CN101178417B - 高精度罗氏电流互感器 - Google Patents

Abstract

一种高精度罗氏电流互感器，该罗氏线圈在单个印刷电路板上实现，同时既保持了传统罗氏线圈对外场的抑制，又保持了类似于多印刷电路板罗氏线圈布置方式那样有增大的输出电压。

Description

高精度罗氏电流互感器

技术领域

本发明涉及一种罗氏(Rogowski)电流互感器。更具体地说，本发明涉及一种在印刷电路板上实现的电流互感器。

背景技术

为了测量经过实心汇流条上的AC电流，希望有在印刷电路上的罗氏型线圈，该线圈是刚性的，并且可安装在该汇流条上。

当前在印刷电路板上实现罗氏线圈的工作是在多个印刷电路板上使用多个线圈。这些线圈排列成当它们沿电性上相反的方向串联布线时可以抵消外部磁场的影响。该方法类似于传统的罗氏线圈，使得经过单个罗氏线圈的导体返回通过该线圈的螺旋绕组提供了对外场的抑制和抵消。

在这样的罗氏线圈中，使用多个印刷电路板有效增大了罗氏线圈的匝数，其具有的优点是提高了输出电压。然而，使用多个印刷电路板也会增加总体成本和复杂性。而且，将该多个线圈印刷电路板连接起来所需的互连件在该罗氏电流传感器系统中引入了额外的失效点，从而降低了可靠性。

希望有一种在单个印刷电路板上实现的罗氏线圈，其既提供传统罗氏线圈对外场的抑制，而且类似于多印刷电路板罗氏线圈布置方式那样有增大的输出电压。

发明内容

按照本发明，已经令人惊讶地发现一种在单个印刷电路板上实现的罗氏线圈，其既具有多印刷电路板罗氏线圈布置方式的增大输出电压，而且具有传统的多印刷电路板罗氏线圈布置方式的对外场的抑制。

在一个实施例中，该用于测量导体中电流的装置具有：印刷电路板，该印刷电路板具有多个分立的基片层；外线圈，该外线圈围绕所述基片层中的至少一层进行缠绕；内线圈，该内线圈围绕所述基片层中的至少一层进行缠绕；以及开口，该开口在所述印刷电路板中。

在另一个实施例中，该用于测量导体中电流的装置具有：印刷电路板，该印刷电路板具有多个分立的基片层；第一线圈，该第一线圈围绕所述分立基片层中的至少一层进行缠绕；以及穿过该第一线圈中央的导体。

在另一个实施例中，该用于测量导体中电流的装置具有：印刷电路板，该印刷电路板具有四个分立的基片层，即第一表层、第一内层、第二内层和第二表层；外线圈，该外线圈缠绕在第一表层和第二表层上，并且穿过该第一表层、第一内层、第二内层和第二表层；内线圈，该内线圈缠绕在第一内层和第二内层上，并且穿过该第一内层和第二内层。

附图说明

图1是按照本发明的一个实施例的罗氏线圈印刷电路板的一部分的透视图；

图2是包括图1的电路板的高性能罗氏电流互感器的平面图；

图3是图2的高性能罗氏电流互感器的一部分的放大图；

图4是现有技术中公知的一种基本罗氏线圈的透视图。

具体实施方式

下文的详细说明和附图记载并示出了本发明的各种示例性实施例。该说明书和附图用于使得本领域技术人员能实现并利用本发明，并不是要以任何方式限制本发明的范围。对于所公开的方法，所列出的各步骤本质上是示例性的，因此这些步骤的顺序不是必然的或关键的。

现在参见附图，尤其是图1，其在标号2处总体上示出了一个多层印刷电路板的一部分。在该实施例中，该印刷电路板2包括层叠在一起的第一表层12、第二表层14、第一内层16和第二内层18。在所示实施例中，印刷电路板2的这些层12、14、16、18是由绝缘电路板基片10构成，该绝缘电路板基片10适于可以利用公知光阻工艺来沉积或者刻蚀导电轨迹。

通过将导电轨迹布置在第一表层12和第二表层14的外表面上，从而沿第一方向缠绕外线圈20。利用一系列导电的外线圈镀通孔25而将这些轨迹以螺旋方式连接起来，这些镀通孔25穿过该印刷电路板2的第一表层12、第二表层14、第一内层16和第二内层18。

通过将导电轨迹布置在第一内层16和第二内层18的、分别面对着层12和14的表面上，从而沿第二方向缠绕内线圈30。利用一系列导电的内线圈镀通孔35而将内线圈30的轨迹以螺旋方式连接起来，这些镀通孔35穿过第一内层16和第二内层18。该内线圈30沿第二方向的绕组在电性上与该外线圈20沿第一方向的绕组相反。另外，该内线圈30构造成具有比外线圈20更高的匝密度，以便补偿外线圈20和内线圈30的尺寸差异。该外线圈20和内线圈30的横截面为方形。可以根据需要使用其它绕组。

如图2所示，在该印刷电路板2中制出开口40。该开口40适于接纳实心导电汇流排。该外线圈20和内线圈30围绕该开口40的周边延伸。或者是，该开口40可以适于接纳一种或多种不同类型的电导体，这不脱离本发明的范围。

在图3中，积分器电路50联接至输出端48。该输出端48包括连接至外线圈20的电连接件46以及连接至内线圈30的电连接件44。

如图4所示，在工作时，现有技术重的罗氏线圈100围绕一个或多个电导体115放置，该电导体115的瞬时电流i(t)待测量。对于交变电流波型的瞬时电流i(t)由I_maxsin(ωt)得到，其中，I_max是该电流的幅值。在罗氏线圈100中感应出的该电压v(t)由第一等式来确定：

$\mathrm{\υ}\left(t\right)=-\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j\right)---1)$

其中，φ_j是总数为N匝的第j匝的瞬时通量。如果该芯具有恒定的横截面S，该电线垂直于位于横截面S中心的线120进行缠绕，并且该电线以等于n的恒定密度进行缠绕，其中，该互电抗M由M＝u₀ηS来确定，于是，等式1可以写成：

$\mathrm{\υ}\left(t\right)=-{\mathrm{\μ}}_o\mathrm{nS}\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{i}_{j\left(t\right)}\right]---2)$

按照上面的等式，该电导体将在该罗氏线圈100上感应出电压，该电压与电导体中的待测电流i(t)的变化速率成比例。该罗氏线圈的输出电压v(t)可在输出端48处测量。

罗氏线圈的电压输出v(t)是在该线圈的周界范围内经过的AC电流随时间变化的速率的函数。需要用该积分器电路50来获得所关心的实际波型，该实际波型是与该待测电流i(t)成比例的输出电压v_out。可以利用本领域公知的多种方式来进行输出电压积分。该输出电压信号v_out可以在积分器输出端52处进行测量。

如图1所示，该外线圈20和内线圈30之间存在尺寸差异。该外线圈20和内线圈30之间的该尺寸差异导致感应电压的差异，该感应电压的产生既是由于所关心的电流i(t)也是由于印刷电路板开口40外部的导体所产生的磁场。为了补偿感应电压的差异，希望内线圈30构造成具有比外线圈20更高的匝密度。通过将该内线圈30构造成具有比外线圈20更高的匝密度，外线圈20和内线圈30的有效电气几何可以制成为基本一致。

最大有效匝密度主要是由在印刷电路板的制造过程中可实现的最小孔尺寸来确定的，并且较厚的印刷电路板对镀通孔有较大的最小孔尺寸约束。因此，尽管该外线圈通孔25穿过该基片10的全部四层，但是由于该内线圈通孔35穿过基片10的两层，因此该内线圈30可以构造成具有更高的匝密度。

该外线圈20和内线圈30以电性相反的方向进行缠绕，以抵消来自该开口40外部的不希望的电场。这使得该罗氏线圈的测量精度尽可能的大。

从前述说明，本领域普通技术人员能够很容易确定本发明的基本特征，并且，在不脱离本发明精神和范围的情况下能够本发明进行各种变化和变型，以使其适应于各种用途和条件。

Claims (18)

1.一种用于测量导体中电流的装置，包括：

印刷电路板，该印刷电路板具有多个层叠在一起的分立基片层；

第一线圈，该第一线圈围绕所述分立基片层中的至少三层进行缠绕；

第二线圈，该第二线圈穿过该第一线圈的中央，

其中，所述第二线圈具有比所述第一线圈更高的匝密度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二线圈围绕所述分立基片层中的至少一层进行缠绕。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括开口，该开口形成于所述印刷电路板中，并且适于接纳至少一个导体。

4.一种用于测量导体中电流的装置，包括：

印刷电路板，该印刷电路板具有多个层叠的分立基片层；

外线圈，该外线圈围绕所述基片层中的至少一层进行缠绕；

内线圈，该内线圈围绕所述基片层中的至少一层进行缠绕；

开口，该开口形成于所述印刷电路板中，外线圈和内线圈围绕所述开口延伸，

其中，所述内线圈具有比所述外线圈更高的匝密度。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述印刷电路板包括四层分立基片层。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述外线圈这样来构成：在所述分立基片层的第一表层和第二表层上布置导电轨迹，并且利用穿过所述分立基片层的镀孔来连接所述轨迹。

7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述内线圈这样来构成：在所述分立基片层的第一内层和第二内层上布置导电轨迹，并且利用穿过所述第一内层和第二内层的镀孔来连接所述轨迹。

8.根据权利要求4所述的装置，其中，所述外线圈和内线圈以电性相反的方向进行缠绕。

9.根据权利要求4所述的装置，还包括积分器电路，该积分器电路电连接至所述内线圈和外线圈。

10.根据权利要求4所述的装置，其中，所述开口是长型的。

11.一种用于测量导体中电流的装置，包括：

印刷电路板，该印刷电路板具有分立的基片层，这些分立的基片层包括第一表层、第一内层、第二内层和第二表层；

外线圈，该外线圈布置在第一表层和第二表层上，并且穿过该第一表层、第一内层、第二内层和第二表层；

内线圈，该内线圈布置在第一内层和第二内层上，并且穿过该第一内层和第二内层，

其中，所述内线圈具有比所述外线圈更高的匝密度。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括开口，该开口形成于所述印刷电路板中，外线圈和内线圈围绕所述开口延伸。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述开口适合于接纳导体，所要测量的电流流过所述导体。

14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述外线圈和内线圈以电性相反的方向进行缠绕。

15.根据权利要求11所述的装置，其中，所述内线圈通过多个镀孔而穿过第一内层和第二内层。

16.根据权利要求11所述的装置，其中，所述外线圈通过多个镀孔而穿过第一表层、第二表层、第一内层和第二内层。

17.根据权利要求11所述的装置，还包括积分器电路，该积分器电路电连接至所述内线圈和外线圈。

18.根据权利要求11所述的装置，还包括开口，该开口形成于所述印刷电路板中，外线圈和内线圈围绕所述开口延伸。

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