CN103765228B - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种电流传感器，包括具有多个线圈的第一部件。每个线圈均包括印刷在相应基板的至少一个平面上的一个或多个线匝，并且线圈的平面彼此平行并与第一部件的纵向轴线垂直。第二部件包括软磁材料并具有第一平面和第二平面，第一平面和第二平面位于第一部件的相对端处并且布置成与第一部件的纵向轴线垂直并相交。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及传感器。

背景技术

电流传感器是众所周知的。电流传感器可用于测量这样的导体中的电流，流过该导体的电流如此高，以至于直接应用测量仪器是不理想或不可能的。

电流传感器的一种众所周知的形式是罗果夫斯基线圈(Rogowskicoil)。典型地，这些包括卷绕在包围所关注的导体的非磁性芯上的一圈电线。具有等距隔开的绕组和规则形状的正确形成的罗果夫斯基线圈对外部磁场非常不敏感而对所包围的导体产生的磁场敏感。然而，难以实现正确形成的罗果夫斯基线圈，特别是如果需要将其构造为使得它们能在所关注的导体上改造时。

已经提出了基于罗果夫斯基原理但没有环形线圈的多种传感器。US5521572公开了这样一种传感器，其包含在电量计内，并包括限定其中定位有次级线圈的两个气隙的材料。US6313727公开了这样一种传感器，其可在三相系统上改造，并包括具有低矫顽性棒的螺旋传感线圈。US5617019公开了这样一种传感器，其设计为适于母线并且不可改造。大多数实施方式结合有屏蔽装置，以改进对外部场的抵制。所有三篇专利均公开了在两个软磁部件之间的气隙中具有传感线圈的磁路。

SentecLimited已制造基于罗果夫斯基传感器的原理但是使用印刷在电路板上的线圈(这可简化制造并改进所制造的产品的精度)的多种不同的传感器。实例包括US6414475和WO2011/018530。包含印刷在电路板上的线圈的容易改造的传感器的实例是WO2011/018533。

传感器设计包含多种考虑因素，包括制造的简便性和成本、对外部场的灵敏度、传感区域内的灵敏度的均匀性、以及物理尺寸。一些具有最佳性能的传感器过大以至于无法容易地容纳在一些环境中，这样的传感器的一个实例是变电站，在该变电站中，所关注的导体紧密地一起封装在机柜或其他容器内。

本发明在该背景下形成。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种传感器，包括：

第一部件，包括多个线圈，其中：

每个线圈包括印刷在相应基板的至少一个平面上的一个或多个线匝，并且

线圈的平面彼此平行并且与第一部件的纵向轴线垂直；以及

第二部件，包括软磁材料并且具有第一平面和第二平面，第一平面和第二平面位于第一部件的相对端处并且布置成与第一部件的纵向轴线垂直并相交。

第二部件可仅包括软磁材料者其可包括其他部件。在一些实施方式中，第二部件包括具有线圈的一个或多个其他部件。在这些实施方式中，包括线圈的该部件没有磁性材料。

对于第一部件的所有线圈而言，相邻线圈之间的间隔可为近似相同的。该间隔可为完全相同。间隔可替代地改变，但会以降低的性能为代价。

第一部件的每个线圈可包括相同数量的线匝并且在基板上具有相同的面积。它们可替代地是不同的，并且实际上这在无法实现规则的线圈间隔的情况下可能是优选的。

第二部件可包括U形软磁部件，第一面和第二面可为在U形的口内平行的面。这里，第二部件可能可与第一部件分离，从而允许在将第二部件放置在第二部件的U形的口内之前将导体引入U形中。可替换地或附加地，对于第一部件的所有线圈而言，相邻线圈之间的间隔可近似为相同的，并且最靠近第一端的线圈与第一接触面之间的间隔可大致等于最靠近第二端的线圈与第二接触面之间的间隔，并且可等于或近似等于相邻线圈之间的间隔的一半。

尽管提供了最佳布置，然而可替代地提供不规则的间隔，在这种情况下，可通过改变基板中的适当基板上的线匝面积乘积来减缓不规则间隔的效果。

传感器可包括用于使第二部件保持在第二部件的U形的口内的装置。

第二部件还可包括第三部件，第三部件包括多个线圈，其中：第三部件的每个线圈包括印刷在相应基板的至少一个平面上的一个或多个线匝，并且第三部件的线圈彼此平行并且位于第三部件的纵向轴线上；并且其中，第二部件包括第三平面和第四平面，第三平面和第四平面布置成与第三部件的纵向轴线垂直并相交。

这里，第二部件可包括第一I形部件和第二I形部件，第一I形部件包括第一面和第三面，并且第二I形部件包括第二面和第四面。

对于第一部件和第三部件的所有线圈而言，相邻线圈之间的间隔可为近似相同的，并且其中，最靠近第一部件的第一端的线圈与第一面之间的间隔和最靠近第一部件的第二端的线圈与第二面之间的间隔相同，其和最靠近第三部件的第一端的线圈与第三面之间的间隔相同，并且和最靠近第三部件的第二端的线圈与第四面之间的间隔相同，并且近似为相邻线圈之间的间隔的一半。

尽管提供了最佳布置，然而可替代地提供不规则的间隔，在这种情况下，可通过改变基板中的适当基板上的线匝面积乘积来减缓不规则间隔的效果。

第二部件可包括一个或多个其他部件，每个部件均包括多个线圈，其中：每个其他部件的每个线圈包括印刷在相应基板的至少一个平面上的一个或多个线匝，并且每个其他部件的线圈彼此平行并位于所述其他部件的纵向轴线上。

相邻基板可由间隔件机械地隔开。

第一部件中的端部基板可通过间隔件与第一部件隔开。

传感器可包括构造成与连接电路中的线圈的电路板。

传感器可包括构造成至少部分地围绕第一部件的一个或多个屏蔽部件，并且在存在第三部件的情况下所述屏蔽部件还至少部分地围绕第三部件。

传感器可包括穿过传感器的中央部分延伸的载流导体。

软磁材料可为铁氧体(ferrite)。

每个线圈可包括印刷在相应基板的至少两个平行表面上的一个或多个线匝。

第一部件可包括分别印刷在第一基板的第一平行表面和第二平行表面上的第一线圈和第二线圈。这里，第二部件还可包括第三部件，第三部件包括分别印刷在第二基板的第一平行表面和第二平行表面上的第三线圈和第四线圈，其中，第三部件的线圈彼此平行并位且于第三部件的纵向轴线上；并且其中，第二部件包括第三平面和第四平面，三平面和第四平面布置成与第三部件的纵向轴线垂直并相交。第一基板和第二基板可具有相同的厚度，并且第三线圈与第四部件之间的间隔可和第一线圈与第二部件之间的间隔相同。

第一部件和第三部件可由单个多层印刷电路板形成，在该多层印刷电路板中形成有构造成接收导体的槽孔或切口。

传感器可包含绝缘壳体和/或抗风化(weatherproof)壳体。

附图说明

现在将参考附图通过实例的方式来描述本发明的实施方式，附图中：

图1是根据本发明的传感器的第一实施方式的立体图；

图2是第一实施方式传感器的侧视图和端视图；

图3是形成第一实施方式传感器的一部分的线圈堆的一部分的立体图；

图4a和图4b是形成第一实施方式传感器的一部分的印刷电路板的不同侧的视图；

图5是第一实施方式传感器的立体图，其中连接的印刷电路板和屏蔽罩(shieldingcans)处于适当位置中；

图6是处于闭合位置中的根据本发明的传感器的第二实施方式的立体图；

图7a和图7b是第二实施方式传感器的侧视图和端视图；

图8是处于打开位置中的第二实施方式传感器的立体图；

图9是根据本发明的第三实施方式的传感器的侧视图；

图10是根据本发明的第四实施方式的传感器的侧视图；

图11是根据本发明的第五实施方式的传感器的侧视图；

图12a、图12b和图12c示出了双面印刷电路板，该双面印刷电路板提供在本发明的一些实施方式中使用的线圈堆；

图13是根据第六实施方式的传感器的立体图；

图14a至图14d呈现了根据本发明的第七实施方式的传感器的不同方面。

具体实施方式

现在将参考图1至图5描述根据本发明的第一实施方式的传感器10。

如可在图1中最佳地看到的，传感器10包括第一和第二部件11、12(每个均包括多个线圈)以及第三和第四部件13、14(每个均包括软磁材料)。在下文中，第一和第二部件11、12将称为线圈堆。在下文中，第三和第四部件13、14将称为软磁棒或就称为磁棒。磁棒由具有低矫顽性的材料形成。铁是一种适合的材料，尽管如此，其他材料也是适合的。该材料可能是铁氧体。该材料可能是例如镍的合金。该材料可能是例如层压电工钢。这里，层压板位于优选地垂直于作为测量对象的导体的轴线的平面中，例如图2b的平面。

线圈堆11、12均包括多个电路板15，每个电路板在其上印刷了多个线圈，并且在电路板之间具有多个间隔件(spacer)16。

如可从图2a和图2b中最佳地看到的，第一线圈堆11包括第一至第六电路板27至32、以及第一至第七间隔件20至26。第二间隔件21位于第一和第二电路板27、28之间，等等。第一间隔件20位于第一线圈堆11的最上端，并且，其最下方的面与第一电路板27的最上方的表面抵接。第六间隔件26位于线圈堆11的最下端，并且其最上方的面与电路板32的最下方的面抵接。第六间隔件26的端部或最下方的面31与第一间隔件20的端部或最上方的面43平行并且与第一线圈堆11的纵向轴线垂直。

在该实施方式中，电路板27至32相对较薄，并且与电路板相比，间隔件20至26相对较厚。电路板27至32均大致是矩形的形状。每个电路板的尺寸与第一线圈堆11的所有其他电路板的尺寸相同。间隔件20至26也都是矩形的。除了第一和第六间隔件20、26比第二至第五间隔件21至25薄以外(如下面更详细地描述的)，间隔件20至26彼此相同。除了间隔件厚度以外，间隔件20至26的尺寸与电路板27至32的尺寸近似相同。此外，，将间隔件20至26例如通过胶粘与电路板27至32彼此接合。在间隔件20至26与电路板27至32对准时提供接合，因此第一线圈堆11的整体形状是矩形立方体的。因为第二至第五间隔件21至25均具有相同的厚度，所以相邻的第一至第五电路板27至32之间的间隔是相同的。

间隔件20至26的关键功能是将印刷电路板27至32以所需的间隔保持，并且因此在不损坏传感器10的情况下间隔件相反可能具有一些其他的形状。

图3是第一线圈堆11的可替换视图。这里，从图中省略第一间隔件20，从而允许第一电路板27的最上方的表面是可见的。

如可在图3中最清楚地看到的，电路板27至32在其三个边缘处均设置有多个凸翼(tab)。特别地，在面向外部(朝向图2b中的左侧)的边缘上，第一和第二凸翼80和81近似设置在沿着电路板的边缘的四分之一和四分之三处。凸翼85、86设置在每个电路板27至32的相对侧上的对应位置处。在电路板27至32(其是图2b中看到的面)的边缘上具有三个凸翼，标为82、83和84。凸翼83大约形成在沿着电路板的边缘的中心处，并且凸翼82和84定位在任一侧上。在中心凸翼83和每个凸翼82与84之间形成有凹部。

下面更详细地描述了凸翼82至86的用途。

再次参考图1和图2，将看到的是，第二线圈堆12在形状上与第一线圈堆11相同。第二线圈堆12包括第一至第六电路板57至62以及第一至第七间隔件50至56，分别对应于第一堆11的间隔件20至26中的电路板27至32。

在第二线圈堆12的最下端是面71，其与第二线圈堆12的最上端的面73平行。这两个面与第二线圈堆12的纵向轴线垂直。

将第一和第二线圈堆11、12对准，使得在公共平面中分别形成第一和第二线圈堆的最上方的面43、73。类似地，第一和第二线圈堆11、12的最下方的面41、71也分别位于公共平面中。

第一和第二磁棒13、14一般都具有矩形立方体的形状。然而，软磁棒13、14均沿着其两个边缘倾斜。

位于第一软磁棒13的一个面上(其在图2中面向下方)的是与第一线圈堆11的最上端的面抵接的面42。其还包括与第二线圈堆12的最上端的面73抵接的面72。

类似地，第二软磁棒14在图2中具有位于面向最上方的面上的面40和面70，面40与第一线圈堆的最下方的端面41抵接，面70与第二线圈堆12的最下方的面71抵接。

每个棒13、14的立方体形状具有三个尺寸。高度尺寸在与线圈堆11、12的纵向轴线相同的方向上延伸。磁棒13、14的长度尺寸的端部与线圈堆11、12的截面大致对准。磁棒13、14的宽度尺寸通常与线圈堆11、12的对应尺寸相同。因此，软磁棒13、14和线圈堆11、12一起提供大体矩形的环面(annulus)。

第一和第二软磁棒13、14的倾斜设置在棒的端部处但是位于棒的与第一和第二线圈堆11、12接触的面相对的侧上。这提供矩形环面形状的一些倒圆角，而不会降低磁棒13、14饱和之前的最大电流。

因为第一线圈堆11的间隔件20至26具有均匀的厚度，所以电路板27至32位于公共的直线轴线上。此外，因为第一和第二间隔件20至26具有均匀的厚度，所以磁棒13、14的纵向轴线和面42、72形成为与第一线圈堆11的纵向轴线成直角并且与电路板27至32的平面平行。

由于间隔件50至56的布置以及所产生的电路板57至62的布置，这同样适用于第二线圈堆12和第二磁棒14。

第一磁棒13可操作成使出现在第一线圈堆11的最上端处的磁场集中，并使其与第二线圈堆12的最上方的面73直接联接。类似地，第二软磁棒14集中于第一线圈堆11的最下端41与第二线圈堆12的最下端71之间的磁场。

因为第一和第二软磁棒13、14的面40、42、70、72与第一和第二线圈堆11、12的纵向轴线垂直并且端部间隙是中间间隙的一半(或者在单个双面板的情况下是相等的)，所以可将传感器10认为是等同于无限螺线管(infinitesolenoid)。这在下面更详细地讨论。

在每个印刷电路板27至32上形成有具有多匝的线圈。

图4示出了印刷电路板27至32和57至62上的表面图案化。在其一个表面上，提供图4a所示的图案。将看到的是，这在最内端和最外端之间包括线圈88的多个线匝87。在图4b所示的印刷电路板27至32和57至62的另一侧上，线圈88的多个线匝87在最内端与最外端之间延伸。尽管由于图4a和图4b是不同的视图而使得线圈88的方向看似是与印刷电路板不同的侧，然而线匝实际上是在相同的方向上。因此，印刷电路板的每侧上的线匝彼此一起构造成。

穿过印刷电路板27至32和57至62的过孔连接每侧上的图案的最内端。因此，单个线圈88形成在位于印刷电路板27至32和57至62的一侧上的最外端与位于印刷电路板的另一侧上的最上端之间。线圈88的线匝数等于印刷电路板27至32和57至62的每侧上的线匝数的和。

在该实例中，线匝87的形状为大体矩形。这允许线匝87相对于印刷电路板27至32的尺寸而言具有更大的直径。

印刷电路板27至32和57至62可例如由FR4制成。两个线圈堆11、12的线圈沿相反的方向(即，从上方看去时，一个方向为顺时针而另一个方向为逆时针)连接。因此，就电路包括线圈和磁棒1、14的意义而言，它们是在相同的方向上连接的。

印刷电路板27至32和57至62的线圈通过设置于另一电路板90上的电路而串联在一起，这在图5中最佳地看出。电路板90是薄的柔性板。

图5中还示出了第一至第四屏蔽罩91至94。这些包括穿孔金属板。每个屏蔽罩91至94包括槽孔，这些槽孔构造为接收设置于印刷电路板27至32和57至62上的凸翼80、81、85和86。屏蔽罩91至94中的槽孔与凸翼80、81、85和86接合，并使得屏蔽罩91至94固定至线圈堆11、12。

屏蔽罩91至94分别屏蔽线圈堆11、12中的一个的整个的一个主要面。在该实施方式中，不屏蔽线圈堆11、12的前面和后面。

屏蔽罩91至94的效果是，去除感测体积内和感测体积外的静电耦合。如果对屏蔽罩91至94使用相对厚的导电材料(例如0.3mm的铍、铜或黄铜)，则在希望具有精确的谐波响应(例如，大于等于5kHz)的情况下，在线圈堆11、12周围不完成短路的线匝是有用的。

传感器10等同于无限螺线管的部分原因是间隔件厚度的选择。特别地，第一线圈堆11的第一间隔件20的厚度和第二线圈堆12的第一间隔件50的厚度选择成使得厚度的和等于第一和第二线圈堆11、12的第二至第五间隔件21至25和51至55的厚度。将第一线圈堆11的第一间隔件20的端面43与第二线圈堆12的第一间隔件50的面73连接的第一磁棒13的存在具有这样的效果，即，在磁性上使得第一线圈堆11的第一印刷电路板27与第二线圈堆12的第一印刷电路板57之间的距离等于第一或第二线圈堆中的相邻印刷电路板之间的间隔。因此，第二线圈堆12在磁性上看似是第一线圈堆11的延伸。

因为第一线圈堆11的第六间隔件26和第二线圈堆12的第六间隔件56具有相同的厚度，并且每个的厚度等于第一和第二线圈堆11、12的第二至第五间隔件21至25和51至55的厚度的一半，并且因为第二磁棒14将第一线圈堆的第六间隔件26的端面41与第二线圈堆12的第六间隔件56的端面71直接连接，所以在第一和第二线圈堆11、12的最下端具有相同的效果。因此，可将第一线圈堆11认为是第二线圈堆12在另一端处的延续。这有助于实现无限螺线管效果。

在上述实施方式中，印刷电路板27至32和57至62中的每一个均为大致相同的。因此，每个印刷电路板具有相同的线圈线匝数和相同的平均线匝半径。而且，对于所有电路板而言，相邻印刷电路板之间的间隔是相同的，其与由第一和第二磁棒13、14中的一个隔开的印刷电路板之间的有效间隔相同。该高度对称的布置具有多个优点。一个优点是易于制造。特别地，仅需要单电路板的设计，并且仅需要双间隔件的设计。另一优点是灵敏度，在于该高度规则的布置对源于由传感器10限定的体积内的磁场具有均匀的灵敏度，而对外部施加的磁场提供良好的抑制。然而，本领域技术人员将构想到可替换布置。多个可替换方式具有几乎均良好的性能，尽管可能更复杂并且因此制造起来更昂贵。

间隔件20至26和50至56由非磁性材料制成。例如，间隔件20至26和50至56由聚碳酸酯制成。印刷电路板27至32和57至62也由非磁性材料制成。屏蔽罩91至96也由非磁性材料制成。因此，线圈堆11、12没有磁性材料。线圈堆11、12组成软磁棒之间的气隙。

现在将提供发明人所构造的传感器10的原型的部件的尺寸，以用于说明的目的。在该原型中，印刷电路板是0.4mm厚，10mm宽和25mm长。第二至第五间隔件的厚度是3.95mm，给定相邻印刷电路板的中心之间的间隔是4.35mm(考虑板厚)。每个线圈堆11、12的总长是26mm，其限定了软磁棒的最内表面之间的间隔。软磁棒13、14具有27mm深乘60mm长和9mm高的尺寸。当线圈堆11、12处于适当位置中时，其纵向轴线之间的间隔是48mm。每个印刷电路板在每侧上设置有13个线圈线匝。考虑到每个线圈堆11、12上具有六个双面印刷电路板，每个线圈堆具有156个线匝，因此总共存在312个线匝。每个线匝的平均面积是1.2平方厘米(印刷电路板的给定侧上的明确不同的线匝具有不同的面积)。软磁棒的初始相对磁导率为近似2000。对于传感器10，在饱和度为～0.4特斯拉的中等功率铁氧体具有大约1000Arms的电流处理能力。

传感器10可操作为罗果夫斯基类型的传感器。传感器10能够用于测量流过导体进入第一和第二线圈堆11、12与第一和第二磁棒13、14之间的体积中的电流，该体积在下文中称为感测体积。

感测体积内的传感器的灵敏度通过线圈堆11、12的线匝面积与每米长度的乘积来确定。这是普遍适用的论述，而不仅仅适用于传感器10。

在上述原型传感器10中，如下所述地计算理论灵敏度。所测电流与传感器线圈之间的互感计算为，6(线圈堆中的印刷电路板)×26(每个印刷电路板的线匝)×(0.00012(线匝的平均面积)/0.026(线圈堆长度))×U_O(真空磁导率，4pi10^-7，或者～1.25e^-6)为0.9μH。这代表每安培0.9微伏秒。将这乘以角频率来得到灵敏度，单位是伏/安。对于50Hz(多数国家中的主频率)，灵敏度是0.28mV/A。

然而，实际灵敏度通过两个小因素(即，软磁棒的有限磁导率并且由于软磁棒在线圈堆上的有限重叠)而减小。发明人构想的是，灵敏度由于磁棒的有限磁导率而减小0.1％到1％，并且由于磁棒在线圈堆上的有限重叠而导致的灵敏度的减小(假设由堆端部处的间隔件形成间隙)在0.05％与0.5％之间。例如，在如上所述的传感器10中，棒的有限磁导率减小0.4％。因此，如果磁导率翻倍(例如由于增加的电流和/或增加的温度)，则传感器的增益将增加0.2％。

软磁棒13、14的平面在线圈轮廓之外的有限投影使得增益的减小为～0.1％。

由于磁导率而导致的增益减小可通过对软磁棒13、14使用不同磁导率的材料和/或对软磁棒选择不同的厚度而改变。例如，由于磁导率而导致的增益减小(0.4％)可通过将铁氧体磁导率增加至10000(例如通过使用立方结构铁氧体3E6材料)而减小5倍至～0.08％。增益减小可通过使软磁棒13、14的厚度翻倍至16mm而再次减半至0.04％。

如果希望的话，由于软磁棒13、14的有限投影而导致的增益减小可通过增加磁棒的长度和/或宽度而减小。增益的减小可通过将磁棒13、14的长度和宽度如上所述地增加几毫米而减小显著的量，尽管这是以增大整体尺寸为代价的。

通常，假设传感器10是对称构造的，则传感器10对均匀场(在远离感测体积处产生的场在传感器处是均匀的)不敏感。梯度场的灵敏度受软磁棒的有限磁导率限制。对于给定的磁导率，其越短且越厚则越好。与感测体积中的导体相比，传感器10对就位于传感器外部边上的外部载流导体的典型灵敏度是大约～1/500。通过提供具有磁导率为10000的磁棒并且将磁棒的厚度增加至近似16mm高，对这种外部产生的场的灵敏度可提高大约10倍。如果用铁氧体作为软材料，则增加的磁导率趋于与饱和之前的磁感应的较低最大值平衡；磁棒13、14的额外厚度在保持良好的电流处理能力的同时提供额外的能力。

如上所述，灵敏度由线匝面积与每单位长度的乘积给定。因此，可通过以下方式来增加灵敏度：提供具有更大面积的线圈，在线圈上提供更多的线匝，在每个板中提供更多层的线圈，和/或减小相邻印刷电路板之间的间隔。减小相邻板之间的间隔需要更小的第一间隔件20、50，所述第一间隔件在传感器设置于可打开的壳体中时产生限制，如下面参考图2讨论的。

在以上描述中，每个印刷电路板27至32和57至62描述为包括位于板的两侧上的具有线匝的一个线圈。可替换地，可将印刷电路板27至32和57至62考虑为包括两个线圈，板的每侧上有一个。这里，每个线圈具有13个线匝，当然，尽管如此，线圈堆11、12中的总的线匝数不变。

在这种情况下，板上的两个线圈之间的距离等于印刷电路板27至32和57至62的厚度。而且，堆中的一个线圈到下一个线圈的距离等于将相邻印刷电路板隔开的间隔件的厚度。在这种情况下，每个线圈堆11、12中的线圈并不是等距隔开的。相反，沿着印刷电路板的长度，线圈之间的间隔在间隔件厚度与印刷电路板厚度之间交替。

为了允许将传感器10用于测量在导体中流动的电流，在通过图2b中的页面平面的方向上通过导体，或者从左到右通过，或者在图2a中反之亦然。应当认识到的是，流过这种导体的电流产生在导体周围形成同心圆的磁场线，这些磁场的线因此沿着第一和第二线圈堆11、12中每一个的轴线延伸。磁棒13、14用于使磁场集中，从而使得通过第一和第二线圈堆11、12的场聚焦。应当理解的是，常规地，罗果夫斯基类型的传感器并不包括磁性材料。

存在用于在导体周围设置传感器10的多个不同的选择。在第一种选择中，传感器10保持完整，并将导体插入由第一和第二线圈堆11、12以及第一和第二磁棒13、14形成的孔中。然而，通过该方法，无法将传感器10改造为原位导体。

在第二种选择中，磁棒13、14(例如第一磁棒13)曾与第一和第二线圈堆11、12的端部43、73隔开。一旦已经去除第一磁棒13，则可将导体插入由第一和第二线圈堆11、12与第二磁棒14形成的U形的中心。第一磁棒13可然后与第一和第二线圈堆11、12的面43、73重新连接并固定在适当的位置。这样的结果是，导体由传感器10的四个主要部件容纳，即，穿过感测体积延伸。

可替换地，传感器10可设置在构造为允许将传感器10改造为位于原位的导体的壳体中。在图6、图7和图8中示出了传感器10的第二实施方式(可特别容易地对其进行改造)，现在将对该实施方式进行描述。传感器10包括第一实施方式传感器10的除了第一间隔件20、50以外的所有部件。第一实施方式传感器的以上描述应当被认为是包含在第二所述实施方式的该描述中，但是这里为了简明和清楚而将其省略。

该第二实施方式中的传感器10包括两个主要部件。U形件100设置有门101。在U形件100中(如图1至图5所示)，也可存在图5所示的电路板90。可替换地，可提供用于将线圈的线匝连接在电路板上的一些其他装置。U形件100还可包括图5所示的屏蔽部件91至94。

门101在一端处铰接于U形件100的一端。门101的另一端与U形件100的另一端抵接，然而并非与其永久地固定。U形件100和门101之间的铰接连接允许打开门，从而允许导体插入由U形件100限定的感测体积中。一旦导体处于适当的位置中，则门101可再次关闭，使得其与U形件100的两端都抵接。门101包括第一磁棒13，由此用作第一和第二线圈堆11、12的最上端之间的磁场集中器。

门101和U形件100构造为允许将传感器10半永久地固定在关闭位置中。这例如可使用弹性夹(clip)来实现。这在需要时允许门由使用者打开，但是会另外导致门保持关闭，即使受到冲击或受到振动也是这样。

在图8中示出，该铰接使得门101在第一磁棒13的平面中枢转。然而，门101可替代地以一些其他方式枢转，例如围绕垂直于(而非平行于)第一和第二线圈堆11、12的轴线延伸的轴线枢转。

在图6至图8所示的实施方式中，通过U形件100的材料在第一和第二线圈堆11、12的最上端处的的厚度以及容纳第一磁棒13的门101的材料的厚度而提供第一和第二线圈堆11、12的第一印刷电路板27、57与磁棒13之间的间隙。将门101和U形件100构造为使得第一线圈堆11的第一印刷电路板27之间的间隔和第二线圈堆的第一印刷电路板57与棒13之间的间隔是相等的，或近似等于第一线圈堆11中的相邻印刷电路板之间的间隔的一半。这可例如通过以下方式来实现：将形成位于磁棒和线圈堆11、12的端部之间的U形件和门101的部分的材料的厚度选择为与图1至图5的间隔件20，50的厚度对应，并且将U形件100和门101构造为使得当传感器10处于图6所示的关闭位置中时两个部件抵接。

如上所述，传感器10提供无限螺线管的等同物。可替换布置也可提供相同的效果，并且现在将参考图9、图10和图11描述一些这种可替换方式。

首先参考图9，示出了传感器200的第三实施方式。这里，传感器200包括U形软磁部件201和单线圈堆202。线圈堆202与图1至图5的实施方式的第一和第二线圈堆11、12非常相似，并且那些线圈堆的以上描述应当被认为是第三实施方式的该描述的一部分，尽管这里为了清楚和简明而将其省略。非常简要地，线圈堆202具有由间隔件205至208隔开的多个印刷电路板209。线圈堆202在其端部处设置有间隔件203和204，这些间隔件是位于印刷电路板209之间的间隔件205至208的厚度的近似一半。间隔件203至208和印刷电路板209对准为使得第一线圈堆202具有一般矩形立方体的形状。第一间隔件203的最上端的面213与最下方的间隔件204的端面212平行。

U形软磁部件201的一端的内侧210与线圈堆202的最上方的端面213抵接。U形部件201的另一端的内侧211与线圈堆202的底端处的端面212抵接。因此，软磁部件201的面210和211彼此平行并且与线圈堆202的纵向轴线垂直。尽管未示出，然而传感器200是伸入附图的页面方向的三维尺寸。

与第一实施方式的情况一样，软磁部件201用于使磁场集中，从而使得线圈堆202的一端与线圈堆的另一端直接磁性地联接。因此，再次提供无限螺线管效果。

延伸到由U形软磁部件201和线圈堆202限定的感测体积的导体(未示出)中的是对象传感器200。流过导体的电流在导体周围产生磁场，该磁场通常沿着线圈堆202纵向地延伸并且通过U形软磁部件201集中。因此，在导体中流动的变化电流在线圈堆202的线圈中产生对应的电动势，其可用于测量流过导体的电流。

为了将传感器200装配至导体，需要将导体插入U形软磁部件201与线圈堆202之间的体积中，或者需要在将U形部件201放置在导体上之前去除线圈堆202并且然后将线圈堆202重新引入U形软磁部件201的端部之间的体积中。这两种方法假定U形部件201是相对刚性的单件。可替换地，U形软磁部件201可为不是刚性的，并且可以一些方式允许将导体引入感测体积中。可提供壳体(未示出)以便于进行该操作。

现在将参考图10描述第四实施方式。这里，第一至第四线圈堆301至304布置在矩形且特别是方形中。每个线圈堆与上面结合第一或第三实施方式描述的相同。因此，线圈堆301至304中的每一个均具有大体彼此平行的端部。提供第一至第四软磁部件305至308。软磁部件305至308中的每一个均连接两个相邻线圈堆的端部。软磁部件305至305的与线圈堆301至304的一端接触的面是平的，并且布置为大体与相应线圈堆的纵向轴线垂直。因此，每个软磁部件305至308包括大体彼此垂直的两个面，使得相邻的线圈堆301至304以彼此成90°的角度支撑。

在图10中，软磁部件305至308示出为具有大体三角形的截面。然而，构想了可替换的形状。例如，软磁部件305至308可具有方形截面，或者，其可能具有1/4个圆形的截面。主要需求是，软磁部件305至308的面是平的并且与线圈堆301至304的相关轴线垂直地延伸。尽管未示出，然而传感器300是伸入附图的页面方向的三维尺寸。

第四所述传感器300也提供了无限螺线管的效果。该传感器能够允许在线圈堆301至304之间限定的感测体积中测量流过导体的电流。

上述传感器10、200、300提供了截面大体是矩形的感测体积。传感器10、200、300可用于测量在容纳于感测体积中的任何导体中流动的电流。

在一些实施方式中，传感器10、200、300安装在变电站的导体周围，特别是低压变电站或配电站。这里，变电站的输入处的导体趋于具有圆形的或圆弓形的截面，并且具有几十毫米的直径(包括绝缘护套)。通过使用具有仅略微大于导体的外径的最小内部尺寸的传感器10、200、300，安装到导体上的传感器的总尺寸可相对较小。因此，甚至在多个导体相对紧密地封装的地方也可安装传感器10、200、300，如在现代变电站中越来越普遍的。此外，这甚至在传感器在精度和灵敏度方面提供相对良好的性能的情况下实现。传感器的紧凑性方面的贡献因素是印刷电路板的最长的边在沿着感测体积的轴线的方向上设置。这允许最短的边径向于感测体积的轴线，由此使得当将传感器安装于其上时对导体增加的额外直径最小。

当将传感器设置在可打开的壳体内时(诸如在图6、图7和图8中所示)，包括在主体100中的线圈堆的端部处的印刷电路板与包括在壳体的门101中的磁棒13、14之间的间隔依据对壳体提供绝缘和/或防风雨的机械特征而变化。通常，通过线圈堆的每个单位长度的更大数量的线匝来提供更大的灵敏度。可在端部印刷电路板与磁棒13、14之间实现的最小间隔也限定了线圈堆中的相邻板之间的间隔。对于给定长度的线圈堆，这限定了堆中的板的数量。

在图11中示出了根据第五实施方式构造的传感器400。

该传感器与第三所述传感器200的相似之处在于，其包括U形软磁部件402和线圈堆。该线圈堆包括三个印刷电路板403至405。印刷电路板403至405是规则间隔开的。在传感器400中包括来自第一和第二实施方式的其他特征，但是为了清楚和简洁的起见而从附图和该描述中省略。

在图11中还示出了母线(busbar)形式的导体401。母线401穿过限定于U形软磁部件402的三条边与线圈堆之间的感测体积。还应当看到的是，在传感器400的最近的表面与母线401之间具有相对较小的间隔。这允许传感器的总体积相对小，并且实际上比用于相似目的的多个现有技术传感器更小。当然，传感器400比可能具有相似的制造简易性性和/或相似的性能的现有技术传感器更小。

传感器400可设置有壳体(未示出)，通过该壳体使传感器400与母线401绝缘。然而，如果仔细地选择传感器400的相关部分的材料，传感器400的可与母线401接触的部分是充分电绝缘的，从而无需额外的壳体或其他绝缘件。另外，如果可正确地保持传感器400和母线401的相对位置，如例如可在其中传感器400结合于配电板、变电站、配电盘或仪表中的实施方式中提供的，无需预防措施用以在传感器与母线401之间提供电绝缘。

在其他实施方式中，也可将线圈堆11、12制造为使用多层印刷电路板技术的单个部件。该多层印刷电路板可以包括或可以不包括由线圈堆11、12的端部处的板的层提供的间隔件。在多层印刷电路板中，每个层均包括基板。

在图12中示出了一个这种线圈堆。图12a示出了单个部件堆，图12b示出了印刷电路板层的布局，并且图12c示出了图示这些层在印刷电路板的高度内的放置的侧部立体图。

在该实例中，提供12个印刷电路板层。这些包括位于顶部处的屏蔽层以及位于底部处的另一屏蔽层。屏蔽轨道在层2至11中的每一层的外部周围延伸。

每对非屏蔽层2、3；4、5；6、7；8、9；10、11形成与印刷电路板的外表面连接的线圈，如图12a的右侧所示。在该实施方式中，这些以与如上所述的传感器10中的堆中的板相同的方式连接，然而在其他实施方式中，它们一起串联地互连在多层印刷电路板内。

可替换地，可由单个印刷电路板提供两个线圈堆，如现在将参考图13描述的。这里，传感器600包括由多层印刷电路板603隔开的第一和第二磁棒601、602。印刷电路板603包括导体605定位于其中的槽孔或切口604。槽孔604在传感器600的前部与后部之间延伸。导体605中的弯曲部605允许导体605与印刷电路板603的平面分离，尽管如此，导体的一部分607沿着印刷电路板603的平面延伸。线圈堆608、609形成在槽孔604的任一侧的印刷电路板603内以及磁棒601、602之间。线圈堆通过印刷电路板的在槽孔604的端部周围延伸的部分而连接在一起。

这可扩展为制造多相变换器，如现在将参考图14描述的。在图14a中，由单个印刷电路板提供四个线圈堆。传感器700包括由多层印刷电路板703隔开的第一和第二磁棒701、702。印刷电路板703包括三个槽孔或切口部分704至706，相应的导体711至713位于每个槽孔或切口部分中。每个槽孔704至706在传感器700的前部与后部之间延伸。每个导体704至706中的弯曲部允许其与印刷电路板703的平面分离，尽管如此，每个导体的一部分沿着印刷电路板703的平面延伸。在印刷电路板703内形成四个线圈堆707至710。每对线圈堆707至710形成在槽孔704至706的任一侧以及磁棒701、702之间。线圈堆707至710通过印刷电路板的在槽孔704至706的端部周围延伸的部分而连接在一起。

图14a和图14b示出了印刷电路板703内的一层的相对侧上的图案。这里，可看到的是，线圈堆707至710在板层的每侧上包括由相应的穿过层的过孔连接的线匝。这些图还示出了图案如何与端子T1至T5连接。这些例如可与多相计量芯片上的不同的电流输入连接。

可替换的线圈图案在每个导体711、712、713的任一侧上包括相应的一对线圈。这提供了独立绝缘的输出，尽管以更大的整体传感器以及印刷电路板中的更多层或更低的敏感度为代价。

图14d示出了由印刷电路板703形成的电路，并示出了提供来自线圈堆707至710的信号的端子T1至T5。

图14示出了可如何使用较小数量的线圈堆来测量三相电流，在这种情况下，该数量等于导体的数量加1。由于线圈堆共享来自导体和线圈堆的相关位置的结果的原因而使得这是可能的。

在其他实施方式中，使用独立的线圈堆(即，并非形成在公共的印刷电路板内的线圈堆)来实现相同的效果。

所有上述传感器10、200、300、400、600、700具有相对易于制造、可靠地具有所需特性并以相对低的成本制造的优点。特别地，这是印刷多匝线圈并使支撑线圈的基板相对于彼此和软磁材料定位的效果。此外，传感器也易于在现有导体上改造同时保持其原始形状或结构，从而保持其所需特性，除了另外提到的以外。

现在将提供与不同结构相关的一些一般的讨论。

传感器中的线圈堆的数量越大，传感器的对称性越大，并且软磁部件的有限磁导率的效果越低。然而，这以传感器组件的更高的复杂性为代价。

对于由有限磁导率产生的最低的负效应，第一、第二和第四实施方式(即，不使用U形软磁部件的那些实施方式)的传感器是优选的。然而，U形软磁部件提供偶极矩，其对均匀场是敏感的。当在测量多相电流的多组传感器中使用U形软磁部件时或者出于功率监测或财政测量(计量)的目的而使用一对+/-相位时，优选地使所有U形都面向相同的方向或者不大优选地面向大体相同的方向，使得当在功率计算中与相电压的输出相乘时，抵消对均匀场的公共灵敏度。双线圈堆传感器(诸如第一和第二实施方式的传感器10)提供对第一量级梯度场具有灵敏度的四极矩。呈方形的四线圈堆传感器(诸如第四所实施的传感器300)仅对更高量级的场梯度敏感。

技术人员将构想到可替换的布置。

例如，印刷电路板可由FR4或一些其他适当的材料(诸如氧化铝或基于纸的材料)制成。这些材料都允许结合有过孔的双面板的构造。其他实施方式使用单面板。因为印刷电路板相对较小并具有相对简单的形状，所以用可压印的材料制造电路板是有利的。一些类型的FR4适于压印，因为其为基于纸的板。可对氧化铝板进行激光切割。

在一些实施方式中，从线圈堆省略间隔件。在以上实施方式中，间隔件用于将印刷电路板(以及因此线圈)保持在所需位置的目的。然而，这可替代地以一些其他方式实现，例如使用与印刷电路板机械接合以将其固定在适当位置中的框架或壳体。

另外，在一些实施方式中，在不同的印刷电路板上存在不同数量的线圈。可替换地或附加地，在相邻的印刷电路板之间可具有不规则的间隔。尽管规则的传感器具有最佳的性能，然而在多个应用中，这种实施方式都可能是令人满意的。可通过改变板上的线匝面积乘积而在一定程度上补偿印刷电路板和磁棒13、14之间的间隔的变化，这在传感器设计中可能是无法避免的，例如由于当使用本体和可打开的门型壳体时在部件之间实现的最小值。

在一些实施方式中，传感器中的每个线圈堆仅包括一个单个层，双面电路板，每个电路板具有印刷在其每侧上的线圈。因此，电路板提供两个线圈。传感器可包括一个或两个这种线圈堆，或者在其他实施方式中包括更多个线圈堆。印刷电路板在传感器中的位置选择成使得在相邻线圈之间实现适当的间隔。例如，在双磁芯传感器中，印刷电路板可中央地定位于两个磁棒(诸如图1的棒13、14)之间。

应当认识到的是，上述实施方式仅是说明性的并且不限制保护范围，保护范围仅由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (23)

1.一种电流传感器，包括：

第一部件，包括多个线圈，其中：

每个线圈均包括印刷在相应基板的至少一个平面上的一个或多个线匝，并且

所述线圈的平面彼此平行并且与所述第一部件的纵向轴线垂直；以及

第二部件，包括软磁材料并且具有第一平面和第二平面，所述第一平面和所述第二平面位于所述第一部件的相对端处并且布置成与所述第一部件的纵向轴线垂直并相交。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，对于所述第一部件的所有线圈而言，相邻线圈之间的间隔是近似相同的。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，其中，所述第一部件的每个线圈包括相同数量的线匝并且在所述基板上具有相同的面积。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，其中，所述第二部件包括U形的软磁部件，并且其中，所述第一平面和所述第二平面在所述U形的口内是平行的面。

5.根据权利要求4所述的电流传感器，其中，所述第二部件能与所述第一部件分离，从而允许在将所述第一部件放置在所述第二部件的所述U形的口内之前将导体引入所述U形中。

6.根据权利要求4所述的电流传感器，其中，对于所述第一部件的所有线圈而言，相邻线圈之间的间隔是近似相同的，所述第一部件具有对应于所述第一平面的第一端以及对应于所述第二平面的第二端，并且其中，最靠近所述第一端的线圈与所述第一平面之间的间隔大致等于最靠近所述第二端的线圈与所述第二平面之间的间隔并且等于或近似等于相邻线圈之间的间隔的一半。

7.根据权利要求5所述的电流传感器，其中，对于所述第一部件的所有线圈而言，相邻线圈之间的间隔是近似相同的，所述第一部件具有对应于所述第一平面的第一端以及对应于所述第二平面的第二端，并且其中，最靠近所述第一端的线圈与所述第一平面之间的间隔大致等于最靠近所述第二端的线圈与所述第二平面之间的间隔并且等于或近似等于相邻线圈之间的间隔的一半，所述电流传感器包括用于使所述第一部件保持在所述第二部件的所述U形的口内的装置。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，其中，所述第二部件还包括第三部件，所述第三部件包括多个线圈，其中：所述第三部件的每个线圈均包括印刷在相应基板的至少一个平面上的一个或多个线匝，并且所述第三部件的线圈彼此平行并且位于所述第三部件的纵向轴线上；并且其中，所述第二部件包括第三平面和第四平面，所述第三平面和所述第四平面位于所述第三部件的相对端处并且布置成与所述第三部件的纵向轴线垂直并相交。

9.根据权利要求8所述的电流传感器，其中，所述第二部件包括第一I形部件和第二I形部件，所述第一I形部件包括所述第一平面和所述第三平面，并且所述第二I形部件包括所述第二平面和所述第四平面。

10.根据权利要求9所述的电流传感器，其中，对于所述第一部件和所述第三部件的所有线圈而言，相邻线圈之间的间隔是近似相同的，并且其中，最靠近所述第一部件的第一端的线圈与所述第一平面之间的间隔和最靠近所述第一部件的第二端的线圈与所述第二平面之间的间隔相同，最靠近所述第一部件的第二端的线圈与所述第二平面之间的间隔和最靠近所述第三部件的第一端的线圈与所述第三平面之间的间隔相同且和最靠近所述第三部件的第二端的线圈与所述第四平面之间的间隔相同，并且近似为相邻线圈之间的间隔的一半。

11.根据权利要求8所述的电流传感器，其中，所述第二部件包括一个或多个其他部件，每个所述其他部件均包括多个线圈，其中：每个所述其他部件的每个线圈均包括印刷在相应基板的至少一个平面上的一个或多个线匝，并且每个所述其他部件的线圈彼此平行且位于所述其他部件的纵向轴线上。

12.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，其中，相邻基板由间隔件机械地隔开。

13.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，其中，所述第一部件中的端部基板通过间隔件与所述第二部件隔开。

14.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，包括构造成将所述线圈连接在电路中的电路板。

15.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，包括构造成至少部分地围绕所述第一部件的一个或多个屏蔽部件。

16.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，包括穿过所述电流传感器的中央部分延伸的载流导体。

17.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，其中，所述软磁材料是铁氧体。

18.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，每个线圈均包括印刷在相应基板的至少两个平行表面上的一个或多个线匝。

19.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述第一部件包括分别印刷在第一基板的第一平行表面和第二平行表面上的第一线圈和第二线圈。

20.根据权利要求19所述的电流传感器，其中，所述第二部件还包括第三部件，所述第三部件包括分别印刷在第二基板的第一平行表面和第二平行表面上的第三线圈和第四线圈，其中，所述第三部件的线圈彼此平行且位于所述第三部件的纵向轴线上；并且其中，所述第二部件包括第三平面和第四平面，所述第三平面和所述第四平面位于所述第三部件的相对端部处并且布置成与所述第三部件的纵向轴线垂直并相交。

21.根据权利要求8所述的电流传感器，其中，所述第一部件和所述第三部件由单个多层印刷电路板形成，在所述多层印刷电路板中形成有构造成接收导体的槽孔或切口。

22.根据权利要求1或权利要求2所述的电流传感器，包含绝缘壳体和/或抗风化壳体。

23.根据权利要求8所述的电流传感器，包括构造成至少部分地围绕所述第一部件的一个或多个屏蔽部件，所述屏蔽部件还构造成至少部分地围绕所述第三部件。