CN104364661B - 电流感测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低成本和高精度电流感测装置及其使用和制造方法。在一个实施例中，所述电流感测设备包括罗果夫斯基型线圈，所述线圈分段制造以便促进所述制造过程。在示例性实施例中，所述电流感测设备段的形状和/或组成(例如，绕线管形状、尺寸和/或绕组配置)是非对称的，以便考虑到围绕母线排的磁场分布的非对称性，或以更紧凑的形状因数来容纳其形状，和/或改善对外部磁场的影响的抗扰性。还公开了制造和使用前述电流感测设备的方法。

Description

电流感测装置和方法
优先权和相关申请
本专利申请要求2013年3月12日提交的相同名称的美国专利申请No.13/797,575的优先权，该美国专利申请No.13/797,575要求2012年5月31日提交的相同名称的美国临时专利申请No.61/653,655的优先权，上述专利申请中的每一个均全文以引用方式并入本文。
本专利申请还涉及2010年11月24提交的相同名称的美国专利申请No.12/954,546，该美国专利申请No.12/954,546是2010年1月7日提交的相同名称的美国专利申请No.12/684,056的部分延续申请并且要求其优先权，该美国专利申请No.12/684,056是2009年9月25日提交的相同名称的美国专利申请No.12/567,622的部分延续申请并且要求其优先权，该美国专利申请No.12/567,622要求2009年7月31日提交的相同名称的美国临时专利申请No.61/230,474的优先权，所述专利申请中的每一个均全文以引用方式并入本文。
版权
本专利文档的公开内容的一部分包含受到版权保护的材料。该版权所有者不反对任何人对该专利文档或该专利公开内容按其在专利和商标局的专利文件或记录中的形式传真再现，但在其他情况下保留全部版权权利，概无例外。
1.技术领域
本发明总体涉及电路元件，并且更具体地讲，在一个示例性方面涉及用于感测电流的装置，以及利用和制造所述装置的方法。
2.背景技术
电流感测装置的大量不同配置在现有技术中是已知的。制造电流感测装置的一种常见方法是通过使用所谓的“罗果夫斯基线圈”。罗果夫斯基线圈是用于测量交流电流(“AC”)的电气装置。其通常由螺旋状线圈组成，其中引线从一端通过线圈的中心返回并且穿过螺旋状线圈到另一端。整个螺旋状线圈然后被定位为在将测量其电流的交流载流导体周围。线圈中感应的电压与导体中电流的变化率成比例，使得罗果夫斯基线圈的输出指示穿过导体的电流量。
可以将罗果夫斯基线圈制成开放式的和柔性的，从而允许其围绕载流导体缠绕，而不以其他方式直接干扰穿过该导体的电流。罗果夫斯基线圈通常利用空气而不是磁导芯，因此使罗果夫斯基线圈具有相对较低的电感以及响应于相对较快变化的电流的性能。此外，罗果夫斯基线圈的输出通常是高度线性的，即使在经受大电流(诸如在电力输送、焊接或其他脉冲功率应用中使用的电流)时亦是如此。此外，正确构造的罗果夫斯基线圈通常还对电磁干扰具有较大的抗扰性，从而使它们能够抵抗外部篡改。
在现有技术中存在许多用于制备罗果夫斯基线圈的方法，包括例如以下专利中公开的方法：1986年10月7日发布的授予Mercure等人且名称为“Dynamic currenttransducer”(动态电流换能器)的美国专利No.4,616,176；1995年5月9日发布的授予Gris等人且名称为“Rogowski coil”(罗果夫斯基线圈)的美国专利No.5,414,400；1995年8月15日发布的授予Baudart且名称为“Device for measuring an electrical current in aconductor using a Rogowski coil”(用于使用罗果夫斯基线圈来测量导体中的电流的装置)的美国专利No.5,442,280；1999年11月9日发布的授予Von Skarczinski等人且名称为“Current-detection coil for a current transformer”(用于电流变换器的电流检测线圈)的美国专利No.5,982,265；2000年7月25日发布的授予Kustera等人且名称为“ACcurrent sensor having high accuracy and large bandwidth”(具有高准确性和大带宽的AC电流传感器)的美国专利No.6,094,044；2001年11月6日发布的授予Kojovic等人且名称为“High precision Rogowski coil”(高精度罗果夫斯基线圈)的美国专利No.6,313,623；2003年9月2日发布的授予Ray且名称为“Current measuring device”(电流测量装置)的美国专利No.6,614,218；2004年5月4日发布的授予Meier等人且名称为“Printedcircuit board-based current sensor”(基于印刷电路板的电流传感器)的美国专利No.6,731，193；2004年11月23日发布的授予Saito等人且名称为“Current transformer”(电流变换器)的美国专利No.6,822,547；2007年6月5日发布的授予Skendzic等人且名称为“Precision Rogowski coil and method for manufacturing same”(精密罗果夫斯基线圈及其制造方法)的美国专利No.7,227,441；2007年8月7日发布的授予Kovanko等人且名称为“Current sensor arrangement”(电流传感器布置)的美国专利No.7,253,603；2009年5月26日发布的授予Koiovic且名称为“Split Rogowski coil current measuring deviceand methods”(开口式罗果夫斯基线圈电流测量装置和方法)的美国专利No.7,538,541；2005年11月10日公布的授予Dupraz等人且名称为“Current transformer with Rogowskitype windings comprising an association of partial circuits forming acomplete circuit”(具有包括形成完整电路的部分电路的关联的罗果夫斯基型绕组的变流器)的美国专利公布No.20050248430；2006年10月5日公布的授予Skendzic且名称为“Precision printed circuit board based Rogowski coil and method formanufacturing same”(基于精密印刷电路板的罗果夫斯基线圈及其制造方法)的美国专利公布No.20060220774；2007年12月20日公布的授予Mahon且名称为“Method and Apparatusfor Measuring Current”(用于测量电流的方法和设备)的美国专利公布No.20070290695；2008年1月10日公布的授予Wilkerson等人且名称为“Precision，Temperature-compensated，shielded current measurement device”(精密温度补偿型屏蔽式电流测量装置)的美国专利公布No.20080007249；2008年4月3日公布的授予Rea等人且名称为“High-precision Rogowski current transformer”(高精度罗果夫斯基电流变换器)的美国专利公布No.20080079418；2008年5月8日公布的授予Kojovic且名称为“Shielded Rogowskicoil assembly and methods”(屏蔽式罗果夫斯基线圈总成和方法)的美国专利公布No.20080106253；以及2008年9月4日公布的授予Howell等人且名称为“Flexible currenttransformer assembly”(柔性电流变换器总成)的美国专利公布No.20080211484中公开的那些。
尽管上文示出了各种各样的电流感测技术，但在保持制造成本效益时，均未实现所需水平的准确性和可重复性(例如，在两个不同的单元之间)。具体地讲，关于罗果夫斯基线圈，主要由于涉及相对复杂的绕组配置，所以现有技术制造此类线圈的尝试是耗费劳力且昂贵的。此外，此类现有技术方法缺乏灵活性和可配置性；通常，给定线圈必须针对单个预期应用进行设计和建造，并且不能轻易对装置的参数进行修改或调整，从而实际上制约了针对不同应用的替换形式或重新设计。此外，还难以一致地实现此类装置的非常高的灵敏度水平。
多相配电系统
多相(例如，三相)电力是交流电发电、输电和配电的常见方法。它是配电系统用于传输电力的最常见方法，并且还常常用于给大型马达和其他重负载供电。三相系统通常比其他系统更经济，尤其因为与等效的单相系统或两相系统相比，三相系统在相同的电压下使用更少的导体材料来传输电力。
在三相系统中，三个电路导体载送三个相应的交流电流(具有相同的频率；例如，60Hz)，所述三个交流电流相移120度，使得它们在不同的时间达到其瞬时峰值。以一个导体为基准，另外两个电流在时间上延迟一个电流循环的三分之一(120度)和三分之二(240度)。这种相之间的延迟在电流的每个循环上有效地提供恒定电力传输，并且还使其能够在例如电动马达的定子等等中产生旋转磁场。三相系统产生以指定方向旋转的磁场，而不必物理地移动任何导体，这简化了电动马达的设计。
三相系统还可具有中性导线，其允许三相系统使用更高电压，同时仍支持更低电压的单相电器。在高压配电情况下，通常不具有中性导线，因为负荷可仅连接于相之间(相-相连接)。
此类系统的三个相通常以下列两种方式中的一种连接：(i)所谓的“三通(wye)”，其中相凭借在中心节点彼此连接的相形成Y形，或(ii)所谓的“三角(delta)”，其中三个相凭借在其端部连接至其相邻相而形成三角形或希腊字母Δ符号。
三相具有多个所需性能，包括相电流趋于彼此抵消，从而在线性平衡负载的情况下总和为零。这允许消除或减小中性导体的尺寸；相导体中的每一者均有效地载送相同电流，并因此可为相同的尺寸(针对平衡负载)。此外，传输至线性平衡负载中的电力是恒定的，这有助于减小发电机和马达振动，所述振动可有害于装置寿命、产生不期望的噪声或谐波等。
由于其在工业和其他应用中的普遍使用，因此准确、一致且具有成本效益地感测三相系统中的电流也具有极大好处(除单相系统诸如广泛用于住宅或类似应用的那些之外)。
因此，存在对具有低制造成本并且与现有技术装置相比提供改善的或至少不相上下的电气性能和灵敏度的电流感测装置(包括罗果夫斯基线圈)的显著需要，此类低成本尤其通过解决与现有技术电流感测装置的复杂线圈配置相关联的困难而实现。
发明内容
上述需求通过本发明来满足，本发明尤其提供了用于在电系统中感测电流的设备和方法，该电系统包括例如单相交流(AC)系统和多相设备诸如三相AC配电系统。
在本发明的第一方面，公开了电流感测感应装置。在一个实施例中，该装置包括多个线圈状感测元件，感测元件中的至少一个具有不同于所述多个元件的其余部分中的每一个的配置。在一个变型形式中，具有不同配置的至少一个感测元件被配置成相对于所感测的结构设置，使得电流感测感应装置的一个或多个电属性得以增强。
在感测装置的另一个实施例中，提供了传感器内母线排的所需放置和取向。在一个此类变型形式中，母线排具有基本上呈矩形的横截面，并且该设备包括仅在一个位置(或其反向)中接受母线排的外壳，从而尤其针对最大灵敏度和准确性而确保传感器相对于母线排的正确放置。
在感测设备的另一个实施例中，在绕线管/绕组布置中利用多个非对称的分段绕组，使得感测设备的整体形状在至少一个方面为非对称的。该非对称性可尤其用于(i)考虑到将以其他方式使得感测设备具有更大总尺寸的母线排轮廓；和/或(ii)考虑到围绕母线排的磁场密度的变化，使得提供更大的感测设备电流灵敏度或对外部磁场的抗扰性。
在另一个实施例中，利用非对称线圈区域。例如，在一个具体实施中，绕组匝数是变化的。
在另一个实施例中，利用非对称绕线管区域。
在另外的实施例中，利用非对称绕线管长度和/或形状。
在另一个实施例中，利用线圈的非对称线圈布置和/或组合。
在本发明的第二方面，公开了包括前述电流感测感应装置的系统设备。在一个变型形式中，该系统包括具有三个母线排的三相系统。
在本发明的第三方面，公开了制造前述一个或多个装置的方法。
在本发明的第四方面，公开了使用前述设备的方法。
在本发明的第五方面，公开了可伸缩感应装置。
在本发明的第六方面，公开了低成本和高精度感应装置。
在本发明的第七方面，公开了接纳插入物或组件的母线排。在一个实施例中，插入物或组件与外壳元件协作以使母线排保持在相对于例如多个电流感测线圈的所需取向中。
在本发明的第八方面，公开了用于与前述电流感测感应装置一起使用的支撑结构或外壳。
在本发明的第九方面，公开了用于前述电流感测感应装置的绕线管元件。
在本发明的第十方面，公开了将电流感测设备设置在母线排上的方法。在一个实施例中，该方法包括：将可分离的感测线圈设备的一部分设置在基部上，将母线排设置在所设置部分的顶上，并且然后围绕母线排缠绕感测线圈设备的其余部分，以便围绕母线排形成基本上完整的环。
在本发明的第十一方面，公开了可分离的环感测线圈设备及其使用方法。在一个实施例中，所述设备包括基部元件和多个旋转耦合的线圈感测段。
在本发明的第十二方面，公开了电流感测感应装置。在一个实施例中，电流感测感应装置包括多个线圈状感测元件，其中线圈状感测元件中的至少一个或多个包括弯曲的绕线管。
在一个变型形式中，感测元件中的至少一个具有不同于多个元件的其余部分中的每一个的配置，并且具有不同配置的至少一个感测元件被配置成相对于感测结构设置，使得电流感测感应装置的一个或多个电属性得以增强。
在另一个变型形式中，不同配置包括不同的绕组匝数。
在另一个变型形式中，结构包括与多相电系统的一个相相关联的母线导体。
在另一个变型形式中，一个或多个属性包括增强的电流感测灵敏度。
在另一个变型形式中，一个或多个属性包括减小的交叉相干涉。
在另一个变型形式中，多个线圈状感测元件中的每一个均包括楔形横截面的线圈状感测元件。
附图说明
通过下文结合附图所阐述的具体实施方式，本发明的特征、目的和优点将变得更加显而易见，其中：
图1是固定的径向绕线管阵列(盖已移除)的一个实施例的顶视透视图，该固定的径向绕线管阵列具有控制母线排的位置并且将母线排与绕线管之间的间隙对齐的内部特征结构。
图2是图1的设备的顶视正视图，其示出了控制母线排的位置/部署的内部特征结构的细节。
图3是图1的设备的顶视透视图，其中装配了盖和三(3)条导线。
图4示出了固定的十(10)个径向绕线管感测设备，所述设备具有维持母线排相对于缠绕绕线管配置的位置的中心特征结构。
图5是安装有顶盖的图4的设备的顶视透视图。
图6A和图6B分别是“夹合式”径向绕线管阵列感测设备的第一实施例和第二实施例的前视正视图(部分透明)。
图7是控制母线排相对于缠绕绕线管的位置的夹合式径向绕线管阵列感测设备的另一个实施例的透视图。
图8A至图8H是本发明的电流感测设备在其组装期间的另一个实施例的各种透视图。
图9A至图9C是本发明的电流感测设备在其组装期间的另一个实施例的各种顶视透视图和底视透视图。
图10A是“非对称”感测设备的一个实施例的顶视正视图，其中利用具有不同线圈匝密度的非对称(此处为弯曲的)绕线管，以及基本上呈圆形的中心母线排。
图10B是“非对称”感测设备的另一个实施例的顶视正视图，其中利用具有不同线圈匝密度的非对称(此处为弯曲的)绕线管，以及基本上平分该设备的矩形母线排。
图11A是“非对称”异构线圈感测设备的一个实施例的顶视正视图。
图11B是“非对称”异构线圈感测设备的另一个实施例的剖视图，其中使用基本上正方形横截面绕线管。
图11C是“非对称”异构线圈感测设备的另一个实施例的剖视图，其中使用基本上楔形横截面绕线管。
图12A和图12B是根据本发明的夹合型感测设备的另一个实施例的顶视正视图，其显示为处于打开位置，并且示出了(i)其内部特征结构的细节(图12A的剖视图)，以及(ii)未横切图(图12B)。
图13A和图13B是根据图12A和图12B的夹合型感测设备的顶视正视图，其显示为处于闭合或夹紧位置。
图14A和图14B是根据本发明的夹合型感测设备的另一个实施例的顶部正面剖视图，其显示为处于打开位置(图14A)和闭合或夹紧位置(图14B)。
图15示出了围绕三相系统的一个母线排设置的示例性4段电流传感器布置。
图16是根据本发明实施例的透视图，其示出了感测设备相对于三相母线排(中间条偏移)的第一示例性配置的部署。
图17是根据本发明实施例的透视图，其示出了感测设备相对于三相母线排(中间条偏移，并且外部感测设备横向设置)的第二示例性配置的部署。
图18是根据本发明实施例的透视图，其示出了感测设备相对于三相母线排的第三示例性配置的部署。
图19是根据本发明实施例的透视图，其示出了感测元件(线圈)相对于三相母线排的第一示例性配置的部署。
图20是透视图，其示出了感测元件(线圈)相对于三相母线排的第二示例性配置的部署。
图21是根据本发明实施例的透视图，其示出了感测元件(线圈)相对于三相母线排的第三示例性配置的部署。
本文公开的所有附图的版权归脉冲电子公司(Pulse Electronics，Inc.)所有保留所有权利。
具体实施方式
现在参见附图，其中类似的数字在全文中表示类似的部件。
如本文所用，术语“母线”和“母线排”旨在广泛适用于电系统中的任何所感测的组件(例如，一个导体或多个导体)，而不考虑形状或部署。
如本文所用，术语“绕线管”和“线圈架”(或“绕线模”)是指(不限于)设置在感应装置上或感应装置内或作为感应装置的一部分的任何结构或组件，所述结构或组件有助于形成或维持装置的一个或多个绕组。
如本文所用，术语“电组件”和“电子组件”可互换使用，是指适用于提供一些电和/或信号调节功能的组件，包括但不限于分立组件式或集成电路式的、单独或组合的感应电抗器(“抗流线圈”)、变换器、滤波器、晶体管、带气隙的铁芯环形线圈、电感器(耦合的或以其他方式)、电容器、电阻器、运算放大器和二极管。
如本文所用，术语“感应装置”是指使用或实施感应的任何装置，包括但不限于电感器、变换器和感应电抗器(或“抗流线圈”)。
如本文所用，术语“网络”和“承载网络”通常是指任何类型的数据、电信或其他网络，包括但不限于数据网络(包括MAN、PAN、WAN、LAN、WLAN、微网、微微网、互联网和内联网)、混合式光纤同轴电缆(HFC)网络、卫星网络、蜂窝网络和电信网络。此类网络或其部分可利用任何一种或多种不同的拓扑结构(例如环形、母线、星型、环路等)、传输介质(例如，有线/RF电缆、RF无线、毫米波、光纤等)和/或通信或网络协议(例如，SONET、DOCSIS、IEEE标准802.3、802.11、ATM、X.25、帧中继、3GPP、3GPP2、WAP、SIP、UDP、FTP、RTP/RTCP、H.323等)。
如本文所用，术语“网络接口”或“接口”通常是指与组件、网络或程序连接的任何信号、数据或软件接口，包括但不限于火线接口(例如，FW400、FW800等)、USB(例如，USB2、USB 3.0、USB On-the-Go等)、以太网(例如，10/100、10/100/1000(千兆以太网)、10-Gig-E等)、MoCA、光纤(例如，PON、DWDM等)、串行ATA(例如，SATA、e-SATA、SATAII)、UItra-ATA/DMA、Coaxsys(例如，TVnetTM)、射频调谐器(例如，频带内或OOB、电缆调制解调器等)、WiFi(802.11a，b，g，n)、WiMAX(802.16)、PAN(802.15)、IrDA或其他无线家族的那些。
如本文所用，术语“信号调节”或“调节”应理解为包括但不限于信号变压、滤波和噪声减轻、信号分离、阻抗控制和校正、电流限制、电容控制和时间延迟。
如本文所用，术语“顶部”、“底部”、“侧面”、“向上”、“向下”、“上部”、“下部”等等仅仅意味着一个组件相对于另一个组件的位置或几何形状，并且绝不意味着绝对参照系或任何所需取向。例如，当将组件安装至另一个装置(例如，PCB的下面)时，组件的“顶部”部分实际上可位于“底部”部分的下面。
概述
本发明尤其提供改善的低成本电流感测设备以及用于制造和利用所述设备的方法。
2010年11月24日提交的名称为“CURRENT SENSING DEVICES AND METHODS”(电流感测装置和方法)的共同拥有且共同未决的美国专利申请No.12/954,546，以及2010年1月7日提交的相同名称的相关美国专利申请No.12/684,056，以及2009年9月25日提交的相同名称的美国专利申请No.12/567,622描述了与电流感测线圈相关的各种设备和方法，包括利用前述罗果夫斯基原理的那些，所述专利申请先前已并入本文中。
本发明公开了上述设备和方法的另外变型形式和实施例，尤其适用于进一步利用一般罗果夫斯基感测架构的期望或所需特征结构，尤其包括：(i)相对于感测的设备(例如，母线排)将感测设备放置在所需的取向中，以优化电流感测性能；(ii)使用非对称几何形状以容纳设计特征结构并增强性能；(iii)针对多相(例如，三相AC)应用来优化感测设备；以及(iv)能够向/从端部不可触及(即，安装在操作系统中)的母线排添加、调整/重新配置和/或移除电流感测设备。
在示例性具体实施中，本文公开的改善装置不仅提供非常低的制造成本和改善的电气性能(包括灵敏度)，而且提供高水平的一致性和可靠性。
此外，本文的示例性装置为至少可一定程度地伸缩、空间紧凑的，并且能够呈现各种所需的形状因数，以及考虑到例如由感测的设备(诸如多相电气设备)产生的磁场中的各种物理现象和/或非对称性，以及不同的母线排形状和取向。
示例性实施例的具体实施方式
现在提供对本发明的设备和方法的各种实施例和变型形式的详细描述。虽然主要在电流感测装置的背景下，并且具体地讲，在根据罗果夫斯基原理操作的电流感测装置的一个实施例中讨论，但本文讨论的各种设备和方法并不限于此。实际上，本文所述的许多设备和方法可用于制造可受益于本文所述的分段制造方法和设备的任何数量的复杂线圈配置(诸如缠绕圆环面形状)，包括不利用或不需要穿过或返回导体的装置。
此外，应进一步认识到，在很多情况下，相对于特定实施例讨论的某些特征结构可易于适用于本文描述的一个或多个其他预期实施例(以及之前并入的参考文献中示出的那些)。
普通技术人员还应易于认识到，考虑到本发明的公开内容，本文所述的许多特征结构在所描述的特定例子和具体实施之外具有更广泛的有用性。
罗果夫斯基线圈原理-
为了更好地理解在实施用于制造本文随后描述的示例性线圈的方法中的各种设计考虑，理解支配罗果夫斯基型线圈的行为的基本原理是有用的。如在电子领域中很好地理解，罗果夫斯基线圈产生的电压由以下公式(1)确定：
公式(1)
其中：
A＝小环中的一个的面积；
N＝匝数；
l＝绕组的长度；
μo＝磁常数；以及
dI/dt＝环中电流的变化率。
为了使实际的具体实施更接近公式(1)中所述的理论行为而操作，提出了各种假设，包括使匝均匀地间隔开，以及装置的半径与匝本身的半径相比相对较大。因此，在下文所阐述的各种线圈装置的后续讨论中，应牢记这些假设以及它们如何影响罗果夫斯基线圈本身的灵敏度。
母线定位实施例-
现在参见图1至图9C，在本发明的第一方面，公开了电流感测设备的各种实施例，该设备使母线排(例如，具有矩形或其他指定横截面的母线排)相对于感测装置维持在所需的取向上。
在图1所示的一个实施例中，在设备100内利用偶数个感测线圈元件102(例如，8个)，每个感测线圈元件由设置在其上的绕线管111和感测线圈112组成，并且母线排202(图2)在其端部206处通过在设备模制外壳108内形成的两个母线排保持凹槽104保持在设备内，使得母线排位于将设备平分成两个相等的半部的平面106中(此处，位于两个线圈元件102a、102b的接口110的中央，但应当理解，前述平面可位于两个感测元件102本身的中央，诸如在下文讨论的图5的实施例中)。
在另一个变型形式中，在设备内使用奇数个感测元件(例如，7个或9个)，并且母线排位于一定的取向上以便提供最佳性能特征，诸如可通过建模或实际在原位或实验室测试来确定的性能特征。
需注意，在图1至图2的实施例中，固定设计(即，完整的外壳108)需要在组装期间使母线排通过中心插入。
图3是图1至图2的设备的顶视透视图，其中装配了盖109和三(3)条引线116(所述引线连接至图1的端子114)。
图4和图5示出了具有十(10)个感测元件402的固定径向绕线管感测设备400，所述感测元件402具有形成于外壳408中以维持母线排202相对于缠绕绕线管阵列配置的位置的中心特征结构404。图5示出了安装了盖409的设备400。在该实施例中使用十(10)个元件尤其允许更小或更大的内径以容纳不同尺寸的中心导体。
图6A和图6B是“夹合式”径向绕线管感测设备600的示例性实施例的前视正视图(在每个配置中具有八(8)个感测元件)，其示出了处于两个取向中的对应一个上的母线排202；即，(i)设置在与相邻感测元件602的相交部分610相交的平面内(图6A)，以及(ii)设置于在两个感测元件的中点606处与两个感测元件相交的平面内(图6B)。虽然示出了两个示例性部署，但应当理解几乎可使用与本发明一致的任何相对角度，和/或还可使用不同数目(或几何形状)的感测元件。
设备600的外壳608在两个变型形式(i)、(ii)中被配置成使得其可在两个接缝616处通过两个“扣合”或其他接头607分离，接头以例如大致彼此相距180度设置在设备上。设备600可以此方式分离成两块，以便促进添加至安装母线排，或从其移除。可根据所需的功能和母线排配置使用接头的各种配置(例如下文参照图12A至图14B描述的那些，或在给出本方面的公开内容的情况下将由普通技术人员所理解的那些)。
图6A和图6B的夹合式概念(以及下文所述的其他配置)允许感测设备(并因此绕线管阵列)在绕线管之间的一个或多个接合处暂时分离，使得总成可在母线排上方滑动，并且以所需的对齐(即，由母线排接纳孔604所指定)往回再结合在一起。具体地讲，此类实施例尤其满足了能够添加或移除感测装置的需要(诸如，针对初始安装、维护/感测元件替换或升级、在系统拆除之前移除等)。
图7示出了具有控制母线排相对于缠绕绕线管的位置的绕线管阵列的径向感测设备700的另一个“夹合式”配置。在图示配置中，感测设备700分成两个半部708a、708b，它们以铰接或可分离的方式彼此配接，使得设备可夹合到母线排上，即使在难以触及母线排的端部时亦是如此。具体地讲，感测设备外壳的两个半部708a、708b被配置成保持相等数量的感测元件(但这并不是必需的)，使得当两个半部配接时，母线排对称地接纳于外壳内。然而，应当理解，前述对称部署也不是实施本发明所必需的；即，设备外壳可被配置成使得母线排也可非对称地接纳于其中，和/或外壳(和/或绕线管)也可非对称地配置，如本文别处所述。
图12A和图12B是根据本发明的夹合型感测设备1200的另一个实施例的顶视正视图，其显示为处于打开位置，并且示出了(i)其内部特征结构的细节(图12A的剖视图)，以及(ii)未横切图(图12B)。如图所示，设备利用一组互补闭锁机构1206a、1206b和允许设备1200的两个部分1203a、1203b相对于彼此接合或旋转的铰链布置1204。间隙以此方式在设备1200的一侧上打开，使得母线排或其他导体可通过其插入。
图13A和图13B是设备1200的顶视正视图，其显示为处于闭合或夹紧位置。如图所示，互补锁定特征结构1206a、1206b配接在一起以使两个部分1203a、1203b围绕导体固定在一起。应当理解，虽然示出的设备1200的实施例包括基本上呈圆形的中心孔1205，但也可使用其他形状(包括但不限于容纳矩形母线排的那些形状)。
图14A和图14B是根据本发明的夹合型感测设备的另一个实施例的顶部正面剖视图，其显示为处于打开位置(图14A)和闭合或夹紧位置(图14B)。如图所示，该实施例利用两步夹紧或锁定过程。具体地讲，设备1400的两个部分1403a、1403b可相对于彼此接合(包括围绕铰链1404)，使得间隙在设备1400的侧面上打开以接纳母线排，类似于图12A和图12B的实施例。然而，提供了另外的自由度，使得当围绕母线排闭合时，两部分1403a、1403b可相对于彼此线性滑动(在图14B中的箭头方向上)，以便进一步限制中心孔内的母线排。此外，在该实施例中，使用矩形母线排1402以及两个互补切口或形状特征1407，以接纳母线排1402的边缘，并允许设备1400在空间上更紧凑(并且相对于设备1400使母线排保持在指定的取向上)。导线1405用于电跨接邻近于铰链1404的两个线轴元件并且维持电连续性，因为当设备完全打开(即，如图14A所示滑动打开以及“铰接”打开)时，两个线轴彼此分离。
现在参见图8A至图8H，其详细示出并描述了电流感测设备800(以及使用方法)的另一个实施例。在该实施例中，电流传感器设备800包括基部元件804，该基部元件804由例如模制塑料形成并且具有被配置成接纳U形母线排802的两个孔806。任选地，还提供一个或多个安装元件(例如，销轴)813。多个(此处为四个，但可利用其他数目)缠绕传感器元件803a至803d以铰接或易卸方式彼此耦合807，并且在至少一个位置中彼此分离(或可从彼此分离)。
如图8A至图8H的顺序所示，通过首先将感测元件803a中的一个安装至基部元件804上来将设备800置于母线排802上，如图8A和图8B所示。安装的感测元件803a包括多个端子809(此处为销轴状端子，但可使用其他导体或端子形状或方法，包括例如表面安装或自引导)，该端子穿过基部元件804内的互补孔。在一个变型形式中，安装的(下部)感测元件绕线管压入配合或摩擦接纳或扣合至基部元件中，以方便安装或移除，但可使用其他方法。
如图8C和图8D所示，一旦下部感测元件803a和绕线管处于适当的位置，母线排802便通过基部元件804中的对应孔插入。
接着，其余感测元件803b至803d使用铰接或易卸耦合件来围绕母线排802缠绕，并且两个“端部”彼此邻近设置(即，使得端部感测元件803d接纳至基部元件上的特征结构815中)，使得四个感测元件803a至803d完全包封母线排802(图8E和图8F)。
最后，在图8G和图8H中，将可选盖元件812施加到感测元件、母线排和基部元件上方，以便基本上包封设备800的内部部分。盖(和基部元件804)任选地包括扣合在一起的插销817或类似元件，以将盖812保持在基部804上的适当位置中。
应当理解，盖812(并且就此而言，基部元件804)可使用电磁/静电屏蔽材料，诸如通过在内部或外部表面上沉积或电镀金属化层，或在其上设置分立的(例如，锡合金)屏蔽元件(未示出)来构造。此类屏蔽可尤其用于抑制可干扰感测设备800的操作的外部生成的电磁噪声或静电荷，和/或屏蔽内部生成的电磁噪声或静电荷，避免其离开设备800以及潜在地干扰附近的设备，包括潜在的其他邻近感测设备800。
还应理解，虽然参考需要在其中插入母线排802的端部的基部元件804(参见图8C至图8D)显示和描述了图8A至图8H的实施例，但此类配置仅是示例性的，并且并不是必需的。例如，在另一个变型形式(未示出)中，基部元件被布置为使得其可至少部分地通过母线排的平行部分之间，使得设备800可安装在端部不可触及的母线排上或从所述母线排上移除。这可通过一个方法完成，所述方法为使基部元件的侧面部分888保持打开(例如，从虚线向外移除材料，如图8A中所示)和/或使基部元件的结构一定程度地变形或回弹使得该结构可“扣合”进入母线排平行部分之间的位置。但在给出本发明的公开内容的情况下，普通技术人员将认识到其他方法。
图9A至图9C示出了本公开的电流感测设备的另一个实施例。在该实施例中，设备900包括多个感测元件903a至903d(此处为四个，但可使用任何数目)、具有用于母线排902的孔906的基部元件904、盖元件912以及多个导电端子909。如图所示，感测元件903a至903d可接合成“环形”构造，并且接纳到基部904上(图9A)。将盖912扣合或配合到元件903和基部904上方的位置中，并且母线排902随后通过盖中的孔和基部元件904中的孔906插入，使得母线排端部从装置的底部突起(图9C)。类似于图8A至图8H的实施例，图9A至图9C的设备900可包括低成本和轻质的塑料组件，以及如果需要的话，电磁和/或静电屏蔽。在给出本发明的公开内容的情况下，普通技术人员也将易于实施不同的端子配置和/或几何形状。
非对称变型形式-
在本方面的另一个方面，利用先前参考设计中的某些非对称或其他变型形式，以便尤其(i)考虑到将以其他方式引起感测设备具有更大的总尺寸或体积的母线排轮廓或形状(或相对于附近组件诸如其他母线排的相对部署等)；和/或(ii)考虑到围绕母线排的磁场密度的变化，使得提供更大的感测设备电流灵敏度。
在感测设备的一个此类非对称实施例中，利用多个基本上相同的感测分段绕组，使得感测设备的整体形状为总体上对称的(例如圆形，如图10A所示)。在该示例中，感测楔形物1003使用弯曲的但具有基本上恒定的半径和线轴直径的绕线管元件来形成。当将感测线圈绕组缠绕在该配置上时，与在外径处相比，该配置在每个绕线管的内径处针对每度角位移或方位角产生更高的感测线圈匝密度。与相等数目的直(即，无限半径)绕线管段相比，该方法还有效地通过移除在每个绕线管与其邻近者的相交部分的拐角处的未利用空间来允许空间更紧凑的整体感测设备形状因数。
应当理解，虽然图10A中示出了圆形母线排，但也可使用与该方法一致的任何数目的不同母线排形状和/或取向(参见例如本文图1至图7的那些)。参见例如图10B的配置，其中使用矩形(更平坦，盘状)母线排，并且其尺寸被设定成使其平分设备的否则基本上呈圆形的形状。
在感测设备的另一个此类“非对称”实施例中，在相同的设备内使用两个或更多个不同形状或类型的绕线管元件1103。此类异构配置可用于例如接纳特定母线排形状，诸如图11A中示出的矩形母线排1102。在示出的示例性具体实施中，使用三(3)个不同的绕线管/绕组配置；即：(i)在矩形母线排1103a的长边上的细长圆柱形绕线管1103a；(ii)在矩形的端部的更短圆柱形绕线管1103b，以及(iii)在四个拐角处的弯曲圆柱形绕线管1103c。
还应理解，如图11B和11C所示，可利用其他对称或非对称横截面的绕线管(即，除针对图11A描述的圆柱形横截面之外)。例如，可使用图11B中示出的正方形横截面绕线管1123，或图11C中的楔形绕线管1144(诸如，具有图11A的异构配置，仅用正方形或楔形绕线管替代)以呈现面向母线排1102的感测侧部的均匀感测线圈。也可使用与本发明一致的其他横截面形状(无论是否对称)，诸如(但不限于)矩形、三角形、卵形/椭圆形等等。
在另一个实施例中，利用非对称线圈区域。例如，在一个具体实施中，绕组匝数在绕线管间的基础上变化(即，从绕线管至绕线管变化，无论是否相邻)。在一个此类绕线管间变型形式(未示出)中，某些绕线管上的绕组匝数(即，绕组密度)大于其他绕线管上的绕组匝数，例如其中最靠近上述图1的设备100中的母线排102的端部的绕线管，与不那么靠近母线排的其他绕线管相比，具有更大或更小的密度。
在另一个此类变型形式中，绕线管根据绕组密度梯度分布(例如，修改图1的感测设备100，使得一个侧部具有最高绕组密度的绕线管，并且另一完全相对的侧部具有最低绕组密度的绕线管，同时每一侧上两者之间的绕线管具有介于两个极限值之间的绕组密度值)。
在一个示例性绕线管内变型形式中，标测待感测的母线排或其他导体的通量密度轮廓图(理论上或根据经验测量或观察来建模)，并且将每个绕线管上的绕组密度根据其长度进行调整，使得通量密度与匝密度(面积)的比率基本上恒定，或与另一个所需的轮廓或关系一致。明显还可更粗略地在绕线管间的基础上完成该调整，特别是在存在相对较小间隔尺寸的情况下(即，相对于感测的母线排的尺寸的大量单独绕线管)。
还可参见下文对参照图19以及下列等等所描述的尤其适用于三相应用的各种“非对称”感测配置的讨论。
多相具体实施-
现在将描述尤其适用于多相(例如，三相或3φ)应用的本发明的感测线圈设备的示例性具体实施。
应当理解，虽然本文图15至图21的实施例示出了基本上圆形横截面母线排，但此类形状的使用仅仅是出于说明目的，并且实际上一个或多个母线排可采用与本发明一致的其他横截面形状，诸如(但不限于)矩形、正方形、椭圆形、卵形(“跑道”形状)、星形、十字形等等。
传感器设备放置
图15示出了围绕三相系统的一个母线排1502设置的示例性4段电流传感器布置1500。
在本发明的另一个实施例中(图16)，中心传感器元件1604b及其相关联中心母线排1602b在三个母线排1602a、1602b、1602c的共同平面内纵向偏移距离d，使得传感器1604位于两个侧面或横向电流源(即，另外两个母线排)之间的更均匀场的区域中。可认识到，如果需要的话，中心母线排1602b的纵向偏移可处于相对的方向上，或甚至在其他母线排的共同平面之外(即，相对于共同平面向上或向下)。
在另一个实施例中，将外部传感器元件1704a、1704定位于其各自母线排1702a、1702c的笔直外部横向部分上，以便尽可能远离中心电流源，如图17中所示。应当理解，虽然图17的实施例显示为具有脱位的中央母线排，如上参考图16所述，但这仅仅是一个可能的具体实施和组合，并且可单独或与其他技术组合地使用图17中示出的外部传感器的横向定位。
在另一个实施例(图18)中，外部母线排1802a、1802c均(i)相对于中心母线排1802b(包括其相应传感器1804a、1804c)旋转九十(90)度，并且(ii)母线排被成形为使得其横向元件1812彼此不共面(即，在一个方向上偏移距离d1，并且在第二方向上偏移距离d2，所述距离可以彼此相等或不相等)。该方法表面上相对于中心电流源产生增强的串扰抗扰性。另外，对角母线排端部有利地提供更大的开口，传感器通过该开口安装到母线排上。
与图17的实施例一样，应当理解，虽然图18的实施例显示为具有上述特征结构(i)和(ii)二者(以及前述中间条的偏移)，但这仅是一种可能的具体实施和组合，并且(i)旋转、(ii)非共面形状和偏移各自也可单独地或与其他技术组合使用，例如上述图17中的那些。
感测元件放置
虽然上面讨论的图15至图18涉及将感测设备(即，两个或更多个感测元件或线圈的聚合体)作为整体放置，但也必须考虑构成每个设备的单个感测元件(线圈)的放置和配置，以便优化多相系统上的整体性能。因此，现在参考图19至图21描述感测设备，并且具体地讲单个感测元件放置和配置的各种实施例。
图19示出了被配置成尤其在多相系统中使来自附近相的磁影响最小化的多段传感器设备的一个示例性具体实施。在该实施例中，将四(4)段传感器放置在第一三相电流源(相1)上。
在该实施例中，使用传感器元件(段)的两个不同配置；所谓的(i)其上具有n匝(此处为170匝)的均匀传感器元件；以及(ii)其上具有m匝(此处为192匝)的非对称传感器元件。在图示实施例中，第三传感器元件1906是非对称元件，而其余的传感器元件1904、1908、1910是对称元件。非对称元件上另外匝的使用，及其相对于母线排1902和其他元件1904、1908、1910的放置，有利地增加了可实现的外部磁场的抗扰性。此外，可改变传感器元件的直径，以便例如影响感测设备的对外部场的抗扰性和/或灵敏度。
在图20示出的另一个实施例中，四个感测段(线圈)类似于图19中的那些进行设置，但旋转了θ度(相对于围绕母线排2002的平面2012)。在一个具体实施中两个外部元件2006是非对称元件，而其余的元件2008是均匀元件，但这并不是该实施例必需的。
此外，可调整角度θ以优化对(例如，通过其他相)感应的附近外部磁场的抗扰性，并且在某种程度上取决于传感器配置(例如，对于传感器设备中的四个段，22.5度的θ是最佳的)。
与均匀元件2008相比，图20的配置在两个不均匀元件2006上产生更大的输出电压。与仅调整图19的配置中的一个段相比，这在每个段中有利地产生更少的差异。
在图21中示出的另一个实施例中，四个感测段(线圈)类似于图19中的那些进行设置，但两个外部元件2106为非对称元件，而其余的元件2108为对称元件。例如，在一个示例性具体实施中，对称性的差异反映在匝数和/或绕组区域的直径中。与仅调整一个段(如在图19的配置中)相比，这有利地在每个段中产生更少的差异，此外与图20的实施例相比对称性更强，同时还维持对外部均匀磁场的基本抗扰性。
示例性电流感测设备应用-
本文所述的示例性电流感测设备可用于大量应用中，和/或用于期望在不以其他方式干扰载流导体本身的情况下，测量一个或多个导体的电流的情况中。一种此类常见应用是结合电表中的电流感测设备以用于住宅、商业和工业应用。通过测量由电消费者消耗的电流，并且通过电表上的网络接口将该信息传输给公共事业公司，公共事业公司或其他实体可更好地量测对其消费者的收费，和/或更好地理解整个电网或系统的各个部分中消耗的能源。
除抵抗窜改和电磁干扰之外，电流感测设备诸如罗果夫斯基线圈对各种应用具有广泛适应性，包括最近提出的所谓智能电网。另外，除用于配电计量应用(诸如断路器、住宅和工业监控台等)之外，还预期在利用大量电流的各种电器应用(例如，电焊机和马达控制)中使用电流感测设备。
多相(例如，三相)应用可包括例如(但不限于)商业或工业应用，在发电设施诸如核、燃煤、天然气、水电或其他此类工厂的使用，甚至用于政府或军事应用，诸如船用三相系统、国家实验室等等。
应当理解，虽然本发明的某些方面根据特定顺序的方法步骤进行描述，但这些描述仅仅说明本发明的各种方法，并且可根据特定应用的要求进行修改。在某些情况下，某些步骤可为不必要的或可选的。另外，可将某些步骤或功能添加至本发明所公开的实施例，或改变两个或更多个步骤的执行顺序。所有此类变型形式均视为涵盖在本文所公开和受权利要求保护的公开内容中。
虽然上述具体实施方式示出、描述和指出了适用于各种实施例的本发明的新型特征结构，但应当理解，在不脱离本发明的情况下，本领域的技术人员可对所示出的装置或过程的形式和细节作出各种省略、替代和改变。上述具体实施方式是目前预期执行本发明的最佳模式。该具体实施方式绝不旨在进行限制，而应视为对本发明的一般原理进行说明。本发明的范围应参考权利要求书确定。

Claims (13)

1.一种电流感测感应装置，包括：
铰接外壳，其具有打开形式和闭合形式两者，所述铰接外壳具有与其相关联的孔，所述铰接外壳进一步经配置以围绕铰链而接合；以及
设置在所述铰接外壳内的多个感测线圈元件；
其中所述铰接外壳包括在所述孔的外面设置在所述铰接外壳的周边区域处的一个或多个扣合特征结构，所述一个或多个扣合特征结构经配置以使所述铰接外壳维持在所述闭合形式；
其中所述一个或多个扣合特征结构设置在所述孔的相对于所述铰链的相对侧；且
其中所述孔被配置成将所述多个感测线圈元件相对于接纳在所述孔中的母线排定位于预定位置。
2.根据权利要求1所述的电流感测感应装置，其中所述预定位置包括将所述母线排定位于平面中，所述平面将所述外壳平分成尺寸相等的两个部分。
3.根据权利要求1所述的电流感测感应装置，其中所述预定位置包括将所述母线排定位于平分所述外壳的平面中，并且所述平面位于两个相邻感测线圈元件之间的接口中央。
4.根据权利要求1所述的电流感测感应装置，其中所述孔仅在所述母线排的端部接纳所述母线排。
5.根据权利要求1所述的电流感测感应装置，其中所述铰接外壳包括两个部分，且所述铰接外壳利用两步夹紧或锁定过程，其经定义以使得当所述铰接外壳从所述打开形式过渡为所述闭合形式时，所述两个部分经配置以相对于彼此而接合且同时相对于彼此而线性滑动。
6.根据权利要求1所述的电流感测感应装置，其中所述孔包括两个互补切口或形状特征，其经配置以接纳所述母线排的边缘。
7.根据权利要求6所述的电流感测感应装置，其中所述母线排包括矩形母线排。
8.根据权利要求1所述的电流感测感应装置，其中导线用于电跨接邻近于所述铰链的两个感测线圈元件。
9.一种电流传感器，包括：
多个母线排元件；以及
多个电流感测感应装置，所述电流感测感应装置中的每一个均围绕相应母线排元件布置，所述多个电流感测感应装置的每一者包括：
铰接外壳，其具有打开形式和闭合形式两者，所述铰接外壳具有与其相关联的孔，所述铰接外壳进一步经配置以围绕铰链而接合；以及
设置在所述铰接外壳内的多个感测线圈元件；
其中所述铰接外壳包括在所述孔的外面设置在所述铰接外壳的周边区域处的一个或多个扣合特征结构，所述一个或多个扣合特征结构经配置以使所述铰接外壳维持在所述闭合形式；且
其中所述一个或多个扣合特征结构设置在所述孔的相对于所述铰链的相对侧；且
其中至少一个母线排元件以及与其相关联的电流感测感应装置被定位为使得所述相关联的电流感测感应装置的孔与另一电流感测感应装置的至少另一孔不共线。
10.根据权利要求9所述的电流传感器，其中所述电流感测感应装置中的至少一个从至少一个其他电流感测感应装置纵向偏移。
11.根据权利要求9所述的电流传感器，其中所述电流感测感应装置中的至少一个被布置为以便垂直于至少一个其他电流感测感应装置。
12.根据权利要求9所述的电流传感器，其中所述母线排元件每者均包括U形母线排元件，并且所述多个电流感测感应装置中的至少两个定位在其相应母线排元件的笔直外部横向部分上。
13.根据权利要求9所述的电流传感器，其中所述母线排元件中的每一个均包括两个横向元件，所述母线排元件中的每一个均成形为使得其相应横向元件彼此不共面。
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