开环电流传感器和具有这种传感器的电源电路制造技术

一种开环电流传感器，其中包括具有气隙的磁路、置于该气隙中的磁场检测器、以及具有绕着该磁路的一个或多个匝的初级导体，要被测量的电流在该初级导体中流动，在该气隙的每一侧上，该传感器的特征在于该初级导体的匝被设置为接近于该气隙。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种开环电流传感器，特别涉及一种用于测量在电源电路或者对电机供电的电路中的电流的电流传感器，以及具有这种传感器的电源电路。
技术介绍
在现代的电源电路106中，如图1中所示，该电机105的电源电流由以高频切换的半导体开关103所产生。实际产生的电流I(t)一般具有几十kHz的频率，而具有整体上由电流I(t)的包络所表示的正弦形状的电源电流的基频If相对较低，例如在几百Hz附近，如图2a中所示。在功率半导体器件的设计中所获得的技术优点使得半导体开关103具有极高的切换速度，潜在的变化速度dv/dt例如在10至20kV/μs附近，如图2b中所示。为了容纳由这种电势变化速度所造成的电辐射，利用同轴电缆104用来提供电机105。由于这些电缆是高度电容性的，并且注意到所施加的dv/dt，在每次切换中以阻尼振荡的形式产生杂散高频(HF)电流。无论驱动功率如何，这些电流的幅度和频率为相同的幅度级别。这是因为它们实际上仅仅取决于所用的同轴电缆的特性和所施加的dv/dt幅度。这些电流的幅度可以到达几十安培，并且它们的频率为从100kHz至1MHz。电流传感器101通常被置于对电机105供电的线路102a、102b、102c上。尽管这些HF电流不一定要被测量，但是它们仍然通过该电流传感器。在小和中等功率的驱动106中，这些杂散电流的幅度可以比用于控制该电机所需的电流的幅度高得多。图2c在一个示波器屏幕上示出电压U(t)和由于切换和在由以16kHz的频率切换电源电路对5.5kW的电机的一个相上的容性负载所导致的高频电流I(t)。在本例中，第一和第二半波I1、I2的幅度分别近似为20A和8A。在实践中，在20A和30A峰值的第一半波I1和I2处的幅度是标准的。本专利技术人意识到这导致两个主要问题。第一个是通过该传感器的热电流增加，这可以通过把该传感器的尺寸设定为通过该传感器的有效电流的总和的一个函数而解决。另一个问题是由于磁滞的损耗和由于涡流的损耗所导致的磁路非常严重的发热。需要强调这些问题不是在“闭环”类型的传感器中发现的，因为为了在任何补偿错误内，通过次级安培匝数补偿初级安培匝数(At)。应当知道，该磁路的发热将会更高，因此难以使得传感器的尺寸更小。这是由于小开环电流传感器的尺寸限制所造成的。这是因为，为了测量精确的原因，不适合设计低于40安培匝数的最小级别的传感器。这意味着标称为10A的传感器将被设计为具有4个初级匝，而40A标称传感器可以被设计为仅仅具有1个初级匝。因此，与第二情况相比，在第一情况中，该HF电流的幅度和所获得的磁感应将被乘以4倍，结果由于磁滞所导致的发热和动态损耗将为增大16倍，这可以从如下关系中导出Losses(W)≈ f2B2d2/其中d为磁片的厚度，B为磁感应，f为该感应和杂散电流HF的频率，p为构成该传感器的磁性电路的铁磁合金的电阻率。测试表明，如果把小尺寸和常规结构的开环传感器原样用于上述应用中，则将达到200℃至300℃的温度或者更高。在实践中，这种传感器仅仅可以用于放置在转向HF电流的相关电路的初级连接上；但是，该电路具有破坏该传感器的动态性能的缺点，因此限制驱动的效率。由于这些原因，这种传感器在目前不被用于驱动高性能的电机；其由更加昂贵的“闭环”类型的传感器所代替。考虑到上文所述，本专利技术的一个目的是提供一种开环电流传感器，其具有所需的动态性能，并且可以经受在初级导体中流过高电流。本专利技术的另一个目的是提供一种具有这种传感器的电源电路。提供一种能够经受由在用于提供电机的半导体开关电路中出现的高电势变化速度(dv/dt)所产生的杂散HF电流是有利的。提供一种紧凑和廉价的开环传感器是有利的。本专利技术的目的通过根据权利要求1的开环传感器和根据权利要求5的电源电路来实现。该开环电流传感器包括具有气隙的磁路、置于该气隙中的磁场检测器、以及具有绕着该磁路的一个或多个匝的初级导体，其中要被测量的电流在该初级导体中流动。该开环电流传感器的特征在于在该气隙的每一侧上，该初级导体的匝被设置为接近于该气隙。在该部分磁路中，由于存在该气隙(μair＝1)，局部磁导率比在该磁路的所有其他部分更低。由于该初级匝，该磁路的有效磁导率非常低。因此，对于相同的初级安培匝数值，在该磁芯(也被称为“铁芯”)中的磁感应局部降低，但整体也降低。结果由于磁滞所造成的损耗和由于涡流所造成的损耗被最小化。附图说明本专利技术的另一个目的和优点从本说明书、权利要求书和附图中获得，其中图1是把电流施加到一个电机的电路的示意图；图2a为由在连接到该电机的一个相上的电源电路所产生的电流和电势的图形表示；图2b为在连接到该电机的一个相上的电源电路所产生的电流和电势的细节(放大)表示；图2c为示出由于在一个相上的切换和容性负载所造成的相输出电压和高频电流的示波器屏幕的示意图；图3为示出磁通量线的常规开环电流传感器的简化视图；图4a为根据本专利技术的开环电流传感器的透视图；图4b为根据本专利技术的开环电流传感器的变型的透视图；图4c为根据本专利技术的开环电流传感器的变型的透视图； 图5为分别示出一种常规传感器和根据本专利技术的传感器的初级的端子处的过压V＝Ldv/dt的曲线图；图6a和6b为分别示出在由具有200kHz频率的正弦电流供电的线路上在常规传感器和根据本专利技术的传感器的磁路中的温度改变的曲线图；-图6a关于一种传感器，其具有通过5A的电流的8个初级匝，即40At；具有1.3mm长度的气隙并且包括8片0.35mm厚的叠层的铁硅磁路；其截面为9.8mm2，并且其平均长度为40mm；-图6b关于一种传感器，其具有通过3.33A的电流的12个初级匝，即40At；具有1.3mm长度的气隙并且包括8片0.35mm厚的叠层的铁镍磁路；其截面为10mm2，并且其平均长度为35mm；以及图7为根据安培匝数的常规传感器和根据本专利技术的传感器的输出电压Vout的曲线图。在已知的开环传感器中，无论是否形成该磁路，构成初级线圈Np的线圈110通常被置于一个扇区上，或者在矩形磁路112的情况中在分支111上，直接与气隙113相对，如图3中所示。该位置实际上是最自然出现的位置；从实用的观点来看，它还是最合理出现的一个位置，由于与该气隙相对的初级线圈通过使得线路经过该气隙，更加容易缠绕该分支。但是，本专利技术人已经意识到该位置是不理想的。这是因为，如果把注意力放在由该结构所导致的磁现象上，则在被初级线圈110所包围的磁路111的部分中，该磁感应通量Ф在该电路的剩余部分中非常高。这是由于这样的事实所造成的，从该初级匝所在的地点来看，远离气隙113，局部磁导率μr倾向于所用的磁性材料的数值，并且根据Ф＝B×S和B＝μH，得出Ф＝μH×s，其中B是磁感应，S是该线圈的截面，H是磁通量，并且μ是磁导率。另外，由于存在气隙，由初级安培匝数所产生的磁感应通量的主要部分(主要通量Фp)将接近于其外部的磁路(分散通量Фd)。其他部分Фe通过该磁路和该气隙113闭合，在该气隙通过例如霍尔单元这样的磁场检测器114进行测量。因此产生比有用的磁通量更多的无用磁通量。该无用磁通量大大地增加动态损耗、由磁滞所导致的损耗和由其导致的发热。参照图4a至4b，根据本专利技术的开环传感器1包括磁路12，其包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开环电流传感器，其中包括具有气隙的磁路、置于该气隙中的磁场检测器、以及具有绕着该磁路的一个或多个匝的初级导体，要被测量的电流在该初级导体中流动，该传感器的特征在于在该气隙的每一侧上，该初级导体的匝被设置为接近于该气隙。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：皮埃尔卡塔尼奥，克劳德古德尔，
申请(专利权)人：机电联合股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]