CN112730947A - 一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，适用于更大范围接触器电流的检测并有要求小体积的场合。磁路部分利用位置互为180°的双霍尔元件在局部感应出相同大小方向的检测信号的磁感应强度并感应出大小相同方向相反的干扰信号的磁感应强度，叠加消除外来磁场干扰并通过霍尔元件磁感应强度对电压的线性关系达到检测电流的目的；磁路部分利用抗饱和磁材料钴合金制成磁屏蔽外壳用以屏蔽接触器永磁体以及接触器相邻接线柱的磁场干扰。本发明结构上由霍尔调理电路，磁环，磁环气隙骨架以及磁屏蔽外壳构成。本发明采用高导磁材料作为磁环材料，由磁环和高性能尼龙以及8个2mm气隙组成磁路从而达到提高检测电流量程的目的。

Description

一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器

技术领域

本发明涉及一种防电磁干扰的霍尔传感器，具体涉及一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器。

技术背景

以霍尔元件为主导的电流检测装置是应用霍尔效应原理研制出的一种对原边电流进行隔离检测的电流检测元件，磁环将导体电流产生的磁通线集中在气隙中心，位于此处的霍尔元件对该磁场进行采集，产生一个与原边磁场等比例的霍尔电压。通过测量该霍尔电压的大小，就可实现对原边电流的隔离检测。霍尔电流传感器具有线性度好、抗干扰能力强、响应速度快、安装简单等特点，根据工作原理可以分为开环霍尔传感器和闭环霍尔传感器。闭环霍尔传感器相对来说具有带宽大、响应速度快等特点，但是体积过大不适合集成到小型开关器件中。

开环霍尔传感器工艺简单、成本低、体积小的特点，但是市面上应用于接触器的霍尔传感器产品无法适配开关器件端子的形状尺寸，往复工作后存在一定剩磁导致零点漂移，可达到的测量范围也在1000A左右，而且相对于本产品应用的开关电器的参数来说，也存在体积过大的问题。

因此要保持抗干扰能力以及响应速度和线性度的情况下，一个小体积的，拥有更大量程的，有效抵抗剩磁影响的霍尔电流传感器是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提出一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器能够测量最大瞬态3000A电流，体积小，可应用于产生故障大电流时接触器以及断路器的保护，具有体积小，量程宽，零点漂移小，双霍尔抗干扰能力强，动态响应好，输出稳定，安装方便的特点。

一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，整体为环形结构；其特征在于：包括磁屏蔽盖板、电路板、霍尔元件、磁环、磁环气隙骨架与磁屏蔽底座。

所述磁屏蔽底座内由下至上同轴安装磁环气隙骨架与电路板，顶部安装磁屏蔽盖板。

磁环气隙骨架周向上设计有6个与磁环气隙骨架同心的扇面形；6个磁环安装槽切向间距相等；6个磁环安装槽中具有2个大弧长磁环安装槽与4个小弧长磁环安装槽；两个小弧长磁环安装槽内安装有与小弧长磁环安装槽等尺寸的磁环组件；两个大弧长磁环安装槽内各安装有两个与小弧长磁环安装槽等尺寸的磁环组件；每个大弧长磁环安装槽内两个磁环组件间具有间隙，且两个大弧长磁环安装槽内磁环组件间的间隙位置相对；由此使相邻磁环组件间存在气隙，各磁环组件与气隙的接触面为均磁断面，相邻磁环片组件的均磁断面平行。

电路板用于检测电流，集成有两个霍尔元件；两个霍尔元件分别置于两个大弧长磁环安装槽内磁环组件间的间隙处，且使两个霍尔元件自身中心与各自所在位置两侧的磁环片组件相对的均磁断面中心重合。

当接触器/断路器因故障等原因产生远高于额定值的大电流时，电流经过检测铜柱形成检测信号磁场，同时电流经过相邻铜柱形成干扰信号的磁场。其中检测信号磁场在互为180°的双霍尔元件位置感应出大小方方向都相同的磁感应强度，通过磁屏蔽装置减少漏磁。同时，干扰信号与接触器/断路器永磁体产生的干扰磁场先通过磁屏蔽装置屏蔽进行第一次削弱，之后通过互为180°的双霍尔元件位置感应出大小相同方向相反的磁感应强度对干扰磁场进行第二次削弱。

双霍尔元件以0°以及180°位置安装，当瞬态大电流通过接触器时，在0°和180°两个霍尔元件感应出的检测信号磁感应强度在局部方向大小相等而干扰信号磁感应强度大小相等方向相反，通过信号叠加消除外来磁场干扰，根据霍尔元件磁感应强度与电压的线性关系与测量电压值，反推出电流大小，实现瞬态大电流的大小的测量。

本发明的优点在于：

1、本发明抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，采用8个高导磁材料的磁环与8个气隙相结合，提高传感器的测量量程。

2、本发明抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，霍尔元件位于两个互成180°的气隙内，通过分散式气隙提高空气磁阻在磁路中的比例完成提高所检测的接触器量程的目的。

3、本发明抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，所占空间体积高不超过15mm，水平面内不超过30平方厘米(总体积不超过45立方厘米)。从外至内，产品的抗饱和外壳为钴合金制成，其抗磁饱和的性质保障了其大幅度屏蔽掉使用时相邻接线柱，以及周围通电导线产生磁场干扰，互成180°的双霍尔元件可以感应出局部大小方向均相同的检测电流的磁感应强度和大小相同方向相反的干扰信号的磁感应强度，从本质上解决电磁干扰的问题。

附图说明

图1为本发明抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器整体结构示意图。

图2为本发明抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器分解结构示意图。

图3为本发明抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器磁环片中粘接结构示意图。

图4为本发明抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器测量原理流程图。

图5为本发明抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器的安装流程图。

图中：

1-磁屏蔽盖板 2-电路板 3-霍尔元件

4-磁环 5-磁环气隙骨架 6-磁屏蔽底座

101-挡板 201-定位凸起 401-磁环片组件

401a-磁环片 501-上环形基座 502-下环形基座

503-磁环安装槽 601定位槽

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，如图1、图2所示，包括磁屏蔽盖板1、电路板2、霍尔元件3、磁环4、磁环气隙骨架5与磁屏蔽底座6。整体为环形结构，因此设计上述磁屏蔽盖板1、电路板2、磁环气隙骨架5与磁屏蔽底座6均为环形结构。

所述磁屏蔽底座6为筒状结构，周向侧壁与底面厚度为1mm。磁屏蔽底座6底面中心开有通孔，侧壁一侧设计有贯通侧壁顶面的0.5mm高度与宽度的正方形定位槽601。磁屏蔽底座6内由下至上同轴安装磁环气隙骨架5与电路板2，顶部安装磁屏蔽盖板1。

所述磁环气隙骨架5内径16.5mm，外径28.5mm，厚度3.8mm，材料为高性能尼龙，其内径与接触器或断路器铜柱直径相等。磁环气隙骨架5顶面与底面内圆周向上分别设计有凸起的上环形基座501与下环形基座502。其中，下环形基座用于实现磁环气隙骨架5在磁屏蔽底座6内的安装定位；下环形基座502外径与磁屏蔽底座6底面中心通孔相等，下环形基座502***磁屏蔽底座6底面中心通孔内，使磁环气隙骨架5底面与磁屏蔽底座6底面贴合，周向外壁与磁屏蔽底座6周向侧壁贴合，且保证下环形基座502的端面与磁屏弊底座6的底面位于同一水平面。磁环气隙骨架上环形基座501用于支撑电路板2。

磁环气隙骨架5周向上设计有6个与磁环气隙骨架5同心的扇面形磁环安装槽503，深度为3mm，外径为26.5mm，内径18.5mm，深度为3mm。即隔板厚度为2mm。6个磁环安装槽503中具有两个大弧长磁环安装槽和四个小弧长磁环安装槽。所述两个大弧长磁环安装槽位置相对，两个大弧长磁环安装槽两侧之间位置为两个小弧长磁环安装槽；且两个大弧长磁环安装槽的内弧圆心角与外弧圆心角分别大于两个小弧长磁环安装槽的内弧圆心角之和以及外弧圆心角之和。本实施方式中设计两个大弧长磁环安装槽外弧圆心角设计为81.37°，内弧圆心角设计为77.66°；四个小弧长磁环安装槽外弧圆心角设计为外弧圆心角设计为36.37°，内弧圆心角设计为32.66°，使两个相邻磁环安装槽503间具有2mm宽隔板，即两个相邻磁环安装槽503切向间距2mm。

所述磁环4由8个完全相同的具有均磁断面的磁环片组件构成401环形结构。每个磁环片组件401由6个等尺寸扇面形磁环片401a上下层叠粘接固定构成，每片磁环片为厚度0.5mm的薄片。整体尺寸与前述磁环气隙骨架5中小弧长磁环安装槽尺寸相同。上述结构的8个磁环片组件401中，4个磁环片组件401分别安装于4个小弧长磁环安装槽内，紧配合固定，使磁环片组件401周向侧壁与小弧长磁环安装槽周向内壁贴合，且顶部与磁环安装槽顶面齐平。另外4个磁环片组件两两为一组，分别置于两个大弧长磁环安装槽内，紧配合固定，使同组磁环片组件401周向上除相对侧壁外其余侧壁与与大弧长磁环安装槽内壁贴合，由于前述大弧长磁环安装槽尺寸设计，同组磁环片组件401安装后相对侧壁间具有2mm宽间隙，作为霍尔传感器***位。由此8个磁环片组件围成环状，外径为26.5mm、内径18.5mm、厚度3mm，且周向上存在8个2mm的气隙，其中磁环片组件401与气隙的接触面为均磁断面，相邻磁环片组件的均磁断面平行，保证气隙中的磁感应强度分布均匀及大小均匀。同时通过6片磁环片层叠粘接形成磁环4，在不影响动态响应的情况下减小了大电流下涡流的影响。上述磁环片401a采用高导磁材料(1J79或1J50)，可以有效抵抗剩磁干扰，以低矫顽力的导磁材料1J79为例可以保障小电流下的精确度，解决零点漂移的问题。

所述电路板2用于检测电流，外径28.5mm内径18.6mm，内径较磁环气隙骨架内径稍大，其上集成有两个霍尔元件3与各种集成元件，且两个霍尔元件3分别位于电路板2周向相对位置用于检测电流。同时，电路板2一侧设计有定位凸起201，用于实现电路板2的安装定位，且从定位凸起201处接出4个接线端子，分别为两个供电输入和两个电压输出。

上述结构电路板2同轴置于磁屏蔽底座6内，使两个霍尔元件3分别置于前述两个大弧长磁环安装槽中霍尔传感器***位内。电路板2的底面与磁环气隙骨架5上部环形基座501贴合；同时电路板2一侧的定位凸起201***磁屏蔽底座侧壁上的定位槽601内，实现电路板2的周向定位，保证电路板2上两个霍尔元件3与各自所在位置两侧的磁环片组件401不接触，并使两个霍尔元件3自身中心与各自所在位置两侧的磁环片组件401相对的均磁断面中心重合，后期通过灌胶可使霍尔元件3位置完全固定。

所述磁屏蔽盖板1外径30.5mm，内径18.5mm，厚度1mm，内嵌于磁屏蔽底座6顶面内部周向上设计的环形台肩602内，两者间紧配合固定。磁屏蔽盖板1一侧具有挡板101，在磁屏蔽盖板1安装时，挡板101内嵌于磁屏蔽底座6侧壁的定位槽601内，将电路板2的定位凸起201压紧，实现电路板的轴向固定。

本发明中磁屏蔽盖板1与磁屏蔽底座6均使用抗饱和磁材料钴合金，防止大电流下磁屏弊外壳大大削减因为磁饱和而失去屏蔽外来磁场的作用。

当接触器/断路器因故障等原因产生远高于额定值的大电流时，电流经过检测铜柱形成检测信号磁场，同时电流经过相邻铜柱形成干扰信号的磁场。其中检测信号磁场在互为180°的双霍尔元件位置感应出大小方方向都相同的磁感应强度，通过磁屏蔽装置减少漏磁。同时，干扰信号与接触器/断路器永磁体产生的干扰磁场先通过磁屏蔽装置屏蔽进行第一次削弱，之后通过互为180°的双霍尔元件位置感应出大小相同方向相反的磁感应强度对干扰磁场进行第二次削弱。

双霍尔元件以0°以及180°位置安装，当瞬态大电流通过接触器时，在0°和180°两个霍尔元件感应出的检测信号磁感应强度在局部方向大小相等而干扰信号磁感应强度大小相等方向相反，通过信号叠加消除外来磁场干扰，根据霍尔元件磁感应强度与电压的线性关系与测量电压值，反推出电流大小，实现瞬态大电流的大小的测量。

本发明抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器的进行制作组装方式为：

a、利用线切割切割出全部磁环片。切割时以整圆形片为基础进行切割，该圆形片半径等于磁环安装槽503的外弧长半径。首先位于该圆形片一条直径A两侧1mm位置平行于直径A进行切割，将正圆形片分为两部分；随后，位于垂直于直径A的另一条直径B两侧1mm位置平行于直径B进行切割，将正圆形片分为四部分；进一步，位于与直径A呈45°角的两条直径C两侧1mm位置平行于直径C进行切割，得到8个扇形磁环片；最终对8个扇形磁环片夹角处进行切割出内弧，得到8个扇面形磁环片。重复之星此方法，进行6次切割后，最终得到全部扇面形磁环片401a。

b、将步骤a中得到的全部扇面形磁环片401a浸泡于煤油中清洗污物。

c、将每六片磁环片401a由上至下通过胶粘接形成8块磁环组件401。

d、通过3D打印或用模具压制形成磁环气隙骨架5。

e、将8块磁环组件401依次按压入磁环气隙骨架5上的凹槽内，安装时不可外力猛击。

f、利用车床车出磁屏蔽底座6。

g、将8块磁环组件401与磁环气隙骨架5整体压入磁屏蔽底座6内。

h、将含有两个霍尔元件3的电路板焊接制作完成。

i、将两个霍尔元件3对准霍尔传感器***位，并将电路板2的定位凸起201***磁屏蔽底座6侧壁定位槽601内。

j、利用车床车出磁屏蔽盖板1。

k、盖好磁屏蔽盖板1，从整体结构中心孔内对内部进行灌胶固定。

Claims (9)

1.一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，整体为环形结构；其特征在于：包括磁屏蔽盖板、电路板、霍尔元件、磁环、磁环气隙骨架与磁屏蔽底座；

所述磁屏蔽底座内由下至上同轴安装磁环气隙骨架与电路板，顶部安装磁屏蔽盖板；

磁环气隙骨架周向上设计有6个与磁环气隙骨架同心的扇面形；6个磁环安装槽切向间距相等；6个磁环安装槽中具有2个大弧长磁环安装槽与4个小弧长磁环安装槽；两个小弧长磁环安装槽内安装有与小弧长磁环安装槽等尺寸的磁环组件；两个大弧长磁环安装槽内各安装有两个与小弧长磁环安装槽等尺寸的磁环组件；每个大弧长磁环安装槽内两个磁环组件间具有间隙，且两个大弧长磁环安装槽内磁环组件间的间隙位置相对；由此使相邻磁环组件间存在气隙，各磁环组件与气隙的接触面为均磁断面，相邻磁环片组件的均磁断面平行；

电路板用于检测电流，集成有两个霍尔元件；两个霍尔元件分别置于两个大弧长磁环安装槽内磁环组件间的间隙处，且使两个霍尔元件自身中心与各自所在位置两侧的磁环片组件相对的均磁断面中心重合。

2.如权利要求1所述一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，其特征在于：磁屏蔽底座侧壁一侧设计有贯通侧壁顶面的定位槽；电路板一侧设计有定位凸起，用于与定位槽配合实现电路板的安装定位；磁屏蔽盖板一侧具有挡板，在通过挡板内嵌于定位槽内，将电路板的定位凸起压紧，实现电路板的轴向固定。

3.如权利要求1所述一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，其特征在于：磁环气隙骨架的安装方式为：磁环气隙骨架顶面与底面内圆周向上分别设计有凸起的上环形基座与下环形基座；其中，下环形基座用于实现磁环气隙骨架在磁屏蔽底座内的安装定位；下环形基座***磁屏蔽底座底面中心通孔内，使磁环气隙骨架底面与磁屏蔽底座底面贴合，周向外壁与磁屏蔽底座周向侧壁贴合，且下环形基座的端面与磁屏弊底座的底面位于同一水平面。

4.如权利要求1所述一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，其特征在于：所述磁环组件由6个与小弧长磁环安装槽等尺寸的扇面形磁环片上下层叠粘接固定构成。

5.如权利要求1所述一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，其特征在于：各部分具体尺寸为：

磁屏蔽底座周向侧壁与底面厚度为1mm；

磁环气隙骨架内径16.5mm，外径28.5mm，厚度3.8mm；

磁环安装槽深度为3mm，外径为26.5mm，内径18.5mm，深度为3mm；

两个大弧长磁环安装槽外弧圆心角设计为81.37°，内弧圆心角设计为77.66°；四个小弧长磁环安装槽外弧圆心角设计为外弧圆心角设计为36.37°，内弧圆心角设计为32.66°磁环组件围成环状，外径为26.5mm、内径18.5mm、厚度3mm；6个磁环安装槽切向间距为2mm；每个大弧长磁环安装槽内两个磁环组件间间隙为2mm；

电路板外径28.5mm内径16.5mm；

磁屏蔽盖板外径30.5mm，内径18.5mm，厚度1mm。

6.如权利要求1所述一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，其特征在于：磁环气隙骨架材料为高性能尼龙；磁环组件采用高导磁材料。

7.如权利要求1所述一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，其特征在于：磁屏蔽盖板与磁屏蔽底座均使用抗饱和磁材料钴合金。

8.如权利要求1～7所述一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，其特征在于：组装方式为：

a、利用线切割切割出全部磁环片。

b、将全部磁环片浸泡于煤油中清洗污物；

c、将每六片磁环片由上至下通过胶粘接形成8块磁环组件；

d、通过3D打印或用模具压制形成磁环气隙骨架；

e、将8块磁环组件依次按压入磁环气隙骨架上的凹槽内；

f、利用车床车出磁屏蔽底座；

g、将8块磁环组件与磁环气隙骨架整体压入磁屏蔽底座内；

h、将含有两个霍尔元件的电路板焊接制作完成；

i、将两个霍尔元件***两个大弧长磁环安装槽内磁环组件间的间隙；

j、利用车床车出磁屏蔽盖板；

k、盖好磁屏蔽盖板，从整体结构中心孔内对内部进行灌胶固定。

9.如权利要求8所述一种抗饱和大电流双霍尔元件电流传感器，其特征在于：步骤b中具体切割方式为：以整圆形片为基础进行切割，圆形片半径等于小弧长磁环安装槽的外弧长半径；首先位于圆形片一条直径A两侧1mm位置平行于直径A进行切割，将圆形片分为两部分；随后，位于垂直于直径A的另一条直径B两侧1mm位置平行于直径B进行切割，将圆形片分为四部分；进一步，位于与直径A呈45°角的两条直径C两侧1mm位置平行于直径C进行切割，得到8个扇形磁环片；最终对8个扇形磁环片夹角处进行切割出内弧，得到8个扇面形磁环片。

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