CN105405625A - 一种基于空心线圈的电流互感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于空心线圈的电流互感器及其制造方法，该电流互感器在外壳内设置多个依次相连的线圈骨架，线圈骨架上从里向外依次缠绕有内层屏蔽绕线、M层信号绕线及外层屏蔽绕线，内层屏蔽绕线从第一个线圈骨架开始，连续依次缠绕于第一至第N个线圈骨架上；M层信号绕线从第一个线圈骨架开始，连续依次缠绕于第一至第N个线圈骨架上，再从第N个线圈骨架开始，往回连续依次缠绕于第N至第一个线圈骨架上，连续反复缠绕多圈，外层屏蔽绕线从第一个线圈骨架开始，连续依次缠绕于第一至第N个线圈骨架上。本发明电流传感器可输出较大的电压信号，敏感度高，可靠性高，动态范围宽，可较好地满足三相电能表计量对CT的宽动态范围、高精度和高可靠性要求。

Description

一种基于空心线圈的电流互感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及电流互感器的设计，尤其涉及一种用于三相电能计量的基于空心线圈的电流互感器及其制造方法。

背景技术

随着用电负荷越来越大，负荷类型越来越复杂，谐波成分越来越丰富，电能表对谐波计量的要求也越来越高。传统的带磁芯的电流传感器因为磁芯会饱和，难以适应电流大、谐波多的场合。环形空心线圈是一个线性电感，它具有抗饱和、抗强磁场、动态范围宽、良好的电气隔离等一系列优点，多方面性能比普通电流传感器更优越，非常适合在谐波测量、抗强磁场等场合应用，已越来越广泛地应用。

但由于环形空心线圈通常是将线绕在一圆环上，穿环加工效率低，且因为内外径差别明显，使得均匀分布绕线较困难，因而会造成环形空心线圈的对称感应能力减弱，从而降低其信噪比。而采用平板空心线圈时，由于平板空心线圈厚度小，导致线圈截面积太小，单线圈输出电压非常小，在应用上也受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽动态范围、高精度的基于空心线圈的电流互感器。

本发明的另一目的在于提供一种宽动态范围、高精度的基于空心线圈的电流互感器的制造方法。

为了实现上述第一目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于空心线圈的电流互感器，包括：外壳；设置于所述外壳内的N个线圈骨架，所述线圈骨架依次相连呈多边环形，N为偶数且N≥4；所述每一线圈骨架上从里向外依次缠绕有内层屏蔽绕线、M层信号绕线及外层屏蔽绕线，M为偶数且M≥2；其中，所述内层屏蔽绕线从第一线圈骨架的第一接线端子处开始，连续依次缠绕于所述第一至第N线圈骨架上，所述内层屏蔽绕线的末端留置于第N线圈骨架出线处，所述内层屏蔽绕线的起始端保持电气悬空、末端与第三接线端子相连；所述M层信号绕线包括数量相等且间隔设置的正绕感应线圈和回绕感应线圈，所述正绕感应线圈从第一线圈骨架开始，连续依次缠绕于所述第一至第N线圈骨架上，所述回绕感应线圈从第N线圈骨架开始，连续依次缠绕于所述第N至第一线圈骨架上，所述正绕感应线圈和所述回绕感应线圈首尾相连；所述信号绕线的起始端与第一接线端子相连、末端与第二接线端子相连；所述外层屏蔽绕线从第一线圈骨架的第一接线端子处开始，连续依次缠绕于所述第一至第N线圈骨架上，所述外层屏蔽绕线的起始端保持电气悬空、末端与内层屏蔽绕线末端一起相接于第三接线端子上。

为了实现上述第二目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种电流互感器的制造方法，包括以下步骤：

提供N个依次相连成多边环形的线圈骨架；

从第一线圈骨架的第一接线端子处开始缠绕屏蔽线，将屏蔽线连续依次缠绕在第一至第N线圈骨架上，形成内层屏蔽绕线，内层屏蔽绕线的末端留置于第N线圈骨架出线处，所述内层屏蔽绕线的起始端保持电气悬空、末端与第三接线端子相连；

在内层屏蔽绕线的外层开始缠绕信号线，将信号线连续依次缠绕在第一至第N线圈骨架上形成正绕感应线圈后，再将信号线往回连续依次缠绕在第N至第一线圈骨架上形成回绕感应线圈，再将信号线正向连续依次缠绕在第一至第N线圈骨架上，重复正绕和回绕，形成M层信号绕线，所述M层信号绕线包括数量相等且间隔设置的正绕感应线圈和回绕感应线圈，所述正绕感应线圈和回绕感应线圈首尾相连，信号绕线的起始端与第一接线端子相连、末端与第二接线端子相连；

在信号绕线的外层开始缠绕屏蔽线，从第一线圈骨架的第一接线端子处开始，将屏蔽线连续依次缠绕在第一至第N线圈骨架上，形成外层屏蔽绕线，外层屏蔽绕线的末端留置于第N线圈骨架出线处，外层屏蔽绕线的起始端保持电气悬空、末端与内层屏蔽绕线末端一起相接于第三接线端子上；

将信号线和屏蔽线从第一接线端子、第二接线端子、第三接线端子处引出；

将线圈骨架整形成对称的多边形结构，固定安装在外壳内。

进一步的，所述外壳内设置有四个线圈骨架，每一线圈骨架上从里向外依次缠绕有内层屏蔽绕线、四层信号绕线及外层屏蔽绕线；

其中，信号线连续依次缠绕在第一至第四线圈骨架上形成第一层信号绕线，再往回连续依次缠绕在第四至第一线圈骨架上形成第二层信号绕线，再正向连续依次缠绕在第一至第四线圈骨架上形成第三层信号绕线，再往回连续依次缠绕在第四至第一线圈骨架上形成第四层信号绕线。

进一步的，所述信号线从最后一个线圈骨架的中心开始，倒着依次穿过其余每一个线圈骨架的中心，形成骨架穿心回绕线，再连接于第二接线端子上。

进一步的，信号线和屏蔽线从第一接线端子、第二接线端子、第三接线端子处接出后紧密双绞，形成双绞线。

由以上技术方案可知，本发明用多骨架线圈结构，在骨架线圈上缠绕内外两层屏蔽层，屏蔽层间缠绕多层间隔布置的正绕和回绕的信号感应层，不仅能够在任意方向抵消均匀干扰磁场的影响，而且对于有用信号的磁场，通过统一绕线的方式将多个感应线圈串联，串联后的感应线圈能够获得较大的线圈匝数，使得电流传感器输出较大的电压信号，且敏感度高，可靠性高，动态范围宽，避免了现有环形空心线圈绕线不均匀的情况，同时也保证了足够的信号强度，可较好地满足三相电能表计量对CT的宽动态范围、高精度和高可靠性要求。

与现有电流传感器相比，本发明的优点如下：

1、同一底座上通过正绕与回绕，用线圈串联多个骨架线圈实现了线圈骨架的对称空间分布，让外部干扰磁场的影响可以相互抵消；

2、每一个线圈骨架采用信号线循环缠绕多匝，在有限的面积上获得较大的线圈匝数，显著的增加了输出感应电动势，提高了信噪比，增强了抗干扰能力；

3、每一个骨架线圈结构相同，便于批量制作，且将环形空心线圈的穿环绕线改为骨架平行绕线，大大简化了绕线工艺，容易实现工业化生产，生产成本低廉；

4、采用骨架线圈平行正绕与回绕相结合的绕线方式制作的传感器，其对宽动态范围内的原边电流，测到的感应输出信号线性度非常好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，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获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例线圈骨架与底座的装配结构示意图。

图3为内层屏蔽线圈或外层屏蔽线圈的绕线示意图。

图4为第一层和第三层信号线圈的绕线示意图。

图5为第二层和第四层信号线圈的绕线示意图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

本发明提供一种绕线均匀、信号强、线性度好、动态范围宽、抗干扰能力强、精度和可靠性高的四骨架型空心线圈电流互感器。如图1和图2所示，本实施例的电流互感器包括外壳1、第一线圈骨架2、第二线圈骨架3、第三线圈骨架4以及第四线圈骨架5，第一、第二、第三、第四线圈骨架上均缠绕有屏蔽线和信号线，前述四个线圈骨架上的绕线结构相同。绕线时，四个骨架可以展开在一条轴线上进行平行绕线，绕线完后再整形为环形，从而能严格地控制四个骨架的绕线匝数、绕线紧密程度的一致性，因此便能有效控制传感器内部感应线圈的对称性，提高抗干扰能力。

第一线圈骨架2、第二线圈骨架3、第三线圈骨架4及第四线圈骨架5设置于外壳1内，第一线圈骨架2、第二线圈骨架3、第三线圈骨架4及第四线圈骨架5依次相连，形成一多边环形结构。本发明的线圈骨架的中心线垂直于线圈骨架相连所形成的环形的中心线。本实施例的每个线圈骨架上均绕制有6层绕线，从里向外依次是内层屏蔽绕线、第一层信号绕线、第二层信号绕线、第三层信号绕线、第四层信号绕线及外层屏蔽绕线，其中，相邻层的信号绕线的起止点连续，缠绕方向一致，分为正线与回线，即第一层信号绕线正绕至第四线圈骨架终止点后，与第二层信号绕线的回绕连续，第二层信号绕线回绕至第一线圈骨架起始点后，与第三层信号绕线的正绕连续，以此类推，形成数量相等且间隔设置的正绕感应线圈和回绕感应线圈。信号线的接线端子和屏蔽线的接线端子可置于第一线圈骨架的一端或者第四线圈骨架的一端。

下面结合图3至图5，对本发明互感器的绕线结构及制造方法进行详细说明：

提供4个依次相连成多边环形的线圈骨架：第一线圈骨架、第二线圈骨架、第三线圈骨架及第四线圈骨架，本实施例中，每个线圈骨架之间通过卡位式结构连接在一起，使得线圈骨架绕线相连后除连接处可配合绕线和装配在一个方向转动外，其他方向均不移位，不松动；

屏蔽线从第一线圈骨架2的第一接线端子8处开始，紧密不留间隙地缠绕在第一线圈骨架2上，绕完第一线圈骨架2后，屏蔽线从第一线圈骨架2和第二线圈骨架3的连接处12出线，同样紧密不留间隙地缠绕在第二线圈骨架3上，绕完第二线圈骨架3后，屏蔽线继续从第二线圈骨架3和第三线圈骨架4的连接处出线，以相同方式缠绕在第三线圈骨架4上，绕完第三线圈骨架4后，从第三线圈骨架4和第四线圈骨架5的连接处出线，继续紧密不留间隙地缠绕在第四线圈骨架5上，绕完第四线圈骨架5后，形成内层屏蔽绕线，内层屏蔽绕线的末端(线头)留置于第四线圈骨架5出线处，并与第三接线端子7相连，第三接线端子7为屏蔽引线输出端子，内层屏蔽绕线的起始端从第一接线端子8处开始缠绕，但不与第一接线端子8相连而是保持电气悬空，至此内层屏蔽层制作完成；

将信号线从第一线圈骨架2的第一接线端子8处开始缠绕，信号线缠绕在内层屏蔽绕线的外层，信号线的绕线方法与内层屏蔽绕线的方法相同，将信号线连续紧密不留间隙地依次缠绕在第一至第四线圈骨架上，形成第一层信号绕线(正绕感应线圈)，第一层信号绕线位于内层屏蔽绕线的外层；

第一层信号绕线缠绕完第四线圈骨架后，开始往回绕，信号线从第四线圈骨架开始，连续紧密不留间隙地依次缠绕在第四、第三、第二及第一线圈骨架上，形成第二层信号绕线(回绕感应线圈)，即第二层信号绕线的起始端与第一层信号绕线的末端连续，第二层信号绕线位于第一层信号绕线的外层；

第二层信号绕线缠绕完第一线圈骨架后，再次像第一层信号绕线一样正绕，依次连续缠绕在第一、第二、第三及第四线圈骨架上，形成第三层信号绕线，即第三层信号绕线的起始端与第二层信号绕线的末端连续，第三层信号绕线位于第二层信号绕线的外层；

第三层信号绕线缠绕完第四线圈骨架后，再次像第二层信号绕线一样往回绕，信号线依次连续缠绕在第四、第三、第二及第一线圈骨架上，形成第四层信号绕线，第四层信号绕线的起始端与第三层信号绕线的末端连续，第四层信号绕线位于第三层信号绕线的外层，至此信号线绕制完成，信号线的起始端与第一接线端子8相连，信号线的末端(线头)连接于第一线圈骨架2的第二接线端子9上，第一接线端子和第二接线端子为信号引线输出端子；本发明线各层信号绕线首尾连续，相邻层的缠绕方向分为正绕与回绕，第一层信号绕线和第三层信号绕线为正向绕线，第二层信号绕线和第四层信号绕线为反向绕线，第一层信号绕线和第二层信号绕线连续、第二层信号绕线和第三层信号绕线连续、第三层信号绕线和第四层信号绕线连续；

在第四层信号绕线的外层开始缠绕外层屏蔽绕线，屏蔽线从第一线圈骨架2的第一接线端子8处开始，紧密不留间隙地依次连续缠绕在第一、第二、第三及第四线圈骨架上，绕完第四线圈骨架后，屏蔽线的末端(线头)留置于第四线圈骨架5的出线处，其与内层屏蔽绕线相接于第三接线端子7上并固定，外层屏蔽绕线的起始端同样从第一接线端子8处开始缠绕，但不与第一接线端子8相连而是保持电气悬空，作为信号线圈的外层屏蔽层；

将信号线和屏蔽线从第一接线端子8、第二接线端子9、第三接线端子7处接出后紧密双绞，形成双绞线6；

将绕线完成的线圈骨架整形成对称的四边形结构，固定安装在外壳1内。

本发明传感器的线圈骨架采用立体式结构，以线圈正绕加上回绕的方式形成偶数层信号绕线，一方面沿非磁性线圈骨架的感应线圈循环方向形成了数百匝线圈，另一方面通过回绕的方式组成回绕线圈，同步回绕可抵消环面方向的干扰，同时感应信号绕线设置于最内层屏蔽绕线与最外层屏蔽绕线之间，使得互感器能够在任意方向抵消外部干扰磁场的影响。本发明通过统一绕线的方式将偶数个感应线圈串联，串联后的感应线圈能够获得较大的线圈匝数，使得电流传感器输出较大的电压信号，且灵敏度高，可靠性高，既避免了环形空心线圈绕线不均匀，同时又克服了现有PCB罗氏线圈匝数少、感应面积小、抗干扰能力差、输出电压小的缺陷。

进一步的，为了增强传感器的抗扰能力，特别对外部交变磁场的抗扰能力，还可以增加一圈骨架穿心回绕线，方法是将接在第二接线端子9的信号线从最后一个线圈骨架的中心开始，依次穿过其余每一个线圈骨架，如本实施例中，信号线从第四线圈骨架开始，依次穿过第四、第三、第二、第一线圈骨架的中心，形成骨架穿心回绕线10(图1)，再连接于第一线圈骨架的第二接线端子9上。

当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到许多不同的具体方案，例如，前述实施例中，以4个线圈骨架和每个线圈骨架上绕制4层信号线圈为例进行说明，但线圈骨架的个数也可以是6个、8个等，每个线圈骨架上等信号线圈的层数也可以是2、4、6、8层等，均可根据产品需求进行相应改变，诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明所述的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于空心线圈的电流互感器，其特征在于，包括：

外壳；

设置于所述外壳内的N个线圈骨架，所述线圈骨架依次相连呈多边环形，N为偶数且N≥4；

所述每一线圈骨架上从里向外依次缠绕有内层屏蔽绕线、M层信号绕线及外层屏蔽绕线，M为偶数且M≥2；其中，

所述内层屏蔽绕线从第一个线圈骨架的第一接线端子处开始，连续依次缠绕于所述第一至第N线圈骨架上，所述内层屏蔽绕线的末端留置于第N线圈骨架出线处，内层屏蔽绕线的起始端保持电气悬空、末端与第三接线端子相连；

所述M层信号绕线包括数量相等且间隔设置的正绕感应线圈和回绕感应线圈，所述正绕感应线圈从第一个线圈骨架开始，连续依次缠绕于所述第一至第N线圈骨架上，所述回绕感应线圈从第N线圈骨架开始，连续依次缠绕于所述第N至第一线圈骨架上，所述正绕感应线圈和所述回绕感应线圈首尾相连；所述信号绕线的起始端与第一接线端子相连、末端与第二接线端子相连；

所述外层屏蔽绕线从第一线圈骨架的第一接线端子处开始，连续依次缠绕于所述第一至第N线圈骨架上，所述外层屏蔽绕线的起始端保持电气悬空、末端与内层屏蔽绕线末端一起相接于第三接线端子上。

2.如权利要求1所述的基于空心线圈的电流互感器，其特征在于：所述外壳内设置有四个线圈骨架，每一线圈骨架上从里向外依次缠绕有内层屏蔽绕线、四层信号绕线及外层屏蔽绕线；

其中，信号线连续依次缠绕在第一至第四线圈骨架上形成第一层信号绕线，再往回连续依次缠绕在第四至第一线圈骨架上形成第二层信号绕线，再正向连续依次缠绕在第一至第四线圈骨架上形成第三层信号绕线，再往回连续依次缠绕在第四至第一线圈骨架上形成第四层信号绕线。

3.如权利要求1或2所述的基于空心线圈的电流互感器，其特征在于：所述信号线从最后一个线圈骨架开始，倒着依次穿过其余每一个线圈骨架的中心，形成一圈骨架穿心回绕线，然后连接于所述第二接线端子上。

4.如权利要求1所述的基于空心线圈的电流互感器，其特征在于：所述信号线和屏蔽线从第一接线端子、第二接线端子、第三接线端子处接出后紧密双绞，形成双绞线。

5.一种电流互感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供N个依次相连成多边环形的线圈骨架；

从第一线圈骨架的第一接线端子处开始缠绕屏蔽线，将屏蔽线连续依次缠绕在第一至第N线圈骨架上，形成内层屏蔽绕线，内层屏蔽绕线的末端留置于第N线圈骨架出线处，所述内层屏蔽绕线的起始端保持电气悬空、末端与第三接线端子相连；

在内层屏蔽绕线的外层开始缠绕信号线，将信号线连续依次缠绕在第一至第N线圈骨架上形成正绕感应线圈后，再将信号线往回连续依次缠绕在第N至第一线圈骨架上形成回绕感应线圈，再将信号线正向连续依次缠绕在第一至第N线圈骨架上，重复正绕和回绕，形成M层信号绕线，所述M层信号绕线包括数量相等且间隔设置的正绕感应线圈和回绕感应线圈，所述正绕感应线圈和回绕感应线圈首尾相连，信号绕线的起始端与第一接线端子相连、末端与第二接线端子相连；

在信号绕线的外层开始缠绕屏蔽线，从第一线圈骨架的第一接线端子处开始，将屏蔽线连续依次缠绕在第一至第N线圈骨架上，形成外层屏蔽绕线，外层屏蔽绕线的末端留置于第N线圈骨架出线处，外层屏蔽绕线的起始端保持电气悬空、末端与内层屏蔽绕线末端一起相接于第三接线端子上；

将信号线和屏蔽线从第一接线端子、第二接线端子、第三接线端子处引出；

将线圈骨架整形成对称的多边形结构，固定安装在外壳内。

6.如权利要求6所述的电流互感器的制造方法，其特征在于：共有四个线圈骨架，每一线圈骨架上从里向外依次缠绕有内层屏蔽绕线、四层信号绕线及外层屏蔽绕线；

其中，信号线连续依次缠绕在第一至第四线圈骨架上形成第一层信号绕线，再往回连续依次缠绕在第四至第一线圈骨架上形成第二层信号绕线，再正向连续依次缠绕在第一至第四线圈骨架上形成第三层信号绕线，再往回连续依次缠绕在第四至第一线圈骨架上形成第四层信号绕线。

7.如权利要求5或6所述的电流互感器的制造方法，其特征在于：所述信号线从最后一个线圈骨架的中心开始，倒着依次穿过其余每一个线圈骨架的中心，形成骨架穿心回绕线，再连接于第二接线端子上。

8.如权利要求5所述的电流互感器的制造方法，其特征在于：将信号线和屏蔽线从第一接线端子、第二接线端子、第三接线端子处接出后紧密双绞，形成双绞线。