励磁电流，能够测定被测定电流。

检波电路40从励磁线圈22检测励磁电流和励磁电压中的至少一方作为励磁线圈22的输出。在励磁电路24输入励磁电流的情况下，检波电路40检测励磁电压作为励磁线圈22的输出。在励磁电路24施加励磁电压的情况下，检波电路40将励磁电流转换为电压并作为励磁线圈22的输出来进行检测。例如，检波电路40可以检测励磁电流所流过的电阻的端子电压作为励磁线圈22的输出。

励磁线圈22的输出是基于被输入给励磁线圈22的励磁信号、以及用于表示磁芯10的磁滞(hysteresis)特性的B-H曲线来决定的。由被测定电流在磁芯10中产生的磁束使基于励磁信号的输入而发生的磁束的变化进行调制，使励磁线圈22的输出发生变化。没有流过被测定电流的情况下的励磁线圈22的输出表示与励磁信号相应的信号。流过被测定电流的情况下的励磁线圈22的输出、与没有流过被测定电流的情况下的励磁线圈22的输出之差表示与被测定电流相应的信号。也就是说，励磁线圈22的输出包括与励磁信号相应的信号和与被测定电流相应的信号。

检波电路40基于励磁线圈22的输出来检测与被测定电流相应的信号。与被测定电流相应的信号也称为检波结果。例如，检波电路40可以使输入端子的正负以励磁信号所具有的频率的2倍的频率翻转，该输入端子用于获取励磁线圈22的输出。检波电路40可以一边使输入端子的正负以励磁信号所具有的频率的2倍的频率翻转，一边将所获取的励磁线圈22的输出向LPF(Low Pass Filter：低通滤波器)输入，并截除高频分量。如此得到的信号可以作为检波结果而被采用。也就是说，检波电路40可以通过在获取励磁线圈22的输出时进行正负的翻转以及截除高频分量，来计算检波结果。

在被测定电流为零的情况下，检波电路40可以计算检波结果以使检波结果为零。检波电路40也可以使用例如桥电路等，使所检测出的励磁线圈22的输出偏移，从而调整检波结果的零点。

电流传感器1可以基于检波结果来计算被测定电流。基于检波结果来计算被测定电流的方式也称为磁通门(Flux Gate)方式。

检波电路40将检波结果输出至反馈电路34。

反馈电路34与反馈线圈32的端子连接，并向端子输入电流。反馈电路34向反馈线圈32输入基于检波结果的反馈信号。反馈信号可以是电流，也可以是电压。反馈电路34作为反馈信号而向反馈线圈32流出的电流也称为反馈电流。另一方面，在反馈线圈32中感应出基于被测定电流的电流。由被测定电流在反馈线圈32中感应出的电流也称为感应电流。其结果是，在反馈线圈32中流过将反馈电流与感应电流合并后的电流。在反馈线圈32中流过的电流也称为反馈线圈电流。也就是说，反馈线圈电流中包含感应电流和反馈电流。

反馈电路34控制反馈电流，以使在沿着磁芯10的闭合磁路中，由反馈线圈电流产生的磁束将由被测定电流产生的磁束抵消。例如，在图2中，在被测定电流向Z轴的正方向流动的情况下，基于该电流的磁束在沿着磁芯10的闭合磁路中朝向在面向纸面时的逆时针的方向而产生。在这种情况下，反馈电路34控制反馈电流，以使基于反馈线圈电流的磁束在沿着磁芯10的闭合磁路中朝向在面向纸面时的顺时针的方向而产生。也就是说，反馈电路34控制反馈电流，以使基于反馈线圈电流的磁束将基于被测定电流的磁束抵消。在这种情况下，反馈电流流过的方向根据反馈线圈32所缠绕的方向来决定。

在被测定电流中含有的高频的分量越多，反馈线圈电流中含有的感应电流越多。另一方面，被测定电流中含有的直流分量或者低频的分量越多，反馈线圈电流中含有的反馈电流越多。

在本实施方式中，反馈线圈电流中包含感应电流和反馈电流，从而无论被测定电流含有什么样的频率分量，反馈线圈电流都能够高精度地追随被测定电流。其结果是，电流传感器1能够基于反馈线圈电流来高精度地测定被测定电流。基于反馈线圈电流而计算被测定电流的方式也称为零通量方式。

零通量方式与磁通门方式相比较，其不同点在于，在沿着磁芯10的闭合磁路中，基于被测定电流的磁束被基于反馈线圈电流的磁束抵消。由于基于被测定电流的磁束被抵消，在电流传感器1计算被测定电流时，磁芯10的磁滞的影响降低。其结果是，若采用零通量方式，则表示被测定电流与反馈线圈电流之间的关系的曲线图的直线性提高。此外，由于基于被测定电流的磁束被抵消，在电流传感器1计算被测定电流时，温度变化的影响降低。其结果是，被测定电流的计算值的稳定性提高。也就是说，若采用零通量方式，则可以以更高的精度来计算被测定电流。

检波电路40与反馈电路34也可以被包含在一个电路中。

在反馈线圈电流中也包含由励磁电流在沿着磁芯10的闭合磁路中产生的磁束所感应出的电流。也就是说，基于反馈线圈电流的大小而测定出的电流包含因励磁信号而引起的噪声。因励磁信号而引起的噪声与由励磁电流在磁芯10中产生的磁束成比例。

本实施方式的电流传感器1还具有积分放大电路50和运算电路60，从而能够将反馈线圈电流中含有的因励磁信号而引起的噪声抵消，提高被测定电流的测定精度。

积分放大电路50获取励磁线圈22的输出。积分放大电路50获取励磁线圈22的端子电压作为励磁线圈22的输出。积分放大电路50对励磁线圈22的输出进行积分。对励磁线圈22的输出进行积分后的信号也称为积分结果。积分放大电路50可以具有包含电阻和电容在内的一阶LPF作为积分电路。

线圈的电压与对线圈所产生的磁束进行时间微分得到的值成比例。关于励磁线圈22，例如，以下的式(1)和式(2)成立。在式(1)和式(2)中，t表示时间。V_L表示励磁线圈22的端子电压。Φ表示励磁线圈22的磁束。

而且，积分结果是对励磁线圈22的端子电压进行积分得到的信号，因此与励磁线圈22的磁束成比例。也就是说，积分结果与由励磁电流在磁芯10中产生的磁束成比例，并与反馈线圈电流中含有的噪声成比例。积分放大电路50以规定倍率放大积分结果，并将作为其结果而得到的信号输出至运算电路60。积分放大电路50向运算电路60输出的信号也称为抵消信号。抵消信号是与反馈电流中含有的噪声相同或者类似的信号。抵消信号设为由电压表示的信号。积分放大电路50可以具有其中包含运算放大器的电路作为放大电路。规定倍率基于积分电路中包含的LPF的时间常数、励磁线圈22的匝数、反馈线圈32的匝数或者反馈线圈32的自感等来决定。

规定倍率也可以基于反馈线圈电流和励磁线圈22的输出来决定。规定倍率还可以基于反馈线圈电流的波形和励磁线圈22的电压的波形来决定。换言之，积分放大电路50也可以基于反馈线圈电流和励磁线圈22的输出来决定规定倍率。

规定倍率也可以基于在被测定电流为零的情况下的反馈线圈电流和励磁线圈22的电压来决定。在被测定电流为零的情况下的反馈线圈电流仅含有噪声的分量。由于在被测定电流为零的条件下来决定规定倍率，抵消信号可以高效地接近因励磁信号而引起的噪声。

不限于被测定电流为零的情况，规定倍率也可以基于在被测定电流为规定值的情况下的反馈线圈电流和励磁线圈22的电压来决定。规定值也可以是例如直流的1A(安培)等。

规定倍率也可以基于反馈线圈电流的瞬时数据和励磁线圈22的电压的瞬时数据来决定。由于规定倍率是基于瞬时数据而决定的，抵消信号可以更加高效地接近因励磁信号而引起的噪声。

根据如以上说明的各种方法，作为抵消信号接近因励磁信号而引起的噪声的结果，电流传感器1的测定精度提高。

运算电路60从反馈电路34获取基于反馈电流的信号，并且从积分放大电路50获取抵消信号。基于反馈电流的信号设为用电压表示的信号。运算电路60从基于反馈电流的信号中减去抵消信号，并将减法运算结果输出至输出部70。运算电路60可以具有其中包含运算放大器的电路作为减法运算电路。

输出部70基于运算电路60的减法运算结果来输出被测定电流的测定值。运算电路60的减法运算结果与在基于反馈电流的信号中减去了因励磁信号而引起的噪声的影响后的信号对应。也就是说，在从输出部70输出的测定值中减去了因励磁信号而引起的噪声的影响。其结果是，被测定电流的测定值的精度能够提高。

电流传感器1通过励磁电路24和反馈电路34实施反馈，以使将基于励磁信号而在沿着磁芯10的闭合磁路中产生的磁束抵消。也就是说，励磁电路24和反馈电路34构成反馈***。电流传感器1在反馈***的外侧具有积分放大电路50和运算电路60。如此一来，积分放大电路50和运算电路60对反馈***的动作所产生的影响就小到可以忽略的程度或者没有影响。其结果是，电流传感器1对电流的测定精度进一步提高。

磁芯10可以是能够开闭的。如图4和图5所示，磁芯10也可以具有接触部14和变形部16。磁芯10在打开接触部14的状态下安装于导线2的周围之后，在闭合接触部14的状态下构成围绕导线2的轴向的闭合磁路。变形部16可以具有铰链等开闭结构，也可以具有可挠曲性。由于磁芯10能够开闭，磁传感器20变得容易安装于导线2。作为结果，电流传感器1的便利程度提高。

图6所示的比较例1的电流传感器91与图1所例示的电流传感器1相比较，不具有积分放大电路50和运算电路60。在比较例1的电流传感器91中，输出部70基于反馈电流来计算被测定电流，并作为电流的测定结果来输出。在输出部70所输出的测定结果中，没有从反馈电流中将因励磁信号而引起的噪声抵消。也就是说，电流传感器91的测定结果含有因励磁信号而引起的噪声。

图7所示的比较例2的电流传感器92具有两个磁芯10a和10b、以及两个励磁线圈22a和22b。电流传感器92将由励磁线圈22a对磁芯10a进行励磁而产生的磁束的方向、以及由励磁线圈22b对磁芯10b进行励磁而产生的磁束的方向设为相反方向。这样，将流过反馈线圈32的反馈电流中含有的因励磁信号而引起的噪声抵消。其结果是，电流传感器92的测定结果很难含有因励磁信号而引起的噪声。但是，磁芯10和励磁线圈22的数量增加。也就是说，比较例2的电流传感器92的成本增大，并且其大小变大。

另一方面，本实施方式的电流传感器1具有积分放大电路50和运算电路60，由此抵消反馈电流中含有的因励磁信号而引起的噪声。积分放大电路50和运算电路60可以由LPF或者运算放大器等比较廉价的部件或者电路构成。也就是说，本实施方式的电流传感器1既谋求降低成本和小型化，又能够提高被测定电流的测定精度。

以上，针对本公开的实施方式，参照附图进行了说明，但是具体的结构并不限定于该实施方式，也包含在不脱离本公开的主旨的范围内的各种各样的变更。

在本公开中，X轴、Y轴和Z轴是为了便于说明而设定的，可以彼此调换。本公开的结构使用由X轴、Y轴和Z轴构成的正交坐标系进行了说明。本公开的各结构的位置关系并不限定于具有正交关系。

Claims (5)

1.一种电流传感器，具有：

磁芯，能够配置于被测定电流所流过的导线的轴向周围；

励磁线圈，缠绕于所述磁芯；

反馈线圈，缠绕于所述磁芯和所述励磁线圈的外侧；

励磁电路，向所述励磁线圈输入励磁电流；

检波电路，基于所述励磁线圈的输出来检测与所述被测定电流相应的信号；

反馈电路，向所述反馈线圈输出基于与所述被测定电流相应的信号的反馈信号；

积分放大电路，对所述励磁线圈的输出进行积分，并将以规定倍率放大后的结果作为抵消信号而输出；以及

运算电路，从基于流过所述反馈线圈的反馈线圈电流的信号中减去所述抵消信号。

2.如权利要求1所述的电流传感器，其中，

所述反馈电路向所述反馈线圈流出反馈电流作为所述反馈信号。

3.如权利要求1所述的电流传感器，其中，

所述磁芯能够开闭。

4.如权利要求2所述的电流传感器，其中，

所述磁芯能够开闭。

5.如权利要求1～4中任一项所述的电流传感器，其中，

所述积分放大电路基于所述反馈线圈电流和所述励磁线圈的输出来决定所述规定倍率。

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