環形磁通門電流換能器的製作方法

2023-05-28 22:53:16 2

專利名稱：環形磁通門電流換能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有用於閉環應用的次級線圈的環形磁通門電流換能器。
背景技術：
磁通門換能器具有由激勵線圈圍繞的飽和磁芯，所述激勵線圈施加交替地飽和磁芯的交替磁場。在存在外部磁場的情況下，偏壓施加於飽和磁芯的飽和，使得實現激勵信號的對稱。該不對稱與外部磁場的幅度相關並且因此用於讀取外部磁場的幅度。在磁力計中，激勵電流由電子電路處理，所述電子電路向圍繞磁通門換能器纏繞的次級線圈(也被稱為補償線圈)或向聯接到磁通門換能器的磁路生成反饋信號。補償電流設法消除外部磁場的影響，由此次級(或補償)電流因此代表磁場的幅度。在電流換能器中，磁場由在初級導體中流動的初級電流(待測量的電流)生成。初級導體典型地定位成穿過由磁場換能器形成或聯接到磁場換能器的磁路。某些已知的磁通門換能器具有圍繞初級導體所穿過的中心孔的環形。磁通門換能器具有高靈敏度並且因此很適合於測量小電流或小幅差動電流，然而，它們與基於霍爾效應磁場檢測器的開環電流換能器或閉環電流換能器相比製造和實施成本較高。影響基於磁通門原理的電流換能器的成本的因素是激勵線圈和次級線圈的提供、飽和磁芯的提供以及線圈與電子電路的互連。磁通門換能器的靈敏度也導致線圈和各部件的相對位置的更嚴格製造公差，這也導致增加的製造成本。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於環形磁通門磁場檢測器的閉環電流換能器，其精確、可靠並且製造成本經濟。提供一種大規模製造經濟的閉環環形磁通門電流換能器將是有利的。提供一種緊湊的閉環環形磁通門電流換能器將是有利的。提供一種結實的閉環環形磁通門電流換能器將是有利的。通過提供根據權利要求1所述的閉環環形磁通門電流換能器實現本發明的目的。本文中公開了一種環形磁通門電流換能器，其包括環形磁通門感測單元，所述環形磁通門感測單元包括介電或絕緣支座，安裝在所述支座上的飽和磁芯，圍繞所述支座和飽和磁芯纏繞的激勵線圈以及圍繞所述激勵線圈安裝的磁殼。所述支座為環形並且包括固定到所述支座的端子，第一對所述端子連接到所述激勵線圈的端部，並且第二對所述端子連接到所述電流換能器的次級線圈的端部。有利地，用於次級和激勵線圈的連接端子整合到用於飽和磁芯的支座中簡化感測單元組裝和互連到信號處理電路的製造。該配置也提供更緊湊、可靠和穩定的布置。在本文中所使用的術語「環形」和「環」不限於圓形，而是包含圍繞孔以允許一個或多個初級導體穿過其中的方形、矩形、多邊形、橢圓形或任何規則或不規則的閉合或幾乎閉合形狀。信號處理電路可以包括連接到所述感測單元的端子的電路板。所述感測單元還可以包括介電罩殼，所述介電罩殼圍繞所述激勵線圈和飽和磁芯安裝並且形成次級磁芯圍繞其纏繞的支座。所述介電罩殼可以有利地包括多個間隔開的向內徑向翼片，所述徑向翼片用於側向地支撐線圈並且將感測單元定位在換能器的外殼中。所述介電罩殼可以有利地包括突起，所述突起接合在所述換能器的電路板中的互補孔中以相對於所述感測單元和所述換能器的外殼定位所述電路板。用於所述飽和磁芯和激勵線圈的環形介電或絕緣支座也可以包括提供定位表面的多個間隔開的徑向翼片，所述定位表面配置成相對於圍繞所述介電支座和激勵導體安裝的磁殼定位所述支座。換能器可以有利地包括例如由摺疊成環形的具有高磁導率材料的條或帶製成的環形內部磁屏蔽罩和環形外部磁屏蔽罩。內部磁屏蔽罩用於減小通過中心通道的偏心初級導體位置的影響，而外部磁屏蔽罩用於減小來自外部磁場的幹涉。通過提供根據權利要求7所述的閉環環形磁通門電流換能器實現本發明的目的。在本發明的另一個方面中，所述換能器包括作為單獨部件提供的初級導體單元，所述初級導體單元包括介電體和配置成傳送待測量的電流的多個導體，所述多個導體一起保持在所述介電體內，所述介電體形成通過所述外殼的中心通道可單獨安裝並且可鎖定到所述外殼的大體U形或V形部件。所述介電體可以是模製在所述初級導體上的塑料主體並且包括整體模製彈性夾臂，所述夾臂與所述換能器外殼中的互補夾子相互接合以將所述初級導體單元固定和鎖定到所述換能器外殼。所述介電體還包括定位肩部或凸緣，所述定位肩部或凸緣抵靠所述換能器外殼以相對於所述外殼定位所述初級導體單元。在實施例中，所述初級導體單元可以包括形成至少第一和第二對導體的至少四個初級導體，第一對初級導體用於在第一方向上傳送電流並且第二對初級導體用於在相反方向上傳送電流，所述第一和第二對初級導體布置成使得一對初級導體中的導體定位在另一對初級導體的導體之間並且交錯。在該配置中，所述換能器可以作為差動換能器操作以測量具有相反電流的兩個導體或導體對之間的電流的差異。在實施例中，所述初級導體單元可以包括用於傳送三相電流和三相系統的中性點或測試電流的至少四個初級導體，所述測試電流用於自動測試所述換能器在其中使用的系統能力。在該配置中，所述換能器可以用作差動(或求和)電流換能器，其測量在正常操作期間應當接近零的三相系統中的電流和。所述初級導體可以呈擠出導線的形式或由金屬片壓制或形成，其由所述介電體包覆模製或插入所述初級導體單元的所述介電體中。備選地，所述初級導體可以形成為鍍覆在板(例如印刷電路板)上的電跡。


從權利要求和關於附圖進行的本發明的實施例的以下詳細描述將顯而易見本發明的另外優點和特徵。圖1a是根據本發明的實施例的環形磁通門電流換能器的具有部分橫截面的透視圖1b是圖1a的實施例的透視分解圖；圖1c和Id是根據圖1a的實施例的透視圖，其中使外殼透明以便更好地顯示外殼內部的部件；圖2a是根據本發明的實施例的磁通門電流換能器的透視圖，換能器帶有預組裝到換能器外殼的初級導體；圖2b和2c是圖2a的實施例的透視圖，顯示初級導體元件正組裝到換能器外殼；圖2d是圖2a的實施例的橫截面圖；圖3是環形磁通門感測單元的分解透視圖；圖4a是根據本發明的實施例的飽和磁芯和激勵線圈單元的具有部分橫截面的透視圖；圖4b是圖4a的單元的分解圖。
具體實施例方式參考附圖，首先從圖1a至Id開始，根據本發明的實施例的電流換能器2包括外殼
4、安裝在外殼中的環形磁通門感測單元6、例如包括印刷電路板7的信號處理電路8，所述信號處理電路也安裝在外殼中並且具有延伸通過外殼以用於連接到用於供電的外部電路的電端子18和測量信號的輸出。換能器可以包括中心通道16，傳送待測量的電流的一個導體或多個導體20、20a、20b延伸通過所述中心通道。待測量的電流將被稱為初級電流並且導體被稱為初級導體。換能器還包括分別在徑向內部並且徑向地圍繞磁通門感測單元6定位的內部磁屏蔽罩12和外部磁屏蔽罩10。磁屏蔽罩10、12可以有利地由具有高磁導率的材料的摺疊條或帶製成，例如矽鋼、透磁合金、超合金、非晶態或納米晶體合金等。屏蔽罩也可以由擠出或鑄造材料的圓柱形部分製成或者具有其它非圓柱形狀並且由其它工藝形成，例如由片狀材料壓制和形成。外部屏蔽罩10用於減小外部磁場的影響，特別是在中心通道16的外部生成的磁場，例如來自電導體、電動馬達和圍繞或鄰近電流換能器定位的其它磁場生成設備的幹擾。內部屏蔽罩12用於形成磁路，該磁路再分布延伸通過中心通道16的初級導體的磁場以便減小延伸通過通道16的初級導體的偏心影響。環形磁通門感測單元6可以具有閉合圓形，如圖中所示，或者可以具有圍繞孔以允許一個或多個初級導體穿過其中的其它閉合或幾乎閉合形狀，例如方形、矩形、多邊形、橢圓形或任何規則或不規則形狀。根據本發明的換能器可以有利地用於測量所謂的差動電流，該差動電流是在多個初級導體中流動的電流的和。這例如可以用於確定電路中的洩漏。例如，穿過中心通道16的閉合電路的一對導體在正常操作的情況下將具有幅度相等但是方向相反的電流，由相反電流生成的磁場彼此抵消。如果在電路中有洩漏，則供應和返回電流將不具有相等的幅度，並且最後產生的差異生成與差動電流相關的非零磁場。內部徑向屏蔽罩12用作磁路，該磁路捕獲由導體生成的雙極磁場並且在磁屏蔽罩內循環該磁場，因此減小每個導體對磁場感測單元6的偏心影響。電路板8連接到感測單元6的激勵線圈並且連接到感測單元的次級(補償)線圈，並且還可以包括用於對測量信號進行濾波或預處理的部件。電路板將激勵線圈和次級線圈經由通過換能器的安裝面17突出的連接端子18互連到外部電路。連接端子18包括用於連接到電源的端子和用於將輸送測量信號的端子。安裝面17可以帶有安裝腔15，安裝銷14壓力配合插入該安裝腔中，由金屬片壓制和形成的安裝銷適合於軟焊、熔焊或通過端子18也連接到其上的外部電路板的孔壓力配合插入。兩個端子和安裝銷14的連接用於將換能器機械地固定到外部裝置。現在結合圖2a至2c參考圖1a至ld，根據變型的換能器還可以包括初級導體單元19，該初級導體單元包括被一起保持在可以為塑料主體形式的介電體22內的多個導體20，所述塑料主體模製在導線20上以形成通過換能器外殼4的中心通道16可安裝的大體U形或V形部件。在初級導體單元19的兩個端部的初級導體20的連接端24平行並且在相同方向上突出。連接端24突出超過介電體的安裝面25，該安裝面布置在與換能器的安裝面17相同的平面內，或者處於大致相同水平，使得連接端子18、安裝銷14和初級導體連接端24可以同時安裝在外部大致平面電路板上。初級導體單元17有利地作為單獨部件被提供，其單獨地被製成並且可以取決於換能器的用途和應用可選地安裝到換能器外殼4。大致U形或V形初級導體單元19配置成通過換能器2的中心通道16插入，從一端開始並且進給通過通道16直到它對稱地定位，連接端24突出超過安裝面14。介電體22可以有利地包括整體模製彈性夾臂26，所述夾臂與出現在換能器外殼4中的互補夾子相互接合以將初級導體單元固定和鎖定到換能器外殼。介電體22還可以包括定位肩部或凸緣27，所述定位肩部或凸緣抵靠換能器外殼4以相對於外殼定位初級導體單元。初級導體單元19可以有利地包括至少四個導體20，所述至少四個導體形成至少第一和第二對導體，第一對導體20a用於在一個方向上傳送電流，並且另一對導體20b用於在相反方向上傳送電流。導體對布置成使得一對導體中的導體定位在另一對導體中的導體之間並且與之交錯。該布置改善磁場的分布並且特別地消除由幅度相等但是方向相反的電流引起的磁場，由此導致一對導體和另一對導體之間的差動電流的最佳拾取。如圖1a至Id中所示，外殼4可以製成兩個部分4b、4a，一個部分4a用作夾在外殼部分4b上的蓋部分，在所述外殼部分中包括感測單元6、徑向屏蔽罩10、12並且最後包括電路板8的部件在軸向A上組裝在主外殼部分4b中。電路板8作為鄰近蓋部分4c的最後部件之一安裝成使得連接端子18可以定位成穿過位於蓋部分4a與主外殼部分4b相遇的界面21處的腔23。電路板8在組裝到外殼中之前可以預連接和預固定到感測單元6。備選地，當將部件組裝在主外殼部分4b中時，可以執行將電路板8連接和一起固定到感測單元
6。蓋4a可以藉助於夾子27或通過焊接(例如粘結)或通過這兩種方式永久地固定到主外殼部分4b。外殼部分4b的內部也可以填充有介電樹脂。現在參考圖3，將更詳細地描述環形磁通門感測單元6。感測單元6包括飽和磁芯單元30，該磁芯單元由兩個部分32a、32b所形成的屏蔽罩32圍繞，還由具有兩個部分34a、34b的介電罩殼34圍繞，所述兩個部分還由次級線圈36 (也被稱為補償線圈)圍繞。在閉環換能器中眾所周知，次級或補償線圈36由在反饋環中連接到飽和磁芯單元30的電子電路驅動，由此次級線圈被驅動以生成設法消除由初級導體生成的磁場對飽和磁芯單元的影響的磁場。次級電流的幅度和方向形成初級電流的狀態並且因此可以用作初級電流的測量值，所述初級電流可以是差動電流，如上所述。次級線圈36由圍繞介電罩殼34纏繞的具有絕緣塗層的細導線製成。圖3中的視圖因此被簡化，原因在於未描述線圈的導線，但是應當理解元件36由圍繞介電罩殼34的線圈繞組形成。飽和磁芯單元30包括飽和磁芯38，該飽和磁芯可以有利地呈非晶態磁性材料的條或帶的形式，例如Metglas2714A，其安裝在介電支座40上，該介電支座為環形並且例如由注射塑料材料製成。支座40優選地由單個部件製成，如圖所示，但是也可以由在換能器的組裝期間固定在一起的兩個或更多部件製成。非晶態磁性材料的條38可以在粘合劑塗覆在條的一側或塗覆在介電支座40上或優選地設在絕緣膠帶39上的情況下安裝，使得非晶態磁性材料條38可以粘結到介電支座的外表面42。非晶態磁性材料的條可以在支座上形成單層，可選地在相對自由端部具有一定重疊，或者在支座上形成兩個或更多層，作為圍繞支座纏繞的單條或作為多個單獨疊條。激勵線圈44圍繞介電支座40和位於其上的非晶態磁性材料條38纏繞。考慮到可能導致線圈繞組和非晶態磁性材料條之間的摩擦的任何振動和運動，絕緣膠帶39可以有利地用作激勵線圈的繞組之間的保護介電分離以防止非晶態飽和磁芯和激勵線圈的繞組之間的任何電接觸。環形介電支座40可以有利地包括圍繞環分布並且徑向向內突出的多個間隔開的徑向翼片46，例如三至七個徑向翼片，徑向翼片不僅用於提供激勵線圈的側向定位支撐，而且用於在圍繞其定位的屏蔽元件32a、32b內並且相對於所述屏蔽元件徑向地居中支座。徑向翼片也用作間隔件以避免激勵線圈和屏蔽元件32a、32b之間的直接接觸。在變型中，飽和磁芯單元可以作為線性單元產生，由此非晶態磁性材料的線性條或帶安裝在線性絕緣支座上，並且激勵線圈圍繞其纏繞，線性單元然後彎曲成最終的環形。激勵線圈可以由細銅線或其它導電材料製成。考慮到線的小厚度，未在圖中描繪繞組，激勵線圈由示出激勵線圈所佔據的體積的附圖標記44表示。多個連接端子48、50安裝到介電支座40。端子可以壓力配合方式位於介電支座中的預成形腔中，或由互相接合夾子鎖定或通過介電支座的包覆模製在端子48、50的部分上進行固定。在支座40由組裝在一起的多於一個的部分製成的實施例中，在將支座部分組裝在一起形成完整支座之前，端子可以預組裝到支撐部分之一。有利地，根據本發明的方面，設有至少兩對端子，第一對端子50連接到激勵線圈44的端部並且第二對端子48連接到次級線圈36的端部。激勵線圈的端部和次級線圈的端部可以通過各種已知連接技術連接到相應的端子48、50，例如熔焊、軟焊、卷邊、卷繞柱連接技術或在導線和連接端子之間的任何其它已知的連接技術。端子連接部分可以呈銷或絕緣位移片或卷邊連接的形式。用於激勵線圈和次級線圈的連接端子整合到用於飽和磁芯的支座環中減小部件的數量以及製造和組裝的成本。而且該配置提供特別緊湊的布置。圍繞介電支座40和飽和磁芯條38的環形磁屏蔽殼32a、32b帶有孔52以允許連接端子50、48通過其中突出以用於連接到在一側的電路板8並且用於連接到在相對側的次級線圈。端子對48的連接部分48a足夠長以延伸通過屏蔽殼並且通過設在介電罩殼54a中的孔54，從而在圍繞飽和磁芯單元組裝外殼和屏蔽殼之後允許次級線圈的導線連接並且圍繞外殼纏繞。端子48、50和屏蔽殼32a、32b和絕緣殼34a、34b中的相應通道可以以非對稱方式布置以保證屏蔽殼和絕緣殼正確定向和組裝到飽和磁芯單元30。例如，激勵導體的端子48可以以不規則距離與次級線圈的端子50間隔。
屏蔽殼32a、32b由具有高磁導率的磁性材料製成並且可以有利地由一片磁性材料形成，兩個屏蔽殼32a、32b具有相同形狀。當圍繞飽和磁芯單元30組裝在一起時，屏蔽殼32a、32b沿著它們的徑向外緣56彼此接觸，而在它們的徑向內緣58處提供小氣隙。該結構保證屏蔽殼相對於彼此並且圍繞飽和磁芯單元的精確定位，以及避免由於內部徑向氣隙引起的圍繞檢測器的短路迴路。絕緣殼34a、34b有利地包括間隔開並且圍繞環形絕緣殼分布的徑向翼片59。徑向翼片用於側向地支撐圍繞絕緣殼纏繞的次級線圈以及提供將磁通門感測單元6定位在換能器外殼4內的定位邊緣或表面。絕緣殼還可以帶有定位或固定突起60,所述突起接收在設在電路板8中的互補孔61中以將電流板定位和穩固地保持到感測單元。兩個殼34a、34b可以包括允許殼部分在組裝期間固定在一起的接合夾子。備選地或附加地，其它固定或粘結手段(例如超聲焊接)可以用於將兩個絕緣殼34a、34b圍繞次級線圈和飽和磁芯單元固定在一起。
權利要求
1.一種環形磁通門電流換能器，所述換能器包括環形磁通門感測單元(6)，所述環形磁通門感測單元包括環形支座(40)、安裝在所述環形支座(40)上的飽和磁芯(38)、圍繞所述環形支座和飽和磁芯纏繞的激勵線圈(44)以及圍繞所述激勵線圈、環形支座和飽和磁芯安裝的磁殼(32)，其特徵在於，所述環形支座包括固定到所述環形支座的端子(50、48)，第一對所述端子連接到所述激勵線圈的端部，第二對所述端子連接到所述電流換能器的次級線圈(36)的端部。
2.根據權利要求1所述的換能器，所述換能器還包括連接到所述感測單元的所述端子的電路板(8)。
3.根據權利要求1或2所述的換能器，其特徵在於，所述感測單元(6)還包括介電罩殼(34a、34b)，所述介電罩殼圍繞所述激勵線圈和飽和磁芯安裝並且形成周圍圍繞著所述次級磁芯的支座件。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的換能器，所述介電罩殼包括多個間隔開的徑向翼片(59)。
5.根據前兩項權利要求中的任一項所述的換能器，其中所述介電罩殼包括突起(60)，所述突起接合在所述換能器的電路板(8)中的互補孔中。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的換能器，其中所述感測單元的所述環形介電支座包括提供定位表面的多個間隔開的徑向翼片(46)，所述定位表面被構造成相對於圍繞所述環形介電支座和激勵導體安裝的磁殼定位所述環形介電支座。
7.一種環形電流換能器，所述換能器包括外殼(4)、安裝在所述外殼中的環形磁場感測單元(6)和中心通道(16)，其特徵在 於，所述換能器包括作為單獨部件提供的初級導體單元(19),所述初級導體單元包括介電體(22)和構造成傳送待測量的電流的一個或多個導體(20)，所述導體在所述介電體(22)內保持在一起，由此形成通過所述外殼的中心通道(16)單獨能夠安裝的並且通過設在所述介電體和外殼上的互補鎖定元件能夠鎖定到所述外殼的大體U形或V形部件。
8.根據權利要求7所述的換能器，其中所述介電體(22)是模製在所述初級導體(20)上的塑料主體。
9.根據前兩項權利要求中的任一項所述的換能器，其中在所述初級導體單元(19)的兩個端部的所述初級導體(20)的連接端(24)平行並且突出超過所述換能器的安裝面(17)。
10.根據權利要求7-9中的任一項所述的換能器，其中所述介電體(22)包括整體模製的彈性夾臂(26)，所述夾臂與所述換能器的外殼(4)中的互補夾子相互接合以將所述初級導體單元固定和鎖定到所述換能器的外殼。
11.根據權利要求7-10中的任一項所述的換能器，其中所述介電體(22)包括定位肩部或凸緣(27)，所述定位肩部或凸緣抵靠所述換能器的外殼(4)以相對於所述外殼定位所述初級導體單元。
12.根據權利要求7-11中的任一項所述的換能器，其中所述初級導體單元(19)包括形成至少第一和第二對導體的至少四個初級導體(20)，第一對初級導體(20a)用於在一個方向上傳送電流，並且第二對初級導體(20b)用於在相反方向上傳送電流，所述第一和第二對初級導體布置成使得一對所述初級導體中的初級導體被布置成在另一對所述初級導體中的初級導體之間並且與之交錯。
13.根據權利要求7-12中的任一項所述的換能器，所述換能器還包括根據權利要求1-6中的任一項所述的換能器的特徵。
14.根據前述權利要求中的任一項所述的換能器，所述換能器還包括內部磁屏蔽罩(12)和/或外部磁屏蔽罩(10)。
15.根據權利要求14所述的換能器，其中所述磁屏蔽罩由摺疊成環形的、且具有高磁導率的材料的條 或帶製成。
全文摘要
一種環形磁通門電流換能器，其包括環形磁通門感測單元(6)，所述環形磁通門感測單元包括環形支座(40)、安裝在所述支座(40)上的飽和磁芯(38)、圍繞所述支座和飽和磁芯纏繞的激勵線圈(44)以及圍繞所述激勵線圈、環形支座和飽和磁芯安裝的磁殼(32)。所述支座為環形並且包括固定到所述支座的端子(50、48)，第一對所述端子連接到所述激勵線圈的端部，第二對所述端子連接到所述電流換能器的次級線圈的端部。
文檔編號G01R33/04GK103080752SQ201180040922
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月19日 優先權日2010年8月24日
發明者C·古德爾, B·馬科茲, B·理察, G·格裡 申請人:萊姆智慧財產權股份有限公司