[发明专利]用于电流传感器的纳米晶芯、包含纳米晶芯的单和双级能量计以及电流探针

说明书

本发明涉及一种用于制造电流传感器型的电感性元件的磁芯。

在元件或电流传感器的情况下，特别是对于可能包括显著的叠加 直流分量的交流传感器的情况下，有必要具有减少了磁导率的芯，以 便不使芯饱和，然而没有这一点则太弱以致于传感器不能保持令人满 意的测量精度。传感器性能必须在高极化场中、以及在尽可能宽的温 度范围上、某些情况下在宽的频率范围上稳定。

这种电流传感器特别用在电能量计变压器(transformer)中，后者 将被供电的负载系统中的所有设备隔离开，同时提供用于计量能量的 电信号。

可以直接连接到负载电流的变流器(current transformer)(根 据IEC 1026的类型1。在该整个文档中，只要引用该标准，则引用是 指最接近30.10.2004的先前版本)包括采取这样的芯的形式的单个级 (stage)，即该芯组合变压器-隔离器和用于计量能量的电流传感器的 功能。如可以从图1中看出的，在图1中由1总的表示的这样的变压 器一般包括三部分：

-复曲面(toric)磁路(图中不是直接可见的)，用于最小化磁损 耗，

-电阻R₁的N₁匝的初级线圈2(常常引向通过磁芯的单个导线) (N₁＝1)，其中流过电流i₁，

-电阻R₂(通常是2500的量级)的N₂匝的次级线圈3，其中流 过电流i₂。

如果电流与电压之间的相位偏移很小，并且如果初级和次级电流 之间的关系尽可能地线性，那么电流传感器计量能量的精度是令人满 意的。这尤其是通过尽可能高的磁化感应系数A_L实现的，并且这意味 着有很大的次级线圈匝数N₂，而且磁导率μ也尽可能高。事实上，不 管在要测量的交流I₁上是否存在叠加的直流分量I_DC，这些电流的组 合一定不能将芯带到饱和区附近，因为否则的话B-H关系将不再完全 线性。如果其B-H关系近似线性的感应范围称为ΔB，则不能超过的 临界场是ΔB/μmax，否则的话会产生饱和，得出的非饱和条件如下：

I_max＝|(I_CC+I₁)|＜N₁.(ΔB/μ_max).

这意味着需要测量的最大容许电流I_max增加越多，材料的磁导率 必须减少越多，以避免饱和。

在实践中，对于上面可能叠加直流分量的小测量额定值(根据标 准，5到50A)，使用单级传感器结构和非晶钴基合金的磁芯。

对于上面可能叠加直流分量的50A以上的负载电流额定值，该标 准建议图2所示的双级结构，其具有：与前一情况中类似的、用4总 的表示的导前(leading)变流器，负责隔离和消除直流分量；和从变压 器分出来的、用5总的表示的高灵敏度电流传感器。由于后者防止传 感器饱和的所有风险，因此使用很高磁导率的磁芯时有各项好处。

这些电流传感器的另一标准应用是在中和高功率设备中有功功 率元件(IGBT、GTO、闸流晶体管等)的电流控制。这种类型的应 用要求传感器应当能够测量非常快速并且频繁随时间变化的电流，因 此要求它应当具有覆盖最宽的可能频率测量范围的宽的测量动态，典 型地至少为1MHz。最有效的传感器是对于最小的物理大小具有最大 精度和测量动态的传感器。

在这种设备中，使用类似于刚才描述的双级结构，其具有低等效 磁导率导前变流器和分支电流传感器，它们基于具有大频率稳定性的 高磁导率磁芯，如传统的高磁导率纳米晶芯(μ＞20000)。

遭受强的叠加直流分量(能量计应用)或大而且快速的电流变化 (谐波测量应用，如控制有功功率元件的电流探针)的电流传感器变 压器的芯所要求的性能基本相同，并且可以归纳如下：

-电感性元件的芯必须具有好的磁特性和好的热稳定性，这将 特别有助于提高该元件的限定工作温度以及提供不很依赖于工作温度 的测量精度。典型地，该温度稳定性是在-40℃到+60℃之间磁导率 的变化率在百分之几的量级。

-它必须在可能超过100℃的气氛中显示很少的老化。