CN1873859A - 一种基于印刷电路板的钳形双绕组空芯线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于印刷电路板的钳形双绕组空芯线圈，该空芯线圈由若干块首尾串联的PCB组成，每块PCB根据被测导线的形状来设计其长度，且每块PCB具有相同的厚度和宽度。每块PCB上都有两组互相平行且沿各PCB中线上、下对称分布的各成回路的导电布线，分别构成上、下对称的两个绕组，上下绕组的导电回路布线方向相反。绕组的对称分布可有效地降低外界电磁场的干扰，该结构的空芯线圈外形可灵活变化，体积小，安装时不需断开被测导线，非常适合被测导线外形不规则的应用场合。与已有的空芯线圈结构相比，线圈中的磁场更均匀，绕组更密集，测量的准确度更高，抗外界电磁场干扰的能力更强。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量磁场或电流的空芯线圈，又称为Rogowski线圈，具体地说，是一种利用印刷电路板(Print Circuit Board，以下简称PCB)制造的钳形双绕组空芯线圈。
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。
空芯电流传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)。这样的准确度难以满足测量的要求，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。
对比文件1(JP特开2000-228323A)采用PCB技术设计空芯线圈，和传统空芯线圈绕制方法比较，提高了空芯线圈的测量精度和抗外界电磁场干扰的能力。对比文件1提出理想空芯线圈的四点特性，“参见发明的详细说明中的[0005]段”，采用了一种主要的技术手段来改善其抗干扰性能，即每个线圈由若干对呈镜像的印刷电路板串联而成，当有垂直于印刷电路板方向的外界磁场穿过线圈时，该磁场在呈镜像的两块印刷电路板上感应的电势互相抵消，从而大大的减小了垂直于PCB板方向的磁场对测量结果的影响。对比文件1中的第5实施技术手段中，提出了将数块呈镜像的电路板形成的绕组进行串联，并指出上述串联的作用效果是使得空芯线圈的输出电压按照印刷电路板的块数成倍增加，后又进一步解释这样作的目的是可以很容易的调节灵敏度，并可以同时防止外部磁场对电流测量的影响。
但该空芯线圈结构存在以下缺点：
1、对比文件1中的空芯线圈结构是针对被测电流导线的形状为圆形设计的，在被测导线形状不规则时，被测磁场分布发生变化，不再是以被测导体为中心的均匀圆形分布，将被测导线穿过空芯线圈的中心孔后，被测电流产生的磁场的中心不再位于线圈的几何中心，测量精度将下降。
2、对比文件1中以一整块PCB板形成一个绕组称为1号PCB板，再用与其镜像对称的2号PCB板串联共同构成1个空芯线圈，如果被测导线截面较大且形状不规则(例如在Tokomak中用于320kA的脉冲电流测量装置，被测导线直径约为1.2米，且边缘为不规则的六边形，导线的截面图如图1所示)，该结构在设计和安装时均难以实现，因为直径1.2米的印刷电路板加工难度大，且造价很高。同时，由于对比文件1中1号PCB板和2号PCB板均为整块PCB，所构成的空芯线圈现场安装时必须断开被测导线。
3、当被测电流较小时，对比文件1中的空芯线圈须数块叠加，将各块PCB上的绕组串联，提高测量的灵敏度，这样将使得空芯线圈体积较大，应用场合受限。
4、抗电磁干扰的能力有待提高。对比文件1中单块印刷电路板上的刻线均指向圆心，那么，被测电流产生的磁力线所穿过的单位长度上的线圈的匝数不是固定不变的，距离圆心近的磁力线穿过的单位长度上的线圈匝数较多，而距离圆心远的磁力线穿过的单位长度上的线圈匝数较少。这种结构与理想的空芯线圈的模型有很大的出入，势必影响线圈抗外电磁场干扰的能力。并且对比文件1的技术手段仅仅是减小了垂直于印刷电路板方向的外界磁场的干扰。实际上由于外界干扰磁场是复杂的，方向是不确定的，仅仅考虑减小垂直方向的磁场干扰是不够的，必须采取更多的有效措施减小平行于PCB板方向的磁场对测量的影响。此外，由于在PCB的设计和加工过程中存在一定的误差，做到绕线绝对均匀是不可能的，当存在平行于外界磁场的干扰时，将直接引入测量误差，这是对比文件1的技术手段没有考虑的。
5、当垂直于印刷电路板方向的外界干扰磁场穿过对比文件1连接板上的串联回路时，由于没有设计绕行方向相反的回线，将破坏对比文件1中[0005]段描述的空芯线圈第b点的理想特性，这是对比文件1中没有提及的，此时外界磁场将引入测量误差。
总之，对比文件1中采用PCB技术设计的空芯线圈结构，抗电磁干扰的能力有待提高，不适合被测导线形状不规则、被测电流较大的情形，且由于线圈由整块PCB构成，不能够实现灵活的拼装，现场安装时必须断开被测导线。被测电流较小时，须数块叠加，体积较大。
发明内容
本发明的目的在于克服对比文件1中设计的结构的不足之处，提供一种采用印刷电路板构造的新的钳形双绕组空芯线圈，该结构的空芯线圈抗电磁干扰能力更强，测量精度更高，安装时不需断开被测导线，适用于任何外形的被测载流导线的现场安装，空芯线圈体积也大为降低。
本发明提供的一种空芯线圈，包括线圈骨架和二次绕组，所述线圈骨架为根据被测导线形状灵活设计的数块PCB首尾串联而成，每块PCB上都有两组互相平行且沿各PCB中线上、下对称分布的各成回路的导电布线，每块PCB上的上导电布线围绕被测导线用软连接线首尾串联成导电回路，构成上绕组；每块PCB上的下导电布线围绕被测导线首尾串联成导电回路，构成下绕组，上、下绕组的导电回路布线方向相反；再将上、下绕组的任意一端作为尾端用软连接线串联连接，上、下绕组的其余一端作为首端，用做输出信号引出线的两个端点。所有PCB上的双面导电布线、每块PCB之间的串联软导线，以及信号引出线串联构成所述二次绕组。
与对比文件1中设计的结构相比，本发明的空芯线圈具有以下优点：
1、各块PCB的形状可根据不同外形的载流导线的磁场分布变化，但各块PCB1的厚度、宽度及导电布线的密集度须保持一致。例如当被测导线为五边形时，可采用5块PCB构成，如图3示，被测电流产生的磁力线穿过本发明的空芯线圈的单位长度上的绕行匝数恒定，与理想的空芯线圈的模型基本一致，故测量精度高；
2、如图2示，本发明的空芯线圈有多块PCB上的导电回路串联而成，输出信号引出线的两个端点10、11在同一块PCB1上，如图3所示，可实现空芯线圈沿载流导线外表面的灵活“贴身”安装，故安装时不需断开被测导线，适用于任何外形的被测载流导线的现场安装；
3、本发明提供的空芯线圈厚度一般约为1～6mm，可实现线圈与导线的“贴身”安装，大大减小了空芯线圈占用的空间。以背景技术中提到的导线为例的安装图如图3所示，印刷电路板的厚度约为3mm，体积较小，节省空间；
4、与对比文件1中设计的结构相比，本发明的空芯线圈的绕线截面积较小，线圈中的磁场强度更均匀，被测电流产生的磁力线单位长度上穿越的绕线匝数可保持恒定，与理想的空芯线圈的模型更吻合，因此，本发明的空芯线圈绕线可更密集、均匀度更高，如图4所示，提供更强的抗外界磁场干扰能力。
如图4a、图4b所示，由于本发明制作的空芯线圈由上、下两对绕组组成，两对绕组都构成了闭合的曲线，所以沿水平方向的投影几乎为零，包括XZ平面和XY平面，则线圈对水平方向的外界干扰不敏感；如图4c所示，由于两对绕组呈对称分布，且首尾相连，在垂直方向上的投影为两条方向相反的线条，这种互为回线的结构保证了本发明的空芯线圈在YZ平面上的投影基本为零，所以本发明的空芯线圈对垂直方向的外界干扰磁场基本不敏感。
基于上述原因，本发明的空芯线圈结构能够消除任意方向的外界干扰磁场对测量精度的影响，提升了空芯线圈抗干扰的性能。
附图说明
图1为被测导线截面图；
图2为钳形双绕组空芯线圈的平面示意图；
图3为安装在不规则五边形导线上的空芯线圈示意图；
图4a 4b、4c为空芯线圈消除外界磁场干扰示意图。
图5为本发明的结构示意图。
其中图中1-印刷电路板；2-被测导线；3-印刷电路板中心线；4-上导电布线回路；5-下导电布线回路；6-软连接线；7-上绕组；8-下绕组；9-终端连接线；10、11分别为输出信号端子；12-过孔；13-绕组反面回路线；14-绕组正面回路线。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的空芯线圈由若干块首尾相连的印刷电路板组成，这些印刷电路板有相同的厚度和宽度，每一块印刷电路板的长度与导线外形的某个边长相对应，发明的空芯线圈能够在不截断被测导线的情况下实现灵活的“贴身设计和安装”，线圈中的每块印刷电路板上有平行的两组绕组，这两组绕组沿电路板的中心线对称。
按照具体的测量要求，空芯线圈的输出可以接积分器或不接积分器。通过测量线圈的输出电压或积分器的输出电压测量被测电流的大小。
本发明对采用的印刷电路板本身没有特殊要求，只需其布线路径满足设计要求即可。
下面对各部分作进一步详细的说明：
1、线圈骨架的设计：该空芯线圈的线圈骨架由若干块一定长度的印刷电路板1组成，所有印刷电路板的厚度、宽度须相同，印刷电路板的数量和长度由安装现场的被测导线形状及外边缘尺寸决定，每一块印刷电路板的长度与被测导线外形的某个边长相对应。例如，附图3中的导线截面为不规则的五边形，则安装的空芯线圈由对应长度的五块印刷电路板构成。
2、二次绕组的设计：所有PCB上的双面导电布线、每块PCB之间的串联用软导线相连、终端连接焊接线以及信号引出线串联构成所述二次绕组。如图2示，在每块PCB上沿PCB径向正反两面均匀布线，用过孔12来穿越PCB的正反表面，使得绕组正面回路线14和绕组反面回路线13串联组成导电回路。每块PCB上都有两组互相平行且沿各PCB中线3上、下对称分布的上导电布线4和下导电布线5，上、下导电布线均分别由绕组正面回路线14和绕组反面回路线13组成，上、下导电布线均匀分布在每一块PCB上，每块PCB上的上导电布线4、下导电布线5围绕被测导线分别用软连接线6首尾串联成上、下导电回路，分别构成上、下对称的两个绕组，上绕组7和下绕组8的导电回路布线方向相反。上、下绕组的任意一端作为终端用软连接线9焊接，上、下绕组的其余一端作为首端，用做输出信号引出线的两个端点10、11。PCB上的上、下绕组的作用是感应被测导线电流产生磁场变化所引起的电势，而这个电势就正比于被多块PCB串联围绕的被测导线上的电流大小。由于上绕组7和下绕组8的导电回路沿各PCB中线3对称分布，但布线方向相反，故可以完全抵消平行于PCB板的外界磁力线和垂直于PCB板方向的磁力线对空芯线圈产生的干扰，如图4a、图4b和图4c所示，在XZ平面、XY平面和YZ平面上的投影均为零，因此，该发明的空芯线圈可消除任意方向的磁力线的影响。
3、安装方法。先将所有的印刷电路板按照导线外边缘尺寸进行排序，印刷电路板按照图2所示进行焊接，保证首尾的电气连通；然后，按照印刷电路板的反面紧贴导线外表面的方式将印刷电路板电路板贴在载流导线上，如图2所示；最后对印刷电路板进行机械连接和固定，可采用两种连接方式，一种是在导线上预留连接用节点，也可以是螺丝孔，直接将印刷电路板固定在导线上，另一种是在每两块印刷电路板的转接处实现固定和连接。由于被测载流导线是导电的金属，印刷电路板上的绕线和过孔也是导体，为了保证测量的可靠性，在印刷电路板与导线之间需要采取一定的绝缘措施，在低压情况下，中间用绝缘薄膜进行隔离即可，即在线圈的内表面与导线的外表面之间用绝缘薄膜进行隔离。
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：
采用的印刷电路板上的导电回路构成二次绕组，使得二次绕组的绕线均匀分布，线圈密度恒定；
采用PCB制成的骨架满足截面积恒定的条件；
印刷电路板进行机械连接和固定，可采用两种连接方式，一种是在导线上预留连接用节点，也可以是螺丝孔，直接将印刷电路板固定在导线上，另一种是在每两块印刷电路板的转接处实现固定和连接。从而满足了线圈横截面与中心线垂直的条件。
如图4a、图4b所示，由于本发明制作的空芯线圈由上、下两对绕组组成，两对绕组都构成了闭合的曲线，所以沿水平方向的投影几乎为零，包括XZ平面和XY平面，则线圈对水平方向的外界干扰不敏感；如图4c所示，由于两对绕组呈对称分布，且首尾相连，在垂直方向上的投影为两条方向相反的线条，这种互为回线的结构保证了本发明的空芯线圈在YZ平面上的投影基本为零，所以本发明的空芯线圈对垂直方向的外界干扰磁场基本不敏感。
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。本发明的空芯线圈由若干块PCB串联而成，如图2、图3所示，这些印刷电路板有相同的厚度和宽度，每一块印刷电路板的长度与导线外形的某个边长相对应，发明的空芯线圈能够在不截断被测导线的情况下实现灵活的“贴身设计和安装”，线圈中的每块印刷电路板上有平行的两组绕组，这两组绕组沿电路板的中心线对称，被测电流产生的磁力线单位长度上穿越的绕线匝数可保持恒定，与理想的空芯线圈的模型更吻合，因此，本发明的空芯线圈绕线可更密集、均匀度更高，提供更强的抗外界磁场干扰能力，可完全消除垂直穿过印刷电路板的磁场对测量结构的影响。
Claims (2)
1、一种基于印刷电路板PCB的钳形双绕组空芯线圈，其特征在于：由若干块首尾串联的印刷电路板组成，每块印刷电路板根据被测导线的形状来设计其长度，且每块印刷电路板具有相同的厚度和宽度。
2、根据权利要求1所述的空芯线圈，其特征在于：所述的每块PCB上都有两组互相平行且沿各PCB中线(3)上、下对称分布的上导电布线(4)和下导电布线(5)，每块PCB上的上导电布线(4)、下导电布线(5)分别用软连接线(6)首尾串联成上、下导电回路，分别构成上、下对称的两个绕组(7、8)，上绕组(7)和下绕组(8)的导电回路布线方向相反，上、下绕组的任意一端作为终端用软连接线(9)串联连接，上、下绕组的其余一端作为首端，用做输出信号引出线的两个端点(10、11)。
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