同轴双环路磁芯线圈组件

技术领域 本发明涉及一种霍尔电流传感器用磁芯线圏组 件， 具体说是一种穿芯式高 精度闭环型霍尔电流传感器用同轴双环路磁芯 线圈组件。 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，闭环型霍尔电流传感器是一种新型的电 流传感器，具有频带宽、线性好、 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 。

闭环型霍尔电流传感器由霍尔元件、 软磁材料制成的带气隙的磁芯、 次 级线圈绕组、 适当的功率放大器电路组成。 其工作原理为： 用霍尔元件检测 磁芯气隙中次级电流安匝数 Ns l s 所产生的磁感应强度抵消初级电流安匝数 Nplp所产生的磁感应强度的程度， 达到动态平衡时， 在理想状态下， 有： Nplp-Ns l s=0 …… (1)

由于这种电流传感器其工作过程为大闭环负反 馈环路结构， 故称其为闭 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 r 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、 单气隙闭环型 确认本 电流传感器原理性误差。 除此之外， 这种磁路结构还存在以下问题：

1、 闭环型霍尔电流传感器一般采用铁镍合金带或 冷沖片铆沖叠层或卷绕 成环形磁芯， 环形磁芯的截面为方形， 再加上护套， 线圈路径长， 内阻大； 传感器线性测量范围小， 抗饱和能力差； 为减小线圈内阻， 加粗线径， 既增 大传感器的体积和重量， 不利于传感器小型化， 又消耗更多铜材， 使传感器 成本增加。

2、 这种结构没有从根本上解决磁芯的剩磁问题， 特别是许多控制系统在时 间上传感器供电电源落后于被监控电流， 即先有监控电流而后加传感器供电 电源。 在这种情况下磁芯的剩磁问题更为突出， 且随着时间推移磁芯的剩磁 在积累增加。 采用单磁路、 2n个气隙和霍尔元件， 对霍尔元件输出端采用求 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， 在相同电流匝数奈件下， 气隙中磁感应强度成倍减少， 传感器的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跨度和 通用性。 其测量范围为 1. 5-2倍额定电流， 精度最好为 1. 0%FS， - 3db带宽为 0-15 0KHZ。

3、 磁芯线圈组件的磁芯气隙中插入霍尔元件时， 无法保证安装高度一致 性， 影响了传感器性能一致性； 调试时， 人为地调节线圈匝数即耗时， 又费 事。

4、 磁芯线圈组件不易与 PCB板安装固定， 大大地降低了传感器批量生产 一致性， 影响了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闭环型霍尔电流传 感器用同轴双环路磁 芯线圈组件。 本发明的完整技术方案是， 一种穿芯式高精度闭环型霍尔电流传感器用 同轴双环路磁芯线圏组件， 包括两个尺寸相同的环形磁芯以及一个骨架， 所 述两个环形磁芯同轴安装在所述骨架的上下两 面， 所述每个环形磁芯上设置 有 n个气隙， 所述 n个气隙或对称分布或均分每个环形磁芯， 2n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；

所述骨架还包括两个骨架盖板， 所述骨架盖板分别设置在所述两个环形 磁芯的外侧； 所述骨架盖板拐角处为倒角；

还包括一个次级线圈绕组， 所述次级线圈绕组绕在所述骨架上； 所述骨架安装、 线圈绕组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。

在匝比 1 : 3000T, 额定电流为 300AT以下时， 单气隙的两个尺寸相同的 环形磁芯， 在骨架上上下安装而气隙均分同轴双环路， 所述环形磁芯用含镍 80%以上的铁镍合金制成。

所述环形磁芯上用不同宽度的冷冲片铆冲叠层 出带磁芯定位孔和气隙定 位柱。

所述骨架上在上下环路均有与磁芯气隙定位柱 、 定位孔相对应的定位槽、 定位柱及均分环路的组件固定孔。

在匝比 1 : 5000T, 额定电流为 500AT以上时， 所述环形磁芯用超微晶带 卷绕而成。

所述超微晶带的厚度为 0. 03-0. 05

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

所述 n等于 1或 2

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 且大于等于所述环形磁芯内 1/4半长轴。

所述骨架上在上下环路均有磁芯气隙定位隔板 及至少有三个以上均分环 路的组件固定柱。

所述印制板上设置有与所述组件固定针孔或固 定柱的尺寸相配的焊孔或 固定孔。

所述环形磁芯以及相对应的骨架为圆形或方形 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线圈 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， 环形磁芯在骨架上下同轴安 装确保气隙的位置、 宽度和霍尔元件安装高度的一致性， 提高了穿芯式闭环 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 n个气隙， n个气隙或对称分布或均分每个环形磁芯， 2n个气隙错位安装或对称分布或 均分整个同轴双环路， 2n个霍尔元件的输出电压求算术平均值或每个� ��路中 n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， 又消除了穿芯式闭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闭环型霍尔电流传感器的 电 流测量精度； 骨架上带倒角的盖板与骨架相配， 使组件在相同的磁芯尺寸、 线径、 匝数条件下， 绕线路径最短， 线圈内阻最小， 提高了闭环型霍尔电流 传感器的线性测量范围和抗饱和能力； 印制电路板与骨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。

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。

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闭环型霍尔电流传 感器用同轴双环路磁芯线 圏组件， 包括两个尺寸相同的环形磁芯以及一个骨架， 两个环形磁芯同轴安 装在骨架的上下两面， 每个环形磁芯上设置有 n个气隙， n个气隙或对称分 布或均分每个环形磁芯， 2n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 1所示， 两个环形磁芯同轴设置， 而气隙方向 旋转 180。 安装，每个气隙中均设置有一个霍尔元件，由 于其磁芯截面尺寸小， 用含镍 80%以上的铁镍合金以不同宽度的冷冲片铆沖叠 层成带磁芯定位孔和 气隙定位柱的环形磁芯， 为了减小气隙的漏磁的影响以及确保良好的电 磁感 应与耦合， 环形磁芯的厚度大于等于 2倍的气隙宽度且大于等于环形磁芯内 1 /4半长轴， 双环路中磁芯的间距大于等于 2倍的气隙宽度；2个霍尔元件的 输出电压求算术平均值； 骨架还包括两个骨架盖板， 骨架盖板分别设置在两 个环形磁芯的外侧， 骨架盖板拐角处为倒角， 还包括一个次级线圈绕组， 次 级线圈绕组绕在骨架上， 与骨架盖板相配合， 使次级线圈绕组在相同的磁芯 尺寸、 线径、 匝数条件下， 绕线路径最短， 线圈内阻最小； 骨架上在上下环 路均有与磁芯气隙定位柱、 磁芯定位孔相对应的定位槽、 定位柱及均分环路 的组件固定孔， 印制板上有与组件固定孔的尺寸相配的焊孔， 固定引针穿过 塑料骨架上的固定孔， 将磁芯线圈组件安装到线路板上， 线圈的两端头直 接焊接在线路板上； 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， 骨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 n=2， 两个磁芯同轴而气 隙方向旋转 90° 安装， 用 0. 03-0. 05麵超微晶带卷绕而成环形磁芯并用胶使 之成为一个整体；每个气隙中均设置有一个霍 尔元件， 霍尔元件的输出电压为 2n个霍尔元件求算术平均值或每个磁芯的霍尔� ��件先求算术平均值再求和， 如图 2 所示， 为了减小气隙的漏磁的影响以及确保良好的电 磁感应与耦合， 环形磁芯的厚度大于等于 2倍的气隙宽度且大于等于环形磁芯内 1 /4半长轴， 双环路中磁芯的间距大于等于 2倍的气隙宽度；骨架还包括两个骨架盖板， 骨 架盖板分别设置在两个环形磁芯的外侧， 骨架盖板拐角处为倒角， 还包括一 个次级线圈绕组， 次级线圈绕组绕在骨架上， 与骨架盖板相配合， 使次级线 圈绕组在相同的磁芯尺寸、 线径、 匝数条件下， 绕线路径最短， 线圈内阻最 小； 骨架上在上下环路均有磁芯气隙定位隔板及至 少有三个以上均分环路的 组件固定柱， 骨架连接在印制电路板上， 印制板上有与组件固定柱的尺寸相 配的焊孔或固定孔， 在线圈绕制完成后用自攻螺丝将组件固定在线 路板上； 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， 骨架的侧面上还 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结构的磁芯线圈组件� �当环路磁芯单气隙时，环形 磁芯由含镍 80%以上的铁镍合金带或冷冲片铆沖叠层或卷绕 而成；当用偶数个 气隙时，环形磁芯由含镍 50%的铁镍合金带或冷沖片铆冲叠层或卷绕而成 ， 为 提高传感器的带宽， 铁镍合金带的厚度为 0. 03-0. 3蘭。

( 2 )有效磁导率

如图 1，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： μ

^有 — 1 + (μ— 1 ) 一般地， μ » 1000 , L» g，则有：

如果在磁环上均分 η个相同宽度的气隙时，有： (3) 根据 （1 ) 式， 在理想状态下， 是指磁芯所用软磁材料的磁导率、 放大器 的开环放大倍数、 霍尔元件的灵敏度是否非常大， 而实际上以上参数均为有 限值， 特别是软磁材料的磁导率， 虽然（3)式有 10%- 20%的误差， 但仍能说明， 带气隙的磁芯无论其材料的磁导率有多高， 其有效磁导率低了很多， 且气隙 的宽度越大， 其有效磁导率越低。 因此， 对于闭环型霍尔电流传感器的环形 磁芯， 其气隙宽度或数量越小越好， 一般地 n=l、 2。

对于高度为 D、 n个气隙的环形磁芯在固定架上上下同轴安装� � 如图一、 图二， 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。 为确保良好的电磁感应与耦合， 必须使每环路磁芯的高度 1/4 b; 在 a=b=R (圓环形） 时， D^ l/4 R。

( 3 )求算术平均值消除原理性误差 -—位置误差.

在图一，图二中，因被测电流载流导体在穿芯 孔中位置不同而引起气隙中 磁感应强度 B的大小不同，产生了不同的霍尔电压， 有：

VH=SIIICB …… （4)

式中 SH、 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

将此电压经电路求算术平均值后，有：

在图一中.

式中 Sii ' Β _{ί 2} 分别为被测电流在两气隙中的磁感应强度， S _{H1 1} ，

S _H i 2 - ι， 分别为两气隙中霍尔元件的灵敏度和工作电流 。

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.而平板电容器的电容 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 a， 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并 联等效，有 C ₁₂ 二 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 q _u , q ₁₂ 不同，有： + ^y _c 】）

=0· 5(ν _Η11 十 v _Hl2 )

=0.5 (S _{iil l} l _cu B ₁₁ +S _H12 I _cl2 B ₁₂ ) …… （6)

由（5) , (6)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。

在图二中，同理有：

1 二 ⁼ 0. 5 (Sy _2I l _C2 ι ₂ i ⁺ S _H2 2

…-. (7) 从（5) , (6)， （7)可知， 多个霍尔电压经电路求算术平均值的处理方法 ， 在理论上消除了穿芯式闭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， 穿芯式闭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， 偶数个气隙和霍尔元件， 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

在图一中， 我们把它看作高度为 2D的一个磁芯均分为高度为 D、 单气隙 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 图二中， 把它看作高度为 2D每边一个气隙的一个磁芯均分为高度为 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方向旋转 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 下层的磁路，根据毕奥.萨伐尔定律可以证明� �其气隙中的磁感应强度8= 4 1 /2 π r仍然成立， 因此我们把它放在同一坐标系中来处理。

对单磁芯双气隙时的霍尔元件的输出电压求和 与同轴双磁芯单气隙时的 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，假设霍尔元件灵 敏度 5 _Η ，工作电流 相同 （实际上对霍尔元件分档配对后可以做到） ，有： 将（3)代入（8 ) 式 此时， 霍尔元件的输出电压中噪声电压为 Ve， 求算术平均值后为: =2 V _e (10)

S _H I _C N1 L

HI (― + (11)

4 g — )

11 ^r 12 Ϊ=]^ …… (12) 对比单磁芯四气隙时的霍尔元件的输出电压求 和与同轴汉磁芯每环路双 气隙时的霍尔元件输出求算术平均值后再求和 ， 有： ∑¾ -^^(- ^→- + -) ...... (13)

^S "S r ₂₁ r ₂₂ r ₂₃ r ₂₄

Σ ^ ^^^ (丄 + 丄 +丄） ...... (15)

^8ττ § ^Γ 21 ^Γ 22 ^r 23 ^r 2

∑V _H2 « ∑"¾ (17) 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可行， 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。

从（17), (18) 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大小相同， 又使 霍尔元件的失调电压及温漂、 输出噪声等均下降 2 _V 倍， 使穿芯式闭环型霍 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 2 _V '倍； 对于最小额定电流为 25A的闭环型霍尔电流传感 器， 在霍尔元件的输出噪声电压同为 的奈件下， 此电流传感器的最小额定 电流降低了 2 倍， 此时闭环型电流传感器的最小额定电流为 ^25AT /

=8.84AT, 实现 10ΛΤ 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 2v 倍。

本发明的有益效果

1、 本发明是提供一种同轴双环路结构的磁芯线圏 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； 环形磁芯在骨架上下同轴安装 确保气隙的位置、 宽度和霍尔元件安装高度的一致性， 提高了穿芯式闭环型 霍尔电流传感器的一致性、 可靠性。 用含镍 80%的铁镍合金以不同宽度的冷沖 片铆冲叠层成带磁芯定位孔和气隙定位柱的环 形磁芯， 骨架上带倒角的盖板 与之相配， 使组件在相同的磁芯尺寸、 线径、 匝数条件下， 绕线路径最短， 线圈内阻最小， 提高了闭环形霍尔电流传感器的线性测量范围 和抗饱和能力。

2、 2 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； 4 个气隙错位安装或对称分布或均分整个同轴双 环 路， 减小了载流导体在穿芯孔中的位置误差。

3、 4 个霍尔元件的输出电压或经电路求算术平均值 或每环路中， 2 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（17 )， （18 ) 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 感器的灵敏度大小相同， 又使霍尔元件的失调电压及温漂、 输出噪声等均下 降 2v 倍， 使穿芯式闭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 2v' 倍； 对于最小额定电流 为 25A 的闭环型霍尔电流传感器， 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 2 _V 倍， 此时闭环型电流传感器的 最小额定电流为 ^25AT /' =8. 84AT， 实现 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 10AT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 0. 03-0. 05mm超微晶带卷绕而成环形磁芯并用胶使之成� �一个整 体， 加工成双气隙磁芯， 使穿芯式闭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——种高精度闭环 型霍尔电流传感器用电 子线路与同轴双环路磁芯线圈组件组合， 使穿芯式闭环型霍尔电流传感器精 度达到 0. 1 % FS， 其失调电压温漂达到 30 ppm/°C ~ 100 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， -3db 带宽为 0-300KHz _o

由上可见， 本发明提供了一种同轴双环路结构的磁芯线圈 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， 环形磁芯在骨架 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 穿芯式闭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 n个气隙， n个气隙或对称分布或均分每个环形磁芯， 2n个气隙错位安装 或对称分布或均分整个同轴双环路， 2n个霍尔元件的输出电压求算术平均值 或每个环路中 n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， 又消除了穿芯式闭环型 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闭环型霍尔 电流传感器的电流测量精度； 骨架上带倒角的盖板与骨架相配， 使组件在相 同的磁芯尺寸、 线径、 匝数条件下， 绕线路径最短， 线圈内阻最小， 提高了 闭环形霍尔电流传感器的线性测量范围和抗饱 和能力； 印制电路板与骨架之 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 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。