CN220137256U - 一种霍尔式高精度开环电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种霍尔式高精度开环电流传感器。本实用新型包括外壳，所述外壳内设置有：磁芯，所述磁芯包括第一磁芯臂、第二磁芯臂以及分别与所述第一磁芯臂和第二磁芯臂相连的第三磁芯臂，所述第一磁芯臂、所述第二磁芯臂和所述第三磁芯臂之间形成适于待检测电流导线贯穿的容置空间；霍尔芯片，设置于所述容置空间内，所述霍尔芯片与所述第一磁芯臂之间留有第一间隙，所述霍尔芯片与所述第二磁芯臂之间留有第二间隙，所述霍尔芯片与所述第三磁芯臂之间留有第三间隙。本实用新型使磁芯聚集的磁场能够高效的传递到霍尔芯片，保证产品的高精度和高线性度。

Description

一种霍尔式高精度开环电流传感器

技术领域

本实用新型涉及电流传感器技术领域，尤其是指一种霍尔式高精度开环电流传感器。

背景技术

开环的霍尔电流传感器采用的是霍尔效应原理，闭环的霍尔电流传感器采用的是磁平衡原理。所以闭环的在响应时间跟精度上要比开环的好很多。开环和闭环都可以监测交流电，一般开环的适用于大电流监测，闭环适用于小电流监测。具有封装尺寸小，测量范围广，重量轻，低电源损耗等优点。

无插损开环式霍尔传感器的工作过程：原边电流（Ip）通过一根导线时，在导线四周将会产生一个磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它能通过磁芯聚集感应到线性霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，霍尔器件输出的信号准确反映了原边电流的输出情况。

闭环霍尔电流传感器的工作过程：当原边电流IP产生的磁通通过磁芯集中在磁路中，霍尔器件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边电流（IP）产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零。霍尔元件(敏感元件)和辅助电路产生的副边补偿电流准确反映了原边电流的大小。经过特殊电路的处理，传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的电流变化。

磁通门电流传感器磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。磁通门传感器就是利用某些高磁导率的软磁材料（如坡莫合金）作磁芯，以其一起在交流磁场作用下的次饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。其结构可以看成一个特殊的变压器，磁通门测磁法正是利用这种特殊变压器的磁芯，当交变电流流过该变压器原边线圈时，磁芯反复被交变过饱和励磁所磁化，当有外磁场存在时，励磁变得不对称，变压器的输出信号受到外磁场的调制。通过检测输出的调制信号就可以实现对外磁场的测量。磁通门探头的输出主要是激励信号的二次谐波，需要经过处理得到测量数据。磁通门传感器具有分辨力高、测量弱磁场范围宽、可靠、能够直接测量磁场的分量和适于在变速运动***中使用等特点。

现有的开环电流传感器也存在一些不足之处，主要表现在以下三个方面：

第一，精度不高。开环电流传感器的精度受到多种因素的影响，如磁芯的非线性、霍尔元件的温漂、电路的噪声等。这些因素会导致输出信号的误差和失真，降低测量的准确性和可靠性。为了提高精度，需要对磁芯和霍尔元件进行校准和补偿，增加了设计和制造的复杂度和成本。

第二，磁芯聚磁能力弱影响灵敏度。开环电流传感器的灵敏度是指输出信号对输入电流的变化率，它反映了传感器的测量范围和分辨率。灵敏度与磁芯的聚磁能力有关，聚磁能力越强，灵敏度越高。然而，现有的开环电流传感器的磁芯材料的饱和磁通密度较低，导致聚磁能力弱。当输入电流较大时，磁芯容易进入饱和状态，使得输出信号失去线性关系，降低了灵敏度。

第三，铁氧体磁芯低温特性差。铁氧体是一种常用的软磁材料，具有成本低、频率响应好、抗干扰能力强等优点。但是，铁氧体也有一些缺点，其中之一就是低温特性差。当温度降低时，铁氧体的初始磁导率会急剧下降，导致输出信号的幅值减小。这对于在低温环境下工作的开环电流传感器来说是一个严重的问题，会影响其测量性能和稳定性。

发明内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中开环电流传感器存在精度不高、磁芯聚磁能力弱影响灵敏度以及铁氧体磁芯低温特性差的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种霍尔式高精度开环电流传感器，包括外壳，所述外壳内设置有：

磁芯，所述磁芯包括第一磁芯臂、第二磁芯臂以及分别与所述第一磁芯臂和第二磁芯臂相连的第三磁芯臂，所述第一磁芯臂、所述第二磁芯臂和所述第三磁芯臂之间形成适于待检测电流导线贯穿的容置空间；

霍尔芯片，设置于所述容置空间内，所述霍尔芯片与所述第一磁芯臂之间留有第一间隙，所述霍尔芯片与所述第二磁芯臂之间留有第二间隙，所述霍尔芯片与所述第三磁芯臂之间留有第三间隙。

在本实用新型的一种实施方式中，所述第一磁芯臂和所述第二磁芯臂相平行设置，所述第三磁芯臂分别和所述第一磁芯臂和所述第二磁芯臂相垂直设置。

在本实用新型的一种实施方式中，所述第一磁芯臂与所述第三磁芯臂之间形成第一圆弧倒角，所述第二磁芯臂与所述第三磁芯臂之间形成第二圆弧倒角。

在本实用新型的一种实施方式中，所述磁芯为锰锌铁氧体磁芯。

在本实用新型的一种实施方式中，所述第一间隙和所述第二间隙相等。

在本实用新型的一种实施方式中，所述第三间隙大于所述第一间隙和所述第二间隙。

在本实用新型的一种实施方式中，所述第一间隙和/或所述第二间隙为0.55±0.05mm。

在本实用新型的一种实施方式中，所述第三间隙为4.5±0.1mm。

在本实用新型的一种实施方式中，所述磁芯的高度为9.6±0.15mm。

在本实用新型的一种实施方式中，所述磁芯的厚度为6.2±0.15mm。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本实用新型所述的一种霍尔式高精度开环电流传感器，使磁芯聚集的磁场能够高效的传递到霍尔芯片，最终输出与输入电流成线性关系的电压信号，保证产品的高精度和高线性度。解决了现有开环电流传感器存在精度不高、磁芯聚磁能力弱影响灵敏度以及铁氧体磁芯低温特性差的问题。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型传感器外形示意图。

图2是图1中沿A-A方向的剖视图。

图3是3D磁场仿真模型图。

图4是xy截面的磁场分布图。

图5是xy截面的磁场流向分布图。

图6是磁场坐标曲线图。

说明书附图标记说明：

1、外壳；

2、磁芯；21a、第一磁芯臂；21b、第二磁芯臂；21c、第三磁芯臂；22、容置空间；23a、第一圆弧倒角；23b、第二圆弧倒角；

3、霍尔芯片；31a、第一间隙；31b、第二间隙；31c、第三间隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

本实用新型中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本实用新型的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本实用新型的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

参照图1至图2所示，本实用新型的一种霍尔式高精度开环电流传感器，包括外壳1，所述外壳1内设置有：

磁芯2，所述磁芯2包括第一磁芯臂21a、第二磁芯臂21b以及分别与所述第一磁芯臂21a和第二磁芯臂21b相连的第三磁芯臂21c，所述第一磁芯臂21a、所述第二磁芯臂21b和所述第三磁芯臂21c之间形成适于待检测电流导线贯穿的容置空间22；

霍尔芯片3，设置于所述容置空间22内，所述霍尔芯片3与所述第一磁芯臂21a之间留有第一间隙31a（图2中D1），所述霍尔芯片3与所述第二磁芯臂21b之间留有第二间隙31b（图2中D2），所述霍尔芯片3与所述第三磁芯臂21c之间留有第三间隙31c（图2中D3）。

具体地，所述第一磁芯臂21a和所述第二磁芯臂21b相平行设置，所述第三磁芯臂21c分别和所述第一磁芯臂21a和所述第二磁芯臂21b相垂直设置。

具体地，所述第一磁芯臂21a与所述第三磁芯臂21c之间形成第一圆弧倒角23a，所述第二磁芯臂21b与所述第三磁芯臂21c之间形成第二圆弧倒角23b。

通过上述设置，磁芯2整体呈具有圆弧倒角的“U”形结构，可以提高磁芯2的利用率，减少漏磁，同时也有利于散热和安装。圆弧倒角使其更加平滑和圆润。这样做可以避免绕线时产生划伤或断裂，保护线圈的完整性和可靠性。同时，圆弧倒角也可以减少磁芯2表面的应力集中，提高磁芯2的机械强度和稳定性。

具体地，所述磁芯2为锰锌铁氧体磁芯2。这种材料具有宽温低损耗的特性，在25℃～120℃范围内，单位体积功耗都比较低。除了具有宽温低损耗特性，该材料导磁率的温度稳定性也很高，在低温－40℃时，导磁率还高于2000，非常适合室外及寒冷场所使用。此外，材料还具有高饱和磁感应强度特性，可用于有直流偏磁场的工作场合，因此具有较高的使用价值。

具体地，所述第一间隙31a和所述第二间隙31b相等。

具体地，所述第三间隙31c大于所述第一间隙31a和所述第二间隙31b。

具体地，所述第一间隙31a和/或所述第二间隙31b为0.55±0.05mm。

具体地，所述第三间隙31c为4.5±0.1mm。

本实施例中，所述磁芯2的高度为9.6±0.15mm，所述磁芯2的厚度（即第一磁芯臂21a、第二磁芯臂21b和第三磁性臂的厚度）为6.2±0.15mm。

采用上述各个参数后，使磁芯2聚集的磁场能够高效的传递到霍尔芯片3，最终输出与输入电流成线性关系的电压信号，保证产品的高精度和高线性度。

本实施例中，上述各个参数范围的确定采用建模放置的方式。如图3所示，通过（如Maxwell磁场仿真软件）建立模型进行磁场仿真，确定磁芯2最佳尺寸外形，同时仿真磁芯2不同空间位置的磁场强度及稳定性，确定线性霍尔芯片3磁场检测单元应该放置的位置，霍尔芯片3应该放置在磁场强度较高且分布较均匀的区域，以提高检测精度和灵敏度；霍尔芯片3应该与磁芯2保持一定距离，避免直接接触或受到机械压力。图3中的3D磁场仿真模型中，大正方体代表空气层，长圆柱体代表待检测电流导线，通过仿真分析，得到了不同位置的磁场强度和分布情况。

以坐标轴为基准，xy截面的磁场分布如图4-图6，根据图上仿真结果，以确定霍尔芯片3较佳放置位置范围。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种霍尔式高精度开环电流传感器，其特征在于，包括外壳（1），所述外壳（1）内设置有：

磁芯（2），所述磁芯（2）包括第一磁芯臂（21a）、第二磁芯臂（21b）以及分别与所述第一磁芯臂（21a）和第二磁芯臂（21b）相连的第三磁芯臂（21c），所述第一磁芯臂（21a）、所述第二磁芯臂（21b）和所述第三磁芯臂（21c）之间形成适于待检测电流导线贯穿的容置空间（22）；

霍尔芯片（3），设置于所述容置空间（22）内，所述霍尔芯片（3）与所述第一磁芯臂（21a）之间留有第一间隙（31a），所述霍尔芯片（3）与所述第二磁芯臂（21b）之间留有第二间隙（31b），所述霍尔芯片（3）与所述第三磁芯臂（21c）之间留有第三间隙（31c）。

2.根据权利要求1所述的一种霍尔式高精度开环电流传感器，其特征在于，所述第一磁芯臂（21a）和所述第二磁芯臂（21b）相平行设置，所述第三磁芯臂（21c）分别和所述第一磁芯臂（21a）和所述第二磁芯臂（21b）相垂直设置。

3.根据权利要求1所述的一种霍尔式高精度开环电流传感器，其特征在于，所述第一磁芯臂（21a）与所述第三磁芯臂（21c）之间形成第一圆弧倒角（23a），所述第二磁芯臂（21b）与所述第三磁芯臂（21c）之间形成第二圆弧倒角（23b）。

4.根据权利要求1所述的一种霍尔式高精度开环电流传感器，其特征在于，所述磁芯（2）为锰锌铁氧体磁芯（2）。

5.根据权利要求1所述的一种霍尔式高精度开环电流传感器，其特征在于，所述第一间隙（31a）和所述第二间隙（31b）相等。

6.根据权利要求1所述的一种霍尔式高精度开环电流传感器，其特征在于，所述第三间隙（31c）大于所述第一间隙（31a）和所述第二间隙（31b）。

7.根据权利要求1所述的一种霍尔式高精度开环电流传感器，其特征在于，所述第一间隙（31a）和/或所述第二间隙（31b）为0.55±0.05mm。

8.根据权利要求1所述的一种霍尔式高精度开环电流传感器，其特征在于，所述第三间隙（31c）为4.5±0.1mm。

9.根据权利要求1所述的一种霍尔式高精度开环电流传感器，其特征在于，所述磁芯（2）的高度为9.6±0.15mm。

10.根据权利要求1所述的一种霍尔式高精度开环电流传感器，其特征在于，所述磁芯（2）的厚度为6.2±0.15mm。