CN107796974A - 线圈式传感器、包括其的测量装置、断路器及其缠绕方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量电流的罗氏线圈式传感器，包括：载体和至少一个次级绕组(3)。该绕组包括：具有高匝密度的至少一个内层(6)，沿从绕组(3)的第一端(5)朝向相对的第二端(9)的“向外”的第一缠绕方向(10)缠绕，以及具有低匝密度的至少一个外层(7)，所述层沿“返回”的第二缠绕方向(11)缠绕。具有低匝密度的外层包括：具有高匝密度的第一补偿部分(12)，该部分具有小的长度(L1)并且接近第一端，具有低匝密度的中部部分(13)，该部分具有大的长度(L2)，以及具有高匝密度的第二补偿部分(14)，该部分具有小的长度(L3)并且接近第二端。

Description

线圈式传感器、包括其的测量装置、断路器及其缠绕方法

技术领域

本发明涉及用于测量电流的罗氏线圈式传感器，包括由非磁性材料制成的载体和缠绕在所述载体上以提供代表导体中流动通过线圈内部的电流的电信号的至少一个次级绕组，还提供缠绕这种传感器的方法。本发明还涉及包括这种传感器的测量装置和电路断路器。

背景技术

罗氏(Rogowski)线圈在配备有电子触发系统的电力断路器领域中通常是已知的。由于它们不包括能够被饱和的任何磁路，所以它们由于它们的线性属性和宽的测量动态范围而被使用。从而，精度与绕组的规则性以及与传感器的横截面直接相关。

在电路断路器中使用的罗氏线圈式传感器的实例在专利申请EP2667205A1和US2014132249A1中描述。

来自罗氏线圈的输出信号由下式给出：

V＝μn S di/dt

V为由罗氏线圈提供的输出信号的电压，S为匝的横截面积，μ₀为磁导率，n为匝数，di/dt为初级电流相对于时间的导数。

从而线圈传输的电压是匝数的函数。电压的精度与绕组的属性直接相关。

在高电流电装置中，如果绕组不完美的话，这种类型的传感器也对线圈外部的磁场敏感。一般来说，罗氏线圈式传感器与电流互感器相关联，电流互感器使用磁路给电子电路提供电源。这些电流互感器连接到对电流测量传感器的电磁环境产生干扰的开关模式调节电路。

一些传感器包括屏蔽，以便使它们对外部变化和干扰不敏感。但是，当传感器与电流互感器相关联用于电子电路的电源时，这些方案不是很有效。

发明内容

本发明的目的是能够在批量生产中制造、并且对外部电磁场的变化相对不敏感的非常精确的罗氏线圈，以及这种传感器的缠绕方法和包括这种传感器的测量装置和电路断路器。

根据本发明，一种用于测量电流的罗氏线圈式传感器包括：由非磁性材料制成的载体；和缠绕在所述载体上，用于提供代表通过线圈内部的导体中流动的电流的电信号的至少一个次级绕组，

所述次级绕组包括至少两个层，其绕组的电端子位于绕组的同一第一端处，所述绕组包括：

具有高匝密度的至少一个内层，接近载体，并沿从绕组的第一端朝向相对的第二端的第一缠绕方向缠绕，以及

具有低匝密度的至少一个外层，包括至少三个部分，沿从绕组的相对的第二端朝向第一端的第二缠绕方向缠绕，所述具有低匝密度的外层包括：

接近绕组的第一端的具有高匝密度和小的长度的第一补偿部分，

具有低匝密度和大的长度的中部部分，以及

接近绕组的第二端的具有高匝密度和小的长度的第二补偿部分。

优选地，在具有低匝密度的所述外层中，长的中部部分的长度比高密度部分的长度的和大十倍。

在一个优选实施例中，所述绕组包括偶数数量的层，

一半的层沿从绕组的第一端朝向相对的第二端的第一缠绕方向缠绕，并且

另一半的层沿从绕组的相对的第二端朝向第一端的第二缠绕方向缠绕，

最后一层是沿从绕组的相对的第二端朝向第一端的所述第二缠绕方向缠绕的具有低匝密度的外层。

优选地，所述绕组包括偶数数量的层：

一半的层是接近载体的具有高匝密度的内层，

另一半的层是包括三个部分的具有低匝密度的外层，

最后一层是沿从绕组的相对的第二端朝向第一端的第二缠绕方向缠绕的具有低匝密度的外层。

在一个特定的实施例中，所述绕组包括：

具有高匝密度的第一内层，接近载体，沿从绕组的第一端朝向相对的第二端的第一缠绕方向缠绕，

具有高匝密度的第二内层，接近载体，沿从绕组的第二端朝向相对的第一端的第二缠绕方向缠绕，

具有低匝密度的第一外层，包括三个部分，沿从绕组的第一端朝向相对的第二端的第一缠绕方向缠绕，以及

具有低匝密度的第二外层，包括三个部分，沿从绕组的相对的第二端朝向第一端的第二缠绕方向缠绕。

一种用于如上所述的电流测量传感器的缠绕方法包括：

沿从绕组的第一端朝向相对的第二端的第一缠绕方向，接近载体缠绕具有高匝密度的至少一个内层，以及

沿从绕组的相对的第二端朝向第一端的第二缠绕方向，缠绕包括三个部分的具有低匝密度的至少一个外层，所述外层包括：

接近绕组的第一端的具有高匝密度和小的长度的第一补偿部分，

具有低匝密度和大的长度的中部部分，以及

接近绕组的第二端的具有高匝密度和小的长度的第二补偿部分。

优选地，缠绕方法包括缠绕具有偶数数量的层，

一半的层沿从绕组的第一端朝向相对的第二端的第一缠绕方向缠绕，并且

另一半的层沿从绕组的相对的第二端朝向第一端的第二缠绕方向缠绕，

最后一层是沿从绕组的相对的第二端朝向第一端的第二缠绕方向缠绕的具有低匝密度的外层。

有利地，缠绕方法包括缠绕具有偶数数量的层，

一半的层是接近载体的具有高匝密度的内层，

另一半的层是具有低匝密度的外层，

最后一层是沿从绕组的相对的第二端到第一端的第二缠绕方向缠绕的具有低匝密度的外层。

在一个特定的实施例中，缠绕方法包括：

沿从绕组的第一端朝向相对的第二端的第一缠绕方向，接近载体缠绕具有高匝密度的至少第一内层，

沿从绕组的第二端朝向相对的第一端的第二缠绕方向，接近载体缠绕具有高匝密度的至少第二内层，

沿从绕组的第一端朝向相对的第二端的第一缠绕方向，缠绕具有低匝密度的至少第一外层，以及

沿从绕组的相对的第二端朝向第一端的第二缠绕方向，缠绕具有低匝密度的至少第二外层。

一种包括用于接收代表电流的信号的处理单元的电流测量装置，包括与处理单元连接的如上所述的测量传感器，用于提供代表电导体中流动的电流的电流信号。

一种电气断路器，包括：用于中断电路中的电流的至少一个主触点；用于控制所述电触点断开的机构；以及给所述控制机构提供控制信号的测量和保护装置，该电气断路器包括与所述测量和保护装置的处理单元连接的如上所述的测量传感器。

附图说明

通过非限制性实例的方式给出的并且在附图中示出的本发明的特定实施例的如下描述将使其他优点和特征变得显而易见，在附图中：

图1示出根据本发明第一实施例的传感器的第一示意图；

图2示出根据本发明一个实施例的传感器的视图；

图3和4示出根据本发明的两个实施例的绕组端部的局部示意图；

图5示出根据本发明一个实施例的用于传感器的绕组的载体的视图；

图6示出包括根据本发明一个实施例的传感器的电路断路器的电路图；

图7示出根据本发明第一实施例的传感器的缠绕方法的步骤；

图8和9示出本发明另一个实施例的传感器的缠绕方法的步骤；

图10示出根据一个实施例的线圈的局部视图的照片。

具体实施方式

在图1中的示意图中，罗氏线圈电流传感器1包括：由非磁性材料制成的载体2；和至少一个次级绕组3，次级绕组3缠绕在载体1上，用于提供代表通过线圈内部的导体中流过的电流的电信号。

根据本发明的一个实施例，次级绕组3包括至少两个层，其绕组的电端子4位于绕组3的同一第一端5处。为了降低绕组对线圈外部的电磁干扰的灵敏度，绕组包括以这样的方式缠绕的偶数层，即使得绕组的电导体的输出4从绕组的相同侧或相同端5离开。因此，在第一层6上沿“向外”的第一方向缠绕绕组，然后在第二层7上沿“返回”的方向缠绕。由于线圈制造的实际原因，在绕组的第一端5和绕组3的相对的第二端9之间设置没有绕组的部分8。为了避免干扰，绕组的匝数n作为想要的信号和是偶数的层的数量的函数来限定，匝分布在绕组的全部层上，具有“向外”方向和“返回”方向的绕组。

因此，为了确保对线圈外部的电磁干扰的更好的抗扰度，绕组包括：具有高匝密度的至少一个内层6，其接近载体2，沿从绕组的第一端5朝向相对的第二端9的第一缠绕方向10缠绕；以及具有低匝密度的至少一个外层7，其包括三个部分，并且沿从绕组的相对的第二端9朝向第一端5的第二缠绕方向11缠绕。

接近载体的第一内层6优选由在线圈的内侧邻接的匝形成。在本文中，术语“内层”是指最接近载体的一个层或多个层，“外层”是指离载体最远的一个层或多个层。高匝密度是指在线圈的内侧上匝邻接或间距小于导线的直径。低匝密度是指在线圈的内侧上间距大于导线的直径。

低密度层是指具有低的总密度的层，换句话说，它们在绕组长度的大部分上具有低密度的部分，但是它们可具有小的高密度部分。值得注意的是，这些高密度部分可以位于接近匝端部，用于补偿没有绕组的部分。

在这种情况下，具有低密度的第二外层7包括：

接近绕组的第一端5的具有高匝密度和小的长度L1的第一补偿部分12，

具有低匝密度和大的长度L2的中部部分13等，

接近绕组的第二端9的具有高匝密度和小的长度L3的第二补偿部分14。

补偿部分12和14使得端部5和9之间的没有绕组的部分8能够被补偿。

优选地，在低密度层中，具有高密度的小部分12和14的绕组长度比低密度绕组的长度的1/10小。例如，(L1+L3)<(L2/10)。

图2示出根据图1的实施例的传感器的视图。在线圈的载体2上缠绕具有邻接匝的第一内层6。第二层包括：具有邻接匝的第一补偿部分12，匝在整个线圈主体上分布并且匝之间具有大的间隔的中部低密度部分13，以及具有邻接匝的第二补偿部分14。补偿部分补偿没有绕组的中间部分8中的缺失匝。具有高密度或者具有邻接匝的补偿部分12和14的长度优选为几毫米。具有低密度的中部部分优选具有分布在线圈的圆周上的几厘米的长度。

图3示出了根据第一实施例的绕组端部的局部线性示意图。该局部视图示出与图1中相同的结构，具有沿第一缠绕方向10缠绕的接近载体的高匝密度内层6和包括三个部分并且沿从绕组的相对的第二端9朝向第一端5的第二缠绕方向11缠绕的低匝密度外层7。

在需要非常高匝数的测量传感器中，绕组分布在几个层上。因此，根据本发明的具有几个层的实施例中，绕组包括偶数数量的层。

有利地，这些层以下列方式划分：

一半的层沿从绕组的第一端5朝向相对的第二端9的第一缠绕方向10缠绕，

另一半的层沿从绕组的相对的第二端9朝向第一端5的第二缠绕方向11缠绕，以及

最后一层是包括三个部分并且沿从绕组的相对的第二端9朝向第一端5的第二缠绕方向11缠绕的具有低匝密度的外层7,107。

还优选以下列方式划分偶数数量的层：

一半的层是接近载体2的具有高匝密度的内层6,106，

另一半的层是包括三个部分的具有低匝密度的外层7,107，

最后一层是沿从绕组的相对的第二端11朝向第一端5的第二缠绕方向缠绕的包括三个部分的具有低匝密度的外层7,107。

图4示出根据具有四层的传感器的本发明的第二实施例的绕组端的局部示意图。在这种情况下，以下面方式构成具有四层的绕组：

第一层是具有高匝密度的第一内层6，其接近载体，沿从绕组的第一端5朝向相对的第二端9的第一缠绕方向10缠绕，

第二层是具有高匝密度的第二内层106，接近载体，沿从绕组的第二端9朝向相对的第一端5的第二缠绕方向11缠绕，

第三层是具有低匝密度的第一外层7，包括三个部分，沿从绕组的第一端5朝向相对的第二端9的第一缠绕方向10缠绕，

第四层是具有低匝密度的第二外层107，包括三个部分，沿从绕组的相对的第二端9朝向第一端5的第二缠绕方向11缠绕。

在图4中，为了描述清楚，按照完全重叠的方式示意性地示出了第三和第四层。然而，由于匝不是非常密集，实际上第四层可以局部地并且部分地下降到第三层的水平，但仍被归为第四层。

图5示出根据本发明的一个实施例的用于传感器的绕组的由非磁性材料制成的载体的视图。没有绕组的中间部分将位于用于固定或支撑绕组的输出线4的插口15的水平面上。

图6示出包括根据本发明的一个实施例的与测量和保护装置21相关联的传感器1的电路断路器20的电路图。电路断路器20包括用于中断电路中的电流I的至少一个主触点22，用于控制所述电触头22的断开的机构23和用于向所述控制机构22提供控制信号D的测量和保护装置21。断路器还包括电力电端子24，用于连接外部电导体和在主触点22和端子23之间的内部连接导体。如上所述的至少一个电流传感器1设置在断路器的初级导体25周围，初级导体25例如为在端子24和主触点22之间的连接导体25。电流传感器1连接到测量和保护装置21的处理单元26，用于提供表示在初级导体中流过的电流I的信号I-e。因此，处理单元接收代表传感器1的电流的信号I-e，执行电流信号的处理，执行保护和报告功能，并且如果需要，向机构23提供信号或触发命令D以断开断路器的触点22。具有磁路的电流互感器27连接到处理单元，以便提供用于电子电路的操作的电能。

次级绕组3连接到处理单元26的输入，用于提供电流测量信号I-e。处理单元还可以从初级导体25接收电压测量信号V-e。在这种情况下，处理单元还可以以非常高的精度执行电能和/或功率的处理和计算。

在图6中，仅示出了一个具有单个相或极的断路器。然而，本发明也适用于特别是三相断路器的多极断路器。在这种情况下，每个被保护的极包括如上所述的电流传感器。

包括传感器21和处理单元18的测量和保护装置15可以是用于断路器的电子触发器，也可以是用于保护和/或功率测量和/或电能的继电器或模块。

图7示出了根据本发明的第一实施例的电流测量传感器的缠绕方法的步骤。缠绕方法包括：第一步骤30，用于沿从绕组的第一端5朝向相对的第二端9的第一缠绕方向10接近载体缠绕具有高匝密度的至少一个内层。第一缠绕方向10将被称为“向外”方向。高匝密度优选具有邻接的匝。在第二缠绕步骤31中，沿从绕组的相对的第二端9朝向第一端5的第二缠绕方向11缠绕包括三个部分的具有低匝密度的至少一个外层。第二缠绕方向将被称为“返回”方向。低密度的外层包括：

接近绕组的第一端5的具有高匝密度和小的长度L1的第一补偿部分12，

具有低匝密度和大的长度的中部部分13，以及

接近绕组的第二端9的具有高匝密度和小的长度L2的第二补偿部分14。

对于根据本发明的缠绕方法，具有几层的绕组包括按照下面的方式划分的偶数数量的层：

一半的层沿从绕组的第一端5朝向相对的第二端9的“向外”的第一缠绕方向10缠绕，

另一半的层沿从绕组的相对的第二端9朝向第一端5的“返回”的第二缠绕方向11缠绕，以及

最后一层是具有低匝密度的外层7,107，其包括三部分，并且沿从绕组的相对的第二端9朝向第一端5的第二缠绕方向11缠绕。

例如，通过该方法，可能具有更多的高密度层和更少的低密度层，只要最后一层是低密度层。

在这些方法中，偶数数量的层也将优选按照下面的方式划分：

一半的层是接近载体2的具有高匝密度的内层6,106，

另一半的层是包括三个部分的具有低匝密度的外层7,107，

最后一层是沿“返回”的方向缠绕的包括三个部分的具有低匝密度的外层7,107。

图8示出了根据多层实施例的用于传感器的缠绕方法的步骤。该方法包括：第一步骤32，用于沿“向外”的方向接近载体缠绕具有高匝密度的第一内层，然后第二步骤33，用于沿“返回”的方向接近载体缠绕具有高匝密度的第一内层。步骤34示出了用于具有高匝密度的内层的其它可能步骤。该方法还包括步骤35，用于沿着与其前一层的方向相反的方向缠绕具有低匝密度的第一外层。在沿着与其前一层的方向相反的方向缠绕的具有低匝密度的其它外层可以在一个步骤或多个步骤36处缠绕。在任何情况下，最后一个步骤35或36将沿着“返回”的方向缠绕具有低匝密度的外层。

步骤37示出了具有低密度的外层的数量等于具有高密度的内层数量的情况。绕组的方向为交替的“向外”和“返回”方向。

图9示出了根据一个具有四层的优选实施例的传感器的缠绕方法的步骤。在该方法中，首先具有第一步骤40，用于沿着“向外”的第一缠绕方向10接近载体缠绕具有高匝密度的第一内层6，并且第二步骤41用于沿着“返回”的第二方向11接近载体缠绕具有高匝密度的第二内层106。随后，具有第三步骤42，用于沿着“向外”的第一缠绕方向10缠绕具有低匝密度的第一外层7，以及第四步骤43，用于沿着“返回”的第二缠绕方向11缠绕具有低匝密度的第二外层107。

根据一个实施例的传感器的一部分的照片在图10中示出。绕组3在第一层6上以高匝密度缠绕，并且在第二层7上以低匝密度缠绕。中部部分13的匝是完全间隔开的，以确保测量传感器的确切数量的匝。

Claims (11)

1.一种罗氏线圈式电流测量传感器(1)，包括：由非磁性材料制成的载体(1)；和缠绕在所述载体上用于提供代表在通过线圈内部的导体中流动的电流的电信号的至少一个次级绕组(3)，

其特征在于，所述次级绕组(3)包括至少两个层(6,7)，其绕组的电端子(14)位于绕组的同一第一端(5)处，所述绕组包括：

至少一个具有高匝密度的内层(6)，接近载体(2)，并沿从绕组(3)的第一端(5)朝向相对的第二端(9)的第一缠绕方向(10)缠绕，以及

至少一个具有低匝密度的外层(7)，包括至少三个部分(12,13,14)，沿从绕组的相对的第二端(9)朝向第一端(5)的第二缠绕方向(11)缠绕，所述具有低匝密度的外层(7)包括：

接近绕组(3)的第一端(5)的具有高匝密度和小的长度(L1)的第一补偿部分(12)，

具有低匝密度和大的长度(L2)的中部部分(13)，以及

接近绕组(3)的第二端(9)的具有高匝密度和小的长度(L3)的第二补偿部分(14)。

2.如权利要求1所述的电流测量传感器，其特征在于，在具有低匝密度的所述外层(7)中，长的中部部分(13)的长度(L2)比具有高匝密度的部分(12,14)的长度(L1，L3)的和大十倍。

3.如权利要求1或2所述的电流测量传感器，其特征在于，所述绕组(3)包括偶数数量的层(6,106,7，107)，

一半的层(6，7)沿着从绕组的第一端(5)朝向相对的第二端(9)的第一缠绕方向(10)缠绕，并且

另一半的层(106,107)沿着从绕组的相对的第二端(9)朝向第一端(5)的第二缠绕方向(11)缠绕，

最后一层(107)是沿从绕组的相对的第二端(9)朝向第一端(5)的所述第二缠绕方向(11)缠绕的具有低匝密度的外层。

4.如权利要求1到3中任一项所述的电流测量传感器，其特征在于，所述绕组包括偶数数量的层(6,106,7，107)：

一半的层是接近载体的具有高匝密度的内层(6，106)，

另一半的层是包括三个部分的具有低匝密度的外层(7,107)，

最后一层是沿从绕组的相对的第二端(9)到第一端(5)的第二缠绕方向(11)缠绕的具有低匝密度的外层(107)。

5.如权利要求1到4中任一项所述的电流测量传感器，其特征在于，所述绕组包括：

具有高匝密度的第一内层(6)，接近载体，沿从绕组的第一端(5)朝向相对的第二端(9)的第一缠绕方向(10)缠绕，

具有高匝密度的第二内层(106)，接近载体，沿从绕组的第二端(9)朝向相对的第一端(5)的第二缠绕方向(11)缠绕，

具有低匝密度的第一外层(7)，包括三个部分，沿从绕组的第一端(5)朝向相对的第二端(9)的第一缠绕方向(10)缠绕，以及

具有低匝密度的第二外层(107)，包括三个部分，沿从绕组的相对的第二端(9)朝向第一端(5)的第二缠绕方向(11)缠绕。

6.一种用于如权利要求1到5中任一项所述的电流测量传感器的缠绕方法，其特征在于，其包括：

沿从绕组的第一端(5)朝向相对的第二端(9)的第一缠绕方向(10)，接近载体缠绕(30)具有高匝密度的至少一个内层(6)，以及

沿从绕组的相对的第二端(9)朝向第一端(5)的第二缠绕方向(11)，缠绕(31)包括三个部分的具有低匝密度的至少一个外层(7)，所述外层包括：

接近绕组的第一端(5)具有高匝密度和小的长度(L1)的第一补偿部分，

具有低匝密度和大的长度(L2)的中部部分(13)，以及

接近绕组的第二端(9)具有高匝密度和小的长度(L3)的第二补偿部分(14)。

7.如权利要求6所述的缠绕方法，其特征在于，其包括缠绕(32-37,40-43)具有偶数数量的层，

一半的层(32，34,40,42)沿从绕组的第一端(5)朝向相对的第二端(9)的第一缠绕方向(10)缠绕，并且

另一半的层(33,36,41,43)沿从绕组的相对的第二端(9)朝向第一端(5)的第二缠绕方向(11)缠绕，

最后一层是沿从绕组的相对的第二端(9)朝向第一端(5)的第二缠绕方向(11)缠绕(37,43)的具有低匝密度的外层(107)。

8.如权利要求6或7所述的缠绕方法，其特征在于，其包括具有偶数数量的层的缠绕(32-37)，

一半的层(32,33,34)是接近载体的具有高匝密度的内层(6,106)，

另一半的层(35,36,37)是具有低匝密度的外层(7,107)，

最后一层(107)是沿从绕组的相对的第二端(9)朝向第一端(5)的第二缠绕方向(11)缠绕(37,43)的具有低匝密度的外层。

9.如权利要求6到8中任一项所述的缠绕方法，其特征在于，其包括：

沿从绕组的第一端(5)朝向相对的第二端(9)的第一缠绕方向(10)，接近载体缠绕(40)具有高匝密度的至少第一内层(6)，

沿从绕组的第二端(9)朝向相对的第一端(5)的第二缠绕方向(11)，接近载体缠绕(41)具有高匝密度的至少第二内层(106)，

沿从绕组的第一端(5)朝向相对的第二端(9)的第一缠绕方向(10)，缠绕(42)具有低匝密度的至少第一外层(7)，

沿从绕组的相对的第二端(9)朝向第一端(5)的第二缠绕方向(11)，缠绕(43)具有低匝密度的至少第二外层(107)。

10.一种包括用于接收代表电流的信号(I-e)的处理单元(26)的电流测量装置(21)，其特征在于，其包括与处理单元(26)连接的如权利要求1到5中任一项所述的测量传感器(1)，用于提供代表电导体中流动的电流的电流信号(I-e)。

11.一种电气断路器(20)，包括：用于中断电路中的电流的至少一个主触点(22)；用于控制所述电触点断开的机构(23)；以及给所述控制机构提供控制信号(D)的测量和保护装置(21)，其特征在于，该电气断路器包括与所述测量和保护装置(21)的处理单元(26)连接的如权利要求1到5中任一项所述的测量传感器(1)。