CN114203424A - 一种耐高温线圈及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种耐高温线圈及传感器，包括：磁芯，所述磁芯内设有中柱，所述磁芯设有环形侧壁；绕组，所述绕组位于所述环形侧壁内且环绕中柱，所述绕组与中柱之间具有第一间隙，所述绕组与所述环形侧壁之间具有第二间隙，所述绕组的一端突出于所述磁芯的端面形成有突出部。本耐高温线圈通过设有第一间隙、第二间隙，可一定程度减小磁芯对绕组磁场磁感线的束缚作用，减小耦合；同时，通过绕组的一端突出于所述磁芯的端面，可使绕组合理利用磁芯的特性，进一步减小磁芯与绕组耦合，从而达到在宽温度范围，线圈的性能保持高度稳定，继而利用该线圈设计形成耐高温传感器，传感器无需要硬件或者软件温度标定，设计成本更低，研发时间更短。

Description

一种耐高温线圈及传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种耐高温线圈及传感器。

背景技术

电感式传感器或者接近传感器，因为其材料与设计等原因，在不同的温度下传感器的实际感应距离会发生很大的变化，为了将这种变化控制在行业标准的范围内，现有技术大多采用的是进行温度检测，将温度信息进行反馈，通过硬件或者软件的方式进行标定。

线圈主要成分是由铜，线圈在不同温度下，其电阻率是有变化率的，磁芯的磁导率，损耗，频率特性也有一定的温度特性。如说明书附图6-8所示的三种现有的线圈及磁芯的性能图，该现有的线圈及磁芯的品质因素(线圈与磁芯配合后的关键性能)变化非常大，不同的温度下，特别是高温条件下，电感式传感器因为其材料特性，电路设计等原因，性能漂移严重，导致无法在某一电流频率找到相交点，即在某一固定电流频率下，无法实现面对不同的温度而保持稳定的工作。因此，高温型电感式传感器的研发难度，分析难度，测试及成本非常高。

为了降低高温型传感器的开发难度，降低设计成本，材料成本，以及研发时间，现在设计一种能够在宽范围温度内，尤其是高温环境下，都能够保持特性几乎不变的线圈，并利用该线圈的优异性能，设计耐高温型电感式传感器。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种耐高温线圈及传感器，旨在解决现有的线圈及磁芯在高温工作环境下，其品质因素变化率大，性能不稳定的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种耐高温线圈，包括：

磁芯，所述磁芯内设有中柱，所述磁芯设有环形侧壁；

绕组，所述绕组位于所述环形侧壁内且环绕所述中柱，所述绕组与所述中柱之间具有第一间隙，所述绕组与所述环形侧壁之间具有第二间隙，所述绕组的一端突出于所述磁芯的端面形成有突出部。

作为本发明的进一步改进：所述突出部的长度为0.2-0.3mm。

作为本发明的进一步改进：所述第一间隙的宽度为0.2-0.3mm。

作为本发明的进一步改进：所述第二间隙的宽度为0.4-0.5mm。

作为本发明的进一步改进：所述磁芯采用锰锌铁氧体材质。

作为本发明的进一步改进：所述绕组为导线环形绕制而成，所述导线为多条单线并绕而成，所述单线采用铜材质。

作为本发明的进一步改进：所述单线的直径为0.05-0.1mm，所述导线采用5-10条单线并绕而成。

作为本发明的进一步改进：所述磁芯设有底板，所述绕组置于所述底板上，所述环形侧壁的径向方向设有开口。

本发明还提出一种传感器，包括上述的耐高温线圈。

作为本发明的进一步改进：所述传感器还包括：

PCB板，所述PCB板与所述耐高温线圈电连接，用于提供稳定电压；

电源线，所述电源线与所述耐高温线圈电连接，用于提供工作电源；

外壳，所述外壳与所述耐高温线圈、所述PCB板、所述电源线固定连接。

本技术方案的耐高温线圈，包括：磁芯，所述磁芯内设有中柱，所述磁芯设有环形侧壁；绕组，所述绕组位于所述环形侧壁内且环绕所述中柱，所述绕组与所述中柱之间具有第一间隙，所述绕组与所述环形侧壁之间具有第二间隙，所述绕组的一端突出于所述磁芯的端面形成有突出部。本耐高温线圈通过设有第一间隙、第二间隙，可一定程度减小磁芯对绕组磁场磁感线的束缚作用，减小耦合；同时，通过绕组的一端突出于所述磁芯的端面，可使绕组合理利用磁芯的特性，进一步减小磁芯与绕组耦合，从而达到在宽温度范围，尤其是高温条件下，线圈的性能保持高度稳定，继而利用该线圈设计形成耐高温传感器，传感器无需要硬件或者软件温度标定，设计成本更低，研发时间更短。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本申请耐高温线圈一实施例的结构示意图；

图2为本申请耐高温线圈一实施例的结构爆炸图；

图3为本申请耐高温线圈一实施例的正视图；

图4为本申请耐高温线圈一实施例的俯视图；

图5为本申请传感器一实施例的结构示意图；

图6为第一种现有的线圈及磁芯的性能图；

图7为第二种现有的线圈及磁芯的性能图；

图8为第三种现有的线圈及磁芯的性能图；

图9为本申请的线圈及磁芯的性能图；

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

电感的品质因数Q是表示线圈质量的一个重要参数。Q值的大小，表明电感线圈损耗的大小，其Q值越大，线圈的损耗越小；反之，其损耗越大。品质因数Q的定义为：当线圈在某一频率的交流电压下工作时，线圈所呈现的感抗和线圈直流电阻的比值。它可以用公式表达如下根据使用场合的不同，对品质因数Q的要求也不同对调谐回路中的电感线圈，Q值要求较高，因为Q值越高，回路的损耗就越小，回路的效率就越高。

现有的线圈及磁芯的品质因素变化非常大，不同的温度下，特别是高温条件下，电感式传感器因为其材料特性，电路设计等原因，性能漂移严重，导致无法在某一电流频率找到相交点，即在某一固定电流频率下，无法实现面对不同的温度而保持稳定的工作。因此，高温型电感式传感器的研发难度，分析难度，测试及成本非常高。

为了降低高温型传感器的开发难度，降低设计成本，材料成本，以及研发时间，现在设计一种能够在宽范围温度内，尤其是高温环境下，都能够保持特性几乎不变的线圈，并利用该线圈的优异性能，设计耐高温型电感式传感器。

本技术方案主要目的是提出一种耐高温线圈及传感器，旨在解决现有的线圈及磁芯在高温工作环境下，其品质因素变化率大，性能不稳定，不利于设计传感器的技术问题。

请参考图1-图5，本申请的耐高温线圈一实施例中，所述耐高温线圈包括：

磁芯20，所述磁芯20内设有中柱22，所述磁芯20设有环形侧壁23；

绕组10，所述绕组10位于所述环形侧壁23内且环绕所述中柱22，所述绕组10与所述中柱22之间具有第一间隙31，所述绕组10与所述环形侧壁23之间具有第二间隙32，所述绕组10的一端突出于所述磁芯20的端面形成有突出部11。

具体的，所述磁芯20设有底板24，所述磁芯设有容置槽21，所述绕组10置于容置槽21内且位于所述底板24上，所述环形侧壁23的径向方向设有开口25，所述开口25位于中柱22的两侧且基于中柱22对称设置，该开口25用于穿设绕组10的导线。在本实施例中，所述开口的宽度为1.65mm，所述底板的厚度为0.8mm。通过绕组位于所述环形侧壁23内且环绕所述中柱22，当绕组10通电后，绕组10周围产生磁场，磁芯20在绕组的外加磁场作用下，会激发磁芯内部磁畴的有序排列，从而增大穿过绕组10的磁通量，进而增大绕组10的电感量，同时也会增大绕组10的寄生电容。

本耐高温线圈通过设有第一间隙31、第二间隙32，可一定程度减小磁芯20对绕组10磁场磁感线的束缚作用，减小耦合；同时，通过绕组10的一端突出于所述磁芯的端面，可使绕组10合理利用磁芯20的特性，进一步减小磁芯20与绕组10耦合，从而达到在宽温度范围，尤其是高温条件下，线圈的性能保持高度稳定，继而利用该线圈设计形成耐高温传感器，传感器无需要硬件或者软件温度标定，设计成本更低，研发时间更短。

进一步地，所述突出部11的长度L1为0.2-0.3mm。在本实施例中，所述突出部11的长度为0.26mm。值得注意的是，现有的线圈一般将绕组10完全放在磁芯20内部，导致绕组10与磁芯20耦合增大，那么在不同温度环境下，磁芯20的温度特性(磁芯损耗在一定温度范围内呈现正温度特性，磁芯磁导率呈现负温度特性)将会严重分散品质因素耦合的频率交点，甚至没有频率交点。因此，本申请的绕组10一端设置于磁芯内，绕组10的另一端突出于磁芯20的端面。

进一步地，所述第一间隙31的宽度H1为0.2-0.3mm，在本实施例中，所述中柱22的直径为2.24mm，所述绕组10的内径为2.5mm，所述第一间隙31的宽度H1为0.26mm。

进一步地，所述第二间隙32的宽度H2为0.4-0.5mm，在本实施例中，所述环形侧壁的内径为4.57mm，所述绕组10的外径为4.1mm，第二间隙32的宽度H2为0.47mm。

请参考图9，图9为本申请的线圈及磁芯的性能图，该性能图所示的数据来自对绕组及磁芯进行实物测定，其横坐标为电流频率，纵坐标为线圈的品质变化率，不同的曲线代表线圈在不同的温度下线圈的品质变化率表现。由图9可见，在测定各个工作温度(-25℃、0℃、70℃、100℃、130℃)，当电流频率提升至540460Hz-570430Hz，在该区间的电流频率下磁芯与绕组的品质因素变化率接近于零，即在该区间的线圈在不同的温度下，其品质变化率均可保持高度的一致性，因此本申请的线圈工作稳定性高。

综上所述，由于绕组10与中柱22之间具有第一间隙31，绕组10与所述环形侧壁23之间具有第二间隙32，绕组10的一端突出于磁芯的端面形成有突出部11，通过对绕组10与磁芯20的结构尺寸进行调整配合，使绕组10和磁芯20具有一定程度的耦合关系，从而避免磁芯20完全影响绕组10的性能，在不同温度下降低绕组10的损耗与磁芯20的损耗；同时，利用绕组10与磁芯20的频率特性，使磁芯20与绕组10的品质因素在540460Hz-570430Hz频率区间达到稳定数值，从而降低耐高温型电感式的传感器的研发实现难度以及材料成本，实现无需温度补偿的电感式传感器产品开发。

进一步地，所述磁芯20采用锰锌铁氧体材质，所述锰锌铁氧体由铁、锰、锌的氧化物及其盐类，采用陶瓷工艺制成。它具有较高的起始导磁率。一般在1千赫至10兆赫的频率范围内使用。现常用于制作电感器、变压器、滤波器的磁芯、磁头及天线棒领域中。

进一步地，所述绕组10为导线环形绕制而成，所述导线为多条单线并绕而成，所述单线采用铜材质。

具体的，在本实施例中，绕组10主要成分是铜，铜在不同温度下，其电阻率是有变化率的，由于磁芯20主要成分是锰锌材料，因此磁芯与绕组的磁导率、损耗、频率特性也有一定的温度特性。

进一步地，所述单线的直径为0.05-0.1mm，所述导线采用5-10条单线并绕而成。在本实施例中，所述单线的直径为0.07mm。所述导线采用7股单线并绕而成。在绕组10的外加磁场作用下，外加磁场会激发磁芯20内部磁畴的有序排列，从而增大穿过线圈的磁通量，进而增大线圈的电感量，以及同时增大线圈的寄生电容。

请参考图5，基于上述的耐高温线圈，本实施例中还提出一种传感器，该传感器包括上述的耐高温线圈，以及包括：

PCB板44，所述PCB板44用于提供稳定电压，其承载有自稳定功能的电路及电子元器件，并与该高温线圈、电源线进行电气连接；

电源线41，所述电源线41与所述耐高温线圈电连接，用于提供工作电源，给传感器产品提供需求的电压及电流，同时发送传感器的输出信号；

外壳，所述外壳与所述耐高温线圈、所述PCB板44、所述电源线41固定连接。

进一步地，所述外壳还包括：

塑料帽45，用于密封整个传感器产品，使之具有防水防尘的特性，同时为耐高温线圈提供绝缘性能；

金属螺纹壳43，用于密封整个传感器产品，使之具有防水防尘的特性；

塑料尾盖42，用于密封整个产品，使之具有防水防尘的特性，并承载电源线41。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种耐高温线圈，其特征在于，包括：

磁芯，所述磁芯内设有中柱，所述磁芯设有环形侧壁；

绕组，所述绕组位于所述环形侧壁内且环绕所述中柱，所述绕组与所述中柱之间具有第一间隙，所述绕组与所述环形侧壁之间具有第二间隙，所述绕组的一端突出于所述磁芯的端面形成有突出部。

2.根据权利要求1所述的耐高温线圈，其特征在于，所述突出部的长度为0.2-0.3mm。

3.根据权利要求1所述的耐高温线圈，其特征在于，所述第一间隙的宽度为0.2-0.3mm。

4.根据权利要求1所述的耐高温线圈，其特征在于，所述第二间隙的宽度为0.4-0.5mm。

5.根据权利要求1所述的耐高温线圈，其特征在于，所述磁芯采用锰锌铁氧体材质。

6.根据权利要求1所述的耐高温线圈，其特征在于，所述绕组为导线环形绕制而成，所述导线为多条单线并绕而成，所述单线采用铜材质。

7.根据权利要求6所述的耐高温线圈，其特征在于，所述单线的直径为0.05-0.1mm，所述导线采用5-10条单线并绕而成。

8.根据权利要求1所述的耐高温线圈，其特征在于，所述磁芯设有底板，所述绕组置于所述底板上，所述环形侧壁的径向方向设有开口。

9.一种传感器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的耐高温线圈。

10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，还包括：

PCB板，所述PCB板与所述耐高温线圈电连接，用于提供稳定电压；

电源线，所述电源线与所述耐高温线圈电连接，用于提供工作电源；

外壳，所述外壳与所述耐高温线圈、所述PCB板、所述电源线固定连接。

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