CN202256455U - 一种磁平衡式霍尔电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种磁平衡式霍尔电流传感器，包括壳体、铁芯、霍尔元件、主电路板和铜排；铁芯和主电路板都设置在壳体内；铁芯为C形铁芯，铜排穿过壳体并铁芯在壳体内形成的空腔；铁芯上缠绕有副边线圈；霍尔元件设置在铁芯的缺口处；副边线圈的引出端和霍尔元件的输出端均接到所述的主电路板。该磁平衡式霍尔电流传感器中的霍尔元件工作在零磁通状态下，检测精度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种磁平衡式霍尔电流传感器，能应用于铁路机车以及汽车、冶金、化工等领域。
背景技术
霍尔电流传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器只适用于50Hz工频测量和分流器无法进行隔离测量的不足。利用同一只霍尔电流电压传感器检测元件既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品。
霍尔电流传感器原理上可分为直测式(开环)和磁平衡式(闭环)。直测式电流传感器因精度、线性度较差；响应时间较慢；温度漂移较大等缺点而多用于精度要求不高的场合。磁平衡式(闭环电流传感器克服了直测式电流传感器的众多缺点，具有可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流；响应时间快等优点。
霍尔元件具有一个突出的缺点在于，长期工作于饱和状态会导致霍尔元件磁化，以致影响其输出线性度，从而造成测量精度低，这也是现有技术没有解决或者解决难度大(或成本高)的问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种磁平衡式霍尔电流传感器，该磁平衡式霍尔电流传感器中的霍尔元件工作在零磁通状态下，检测精度高。
本实用新型的技术解决方案如下：
一种磁平衡式霍尔电流传感器，包括壳体、铁芯、霍尔元件、主电路板和铜排；铁芯和主电路板都设置在壳体内；铁芯为C形铁芯，铜排穿过壳体并铁芯在壳体内形成的空腔；铁芯上缠绕有副边线圈；霍尔元件设置在铁芯的缺口处；副边线圈的引出端和霍尔元件的输出端均接到所述的主电路板。
在壳体内设有用于将铁芯固定的硅胶体。
伸出壳体的铜排两端均设有至少一个连接孔。
铜排通过螺丝固定在壳体上。
铁芯与副边线圈之间还设置有线圈骨架。
本实用新型的工作原理如下：
本实用新型的磁平衡式霍尔电流传感器是利用安培环路定律来测量机车牵引电机励磁电流的，即原边电流(Ip)所产生的磁场，通过一个副边线圈的电流(Is)所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即有如下等式：
N×Ip＝n×Is
式中：Ip为原边电流；N为原边线圈的匝数；Is为副边补偿电流；n为副边线圈的匝数。
由上式看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流Is的大小，即可推算出原边电流Ip的值，从而实现了原边电流的隔离测量。
如图1，磁平衡式霍尔电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。
详细工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立刻就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。
本实用新型的磁平衡式霍尔电流传感器采用闭环式控制，提高了传感器的响应速度，保证了对电机电流的精确测量。通过工艺减小磁场气隙、绕线方式，并进行功率管、霍尔元件配对，大大改善了传感器零点参数。磁平衡式霍尔电压传感器可在-25℃～70℃环境温度范围内正常工作，基本测量误差为测量值的±1％，测量范围0～±1800A。
有益效果：
本实用新型的磁平衡式霍尔电流传感器，抗干扰能力强，可以在恶劣的工作环境下，精确、可靠地测量机车牵引电机励磁电流。因本实用新型霍尔元件工作在零磁通的状态下，故不会因长期工作于饱和状态导致霍尔芯片磁化，以致影响其输出线性度。另外，本实用新型的磁平衡式霍尔电流传感器，结构紧凑，易于安装，可靠性好。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理示意图。
图2为磁平衡式霍尔电流传感器外形图；
图3为图2中A-A剖视图；
图4为图2的侧视图。
标号说明：1-主电路板，2-盒盖，4-壳体，5-线圈骨架，6-铁芯，7-铜排，8-硅胶体、9-霍尔元件，10-插座，13-运算放大器，14-副边补偿线圈，Ip为原边电流，Is为副边补偿电流，Rm为测量电阻。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，磁平衡式霍尔电流传感器的电路结构为：包括C形磁芯、霍尔元件、运算放大器、测量电阻和电源输入模块；
承载被测电流的导体从该C形磁芯的空腔中穿过；
电源输入模块包括正直流电源+Vc、负直流电源-VC、第一三极管T1和第二三极管T2；第一三极管的C极和第二三极管的C极分别接正直流电源+Vc和负直流电源-Vc；第一三极管的E极和第二三极管的E极对接；第一三极管的B极和第二三极管的B极对接；
霍尔元件设置在C形磁芯的缺口处，霍尔元件的一个输出端通过第一电阻R1接运算放大器的正输入端；霍尔元件的另一个输出端通过第二电阻R2接运算放大器的负输入端；运算放大器的输出端接第一二极管的B极；
C形磁芯上缠绕有作为副边的补偿线圈；补偿线圈的一个引出端接第一二极管的E极，补偿线圈的另一个引出端作为磁平衡式霍尔电流传感器的输出端，该输出端经测量电阻接地。
第一三极管NPN型，第二三极管均为PNP型；第一电阻和第二电阻的阻值相等为820欧姆，正、负直流电源+Vc、-Vc取值为±15V～±24V对称电源。
如图2-4所示，一种磁平衡式霍尔电流传感器，其特征在于，包括壳体、铁芯、霍尔元件、主电路板和铜排；铁芯和主电路板都设置在壳体内；铁芯为C形铁芯，铜排穿过壳体并铁芯在壳体内形成的空腔；铁芯上缠绕有副边线圈；霍尔元件设置在铁芯的缺口处；副边线圈的引出端和霍尔元件的输出端均接到所述的主电路板。
铁芯与副边线圈之间还设置有线圈骨架。
在壳体内设有用于将铁芯固定的硅胶体。伸出壳体的铜排两端均设有至少一个连接孔。铜排用于输入待测电流。
本磁平衡式霍尔电流传感器的装配方法如下：
霍尔元器件固定于线圈骨架插槽里(该插槽也处于铁芯的缺口处)，铁芯装配在线圈骨架内组成公共磁路系统。磁系统部分通过线圈导线和霍尔元件导线与主电路板与相连接，采用保护胶体将磁系统部分固定在壳体内部。铜排通过壳体穿过磁路系统用螺丝紧固，通过导线将主电路板焊接到固定在盒盖上的插座的插针上，将盒盖用螺钉固定在壳体上进行组装。
本实用新型的磁平衡式霍尔电流传感器能应用在各种环境恶劣的场合，比如，本实用新型的磁平衡式霍尔电流传感器在机车发电系统中作为系统电流检测部件，主要作用是隔离检测发电系统的输出电流，通过对传感器的输出信号进行处理，设定限流工作点，确保发电系统的输出功率不高于电机的额定功率。通过设置本实用新型的磁平衡式霍尔电流传感器的输出信号，对电机的输出(流过)电流加以限制，避免出现发电机(牵引电机)的输出功率过高而发生故障或损坏，保证动力系统的正常工作。
本实用新型的磁平衡式霍尔电流传感器，具有以下性能参数：
1)可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流；
2)副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2KV～8KV；
3)电流测量范围宽，可测量额定1mA～50KA电流；
4)跟踪速度di/dt：高于50A/us；
5)线性度：优于0.1％IN；
6)响应时间：小于1us；
7)频率响应：0～100KHz。
8)尺寸小，重量轻，易于安装且不会给系统带来任何损失。
另外，需要说明的是，霍尔元件可以是1个，如图1所示，也可以是2个，如图3所示，采用2个霍尔元件时，该2个霍尔元件并联，共同输出电流，此时，将磁芯(即铁芯)截成2个半环形磁芯，即形成2个缺口，每一个缺口放置一个霍尔元件。
Claims (5)
1.一种磁平衡式霍尔电流传感器，其特征在于，包括壳体、铁芯、霍尔元件、主电路板和铜排；铁芯和主电路板都设置在壳体内；铁芯为C形铁芯，铜排穿过壳体并铁芯在壳体内形成的空腔；铁芯上缠绕有副边线圈；霍尔元件设置在铁芯的缺口处；副边线圈的引出端和霍尔元件的输出端均接到所述的主电路板。
2.根据权利要求1所述的磁平衡式霍尔电流传感器，其特征在于，铁芯与副边线圈之间还设置有线圈骨架。
3.根据权利要求1所述的磁平衡式霍尔电流传感器，其特征在于，在壳体内设有用于将铁芯固定的硅胶体。
4.根据权利要求1所述的磁平衡式霍尔电流传感器，其特征在于，铜排通过螺丝固定在壳体上。
5.根据权利要求1-3任一项所述的磁平衡式霍尔电流传感器，其特征在于，伸出壳体的铜排两端均设有至少一个连接孔。
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