CN112051431A - 电流传感器和包括这种电流传感器的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流传感器(6；6’)和包括这种电流传感器的测量系统。电流传感器包括：具有中心开口的绝缘基板(10)；绕组，围绕中心开口，并且包括绕绝缘基板的一部分缠绕的线圈(12、14)；其中，所述电流传感器包括至少一个铁磁层(40、42)，其结合在绝缘基板的所述部分内，线圈(12、14)围绕铁磁层。

Description

电流传感器和包括这种电流传感器的测量系统

技术领域

本发明涉及电流传感器以及包括这种电流传感器的测量系统。

背景技术

罗氏(Rogowski)绕组是电流传感器，能够测量流过电导体的交流电流的强度。

这种传感器通常包括绕制线圈，该绕制线圈在中心开口周围限定闭合轮廓，通过该开口接收电导体。流过电导体的电流在线圈的端子之间感应出电压。

罗氏线圈可以在印刷电路板(PCB)上制造。例如，绝缘基板被多个金属化的通孔刺穿，该多个金属化的通孔以预定的图案布置在基板的面上，并且被定位成在中心开口周围限定闭合轮廓。形成在基板的层上的一系列金属化孔和导电迹线一起限定了形成线圈的绕组的导电路径。

印刷电路板罗氏绕组(PCB罗氏线圈)具有在工业规模上制造相对简单且廉价的特殊优势。它们也易于小型化。

这些传感器的一个缺点是它们的增益很低(例如每安培约10μV)，这使得很难检测到电导体中电流的微小变化。该限制在某些应用中是不可接受的，例如，当这种传感器用作配电设备中电气保护装置中的电流传感器时。

因此，需要克服这些缺点的电流传感器，特别是印刷电路板的罗氏线圈。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种电流传感器包括：

-具有中心开口的绝缘基板；

-绕组，围绕中心开口，并且包括绕绝缘基板的一部分缠绕的线圈；

其中，所述电流传感器包括至少一个铁磁层，其结合在绝缘基板的部分内，线圈围绕铁磁材料层。

根据一些有利而非必须的方面，这种电流传感器可以单独地或以任何技术上可行的组合结合以下特征中的一个或多个：

-所述线圈包括串联电连接的多个线圈部分，所述线圈部分的形状为直线形并布置为在中心开口周围形成四边形的封闭轮廓。

-铁磁层对于所有线圈部分是公共的。

-所述铁磁层被分成几个部分，每个部分与所述线圈部分中的一个相关联。

-铁磁层包括铁和镍的合金的子层以及堆叠在铁和镍的合金的子层的两侧上的两个铜的子层。

-所述铁和镍的合金是FeNi36合金。

-所述铁磁层的厚度大于或等于150μm。

-罗氏绕组还包括附加线圈，所述附加线圈缠绕在所述基板的另一部分周围并且在垂直于所述基板的平面的方向上偏移，两个线圈交错并串联电连接，并且其中，附加铁磁层结合在绝缘基板的所述另一部分内，所述附加线圈围绕所述附加铁磁层。

-所述基板包括垂直于所述基板的平面的通孔，并且所述铁磁层通过没有铁磁材料的缓冲区域与所述通孔分开。

-所述基板是印刷电路板，所述印刷电路板包括一层或多层堆叠的固化聚合物材料。

根据本发明的另一方面，一种测量系统包括如上所述的电流传感器和配置为处理由电流传感器测量的信号的电子处理电路。

附图说明

根据以下仅以示例的方式并参考附图给出的对电流传感器的一个实施例的以下描述，将更好地理解本发明，并且其其他优点将变得更加明显。

[图1]图1是根据本发明一些实施例的包括电流传感器的测量系统的示意图；

[图2]图2是本发明的第一实施例的电流传感器的示意图；

[图3]图3是图2的电流传感器的横截面示意图；

[图4]图4是本发明的第二实施例的电流传感器的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于测量流过电导体4(例如电缆，电线或母线)的电流强度的测量系统2。

在这种情况下，系统2包括电流传感器6和电子处理电路8，该电子处理电路8连接到电流传感器6并被配置为处理由电流传感器6测量的信号。

根据一些实施例，电流传感器6包括罗氏线圈，该罗氏线圈包括线圈，该线圈限定围绕中心开口7的闭合轮廓，通过该中心开口7接收导体4。绕组的末端连接到处理电路8的输入。

例如，闭合轮廓采取多边形的形状，特别是四边形，例如正方形。作为变型，可以设想其他形状，例如圆形或椭圆形。

根据一些示例，流过电导体的电流在线圈的端子之间感应出电压。该电压与流过导体4的电流强度的时间导数成比例。

处理电路8例如被配置为基于作为从电流传感器6的输出而传递的电压信号来计算电流的值。

根据一些实施例，电流传感器6和处理电路8可以被安装在同一印刷电路板上。

电流传感器6的第一实施例在图2和3中示出。

电流传感器6包括基板10，其优选地是平面形状的。

图2示出了电流传感器6在平行于基板10的几何平面中的高度，因此示出了传感器6在基板10的上部面上的外观。然而，基板10本身未示出以便于理解附图。在图3中，在垂直于基板10的平面的截面图中示出了电流传感器6的一部分。

优选地，基板10是电绝缘的。

根据一些示例，基板10是印刷电路板，其包括诸如FR-4环氧树脂的固化聚合物材料的一层或多层堆叠。

例如，可以通过层压多层预浸渍有树脂的纤维编织物，通过沉积材料，通过增材制造或通过任何其他合适的方法来制造基板10。

根据一些实施例，罗氏绕组包括至少一个线圈12，其缠绕在基板10的一部分周围。

例如，将电导体以匝的形式缠绕在基板10的一层或多层上。

根据一些示例，线圈12至少部分地穿过基板10，例如借助于刺入基板10并通过其厚度的至少一部分并且在垂直于基板10的平面的方向上进入基板10的金属化孔(也称为“通孔”)。线圈12还包括例如由诸如铜的金属制成的导电迹线，其例如在平行于基板10的平面的方向上在基板10的一层或多层上延伸。

换句话说，线圈12通过垂直于基板10的平面延伸的金属化孔和在基板10的各层上延伸的导电迹线的结合而形成。

一般而言，术语“罗氏线圈”并不意味着特定的转弯形状，其可以是圆形，卵形，多边形或其他任何形状。在示例性地描述的实施例中，匝的形状是多边形的，例如矩形或正方形。

优选地，线圈12的一部分露出到基板10的外部面上，如将在下面更详细地描述的。

根据一个或多个实施例，线圈12包括串联电连接的多个线圈部分16、18、20、22。

在所示的示例中，线圈部分16、18、20、22，也称为线圈段，是直线形的，并且布置成形成围绕中心开口呈四边形的闭合轮廓。例如，闭合轮廓位于中央开口的中心。

例如，四个线圈部分16、18、20、22围绕中心开口以直角首尾相连地布置，平行于基板的平面，同时仅通过形成绕组的导线的一部分连接。

在所示的实施例中，罗氏线圈有利地包括两个线圈的组合：第二线圈14与一个第一线圈12串联电连接。

然而，根据一些替代实施例，规定了罗氏线圈可以仅包括一个线圈。因此，可以省略线圈12和14中的一个或另一个。

根据其他变型，可以以类似方式将其他附加线圈关联以形成罗氏线圈。

在所示的示例中，线圈12和14缠绕在基板10的不同部分上并且彼此交错。

例如，术语“交错”应理解为是指，在闭合轮廓的至少一部分长度上，线圈12和14的相应匝交替布置。

优选地，基板10的所述部分在垂直于基板10的平面的方向上偏移。

在图3所示的示例中，第一线圈12的匝通过孔或开口(例如盲孔或通孔，垂直于基板10的平面向下延伸到基板10中)围绕形成在基板10的上部面与基板的子层之间的界面26之间的基板10的第一部分。线圈12露出到基板10的上部面。

例如，界面26位于平行于基板10的平面的几何平面中。在图3中，以放大的间隔示出了界面26，以便于理解附图。然而，实际上，基板的子层在这些界面处直接接触。

以类似的方式，第二线圈14的匝通过穿过在界面24和基板10的下部面之间延伸的孔而围绕形成在基板10的下部面和与界面26相似的子层之间的界面24之间的基板10的第二部分。

在该示例中，界面24位于界面26上方。线圈14露出到基板10的下部面。

根据一些实施例，附加线圈14包括类似于线圈12的线圈部分16、18、20、22的线圈部分。

优选地，如图2所示，线圈14的这些部分在垂直于基板10的平面的方向上与线圈12的相应的线圈部分16、18、20、22对准或重叠。

根据一些可选实施例，通孔28可以形成在基板10中，例如通过在垂直于基板10的平面的方向上刺穿基板10的整个厚度。

可选地，当所述通孔在线圈附近时，金属垫30、36沉积在线圈的上部面和下部面的通孔上。例如，垫布置在界面24或26处。

优选地，金属垫由铜制成。根据通过示例给出的一种制造方法，通过在基板的基础叠层上沉积金属层，在组装基板10之前制造金属垫30、36。接下来，以预定图案蚀刻该金属层以形成垫30和36，然后用基板10的其他层覆盖该金属层。当随后通过滚动压制基板10以完成传感器6的制造时，各层分别在界面24和26处接触，并填充由蚀刻去除的金属留下的空隙。

在所示的示例中，通孔28布置在线圈12附近。金属垫30布置在界面26中，在该界面26中布置了线圈12的内部面。

例如，金属垫为圆形或正方形，并且在该界面26中围绕通孔28的截面布置。

优选地，金属垫32分别布置在基板10的上部面和下部面上的通孔28的上端和下端。

在所示的示例中，类似于通孔28，第二通孔34布置在第二线圈14附近。类似于金属垫30的金属垫36布置在界面24中。

这些示例不是限制性的，并且其他通孔可以不同地配置。作为变型，可以省略通孔28、34。

根据一些特别有利的实施例，电流传感器6包括至少一个铁磁层40、42，该铁磁层40、42结合在由该或每个线圈围绕的该或每个绝缘基板10部分中，使得所述线圈围绕所述铁磁层。

在所示的示例中，第一铁磁层40被结合在第一基板10部分内，该部分由第一线圈10围绕，在基板10的上部面与界面24之间。

第二铁磁层42被结合在第二基板10部分内，该部分由第二线圈14围绕，在基板10的下部面和界面26之间。

通过添加这样的铁磁层，电流传感器6的增益提高。最终，这可以提高测量传感器6和测量系统2进行的电流测量的精度。

在通过说明给出的一个非限制性示例中，发明人已经观察到，借助于本发明的实施例，与已知的印刷电路板罗氏绕组相比，电流传感器6的测量增益可以提高五倍或更多倍，例如获得大于或等于每安培80μV的增益。

当传感器6用作配电设备内的电气保护装置中的电流传感器时，增益的增加特别有利。特别是，一旦检测到电气故障，电气保护装置必须能够快速跳闸。但是，某些信号处理器件，例如无源积分器，会引入信号衰减，在电流传感器显示低增益的情况下，该衰减可能会对信号产生负面影响，从而损害处理电路8检测电故障的能力。使用数字积分器将仅使测量信号衰减很小，但具有引入大量等待时间的缺点，以至于在检测到电气故障事件时保护装置将无法足够快地做出反应。相反，借助于传感器6，处理电路8可以包括简单的无源积分器，该无源积分器的制造更加简单并且可以避免上述问题。

作为变型，铁磁层的数量可以不同。例如，根据线圈12或14的数量来选择。因此，应当理解，在省略了线圈14的变型中，也可以省略层42。

优选地，每个线圈12或14仅围绕一个铁磁层。

实际上，第一线圈12与第一铁磁层40交叉。第二线圈14与第二铁磁层42交叉。优选地，线圈12和14不与铁磁层40和42电接触。

根据一些示例，铁磁层40和42是相同的。

优选地，铁磁层40和42在尺寸和几何布置方面是相似或相同的，例如在垂直于基板10的平面的方向上相对于彼此对准或重叠。

在下文中，仅详细描述铁磁层40，但是该教导可以转置到铁磁层42。

根据一些实施例，铁磁层40包括铁和镍的合金的子层44以及堆叠在子层44的两侧上的两个铜的子层46、48。

例如，铁和镍合金是FeNi36合金，也以注册商标“Invar”而闻名。该合金有利地使得可以获得良好的磁性能，同时表现出有利于基板10的构造和强度的机械性能。

铁磁层40可以通过沉积材料来形成，或者以在其制造过程中结合在基板10内的板的形式构造。

作为变型，可以使用其他材料来形成铁磁层40，例如铁磁金属合金。

根据一些实施例，铁磁层40大于或等于150μm，或大于或等于250μm。

在所示的示例中，铁磁层40被布置在基板10的第一子层41和基板的第二子层43之间。界面24形成在第二子层43和基板10的芯层之间。相对于界面26，类似的布置用于铁磁层42。

在通过说明给出的一个非限制性示例中，在垂直于基板10的平面的方向上测量的基板10的总厚度可以为0.1cm至1cm。

根据一些实施例，当一个或多个通孔28、34穿过基板10时，铁磁层40可以通过没有铁磁材料的缓冲区域50与所述通孔28、34横向分离。

应当理解，该缓冲区域50与铁磁层40成一直线布置。

根据一些示例，缓冲区域50可以填充有电绝缘材料，或者由铁磁层40中的空隙形成。换句话说，铁磁层40不与通孔28和34电接触。可以通过刺穿铁磁层或通过蚀刻铁磁层来获得空隙。

例如，缓冲区域50的尺寸被确定为使得通孔28、34的侧边缘与最靠近所述侧边缘的铁磁层40的铁磁材料之间的距离(该距离在平行于基板10的平面的方向上测量)大于或等于所述通孔28、34的宽度的25％。

在通过说明给出的一个非限制性示例中，通孔28的宽度等于650μm。在通孔28的每一侧，缓冲区域50的宽度大于或等于200μm。

图4示出了根据第二实施例的电流传感器6’。电流传感器6'的与第一实施例类似的元件具有相同的附图标记，并且只要上面参照图2和图3提供的描述可以转置至此，就不再详细描述。

电流传感器6'与电流传感器6基本相同或相似，并且特别地包括多个线圈部分14、18、20和22。

电流传感器6'尤其与电流传感器6的不同之处在于，每个铁磁层40、42在铁磁层的平面内被分成多个部分，这些部分优选地彼此电绝缘，这些部分中的每个与线圈部分14、18、20和22中的一个相关联。

在所示的示例中，板40被分成分别与线圈部分18、20、22和16相关联的四个部分60、62、64和66。

可以理解的是，部分60、62、64和66彼此电绝缘，例如通过在铁磁层40的平面中通过无磁性材料的层或通过电绝缘的材料分开，例如类似于上述的缓冲区域50。

在这种情况下，表述“与线圈部分相关联”应理解为是指相应的线圈部分围绕所述铁磁层部分并且在垂直于基板10的平面的方向上与所述铁磁层部分对准。

实际上，铁磁层40、42的每个部分仅与线圈部分16、18、20和22中的一个相关联。

以此方式划分铁磁层有利地使得可以避免在流过导体4的电流达到高值时铁磁层的过早的磁饱和。然而，保留了存在的铁磁性层在增益方面所提供的优点。

同样在这种情况下，该实施例也不受线圈部分16、18、20和22的数量或铁磁层部分40、42的数量的限制。

尽管未详细示出，但是应当理解，这同样适用于层42，其本身也以类似的方式被划分。

有利地，磁性层部分60、62、64和66可通过在制造基板期间沉积与层40和42相似的磁性层，然后通过借助穿孔工具刺穿基板来切穿这些层而形成。例如，在层的角部中垂直于基板的平面刺穿多个孔，以形成限定部分60、62、64和66的气隙。该方法使得可以以相同的方式同时切穿叠层的两个铁磁层，从而对于两个铁磁层获得具有相同尺寸的部分60、62、64和66。另外，通过选择更粗或更细的穿孔工具可以容易地调节气隙的宽度，从而使得可以容易地调节传感器的增益值。

上述实施例和变型可以彼此组合以产生新的实施例。

Claims (11)

1.一种电流传感器(6；6’)，包括：

-具有中心开口的绝缘基板(10)；

-绕组，围绕中心开口，并且包括绕绝缘基板的一部分缠绕的线圈(12、14)；

其特征在于，所述电流传感器包括至少一个铁磁层(40、42)，其结合在绝缘基板的所述部分内，线圈(12、14)围绕铁磁层。

2.根据权利要求1所述的电流传感器(6；6')，其中，所述线圈(12)包括串联电连接的多个线圈部分(16、18、20、22)，所述线圈部分的形状为直线形并布置为在中心开口周围形成四边形的封闭轮廓。

3.根据权利要求2所述的电流传感器(6)，其中，所述铁磁层(40、42)对于所有线圈部分是公共的。

4.根据权利要求2所述的电流传感器(6')，其中，所述铁磁层被分成几个部分(60、62、64、66)，每个部分与所述线圈部分(16、18、20、22)中的一个相关联。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(6；6')，其中，铁磁层(40、42)包括铁和镍的合金的子层(44)以及堆叠在铁和镍的合金的子层的两侧上的两个铜的子层(46、48)。

6.根据权利要求5所述的电流传感器(6；6')，其中，所述铁和镍的合金是FeNi36合金。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的电流传感器(6；6')，其中，所述铁磁层(40、42)的厚度大于或等于150μm。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的电流传感器(6；6')，其中，罗氏绕组还包括附加线圈(14)，所述附加线圈(14)缠绕在所述基板的另一部分周围并且在垂直于所述基板(10)的平面的方向上偏移，两个线圈(12、14)交错并串联电连接，并且其中，附加铁磁层(42)结合在绝缘基板的所述另一部分内，所述附加线圈(14)围绕所述附加铁磁层。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(6；6')，其中，所述基板(10)包括垂直于所述基板的平面的通孔(28、34)，并且所述铁磁层(40，42)通过没有铁磁材料的缓冲区域(50)与所述通孔(28、34)分开。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的电流传感器(6；6')，其中，所述基板(10)是印刷电路板，所述印刷电路板包括一层或多层堆叠的固化聚合物材料。

11.一种测量系统(2)，其特征在于，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的电流传感器(6；6’)，和配置为处理由所述电流传感器(6；6’)测量的信号的电子处理电路(8)。

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