用于測量導體中流過的電流的裝置制造方法
【專利摘要】一種電流測量裝置，其包括至少一個線圈(1)，該線圈沒有鐵磁心，并且布置在有待測電流流過的導體(2)的附近。所述導體(2)至少部分地圍繞所述線圈(1)。
【專利說明】用于測量導體中流過的電流的裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于測量導體中流過的電流的裝置。實際上，本發明尤其適用于交流(AC)工業環境中具有與保護相關的功能的產品系列中的測量，例如由電子斷路器代表的產品，其中，這種用于測量電流的裝置代替常規的熱磁功能和/或計數功能(電流測量、電壓測量等)，本發明還適用于通信產品系列中的測量。
【背景技術】
[0002]當目前所用的電流測量裝置集成到斷路器等類型的裝置中時，其基本原理是，傳感器幾乎總是圍繞在電流(稱為初級電流)的路徑的周圍。
[0003]該傳感器例如可以是變流器型鐵磁心傳感器，所述鐵磁心圍繞導體，在該導體中有待測的初級電流流過，從而所述鐵磁心集中并導引由所述初級電流產生的磁通，并在圍繞鐵磁心的一部分的線圈(稱為次級線圈)中產生電流，該電流的大小取決于所述磁通。
[0004]以變流器為代表的這種傳感器的缺點是，構成鐵磁心的鐵磁材料可能發生飽和，而這極可能導致傳感器的輸出信號發生失真。在實際應用中，當測量很大的初級電流時，輸出信號會喪失其線性特征，而這對于測量傳感器顯然是不可接受的。
[0005]所述傳感器也可以是沒有鐵磁心的傳感器，例如羅戈夫斯基線圈型傳感器。該線圈是纏繞在由非磁性材料制成的鐵心上的線圈，它圍繞有待測電流流過的初級導體。因此，提供至線圈的端子上的電壓與流過導體的電流的強度的導數成正比。
[0006]由于沒有可發生飽和的磁芯，因此動態測量范圍更寬。但是，由于難以提供干凈的輸出信號，并且輸出端的信號電平(即，在實際應用中是信噪比)極低，因此使用這種羅戈夫斯基線圈有更嚴重的缺點。
[0007]另外，羅戈夫斯基線圈常常難以制造，因為這種線圈需要以適當的方式把多個線圈組裝起來，以確保這些線圈完全纏繞在初級導體上，同時還要確保線圈之間的連續性，如專利FR2870350中所述；或者，這種線圈需要采用纏繞在導體上的復雜結構的環形線圈。
【發明內容】
[0008]為了克服這些缺點，本發明提供一種結構簡單、易于使用、即使在測量強電流時也具有良好的輸出信號線性度、并且能提供很高的信號電平的電流測量裝置。
[0009]為了實現這些目標以及通過下文中的說明變得明顯的其它目標，本發明的電流測量裝置包括至少一個線圈，該線圈沒有鐵磁心，并布置在有待測電流流過的導體的附近。本發明的主要特征在于，所述導體至少部分地圍繞所述線圈。
[0010]實際上，這種構造與常見的構造正相反。事實上，不是線圈圍繞初級導體，而是初級導體圍繞線圈。本發明的主要優點是能顯著改善信噪比，使得信噪比明顯高于羅戈夫斯基線圈能實現的信噪比。
[0011]此電流測量裝置僅包括布置在絕緣殼架上的單個線圈。因此，不再需要組裝多個線圈以制造測量傳感器。使用單個線圈和單個殼架的優點是，能夠避免上文所述的任何飽和危險。因此，由于不存在可能發生飽和的鐵磁心，因而不論待測電流有多大，都能保持傳感器輸出信號的線性特征。
[0012]比較有利的方式是，線圈在單位長度上包括恒定的匝數。更確切地說，它在單位長度上可包括恒定層數的匝數，匝間纏繞節距是恒定的。因此，這是一種標準線圈，制造起來很簡單，對原料的要求不高，因而相當經濟。
[0013]線圈各匝的線密度的這種有規律性還能避免對輸出信號的潔凈度的任何影響，即，能避免流過初級導體的電流的任何圖像失真。
[0014]根據本發明，導體優選是環繞線圈的環的形式。
[0015]例如，導體由包括下列部分的金屬板制成:
[0016]-中央部分，分為多個臂，以形成環繞線圈的環；
[0017]-由接線端子構成的第一端和第二端。
[0018]根據第一種可能的構造，導體的中央部分可由連接至第一端和第二端之一并且環繞線圈的至少一半的主分支構成，該主分支變寬，并分兩個臂，這兩個臂沿主分支的兩側伸展，并在第一端和第二端中的另一端結合在一起。
[0019]在一種可能的實施方式中，在主分支的變寬點，主分支的最大寬度可基本相當于線圈的長度。
[0020]可替代地，能夠構想出線圈長度比所述寬度小的方案，因此，在該方案中，當從軸向觀察時，兩個臂旋繞在線圈的兩側。
[0021]根據另一種可能的構造，臂和主分支在環的閉合點可以是共面的。應說明的是，上述的特征要素可由用戶隨意組合或不組合，因為它們是獨立的，并且實際上是完全獨立的設計選擇。
[0022]可替代地，在另一個版本中，所述兩個臂為“S”形形式，該S形的反向弧之一封閉環繞線圈的環，而另一個反向弧終止在一端的連接端子的高度處。
[0023]可選地，中央部分可包括旁路，該旁路連接至所述臂或主分支，并圍繞線圈，從而在線圈周圍產生第二環。線圈周圍的初級導體的匝數越多，線圈的輸出信號電平就越高，而這能提高電流測量精度。
[0024]可以考慮增加初級導體的匝數的選項，以滿足根據多種不同的參數(尺寸考慮、成本、待處理的信號電平、工業化生產)在保護裝置的范圍之內劃分的需求。
[0025]雙環的缺點是可能導致過熱，這對于整個產品來說是有害的，尤其是對于電子器件，可能導致使用壽命嚴重縮短。
[0026]另外，雙環比單環占用更多空間，并且原料成本更高。
[0027]因此，在根據本發明的測量裝置中，需要根據導體的規格或尺寸尋求導體和線圈的各自位置之間的平衡，以避免產品的任何過熱。
[0028]為了符合在某些保護裝置中安裝本發明的裝置的條件，在沿受保護線路方向的環的任何一側，形成接線端子的第一端和第二端優選定向為彼此基本上平行，并且它們在保護裝置的外殼中串聯安裝在所述線路中。
[0029]為了提高這種構造的傳感器的性能，電流測量裝置還可包括用于導引由線圈產生的磁通的裝置。它們由圍繞構成導體的中央部分的環的一部分的至少一個‘U’形屏蔽元件組成。由鐵磁材料制成的此屏蔽件把從線圈散發的磁通集中在初級導體周圍，而不超過該范圍。U形結構的優點是，從磁性方面考慮，它不會像閉合電路那樣快速飽和，因此即使在強電流穿過導體的情況中，也不會導致任何信號失真。
[0030]根據尤其與上述的一些構造對應的一種可能性，屏蔽元件的基部例如可布置為一方面平行于圍繞線圈的導體的中央部分的一部分，另一方面平行于面向它的導體一端，并位于導體的中央部分的一部分與導體一端之間，而所述U形的兩個分支分別朝向線圈的兩端。
[0031]U形屏蔽元件可按適當的方式連接至可動葉片，從而在導體的環周圍形成磁路，所述葉片基于磁路狀況的移動可由連接至該葉片的脫扣裝置利用，從而當導體上發生過載時，使鎖定裝置脫扣。通過這種方式，屏蔽件不僅用于疏通磁通，還形成能夠以很低的成本為本發明的裝置提供附加功能的磁路?？蓜尤~片和可能布置在下游的脫扣系統的致動提供使依賴于上述鎖定裝置的電觸點斷開的能力。
[0032]當系統電子裝置沒有足夠的時間管理斷路器的脫扣時，尤其是當電流超過40XIn(標稱電流)時，會發生這種脫扣。在此情況下，經證明，電子裝置的動作速度太慢，不能有效地引起脫扣。
[0033]但是，只有在磁路中流動的電流不能互相消除時，測量裝置才能與脫扣裝置連通，因此，必須具有一種特定的配置，其中，導體在側臂之間穿過線圈附近返回，或者更一般地說，導體在磁路中穿過奇數次。
[0034]而且，本發明的測量裝置可連接至變流器，該變流器具有布置在導體的一部分的周圍的磁心，并用于通過次級繞組向控制電子系統供電。本發明的測量裝置的線圈沒有足夠的能力在輸出測量信號的同時向控制電子系統供電，因此需要向所述測量裝置增加具有自己的線圈的這種變流器。
[0035]根據導體的形式和形狀以及導體和線圈之間的布置，此變流器可布置在不同的位置。例如，相對于電流方向，該變流器可布置在線圈的上游，在導體的連接端子附近。在此情況下，上述的屏蔽元件能防止所述變流器從由導體產生的閉環區中“抽取”磁通。因此，為了僅在線圈的周圍導引磁通，必須存在上述的屏蔽元件。
[0036]根據一種用于提高組件的緊湊性的可能特性，所述變流器的磁心可布置在導體的環的中央部分的周圍，并圍繞線圈。在此情況下，不再有從由導體產生的閉環區中“抽取”磁通的現象，相反，按與上述的具有屏蔽件的情況類似的方式導引的磁通會被疏通或增強。因此，當變流器按這種方式布置時，測量裝置不需要附加的屏蔽。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]通過下文中參照附圖做出的對多種實施方式的非限定性例子的說明，本發明的其它特性和優點將變得更明顯，在附圖中:
[0038]-圖1至圖3示出了測量裝置的三種可能的構造；
[0039]-圖4示出了第一種構造的測量裝置與其上連接的屏蔽元件和變流器的組合；
[0040]-圖5示出了第二種構造的測量裝置與其上連接的脫扣裝置和變流器的組合；
[0041]-圖6示出了第三種構造的測量裝置與其上連接的脫扣裝置和變流器的組合；
[0042]-圖7示出了一種具有雙環的測量裝置。
【具體實施方式】
[0043]圖1至圖3所示的測量裝置由線圈I組成，在線圈I的周圍至少部分地纏繞有導體2，待測電流流過導體2。
[0044]線圈I布置在絕緣殼架3上，并與具有線性累進速率和簡單構造的常規線圈相當。
[0045]導體2由包括下列部分的金屬片或金屬板構成:
[0046]-由連接端子構成的第一端4;
[0047]-中央部分5，其形成圍繞線圈I的環；和
[0048]-也由連接端子構成的第二端6。
[0049]在圖1中，導體2的中央部分5由主分支7構成，主分支7連接至第一端，并從線圈I下穿過，向上轉至線圈I的后面，從線圈I的上方穿過，然后分為兩個臂(8、9)，這兩個臂在線圈I前面穿過，并在第二端6的高度處結合在一起。
[0050]因此，線圈I的前中央區10不被導體2遮蓋。這不重要，因為線圈I的場線(其中一些以虛線表示)從線圈I的兩端出發，并圍繞導體2的臂(8、9)。還可以使主分支7向上延伸至線圈I的前面，然后把其分為兩個臂。但是，最重要的是確保導體2的各個不同部分彼此不接觸，以避免發生任何短路。
[0051]繞線圈I流過的電流以箭頭表示。在圖1所示的情況中，從磁性角度說，電流在邏輯上能夠互相消除，無需在環的周圍布置磁軛。
[0052]在圖2中，臂(8,9)為類似于“S”形狀的形式，并在線圈I下面穿過后再在導體2的第二端6的高度處結合到一起。在此情況下，導體2在線圈I下穿過兩次并返回:第一次是主分支7穿過，第二次是臂(8、9)穿過。
[0053]繞線圈I流動的電流不能互相消除，因為當電流在線圈I下流動時，電流穿過兩次，而當電流在線圈I上方流動時，電流僅穿過一次。因此，圖2所示的構造能夠為此測量裝置增加脫扣功能，因為能夠檢測電流并由此能夠檢測過流狀況。這將在下文中參照圖5更詳細地說明。
[0054]在圖3中所示的構造中，臂(8、9)和主分支7之間的結構與圖1和圖2所示的構造中的相反。在此情況下，導體2的中央部分5由兩個臂(8、9)構成，這兩個臂從第一端4伸出，在線圈I下面穿過，并在線圈I的后面結合在一起，形成主分支7，主分支7遮蓋住線圈I的頂部、前面和下部。在線圈I的前面的高度處，主分支7的寬度減小，從而能夠在線圈I下在臂(8、9)之間穿過。因此，主分支7和臂(8、9)在線圈I之下是共面的。
[0055]在圖3所示的構造的基礎上，圖7中的導體2進一步分出一個附加的臂11，該附加的臂11構成線圈I周圍的第二環。在產生第一環的導體2的部分與第二環之間形成有縫隙12，例如氣隙，一方面，該縫隙可避免這兩者之間接觸，從而防止任何短路，另一方面，該縫隙產生通風區，以防止線圈I周圍發生溫度異?；蜻^熱。
[0056]圖4再次示出了如圖1所示的導體2的構造。在此情況下，測量裝置連接有變流器，該變流器包括:
[0057]-環繞導體2的主分支7的一部分的回路或磁心13;和
[0058]-環繞磁路13的一部分的次級線圈14。
[0059]此變流器用于向控制電子系統(未示出)供電。
[0060]變流器的磁路13有吸引源自于線圈I的磁通因而使場線偏斜的傾向。優選以適當的方式在導體2的中央部分5的周圍增加屏蔽元件15，以便疏通和導引磁通。屏蔽元件15由鐵磁材料制成，并為U形形式，其基部16位于主分支7和線圈I下的第二端6之間，分叉(17、18)的兩部分分別朝向線圈I的兩端。
[0061]此屏蔽元件15擰緊到端子6上，從而直接緊固到導體2上。
[0062]圖5再次示出了如圖2所示的導體2的構造。測量裝置也連接至如上所述的包括磁路13和線圈14的變流器。
[0063]它還包括屏蔽元件15，在此情況下，該屏蔽元件15的基部16位于臂(8、9)和線圈I下的第二端6之間。
[0064]由于在這種構造中繞線圈I流過的電流的和不是零，因此能夠在此測量裝置上結合脫扣功能。為此，需要再次使用屏蔽元件15，并與布置為朝向屏蔽元件15并具有倒‘U’形形狀的可動葉片19連接，從而在導體2的周圍形成帶有氣隙的磁路。因此，當導體2中發生過載(例如短路)時，此脫扣功能提供通過脫扣裝置或類似裝置使鎖定裝置(未示出)脫扣的能力。
[0065]圖6再次示出了如圖3所示的導體2的構造。在圖6中，測量裝置連接至變流器，在此情況下，變流器的磁路13布置在圍繞線圈I的導體2的環的周圍。在此情況下，磁路13以上述的屏蔽元件的方式疏通和導引磁通。
[0066]在此構造中，能夠在導體2的一部分的周圍增加脫扣系統。所述脫扣系統通常包括具有與上述的屏蔽元件15相同的結構的固定基部20和如上所述的可動葉片19。需要進行機械校準，以確保當導體2中的電流超過某個閾值后葉片19僅被吸引到基部20上。
【權利要求】
1.一種電流測量裝置，包括至少一個線圈(1)，該線圈沒有鐵磁心，并且布置在有待測電流流過的導體(2)的附近， 其特征在于，所述導體(2)至少部分地圍繞所述線圈
2.如權利要求1所述的電流測量裝置，其特征在于，該電流測量裝置包括布置在絕緣殼架⑶上的單個線圈(1)。
3.如在前權利要求中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，線圈(1)在單位長度上包括恒定的匝數。
4.如權利要求3所述的電流測量裝置，其特征在于，線圈(1)在單位長度上包括恒定層數的匝數，并且，匝間纏繞節距是恒定的。
5.如在前權利要求中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，導體(2)為環繞線圈(1)的環的形式。
6.如在前權利要求中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，導體(2)由包括以下部分的金屬片構成: -中央部分(5)，分為多個臂，以形成環繞線圈⑴的環；和 -由接線端子構成的第一端和第二端(16)。
7.如權利要求6所述的電流測量裝置，其特征在于，導體⑵的中央部分(5)由連接至第一端和第二端(16)之一并且環繞線圈(1)的至少一半的主分支(7)構成，該主分支(7)變寬，并分為沿主分支(7)的兩側伸展并在第一端和第二端(44)中的另一端(6)結合在一起的兩個臂(83)。
8.如權利要求7所述的電流測量裝置，其特征在于，主分支(7)的最大寬度基本相當于線圈(1)的長度。
9.如權利要求7和8中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，兩個臂(83)和主分支(7)在環的閉合點是共面的。
10.如權利要求7至9中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，所述兩個臂(83)為“3”形形式，該3形的反向弧之一封閉環繞線圈(1)的環，而另一個反向弧終止在一端(6)的連接端子的高度處。
11.如權利要求7至10中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，中央部分(5)包括旁路(11),該旁路連接至所述臂(83)或主分支(7),并圍繞線圈(1),從而在線圈⑴的周圍產生第二環。
12.如權利要求6至11中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，形成接線端子的第一端和第二端(44)定向為彼此基本上平行。
13.如在前權利要求中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，該電流測量裝置包括用于導引由線圈(1)產生的磁通的裝置。
14.如權利要求13所述的電流測量裝置，其特征在于，用于導引磁通的所述裝置由圍繞構成導體(2)的中央部分(5)的環的一部分的至少一個‘V形屏蔽元件(15)構成。
15.如權利要求14所述的電流測量裝置，其特征在于，屏蔽元件(15)的基部(16)布置為一方面平行于圍繞線圈(1)的導體(2)的中央部分(5)的一部分，另一方面平行于面向它的導體(2)的一端(6),并位于導體(2)的中央部分(5)的一部分與導體(2)的一端(6)之間，而所述I形的兩個分支(1738)分別朝向線圈⑴的兩端。
16.如權利要求14和15中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，I形屏蔽元件(15)由鐵磁材料制成。
17.如權利要求14至16中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，I形屏蔽元件(15)可以連接至可動葉片(19),從而在導體(2)的環的周圍形成磁路。
18.如在前權利要求中任一項所述的電流測量裝置，其特征在于，該電流測量裝置可以與變流器連接，該變流器具有布置在導體(2)的一部分的周圍的磁心(13),并且用于通過次級繞組(14)向控制電子系統供電。
19.如權利要求18所述的電流測量裝置，其特征在于，所述變流器的磁心(13)可以布置在導體(2)的環的中央部分(5)的周圍。
【文檔編號】G01R15/18GK104508500SQ201380040373
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年7月26日 優先權日:2012年7月31日
【發明者】G.斯托克, T.哈姆 申請人:黑格電子股份有限公司
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