一種穿芯式霍爾電流傳感器用磁芯氣隙固定結構組件的製作方法

2023-06-01 07:28:37 1

本發明涉及霍爾電流傳感器磁芯固定結構組件領域，尤其涉及一種穿芯式霍爾電流傳感器用磁芯氣隙固定結構組件。
背景技術：
：隨著電力電子技術的發展，各種變流技術、交流數控裝置等日新月異，在這些以電流作為測量和監控對象的自控領域中，特別是在電動汽車、軌道交通等領域中，不但要求電流傳感器一致性好、可靠性高，還必須在更寬溫區範圍內高精度測量；而在全球經濟復甦乏力、市場競爭日趨激烈的情況下，對電流傳感器提出更高性價比的要求，為適應、滿足市場的需求，國內外各廠商竭盡所能，開發出工作溫區更寬、性能更高、價格更低的高性價比的電流傳感器。霍爾電流傳感器因其優異的性價比被廣泛應用而形成產業化；霍爾電流傳感器通常有開環、閉環兩種工作模式，霍爾電流傳感器是一種新型的電流傳感器，具有靈敏度高、功耗低、電隔離、性價比高、使用方便等特點，被廣泛用於各種變流技術、交流數控裝置等以電流作測量和監控對象的自控領域中。開環型霍爾電流傳感器由霍爾元件、軟磁材料製成帶氣隙的磁芯及適當的放大器電路組成；閉環型霍爾電流傳感器由軟磁材料製成帶氣隙的磁芯、霍爾元件、次級線圈及適當的功率放大電路組成。這兩種工作原理的霍爾電流傳感器都必須採用由軟磁材料製成的帶氣隙的磁芯，其磁芯的加工工藝、材料分別為：開環型：材料一般採用取向矽鋼片，加工工藝有疊片鉚衝成帶1個或偶數個對稱氣隙的磁芯或者卷繞成磁芯後再加工一個或偶數個對稱分布的氣隙；閉環型：材料一般採用坡塻合金，加工工藝有疊片鉚衝成帶氣隙的磁芯或卷繞成磁芯後再加工氣隙。這兩類軟磁材料製成帶氣隙的磁芯，其外形一般為圓環形和方形。這種磁路結構存在以下問題：如圖1和2所示，單磁芯、單氣隙結構的霍爾電流傳感器由於磁芯的剩磁比較大，霍爾電流傳感器零點變化大，嚴重影響霍爾電流傳感器的測量精度。為了減少剩磁影響，採用低剩磁的鐵鎳合金材料製成磁芯，將大大的增加了霍爾電流傳感器的製造成本。如圖3和4所示，單磁芯、多個氣隙的結構霍爾電流傳感器，磁芯安裝固定十分不易，需要先將磁芯逐段定位在塑料外殼中，逐一用與氣隙寬度一致的塑料塊放置在氣隙中並用灌封膠來固定，但灌封膠固化需要時間，無法確保氣隙寬度一致性，將影響傳感器批量生產時的生產效率和參數的一致性。單磁芯、單個或多個氣隙結構的霍爾電流傳感器，其磁芯外形一般為圓環形和方形，在多個氣隙時，逐一用與氣隙寬度一致的塑料塊放置在氣隙中來保證氣隙寬度一致性、穩定性，但是在寬溫度範圍條件下，由於機械加工時無法做到磁芯每處形變、應力等都一致，隨著溫度變化，塑料塊和軟磁材料的熱膨脹係數不可能一致，導致氣隙寬度的熱膨脹係數不是恆定的常數，從而使得霍爾電流傳感器的輸出幅度隨著溫度非線性變化，無法進行線性補償，從而導致霍爾電流傳感器的溫度穩定性差，嚴重影響霍爾電流傳感器的測量精度。單磁芯單個或多個氣隙結構霍爾電流傳感器，其磁芯由於磁路不閉合，隨著磁芯氣隙寬度或個數的增加，磁芯的有效磁導率迅速下降，霍爾電流傳感器在測量交流電流時，初、次級不能緊耦合，初級載流導體在霍爾電流傳感器的穿芯孔中不同位置時，傳感器的輸出幅度、波形等發生很大的變化，嚴重影響霍爾電流傳感器的工作帶寬和測量精度。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是提供一種穿芯式霍爾電流傳感器用磁芯氣隙固定結構組件，使得霍爾電流傳感器的工作溫度範圍更寬、測量範圍大、測量更加精確，同時降低了批量生產霍爾電流傳感器的成本。為解決上述技術問題，本發明的一種穿芯式霍爾電流傳感器用磁芯氣隙固定結構組件，包括單磁芯氣隙固定結構組件和雙磁芯氣隙固定結構組件，單磁芯氣隙固定結構組件包括一個單磁芯及當需要固定單磁芯的固定架或骨架，單磁芯包括一個或偶數個氣隙；單磁芯包括疊片鉚衝帶氣隙的單磁芯和卷繞帶氣隙的單磁芯；疊片鉚衝帶氣隙的單磁芯上需要時設置有固定孔或定位槽，非導磁金屬片鉚衝或焊在磁芯上頂層或最外上下層，固定時，通過固定針穿過固定孔焊在印製電路板上；當卷繞帶氣隙的單磁芯的高度為霍爾元件安裝高度的2倍以上，非導磁金屬片焊接在磁芯氣隙的外側面；當卷繞帶氣隙的單磁芯的高度為霍爾元件安裝高度的1.5倍以內，非導磁金屬片焊接在磁芯氣隙的頂部；當單磁芯包括偶數個對稱分布的氣隙時，每個氣隙中設置有1個霍爾元件，偶數個霍爾元件的輸入、輸出端分別並聯；當單磁芯氣隙固定結構組件需要固定架或骨架時，所述的固定架或骨架上設置有固定孔和霍爾元件插槽，固定引針穿過單磁芯的固定孔，固定架或骨架的固定孔與印製電路板上的焊孔連接；雙磁芯氣隙固定結構組件包括兩個同尺寸的所述單磁芯及一個固定兩個單磁芯的固定架或骨架，兩個單磁芯的氣隙錯位安裝或對稱分布或均分整個磁路，兩個單磁芯安裝在雙磁芯氣隙固定結構組件固定架或骨架的上下兩面，雙磁芯氣隙固定結構組件的固定架或骨架的側面設置有插槽，插槽與安裝在雙磁芯氣隙固定結構組件上單磁芯的氣隙相通，插槽中插有轉換板，單磁芯的每個氣隙中均設置有一個霍爾元件，霍爾元件直接或通過轉換板與印製電路板連接。作為本發明的優化方案，非導磁金屬片為不鏽鋼片。作為本發明的優化方案，單磁芯的形狀均為圓形或方形或異形。作為本發明的優化方案，單磁芯氣隙固定結構組件和雙磁芯氣隙固定結構組件的固定架或骨架形狀均為圓形或方形或異形。本發明具有積極的效果：1)本發明通過將非導磁金屬片鉚衝或焊在帶氣隙的單磁芯的上頂層或最外上下層，需要固定針時固定針穿過固定孔焊在印製電路板上，卷繞帶氣隙的單磁芯將非導磁金屬片焊在磁芯氣隙處的側面或頂部，這樣帶一個或偶數個氣隙的單磁芯通過不鏽鋼片固定成一個整體，同時，由於不鏽鋼片與單磁芯材料組成成分基本接近、膨脹係數基本接近，因此，單磁芯的氣隙寬度及熱膨脹係數一致性將得到保障，在電路中對霍爾元件的靈敏度進行了線性溫度補償，大大的提高了霍爾電流傳感器的溫度穩定性；2)當帶氣隙的單磁芯有偶數個對稱分布的氣隙時，每個氣隙中有1個霍爾元件，偶數個霍爾元件輸入、輸出端分別並聯，當單磁芯氣隙固定結構組件需要固定架或骨架時，固定架或骨架上設置有固定孔，固定引針穿過疊片鉚衝帶氣隙的單磁芯的固定孔和固定架或骨架的固定孔與印製電路板連接，這樣不僅大幅度降低了穿芯式霍爾電流傳感器的位置誤差，也大大簡化霍爾元件的溫度補償電路及安裝流程，既提高了穿芯式霍爾電流傳感器的測量精度和生產效率，又降低了成本，同時根據並聯理論，偶數個霍爾元件輸入、輸出端分別並聯，則霍爾元件的噪聲幅度、失調電壓溫漂等都降低了倍(n＝1,2...)，使穿芯式霍爾電流傳感器的最低解析度、失調電壓溫漂等性能得到了提高。3)本發明的雙磁芯氣隙固定結構組件，用兩個同尺寸、帶一個或偶數個氣隙的單磁芯在骨架或固定架上下安裝確保氣隙的位置、寬度和霍爾元件安裝高度的一致性，提高了穿芯式霍爾電流傳感器的一致性、可靠性，同時偶數個氣隙錯位安裝或對稱分布或均分整個磁路，把偶數個霍爾元件的輸入、輸出端分別並聯，在理論上既消除了磁芯的剩磁對電流傳感器的測量精度的影響，又消除了穿芯式霍爾電流傳感器的原理性誤差，即位置誤差，大大地提高了穿芯式霍爾電流傳感器的電流測量精度；印製電路板與骨架或固定架之間設置有相互連接的孔位，大大的提高了產品的一致性以及生產效率，同時也提高了產品的可靠性。4)用兩個同尺寸、所述的帶一個或偶數個氣隙的單磁芯在骨架或固定架上下安裝，偶數個氣隙錯位安裝或對稱分布或均分整個磁路；對於帶氣隙的單磁芯來說磁路是不閉合的，但對於雙磁芯組成的磁路來說，磁路是閉合的，只不過此時雙磁芯組成磁路的磁導率是帶氣隙單磁芯的有效磁導率，這樣由雙磁芯組成的磁路使得閉環型穿芯式霍爾電流傳感器在測量高頻交流電流時，等效成為一個閉合磁路的互感器，初、次級能緊耦合，初級載流導體在穿芯式霍爾電流傳感器的穿芯孔中不同位置時，霍爾電流傳感器的輸出幅度、波形等幾乎沒有變化，大大提高了穿芯式閉環型霍爾電流傳感器的工作帶寬及測量精度。附圖說明下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。圖1為開環型單氣隙的單磁芯結構示意圖；圖2為閉環型卷繞單氣隙的單磁芯結構示意圖；圖3為開環型雙氣隙的單磁芯結構俯視圖；圖4為包含塑料塊的開環型雙氣隙的單磁芯結構右視圖；圖5為開環型方形疊片鉚衝的單磁芯氣隙結構俯視圖；圖6為開環型方形疊片鉚衝的單磁芯氣隙結構右視圖；圖7為包含非導磁金屬片的開環型方形疊片鉚衝的單磁芯氣隙結構俯視圖；圖8為包含非導磁金屬片的開環型方形疊片鉚衝的單磁芯氣隙結構右視圖；圖9為包含非導磁金屬片的閉環型圓形疊片鉚衝的單磁芯氣隙固定結構示意圖；圖10為包含非導磁金屬片的閉環型方形疊片鉚衝的單磁芯氣隙固定結構示意圖；圖11為包含非導磁金屬片的開環型卷繞單氣隙的單磁芯氣隙固定結構俯視圖；圖12為包含非導磁金屬片的開環型卷繞單氣隙的單磁芯氣隙固定結構後視圖；圖13為非導磁金屬片在閉環型卷繞的單磁芯氣隙側面的主視圖；圖14為非導磁金屬片在閉環型卷繞的單磁芯氣隙側面的左視圖；圖15為非導磁金屬片在閉環型卷繞的單磁芯氣隙頂部的俯視圖；圖16為非導磁金屬片在閉環型卷繞的單磁芯氣隙頂部的左視圖；圖17為開環型卷繞單氣隙單磁芯的穿芯式霍爾電流傳感器正向輸出溫度曲線圖；圖18為開環型卷繞單氣隙單磁芯的穿芯式霍爾電流傳感器負向輸出溫度曲線圖；圖19為閉環型卷繞雙磁芯的穿芯式霍爾電流傳感器安裝圖；圖20為未使用本發明的閉環型卷繞單磁芯的穿芯式霍爾電流傳感器A點的di/dt響應圖；圖21為未使用本發明的閉環型卷繞單磁芯的穿芯式霍爾電流傳感器B點的di/dt響應圖；圖22為未使用本發明的閉環型卷繞單磁芯的穿芯式霍爾電流傳感器C點的di/dt響應圖；圖23為未使用本發明的閉環型卷繞單磁芯的穿芯式霍爾電流傳感器D點的di/dt響應圖；圖24為使用本發明的閉環型卷繞雙磁芯的穿芯式霍爾電流傳感器A點的di/dt響應圖；圖25為使用本發明的閉環型卷繞雙磁芯氣隙的穿芯式霍爾電流傳感器在B點的di/dt響應圖；圖26為使用本發明的閉環型卷繞雙磁芯氣隙的穿芯式霍爾電流傳感器在C點的di/dt響應圖；圖27為使用本發明的閉環型卷繞雙磁芯氣隙的穿芯式霍爾電流傳感器在D點的di/dt響應圖。具體實施方式如圖5-12所示，本發明公開了一種穿芯式霍爾電流傳感器用磁芯氣隙固定結構組件，包括單磁芯氣隙固定結構組件和雙磁芯氣隙固定結構組件，單磁芯氣隙固定結構組件包括一個單磁芯及當需要固定單磁芯的固定架或骨架，單磁芯包括一個或偶數個氣隙；單磁芯包括疊片鉚衝帶氣隙的單磁芯和卷繞帶氣隙的單磁芯；圖5-10所示，疊片鉚衝帶氣隙的單磁芯上需要時設置有固定孔或定位槽，非導磁金屬片鉚衝或焊在磁芯上頂層或最外上下層，固定時，通過固定針穿過固定孔焊在印製電路板上；如圖11-14所示，當卷繞帶氣隙的單磁芯的高度為霍爾元件安裝高度的2倍以上，非導磁金屬片焊接在磁芯氣隙的外側面；如圖15-16所示，當卷繞帶氣隙的單磁芯的高度為霍爾元件安裝高度的1.5倍以內，非導磁金屬片焊接在磁芯氣隙的頂部；當單磁芯包括偶數個對稱分布的氣隙時，每個氣隙中設置有1個霍爾元件，偶數個霍爾元件的輸入、輸出端分別並聯；如圖9-10所示，當單磁芯氣隙固定結構組件需要固定架或骨架時，固定架或骨架上設置有固定孔和霍爾元件插槽，固定引針穿過單磁芯的固定孔，固定架或骨架的固定孔與印製電路板上的焊孔連接；雙磁芯氣隙固定結構組件包括兩個同尺寸的所述單磁芯及一個固定兩個單磁芯的固定架或骨架，兩個單磁芯的偶數個氣隙錯位安裝或對稱分布或均分整個磁路，兩個單磁芯安裝在雙磁芯氣隙固定結構組件固定架或骨架的上下兩面，雙磁芯氣隙固定結構組件的固定架或骨架的側面設置有插槽，插槽與安裝在雙磁芯氣隙固定結構組件上單磁芯的氣隙相通，插槽中插有轉換板，單磁芯的氣隙中均設置有霍爾元件，霍爾元件直接或通過轉換板與印製電路板連接。非導磁金屬片為不鏽鋼片，不鏽鋼片是主要採用不導磁的以鐵、鉻、鎳為主要成分的不鏽鋼材料。單磁芯的形狀均為圓形或方形或異形。單磁芯氣隙固定結構組件和雙磁芯氣隙固定結構組件的固定架或骨架形狀均為圓形或方形或異形。如圖11-12所示，為了節省成本，提高材料利用率，採用10mm帶材寬度23ZH85型矽鋼片卷繞加工成方形開環型卷繞單氣隙的單磁芯；對於額定電流為100A的開環型穿芯式霍爾電流傳感器，在單磁芯長邊的中心線上加工一個寬度為2mm的氣隙，將0.3mm的304或316的不鏽鋼片用雷射或電焊在單磁芯氣隙的外側。100A開環型卷繞單磁芯單氣隙的穿芯式霍爾電流傳感器輸出溫度曲線如圖17和18所示，在同一電路參數的條件下，對比同一尺寸磁芯在氣隙固定和不固定條件下，開環型穿芯式霍爾電流傳感器輸出幅度的溫度係數說明，如表1和表2所示，表1100A正向幅度溫度值溫度安裝不鏽鋼片未安裝不鏽鋼片基準-403.9814.0144.000-203.9914.0144.000254.0004.0004.000454.0173.9674.000654.0213.9324.000854.0203.9244.0001054.0203.9204.000表2100A反向幅度溫度值溫度安裝不鏽鋼片未安裝不鏽鋼片基準-40-3.982-4.014-4.000-20-3.990-4.016-4.00025-4.000-4.000-4.00045-4.017-3.967-4.00065-4.019-3.930-4.00085-4.018-3.923-4.000105-4.018-3.923-4.000從表1和表2可以看出，使用本發明技術使得開環型穿芯式霍爾電流傳感器在整個溫區內的測量精度從2.5％FS提高到0.5％FS，輸出幅度的溫漂從1.5mV/℃降低到0.5mV/℃以內，工作溫區從-10-80℃擴展到-40～105℃，大大地提高了開環型穿芯式霍爾電流傳感器的電流測量精度，拓展了開環型穿芯式霍爾電流傳感器的應用領域。如圖15-16所示，包括兩個同尺寸、圓環形的單氣隙單磁芯以及一個圓環形骨架，兩個圓環形的單氣隙單磁芯安裝在骨架的上下兩面，而氣隙旋轉180°安裝；兩個氣隙中均設置有一個霍爾元件，兩個霍爾元件的輸入、輸出端分別並聯；對於額定電流為300A的閉環型穿芯式霍爾電流傳感器，外殼的穿芯孔徑為25mm，次級線圈用直徑為0.25mm的漆包線繞2000匝；為節省成本，提高軟磁材料的利用率，磁芯用帶材寬度3.6mm、厚度0.1mm的1J85卷繞而成，加工過圓中心線的1.2mm氣隙後，將0.3mm非導磁的不鏽鋼片304或316用雷射或電點焊在單磁芯氣隙頂部。在同一電路參數的條件下，對比在未使用本發明的單磁芯結構組件和使用本發明的雙磁芯氣隙固定結構組件的di/dt響應圖，對於穿芯孔直徑為25mm的閉環型穿芯式霍爾電流傳感器，如圖19，用直徑為5mm的載流導體在穿芯孔4個不同位置的di/dt響應圖說明，如圖20-27所示，其中，橫坐標是時間，單位是微秒，縱坐標是電壓，單位是伏，每幅圖包括輸入和輸出曲線，通過觀察輸入和輸出曲線的重合度，從圖24-27可以看出，採用本發明的閉環型卷繞雙磁芯氣隙的穿芯式霍爾電流傳感器，其交流測量精度大幅度提高，位置誤差大幅度減少，同時，由於採用不鏽鋼片在磁芯氣隙處直接焊接，成本不高；用骨架對磁芯安裝固定，簡單方便，大幅度提高生產效率，亦減低了成本。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp