CN1295948C - 一种采用印刷电路板构造的空芯线圈 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种采用印刷电路板构造的空芯线圈，包括一块连接板和至少一对印刷电路板；每对印刷电路板由上、下印刷电路板和上、下接线端子组成，每块印刷电路板各自均匀布线并连接成一个串联回路，上、下印刷电路板互为镜像印刷电路板；每块印刷电路板及连接板的中心开有通孔，每对印刷电路板叠放于连接板上或下，其接线端子与连接板上的接线端子相连，连接板将多对印刷电路板的导电回路通过均匀分布在连接板上的接线端子串连起来。本发明可以很容易地从制造原理上满足空芯线圈互感系数M为常数的三个条件，测量准确度高，加工非常简单，自动化生产程度高，适合批量加工生产的要求，并且能保证生产的空芯线圈性能稳定，重复性好。

Description

一种采用印刷电路板构造的空芯线圈

技术领域

本发明涉及一种测量磁场或电流的传感器，具体地说，是一种利用印刷电路板(Print Circuit Board，简称PCB)制造的空芯线圈的传感器。

背景技术

空芯线圈最初是用来测量磁场的。由于线圈的输出电压和功率不足以驱动后续的测量设备，早期的空芯线圈不能用于电流测量。随着以微处理器为基础的继电保护和测量技术的发展，空芯线圈已经非常适合在这些场合测量电流用了。并有可能逐渐取代现有的传统电流互感器。

空芯线圈中，二次绕组绕在一个非磁性骨架上，不存在铁磁材料，使传感器在几安到几百千安的范围内仍然具有优良的线性，与传统CT不同，由于它不是直接测量电流，即使被测电流含有很大的直流分量，仍然不会饱和。因此近年来空芯电流互感器开始应用于继电保护和测量中。

空芯线圈的测量原理如图1所示，整个线圈均匀地绕在一个环形的非磁性骨架上。由全电流定律和电磁感应定律可得到空芯线圈感应电压e(t)为：

$e\left(t\right)=-\frac{\mathrm{d\Ψ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-M\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

$=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{Nh}}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{R_a}{R_i}\·\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

式中ψ(t)为磁链，M为空芯线圈互感，i(t)为一次侧电流，μ₀为真空磁导率，N为线圈匝数，h为线圈骨架高度，Ra为骨架外径，R_i为骨架内径。

测量回路的等效电路如图2所示。其中R₀是线圈的内阻，Rc是外接积分器的输入阻抗，L是线圈的自感，其大小为：

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}h}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{R_a}{R_i}=N\·M$

Rc一般都在数万欧姆，R₀只有数十欧姆，所以i(t)很小，u_out与e(t)非常接近。通过积分器可以将e(t)的波形还原成M*i(t)的波形，M为常数，进行运算就可以得到i(t)的准确值。

对于稳态下的正弦电流，空芯线圈的输出电压可以表示为：

E＝M×jω×Ip

式中Ip为被测一次电流。

可以看到，空芯电流互感器的测量准确度取决于一个稳定的互感常数M。所以为了获得高精度的空芯线圈，制作时必须遵循以下原则：线圈密度恒定；骨架截面积恒定；线圈横截面与中心线垂直，否则将引入较大的测量误差，这对绕制工艺提出了较高的要求。

因此，采用传统线圈绕制方法制作的空芯线圈，理论上设计精度最高可达到0.1％，实际应用时通常为1-3％(见Kojovic Ljubomir.Rogowskicoils suit relay protection and measurement[of power systems].IEEE Computer Applications in power，1997，10(3)：47-52)。这样的准确度不能满足电力系统测量的要求，而且制作时由于工艺所决定的性能分散性更难以避免，这是空芯线圈至今没有产业化的重要原因之一。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种采用印刷电路板构造的空芯线圈，这种结构的空芯线圈是易于批量生产的，具有高的复现性和较高的准确度。

本发明提供的一种采用印刷电路板构造的空芯线圈，包括至少一对印刷电路板和一块连接板；每对印刷电路板由上、下印刷电路板和上、下接线端子组成，每块印刷电路板各自均匀布线并连接成一个串联回路，上印刷电路板的上表面和下印刷电路板的下表面相同，上印刷电路板的下表面和下印刷电路板的上表面相同，二者互为镜像印刷电路板；每块印刷电路板及连接板的中心开有通孔，每对印刷电路板叠放于连接板上或下，其接线端子与连接板上的接线端子相连，连接板将多对印刷电路板的导电回路通过均匀分布在连接板上的接线端子串连起来。

本发明采用印刷电路板构成空芯线圈，可以很容易地从制造原理上满足空芯线圈互感系数M为常数的三个条件，测量准确度高，加工非常简单，自动化生产程度高，适合批量加工生产的要求，并且能保证生产的空芯线圈性能稳定，重复性好。

附图说明

图1为空芯线圈的测量原理图；

图2为空芯线圈等效电路图；

图3为单对印刷电路板构造示意图；

图4为4对印刷电路板和连接板连接示意图；

图5为单块镜像印刷电路板外观照片。

具体实施方式

1.每对印刷电路板的设计。如图3所示，每对印刷电路板由上印刷电路板1、上接线端子3及下印刷电路板2、下接线端子4组成。二块印刷电路板1、2互为镜像，即上印刷电路板1的上表面和下印刷电路板2的下表面完全一样，上印刷电路板1的下表面和下印刷电路板2的上表面完全一样，故称其互为镜像印刷电路板。在二块镜像印刷电路板的正反两面上沿圆周方向均匀布线，用过孔来穿越镜像印刷电路板1和2的上下表面，把每块镜像印刷电路板上的所有布线连成一个串联回路。由上印刷电路板1及下印刷电路板2组成的每对印刷电路板所构成的线圈可以完全消除垂直于空芯线圈平面的磁力线的干扰。每块镜像印刷电路板均能够产生一定的感应电势，而这个电势就正比于穿过PCB板中心孔的电流大小。镜像印刷电路板构成的空芯线圈的感应电势的计算和前述传统方法绕制的空芯线圈的计算方法是一样的，故可以采用和传统方法绕制的空芯线圈同样的计算方法来设计镜像印刷电路板上的布线密度(即二次绕组匝数密度)及印刷电路板的对数数量。

2.连接板的设计。在连接板6上，每对印刷电路板均有与其相连的一对接线端子。连接板6的作用是将多对印刷电路板的导电回路通过均匀分布在连接板6上的接线端子串连起来，以提高感应电势的大小，从而提高整个传感部分抗干扰的能力。如图4所示，为了将感应电势叠加起来，上印刷电路板1上的接线端子3、下印刷电路板2上的接线端子4分别和连接板6上的接线端子7、8以导电杆焊接或螺母相连接。再通过连接板上的布线将多对印刷电路板串联起来，这样等价于增加了匝数，从而增大了互感系数M的值。将利用相同工艺制造的多对印刷电路板在连接板上均匀分布排列，有利于减小外磁场干扰的影响，图中的虚线为连接板背面的回线，是为了消除垂直穿过连接板的磁力线对其的影响。图4是4对印刷电路板和连接板连接示意图。

3.安装工艺。镜像印刷电路板成对出现组成一对印刷电路板。每对印刷电路板和连接板分开设计，安装时将其连接起来。每对印刷电路板预留一对接线端子或者插孔3、4，在连接板6上，也有与每对印刷电路板相对应的一对接线端子7、8，用来实现和连接板的对接，每对印刷电路板的边缘上需留出相应的空隙以便邻近的印刷电路板的连接导电杆能够顺利穿过并和连接板相接。每块印刷电路板上都要有阻焊层，以实现板与板之间的绝缘。镜像印刷电路板上的接线端子3和4通过导电杆焊接或者螺母连接在连接板上。

上述设计可以容易地满足使互感系数M为常数的三个条件：

采用的每块镜像印刷电路板是完全相同的，使得二次绕组的绕线分段均匀，线圈密度恒定；

采用PCB制成的骨架满足截面积恒定的条件；

镜像印刷电路板和连接板组合时，通过导电杆焊接，或用螺母连接，保证板与板之间的绝对对齐，从而满足了线圈横截面与中心线垂直的条件，总的感应电势为单对印刷电路板感应电势与印刷电路板(对)总数的乘积。

本发明的基于印刷电路板的空芯线圈可以让二次绕组的绕线实现严格的均匀，其设计的外观如图5所示。本发明的空芯线圈包括一对或若干对印刷电路板(如图3所示)，及一块连接板6(如图4所示)。一对印刷电路板由互为镜像的印刷电路板1和印刷电路板2(如图3所示)组成，故印刷电路板1和印刷电路板2定义为镜像印刷电路板。镜像印刷电路板1上的接线端子3、镜像印刷电路板2上的接线端子4分别和连接板6上的接线端子7、8以导电杆焊接或螺母相连接。在镜像印刷电路板1和2及连接板6中心均开有中心孔9，使得被测量的导线可以从中穿过，导线应该垂直的穿过印刷电路板及连接板的中心轴。连接板6上布置了连接线，将多对印刷电路板串联起来以提高感应电势的大小。按照具体的测量要求，线圈的输出可以接积分器5或不接积分器。

Claims (1)

1.一种采用印刷电路板构造的空芯线圈，其特征在于：包括一块连接板和至少一对印刷电路板；

每对印刷电路板由上、下印刷电路板(1、2)和上、下接线端子(3、4)组成，每块印刷电路板各自均匀布线并连接成一个串联回路，上印刷电路板(1)的上表面和下印刷电路板(2)的下表面相同，上印刷电路板(1)的下表面和下印刷电路板(2)的上表面相同，二者互为镜像印刷电路板；

每块印刷电路板及连接板的中心开有通孔，每对印刷电路板叠放于连接板(6)上或下，其接线端子与连接板上的接线端子相连，连接板(6)将多对印刷电路板的导电回路通过均匀分布在连接板(6)上的接线端子串连起来。

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