用于传感器的磁芯的制作方法

本申请是国家申请号为201280075677.0的发明专利申请的分案申请，该发明专利申请的申请日为2012年9月10日，国际申请号为pct/us2009/065625，发明名称为“用于传感器的磁芯”。

本文描述的各种实施例一般地可涉及磁芯，并且更特别地涉及与针对电流的传感器一起使用的改进低成本磁芯设计。

背景技术：

例如，随着智能电网及其他应用的发展，对于电流传感器的需求越来越多。电流传感器检测导线中的电流并生成与输入电流成比例的信号。该信号能够用来在安培计中显示被测电流，或者可以存储在数据获取系统中以便进一步分析或用于控制目的。

某些电流传感器采用磁芯的使用来会聚由被测电流产生的磁通，从而获得更准确的测量结果。某些磁芯可包括具有一定磁导率的材料，其允许磁通被会聚并在芯材料中被引导至电流传感器。

技术实现要素：

设备和关联方法涉及由三个c形段形成的磁芯，所述三个c形段限定用于接纳载流导体的第一窗口以及用于使来自载流导体的磁通朝着磁通响应传感器会聚的第二窗口。在说明性示例中，磁芯可包括第一c形芯段、第二c形芯段以及第三c形芯段。例如，第一和第二芯段可限定第一窗口，并且第二和第三芯段可限定第二窗口。响应于磁通，磁通响应传感器可生成指示例如初级电流的输出信号。在说明性实施例中，低成本、低磁导率的三部分芯可用于使用例如磁阻传感器或基于磁通门的传感器来准确地感测电流。

各种实施例可提供一个或多个优点。例如，某些实施例可提供成本效益且易于制造的磁芯。在说明性示例中，每个芯段可由采用两个直角弯曲的一致的或单件金属条形成。例如，每个芯段可包括底部和经由九十度弯曲而在底部的相对末端处形成的一对支腿。该芯段可沿着相邻芯段的内表面和外表面放置而形成具有例如第一窗口和第二窗口的矩形结构。各种实施例可容易地适合于例如在高速生产线中的机器组装。

在某些实施方式中，在第二窗口内使用和放置的高灵敏度磁通响应传感器可使得能够实现包括磁芯的简化结构和最小芯段。例如，高灵敏度磁通响应传感器可能能够检测会聚在第二窗口内的少量的磁通。在某些示例中，高灵敏度磁通响应传感器可使较低导磁材料能够用于形成芯段，因此提供更加有成本效益的磁芯。

某些实施例还可将印刷电路板保持在第二窗口内以用于连接磁通响应传感器。在某些示例中，该印刷电路板可包括用于配置来自磁通响应传感器的输出信号的处理电路。在某些示例中，多个磁通响应传感器可存在于印刷电路板上。取决于例如所使用的传感器的类型，磁通响应传感器还可相对于磁通线而处于各种取向。

在以下附图和描述中阐述了各种实施例的细节。根据描述和附图以及根据权利要求，其他特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1图示出用于电流传感器组件的示例性现场安装的概图。

图2图示出示例性传感器组件的流程图。

图3图示出示例性传感器组件的上透视图。

图4图示出示例性传感器组件的分解上透视图。

图5图示出示例性传感器组件的另一上透视图。

图6图示出用于针对电流的传感器的示例性磁芯的截面图。

各种附图中的相同的附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

为了帮助理解，如下组织本文。首先，参考图1，图示出电流传感器组件的示例性现场安装的概图。其次，参考图2，图示出磁芯和磁通响应传感器的示例性流程图。最后，参考图3至6，图示出磁芯和磁通响应传感器的示例性结构图。

图1图示出用于传感器组件的示例性现场安装的概图。该示例性现场安装被示为配电网络100。配电网络100包括布置成提供大容量功率的发电站105。发电站105处的电压在输电变电站110处逐步增加至较高传输电平电压，以用于经由传输线路115更高效地传递电力。

在下行线路配电站120处，减小电压以用于通过本地配电线路125进行分配。如所描述的，进一步减小电压以经由次级线路130向住宅客户135供应电力。

通过具有带磁芯的传感器组件145的仪表140来监视客户135所使用的电量。磁芯提供磁通路径。传感器组件145检测与通过仪表140递送的电流相关联的磁通。传感器组件145包括用于检测磁通以响应于电流流动而生成输出信号的传感模块。通向传感器组件145的参考箭头表示流过磁芯中的开口的输入初级电流（ip）。传感器组件145的输出端处的参考箭头i*是表示初级电流ip的时变波形的测量信号。

在某些示例中，可实时地将信号i*传递到控制中心或中央数据库。在某些实施例中，可在内部保持信号i*以用于稍后取回或评估。可将传感器组件145连接到闭环或开环信号处理架构，将参考图2来更详细地描述其示例。

图2图示出示例性传感器组件的流程图。传感器组件200布置成接收被磁耦合到磁芯210的输入初级电流205。在所描述示例中，磁芯210还布置有次级绕组，其被耦合以从外电路220（例如，放大、信号调节和/或信号处理）接收次级电流信号215。在某些示例中，次级电流215的振幅可远小于初级电流205的振幅。

随着初级电流205通过磁芯210，可促使磁通225沿着由磁芯210形成的路径流动且被包括磁通响应传感器230的传感模块检测。磁芯210中的磁通225的量可指示初级电流205或次级电流215的量值。磁通响应传感器230具有针对电源235、接地240以及信号245连接的引线。

在闭环类型传感器系统中，可将来自外电路220的信号245连接到磁芯210上的次级和/或第三绕组，以提供准确和灵敏的次级电流215。在某些示例中，可将外电路220布置成驱动补偿电流，其基本上抵消初级电流205在芯210中产生的磁通225。结果，外电路220可操作成基本上将芯中的总通量保持在基本上接近于零或处于零。在说明性实施例中，例如，外电路220包括具有被耦合到传感器230的差分输出信号的正和负输入端子以及被耦合到次级绕组的输出端子的放大器。在某些示例中，可由运算放大器电路来驱动输出信号215。外电路220可提供输出信号250，其例如可被作为输出电流信号250而中继到数据库或控制中心。在说明性示例中，可由电流信号215来生成输出信号250信号215，电流信号215流过磁芯215上的次级绕组且然后通过电阻元件，在那里，它产生初级电流信号205的准确、成比例、线性表示的电压信号。

在某些实施方式中，可省略信号245到磁芯210的返回路径，信号245被直接作为开环类型而输出。

某些实施例可提供对开环信号245和/或闭环输出信号250中的任一者或两者的访问。各种实施例可提供附加后处理、信号调节、放大、模拟或数字复用、滤波，并且可由模数转换器来采样以生成信号245、250中的任一者或两者的数字表示。在某些示例中，磁通响应传感器230可以是高灵敏度的。高灵敏度的磁通响应传感器230可有利地促进减少芯材料（例如，截面面积）的使用和/或使得能够使用降低磁导率芯材料。这样的减少可产生例如重量、尺寸以及成本的节省。根据本文所述的各种实施例，这样的实施例可有利地使得能够实现采用简化结构的新型芯设计。就形成电流传感器组件的实施例的磁芯210的构造而论，简化芯设计可产生节省组件的综合效益。

在一个示例中，高灵敏度磁通响应传感器230可包括隧道磁阻（tmr）传感器。在另一示例中，高灵敏度磁通响应传感器230可包括各向异性磁阻（amr）传感器。在另一示例中，高灵敏度磁通响应传感器230可包括基于磁通门的传感器。在另外其他示例中，磁通响应传感器230可包括不作为高灵敏度类型的传感器，诸如霍尔磁传感器。对于tmr、amr、磁通门磁传感器而言，磁通响应传感器230的灵敏方向可在磁通响应部件与经由芯210而被引导至传感器的磁通近似平行的情况下定向。对于霍尔磁传感器而言，磁通响应传感器230的灵敏方向可基本上垂直于芯210的磁通矢量而定向。

高灵敏度磁通响应传感器230的使用还可允许磁芯由具有降低磁导率的一个或多个材料形成。例如，高灵敏度磁通响应传感器230可能能够准确地检测少得多的量的磁通225，因此针对朝着磁通响应传感器230会聚和加强磁通225的磁芯提出更少的要求。由于材料磁导率选择方面的更大自由度，可使用更多种类的材料来构造芯，因此允许使用更加有成本效益的材料。以示例而非限制的方式，用来构造磁芯210的材料可包括例如坡莫合金。在某些示例中，用来构造磁芯210的材料可包括例如软磁材料。

图3图示出示例性传感器组件的上透视图。传感器组件300包括磁芯305，磁芯305适合于会聚并提供用于由要被测量的电流产生的磁通的路径。磁芯305不具有过多的层以便于构造以及降低成本。例如，磁芯305的层可包括具有基本上大于一的相对磁导率的一个或两个材料层。

磁芯305限定用于提供磁通路径的第一窗口310和第二窗口315。在所描述的示例中，第一窗口310具有比图3中的第二窗口315大得多的尺寸和面积，使得在第一窗口310中产生的磁通线可被会聚在较小尺寸的第二窗口315。在某些示例中，第一窗口310和第二窗口315可具有近似相等的面积。在其他示例中，第二窗口315可具有比第一窗口310更大的面积。例如，当在第二窗口315中采用多个电路时，第二窗口315的尺寸可以更大以容纳多个电路。在某些示例中，电路可以是高灵敏度的，以允许准确地测量具有较大尺寸的第二窗口315的磁通。

传感器组件300包括通过磁芯305的第一窗口310的初级电流导体320。例如，初级电流导体320可包括多相布置或单相布置。例如，初级电流导体320可以通过第一窗口310环回一次或多次。传感器组件300还包括一对缠线管325，其沿着第一窗口310包围磁芯305的上和下支腿。缠线管325收纳缠绕在缠线管325周围的次级电流导体330。围绕缠线管325的次级电流导体330的匝数可变化，并且相对于通过初级电流导体320的初级电流而与通过次级电流导体330的输出次级电流的量值成比例。

传感器组件300包括设置在磁芯305的第二窗口315内的印刷电路板335。印刷电路板335包括磁通响应传感器，所述磁通响应传感器用于由初级和次级电流导体330来感测在第一窗口310内产生的磁通。印刷电路板335还包括各种信号处理电路。例如，处理电路可对被测信号进行滤波或调节（例如，放大）或以另外方式进行处理。在某些实施方式中，处理电路可对模拟输出信号进行数字采样并保持，或者甚至，例如以表示指示初级或次级电流振幅和/或相位信息的数值的信号的形式，将模拟输出信号转换成数字表示。

在所描述示例中，印刷电路板335具有用于从外部源（未示出）向其提供工作电压的电源引线340。印刷电路板335还具有接地引线345以耦合到外部源。印刷电路板335还具有信号输出引线350，信号输出引线350可连接到传感模块以便检测所述第二窗口315内的磁通以响应于通过所述第一窗口310的电流流动而生成输出信号。在某些示例中，信号输出引线350被引向本地或远程的数据存储设备。在其他示例中，信号输出引线350被引向实时控制中心。可在某些示例中通过有线连接或在其他示例中通过无线连接来传递来自信号输出引线350的信号350。在某些示例中，印刷电路板335可包括用于直接从印刷电路板335无线传送信号的必要的无线传送硬件。在某些实施例中，光输出信号源可进行调制（例如，振幅至强度、振幅至频率）以输出表示初级电流320的已编码信号。

磁芯305被容纳在外壳355上或内部。该外壳可例如形成（例如，被封装或注塑成型）为各种形状和尺寸的形式，以包含或保护例如芯305、缠线管325、绕组320、330和/或电路板335的至少一部分。

图4图示出示例性传感器组件的分解上透视图。传感器组件400包括如先前参考图3所讨论的磁芯以提供磁通路径。初级和次级电流导体以及外壳和引线已被从图4的传感器组件400省略，从而集中于磁芯的结构。

传感器组件400的磁芯包括具有细长底部410和从细长底部410的相对末端延伸的相对支腿415从而形成c形结构的第一芯段405、具有细长底部425和从细长底部425的相对末端延伸的相对支腿430从而形成c形结构的第二芯段420、以及具有细长底部440和从细长底部440的相对末端延伸的相对支腿445从而形成c形结构的第三芯段435。

第一芯段405、第二芯段420以及第三芯段435每个采用矩形形状截面。同样如图4中所示，各自芯段405、420、435中的每一个的相对支腿415、430、445相互平行，并且第一、第二和第三芯段405、420、435的底部410、425、440相互平行。另外，第一、第二和第三芯段405、420、435的底部410、425、440垂直于各自支腿415、430、445。在其他示例中，芯段405、420和435中的一个或多个的支腿415、430、445或底部410、425、440可以是弧形的，或者采取其他形状的形式。第一窗口450和第二窗口455由第一芯段405、第二芯段420以及第三芯段435的互连形成并形成磁通路径。

如图4中所示，第一芯段405、第二芯段420以及第三芯段435每个包括单件结构。每个芯段405、420、435还采用两个弯曲以便形成各自底部410、425、440的相对支腿415、430、445。用于形成各自芯段405、420、435的单件且最小成形允许芯段405、420、435的简单且有成本效益的结构。由于结合磁芯所使用的高灵敏度磁通响应传感器，经由单件第一芯段405、第二芯段420以及第三芯段435进行的磁芯的最低限结构是可能的。

还示出了如前所述的用于收纳次级电流导体的一对缠线管460。缠线管460具有尺寸被确定为用于收纳第一芯段405、第二芯段420以及第三芯段435的支腿415、430、445的内腔。每个缠线管460具有第一端板465，其沿着外表面而具有尺寸被确定为用于收纳第一芯段405的底部410的凹口470。缠线管460还在相对的末端处且也沿着外表面具有尺寸被确定为用于收纳第二芯段420的底部425的凹口480的第二端板475。在第一端板465和第二端板475之间的延伸是中央部分485，其中次级电流导体被缠绕在其周围。在各种示例中，中央部分485可沿外侧采用圆形、正方形或矩形截面形状。在某些示例中，中央部分485可沿外侧采用圆角，以当紧密缠绕在中央部分485周围时对次级电流导体所造成的损坏最小。

印刷电路板490被保持在由第二芯段420和第三芯段435限定的第二窗口455内。印刷电路板490具有用于收纳第三芯段435的支腿445的狭槽。在结构中，可将印刷电路板490的内侧以齐平的方式置于紧靠第二端板475的外侧，以形成紧凑式磁芯结构。例如，还可将印刷电路板490粘合到第二芯段420的底部425或第二端板475，以固定保持印刷电路板490。如前所述，印刷电路板490包括传感模块，所述传感模块包括用于检测所述第二窗口455内的磁通以响应于通过所述第一窗口450的电流流动而生成输出信号的磁通响应传感器495。

图5图示出示例性传感器组件的另一上透视图。传感器组件500包括具有第一芯段510、第二芯段515以及第三芯段520以限定第一窗口525和第二窗口530的磁芯505（如先前参考图4所讨论的）。芯段510、515、520限定第一窗口525和第二窗口530，并且提供磁通路径。

如前所述，第一窗口525由第一芯段510和第二芯段515限定。在结构中，第二芯段515的相对支腿沿着第一芯段510的相对支腿的内表面被收纳并邻接第一芯段510的细长底部的内表面以形成第一窗口525。如前所述，第二窗口530由第二芯段515和第三芯段520限定。在结构中，第三芯段520的相对支腿沿着第二芯段515的相对支腿的外表面被收纳并邻接第一芯段510的相对支腿的外端以形成由第二芯段515和第三芯段520限定的第二窗口530。

在图5中还示出了被夹在第二芯段515的底部与第三芯段520的底部之间的传感器元件535（在印刷电路板被去除的情况下示出）的示例。在一个示例中，传感器元件535经由例如诸如胶之类的粘合剂被固定在底部之间的第二窗口530内。传感器元件535包括多个高灵敏度传感模块，所述多个高灵敏度传感模块包括用于检测所述第二窗口530内的磁通以响应于通过所述第一窗口525的电流流动而生成输出信号的磁通响应传感器540。

图6图示出用于磁通响应传感器的示例性磁芯的截面图。示例性磁芯600提供磁通路径且具有第一窗口605和第二窗口610。第一窗口605和第二窗口610具有不同尺寸，第一窗口605远大于第二窗口610，从而分配用于第一窗口605中的初级和次级导体的绕组的空间并使磁通会聚在第二窗口610内以便由磁通响应传感器（在图6中未示出）读取。说明性实施例还可包括传感模块，所述传感模块用于检测所述第二窗口610内的磁通，以响应于通过所述第一窗口605的电流流动而生成输出信号。

在图6中还给出了示例性尺寸。以示例而非限制的方式，磁芯的高度h为约14毫米。磁芯的长度l为约20毫米。磁芯的厚度t为约0.4毫米。磁芯的宽度为约3毫米。在磁芯的示例性布置中，供应30安培的初级电流通过第一窗口环回，并且同样在第一窗口内绕着磁芯的支腿缠绕1000匝的次级反馈线圈可在第二窗口内提供近似等于106高斯的磁场。以示例而非限制的方式，先前示例中的磁芯的相对磁导率可约为例如2500µυ。

虽然已参考附图描述了各种实施例，但也可以存在其他实施例。例如，磁芯可包括单件结构或者可包括多件结构。例如，在多件结构中，磁芯可包括连接在一起而提供最佳磁通路径布置的第一、第二和第三芯段。在单件结构中，可例如以实心单件形式来浇注磁芯。

在各种示例中，磁芯采用矩形形状截面。在某些示例中，磁芯可采用圆形形状截面。在另外其他示例中，磁芯可采用具有相等长度、宽度和高度的正方形形状截面。在某些示例中，每个芯段可以是对称的。在其他示例中，芯段可以是不对称的。例如，芯段的各支腿可以是不同长度的。

在某些示例中，第一芯段的支腿的长度可类似于第二和第三芯段的支腿的长度。在其他示例中，第二芯段的支腿的长度可长于第一和第三芯段的支腿的长度。在某些示例中，可将芯段组装而形成矩形形状磁芯。在其他示例中，可将芯段组装而形成圆筒形状磁芯或正方形状磁芯。

在各种示例中，可手动组装磁芯和所附磁通响应传感器。磁芯采用最小数目的弯曲并包括单式结构，因此提供例如简单的制造和组装过程。在某些示例中，可由机器组装磁芯和所附磁通响应传感器。例如，在制造期间，可经由铸模来形成磁芯。

在某些示例中，芯段可形成平滑的线性结构。其他示例可受益于芯段的锯齿状或非平滑的外部或接口面。在某些示例中，互锁件可从一个或多个芯段延伸以便连接相邻芯段，从而抑制芯段之间的相对移动。例如，在相邻芯段之间可采用小孔和锁定销布置。

在某些示例中，第一芯段、第二芯段和/或第三芯段可相对于彼此进行调整以调整各自限定窗口的尺寸。例如，第一芯段和第二芯段可相对于彼此滑开，以增加第一窗口的宽度，如果在次级电流导体中需要用于增加匝数的更多空间的话。在某些示例中，第二芯段和第三芯段可相对于彼此一起滑动而减小第二窗口的宽度，因此提供更有限的空间以会聚磁通，这可提供更准确的测量结果。

例如，可手动实现芯段相对于彼此的调整，其中，可手动将第一芯段从第二芯段拉开以增加间隔。在某些示例中，可采用电动机或致动器来使芯段相对于彼此的调整自动化。例如，如果认为会聚在第二窗口内的磁场太弱，则致动器可调整第二窗口的宽度。在其他示例中，磁芯可取决于环境温度而在尺寸方面进行调整。

印刷电路板的形状、尺寸和/或位置可同样地进行调整以适应例如已调整的第二窗口。在某些示例中，可以浮置方式将磁通响应传感器和印刷电路板保持在第二窗口内，例如，诸如通过被外部对象支撑且未被直接地连接到磁芯。在某些示例中，印刷电路板的传感器可感测并监视电流。例如，传感器可另外或备选地感测并监视磁通。

在某些示例中，可使用多个不同类型的高灵敏度磁通响应传感器来检测由通过第一窗口的初级电流导体产生的磁场。例如，可在单个印刷电路板上采用amr、tmr以及基于磁通门的传感器。当连同磁芯一起来确定第一或第二窗口的尺寸时，多个不同类型的磁通响应传感器的使用在实验布置中可能是有用的。在某些示例中，一个或多个磁通响应传感器可采用运算放大器的使用。

在某些实施方式中，闭环电流传感器可包括安装在磁芯的空隙中的磁通响应传感器、缠绕在芯周围的次级线圈和电流放大器。通过电流传感器的小孔放置的载流导体产生与电流成比例的磁场。该场由芯会聚且由磁通响应传感器感测。磁通响应传感器被连接到电流放大器的输入端，所述电流放大器驱动次级线圈。通过次级线圈的电流产生与由通过小孔的电流提供的场相反的场。因此，芯中的磁通不断地被驱动为零。次级线圈连接电流传感器的输出端。因此，该输出是与小孔电流乘以线圈上的匝数成比例的电流。具有1000匝线圈的传感器提供每安培1ma的输出。该电流输出通过将电阻器连接到传感器的输出端并接地而被转换成电压。通过选择电阻器值而对该输出进行缩放。闭环传感器测量dc和ac电流并提供电隔离。它们提供快速响应、高度线性和低温度漂移。闭环传感器的电流输出对电噪声相对免疫。当高准确度是必须时，它们是优选的传感器。

在某些实施方式中，开环电流传感器可包括安装在磁芯的空隙中的磁通响应传感器。通过电流传感器的小孔放置的载流导体产生与电流成比例的磁场。该场由芯会聚且由磁通响应传感器测量。开环电流传感器测量dc和ac电流并提供被测量的电路与传感器的输出之间的电隔离。

已描述了许多实施方式。尽管如此，将理解的是可进行各种修改。例如，如果在不同的序列中执行公开技术的步骤，或者如果以不同方式组合公开系统的部件，或者如果用其他部件来补充部件，则可实现有利结果。因此，其他实施方式在以下权利要求的范围内。