CN117716244A - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流传感器(1)，该电流传感器包括具有上侧(21)和下侧(22)的导电汇流条(2)，其中待测量的测量电流流经汇流条(2)。在汇流条(2)的渐缩部(6)的区域中形成有开口(8)。至少一个磁检测元件(4)的承载件(10)定位在开口(8)中，使得至少一个磁检测元件(4)相对于汇流条(2)定位在汇流条(2)的上侧(21)上方或下侧(22)上方。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及电流传感器。具体地，电流传感器包括具有上侧和下侧的导电汇流条，其中待测量的测量电流流经汇流条。在汇流条中形成有渐缩部，并且至少一个磁检测元件在渐缩部的区域中被分配给汇流条。

背景技术

已公布的德国专利申请DE 10 2017 114 377 A1公开了电流传感器。为了确定汇流条中流动的电流，汇流条具有被形成为电流传感器接合到其中的通孔。汇流条定位在两个屏蔽板之间，以屏蔽来自外部的磁场。电流传感器可以设计为巨磁电阻(GMR)传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器、隧道磁电阻(TMR)传感器或霍尔IC传感器。现有技术的缺点是提供附加的屏蔽板以使传感器的区域中的磁场均匀化。

德国专利申请DE 10 2018 125 404 A1描述了包含三个汇流条的电流传感器。由磁性材料制成的第一屏蔽板和第二屏蔽板以将三个汇流条夹在其间的方式布置。三个磁检测元件各自布置在三个汇流条与第一屏蔽板之间，以检测由对应的汇流条产生的磁场强度。导电板以使得三个汇流条一起夹在导电板与第二屏蔽板之间的方式布置。导电板由非磁性导电材料制成。此处的另一缺点是复杂且成本密集的结构。

德国专利申请DE 10 2018 130 954 A1公开了用于测量流经汇流条的电流的电流传感器。电流传感器包含安装在汇流条上的电路板，该电路板具有用于检测由汇流条中流动的电流产生的磁场的强度的磁感测元件。包含第一壳体和第二壳体的壳体形成为使得汇流条和板沿汇流条的板厚度方向夹在其间。

国际专利申请WO 2019/181170的德文译文DE 11 2019 001 437 T5公开了具有导电元件、磁电换能器和屏蔽件的电流传感器。导电元件及磁电换能器中的一部分位于第一屏蔽件的表面与第二屏蔽件的表面之间。位于第一屏蔽件与第二屏蔽件之间的导电元件的一部分沿沿着第二屏蔽件的表面延伸的延伸方向延伸。第二屏蔽件具有沿垂直于延伸方向的横向方向对准的两侧以及在所述侧上朝第一屏蔽件延伸并且沿延伸方向彼此对准且间隔开的多个延伸部。磁电换能器位于沿延伸方向对准且间隔开的多个延伸部之间。

德国专利申请DE 10 2011 076 933 A1描述了电流传感器，该电流传感器包括导电元件以及布置在导电元件上并且适于检测由通过导体元件的电流产生的磁场的至少两个磁场传感器。至少两个磁场传感器被布置在与导电元件中的电流流动方向垂直的线的相对侧上。绝缘层被布置在导电元件与磁场传感器之间，并且导体轨道连接至磁场传感器。

与有芯电流传感器相比，常规无芯电流传感器通常具有若干缺点。因此，例如，存在输出信号对外加电流的频率的不期望的依赖(趋肤效应)。电流传感器还导致对传感器元件相对于汇流条的精确定位的不期望的依赖。此外，与有芯电流传感器相比，无芯电流传感器具有较低的信号电平。除此之外是无芯电流传感器对外部磁场的敏感性。

可以通过各种措施来减少无芯电流传感器的缺点。例如，在传感器的区域中，可以减小汇流条的截面。通过减小截面，一方面信号电平(磁通密度)增加，并且另一方面频率依赖性降低。然而，与此同时，电流传感器的定位变得更加关键。

另一选择是使用附加的磁通传导材料作为屏蔽件。使用附加的磁通传导材料，可以使磁检测元件(传感器)的区域中的场均匀化。因此，磁检测元件的精确定位不再关键。

磁检测元件的频率响应由附加外部滤波器(电阻器、电感器、电容)校正。然而，这通常会降低磁检测元件的输出电压范围。例如，需要供电电压的至少6％-94％的“完整”输出电压范围，这意味着信号必须在后续级中利用运算放大器再次放大。因此，滤波器措施使DC工作点移位。

发明内容

本发明基于如下目的：创建电流传感器，其避免了现有技术的所有缺点，例如复杂的滤波器措施，或避免了对定位公差的强烈敏感性，并且仍然确保对汇流条中承载的电流的可靠测量。

上面的目的由包括权利要求1的特征的电流传感器来实现。

该电流传感器的特征在于在渐缩部的区域中形成有开口的事实。此外，至少一个磁检测元件的承载件定位在开口中，使得至少一个磁检测元件相对于汇流条定位在所述汇流条的上侧上方或下侧上方。

汇流条的渐缩部具有减少趋肤效应的作用。趋肤效应是高频交流电流流经的电导体中的电流位移效应，这意味着导体内部的电流密度低于表面区域。趋肤效应的原因是，由于材料的高电导性，穿透导体的交变场在到达导体内部之前就被大幅衰减。

趋肤效应发生在相对于趋肤深度较厚的导体中，并且还发生在导电屏蔽件和电缆屏蔽件中。随着频率增加，趋肤效应促进屏蔽电缆的传输阻抗和导电屏蔽件的屏蔽衰减，并且增加电缆的电阻。

为了进一步减少趋肤效应的影响并且同时在汇流条上方或下方的中部维持均匀的场，在汇流条的中部铣削或冲压出开口(细长孔)。

本发明基于如下目的：创建电流传感器，其避免了现有技术的所有缺点并且仍然确保对汇流条中承载的电流的可靠测量。

上面的目的由包括权利要求1的特征的电流传感器来实现。

根据本发明，在渐缩部的区域中形成有开口。评估可以在汇流条上方或下方发生。为此，至少一个磁检测元件相对于汇流条定位在汇流条的上侧上方或下侧上方。为此，至少一个磁检测元件的承载件以使得至少一个磁检测元件相对于汇流条定位在汇流条的上侧上方或下侧上方的方式定位在开口中。

根据本发明的电流传感器的优点在于其不需要或仅需要光过滤措施并且不需要运算放大器。此外，根据本发明的电流传感器对于相对于汇流条的定位公差不具有敏感性或仅具有轻微的敏感性。

根据一个实施方式，承载件可以保持两个磁检测元件。承载件可以具有立方体的形状。在承载件上设置有两个磁检测元件的情况下，以这样的方式设计：在承载件穿过汇流条中的开口时，一个磁检测元件定位在汇流条的上侧上方，并且一个磁检测元件定位在汇流条的下侧上方。在承载件上仅设置单个磁检测元件的情况下，在承载件穿过汇流条中的开口时，磁检测元件可以定位在汇流条的上侧上方或下侧上方。

根据另一实施方式，承载件(板)可以是C形的，使得承载件夹持在汇流条周围，并且从而将两个磁检测元件相应地定位在汇流条的上侧上方和下侧上方。在承载件(C形)上仅设置单个磁检测元件的情况下，如果承载件部分地围绕开口的区域中的汇流条，则磁检测元件可以定位在汇流条的上侧上方或下侧上方。

根据此处描述的承载件的实施方式，承载件可以被设计为电路板，除了至少一个磁检测元件之外，该电路板还提供用于评估、过滤和/或放大由至少一磁性检测元件检测到的值的至少一个电子***。

电流传感器的设计优点在于电流传感器相对于磁性检测元件的定位具有较低的公差。如果磁检测元件定位在Y＝0处，则定位公差的影响在那里具有最低的影响。然而，如果磁检测元件定位在那里，磁检测元件就会具有低通行为，并且电流传感器对低频比对高频更敏感。为了补偿这一点，例如，可以使用外部高通，该外部高通另外地使低频衰减。

根据本发明的另一实施方式，汇流条的上侧上方的磁检测元件和汇流条的下侧上方的磁检测元件可以电子地组合以形成磁检测元件。

这具有以下优点：可以通过差分评估来至少部分地补偿外部磁场。

承载件沿着Z坐标方向定位在开口中，使得承载件被定向为垂直于汇流条。

根据本发明的另一实施方式，渐缩部的区域中的开口相对于汇流条的对称轴线沿Y坐标方向偏移。因此，汇流条在开口的区域中形成具有第一厚度的第一连接板和具有第二厚度的第二连接板，第一连接板和第二连接板在厚度方面不同。

该配置具有频率响应进一步平滑并且可以节省运算放大器的优点。因此，在该具体实施方式中，机械公差影响最低的区域移位至y＝2mm。由于那里普遍存在高通行为，因此不需要为了低频而降低输出信号。在其他实施方式中，机械公差影响最小的区域可以具有不同的值。

布置在承载件上的至少一个磁检测元件可以分配有用于对磁检测元件的测量值进行评估的电子器件。例如，电子器件可以包括附加滤波器电路(缓冲器)，可以利用该附加滤波器电路进一步调节频率响应。

根据本发明的电流传感器可以用于电动马达的3个马达相的输出汇流条。在该情况下，对于电流传感器的准确性存在特别严格的要求，这通过根据本发明的设计来实现。因此，省略了屏蔽件或芯材料，并且使用“无芯”电流传感器。与具有芯的电流传感器相比，它在零点附近没有滞后。其他优点包括重量较轻和成本较低。

附图说明

下面参照附图更详细地说明本发明的示例性实施方式及其优点。附图中的比例并不总是与真实的比例对应，这是因为为了更好的说明，一些形状被简化，而其他形状相对于其他元件被放大示出。在附图中：

图1示出了根据现有技术的电流传感器的透视图；

图2示出了根据现有技术的电流传感器的另一实施方式的透视图；

图3示出了根据本发明的电流传感器的透视图；

图4示出了根据本发明的汇流条的实施方式的上侧视图；

图5示出了用于磁检测元件的承载件的可能实施方式；

图6示出了用于磁检测元件的承载件的另一可能实施方式；

图7示出了用于相对于汇流条定位两个磁检测元件的承载件的实施方式；

图8示出了电流传感器的另一实施方式的透视图，其中承载件部分地围绕汇流条以定位两个磁检测元件；

图9示出了图8中示出的实施方式的侧视图；

图10示出了现有技术的利用其可以调节频率响应的附加滤波器电路的可能实施方式；

图11示出了与未补偿电压信号相比较的来自磁检测元件的补偿电压信号；

图12示出了本发明的对于磁感测元件的定位的公差的图表表示；

图13示出了与未补偿电压信号相比较的来自两个磁检测元件的补偿电压信号；以及

图14示出了本发明的对于两个磁感测元件的定位的公差的图表表示。

相同的附图标记用于本发明中的相同或具有相同效果的元件。此外，为了清楚起见，在各个附图中仅示出描述相应的附图所必需的那些附图标记。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的电流传感器1的透视和示意图。在此处示出的实施方式中，磁检测元件4被布置在电流传感器1的汇流条2的上侧21上方。屏蔽件3是附加的磁通传导材料，利用该磁通传导材料可以使电流传感器1的磁检测元件4的区域中的磁场均匀化。在此处示出的实施方式中，屏蔽件3是U形的并且相对于汇流条2以使得屏蔽件3与汇流条2的下侧22相对并且屏蔽件3的一个腿部31被定位成与汇流条2的每个侧边23相对的方式布置。因此，磁检测元件4相对于汇流条2的确切定位不再关键。

图2示出了根据现有技术的电流传感器1的另一实施方式的透视图。汇流条2具有形成的渐缩部6，磁检测元件4定位在该渐缩部上。在渐缩部6处，汇流条2的截面24与原始截面25相比减小。通过减小截面24，一方面信号电平(磁通密度)增加，并且另一方面对频率的依赖性减小。然而，与此同时，磁检测元件4的定位变得更加关键。

图3示出了根据本发明的电流传感器1的透视图。为了进一步减少趋肤效应的影响并且同时维持汇流条2上方或下方中心的均匀场，在开口汇流条2的渐缩部6中引入汇流条2的开口8(细长孔)。可以铣削或冲压出具有细长槽(细长孔)形状的开口8。开口8沿X坐标方向X纵向对准。此处描述的开口8的形状(具有圆角的细长孔)和渐缩部6的形状不应当被解释为对本发明的限制。如图2所示，渐缩部6还可以是圆形的或有角的(见图3中的实施方式)。可替选地，还可以想到矩形开口8和矩形缺口作为渐缩部6。

如图3所示，承载件10沿着Z坐标方向Z以使得保持在承载件10上的至少一个磁检测元件4定位在汇流条2的上侧21上方的方式定位在开口8中。磁检测元件4与汇流条2的上侧21之间的距离5可以通过将承载件10定位在开口8中来调节。虽然图3中示出了磁检测元件4相对于汇流条2的上侧21的定位，但这不应当被解释为对本发明的限制。根据本发明，磁检测元件4可以相对于汇流条2的下侧22或相对于汇流条2的上侧21定位。同样地，磁检测元件4可以相对于汇流条2的上侧21和汇流条2的下侧22定位。因此，对由磁检测元件4检测到的值的评估不是发生在开口8内，而是发生在汇流条2的上方和/或下方，如在图3中由磁检测元件4所指示的。适当的电子器件11被设置在承载件10上以用于评估。如此处所示出的，在承载件被定位在开口8中时，承载件10被对准为垂直于汇流条2。承载件10上的电子器件11可以是滤波器电路。另一方面，承载件10上可以可选地引入接地表面，以提高电磁兼容性(EMC)。这还可用于进一步补偿频率响应。

图4示出了根据本发明的电流传感器2的实施方式的平面图。开口8位于渐缩部6的区域中，相对于汇流条2的对称轴线12沿Y坐标方向Y偏移。开口8的位移导致在开口8的区域中的具有第一厚度27的第一连接板26和具有第二厚度29的第二连接板28，第一连接板与第二连接板在厚度方面不同。汇流条2的该非对称结构具有频率响应进一步平滑并且可以节省运算放大器的优点。

图5和图6示出了用于磁检测元件4的承载件10的可能实施方式。在两个图中，磁检测元件4被设置在承载件10的一侧上。同样地，磁检测元件4被分配有用于评估测量值的电子器件11。图5中的实施方式用于将磁检测元件4相对于汇流条2的上侧21定位。图6中的实施方式用于将磁检测元件4相对于汇流条2的下侧22定位。

图7示出了用于两个磁检测元件4的承载件10的另外的实施方式。利用该实施方式，可以使用汇流条2的上侧21上的和汇流条2的下侧22上的磁检测元件4执行测量。电子器件11各自被分配给磁检测元件4。

图8和图9示出了承载件10的另一实施方式，该承载件为C形，以用于相对于汇流条2定位两个磁检测元件4。虽然利用此处描述的实施方式，两个磁检测元件4与承载件10一起相对于汇流条2定位，但这不应当被解释为限制。在仅一个磁检测元件4附接至C形承载件10的情况下，该磁检测元件可以沿Z坐标方向Z以预定距离5定位在汇流条2的上侧21上方或汇流条2的下侧22上方。

C形承载件10具有基部15和两个腿部16。在此处示出的实施方式中，每个腿部16承载磁检测元件4。C形承载件10以使得承载件部分地围绕汇流条2的方式相对于汇流条2定位。这意味着腿部16定位在汇流条2的上侧21上方，并且另一腿部16定位在汇流条2的下侧22上方。保持在腿部16上的磁检测元件4各自定位在沿Z坐标方向Z距汇流条2的上侧21或下侧22距离5处。

图10示出了现有技术的附加滤波器电路40的可能实施方式，利用该附加滤波器电路可以调节频率响应。例如，电流传感器1的频率响应可以由包括电阻器41和电容器42的滤波器电路40来校直。对于本领域技术人员来说不言而喻的是，也可以使用电感器和有源部件，例如运算放大器。

图11示出了与未补偿电压信号相比较的来自磁检测元件4的补偿电压信号。此处，根据磁检测元件4沿Y坐标方向Y的定位，以％为单位绘制补偿电压信号与未补偿电压信号的比率。针对磁检测元件4沿Z坐标方向Z距汇流条2的不同距离5(见图3)绘制四个曲线。3mm的距离5通过实线示出。4mm的距离5通过虚线示出。5mm的距离5通过点划线示出。6mm的距离5通过点划线和双点划线示出。

图12示出了本发明的对于磁感测元件4的定位的公差的图表表示。利用目前的的几何结构，磁检测元件4相对于相对于汇流条2的定位已经具有小公差。在图10中，根据磁检测元件4沿Y坐标方向Y的定位，绘制以mT为单位的磁场强度。针对磁检测元件4沿Z坐标方向Z距汇流条2的不同距离5(见图3)绘制四个曲线。3mm的距离5通过实线示出。4mm的距离5通过虚线示出。5mm的距离5通过点划线示出。6mm的距离5通过点划线和双点划线示出。在y＝0处，所有曲线都具有除了零的轻微斜率。另外，那里的曲线彼此非常接近。因此，定位公差的影响在那里具有最低的影响。然而，在磁检测元件4被放置在从y＝0至大约y＝2mm的范围内的情况下，磁检测元件具有低通行为(磁检测元件4对低频比对高频更敏感)。为了补偿这一点，例如，可以使用外部高通，该外部高通另外地使低频衰减。对于目前的情况，这在y<2mm范围内是必要的。

图11和图12中描述的条件针对具有不同厚度的连接板(见图4)而出现。从图12可以看出，0<y<大约2mm的范围对于定位误差相对宽容。从y>大约2mm时，不再需要增加信号(见图11)，使得磁检测元件4的最佳定位给出为y＝2mm。

图13示出了与未补偿电压信号相比较的来自两个磁检测元件4的补偿电压信号。此处，根据磁检测元件4沿Y坐标方向Y的定位，以％为单位绘制补偿电压信号与未补偿电压信号的比率。针对磁检测元件4沿Z坐标方向Z距汇流条2的不同距离5(见图3)绘制四个曲线。3mm的距离5通过实线示出。4mm的距离5通过虚线示出。5mm的距离5通过点划线示出。6mm的距离5通过点划线和双点划线示出。在滤波器之后，必须使用运算放大器再次将信号增加至100％。

图14示出了本发明的对于两个磁感测元件4的定位的公差的图表表示。利用目前的的几何结构，磁检测元件4相对于相对于汇流条2的定位已经具有小公差。在图14中，根据磁检测元件4沿Y坐标方向Y的定位，绘制以mT为单位的磁场强度。针对磁检测元件4沿Z坐标方向Z距汇流条2的不同距离5(见图3)绘制四个曲线。3mm的距离5通过实线示出。4mm的距离5通过虚线示出。5mm的距离5通过点划线示出。6mm的距离5通过点划线和双点划线示出。所有曲线在y＝0处的斜率均为零。另外，那里的曲线彼此非常接近。因此，定位公差的影响在那里具有最低的影响。然而，在两个磁检测元件4被放置在那里的情况下，它们具有低通行为(磁检测元件4对低频比对高频更敏感)。为了补偿这一点，例如，可以使用外部高通，该外部高通另外地使低频衰减。对于该情况，这在-7mm<y<+7mm范围内是必要的。

附图标记列表

1 电流传感器

2 导电轨

3 屏蔽件

4 磁检测元件

5 距离

6 渐缩部

8 开口

10 承载件

11 电子器件

12 对称轴线

15 基部

16 腿部

21 上侧

22 下侧

23 侧边

24 减小的截面

25 原始截面

26 第一连接板

27 第一厚度

28 第二连接板

29 第二厚度

31 腿部

40 滤波器电路

41 电阻器

42 电容器

X X坐标方向

Y Y坐标方向

Z Z坐标方向

Claims (9)

1.一种电流传感器(1)，包括：

具有上侧(21)和下侧(22)的导电汇流条(2)，待测量的测量电流流经所述汇流条(2)，

在所述汇流条(2)中形成的渐缩部(6)，以及

至少一个磁检测元件(4)，其在所述渐缩部(6)的区域中被分配给所述汇流条(2)，

其特征在于

在所述渐缩部(6)的区域中形成开口(8)；以及

至少一个磁检测元件(4)的承载件(10)以使得所述至少一个磁检测元件(4)相对于所述汇流条(2)定位在所述汇流条(2)的所述上侧(21)上方和/或所述下侧(22)上方的方式相对于所述开口(8)定位。

2.根据权利要求1所述的电流传感器(1)，其中，所述承载件(10)具有矩形立方体的形状，并且在磁检测元件(4)的情况下，磁检测元件定位在所述汇流条(2)的所述上侧(21)上方或所述下侧(22)上方，以及在两个磁感测元件(4)的情况下，在所述承载件(10)穿过所述开口(8)时将所述两个磁感测元件定位在所述汇流条(2)的所述上侧(21)上方和所述下侧(22)上方。

3.根据权利要求2所述的电流传感器(1)，其中，所述承载件(10)沿着Z坐标方向(Z)定位在所述开口(8)中，并且被定向为垂直于所述汇流条(2)。

4.根据权利要求1所述的电流传感器(1)，其中，所述承载件(10)具有C形形状，并且在磁检测元件(4)的情况下，将所述磁检测元件定位在所述汇流条(2)的所述上侧(21)上方或所述下侧(22)上方，以及在两个磁检测元件(4)的情况下，如果所述承载件(10)部分地围绕所述汇流条(2)中的所述开口(8)，则将所述两个磁检测元件定位在所述汇流条(2)的所述上侧(21)上方和所述下侧(22)上方。

5.根据权利要求2或4所述的电流传感器(1)，其中，在所述汇流条(2)的所述上侧(21)上方的所述磁检测元件(4)与在所述汇流条(2)的所述下侧(22)上方的所述磁检测元件(4)电子地组合以形成磁检测元件(4)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(1)，其中，在所述渐缩部(6)的区域中的所述开口(8)相对于所述汇流条(2)的对称轴线(12)沿Y坐标方向(Y)偏移，由此在所述开口(8)的区域中的所述汇流条(2)具有在厚度方面不同的具有第一厚度(27)的第一连接板(26)和具有第二厚度(29)的第二连接板(28)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(1)，其中，所述开口(8)是沿X坐标方向(X)对准、在所述汇流条(2)的所述渐缩部(6)的区域中被铣削或冲压的细长孔。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(1)，其中，布置在所述承载件(10)上的所述至少一个磁检测元件(4)被分配有用于对所述磁检测元件(4)的测量值进行评估的电子器件(11)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(1)，其中，磁检测元件(4)被分配给三相马达的每个输出侧汇流条(2)。