CN102087903B - 双面对称布线pcb型罗氏线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双面对称布线PCB型罗氏线圈。它包括印制电路板PCB板材，PCB板材上开设有内径导孔和外径导孔，内径导孔沿半径r圆周均匀设置分布N个，外径导孔沿半径R圆周均匀设置分布N个，半径r圆周与半径R圆周同圆心，布线铜箔依次穿过N个内径导孔和/或N个外径导孔，沿半径方向对称设置在PCB板材两面。在PCB板材一面上的布线铜箔绕制有作回线圆，回线圆的半径是Rh；半径Rh＞半径R。本发明提供的双面对称布线PCB型罗氏线圈，参数一致性好，复现性高，抗干扰能力强，保证互感系数稳定且便于提高精度，可作为电流传感头，用于复杂电磁环境下的电流测量且易于批量生产。

Description

双面对称布线PCB型罗氏线圈
技术领域
本发明属于电流互感器，具体涉及一种用于电流互感器传感头的感应线圈。
背景技术
罗氏线圈是一种特殊结构的空心线圈，被广泛用作电流互感器电流检测工具传感头的感应线圈，具有线性度好、测量动态范围宽、无磁心饱和现象、输出信号隔离、结构简单及插入损耗小等优点。
罗氏线圈与被测载流导体间的互感系数M是决定传感头精确度和灵敏度的主要参数。具有稳定互感系数的高精度罗氏线圈制作必须满足下列条件：线圈密度恒定、骨架截面积恒定、线圈横截面与中心轴线垂直。传统罗氏线圈是将漆包线通过人工或绕线机在环形非导磁骨架上绕制而成，制作工艺难以满足上述条件，使得传统罗氏线圈分散性大，参数的一致性难以保证，互感系数及抗干扰性能与设计相差较大，不利于提高精度和批量生产。
根据高精度罗氏线圈的设计与制作要求，基于印制电路板(PCB)技术的罗氏线圈应运而生。一般PCB型罗氏线圈的典型结构为图1所示双面直连布线结构，背面铜箔布线3直连外径导孔2和内径导孔4，并通过外径导孔2连接正面直连铜箔布线1，得到由双面直连铜箔线构成单匝线圈的PCB型罗氏线圈。该类PCB型罗氏线圈布线简单，精度较高，克服了传统绕线式罗氏线圈分散性大的缺点，但直连铜箔布线并未形成对称圆环结构，单匝线圈所在平面并非完全经过中心轴线，也容易造成较大的分散性；没有回线设置，抗干扰性能差，尤其是垂直于PCB板平面的干扰磁场，对传感头性能影响很大。
发明内容
本发明的目的在于提供双面对称布线PCB型罗氏线圈，实现绕线密度恒定，以消除垂直于PCB平面的磁场干扰，从而解决上述问题。
本发明的技术方案为：双面对称布线PCB型罗氏线圈，它包括印制电路板PCB板材，PCB板材上开设有内径导孔和外径导孔，内径导孔沿半径r圆周均匀设置分布N个，外径导孔沿半径R圆周均匀设置分布N个，半径r圆周与半径R圆周同圆心，布线铜箔依次穿过N个内径导孔和/或N个外径导孔，沿半径方向对称设置在PCB板材两面。在PCB板材一面上的布线铜箔绕制作为回线圆，回线圆的半径是Rh；半径Rh＞半径R。
所述N个内径导孔和N个外径导孔之间错位夹角2π/2N布置。
所述PCB板材上的布线铜箔包括沿半径方向设置的径向段，圆弧角为2π/2N的圆弧段。
所述PCB板材一面上沿半径方向布置的布线铜箔的半径是R，PCB板材另一面上沿半径方向布置的布线铜箔的半径是Rs，半径Rs＞半径R。
所述在PCB板材一面上的布线铜箔绕制作为回线圆，回线圆的半径是Rh；半径Rs＞半径Rh＞半径R；且回线圆面积与绕线所围区域面积相等，使得回线与绕线铰链的垂直PCB平面的磁通相等。
所述回线圆的绕制方向与布线铜箔线段及圆弧段的绕制方向相反。
本发明单匝线圈由PCB板正反两面对称的布线铜箔经内径导孔连通构成，单匝线圈平面经过线圈轴心且垂直于PCB板平面；在PCB正面自线圈出线端引出与绕线方向相反的回线，用以消除垂直于PCB板平面的磁场干扰。绕制时，单匝线圈的双面对称铜箔在内径导孔处直接连通，正面布线在外径处由正面均匀分布的小段圆弧直接连接外导孔；为了使回线圆面积与绕线所围区域面积相等，背面布线长度略大于正面布线长度，因此背面连接圆弧半径大于正面连接圆弧半径，背面布线在外径处由背面均匀分布的小段圆弧及小段直线连接外径导孔。回线设置为与线圈绕线方向相反的圆，回线始端为线圈出线端，终端连接正面布线起始端；回线半径介于正面与背面连接圆弧半径之间，使得回线围成面积与线圈所围面积相等；当垂直于PCB板平面的干扰磁场存在时，回线铰链的干扰磁通与线圈铰链的干扰磁通大小相等，方向相反，可完全抵消干扰。
本发明提供的双面对称布线PCB型罗氏线圈，参数一致性好，复现性高，抗干扰能力强，保证互感系数稳定且便于提高精度，可作为电流传感头，用于复杂电磁环境下的电流测量且易于批量生产。
附图说明
图1现有的直连布线PCB型罗氏线圈。
图2本发明罗氏线圈的双面对称布线示意图。
图3本发明罗氏线圈PCB布线的正面俯视图。
图4本发明罗氏线圈回线圆半径计算示意图。
图5布线完全对称且设置回线的PCB型罗氏线圈示意图。
图6线圈与被测及干扰载流导体间互感分析示意图。
具体实施方式
本发明提供的双面对称布线PCB型罗氏线圈及其回线设计方法，目的是使线圈绕线密度恒定，单匝线圈平面垂直于PCB板平面且通过线圈轴心，保证线圈参数一致性，且铜箔布线密绕可消除线圈外平行于被测载流导体的电流干扰；回线设置可消除垂直于PCB板平面的磁场干扰，增强线圈抗干扰性能，确保线圈具有稳定、精确的互感系数。
本发明PCB型罗氏线圈的布线方式与设置具体如下步骤实施：内外导孔设置方法。如图2、3所示，在PCB板确定的线圈内径r和外径R所在圆上，内径导孔4沿半径r圆周均匀设置分布N个，外径导孔2沿半径R圆周均匀设置分布N个，半径r圆周与半径R圆周同圆心。N个内径导孔和N个外径导孔之间错位夹角2π/2N布置。为了保证线圈绕线致密，在满足PCB布线规则的前提下，导孔数应尽量多，本发明实施例中，r＝800mil(PCB设计中的常用长度单位，1mm≈39.37mil)，R＝1200mil，N＝90
如图3所示，PCB板正面的布线铜箔的布置，从内径导孔4穿出的布线铜箔沿半径R方向设置为正面的径向段5，布线铜箔沿半径为R的圆弧形成正面圆弧段6，圆弧角为2π/2N，顺时针绕制穿过外径导孔2，到PCB板的反面，沿半径Rs方向(半径Rs＞半径R)绕制形成过渡径向段9，再沿半径为Rs的圆弧形成反面圆弧段8，圆弧角为2π/2N，布线铜箔再沿半径Rs方向设置为反面的径向段7；再从与上一个内径导孔相邻的内径导孔穿出到PCB板的正面，继续一次绕制形成沿半径方向对称设置，单匝线圈平面垂直于PCB板轴心线且双面对称布线PCB型罗氏线圈。在最后绕制到PCB板的正面后，再逆时针沿半径Rh绕制回线圆10。
如图4所示，半径Rh满足半径Rs＞半径Rh＞半径R；回线圆面积与绕线所围区域面积相等。绕线所围成的区域可分解为正面圆弧半径R围成的圆及背面圆弧与正面圆弧之间形成的齿状扇环(环半径为R，Rs，角度为2π/2N)，参见图4。由于采用PCB布线，绕线密度较大，铜箔线宽对绕线所围面积影响较大，因此绕线围成面积精确计算应为扇环的外边缘至半径为R的圆内边缘。设线宽为2w，则绕线围成的面积可精确表示为：
S o = π ( R - w ) 2 + N [ 1 2 · 2 π 2 N · ( R s + w ) 2 - 1 2 · 2 π 2 N · ( R - w ) 2 ]
设要求的回线半径为Rh，忽略引出线端缺口影响，同样考虑铜箔线宽影响，则回线围成的面积为：
S′k＝π(Rk+w)2
两面积相等，则可得：
R k = [ ( R s + w ) 2 + ( R - w ) 2 ] / 2 - w
本发明实施例中，Rs＝1280mil，2w＝20mil，回线半径为Rh≈1240mil。
它部分设置绕制。将回线始端和背面布线终端引出，作为线圈引出端11，12，在引出线末端设置焊盘13，14来接阻尼电阻及积分电路。
上述是实施例1：带线段或圆弧段，径向段和过渡径向段的对称回线PCB型罗氏线圈。
本发明通过罗氏线圈的电磁参数计算与实测值对比(包括内阻、自感及线圈与被测载流导体间的互感)来说明线圈的参数一致性，如表1所示：
表1线圈电磁参数计算与实测值对比
  电磁参数   计算值   实测值   误差％
  内阻/Ω   2.1023   2.17014   3.23
  自感/μH   1.9706   2.0463   3.84
  互感/nH   21.8950   21.7600   -0.62
本发明通过线圈与被测载流导体及干扰载流导体间的互感系数来说明线圈的抗干扰性能。参见图5，完全对称的PCB线圈布线外环设置回线，即实施例2：带线段或圆弧段和径向段及回线圆且双面径向线段完全等长的PCB型罗氏线圈，由于回线圆面积大于绕线围成的圆域面积，因此实施例2线圈对垂直PCB板的干扰磁场有一定的抑制作用，但是无法做到完全抑制。
通过三种线圈在存在干扰磁场时的互感系数测试结果来说明本发明罗氏线圈具有很强的抗干扰性能，确保互感系数的精确稳定。参见图6，与线圈15平面平行的干扰载流导体16产生垂直于线圈平面的干扰磁场，线圈15与被测载流导体17间互感及线圈与被测载流导体17及干扰载流导体16同时作用时的互感系数对比如表2所示，其中η＝ip/i表示干扰电流大小及方向，η＝1指干扰电流与被测电流等大且为干扰载流导体16中所示方向，η＝-1指干扰电流与被测电流等大且为干扰载流导体16中所示相反方向。表2中给出了三种线圈的互感测试结果，对比结果充分说明了本发明中回线设置可有效抵消垂直线圈平面干扰磁场作用。
表2各种线圈互感及误差分析对比
Figure GDA0000132677270000051

Claims (5)

1.一种双面对称布线PCB型罗氏线圈，它包括印制电路板PCB板材，PCB板材上开设有内径导孔和外径导孔，内径导孔沿半径r圆周均匀设置分布N个，外径导孔沿半径R圆周均匀设置分布N个，半径r圆周与半径R圆周同圆心，其特征在于布线铜箔依次穿过N个内径导孔和/或N个外径导孔，沿半径方向对称设置在PCB板材两面；在PCB板材一面上的布线铜箔绕制有回线圆，回线圆的半径是Rh；半径Rh＞半径R；PCB板材一面上沿半径方向布置的布线铜箔的半径是R，PCB板材另一面上沿半径方向布置的布线铜箔的半径是Rs，半径Rs＞半径R；且回线圆面积与绕线围成区域面积相等，使得回线与绕线铰链的垂直PCB平面的磁通相等。
2.如权利要求1所述双面对称布线PCB型罗氏线圈，其特征在于N个内径导孔和N个外径导孔之间错位夹角2π/2N布置。
3.如权利要求1所述双面对称布线PCB型罗氏线圈，其特征在于PCB板材上的布线铜箔包括沿半径方向设置的径向段，圆弧角为2π/2N的连接圆弧段。
4.如权利要求1所述双面对称布线PCB型罗氏线圈，其特征在于回线圆的绕制方向与布线铜箔线段或圆弧段的绕制方向相反。
5.如权利要求4所述双面对称布线PCB型罗氏线圈，其特征在于回线始端为线圈出线端，终端连接为布线起始端。
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