具有线圈架的电流换能器
阅读说明：本技术 具有线圈架的电流换能器 (Current transducer with coil former ) 是由 F·比尔曼 P·莫雷尔 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：一种电流换能器,包括：壳体(2),其包括线圈支撑件(4)；磁芯(5),其在第一端(20a)与第二端(20b)之间延伸；以及线圈(6),其包括围绕所述线圈支撑件(4)形成的多个绕组。线圈支撑件(4)包括磁芯插入其中的磁芯接收通道(13),线圈支撑件包括径向内支撑部分(10)和径向外支撑部分(12),磁芯接收通道(13)设置在径向内支撑部分和径向外支撑部分之间。径向内支撑部分(10)相对于径向外支撑部分(12)可滑动地移动。(An electrical current transducer comprising: a housing (2) comprising a coil support (4); a magnetic core (5) extending between a first end (20a) and a second end (20 b); and a coil (6) comprising a plurality of windings formed around the coil support (4). The coil support (4) comprises a core receiving channel (13) into which the core is inserted, the coil support comprising a radially inner support portion (10) and a radially outer support portion (12), the core receiving channel (13) being arranged between the radially inner and outer support portions. The radially inner support portion (10) is slidably movable relative to the radially outer support portion (12).)
技术领域
本发明涉及一种电流换能器或电流互感器，其包括磁芯和安装在磁芯周围的次级线圈。
背景技术
用于电流感测应用的电流换能器模块通常包括由高磁导率磁性材料制成的磁芯，该磁芯围绕中央孔，承载待测量的电流的初级导体穿过该中央孔。磁芯通常可以具有大致矩形或圆形的形状，并且根据配置，可以设置有气隙，磁场检测器(诸如ASIC形式的霍尔效应传感器或磁通门传感器)定位在该气隙中。由在初级导体中流动的电流产生的磁通量被磁芯聚集，并且表示初级电流。在闭环型电流传感器中，磁场传感器在反馈回路中连接到补偿线圈(通常也称为次级线圈)，该补偿线圈通常围绕磁芯的一部分缠绕，以便产生趋于抵消由初级导体产生的磁场的补偿电流。因此，补偿电流表示待测量的电流的图像。次级线圈也用于开环型电流换能器中，但是作为测量在变压器效应中聚集在磁芯中的磁场的拾取线圈。
电流互感器可以被认为是没有电子装置的闭环电流换能器。当提及通用术语“电流换能器”，也意味着包括电流互感器(current transformer)，其可以被认为是电流换能器的特定形式。
可以各种方式组装围绕磁芯安装的线圈。在某些电流换能器中，通过使丝线穿过气隙而将线圈围绕磁芯缠绕。然而，这需要特殊的加工并且是昂贵的过程。
此外，这种过程不能很好地适应具有在磁芯的长区段上延伸的大量匝的线圈的缠绕。此外，对于小电流换能器，使用这种缠绕技术是困难的或不可能的。
另一种已知的制造方法是弯曲磁芯或至少其分支，以呈现形成气隙的芯分支的横向偏移端部，以允许线圈插入在芯分支端部之一上方，直到随后弯曲分支以对准其端部，形成其中定位有磁场检测器的气隙。这需要磁芯的塑性变形，其具有改变磁芯的软磁特性的缺点。线圈在磁芯上的安装和随后退火以恢复材料特性是不可能的，并且因此电流换能器的性能可能受磁芯的改变的磁性材料特性影响。
然而，从制造的观点来看，将线圈围绕线圈支撑件缠绕的能力是显著更有利的，尤其是对于沿着磁芯的长区段延伸的具有大量匝数的线圈。因此，由于在降低的制造成本和复杂性方面的收获，通常容忍由于磁芯的塑性变形而导致的性能损失。
可以注意到，本发明还可以有利地更一般地用于包括位于磁芯周围的线圈的感应部件中，用于电流测量领域之外的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流换能器，其具有围绕磁芯安装的线圈，其制造经济，但具有高性能。
有利的是提供一种紧凑的电流换能器，其具有高的和可靠的测量范围。
本发明的目的已经通过提供根据权利要求1所述的电流换能器和根据权利要求16或17所述的组装电流换能器的方法而实现。
本文公开了一种电流换能器，其包括壳体，该壳体包括线圈支撑件、在第一端与第二端之间延伸的磁芯、以及线圈，该线圈包括围绕线圈支撑件形成的多个绕组。线圈支撑件包括：芯接收通道，磁芯插入在该芯接收通道内；以及径向内支撑部分和径向外支撑部分，芯接收通道设置在径向内支撑部分和径向外支撑部分之间。径向内支撑部分能够相对于径向外支撑部分可滑动地移动。
在第一实施例中，磁芯的第一和第二端在它们之间形成磁路间隙。在该第一实施例中，电流换能器可以特别包括安装在磁路间隙中的磁场检测器。
在第二实施例中，磁芯以闭环形状围绕延伸超过360°，使得芯端部与磁芯的一部分重叠。在该第二实施例中，电流换能器可以特别地为电流互感器的形式。
在有利的实施例中，磁芯围绕大约720°延伸。
在有利的实施例中，线圈支撑件包括间隔元件，所述间隔元件布置在径向内支撑部分和径向外支撑部分之间，所述间隔元件被配置成允许径向内支撑部分和径向外支撑部分之间的相对位移，同时维持支撑部分之间的空间以形成芯接收通道。
在有利的实施例中，间隔元件呈沿着径向内支撑部分和径向外支撑部分的横向边缘布置的突片的形式。
在有利的实施例中，间隔元件被形成为从径向内支撑部分一体地延伸。
在有利的实施例中，在线圈支撑体的每个横向侧上存在三个至十个之间的间隔元件，优选地存在四个至八个之间的间隔元件。
在有利的实施例中，壳体还包括基座，线圈支撑件从基座延伸。
在有利的实施例中，线圈支撑件与壳体的基座一体形成并从壳体的基座延伸。
在有利的实施例中，磁芯的第一端和第二端插入壳体的基座中的相应的腔中。
在有利的实施例中，所述基座包括锁定元件，所述锁定元件在其第二端部处接合所述磁芯，以将所述磁芯在其完全组装位置锁定到所述壳体。
在有利的实施例中，壳体基座包括被配置为安装在电路板上的安装面，磁场检测器被插入从安装面延伸到壳体中的磁场检测器容纳腔中，使得磁场检测器可通过安装面插入壳体中。
在有利的实施例中，磁芯的第一端被布置为平行于磁芯的第二端，在它们之间形成磁路间隙，第二端经由弯曲部(例如近似直角的弯曲部)连接到磁芯的主要部分。
在有利的实施例中，磁芯包括基本上矩形的横截面轮廓，磁芯由软磁材料的矩形条形成。
本文还公开了一种组装电流换能器的方法，其中磁芯的第一端从自由端插入到芯支撑件的芯接收通道中，磁芯沿轴向方向朝向壳体的基座平移。
在有利的实施方式中，在将磁芯支撑件组装到磁芯之前，线圈围绕线圈支撑件缠绕，在线圈的缠绕期间，磁芯支撑件为基本上线性的形状。
在有利的实施方式中，通过将壳体固定在可旋转工具中而使线圈围绕壳体的芯支撑件缠绕，壳体在形成线圈的丝线被馈送时旋转，并且在壳体的旋转期间，以往复运动的方式在线圈支撑件的第一端与第二端之间横向位移。
附图说明
本发明的其它目的和有利特征将从权利要求书、详细描述和附图中变得显而易见，其中：
图1a和1b是根据本发明的一个实施例的电流换能器的透视图，图1c是其底视图；
图2是沿图1c的线II-II的截面视图；
图3是根据本发明的一个实施例的电流换能器的分解透视图；
图4a和4b是根据本发明的实施例的电流换能器的壳体和线圈的透视图；
图5a至5c是侧视图，并且图6a至6c是透视图，示出了磁芯到根据本发明的实施例的电流换能器的壳体和线圈的组装插入；
图7a是根据本发明的第二实施例的电流换能器的俯视图；
图7b是沿图7a的线VIIb-VIIb的截面视图；
图7c是根据本发明的第二实施例的电流换能器的外壳和线圈的透视图；
图7d是示出磁芯装配插入到根据本发明的第二实施例的电流换能器的外壳和线圈的侧视图。
具体实施方式
参照附图，根据本发明的实施例的电流换能器1包括壳体2、磁芯5和线圈6，线圈6具有围绕磁芯定位的多个绕组。
在图1a-6c所示的第一实施例中，换能器包括磁场检测器7，其安装在形成于磁芯5的端部20a、20b之间的磁路间隙(通常称为气隙)中。
在图7a-7d所示的第二实施例中，换能器是电流互感器的形式。
磁芯5形成围绕中心通道9的电路，承载待测量的电流的初级导体可以插入通过该中心通道9。初级导体可以具有单股或可以围绕磁芯的分支缠绕一次或多次。
线圈6可以是承载电流的补偿线圈，该电流试图消除由闭环电流换能器中的初级导体(其本身是公知的)产生的磁场。在变型中，线圈可以替代地形成用于开环应用的电流互感器，这本身也在电流测量领域中是公知的。在变型中，可以存在多个线圈，例如两个线圈，由此例如第一线圈构成初级导体并且第二线圈构成补偿线圈。在又一变型中，可以存在多于两个线圈，例如除了补偿线圈之外，多个初级导体可以围绕磁芯缠绕。可选地，线圈中的至少一个可以用作静电屏蔽。屏蔽线圈可以缠绕以围绕磁芯形成一个或几个层或定位在其下方的第一或更多个线圈。
在第一实施例中，磁场检测器7可以是在电流测量领域中本身公知的各种类型，例如磁通门检测器或霍尔效应检测器，例如所示出的专用集成电路(ASIC)的形式，包括用于连接到电路板或用于集成在连接器(例如可插拔连接器)中的连接端子25。这种连接配置在电流换能器领域本身也是公知的。
壳体2包括至少一个线圈支撑件4。
在一个实施例中，该壳体可以可选地进一步包括基座3，如图1a至图6c中的所示实施例中所示。在图1a至图6c的所示实施例中，线圈支撑件4从基座3延伸。在所示实施例中，线圈支撑件4有利地与基座3一体地形成。该一体地形成的基座和芯支撑件可以通过注塑成型或其他成型技术、或通过诸如3D打印的绝缘材料(诸如聚合物)的增材制造技术来形成。然而，该壳体可以由两个或更多个部分制成，这些部分通过夹子或其他机械手段固定在一起、或通过焊接或粘合剂粘结固定在一起。
在图1a至图6c的所示实施例中，该基座包括安装面23，该安装面23具有用于将换能器连接和安装在电路板上的电路板固定元件24.然而，在一个变体中，该基座可以包括连接器，例如用于可插拔地连接到互补的连接器，而不是电路板安装构型。
在图1a-6c所示的实施例中，磁场检测器7的连接端子25和线圈连接端子8延伸到安装面23，用于电连接到电路板。线圈连接端子8可以一体地模制或装订或以其它方式固定在基座3中。在所示实施例中，线圈连接端子包括用于连接到形成线圈6的丝线导体的端部的柱。
线圈6优选地由导电丝线形成，诸如本领域中本身公知的铜丝线。然而，在变型中，线圈可以由平的条或带形成，包括薄的绝缘支撑件，例如聚合物支撑件，其上印刷或沉积有导电迹线，该带被配置为围绕线圈支撑件4缠绕。
在图1a-6c的实施例中，基座3包括磁场检测器容纳腔18，磁场检测器7插入到该腔18中，并且芯第一端和第二端容纳腔16、17在磁场检测器7的相对侧上将磁芯的相应的第一端、第二端20a、20b接收在其中，容纳腔16、17用于引导和定位磁芯的端20a、20b以精确地限定气隙。
在图1a-6c的实施例中，磁芯包括平行于所述第二端20b布置的所述第一端20a，第二端20b经由弯曲部21连接到磁芯主体部分，以允许磁芯端部20a、20b彼此平行地延伸并在其间形成气隙。
在所示的实施例中，磁芯5有利地为被弯曲成完全闭合(图7a-7d)或几乎闭合的环或卵形(图1a-6c)的软磁材料的平条带的形式，如图所示，磁芯的横截面轮廓具有基本上矩形的形式，其中矩形的大表面在径向内表面和径向外表面上。
然而，磁芯的横截面轮廓可具有其它形状，例如卵形、椭圆形、多边形、圆形或甚至不规则形状。磁芯由软磁材料制成，这样的材料在当前换能器的领域中本身是公知的。磁芯被形成为其最终形状，并且随后被退火以使磁芯内的磁性质均匀。在组装壳体和线圈期间，磁芯可略微变形，但是这样的变形保持在弹性域中，使得其不经受可改变芯的软磁材料的性质的塑性变形。
线圈支撑件4包括径向内支撑部分10和径向外支撑部分12，芯接收通道13形成在径向内部支撑部分10和径向外部支撑部分12之间。线圈支撑件4从基座端部部分14延伸到在线圈支撑件4的另一末端处的自由端部部分15，根据实施例，基座端部部分14可以与基座3固定或一体地形成。
在图1a-6c的实施例中，在基座端部14处的芯接收通道13延伸到基座3中的芯第一端容纳腔16中并与其对准。
线圈支撑件还包括间隔元件11，其保持径向内支撑部分10和径向外支撑部分12之间的一定间隙，以确保芯接收通道13形成在其间，间隔元件11允许径向内支撑部分10和径向外支撑部分12之间在线圈支撑件4的长度的主要部分上的相对位移。后者允许径向内支撑部分10和径向外支撑部分10如图4a、4b和7c所示那样直地形成，并且考虑到径向外和径向内周边在弯曲时的不同长度，还可弯曲成与如图1a至3和7b所示的磁芯5的形状一致的组装形状。
在图1a-6c和7a-7d所示的实施例中，间隔元件11(在图3中示出，但也存在于第二实施例中)与径向内支撑部分成一体，并从径向内支撑部分10的横向边缘延伸，在其间为磁芯5留有间隙。
间隔元件11可以有利地是突片(tab)的形式，多个间隔元件以间隔部分的方式布置在线圈支撑件4的基座端部14和自由端15之间，例如在每个横向侧上的四个至十个间隔元件之间。间隔元件11还可以用作磁芯5的横向引导件，以将磁芯横向地定位在芯接收通道13内。
线圈支撑件4的自由端部15可以有利地与径向内支撑部分10一体形成，并且限定用于围绕线圈支撑件缠绕的线圈6的端部凸缘。
如图4a、4b和7d所示，线圈可以在线圈支撑件4为线性或直线形式时缠绕在线圈支撑件4上。这允许通过将壳体2固定在工具中而将线圈围绕线圈支撑件4缠绕，该工具在线圈丝线被馈送时旋转壳体并且同时在基座端部14和自由端15之间以来回运动的方式位移。由于该运动是相对的，因此当然可以以来回运动的方式位移壳体2并且将丝线围绕壳体缠绕。然而，在有利的实施例中，壳体2优选地安装在旋转工具中。
在如图4a、4b和7c所示将线圈缠绕到壳体上之后，并且可选地如图1a-6c的第一实施例所示将线圈的丝线端连接到线圈连接端子8之后，磁芯5可插入到线圈支撑件4中。这在图5、6和7d中最佳地示出，由此磁芯5的第一端20a在自由端部15处插入到线圈支撑件的芯接收通道13中。
起先，线圈支撑件是直的，并且在图1a-6c的实施例中，从第一端20A开始的磁芯5的第一段也是直的，并且可以沿轴向A以一定深度插入通道13中，如图5A和6A所示。磁芯5在线圈支撑件4的芯接收通道13中的进一步插入使得芯支撑装置沿着磁芯5的轮廓弯曲，如图5b和6b所示。通过使磁芯5朝向外壳的基座3移位，可以进一步插入磁芯5，使得其上具有线圈6的线圈支撑件4到达完全插入位置，如图5c和6c所示。在完全插入位置，磁芯5的第二端20b插入外壳2的基座3的芯第二端容纳腔17中。磁路间隙由相应容纳腔16、17引导的磁芯5的第一端20A和第二端20b的位置限定。
在图7a-7d的实施例中，磁芯5以闭环形状围绕延伸超过360°，使得芯端部20a、20b与芯的一部分重叠。在示出的第二实施例中，磁芯围绕圆形延伸约720°。芯可具有如图7b和7d所示的大致圆形形状，然而其它形状也可实现，例如椭圆形或卵形形状。重叠的芯部分可形成为使得它们在插入到线圈支撑件的通道13中之前接触(彼此抵靠)，或由小间隙隔开。在插入期间，在磁芯5相对于线圈支撑件4旋转360°的过程中，重叠部分被线圈支撑件的自由端部15撬开。线圈支撑件可进一步旋转，直到整个磁芯5插入到通道13中。重叠芯的优点是减少在连接端部和磁芯的各部分之间的界面处的磁路中形成的气隙的影响。重叠磁芯的另一优点是在提供形成具有较小厚度的磁芯的条带的同时，整体增加磁芯的横截面，为插入过程提供更大的弹性以避免磁芯的塑性变形。
在图1a-6c的实施例中，锁定元件19可以在壳体基座3上提供，以在磁芯5的端部20b附近在其完全插入位置接合磁芯5。在所示的实施例中，锁定元件19是弹性夹的形式，然而，可以采用倒钩和其它过盈配合元件或夹紧机构，以在完全组装位置将磁芯固定到壳体。
在图1a-6c的实施例中，线圈和线圈支撑件4的径向内支撑部分10的厚度可以略大于磁芯中的气隙的宽度，然而，相对于气隙的厚度使得气隙的延伸不会引起保持在弹性域中的磁芯的塑性变形。
在图7a-7d的实施例的变型(未示出)中，壳体还可包括在线圈支撑件的一端处的壳体基座。壳体基座可类似于第一实施例的壳体基座(除了在如所示的该示例中其不在气隙中容纳磁场检测器之外)，包括用于线圈端部的连接的端子和/或用于安装在电路板上或用于连接到外部连接器的特征。
本发明有利地允许以成本有效且容易的方式将线圈容易地缠绕在壳体2上，并且容易地组装到磁芯而不引起芯的塑性变形，因此确保电流换能器的可靠的准确性能。有利地，线圈6可以通过将磁芯的几乎整个长度从第一端部20a延伸到第二端部20b而具有大量绕组。
在磁芯插入到线圈支撑件的芯接收通道13中期间，在接合磁芯5的弯曲部分时，比径向内支撑部分10长的径向外支撑部分12沿着磁芯5的径向外表面相对于径向内支撑部分10滑动。后者允许针对径向内侧和径向外侧的不同路径长度进行调整。
所用的附图标记列表
电流换能器1
外壳2
基座3
芯第一端部容纳腔16
芯第二端部容纳腔17磁场检测器容纳腔18锁定元件19
夹子安装面23
电路板固定元件24
线圈支撑件4
径向内支撑部分10
间隔元件11
径向外支撑部分12
芯接收通道13
基座端部14
自由端部15
磁芯5
第一端20a
第二端20b
弯曲部21
磁路间隙(气隙)
线圈6
磁场检测器7
连接端子25
线圈连接端子8用于初级导体的中心通道9
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