KR102216370B1 - 차폐 코일을 갖는 고대역폭 로고프스키 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

전류 측정 소자가 개시된다. 이는 제1단부와 제2단부를 가지는 전도체 코일, 코일의 제2단부로부터 근접한 코일의 제1단부까지 전류 경로를 제공하도록 배치되고, 코일을 둘러싸는 제1스크린, 코일과 제1스크린을 둘러싸는 제2스크린을 포함한다.

Description

차폐 코일을 갖는 고대역폭 로고프스키 트랜스듀서{High Bandwidth Rogowski Transducer with Screened Coil}

본 개시는 로고프스키(Rogowski) 코일을 이용한 전류 측정 소자에 관한 것이다. 특히, 코일에 인접한 도체에 인가되는 고주파 전압이나 과도 전압에 의해 전류 측정이 간섭받는 것을 방지하기 위해 정전스크린(electrostatic screens)이나 차폐재(shield)을 코일 주위에 하나 이상 설치하는 것에 관한 것이다.

본 개시에서 스크린과 차폐재는 동일 의미로 이해되어야 한다. 또한 트랜스듀서(transducer)는 측정 장치를 의미한다.

전력전자 장치에서 전류 측정에 로고프스키 트랜스듀서(Rogowski Transducer)를 사용하기 위해, 로고프스키 코일은 좁은 공간에 삽입이 가능하고, 매우 빠른 전류 변화를 측정하기 위해 높은 주파수대역을 가져야 하므로 얇은 것 (즉, 단면 직경이 작음)이 바람직하다. 이로 인해 코일 설계는 제약을 받으며, 본 발명은 높은 전류 측정 주파수 대역을 제공하는 동시에 요구되는 차폐 성능을 달성하는 로고프스키 코일 설계를 제공함을 목적으로 한다.

로고프스키 트랜스듀서의 작동 원리는 잘 알려져 있다. 상세한 설계 및 작동 방식은 다음 참고 문헌에 있다. “Wide bandwidth Rogowski current transducers- Part 1: The Rogowski coil” European Power Electronics Journal Vol 3, No 1, March 1993, pp 51-59 by W F Ray & RM Davis 및 “Wide bandwidth Rogowski current transducers- Part 2: The Integrator”European Power Electronics Journal, Vol 3, No 2, pp 116-122, by W F Ray.

일반적으로, 로고프스키 트랜스튜서는 로고프스키 코일과 적분기를 포함한다. 로고프스키 코일은 여기서 포머(former)로 지칭되는 구조물에 길이당 권선밀도 N(turns/m)이 실질적으로 매우 균일하게 감겨있는 코일이다. 포머는 통상 플라스틱과 같은 비자성 재질로, 단면적 A(m²)를 가지는 구성이며, 코일은 실질적으로 폐쇄 경로(closed loop)를 형성하도록 배열된다. 코일은 복수의 권선수를 갖는다. 전기도체에 흐르는 전류 I(Amps)를 측정하기 위해, 코일에 전압 E(V)가 유도될 수 있도록 로고프스키 코일은 도체를 감싸도록 설치된다. 코일에 유도된 전압은 측정되는 전류의 변화 속도 dI/dt에 비례하며 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서 H=μ.NA는 코일 감도(Vs/Amp)이며, μ는 포머 소재의 투자율(magnetic permeability)이다 (보통 4

.10^-9 Henry/m).

보통, 코일의 한쪽 단부는 감은 코일의 내부로 중심축을 따라서 지나는 와이어(wire)에 의해 코일의 다른 단부로 보내진다. 이 와이어의 단부와 코일의 다른 단부가 코일의 두 단자가 되어, 수학식 2로 표시되는 전압 V_out을 출력으로 내는 적분기에 연결된다.

여기서 T_I는 적분기 시상수이며, E₁은 코일 단자 전압이다.

단자 전압 E₁은 통상 실질적으로 코일에 유도된 전압E와 같다. 따라서 트랜스듀서의 출력 전압 V_out은 수학식 3의 관계에 의해 측정하는 전류와 직접적으로 비례한다.

코일 권선은 진행 경로(forward path)와 코일 중앙에 위치하는 와이어에 의한 코일의 리턴 경로(return path)로 구성된다. 코일의 리턴 경로는 코일 평면 내의 어떠한 자기 루프(magnetic loop)도 제거하기 위해 진행 경로의 기하 평균을 따른다. 만일 그렇지 않다면, 원하는 전류 측정은 코일 루프 외부의 도체에 흐르는 전류의 영향을 받는다.

리턴 경로 보정은 로고프스키 코일을 이용해 정확한 측정을 구현하는 데 있어 핵심적인 조건이며, 다음 논문에 기술되어 있다. "Machinable Rogowski Coil, Design and Calibration" IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement, Vol 45 No 2 April 1996 pp 511 - 515, by J D Rambos. 동일한 목적을 달성하기 위한 다른 실시예로, 한 권선이 다른 권선의 내부에 있어, 각각 진행 경로와 리턴 경로를 구성하는 방법도 있다.

또 다른 측정 오차의 요인은 로고프스키 코일과 인접한 외부 도체 상의 전압이다. 전압의 변화속도가 상당히 빠르다면, 코일과 외부 도체 사이의 정전용량 결합에 의해 코일에 변위 전류(displacement currents)가 유입된 후 더해져서 측정 전압 V_out 값의 오차를 야기한다. 이러한 오차를 줄이거나 없애려면, 다음 논문에서 기술하는 바와 같이 보통 코일 주변에 스크린을 설치한다. "The effect of electrostatic screening of Rogowski coils for wide-bandwidth current measurement in power electronic applications", IEEE Power Electronic Specialists Conference Aachen, Germany, June 2004 pp 1143-48, by C R Hewson and W F Ray.

스크린은 코일을 둘러싸는 통전 권선(shorted turn)이 되지 않아야 하는데, 고주파인 경우에 측정 대상인 전류에 의해 전압 및 전류가 스크린에 유도되어 고주파 대역의 측정 성능을 크게 떨어뜨린다. 바람직하게는 스크린에 일정 형태의 갭(gap)이나 절연이 있어야 한다. 더욱이, 스크린은 상대적으로 낮은 임피던스를 유지해야 하며, 그렇지 않으면 스크린에 전압이 발생하여 코일과 정전용량 결합을 한다.

스크린으로 코일을 감싸는 방법은 코일의 캐패시턴스를 증가시키므로 불리하다. 특히 코일을 컴팩트한 전기 장치에 사용하기 위해 전체적인 코일 단면적 직경이 제한적인 경우에 더욱 그렇다. 스크린을 사용하는 경우 (스크린을 사용하지 않는 코일과 비교하여) 코일부 직경을 줄여야 하고, 이로 인해 코일과 스크린 사이의 정전용량에 더하여 리턴 도체와 코일 사이의 정전용량이 증가한다.

정전용량이 증가하면 코일의 주파수 대역은 감소한다. 코일 권선 밀도를 낮추면 코일의 인덕턴스가 작아지므로 보상은 가능하다. 그러나 코일의 감도 H가 줄어 전체적인 로고프스키 트랜스듀서의 노이즈 대비 신호 성능을 떨어뜨린다.

대안으로 제시된 구성으로, 코일 내부를 관통하는 리턴 도체를 제거하고 스크린이 리턴 도체 역할을 하도록 하는 방법이 다음 논문에 제시된 바 있다. "On the high-frequency response of a Rogowski coil" Journal of Nuclear Energy Part C, 1963, Vol.5, pp 285 to 289, by J Cooper. 이 방법에 따르면, 특히 코일의 단면 직경이 작은 경우 코일의 제작이 용이하다는 장점이 있다.

스크린을 리턴 도체로 사용하는 경우, 몇 가지 단점이 있다. 첫 번째는, 스크린을 코일과 적분기에 연결하는 방식에 관한 것이다. 스크린이 신호 전류를 흘리게 되므로, 적분기의 입력단에 연결어야 하는데, 이 입력단은 보통 외부의 높은 과도 전압과의 정전용량 결합 때문에 생기는 변위 전류를 흘려보내기 위해 접지에 연결되어 있다. 그러나, 실제 적분기의 접지는 어느 정도의 임피던스를 가지고 있기 때문에 외부 과도 전압에 의해 간섭이 발생한다.

또 다른 단점은 낮은 임피던스를 가지는 이상적인 스크린의 제작이 힘들다는 점이다. 예컨대, 스크린이 나선으로 권선된 동박 스트립인 경우, 통전 권선을 방지하기 위해 권선 간에 갭이 있어야 한다. 이 갭으로 인해 간섭 전류가 코일로 유입된다. 더욱이, 나선형 권선 방식이므로 스크린이 인덕턴스를 가지게 되고, 이로 인해 높은 주파수 대역에서 문제가 발생한다.

본 발명자는 스크린을 리턴 도체 및 교란 전류를 접지로 보내는 경로의 두 가지 역할로 사용함에 따른 단점에 주목한다.

발명의 내용은 독립항에 기재되었다. 부가적인 특징은 종속항에 기재되었다.

본 발명자는 위의 단점을 두 분리된 스크린을 사용함으로써 해결할 수 있음을 확인하였다: 외부 스크린은 교란 전류를 접지면으로 바이패스(by-passing)하고, 내부 스크린은 코일의 리턴 도체로 작용하도록 하였다. 이러한 구성은 코일의 제작비가 높아지고 복잡해지지만, 여러 가지 장점이 있다. 이중 스크린 방식은 외부 간섭을 줄이기도 하지만, 무엇보다 적분기의 입력에 두 스크린이 연결될 필요가 없다는 점이다.

두 개의 스크린을 사용함으로써 일견 코일과의 정전용량이 크게 증가할 것처럼 보이지만, 실제는 그렇지 않다는 것을 발견했다. 두 스크린 사이의 정전용량은 로고프스키 트랜스듀서의 동작에 영향을 주지 않는다. (전체 직경이 고정되어 있다고 가정하면) 하나의 스크린을 사용하는 경우에 비해 내부 스크린의 직경은 더 작아지지만, 그 차이는 상대적으로 작으며, 어떤 경우라도 낮은 인덕턴스를 가지는 작은 직경의 코일을 사용함으로써 높은 주파수 대역이 유지되도록 보상이 가능하다.

한 측면에서는, 다음과 같이 구성되는 전류 측정 장치가 제공된다: 제1단부와 제2단부를 가지는 전기 전도체 코일; 제1스크린; 및 제2스크린.

일 실시예에서, 코일은 루프를 형성하며 제1단부는 제2단부와 인접하여 위치한다. 일 실시예에서, 루프는 개방되어 있거나 제1단부와 제2단부 사이에 갭을 형성하도록 개방될 수 있다. 일 실시예에서, 도체 코일은 로고프스키 코일을 포함한다. 일 실시예에서, 로고프스키 코일은 다음 중 어느 하나를 포함한다: 클립-어라운드형(clip-around) 코일, 폐루프 코일, 인쇄회로 로고프스키 코일, 및 비전도성 포머에 감겨있는 코일.

일 실시예에서, 제1스크린은 코일의 제2단부로부터 코일의 제1단부 인접 위치까지 전류 경로를 제공하도록 배치된다. 일 실시예에서, 제1스크린의 제1단부가 코일의 제1단부와 인접하고, 제1스크린의 제2단부는 코일의 제2단부와 인접하도록 배치된다. 일 실시예에서, 제1스크린의 제2단부는 코일의 제2단부와 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서, 제1스크린의 제2단부와 코일의 제2단부가 연결되는 것과 별도로, 제1스크린은 코일과 전기적으로 절연된다. 일 실시예에서, 제1스크린의 제1단부는 접지와 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서, 제1스크린은 나선형 스트립을 포함한다.

일 실시예에서, 제2스크린의 제1단부는 코일의 제1단부와 인접하며, 제2스크린의 제2단부는 코일의 제2단부와 인접한다. 일 실시예에서, 제2스크린은 접지와 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서, 제2스크린은 제1스크린 및 코일에 대해 전기적으로 절연된다. 일 실시예에서, 제2스크린은 브레이드(braid)를 포함한다.

일 실시예에서, 제1스크린 및/또는 제2스크린은 전기 전도성이다. 일 실시예에서, 제1스크린 및/또는 제2스크린은 정전(electrostatic) 스크린이다. 일 실시예에서, 제1스크린 및/또는 제2스크린은 차폐재(shield)이다. 일 실시예에서, 제1스크린 및/또는 제2스크린은 코일과 외부 전도체 사이의 정전용량 결합을 줄이도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 제1스크린은 코일을 둘러싼다. 일 실시예에서, 제2스크린은 제1스크린과 코일을 둘러싼다. 일 실시예에서, 내부 차폐재는 코일과 제1스크린 사이에 위치한다. 일 실시예에서, 중간 차폐재가 제1스크린과 제2스크린 사이에 위치한다. 일 실시예에서, 외부 차폐재는 제2스크린을 둘러싼다.

일 실시예에서, 전류 측정 장치는 포머를 포함하고, 이 둘레에 코일이 위치한다. 일 실시예에서, 포머는 코일의 제1단부에서 제2단부까지 연장된다. 일 실시예에서, 포머의 제1단부는 코일의 제1단부와 인접하고, 포머의 제2단부는 코일의 제2단부에 인접한다. 일 실시예에서, 포머는 실질적으로 비자성체이다. 일 실시예에서는, 포머는 실질적으로 비전도체이다. 일 실시예에서, 포머는 길이 방향으로 일정한 단면을 가진다. 일 실시예에서, 포머는 원형 단면을 가지는 포머 외곽 표면을 포함한다. 일 실시예에서, 포머는 길이 방향을 따라 중심축이 정의되어 있다. 일 실시예에서, 중심축 및/또는 고리모양 단면에 대해 제1스크린, 제2스크린, 내부 차폐제, 중간 차폐재, 외부 차폐재 및 다른 차폐재 중 일부 혹은 전체가 동축을 이루고/거나 고리모양(annular)의 단면을 갖는다. 일 실시예에서, 포머(중심 축을 포함하여)는 루프를 구성한다. 일 실시예에서, 루프는 측정하려는 전류가 흐르는 전기 도체가 루프를 관통하여 지나가도록 개폐가 가능하다.

일 실시예에서, 전류 측정 장치는 전기 적분기를 포함한다. 일 실시예에서, 적분기는 OP-AMP 적분기이다. 일 실시예에서, 적분기의 제1입력단은 도체 코일의 제1단부에 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서, 적분기의 제2입력단은 제1스크린에 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서, 적분기의 제2입력단에 가장 근접하여 연결된 제1스크린의 부분이 코일의 제1단부와 인접하여 위치한다. 일 실시예에서, 제1스크린의 이 부분이 제1스크린의 제1단부이다. 일 실시예에서, 적분기의 제2입력단이 제1스크린의 제1단부에 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서, 적분기의 제2입력단이 접지에 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서, 상기 적분기는 적분기의 제1입력단과 제2입력단의 전압차이의 시간에 대한 적분에 실질적으로 비례하는 전압이 출력되도록 구성된다.

한 측면에서는, 위에서 기술한 특징 및/또는 실시예 중 어느 하나의 전류 측정 장치를 이용하여 전기 도체를 흐르는 전류를 측정하는 방법이 제공된다.

한 측면에서는, 여기서 실질적으로 기술된 혹은 첨부된 도면에 제시된 소자, 시스템, 장치 혹은 방법이 제공된다.

구체적인 사례와 실시예를 다음의 도면을 참조하면서 기술한다.
도 1은 로고프스키 코일과 전기 적분기가 포함된 로고프스키 트랜스듀서의 개략도,
도 2는 도 1과 같은 로고프스키 코일과 전기 적분기가 포함된 로고프스키 트랜스듀서의 개략도로써 코일에 근접하고 정전용량 결합하며 교류 전압이 흐르는 금속판을 추가로 보여주는 도면,
도 3은 도체 스크린에 둘러싸이고 중심에 리턴 도체를 포함하는 로고프스키 코일의 도면,
도 4는 스크린으로 둘러싼 로고프스키 코일의 등가 회로와 적분기에의 연결을 나타내는 도면,
도 5는 다른 방식의 스크린으로 둘러싼 로고프스키 코일의 등가 회로와 적분기에의 연결을 나타내는 도면,
도 6은 스네일 스크린의 도면,
도 7은 나선형 스크린의 도면,
도 8은 브레이드(braid) 스크린의 도면,
도 9는 중심에 리턴(return) 도체가 없고, 두 전도성 스크린으로 둘러싼 로고프스키 코일의 도면,
도 10은 도 9의 로고프스키 코일의 다른 도식으로 나선형 내부 스크린과 브레이드 외부 스크린을 포함하는 도면,
도 11은 도 9의 로고프스키 코일의 등가 회로와 적분기와의 연결을 보여주는 도면,
도 12는 다층 인쇄회로기판 내에 구현된 로고프스키 코일과 리턴 도체를 보여주는 도면,
도 13은 도 12와 같은 로고프스키 코일의 평면도와 연계된 정전스크린을 보여주는 도면, 또한,
도 14는 도 13에 도시한 로고프스키 코일과 스크린의 단면도로써 인쇄회로기판의 층을 보여주는 도면이다.

도 1은 로고프스키 코일과 전기 적분기를 포함하는 로고프스키 트랜스듀서의 개략도이다. 코일(11)은 플라스틱 포머에 감겨진다. 포머는 원형 단면을 가진 링 토러스(ring torus) 모양인 토로이달(toroidal) 구조이다. 토로이달 루프 형상의 포머는 개구부 1개소를 가지며, 열린 루프 및 닫힌 루프가 가능하도록 설정된다. 코일(11)이 이 포머 상에 권선되면 이를 클립-어라운드(clip-around) 코일이라고 부른다. 루프가 이를 관통하는 도체를 감싸도록 포머의 루프는 개방될 수 있고, 동작을 위해 루프 내부에 도체를 가진 상태에서 루프가 실질적으로 닫힌 상태가 될 수 있다. 권선된 코일은 고정 단부(13)와 자유 단부(14)를 갖는다. 고정 단부(13)와 자유 단부(14)는 포머의 개구부 양단에 각각 위치하며, 코일은 개구부 한편에서 다른편까지 연장되어, 개구부 사이에 갭을 형성한다. 고정 단부(13)는 적분기(12)에 연결된다. 자유 단부(14)는 고정 단부(13) 쪽으로 포머의 중심축을 관통하는 구멍(원형 단면의 중심에 있는)을 통해 와이어(15)로 연결되어 기술된 바와 같은 리턴 경로 보상이 이루어진다.

로고프스키 트랜스듀서의 동작(behaviour)은 수학식 1~3에 의해 표현된다. 도1의 전류 파형은 구형파(square wave)이다. 통상의 기술자라면 이는 로고프스키 코일의 기본 동작을 설명하기 위한 편의에 불과할 뿐, 실제 신호파형은 불연속적인 펄스를 포함하여 어떠한 형태도 될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 2는 로고프스키 트랜스듀서의 외부 교란 신호에 대한 취약성을 나타낸다. 도 2는 도 1과 같은 로고프스키 코일이 접지에 대해 높은 주파수의 교류 전압 V_x가 인가되어 있는 금속판 근처에서 전류 I가 흐르고 있는 도체를 둘러싸고 있는 경우를 도시한 것이다. 로고프스키 코일은 적절한 댐핑 저항 R_d에 의해 종단되며, 접지된 적분기에 연결되어 출력 전압 V_out을 출력한다. 보통 코일 권선의 단부(21)는 적분기의 접지에 연결되며 리턴 도체(22)의 단부는 적분기의 입력에 연결되며, 반대의 연결도 구성 가능하다. 금속판과 코일 사이의 정전결합용량 C_x에 의해 교란 전류 I_x가 코일에 흐르게 되고 이는 적분기의 접지측 혹은 입력측으로 흐르게 된다.

균일하게 분포된 정전결합용량 값 C_x에 정현파 전압 V_x인 조건에서, 촘촘하게 권선된 단일층 코일에 대해 등가 오차 전류 I_e(측정하려는 전류 I에 중첩되어 나타나는)는 수학식 4와 같다.

여기서 f는 주파수, N_t는 전체 코일 권선수이다. 주파수와 전압이 높으면, 오차 전류는 측정하려는 상대적으로 작은 전류값보다 매우 커질 수 있다. 예컨대, f=3MHz, C_x=10pF, N_t=1000, V_x=300V인 경우, 등가 오차 전류는 I_e=28A이다.

전압변화율 dV/dt가 높은 비연속적인 과도 전압의 경우, 측정된 전류 파형에서도 순간적인 외란으로 오차 전류가 나타난다.

도 2는 전형적인 적분기를 도시한다. 통상의 기술자라면 아날로그나 디지털 혹은 반전(inverting) 혹은 비반전(non-inverting) 적분기 등 적합한 적분기 회로를 적용할 수 있다. 도 2는 아날로그 반전 적분기이며, 이는 적분기의 저주파 이득을 제한하기 위한 추가 부품을 포함할 수 있다. (예를 들어 적분기의 캐패시터에 병렬로 연결된 저항 등). 명료한 표현을 위해 이들 부품은 도시하지 않았다. 통상의 기술자라면 잘 알고 있듯이, 종단 저항 R_d는 실질적으로 코일의 특성 임피던스와 같아야 한다.

앞서서 기술한 바와 같이, 외부 교란 전압의 영향은 코일에 스크린을 설치함으로써 줄일 수 있다. 도 3은 스크린을 나타낸다. 바람직하게는, 스크린은 코일을 완전히 감싸며 어떤 외부 정전용량결합도 스크린까지만 영향을 주고 코일에는 영향을 주지 않는다. 로고프스키 코일은 편의상 성기게 권선된 형태로 도시되었으나 (즉, 권선 피치 p가 선의 직경 d_wire보다 크다), 선이 서로 닿도록 촘촘히 권선될 수도 있다.

도 4는 로고프스키 코일과 스크린을 적분기에 연결하는 전형적인 방식을 도시한 것이다. 바람직하게는, 스크린은 접지와 코일 고정 단부에 연결되어 간섭 전류 I_x는 스크린을 통해 접지로 흐르고, 적분기는 영향을 받지 않는다. 측정하고자 하는 전류에 의해 코일에 유도된 전압은 도 1과 같이 코일 단부와 내부 리턴 도체 사이의 코일의 고정 단부에 나타난다.

그러나 실제 적분기의 입력과 출력 사이에는 접지면 저항 R_g가 존재한다. 그래서 코일 신호와 교란 전류 I_x 사이에 약간의 공통 모드 경로(common mode path)가 존재하게 되어, 스크린에 의해 줄어들기는 하지만, 간섭(interference)이 출력에 나타나게 된다.

도 5는 로고프스키 코일과 적분기의 개선된 연결 방식이다. 이 경우, 스크린은 적분기의 출력단 접지에 연결되어 R_g에 의한 영향을 피할 수 있다.

앞에 언급된 바와 같이, 스크린 설치에 따른 단점은 코일에 분포하는 정전용량이 커진다는 점이다. 도 3을 참고하면, 선경 d_wire와 스크린 직경 d_s가 고정이라고 가정한다. 스크린 미사용의 경우, 로고프스키 코일의 두께를 증가시키지 않고도 코일 권선 직경은 d_s로 구현할 수 있다. 코일과 내부 리턴 도체 사이의 정전용량 C_c는 d_s/d_wire의 비에 의해 결정되며, 비가 클수록 정전용량 값은 작다.

스크린을 사용하는 경우, 코일 권선 직경 d_c를 줄여야 하며 C_c 값은 커지게 된다. 더욱이, 추가적인 정전용량 C_s가 코일과 스크린 사이에 존재하고, 이 값은 d_s/d_c의 비에 영향을 받으며, C_s는 통상 실질적으로 C_c보다 크다.

코일의 주파수 대역 f_B은 근사적으로 수학식 5와 같이 주어진다.

따라서, 스크린을 추가하면서도 주파수 대역을 동일하게 유지하려면 코일 인덕턴스 L을 줄일 필요가 있다. 이는 코일의 감도 H를 줄이고 결과적으로 트랜스듀서의 신호대 잡음비를 낮추는 단점이 있다.

내부 도체를 스크린으로 대체하여 리턴 도체로 사용함으로써 정전용량을 줄일 수 있다. 도 5와 같이 상기 스크린은 적분기의 출력단 접지에 연결하지 않고 적분기의 입력단에 연결한다.

실제로, 이상적인 스크린은 구현될 수 없다. 코일의 동작성을 손상시키기 때문에, 스크린은 코일을 감싸면서 통전 권선이 되면 안 된다. 이어서, 3가지 실용적인 스크린 구현 방법에 대해 기술한다.

(1) 스네일 스크린(snail screen). 스네일 스크린은 도 6과 같이 코일을 전체적으로 감싸며 일부가 중첩되는 구조이며, 중첩부는 절연된다. 이 방법으로는 통전 권선은 방지되지만 스크린의 꺽임없이 루프를 구부리기 쉽지 않다.

(2) 나선형 스크린(helical screen). 나선형 스크린은 도 7과 같이 코일 주위를 나선으로 감싸는 동박 스트립을 포함한다. 코일을 구부리는 문제는 해결되지만 두 가지 단점이 있다. 첫째, 스크린은 감긴 스트립 사이에 갭이 있고, 그 양이 감소하긴 하지만, 내부의 코일과의 사이에 정전용량 결합이 있다는 것을 의미한다. 둘째, 나선 형태이기 때문에 스크린은 일정 수준의 인덕턴스를 가지게 되며, 이 때문에 높은 주파수 성분에 대해 접지로 저 임피던스 경로를 제공하지 못한다.

(3) 브레이드 스크린(braid screen). 도 8은 브레이드 스크린을 도시한다. 브레이드는 통신 케이블 등 동축선에서 차폐 목적으로 널리 사용된다. 하지만, 이렇게 사용되는 브레이드는 절연이 안되어 있고 로고프스키 코일 주변으로 통전 권선이 되기 때문에 로고프스키 코일의 차폐 목적에는 적합하지 않다. 로고프스키 코일에 사용하기 위해서는 브레이드의 개별 가닥이 서로 절연되도록 하여 스크린 한쪽 끝에서 서로 연결되거나 양쪽 끝에서만 연결하여 사용해야 된다.

다른 예로 납작한 브레이드(절연될 필요 없음)를 동박 스트립 대신 이용하여 나선 권선을 하여 사용하는 방법이 있다.

위에 기술된 단점을 극복하기 위해, 일 실시예에서 두 개의 스크린을 사용한다. 내부 스크린은 로고프스키 코일의 리턴 경로를 제공하기 위해서 사용하고, 외부 스크린은 외부 도체와 코일 사이에 정전결합용량을 제거 혹은 감소시키기 위해 사용한다.

본 실시예의 로고프스키 코일부 단면도가 도 9에 도시된다. 위의 실시예들과 유사하지만 세부 사항은 명백히 다르다. 이 실시예들도 도 4와 유사한 등가 회로를 구성하지만, 본 실시예는 추가 스크린이 있는 반면, 중앙에 리턴 와이어가 없다.

포머는 위에 기술된 것처럼 토러스 형태이다. 이들 실시예에서 단면은 꽉 찬 구조이다. 위에 기술된 바와 같이, 단면 중앙을 관통하는 리턴 경로가 없다. 포머의 단면은 원형이다. 다양한 층이 포머를 감싸며 각 층은 포머의 단면을 감싸며 동축상에 있다. 각 층은 포머의 형상과 마찬가지로 자체로 튜브 형태이며 외곽은 토러스 형태를 가진다.

포머에 가까운 층부터 단면 바깥 방향으로 순서대로 코일 권선, 내부 절연재, 내부 스크린, 중간 절연재, 외부 스크린, 외부 절연재를 포함한다. 코일 권선과, 내부 스크린, 외부 스크린은 절연된다. 각 층은 안쪽 층을 감싸고, 외부 층에 감싸여 있다. 인접한 층은 서로 접촉한다. 모든 층은 전체 포머의 형상을 따라 균일한 단면형상을 가지도록 형성된다.

포머는 비자성체로, 본 실시예들에서는 PTFE이다. 포머는 루프 형태로 구부릴 수 있다.

코일 권선은 도 9처럼 성기게 권선되어 있으며 이는 상대적으로 작은 인덕턴스를 제공하기 위함이다. 코일 권선은 실질적으로 일정한 권선 밀도(turns density)를 가지고 있다.

코일과 내부 스크린(즉, 내부 절연체) 사이의 유전체(dielectric)는 낮은 유전율(permitivity)을 가지도록 하여 코일과 내부 스크린 사이의 정전용량을 최소화한다. 내부 절연체는 PTFE 플라스틱 관이다. 이는 코일에 밀착되어 설치된다. 중간 및 외부 절연체는 각각 열수축 방식으로 형성된다.

내부 스크린은 도 7과 같으며 앞서 기술한 바와 같이 나선형 스크린이다. 동박 스트립은 유전체(즉, 내부 절연체)에 접착제로 부착한다.

내부 스크린과 외부 스크린 사이의 정전용량은 트랜스듀서의 동작(behaviour)에 거의 영향을 주지 않는다. 따라서, 외부 스크린의 직경이 내부 스크린보다 많이 클 필요가 없다. 상대적으로 큰 내부 스크린 직경을 가짐으로 인해 로고프스키 코일의 정전용량을 줄이는 효과가 있다.

외부 스크린은 도 8에 도시한 바와 같은 브레이드 스크린이다. 브레이드는 유전체(즉, 중간 절연체)에 슬리브(sleeve)처럼 삽입될 수 있으며, 축 방향으로 신장하여 유전체에 상대적으로 잘 밀착되도록 할 수 있다. 그 다음, 브레이드는 외부 절연체에 의해 둘러싸인다.

일 실시예에서는, 브레이드 스크린은 절연된 블레이드(예컨대, 에나멜)로 구성되어 있다. 일 실시예에서는, 중간 절연체가 없다-내부 스크린과 외부 스크린이 서로 접하며 층을 이룬다.

도 10은 내부 스크린(나선형), 외부 스크린(브레이드)과 코일 권선을 보여주기 위해 로고프스키 코일을 분할하여 보여주는 도면이다. 코일은 전체 길이가 루프를 형성하며 도 1과 같이 전류 측정을 위해 루프로 감싸도록 위치한다.

도 11은 코일과 적분기의 연결을 보여준다. 코일은 측정하려는 전류에 의해 유도된 전압 H.dI/dt로 표현되는 등가회로로 표현된다. 코일 권선의 한 단부(일반적으로 도 1에서와 같이 고정 단부)는 적분기의 입력(111)에 연결되고 다른 단부(자유 단부)는 내부 스크린의 단부에 연결된다. 내부 스크린은 리턴 경로를 구성하며 권선과 스크린이 동축상에 있으므로 코일 평면에는 순(net) 자기 루프가 없으며, 따라서 외부 전류에 의한 영향이 없다. 스크린의 고정 단부는 도시된 것과 같이 적분기의 공통 입력단(112)에 연결된다.

외부 스크린은 고정 단부에서 외부에 접지되는 적분기의 출력단자(113)에 연결된다.

코일은 도면과 같이 분포 정전용량 C_c를 가진다. 코일 주파수 대역은 근사적으로 수학식 6과 같으며, L은 코일의 인덕턴스이다.

내부와 외부 스크린 사이에도 정전용량이 존재하나 코일의 주파수 대역에 미치는 영향은 실질적으로 작다. 수학식 6을 수학식 5와 비교하면 이중 스크린 코일의 장점이 명확히 파악된다.

도 5와 도 6의 단일 스크린 회로는 코일 인덕턴스 L과 분포 정전용량 C_c, C_s 모두가 상호 작용한다. 이로 인해 두 가지 주요 공진 모드가 발생할 수 있으며, 두 가지 모드를 모두 충분히 감쇠시키는 댐핑 저항 R_d 값을 찾기는 어렵다. 도 11의 코일은 하나의 주 공진 모드를 가지며 적합한 R_d 값은 대략 √L/C_c가 된다.

도 11의 이중 스크린 코일은 단일 스크린 코일보다 향상된 차폐 성능을 제공한다. 외부 스크린을 통과하는 어떤 교란 전류도 내부 스크린에 의해 포집되어 적분기를 통과하여 대부분 접지로 흘러간다. 실제로는, 나선으로 권선된 내부 스크린은 약간의 임피던스를 가질 것이고 그 결과 약간의 변위 전류가 코일 자유 단부과 코일 권선을 지나 적분기 입력으로 전달될 것이다. 그러나 이 경로를 통해 전달되는 교란 전류의 비율은 매우 낮을 것이며 이중 스크린 코일은 단일 스크린 코일에 비해 외부 교란에 대해 개선된 차폐 성능을 제공한다.

또 다른 실시예가 도 12부터 도 14에 도시된다. 본 실시예는 인쇄 회로 코일로 알려진 또 다른 형태의 로고프스키 코일이다. 코일 루프는 영구적으로 닫혀 있고(일반적으로 고정 코일이라 불린다), 코일 단면은 사각형이다. 이와 같은 코일은 예를 들어 다음 특허에 기술되어 있으며, 여기에 참조로써 포함된다. "Rogowski Coil" Patent JP2001102230 Filed 29.09.99 Published 13.04.2001, by O Akira & I Satoru.

도 12는 일반적인 인쇄회로 로고프스키 코일을 나타낸다. 이런 유형의 코일에는, 일반적으로 인쇄회로기판(PCB)을 코일 포머로 사용하며, 각 코일의 한 턴(turn)은 기판 표면에 인쇄된 회로 스트립들과 회로 스트립들을 연결하는 도금된 관통홀에 의해 도시된 것처럼 형성된다. 코일은 도 1에 도시된 바와 같이 적분기에 연결되며 전류 측정 원리는 수학식 1부터 수학식 3에 정의된 바와 마찬가지이다. 다른 형태의 인쇄회로 로고프스키 코일도 사용될 수 있다.

도 12는 4층 인쇄회로기판인 경우이며, 여기서 인쇄회로기판은 제1층(31), 제2층(32), 제3층(33), 제4층(34)으로 구성된다. 도체 스트립은 포토-레지스트 공정(photo-resistive process)으로 외부 표면(제1층 (31), 제4층(34))에 적층 또는 식각된다. 이들 스트립들은 도금된 관통홀(39)에 의해 연결되어 기판을 따라 제1 방향으로 진행되며 (사각 단면을 가지는) 나선형 코일을 형성한다.

리턴 도체(37)는 코일과 반대 방향으로 진행하는데, 내부 표면(제2층, 제3층)에 입혀진다. 코일과 리턴 도체(37)는 연결되어 진행 및 리턴(go and return) 경로를 제공하며, 상기 기술된 바와 같이 로고프스키 코일 외부의 도체로부터의 영향을 최소화한다. 코일 단부(36)과 (38)은 적분기 입력단에 도 1과 같이 연결된다.

도 13과 도 14는 도 12에 보인 인쇄회로기판 로고프스키 코일의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예와 도 12의 실시예가 다른 점은 리턴 도체(37)가 필요 없다는 것과 두 개의 스크린이 추가된 것이다. 스크린들은 얇은 동박이 인쇄회로기판 내부층에 도 14와 같이 입혀진 것이다.

도 13은 인쇄회로 코일(131), 내부 스크린의 한쪽 면(132), 외부 스크린의 한쪽 면(133)을 보여주고 있다. 도 14에 명백함을 위해 각 층을 분리하여 보였지만 실제는 포개져 있는 구조이다. 내부 스크린과 외부 스크린의 양면은 코일 주위로 스크린이 통전 권선이 되는 것을 방지하기 위하여 동박층에 원형 갭이 있는 것을 제외하면 동일하다. 본 실시예에서, 코일은 도 12에서와 같으며 한쪽 단부(134)는 적분기 첫번째 입력단(111)에 도 11과 같이 연결된다. 코일은 시계방향으로 전진하며 도금된 관통홀(135)에서 끝난다. 여기서 코일의 단부는 내부 스크린에 도14와 같이 연결된다.

내부 스크린(132)은 코일의 리턴 경로를 형성하고, 반시계방향으로 출력단(136)을 향해 진행하고, 적분기의 두번째 입력단(112)에 도 11과 같이 연결된다. 내부 스크린(132)의 양면에는 갭(138)이 있어 리턴 경로의 시작(135)과 끝(136)을 구성함을 알 수 있다.

내부 스크린의 양단은 도금된 관통홀(137)들에 의해 연결된다. 관통홀(137) 중 일부는 내부 스크린(132)의 중심부에 가깝게 위치하고 실질적으로 내부 원에 대해 일정한 반경을 가지게 배치되며, 다른 관통홀(137)들은 중심에서 반경 방향으로 내부 스크린(132)의 외주면에 가까운 위치에 실질적으로 일정한 반경을 가지며 배치된다. 이들 관통홀(137)들은 코일을 둘러싸고 효과적이고 완전한 차폐를 위해 조밀하게 배치하며 이웃하는 구멍은 엇갈리도록 도면과 같이 배치한다. 명확함을 위해 도 13에는 이러한 구멍들 중 일부만 도시하였으나 실제로는 원주면 내외측을 따라 전체적으로 배치된다.

본 실시예에서 내부 스크린(132)은 코일과 동축으로 배치되며, 실질적으로 코일과 동일한 반경 방향 치수를 가진다. 내부 스크린(132)이 코일 주변에서 통전 권선이 되는 것을 방지하기 위해 원형 갭(140a)이 포함된다. 이는 도 14와 같이 스크린의 한쪽에만 적용하면 된다.

도 13은 외부 스크린(133)의 한쪽 면을 보여주고 있다. 외부 스크린의 양면은 더 많은 도금 관통홀(139)에 의해 하나로 연결되는데, 내부 스크린용 관통홀(137)과 같은 방식으로 연결하지만, 안쪽 원주에 배치되는 관통홀(139)들은 내측 원주에 배치된 관통홀(137)보다 더 중심에 가까운 반경 위치에 배치되고, 바깥쪽 원주에 배치되는 관통홀(139)은 내부 스크린용 관통홀(137)보다 중심에서 더 먼 반경 상에 배치된다. 내부 스크린(132)에 대해서, 관통홀(139)들은 내부 스크린 주변에 갭 없이 효과적이고 완전한 차폐를 위해 조밀하게 배치하며 이웃하는 구멍은 엇갈리도록 배치한다. 도시의 편의상 도 13에서는 관통홀(137) 중 일부만 도시하였다.

본 실시예에서 외부 스크린(133)도 마찬가지로 코일과 동축으로 배치되며 내부 스크린(132)보다 내측은 더 반경 안쪽까지, 외측은 더 반경 바깥쪽으로 배치된다. 내부 스크린(132)에 대해서, 외부 스크린(133)이 코일을 둘러싸고 통전 권선이 되지 않도록 원주상 갭(140b)이 포함된다. 이는 도 14와 같이 스크린의 한쪽면에만 실행하면 된다.

외부 스크린(133)은 내부 스크린(132) 또는 코일과 도금 관통홀에 의한 연결이 없다. 외부 스크린은 도 11처럼 적분기(113)의 접지된 출력단에 연결된다.

도 14는 5개 층(141, 142, 143, 144, 145)을 가진 인쇄회로기판의 단면을 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이 인쇄회로 코일은 코일층(143)에 배선이 도포되고 도금 관통홀에 의해 연결되어 코일의 형태가 된다. 도 14에서 도금 관통홀은 설명을 목적으로 일부만 도시하였으며 조립품의 단면을 정확히 표현한 것은 아니다. 도 14는 축척에 맞게 그려진 것이 아니며 실제로는 인쇄회로 코일의 직경은 일반적으로 기판 두께보다 매우 크다는 점을 감안하고 이해해야 할 것이다.

내부 스크린(147)은 기판층(142, 144)에 입혀지고 외부 스크린(148)은 기판층(141, 145)에 입혀진다. 각각의 스크린에 대해 스크린의 두 면을 연결하는, 반경 방향으로 중앙에 가까운 두 곳과 중앙에서 가장 먼 두 곳, 단지 4개의 도금 관통홀만 도시하였다. 이는 모든 도금 관통홀을 도시함에 따른 복잡성을 피하여 다층 기판 조립품을 도시하기 위함이다. 한편, 도 14에는 상기 기술한 원주상 갭(140a, 140b)은 도시하였다.

기판은 보호 목적으로 절연재(insulation, 149)로 덮을 수 있다. 측정하고자 하는 전류 I가 흐르고 있는 도체는 기판 중앙에 원형 개구부 안에 도시하였다. 도체는 추가로 접지된 원통형 차폐물로 감싸 고전압 도체에 의한 외란으로부터 코일을 추가로 보호할 수도 있다. 도시의 편의상 이 부가 차폐물은 도시하지 않았다.

추가적인 실시예에서는, 내부 스크린은 도 13과 같은 인쇄회로 코일로 대체되는데, 내부 코일과 반대 방향으로 권선되고 인접한 스트립은 매우 작은 갭만 가지도록 한다.

이상 기술된 구체적인 실시예는 예를 들기 위함으로 개시한 내용의 범위를 제한하려는 목적이 아니다. 실시예는 일부만 기술되었으며, 가능한 다양한 변형도 본 개시의 범위에 포함되어야 할 것이다.

일 실시예에서는, 코일 저항을 최소화하기 위해 두 권선을 병렬 연결하는 다병렬(bifilar) 코일 권선이 사용된다.

일 실시예에서는, 유전체 코일과 내부 스크린(즉, 내부 절연재)에 위에 기술된 재질 대신 열수축 소재가 사용된다. 열수축 소재는 코일 주변에 슬리브 형식으로 삽입되고 열풍으로 수축시켜 밀착되도록 한다. 일 실시예에서는, 중간 절연재 및/또는 외부 절연재는 이러한 재질을 이러한 방식으로 형성한다. 일 실시예에서는, 중간 절연재 및/또는 외부 절연재는 다른 재질을 다른 방식으로 형성한다. 일 실시예에서는, 중간 절연재 및/또는 외부 절연재는 PTFE로 구성한다.

일 실시예에서는, 내부 및 외부 스크린은 위에 기술된 것과 다른 종류의 스크린이다. 둘은 같은 종류일 수도, 다른 종류일 수도 있다. 나선, 브레이드 혹은 스네일 형태의 스크린이 외부 혹은 내부 스크린으로 사용될 수 있다.

일 실시예에서는, 간단한 반전 적분기 회로 대신 비반전 적분기 혹은 디지털 적분기가 사용된다.

일 실시예에서는, 하나 혹은 그 이상의 부품은 다른 적합한 소재로 대체될 수 있다.

일 실시예에서는, 포머는 자성체일 수 있다. 일 실시예에서는, 포머는 PTFE 가 아닌 플라스틱이다.

Claims (19)

1. 전류 측정 소자에 있어서,
   제1단부와 제2단부를 가지는 전도성 코일;
   제1스크린으로서, 상기 코일을 둘러싸며 상기 코일의 상기 제2단부로부터 상기 코일의 상기 제1단부에 근접한 위치까지 전류 경로를 제공하되, 상기 제1스크린의 제1단부는 상기 코일의 상기 제1단부에 근접하고, 상기 제1스크린의 제2단부는 상기 코일의 상기 제2단부에 근접하며, 상기 제1스크린의 상기 제2단부는 상기 코일의 상기 제2단부에 전기적으로 연결되는, 제1스크린;
   상기 제1스크린과 상기 코일을 둘러싸는 제2스크린; 및
   전기적인 적분기로서, 상기 적분기의 제1입력단은 상기 전도성 코일의 상기 제1단부에 연결되고, 상기 적분기의 제2입력단은 상기 제1스크린의 상기 제1단부와 전기적으로 연결되고, 상기 적분기의 출력은 접지되며, 상기 제2스크린은 상기 적분기의 접지된 출력에 전기적으로 연결되는, 적분기
   를 포함하는 전류 측정 소자.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 코일이 루프를 형성하되, 상기 제1단부는 상기 제2단부에 근접하게 위치하는 전류 측정 소자.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 루프는 상기 제1단부와 제2단부 사이에 갭(gap)을 형성하도록 개방되어 있거나 개방될 수 있는 전류 측정 소자.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 전도성 코일은 로고프스키(Rogowski) 코일을 포함하는 전류 측정 소자.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 로고프스키 코일은 클립-어라운드(clip-around) 코일, 폐루프 코일, 인쇄회로(printed circuit) 로고프스키 코일, 및 비도전성 포머에 권선된 코일 중의 어느 하나를 포함하는 전류 측정 소자.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제2스크린의 제1단부는 상기 코일의 상기 제1단부에 근접하고, 상기 제2스크린의 제2단부는 상기 코일의 상기 제2단부에 근접하는 전류 측정 소자.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 제2스크린은 상기 제1스크린과 상기 코일에 대해 전기적으로 절연되어 있는 전류 측정 소자.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 제1스크린 및/또는 제2스크린은 정전(electrostatic) 스크린인 전류 측정 소자.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 제1스크린 및/또는 상기 제2스크린은 상기 코일 외부 도체들과의 정전결합 용량이 최소가 되도록 배치되는 전류 측정 소자.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 코일이 감기는 중심에 위치하는 포머를 추가로 포함하는 전류 측정 소자.
11. 제 1항에 있어서,
    상기 적분기는 상기 도전성 코일의 상기 제1단부와 상기 제1스크린의 상기 제1단부 사이의 전압의 시간에 대한 적분에 비례하는 출력 전압을 제공하도록 구성된 전류 측정 소자.
12. 제 1항 내지 제 11항의 한 항에 따른 상기 전류 측정 소자를 이용하여 전도체를 흐르는 전류를 측정하는 방법.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제

Images