同轴双环路磁芯结构组件 技术领域 本发明涉及一种霍尔电流传感器磁芯结构组件 ， 具体说是一种穿芯式高精 度开环型霍尔电流传感器用同说轴双环路磁芯 结构组件。 背景技术

对电流的非接触测量和监控方法很多， 霍尔电流传感器因其优异的性 价比被广泛应用而形成产业化； 霍尔电流传感器通常有开环、 闭环两种工作 模式， 开环型霍尔电流传感器是一种新型的电书流传 感器， 具有灵敏度高、 功 耗低、 电隔离、 性价比高、 使用方便等特点， 被广泛用于各种变流技术、 交 流数控装置等以电流作测量和监控对象的自控 领域中。

开环型霍尔电流传感器由霍尔元件、 软磁材料制成带气隙的环形磁芯及 适当的放大器电路组成。 其工作过程为： 用霍尔元件检测初级电流在磁芯气 隙中产生的磁感应强度， 霍尔元件的输出电压经放大器调整放大到 0-4V 或 0-5V输出。 由于这种电流传感器其工作过程为开放式环路 结构， 故称其为开 环型霍尔电流传感器。

由电磁学中毕奥.萨伐尔定律可知， 在无限长载流导体周围的磁感应强度 B与电流大小 I成正比， 与距离 r成反比， 即

2 nr 因此当被测电流的载流导体在磁芯中移动位置 时， 在磁芯气隙中产生的磁 感应强度的大小不同， 便产生了位置误差， 这就是单磁芯、 单气隙结构的开 环电流传感器的原理性误差。 除此之外， 这种磁路结构还存在以下问题：

1、 单磁路、 单气隙结构的霍尔开环电流传感器由于磁芯剩 磁比较大， 传感 器零点变化大， 严重影响传感器的测量精度。 为了减少磁剩影响， 采用低磁 剩的铁镍合金材料制成磁芯， 将大幅度的提高传感器的制造成本。

2、 采用单磁路、 2n个气隙和霍尔元件， 对霍尔元件输出端釆用求和方式处 理信号， 有效地解决磁芯剩磁和位置误差对电流测量精 度大的影响， 但气隙 个数的增多， 在相同电流匝数条件下， 气隙中磁感应强度成倍减少， 为了达 到相同传感器输出幅度， 必须成倍增加放大器的放大倍数， 而放大器的放大 倍数不可无限制增大； 霍尔元件输出求和使其输出噪声亦求和， 亦成倍增加， 再加上放大器放大倍数增加， 引起传感器输出噪声成倍增加，使传感器的输 出 不稳定。 因此，磁芯中气隙个数和放大倍数的增加将 S I起传感器在相同穿芯孔 径条件下，测量下限和最低分辨率变差，从而 影响了传感器的电流测量精度和 通用性。

3、 单磁芯、 多个气隙的结构，使磁芯安装十分不易， 先将磁环逐段定位 在塑料外壳中，不易保证气隙宽度一致性，且 多个霍尔元件在气隙中的位置亦 无法安装一致，导致传感器批量生产一致性差 ，必须逐个调整电参数，大大影 响生产效率及传感器的可靠性。

发明内容

为了解决上述技术问题， 本发明的目的在于提供一种测量范围更大、 更 加精确、 更节省成本的穿芯式高精度开环型霍尔电流传 感器用同轴双环路磁 芯结构组件。 本发明的完整技术方案是， 一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用 同轴双环路磁芯结构组件， 包括两个尺寸相同的环形磁芯以及一个固定架 ， 所述两个环形磁芯同轴安装在所述固定架的上 下两面， 所述每个环形磁芯上 设置有 2n个气隙， 所述 2n个气隙或对称分布或均分每个环形磁芯， 4n个气 隙错位安装或对称分布或均分整个同轴双环路 ； 所述每个气隙中均设置有一 个霍尔元件；

所述固定架连接在印制电路板上， 所述下层的环形磁芯气隙中的霍尔元 件直接与所述印制电路板连接， 所述上层的环形磁芯气隙中的霍尔元件通过 一个转换印制板与所述印制电路板连接； 所述固定架的侧面上还设置有一个 插槽且与环形磁芯气隙相通， 转换印制板插在插槽内。

环形磁芯由含镍 50%的铁镍合金冷沖片铆沖叠层而成；或由优质 的取向硅 钢片卷绕而成。

所述环形磁芯上设置磁芯定位孔或定位槽。

所述 4n个霍尔元件的输出电压求算术平均值或每个� ��路 2n个霍尔元件 的输出电压先求算术平均值再求和。

所述环形磁芯的厚度以及两个环形磁芯的间距 大于等于 2倍的气隙宽度。 所述固定架上设置有固定孔， 所述印制板上也设置有固定孔， 固定引针 穿过带定位孔的环形磁芯、 固定架上的固定孔与电流传感线路印制板相连 。

所述环形磁芯以及相对应的固定架为圓形或方 形或异形。

由上可见， 本发明与现在技术相比有如下有益效果：

本发明提供了一种同轴双环路结构的磁芯结构 组件。 由 2D高度的环形磁 芯一分为二， 变成加工两个 D 高度的环形磁芯， 环形磁芯在固定架上下同轴 安装确保气隙的位置、 宽度和霍尔元件安装高度的一致性， 提高了穿芯式开 环型霍尔电流传感器的一致性、 可靠性， 同时每个环形磁芯上设置有 2n个气 隙， 2n个气隙或对称分布或均分每个环形磁芯， 4n个气隙错位安装或对称分 布或均分整个同轴双环路， 4n个霍尔元件的输出电压求算术平均值或每个� �� 路中 2n个霍尔元件的输出电压先求算术平均值再求� ��， 在理论上既消除了磁 芯的剩磁对电流传感器的测量精度的影响， 又消除了穿芯式开环型霍尔电流 传感器的原理性误差一位置误差， 大大地提高了穿芯式开环型霍尔电流传感 器的电流测量精度； 印制电路板与固定架之间设置有相互连接的孔 位， 大大 的提髙了产品的一致性以及生产效率， 同时也提高了产品的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步 理解， 构成本申请的一部 分， 并不构成对本发明的不当限定， 在附图中：

图 1为本发明单气隙结构示意图； 图 2为本发明双气隙结构示意图；

图 3为本发明方形磁芯结构示意图；

图 4为本发明圆形磁芯结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本 发明， 在此本发明的示意 性实施例以及说明用来解释本发明， 但并不作为对本发明的限定。 实施例 1:

本实施例一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传 感器用同轴双环路磁芯结 构组件， 包括两个尺寸相同的环形磁芯以及一个固定架 ， 固定架为方环形， 两个方环形磁芯同轴安装在固定架的上下两面 ， 方环形磁芯上设置磁芯定位 孔， 每个环形磁芯上设置有 2n个气隙， 2n个气隙或对称分布或均分每个环 形磁芯， 4n个气隙错位安装或对称分布或均分整个同轴� ��环路； 本实施例中 n等于 1 , 如图 2所示， 两个环形磁芯同轴设置， 而气隙方向旋转 90° 安装， 每个气隙中均设置有一个霍尔元件，环形磁芯 由含镍 50%的铁镍合金冷沖片铆 沖叠层而成， 为了减小气隙的漏磁的影响， 环形磁芯的厚度以及两个环形磁 芯的间距大于等于 2倍的气隙宽度； 4n个霍尔元件的输出电压求算术平均值 或每个磁芯 2n个霍尔元件的输出电压求算术平均值再求和� �� 固定架连接在印 制电路板上， 印制板上也设置有固定孔， 固定引针穿过带定位孔的环形磁芯、 固定架上的固定孔与电流传感线路印制板相连 ； 下层的环形磁芯直接与印制 电路板连接， 上层的环形磁芯通过一个转换印制板与印制电 路板连接， 固定 架的侧面上还设置有一个插槽， 转换印制板插在插槽内。

实施例 2:

本实施例与实施例 1 的不同之处在于， 本实施中固定架为圓环形， 包括 两个尺寸相同的圆环形磁芯以及一个固定架， 两个环形磁芯同轴安装在固定 架的上下两面， 环形磁芯上设置磁芯定位孔， 每个环形磁芯上设置有 2n个气 隙， 2n 个气隙或对称分布或均分每个环形磁芯， 4n 个气隙错位安装或对称 分布或均分整个同轴双环路； 本实施例中 n等于 1， 如图 2所示， 两个环形磁 芯同轴设置， 而气隙方向旋转 90。 安装，每个气隙中均设置有一个霍尔元件， 环形磁芯由含镍 50%的铁镍合金冷冲片铆沖叠层而成，为了减小 气隙的漏磁的 影响， 环形磁芯的厚度以及两个环形磁芯的间距大于 等于 2 倍的气隙宽度； 4n个霍尔元件的输出电压求算术平均值或每个� ��芯 2n个霍尔元件的输出电压 求算术平均值再求和， 固定架连接在印制电路板上， 印制板上也设置有固定 孔， 固定引针穿过带固定孔的环形磁芯、 固定架上的固定孔与电流传感线路 印制板相连； 下层的环形磁芯气隙中的霍尔元件直接与印制 电路板连接， 上 层的环形磁芯气隙中的霍尔元件通过一个转换 印制板与印制电路板连接， 固 定架的侧面上还设置有一个插槽， 转换印制板插在插槽内。

本发明还采取下述技术措施：

( 1 )本发明采用同轴双环路磁芯结构组件，当环� �磁芯单气隙时，环形磁芯或 由含镍 80%以上的铁镍合金冷沖片铆冲叠层或由优质的 取向硅钢片卷绕而成； 当用 2n个气隙时，环形磁芯由含镍 50%的铁镍合金冷冲片铆冲叠层而成；或由 优质的取向硅钢片卷绕而成，但必须加工定位 槽，以便安装到位，确保气隙一 致性。

( 2 ) 总气隙宽度

如图三，对于磁导率为 μ， 气隙宽度为 g的磁环， L为磁环的平均磁路长 度。 其有效磁导率为： 一般地， μ》 1 000， L》 g, 则有：

L

…… 如果在磁环上均分 n个相同宽度的气隙时，有: 根据磁路定理，带有气隙的闭合磁路的磁动势 £ ₇₇₁ 等于各段磁路上磁位降落 之和.串联磁路的总磁阻等于各磁阻之和，即 式中 NI 电流安匝数 、

φ 磁通量

Ri, R _g ——分别是磁路中磁环部分和 n个气隙部分的磁阻,

Ri=(L-ng)/ μΑ (7)

Rg=ng/ μ A (8)

式中 μ 磁路所用软磁材料的磁导率

μ。....空气磁导率

Λ 磁路的截面积

若磁路的磁感应强度为 Β， 则：

Φ=ΒΑ …… (9)

将（ 6 ), (9 ) 式代入 ( 5 ) 式得：

£、"=ΝΙ=ΒΛ dR。 ) (10) 将（7)， (8 ) 式代入（10) 式， 则有：

NI=B{(L- ng) ( )+ ng (± / μ _ύ ) } (11)

当 NI是被测电流安匝数的上限， 是设计给定穿芯尺寸的电流传感器给定 值， 根据 ( 11 )式计算气隙的总宽度。 B是从所用软磁材料参数曲线查得的数 值， 为保证电流传感器的非线性误差小， 应选在软磁材料 B- H 曲线的非饱和 段， 且留有余地。 用优质的取向硅钢片可选 B为 0.8T， 而含镍 50%以上的镍 合金片可选 B为 0. 6T。 将相关参数代入（11 ) 式即可求出总气隙宽度 ng 对于高度为 D 2n个气隙的环形磁芯在固定架上上下同轴安装� �� 如图 1 图 2， 为了确保气隙中磁感应强度均匀性和减小气隙 的漏磁的影响， 必须使 D ≥2g , d≥2g ₀

( 3 )求算术平均值消除原理性误差 -—位置误差

在图 1，图 2中，因被测电流载流导体在穿芯孔中位置不� �而引起气隙中磁 感应强度 B的大小不同，产生了不同的霍尔电压，

VH=SH I CB ·.· ... (12)

式中 Sn Ic分别为气隙中霍尔元件的灵敏度和工作电流

B为被测电流在气隙中产生的磁感应强度

将霍尔元件的输出电压经电路求算术平均值后 ，有：

在图一中

V _H1 =0. 5 (S _H11 I _{C 11} B ₁₁ - ¾ ₁₂ / _C12 5 ₁₂ ) (13) 式中 11 , 5 _{i 2} 分别为被测电流在两气隙中的磁感应强度

S _H 11 S _H 12 - kll - /<：12分别为两气隙中霍尔元件的灵敏度和� �作电流 由霍尔效应原理可知， 霍尔电压是由运动的载流子受外磁场作用而改 变 运动方向在两极板上产生的正负电荷 q 的积累， 这与充电后的平行板电容器 极相似， 平板电容器的电容 C = ^£S / _fl ; 两只相同封装的霍尔元件具有几乎相 同的介电常数 ε， 极板面积 s和距离 fl， 具有同样的电容值， 因此两只霍尔元 件的输出电压经电路求算术平均值按平行板电 容器的电容值并联等效，有 c ₁₂ = 被测电流载流导体在穿芯孔中位置不同时，作 用于霍尔元件上的磁感应 强度 B不同而产生的电荷量 (^u, ί? ₁₂ 不同，有： + q _i2 )/2c _: = 0.5( ^qi V _Cl + ^Ql2 / _Cl )

-0.5(\, _H11 - V _H12 )

=0.5 (S _H:: / _CI - 5 _:: + 5^ ₁ ：/ ₂ 5 ₁ ：) ...... (14)

由（13)， （14)式可知，多个霍尔电压经电路求算术平均 值的处理方法等效于多 个霍尔元件输出端并联。

在图 1中，同理有：

…… （15) 由（13)、 (14) 、 （15)式可知， 多个霍尔元件的输出电压经电路求算术平 均值的处理方法等效于多个霍尔元件的输出端 并联； 电流传感器的输出电压 是放大若干倍的霍尔元件的输出电压的算术平 均值，在理论上消除了穿芯式 开环霍尔电流传感器的原理性误差 位量误差。

在每个气隙中安装一个霍尔元件， 气隙及霍尔元件的数量越多， 求算术 平均值后， 位置误差补偿越彻底， 穿芯式开环霍尔电流传感器的线性度、 精 度越好。 但实际应用中一般采用每环路中， 2n个气隙和霍尔元件， 以抵消磁 芯的剩磁对电流测量精度的影响， 同时兼顾测量精度和测量分辨下限， 采用 同一环路气隙中霍尔元件输出端求算术平均值 ， 不同环路中气隙中霍尔元件 输出电压求和处理方式， 使测量精度和分辨下限最佳化。

(4) 电流测量的跨度及下限

在图 1中， 我们把它看作高度为 2D、 气隙宽度为 g的磁芯均分为高度为 D、 气隙宽度为 g的两个尺寸相同磁芯， 两个磁芯同轴而气隙方向旋转 180° 安装;在图 2中， 把它看作高度为 2D的磁芯均分为高度为 D、对称双气隙宽度 为 g的两个尺寸相同磁芯， 两个磁芯同轴而气隙对称轴相差 90° 安装。 当无 限长的载流导体在穿芯孔任意位置， 其坐标为 （X. y ), 对于安装在下层的磁 芯， 根据毕奥.萨伐尔定律可以证明， 其气隙中的磁感应强度 Β=μ Ι/2πΓ仍 然成立， 因此我们把它放在同一坐标系中来处理。

在此， 我们把单磁芯双气隙中的霍尔元件的输出电压 求和与同轴双磁芯 单气隙时霍尔元件的输出电压求算术平均值进 行比较， 为了便于比较，假设两 个霍尔元件的灵敏度 s _H ， 工作电流 相同 （实际上对霍尔元件分档配对后可以 做到）， 有：

rll ^r 12 将（4)代入 ( 16 ) 式， 有:

HI (一 + —) (17)

4- g r 11 12 此时， 霍尔元件输出的噪声电压 Ve之和为： V, …… （18)

S _H I _C ;L . 1

V _H1 ¾ - -^^( ) (19)

- V； (20)

对比单磁芯四气隙中霍尔元件的输出电压求 和与同轴双磁芯每环路双气 隙时霍尔元件的输出电压求算术平均值， 有： ■ Ι 丄 丄)

H2 (21)

：2 ^r 23 ^r 24

(22)

isng r ₂₁ r ₂₂ r ₂₃ r ₂₄ 对比单磁芯 2n个气隙中霍尔元件的输出电压求和与同轴 n个磁芯， 每 环路双气隙时霍尔元件的输出电压求算术平均 值， 有：

∑l «^i£^ (丄 + J_ .. ₊ J_) (25)

(26)

T^ ^¾丄 + … +丄） (27)

V^ — Ve (28) , 2 ^ …… （29)

∑l, _e2n =2n、 " ^; (30) 从理论来看， 同轴多环路磁芯结构是可行的， 但在实际应用中， 不仅要 考虑实际安装是否方便， 是否能批量生产， 还需考虑制造成本，一般采用同轴 双环路磁芯结构。

对比单磁芯 4n个气隙和霍尔元件， 霍尔元件的输出电压求和与同轴双环 路每环路 2n个气隙和霍尔元件， 上下环路气隙中霍尔元件的输出电压先各自 求算术平均值后再求和， 有：

∑ V _H4n - (丄 + … +丄） (31)

(32)

^ (丄 +

(33)

H

(34)

〜 Ϊ ^C '

∑7 _e4r = 2nA 2n∑ ^T (36) 从（35 )， （36 ) 式可知， 对于最小额定电流为 25A的电流传感器， 在霍 尔元件输出噪声电压同为 ις的条件下， 此电流传感器的最小额定电流降低了

2ην' 倍， 取 时， 即为同轴双环路每环路双气隙结构， 此时电流传感器 的最小额定电流为 ^25ΑΤ / - =8. 84ΑΤ,实现 10AT的待测电流穿芯式高精度测

'' 2 2 量； 亦使这种电流传感器的测量跨度提高了 2. 828 倍。 利用同轴多环路磁芯 结构及霍尔元件输出求和与求算术平均值方式 相结合运用， 使 10A 的待测电 流实现穿芯式高精度测量（精度可达 0. 2 % FS )；同时亦使电流传感器测量跨 度从近 20倍提高到近 60倍。 本发明的有益效果

1、 本发明是提供一种同轴双环路磁芯结构组件。 由 2D 高度的环形磁芯 一分为二， 变成加工两个 D 高度的环形磁芯， 所用磁芯材料的重量和霍尔元 件数量不变， 不会大幅度增加额外成本； 环形磁芯在塑料固定架上下同轴安 装确保气隙的位置、 宽度和霍尔元件安装高度的一致性， 提高了穿芯式开环 型霍尔电流传感器的一致性、 可靠性。

2、 2n个气隙或对称分布或均分每个环形磁芯， 消除磁芯的剩磁对电流传 感器的测量精度的影响； 4n个气隙错位安装或对称分布或均分整个同轴� ��环 路， 减小了载流导体在穿芯孔中的位置误差。

3、 4n个霍尔元件的输出电压或经电路求算术平均� ��或每环路中 2n个霍 尔元件的输出电压经电路先求算术平均值再求 和， 从理论上消除了霍尔电流 传感器的原理性误差一位置误差； 从（35 )， （36 )式可知， 在霍尔元件和气 隙数量相同条件下与霍尔元件的输出电压求和 处理方式相比， 既确保电流传 感器的灵敏度的大小， 又使霍尔元件的失调电压及温漂、 输出噪声等均下降 2n ^倍， 使穿芯式开环型霍尔电流传感器的线性度、 精度、 温度稳定性等 有了大的提高， 亦使电流传感器测量下限降低了 2nV 倍； 对于最小额定电 流为 25A 的电流传感器， 在霍尔元件的输出噪声电压同为 的条件下， 此电 流传感器的最小额定电流降低了 2nv 倍， 取 n=l时， 即为同轴双环路每环 路双气隙结构， 此时电流传感器的最小额定电流为 ^25AT ^ =8. 84AT, 实现

' 2 2

10AT的待测电流穿芯式高精度测量； 亦使这种电流传感器的测量跨度提高了 2. 828倍。利用同轴多环路磁芯结构及霍尔元件输 出求和与求算术平均值方式 相结合运用， 使 10ΛΤ的待测电流实现穿芯式高精度测量。

4、 同轴双环路每磁芯双气隙结构使得此种电流传 感器所用软磁材料可选 择造价低的取向硅钢片或含镍 50%的铁镍合金片， 加工成双气隙磁芯， 使穿芯 式开环型霍尔电流传感器真正做到了价廉物美 。 5、 采用发明人申请的另一专利一穿芯式高精度开 环型霍尔电流传感器用 电子线路与同轴双环路磁芯结构组件组合， 使穿芯式开环型霍尔电流传感器 精度达到 0. 2 % FS , 其失调电压温漂达到 50 ppm/°C ~ 200 ppm/°C, 工作温区 达到 -40 ~ 85。C, 同时亦使电流传感器测量跨度从近 20倍提高到近 60倍。

由上可见， 本发明提供了一种同轴双环路结构的磁芯结构 组件。 由 2D高 度的环形磁芯一分为二， 变成加工两个 D 高度的环形磁芯， 环形磁芯在固定 架上下同轴安装确保气隙的位置、 宽度和霍尔元件安装高度的一致性， 提高 了穿芯式开环型霍尔电流传感器的一致性、 可靠性， 同时每个环形磁芯上设 置有 2n个气隙， 2n个气隙或对称分布或均分每个环形磁芯， 4n个气隙错位 安装或对称分布或均分整个同轴双环路， 消除磁芯的剩磁对电流传感器的测 量精度的影响， 也大大减小了载流导体在穿芯孔中的位置误差 ； 印制电路板 与固定架之间设置有相互连接的孔位， 大大的提高了产品的一致性以及生产 效率， 同时也提高了产品的可靠性。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了 详细介绍， 本文中应用了 具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式 进行了阐述， 以上实施例的说 明只适用于帮助理解本发明实施例的原理； 同时， 对于本领域的一般技术人 员， 依据本发明实施例， 在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之 处， 综上所述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。