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CN108872887B - 磁场补偿装置 - Google Patents

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CN108872887B
CN108872887B CN201810421585.2A CN201810421585A CN108872887B CN 108872887 B CN108872887 B CN 108872887B CN 201810421585 A CN201810421585 A CN 201810421585A CN 108872887 B CN108872887 B CN 108872887B
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Abstract

一种磁场补偿装置具有：棒状的第一通量传导件，其具有构造在X方向上的纵轴线并且具有第一头侧端部；和棒状的第二通量传导件，其具有构造在X方向上的纵轴线，第一通量传导件和第二通量传导件相对彼此在Y方向上间隔开，它们的纵轴线基本上彼此平行地布置；磁场传感器；环绕通量传导件地构造的补偿线圈；控制单元，其与磁场传感器和补偿线圈处于电式的作用连接中，控制单元设置用于根据磁场传感器的测量信号如此调节通过补偿线圈的补偿电流，使得对于构造在X方向上的外磁场在磁场传感器的位置上基本上补偿磁场，在第二通量传导件中构造有在X轴线方向上的磁场，磁场传感器布置在第一通量传导件的头侧端部上。

Description

磁场补偿装置
技术领域
本发明涉及一种磁场补偿装置。
背景技术
由US 8 754 642 B2、US 8 519 704 B2、US 3 323 056和EP 2 833 109 A1已知分立的和集成的磁场补偿装置。
由D.Heuman等人在“EPCE Seminar Sensors in Power electronic”中所著的“Closed loop current Sensors with magnetic probe”(2007年3月15，德国，埃尔兰根)中已知另一种磁场补偿装置。
发明内容
按照本发明，提出了一种磁场补偿装置，其具有：棒状的第一通量传导件，所述第一通量传导件具有构造在X方向上的纵轴线并且具有第一头侧端部，棒状的第二通量传导件，所述第二通量传导件具有构造在所述X方向上的纵轴线并且具有第二头侧端部，其中，所述第一通量传导件和所述第二通量传导件相对彼此在Y方向上间隔开，并且，所述第一通量传导件的纵轴线和所述第二通量传导件的纵轴线基本上彼此平行地布置，磁场传感器，环绕所述第一通量传导件地和/或环绕所述第二通量传导件地构造的补偿线圈，控制单元，其中，所述控制单元与所述磁场传感器和所述补偿线圈处于电式的作用连接中，并且，所述控制单元设置用于根据所述磁场传感器的测量信号如此调节通过所述补偿线圈的补偿电流，使得对于构造在所述X方向上的外磁场在所述磁场传感器的位置上基本上补偿所述磁场，其中，在所述第二通量传导件中构造有在所述X方向上的磁场，并且，所述磁场传感器布置在所述第一通量传导件的所述第一头侧端部上、而并不布置在第二通量传导件的所述第二头侧端部上，并且，所述磁场传感器和所述第一通量传导件和所述第二通量传导件和所述补偿线圈和所述控制单元分别主要集成在半导体衬底中。
在该背景下，本发明的任务在于，说明一种扩展现有技术的设备。
该任务通过具有上述技术方案特征的磁场补偿装置解决。本发明的有利的构型为后续说明的主题。
根据本发明的主题，提供一种磁场补偿装置，其具有棒状的第一通量传导件和棒状的第二通量传导件，所述第一通量传导件具有构造在X方向上的纵轴线并且具有第一头侧端部，所述第二通量传导件具有构造在X方向上的纵轴线。
第一通量传导件和第二通量传导件相对彼此在Y方向上间隔开，其中，第一通量传导件的纵轴线和第二通量传导件的纵轴线基本上彼此平行地布置。
磁场补偿装置也包括磁场传感器和环绕第一通量传导件地和/或环绕第二通量传导件地构造的补偿线圈并且包括控制单元，其中，控制单元与磁场传感器和补偿线圈处于电式的作用连接(Wirkverbindung)中。
控制单元设置用于根据磁场传感器的测量信号如此调节通过补偿线圈的补偿电流，使得对于构造在X方向上的外磁场在磁场传感器的位置上基本上补偿磁场。
在第二通量传导件中构造有在X轴线方向上的磁场。
磁场传感器布置在第一通量传导件的头侧端部上。
磁场传感器和第一通量传导件和第二通量传导件和补偿线圈和控制单元分别主要集成在半导体衬底中。
为了补偿外磁场，借助补偿线圈在第一通量传导件中感应生成相对于第二通量传导件反向的磁场。换言之，补偿线圈在两个通量传导件上具有相反的绕组走向。
应注意，优选控制单元也设置用于由补偿电流的高度求取外磁场的强度。接下来，外磁场也称作初级磁场，所述外磁场在磁场补偿装置的物理的延伸之外具有其源。初级磁场的强度的求取优选借助参考值执行。
这两个通量传导件可以不但构造在仅仅一个印制导线平面内或者构造在不同的印制导线平面内。补偿线圈也可以借助印制导线和通孔实现，从而包围第二通量传导件或者也包围两个通量传导件。控制单元尤其构造为集成电路。优选地，各个结构元件全部共同地、单片式地集成在半导体组件上。
应注意，借助磁场的补偿在磁场传感器的位置上产生几乎或者恰好一个磁性的零场(Nullfeld)。不言而喻地，在此执行在X轴线的方向上的磁场的强度的求取，然而尤其可以通过该布置向其他的空间方向的转动一样地求取在其他的空间方向上的磁场的强度。
也应注意，外部的磁场、即初级磁场越大，则借助补偿线圈产生的磁场必须变得越高。补偿线圈的磁场的场力线在第二通量传导件中在正的X方向上构造。换言之，外磁场和补偿线圈的磁场在相同方向上叠加。而外磁场和补偿线圈的磁场方向相反地叠加和补偿。
不言而喻地，通量传导件由合适的、尤其铁磁性的材料构造。优选使用具有小的磁滞作用的软磁性的材料。换言之，通量传导件的至少一个部分充当补偿线圈的线圈芯。
也不言而喻地，通量传导件聚集补偿线圈的所有磁场分量，并且由此提高效率、即由以mT为单位的补偿场和以mA为单位的补偿电流组成的比例关系。
同时，通量传导件的部分可以减弱或者提高外部的场。由此提高效率、即由以mT为单位的补偿场和以mA为单位的补偿电流组成的比例关系。
磁场补偿装置的一个优点是，可以借助磁场补偿装置由补偿电流的大小以准确和可靠的方式求取电流流经的导体的初级磁场。在这里，导体不布置在磁场补偿装置内部。
另一个优点是，提高磁场传感器的运行电流可以分别保持非常小。由此可以避免补偿线圈的和磁场传感器的变热并且提高求取的准确性。
也应注意，如果两个通量传导件未磁性地耦合或者仅仅很少地磁性地耦合，补偿线圈的一部分也环绕第一通量传导件地布置。在这里，补偿线圈的环绕第一通量传导件地布置的部分相比补偿线圈的环绕第二通量传导件地构造的部分具有反向的绕组走向。
在对补偿线圈通电的情况下，相比第二通量传导件，在第一通量传导件中感应生成反向的磁场，或者换言之，根据在补偿线圈中的补偿电流的方向，磁通量方向在通量传导件之一中构造在正的X方向上并且在其他的通量传导件中构造在负的X方向上。然而在此，磁场补偿装置通过补偿线圈如此构造，使得在第一通量传导件中感应生成构造在负的X方向上的通量方向并且补偿构造在正的X方向上的磁场。
优选地，第二通量传导件主要或者完全由补偿线圈包围。
在一种扩展方案中，在X方向上，第二通量传导件的长度大于第一通量传导件的长度。通过这两个通量传导件的长度的比例关系可以调节减弱或者加强。
在减弱和加强之间的比例关系与所列举的所示出的长度比例关系大致同样大。在一种实施方式中，第一通量传导件比第二通量传导件更短。
在一种扩展方案中，这两个通量传导件的长度大致同样长或者恰好同样长。
在另一种扩展方案中，第二通量传导件完全穿过补偿线圈。
在一种实施方式中，棒状的第三通量传导件设有构造在Y方向上的纵轴线。优选地，第三通量传导件与第一通量传导件磁性地连接和/或与第二通量传导件磁性地连接。
在另一种实施方式中，补偿线圈环绕第三通量传导件地构造和/或环绕第一通量传导件地构造。
在一种扩展方案中，棒状的第四通量传导件设有构造在X方向上的纵轴线，其中，第四通量传导件与Y方向反向地与第一通量传导件间隔开，并且第一通量传导件的纵轴线和第四通量传导件的纵轴线基本上彼此平行地构造。
在另一种扩展方案中，棒状的第五通量传导件设有构造在Y方向上的纵轴线。优选地，第五通量传导件与第一通量传导件磁性地连接和/或与第四通量传导件磁性地连接。
在一种实施方式中，通量传导件的布置和补偿线圈的布置相对于Y-Z平面镜像对称地构造，从而形成由两个部分件组成的布置。
在另一种扩展方案中，所述两个布置磁性地相互连接。
优选地，通量传导件分别一件式地构造。
在一种实施方式中，磁场传感器和第一通量传导件和第二通量传导件和补偿线圈和控制单元集成在相同的半导体衬底中。
在另一种实施方式中，磁场传感器构造为构造在半导体衬底中的MR传感器或者构造为霍尔传感器或者构造为磁通门传感器。
在一种扩展方案中，通量传导件能导磁地相互连接，或者，在通量传导件之间构造有间隙，其中，在通量传导件之间的间隙小于第一通量传导件的直径的四倍或者小于直径的单倍地构造。
优选地，所有通量传导件以及磁传感器完全地或者几乎完全地被补偿线圈包围。
在另一种实施方式中，第二通量传导件不被补偿线圈包围。
在一种实施方式中，补偿线圈的绕组沿着延伸具有不同的横截面。优选地，绕组横截面在补偿线圈的中心最小。在一种扩展方案中，在补偿线圈的两个端部处的绕组横截面相比在补偿线圈的中心的绕组横截面增大，即，绕组横截面在补偿线圈的这两个端部上最大。
优选地，补偿线圈的绕组横截面在磁场传感器附近最小并且在第一通量传导件的两个部分的两个端部上最大。
在一种扩展方案中，仅仅第一通量传导件和磁场传感器完全地或者几乎完全地被包围，然而第二通量传导件或者必要时其他的通量传导件不被包围。
在一种扩展方案中，构造有两种不同类型的磁场传感器。在这里，两种类型的磁场传感器布置第一通量传导件的头侧端部上或者布置在两个通量传导件之间的间隙中。
附图说明
接下来，参照附图详细地阐述本发明。在这里，同类的部分以相同的符号标记。所示出的实施方式是强烈地示意性的，也即间距和横向的和竖直的延伸不是按比例的，并且——只要不另外地说明——也不具有能推导的、相对彼此的几何关系。在此示出：
图1a示出第一实施方式的横截面；
图1b示出具有存在的补偿场的第一实施方式的横截面；
图2示出具有存在的补偿场的第二实施方式的横截面；
图3示出具有存在的补偿场的第三实施方式的横截面；
图4示出具有存在的补偿场的第四实施方式的横截面；
图5示出具有存在的补偿场的、根据本发明的第五实施方式的横截面；
图6示出具有存在的补偿场的第六实施方式的横截面；
图7示出具有存在的补偿场的第七实施方式的横截面；
图8示出第八实施方式的横截面；
图9示出第九实施方式的横截面；
图10示出第十实施方式的横截面。
具体实施方式
图1a的图示出在未通电的状态下磁场补偿装置10的第一实施方式的横截面。由于概览性原因，绘出笛卡尔坐标系。
磁场补偿装置10包括具有头侧端部22的棒状的第一通量传导件20并且包括棒状的第二通量传导件30和补偿线圈40和磁场传感器50和未示出的控制单元。在第一通量传导件20的头侧端部22——接下来也称作端侧——上布置有磁场传感器50。由于概览性原因，在补偿线圈40中仅仅说明上方的绕组位置。
应注意，磁场传感器50和第一通量传导件20和第二通量传导件30和补偿线圈40和未示出的控制单元分别主要地或者完全地集成在半导体衬底中。通量传导件20和30构造在相同的或者不同的印制导线平面内。补偿线圈40可以借助印制导线和通孔实现。控制单元构造为集成电路。在一种实施方式中，各个结构元件全部共同地、优选单片式地集成在半导体组件上。
第一通量传导件20和第二通量传导件30分别具有构造在X方向上的纵轴线，其中，第一通量传导件和第二通量传导件30相对彼此在Y方向上间隔开，并且，第一通量传导件20的纵轴线和第二通量传导件30的纵轴线基本上彼此平行地布置。在X方向上，第二通量传导件的长度大于第一通量传导件的长度。
补偿线圈40几乎完全地包围第二通量传导件30。优选地，补偿线圈40至少部分地也包围第一通量传导件20以及在一种未示出的实施方式中也包围磁场传感器50。
补偿线圈40的环绕第一通量传导件20和磁场传感器地布置的部分相比补偿线圈40的环绕第二通量传导件30地构造的部分具有反向的绕组走向。
由此，通过补偿线圈的补偿电流导致，相比第二通量传导件30，在第一通量传导件20中感应生成反向的磁场，或者换言之，根据在补偿线圈中的补偿电流的方向，磁通量方向在两个通量传导件20、30的一个中构造在正的X方向上并且在两个通量传导件20、30的另一个中构造在负的X方向上。
磁场补偿装置10布置在构造在正的X方向上的初级的外磁场HP中。与之相应地，在第一通量传导件20中和在第二通量传导件30中分别感应生成构造在正的X方向上的初级磁通量BP。
图1b示出在图1a中示出的、具有存在的补偿场的、即在通电状态下的根据本发明的第一实施方式的横截面。
控制单元与磁场传感器50和补偿线圈40处于电式的作用连接中并且设置用于：根据磁场传感器50的测量信号检测初级磁场BP的强度并且借助补偿电流IFB对补偿线圈40通电，从而构造在X方向上的初级的外磁场BP在磁场传感器50的位置上借助通过补偿电流IFB在第一通量传导件20中感应生成次级磁场BFB并且如此调节补偿电流IFB的高度，使得在磁场传感器50的位置上在X方向上产生所谓的零场。
换言之，在此，在第一通量传导件20中感应生成构造在负的X方向上的次级磁通量BFB，并且在第二通量传导件30中感应生成构造在正的X方向上的次级磁通量BFB。初级磁场BP和次级磁场BFB在第二通量传导件30中指向相同的方向。
此外，控制单元设置用于由补偿电流IFB的高度求取初级磁场BP的大小。
在图2中示出具有存在的补偿场的第二实施方式的横截面。接下来仅仅阐述相对于之前的实施方式的区别。
在第一通量传导件20和第二通量传导件30之间设有棒状的第三通量传导件100，所述第三通量传导件具有构造在Y方向上的纵轴线。第三通量传导件100与第一通量传导件20以及与第二通量传导件30能导磁地、即材料锁合地连接，以便提高补偿线圈的效率。
补偿线圈40环绕第二通量传导件30地并且部分环绕第三通量传导件100地构造。这三个通量传导件20、30和100u形地布置。
在图3中示出具有存在的补偿场的第三实施方式的横截面。接下来仅仅阐述相对于图2的实施方式的区别。
第三通量传导件100与第二通量传导件30磁性地连接，而在第三通量传导件100和第一通量传导件之间构造有小于第一通量传导件的直径的间隙。通过在第一通量传导件和第三通量传导件之间的间隙非常小的方式，这两个通量传导件还磁性地耦合。
在图4中示出具有存在的补偿场的第四实施方式的横截面。接下来仅仅阐述相对于图2的实施方式的区别。
补偿线圈40环绕所有三个通量传导件20、30和100地构造并且优选也环绕磁场传感器地构造。
在图5中示出具有存在的补偿场的第五实施方式的横截面。接下来仅仅阐述相对于图3的实施方式的区别。
图3的布置相对于构造在Y-Z平面中的面镜像对称地扩展，其中，镜面在X方向上如此布置，使得构成在图3中示出的结构的倍增。磁场传感器50布置在第一通量传导件20的两个部分的两个头侧端部之间。换言之，镜面在磁场传感器50的中心穿过磁场传感器。
补偿线圈40仅仅完全地包围现在延长的第二通量传导件30。在第一通量传导件20的这两个部分之间分别构造有到第三通量传导件100的这两个部分的小的间隙。
在图6中示出具有存在的补偿场的第六实施方式的横截面。接下来仅仅阐述相对于图5的实施方式的区别。
图2的布置相对于构造在Y-Z平面中的面镜像对称地扩展，其中，镜面在X方向上如此布置，使得构成在图2中示出的结构的倍增。磁场传感器50布置在第一通量传导件20的这两个部分的两个头侧端部之间。
补偿线圈40仅仅完全地包围现在延长的第二通量传导件30。在第二通量传导件20具有两个部分，所述两个部分具有构造在镜面的位置上的小的间隙。然而，第二通量传导件的这两个部分磁性地相互耦合。
在图7中示出具有存在的补偿场的第七实施方式的横截面。接下来仅仅阐述相对于图6的实施方式的区别。
第二通量传导件30的这两个部分现在相互连接。补偿线圈40几乎完全包围延长的第二通量传导件30以及第三通量传导件100的这两个部分。
图8示出第八实施方式的横截面。接下来，仅仅阐述相对于之前的实施方式的区别。由于概览性的原因，仅仅示出通量传导件。
图2的布置相对于构造在X-Z平面中的平面镜像对称地扩展，其中，镜面在Y方向上如此布置，使得构成在图2中示出的结构的倍增，其中，镜面在磁场传感器50的中心穿过磁场传感器。
换言之，棒状的第四通量传导件300设有构造在X方向上的纵轴线。第四通量传导件300与Y方向反向地与第一通量传导件20间隔开，并且，第一通量传导件20的纵轴线和第四通量传导件300的纵轴线基本上彼此平行地构造。棒状的第五的通量传导件400设有构造在Y方向上的纵轴线。第五通量传导件400与第一通量传导件20以及与第四通量传导件300能导磁地、即直接地连接。
图9示出第九实施方式的横截面。接下来，仅仅阐述相对于与图8的图相关联地示出的实施方式的区别。
图8的布置相对于构造在Y-Z平面中的面镜像对称地扩展，其中，镜面在X方向上如此布置，使得构成在图8中示出的结构的倍增，其中，镜面在磁场传感器50的中心穿过磁场传感器。在第四通量传导件300的这两个部分之间构造有小的间隙。然而，第四通量传导件300的这两个部分磁性地耦合。
图10示出第十实施方式的横截面。接下来，仅仅阐述相对于与图5的图相关联地示出的实施方式的区别。由于概览性的原因，选择未通电的示图。
第一通量传导件20的这两个部分比第二通量传导件30更短。补偿线圈40在此仅仅包围第一通量传导件20以及磁场传感器50并且具有带有不同的横截面的绕组。在这里，横截面在磁场传感器50附近最小并且在第一通量传导件20的这两个部分的两个端部上最大。

Claims (20)

1.一种磁场补偿装置(10)，其具有：
棒状的第一通量传导件(20)，所述第一通量传导件具有构造在X方向上的纵轴线并且具有第一头侧端部(22)，
棒状的第二通量传导件(30)，所述第二通量传导件具有构造在所述X方向上的纵轴线并且具有第二头侧端部，其中，所述第一通量传导件(20)和所述第二通量传导件(30)相对彼此在Y方向上间隔开，并且，所述第一通量传导件(20)的纵轴线和所述第二通量传导件(30)的纵轴线基本上彼此平行地布置，
磁场传感器(50)，
环绕所述第一通量传导件(20)地和/或环绕所述第二通量传导件(30)地构造的补偿线圈(40)，
控制单元，其中，所述控制单元与所述磁场传感器(50)和所述补偿线圈(40)处于电式的作用连接中，并且，所述控制单元设置用于根据所述磁场传感器(50)的测量信号如此调节通过所述补偿线圈(40)的补偿电流(IFB)，使得对于构造在所述X方向上的外磁场在所述磁场传感器(50)的位置上基本上补偿所述磁场，
其特征在于，
在所述第二通量传导件(30)中构造有在所述X方向上的磁场，并且，所述磁场传感器(50)布置在所述第一通量传导件(20)的所述第一头侧端部上、而并不布置在第二通量传导件(30)的所述第二头侧端部上，并且，所述磁场传感器(50)和所述第一通量传导件(20)和所述第二通量传导件(30)和所述补偿线圈(40)和所述控制单元分别主要集成在半导体衬底中。
2.根据权利要求1所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，在X方向上，所述第二通量传导件(30)的长度大于所述第一通量传导件(20)的长度，或者，在X方向上，所述第二通量传导件(30)的长度小于所述第一通量传导件(20)的长度，或者，所述两个通量传导件(20，30)的长度同样长。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述第一通量传导件和/或所述第二通量传导件(30)完全地穿过所述补偿线圈(40)。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，在所述第一通量传导件(20)和所述第二通量传导件(30)之间设有棒状的第三通量传导件(100)，所述第三通量传导件具有构造在Y方向上的纵轴线。
5.根据权利要求4所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述第三通量传导件(100)与所述第一通量传导件(20)磁性地连接和/或与所述第二通量传导件(30)磁性地连接。
6.根据权利要求4所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述补偿线圈(40)环绕所述第三通量传导件(100)地构造和/或环绕所述第一通量传导件(20)地构造，或者，所述补偿线圈(40)环绕所有通量传导件(20，30，100)地构造。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述补偿线圈(40)至少部分地或者完全地环绕所述磁场传感器(50)构造。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，棒状的第四通量传导件(300)设有构造在所述X方向上的纵轴线，并且，所述第四通量传导件(300)与Y方向反向地与所述第一通量传导件(20)间隔开，并且，所述第一通量传导件(20)的纵轴线和所述第四通量传导件(300)的纵轴线基本上彼此平行地构造。
9.根据权利要求8所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，设有棒状的第五通量传导件(400)，所述第五通量传导件具有构造在Y方向上的纵轴线。
10.根据权利要求9所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述第五通量传导件(400)与所述第一通量传导件(20)和/或与所述第四通量传导件(30)磁性地连接。
11.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述通量传导件(20，30)的布置和所述补偿线圈(40)的布置相对于Y-Z平面镜像对称地构造，从而所述布置由两个部分形成。
12.根据权利要求11所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述两个部分磁性地相互连接。
13.根据权利要求4所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述通量传导件(20，30，100)分别一件式地构造。
14.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述磁场传感器(50)和所述第一通量传导件(20)和所述第二通量传导件(30)和所述补偿线圈(40)和所述控制单元集成在相同的所述半导体衬底中。
15.根据权利要求1，2或5中任一项所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述通量传导件(20，30，100)能导磁地相互连接，或者，在通量传导件(20，30，100)之间构造有间隙，其中，在所述通量传导件(20，30，100)之间的间隙小于所述第一通量传导件(20)的直径的四倍或者小于所述直径地构造。
16.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，借助所述补偿线圈(40)在所述第一通量传导件(20)中产生的磁场的方向反向于由所述补偿线圈(40)在所述第二通量传导件(30)中感应生成的磁场的方向。
17.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，绕组的横截面沿着所述补偿线圈(40)的延伸改变。
18.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述补偿线圈(40)仅仅环绕所述第一通量传导件(20)地和/或环绕所述磁场传感器(50)地构造。
19.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述磁场传感器(50)构造为霍尔传感器或者构造为GMR或者构造为TMR传感器，或者，构造有两种不同类型的磁场传感器。
20.根据权利要求1或权利要求2所述的磁场补偿装置(10)，其特征在于，所述磁场传感器(50)构造为构造在所述半导体衬底中的霍尔传感器。
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