CN201188338Y - 一种采用多层镜像布线印刷电路板构造的空芯线圈 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用多层印刷电路板构造的空芯线圈，包括一块连接板和至少一块多层印刷电路板；单块多层印刷电路板由4N层印刷电路板和上、下接线端子组成，每块多层印刷电路板各层均匀布线并连接成一个串联的镜像体；每块多层印刷电路板及连接板的中心开有通孔，多块多层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，连接板将多块多层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。本实用新型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，自动化工艺程度高，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

一种采用多层镜像布线印刷电路板构造的空芯线圈

技术领域

本实用新型涉及一种测量磁场或电流的传感器，具体说，是一种利用多层镜像布线印刷电路板(Print Circuit Board，简称PCB)制造的空芯线圈传感器。

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φ(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；此外，考虑到空芯线圈的使用环境，空芯线圈在绕制时加绕一回绕线，即在线圈的出线端沿绕线走向的反方向绕一回绕线。即回绕线线圈所在的平面与绕组线圈截面所在的平面垂直，如图3所示。回绕线的绕制使得垂直线圈平面的磁场在线圈绕组上与回线上感应电势相抵消，可以有效的抵抗外界干扰电磁场垂直分量的影响，有效的提高了空芯线圈的抗干扰性能。综上所述要获得高精度，高抗干扰能力的空芯线圈需要满足以上四个原则，否则将会有较大的测量误差和较差的抗干扰性能。

采用传统线圈绕制方法制作的空芯线圈，理论上可以满足上述四个原则。理论上设计精度最高可达到0.1％，但实际应用时难以满足上述原则，实际应用时通常为1-3％(见Kojovic Ljubomir.Rogows kicoils suitrelay protection and measurement[of power systems].IEEEComputer Applications in power，1997，10(3)：47-52)，并且抗外界磁场干扰能力不强。这是空芯线圈至今没有产业化的重要原因之一。

在发明专利ZL 20041 0012886.8中提供了一种采用双面两层印刷电路板技术制造空芯线圈的方法，该方法能够在很大程度上满足高精度，高抗干扰空芯线圈制作时遵循的四个原则，其主要技术特征是采用两块互为镜像的双层印刷电路板，构造了一种镜像体结构，这种双层印刷电路板镜像体结构的空芯线圈在很大程度上，实现了制造工艺的自动化，比手工绕制的空芯线圈的整体性能好，有更高的抗外界磁场干扰的能力。但该方法仍然存在技术缺陷：该方法由至少两块互为镜像的双层印刷电路板通过手工机械装配组成一对印刷电路板而构成镜像体，该镜像体其中一块印刷电路板的上表面的布线方式与另一块印刷电路板的下表面的布线方式相同，即投影重合；而其下表面的布线方式与另一块印刷电路板的上表面的布线方式相同，即投影也重合。这种结构可以使垂直于线圈平面方向的磁场在线圈上产生的干扰相互抵消，消除外界磁场垂直于线圈平面的干扰，如图4所示。这种结构的线圈比手工绕制空芯线圈的回线有更好的抗外界磁场干扰的效果。但是，也可以看出，为了保证空芯线圈更好的抗干扰的效果，两块电路板组成的镜像体的镜像程度是保证空芯线圈该性能的重要技术手段，而这种双面两层印刷电路板在装配时，由于是依靠手工操作，虽然比起绕线工艺，该发明已有很大改善，但手工操作仍然很难做到完全的镜像，使得实际抗干扰技术效果不理想；此外，由于印刷电路板上的导电布线没有绝缘层，空间不能重复利用，否则将使得绕组短路，故制作的空芯线圈匝数较少，输出较小。如果需要较大的输出，则必须将多对印刷电路板的输出信号串联，此时，装配的复杂程度增加，使得手工装配的每对印刷电路板的镜像程度大打折扣，直接影响到测量的抗干扰效果。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述发明中采用双层印刷电路板技术的两块互为镜像的双面两层印刷电路板，通过手工机械装配组成一对印刷电路板，构成镜像体的不足之处，提供了一种采用多层镜像布线印刷电路板构造的空芯线圈，这种多层印刷电路板结构的空芯线圈通过多层板完善的设计、制造工艺的高度自动化，保证一块电路板上用多层自动化布线实现层间电路布线的镜像，而不是用两块电路板及手工装配工艺实现镜像，本实用新型构造的镜像体采用完全的自动化工艺制作，可在一块电路板上达到完全镜像的技术效果，比原发明的抗干扰能力更强，输出信号更大，更易于批量生产，具有更高的复现性和更高的准确度。

本实用新型的技术方案为：

一种采用多层镜像布线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块多层印刷电路板；

每块多层印刷电路板由4N层印刷电路板和上、下接线端子组成，N为不含零的自然数，各层均匀布线并连接成一个串联回路，从顶层或底层开始的每两层各自均匀布线成为一个整体共2N个，每个整体之间通过埋孔连接成一个串连回路，通过另一埋孔把所有整体连接成一个串连回路：2N个整体中奇数个整体相同，偶数个整体相同，第奇数个整体的上层和第偶数个整体的下层相同，第奇数个整体的下层和第偶数个整体的上层相同，二者成镜像体；或者2N个整体的前N个整体相同，后N个整体相同，前N个整体的上层与后N个整体的下层相同，前N个整体的下层与后N个整体的上层相同，前N个整体与后N个整体串连成镜像体；

每块多层印刷电路板及连接板的中心开有通孔，各块多层印刷电路板叠放于连接板上或下，每块多层印刷电路板的接线端子与连接板上的接线端子相连，连接板将多块印刷电路板的导电回路输出信号通过均匀对称分布在连接板上的接线端子串连起来。

本实用新型采用多层镜像布线印刷电路板构成空芯线圈，可以非常容易的从制造原理上满足空芯线圈互感系数M为常数的四个条件，准确度高，加工非常简单，适合批量加工生产的要求；同时每一块电路板均为一个完整的镜像体，多块电路板的信号串联所需要的手工装配只是为了提高空芯线圈的输出，完全不影响镜像体的镜像程度，因此相比双层印刷电路板构成的空芯线圈，抗干扰能力更强，自动化工艺程度更高，装配工艺更加简单，更加适合批量加工生产，更好的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为带回线的空芯线圈结构示意图；

图4为镜像印刷电路板抗干扰结构示意图；

图5为单块多层印刷电路板构造示意图；

图6为单块多层印刷电路板另一构造示意图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步的描述。

1.每块多层印刷电路板的设计。每块多层印刷电路板由2N个整体和上、下接线端子组成，N为不含零的自然数，第奇数个整体完全相同共N个，第偶数个整体完全相同共N个或者前N个整体完全相同后N个整体完全相同。如图5所示，第奇数个整体1(共N个)与第偶数个整体2(共N个)通过整体1上的埋孔3和整体2上的埋孔4互连成串连回路，整体1的上层和整体2的下层完全相同，整体1的下层和整体2的上层完全相同，整体(1，2)互为镜像共N对镜像体。或如图6所示，从顶层起的前N个完全相同的整体10通过整体10上的埋孔12互连成串连回路，后N个完全相同的整体11通过整体11上的埋空13互连成串连回路，前N个整体10的上层与后N个整体11的下层完全相同，前N个整体10的下层与后N个整体11的上层完全相同，前N个整体10与后N个整体11串连成镜像体。在每个整体的上下两层上沿圆周方向均匀布线，用埋孔16来穿透整体，把每个整体上的所有布线连成一个串联回路。由上述两种方式构成的多层印刷电路板镜像体空芯线圈可以完全消除垂直于空芯线圈平面的磁力线的干扰。每块多层印刷电路板镜像体空芯线圈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。这种多层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多层印刷电路板上的布线密度也就是二次绕组匝数密度及多层印刷电路板的数量。

2.连接板的设计。在连接板上，每块多层印刷电路板均有与其相连的一对接线端子。连接板的作用是将多块多层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，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。为了将感应电势叠加起来，多层印刷电路板的上接线端子14和下接线端子15分别和连接板上的接线端子以导电杆焊接或螺母相连接。再通过连接板上的布线将多块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块印刷电路板的输出在连接板上均匀对称分布排列，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。

3.安装工艺。每块多层印刷电路板和连接板分开设计，安装时将其连接起来。每块多层印刷电路板预留一对接线端子(14、15)或者插孔，在连接板上，也有与每块多层印刷电路板相对应的一对接线端子，用来实现和连接板的对接，每块多层印刷电路板的边缘上需留出相应的空隙以便邻近的多层印刷电路板的连接导电杆能够顺利穿过并和连接板相接。每块多层印刷电路板上都要有阻焊层或采用绝缘措施，以实现板与板之间的绝缘。多层印刷电路板上的接线端子(14，15)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为常数的四个条件：

采用的每块多层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；

多块多层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，总的感应电势为单块多层印刷电路板感应电势与印刷电路板总数的乘积。

本实用新型的基于多层镜像布线印刷电路板技术的空芯线圈包括单块或若干块多层印刷电路板如图5、图6所示。多层印刷电路板上的接线端子14和下接线端子15分别和连接板上的接线端子以导电杆焊接或螺母相连接。多层印刷电路板及连接板中心均开有中心孔，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。连接板上布置了连接线，将多块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。

同时本实用新型的每一块电路板均为一个完整的镜像体，多块电路板的信号串联所需要的手工装配只是为了提高空芯线圈的输出，完全不影响镜像体的镜像程度，因此相比双层印刷电路板构成的空芯线圈，抗干扰能力更强。

Claims (1)

1、一种采用多层镜像布线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块多层印刷电路板；

每块多层印刷电路板由4N层印刷电路板和上、下接线端子组成，N为不含零的自然数，各层均匀布线并连接成一个串联回路，从顶层或底层开始的每两层各自均匀布线成为一个整体共2N个，每个整体之间通过埋孔连接成一个串连回路，通过另一埋孔把所有整体连接成一个串连回路：2N个整体中奇数个整体相同，偶数个整体相同，第奇数个整体的上层和第偶数个整体的下层相同，第奇数个整体的下层和第偶数个整体的上层相同，二者成镜像体；或者2N个整体的前N个整体相同，后N个整体相同，前N个整体的上层与后N个整体的下层相同，前N个整体的下层与后N个整体的上层相同，前N个整体与后N个整体串连成镜像体；

每块多层印刷电路板及连接板的中心开有通孔，各块多层印刷电路板叠放于连接板上或下，每块多层印刷电路板的接线端子与连接板上的接线端子相连，连接板将多块印刷电路板的导电回路输出信号通过均匀对称分布在连接板上的接线端子串连起来。

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