电流传感器制造技术

一种电流传感器，包括：环形的磁性材料磁芯；缠绕在磁性材料磁芯上的激励线圈；缠绕在磁性材料磁芯上的补偿激励线圈；第一激励电路，对激励线圈施加交流激励电压；第二激励电路，施加与激励电压的上升沿和下降沿同步的脉冲电压，该脉冲电压使得补充线圈产生与激励线圈产生的磁场具有相同方向的磁场；电流到电压转换器，将流过激励线圈的电流转换为电压；以及检测单元，检测当磁性材料磁芯上的交流磁场在正方向和负方向上饱和时的各个时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种磁通门(fluxgate)型电流传感器，其用作检测电子设备，例如太 阳能发电系统或空调中的漏电的传感器。
技术介绍
常规地，从安全操作观点来看(例如，检测漏电)，电流传感器用于测量使用直流 电的电子设备中的直流电流。磁通门型电流传感器(此后简称为“电流传感器”)被经常 使用，因为其可以用在常温下，而且可以容易地被缩小尺寸和超敏(super-sensitized)，而 且对于极小的电磁场，其具有高磁化率。这样的电流传感器已被公开，例如在临时公开号为 HEI 07-128373A和2000-2738A的日本专利申请中。图6示出了常规的电流传感器的示意性结构。通常，电流传感器包括环形软磁性 材料的磁芯21，磁芯21由高磁导率材料制成，例如透磁合金(permalloy)；激励线圈22，其 缠绕在磁芯21的圆周上；振荡电路23，其在激励线圈22上施加激励电压；电流到电压转换 器24，其将流过激励线圈22的电流转换为电压；以及比较器25。导线30布置为穿过磁芯 21，导线30上流有待测量的电流。图7是图示了图6中所示的电流传感器的操作的时序图。图7分别显示了当没有 电流流过导线30时，激励电压、检测到的电流以及比较器的输出的波形。另外，图7的右上 部所示的图形是显示了激励线圈22的B-H特征的磁滞回线(magnetic hysteresis loop)。 振荡电路23在激励线圈22上施加预定频率的矩形交流信号来作为激励电压。此时，磁芯 21被激励，以使具有图7中所示的B-H特征的磁芯21充分地磁饱和。电流到电压转换器 24检测流过激励线圈22的电流，将检测到的电流转换为电压，并将电压输出到比较器25。 这里，因为激励线圈22在磁芯21未饱和的区域具有感应系数，因此检测到的电流基本上线 性地增加或减少。在磁芯21饱和的区域，因为激励线圈22的感应系数减小，大的电流流过 并且波形基本上变成脉冲(峰值)波。比较器25从电流到电压转换器24的输出，检测指 向加号方向的脉冲的位置以及指向减号方向的脉冲的位置。也就是，当比较器25检测到正 脉冲的上升沿时，比较器25将其输出从加号转换为减号。接着，当比较器25检测到负脉冲 的下降沿时，比较器25将其输出从减号转换为加号。因此，当在导线30上没有电流时，从 正脉冲到负脉冲的时间tl等于从负脉冲到正脉冲的时间t2。比较器25的输出是矩形波信 号，其占空比为50 %，具有与激励电压相同的频率。图8为图示了图6中的电流传感器的操作的时序图。图8显示了当电流在正方向 上(图6中的箭头所示方向)流过导线30时的各个波形。当电流在正方向上流过导线30 时，磁芯21的B-H曲线显示了 B-H曲线移动了由导线30产生的正磁场+ A H。即，当振荡电 路23对激励线圈22施加预定频率的矩形交流信号来作为激励电压时，磁芯21显示了这样 的特征，即如果在正方向上施加磁场，则磁芯21容易饱和，如果在负方向上施加磁场，则磁 芯21不容易饱和。因此，从正脉冲到负脉冲的时间tl大于从负脉冲到正脉冲的时间t2。 因此，比较器25的输出与激励电压的频率相同并且具有t2/(tl+t2)的占空比(其中tl>t2)。另外，由于产生的磁场+ AH与流过导线30的电流成比例，比较器25的输出信号的占 空比示出了流过导线30的电流的量和方向。图9是图示了图6中所示的电流传感器的操作的时序图。图9显显示了当电流在 负方向上(与图6中的箭头所示方向相反的方向)流过导线30时的各个波形。当电流在 负方向上流过导线30时，磁芯21的B-H曲线显示了 B-H曲线移动了由导线30产生的负磁 场-AH。即，当振荡电路23对激励线圈22施加预定频率的矩形交流信号来作为激励电压 时，磁芯21显示了这样的特征，S卩如果在正方向上施加磁场，则磁芯21不容易饱和，如果在 负方向上施加磁场，则磁芯21容易饱和。因此，从正脉冲到负脉冲的时间tl小于从负脉冲 到正脉冲的时间t2。因此，比较器25的输出与激励电压的频率相同并且具有t2/(tl+t2) 的占空比(其中tl < t2)。另外，由于产生的磁场-AH与流过导线30的电流成比例，比较 器25的输出信号的占空比示出了流过导线30的电流的量和方向。如上所述，通过利用磁芯21的B-H曲线根据流过导线30的电流所产生的磁场移 动的特征，电流传感器可以输出流过导线30的电流的方向和值。
技术实现思路
磁通门型电流传感器主要用于检测直流电流，但未广泛用于检测交流电流。为此 可构造这样的电流传感器，其基于磁芯21在正方向上饱和所需的时间与磁芯21在负方向 上饱和所需的时间的时间差，来检测流过导线30的电流的方向和值。激励电压的频率不能 上升到能够检测到交流电流的高频率。电流传感器的磁芯21具有主要由材料所决定的预 定的B-H特征。当使用具有低斜度(即，具有低磁导率)的B-H曲线的磁芯21时，施加激 励电压的时间和磁芯21饱和的时间之间的时间延迟变大。因为该时间延迟控制激励电压 的频率，当使用具有低斜度的B-H曲线的磁芯21时，激励电压的频率不能升高到能检测到 交流电流的高频率。另外，可以使用具有完美矩形形状特征的B-H曲线的磁性材料磁芯，例 如钴基非晶态合金(cobalt base amorphous alloy)。然而，具有完美矩形形状特征的磁性 材料通常很昂贵。本专利技术致力于解决上述问题。本专利技术的优点在于其提供了一种电流传感器，通过 用一个简单的结构升高激励电压的频率，以使得该电流传感器能够检测交流电流和直流电 流。根据本专利技术的一个方面，提供了一种电流传感器，用于检测流过导线的待测电流 的方向和量，该电流传感器包括环形的磁性材料磁芯，在磁性材料磁芯的中心部具有开 口，导线穿过该开口 ；缠绕在磁性材料磁芯上的激励线圈；缠绕在磁性材料磁芯上的补偿 激励线圈；第一激励电路，对激励线圈施加预定频率的矩形波形的交流激励电压，该交流激 励电压引起激励线圈使得磁性材料磁芯中的磁场在正方向和负方向上都饱和；第二激励电 路，对补充线圈施加正脉冲电压和负脉冲电压，该正脉冲电压和负脉冲电压分别与交流激 励电压的上升沿和下降沿同步，以便使补充线圈产生的磁场方向与通过对激励线圈施加交 流激励电压所产生的磁场的方向一致；电流到电压转换器，将流过激励线圈的激励电流转 换为电压，并输出检测电压；以及检测单元，基于该检测电压来分别检测当磁性材料磁芯上 的交流磁场在正方向上饱和时的时间，以及当磁性材料磁芯上的交流磁场在负方向上饱和 时的时间。在该结构中，当磁性材料磁芯上的交流磁场在正方向和负方向上饱和时的时间4对应于待测量电流的方向和量。利用该结构，可以用简单的结构来升高激励电压的频率，从 而能够提供能够检测交流电流和直流电流的电流传感器。在至少一个方面，施加到补充激励线圈上的正脉冲电压和负脉冲电压可以具有比 当只用激励线圈使得磁性材料磁芯中的交流磁场饱和时所需的饱和时间短的脉冲宽度。利 用该结构，使得磁芯饱和所需的时间的确可以被缩短，而不会干扰电流传感器的敏感度。在至少一个方面，第二激励电路可以包括第一开关元件，其施加正脉冲电压；第 二开关元件，其施加负脉冲电压；以及切换电路。在该情况中，切换电路控制第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电流传感器，用于检测流过导线的待测电流的方向和量，包括：环形的磁性材料磁芯，在磁性材料磁芯的中心部具有开口，所述导线穿过该开口；缠绕在磁性材料磁芯上的激励线圈；缠绕在磁性材料磁芯上的补偿激励线圈；第一激励电路，对激励线圈施加预定频率的矩形波交流激励电压，该交流激励电压导致激励线圈使磁性材料磁芯中的磁场在正方向和负方向上都饱和；第二激励电路，对补充激励线圈施加正脉冲电压和负脉冲电压，该正脉冲电压和负脉冲电压分别与交流激励电压的上升沿和下降沿同步，以便使补充线圈产生的磁场方向与通过对激励线圈施加交流激励电压所产生的磁场的方向一致；电流到电压转换器，将流过激励线圈的激励电流转换为电压，并输出检测电压；以及检测单元，基于该检测电压来分别检测当磁性材料磁芯上的交流磁场在正方向上饱和时的时间，以及当磁性材料磁芯上的交流磁场在负方向上饱和时的时间，其中当磁性材料磁芯上的交流磁场在正方向和负方向上饱和时的时间对应于待测量电流的方向和量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：余孔惠，小林正和，
申请(专利权)人：株式会社田村制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]