專利名稱：用于交流電流傳感器的改進(jìn)的線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及交流電流傳感器，具體地說，涉及交流電流傳感器的一種經(jīng)改進(jìn)可成形的線圈。
美國專利5,057,769公開了一種無需切開或折斷導(dǎo)線就可檢測(cè)和測(cè)定導(dǎo)線中的交流電流(AC)的交流電流傳感器。這種交流電流傳感器的主線圈呈U字形，形成測(cè)量凹口，測(cè)定時(shí)，待檢測(cè)傳送交流電的導(dǎo)線即安置在測(cè)量凹口中。按照現(xiàn)有技術(shù)，主線圈一般采用單層導(dǎo)線繞組繞制成的空氣芯子長螺旋線圈。此外，為減小傳感器誤差從而提高測(cè)量精確度并抑制外電場(chǎng)的影響，主線圈還采用繞制得使中間線匝區(qū)和單位長度的線匝數(shù)沿主線圈的整個(gè)長度均勻分布。
電流傳感器的主線圈為單層導(dǎo)線繞制的長螺旋形線圈有下列一些缺點(diǎn)。參看附圖的

圖1所示的實(shí)例。長度為L的線圈由單層絕緣層線繞制成，各線匝緊挨著前面的線匝。絕緣被覆層直徑或厚度的任何變化或毗鄰的各線匝間間隙的任何變化都會(huì)使單位長度的線匝數(shù)不一致，導(dǎo)致傳感器誤差。此外，線圈在傳感器制造過程中彎制成U字形時(shí)，導(dǎo)線的中間線匝區(qū)和單位長度的線匝數(shù)就難以保持一致了。若彎度過大，線匝往往會(huì)在轉(zhuǎn)變處彈出。若彎曲處有彎結(jié)，或彎曲半徑不順當(dāng)，會(huì)使傳感器產(chǎn)生誤差。此外，單層主線圈一旦形成其最終形狀并放入傳感器中就位，為避免傳感器誤差，必須保持主線圈的形狀和位置。單層線圈有關(guān)的另一個(gè)問題是，各線匝由于導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度，就位時(shí)不能完全平放，從而使線圈制成后在長度方向上略為松開。線圈繞在圓柱形芯子上時(shí)，可以看到這個(gè)松開現(xiàn)象以成品線圈在直徑方向略為膨脹的形式表面出來，而線圈繞在矩形或扁平芯子上時(shí)，可以看到線圈在整個(gè)長度方向上明顯扭曲或撓曲。制造電流傳感器時(shí)，主線圈的形成和就位必須反復(fù)進(jìn)行，以便可以快速簡(jiǎn)單地制取任意要求數(shù)量的電流傳感器。
現(xiàn)有技術(shù)試圖解決一些這類問題的作法是將主線圈在彎制成所要求的形狀之前繞在一定長度的軟塑料直管上。主線圈由于在長度的精確度方面不太重要，因而可以制成盡可能長，而使線匝直徑較小，以便保持彎曲半徑的平滑和中間線匝區(qū)和單位長度線匝數(shù)的一致性。對(duì)這種方案的比較評(píng)定是，測(cè)量靈敏度下降了。美國專利5,057,769公開的一種線圈是將30AWG(美國線規(guī))雙絕緣磁導(dǎo)線以每英寸90匝的額定值單層繞制在16.5英寸長的1/4英寸直徑芯子上。
為將手持式測(cè)量儀表的線圈長度縮短到4英寸以下并提高測(cè)量靈敏度和精確度且提高電流傳感器的工藝性，最好不受現(xiàn)有技術(shù)的限制采用尺寸較小可形成所要求形狀的主線圈。解決這個(gè)問題的辦法是采用線規(guī)較細(xì)的導(dǎo)線(直徑較小)多層繞制到所要求的匝數(shù)。
在第一層上繞制第二層來增加匝數(shù)從而提高靈敏度的作法給制造上帶來一些問題匝數(shù)難以控制，而且第二包層的線匝可能會(huì)陷入第一層各相鄰線匝之間形成的間隙中。此外，即使能繞制成第二包層，但線圈制成U字形會(huì)使線圈線匝圍繞彎曲部分的弧形面扭曲。即使用塑料帶或塑料條之類的某些加強(qiáng)條沿線圈長度方向粘附到線圈內(nèi)側(cè)，要制取穩(wěn)定、可成形的線圈仍然有問題。
本發(fā)明是將線圈的各線匝多次雙向繞制，各方向的次數(shù)是經(jīng)過選擇的，以便填補(bǔ)任何間隙，使線匝達(dá)到所要求的總匝數(shù)，從而獲得高度精確以及高度抑制外部電場(chǎng)的穩(wěn)定的、可成形線圈。根據(jù)所要求的線圈長度和匝數(shù)，可以確定各圈的間距、每次繞制的匝數(shù)、所需要的繞制次數(shù)和線規(guī)，從而形成穩(wěn)定的螺旋繞制線圈。一個(gè)最佳實(shí)施例是將線圈繞制在可卸芯子上，便于線圈從芯子上卸下，各方向繞制的次數(shù)相等，因而誤差消除了。
因此，本發(fā)明的目的是提供交流電流傳感器的一種經(jīng)改進(jìn)的線圈。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供性能特性以改進(jìn)、易于形成所要求形狀的一種傳感器線圈。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種易制造經(jīng)改進(jìn)的線圈。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，即提供采用可卸繞制芯子的傳感器線圈可反復(fù)進(jìn)行的制造方法。
結(jié)合附圖閱讀下面的說明，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以清楚理解本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的電流傳感器主線圈。
圖2示出了本發(fā)明導(dǎo)線單向繞制的部分線圈。
圖3示出本發(fā)明導(dǎo)線雙向繞制的部分線圈。
圖4示出了本發(fā)明傳感器線圈成品的平面圈。
圖5示出了呈實(shí)際使用時(shí)所要求形狀的傳感器線圈成品。
圖6示出了芯子組件連同線圈成品的部件分解透視圖。
圖7示出了本發(fā)明制取傳感器線圈的芯子組件一端的剖視圖。
參看附圖的圖2?？梢钥吹綄?dǎo)線12以等間距P單向繞制在芯子14上，從而可以制取穩(wěn)定的多層螺旋繞制線圈。這種線圈的總長度L、芯子周邊、線匝間距P、線匝數(shù)T、層數(shù)(或次數(shù)，沿一個(gè)方向繞制叫一次)和線規(guī)等這些各種不同的因素之間，存在著一定的關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)證明，角φ≌7度時(shí)，線圈的機(jī)械性能穩(wěn)定。假設(shè)P＝2sinφ，則換算成P和D的關(guān)系時(shí)，P≈0.25D，其中D為芯子的直徑。
舉例說，假設(shè)想制取4英寸長。半英寸內(nèi)徑、2000匝數(shù)的線圈，以達(dá)到所要求的對(duì)流經(jīng)導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生電場(chǎng)的靈敏度。設(shè)P＝0.125英寸，則每次繞制4英寸的匝數(shù)為32。但2000除以32等于62.5次。若次數(shù)調(diào)到62(偶整數(shù))，則4英寸長線圈需要32.25的匝數(shù)，從而使間距等于0.124英寸而不是0.125英寸，這還是合理的。要使導(dǎo)線在各方向上100％充滿間隙從而將間隙消除掉，可將0.124英寸除以31得出0.004英寸的導(dǎo)線最大直徑。查一下美國線規(guī)(AWG)表，可以看到38號(hào)AWG線規(guī)在室溫下的數(shù)值為.003965英寸，因而選取38號(hào)AWG導(dǎo)線。這個(gè)簡(jiǎn)單舉例說明了各因素之間的相互關(guān)系，以便可輕易確定任何要求尺寸的線圈。
圖3示出了本發(fā)明的部分線圈，其中導(dǎo)線12第一次從左向右繞制，接著第二次從右向左繞制。這里舉例要說明的是，除在各交叉點(diǎn)16外，導(dǎo)線都是緊挨著芯子敷設(shè)的。應(yīng)該指出的是交叉點(diǎn)每次繞制時(shí)在不同位置，因而可以保持均勻的厚度。因此，說到多層線圈時(shí)，“多層”并不是指每次繞制在一層中得出的成堆線層。
圖4示出了本發(fā)明一個(gè)最佳實(shí)施例線圈成品18的平面圖，其中所有的間隙都填補(bǔ)過。線圈的繞制次數(shù)是偶數(shù)，因而導(dǎo)線的端部20和22都處在線圈的同一端。這樣做為的是線圈最后形成時(shí)，容易電氣接線。此外，繞制次數(shù)取偶數(shù)，一個(gè)方向上繞制過程中產(chǎn)生的任何誤差可以為反方向繞制過程中產(chǎn)生的反向誤差所抵消。
圖5示出了制成所要求的工作狀態(tài)的傳感器線圈成品18。必須時(shí)可以采用塑料套管24，這有助于保持最終形狀。套管24可簡(jiǎn)單地將塑料帶在線圈還處在芯子上時(shí)包繞到線圈臂上制取。但我們發(fā)現(xiàn)，線圈按這里所述的方式制取時(shí)容易形成任何所要求的形狀而改變中間線匝區(qū)或單位長度的線匝數(shù)。線圈繞制成圓柱形還是圓形，在形狀上是沒有要求的，但也可提出要求。這樣，線圈繞制所在的芯子確定了線圈的形狀，這可以是圓的，方的或甚至是扁平的。這里的準(zhǔn)則是，無論芯子取什么形狀，沿芯子長度方向的橫截面積應(yīng)保持不變，使得沿線圈成品方向的中間線匝區(qū)不變。
圖6示出了可卸芯子組件在卸除狀態(tài)下連同線圈成品的部件分解透視圖。芯子30有一個(gè)近端32、柱體34a，34b和一個(gè)遠(yuǎn)端36，近端32是為插入繞線機(jī)的夾具中而設(shè)計(jì)的，柱體34a，34b上準(zhǔn)備繞制線圈。柱體34a，34b有一個(gè)縱向槽38，從頭向尾逐漸變窄，將兩半柱體34a，34b在遠(yuǎn)端36湊到一起。這樣在拆卸狀態(tài)下，芯子30繞有線圈的柱體部分呈錐形。
銷子40有一個(gè)壓花的鈕頭42。銷子40的作用是插入遠(yuǎn)端36的溝槽44中將柱體34a，34b的端部撐開，形成線圈繞組的形狀。參看圖7可以更好地理解這一點(diǎn)。從圖7中可以看到芯子組件30供制取本發(fā)明傳感器線圈的遠(yuǎn)端的剖視圖。銷子40插入端部36時(shí)，兩半柱體34a，34b彼此平行，因而使柱體34a，34b在柱體整個(gè)長度方向上的橫截面積不變。如上面說過的那樣，柱體34a，34b不一定非要圓柱形不可，可以取任何所要求的形狀，根據(jù)待制取線圈的要求而定。為協(xié)助確定繞制線圈的長度，可采用象橡皮或塑料之類的彈性材料制成的擋塊46。在繞制過程中，可以將兩個(gè)這樣的擋塊46套到線圈端部，一端一個(gè)。這些擋塊要夠厚，以防導(dǎo)線一直繞到擋塊上。要卸下線圈成品，可以從端部36卸下銷子40，再將擋塊46滑離芯子，接著就可以將線圈從芯子上卸下。如果固定線圈端部時(shí)不使用擋塊46則可以在芯子的線圈端部分加些紋路以便使導(dǎo)線能在線圈端處抓住芯子。加紋路的方法可以是用砂紙將芯子表面稍微磨一磨或搞粗。
我們用上述方法制造了一些傳感器線圈并加以測(cè)試，在測(cè)試過程中意外地發(fā)現(xiàn)了這樣的好處抑制外來電場(chǎng)進(jìn)入內(nèi)部的能力達(dá)40∶1的水平。就是說，測(cè)定安置在馬蹄形圈內(nèi)特定導(dǎo)線中的電流時(shí)，線圈外的任何場(chǎng)對(duì)測(cè)定中的場(chǎng)的影響只有2.5％。
裝有按本發(fā)明制取的線圈的產(chǎn)品目前還沒有上市，制造出來經(jīng)測(cè)試合乎上述要求的技術(shù)規(guī)范和結(jié)果的線圈，總長3.68英寸，繞制在橫截面積為0.480×0.110的芯子上，繞制使用的導(dǎo)線為38號(hào)AWG磁導(dǎo)線，繞制次數(shù)84次，間距0.1584英寸，每次繞制23.23匝，總共1956匝。按其它尺寸和標(biāo)準(zhǔn)(例如，減少總匝數(shù)，繞制次數(shù)少到20或40次)制取的其它線圈也表現(xiàn)良好。
上面已就本發(fā)明的最佳實(shí)施例示范和說明，但本技術(shù)領(lǐng)域的行家們都知道，在廣義上不脫離本發(fā)明觀點(diǎn)的前提下是可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行種種更改和修改的。因此，所附權(quán)利要求書應(yīng)視為包括所有這些屬于本發(fā)明真實(shí)范圍內(nèi)的更改和修改。
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)改進(jìn)的交流傳感器線圈，包括繞制成一定長度的導(dǎo)線，方法是將所述導(dǎo)線在相反方向上多層繞制，形成預(yù)定數(shù)目的線匝，各線匝的中間線匝區(qū)和沿長度方向單位長度的線匝數(shù)都保持不變；其中，所述導(dǎo)線的雙向多層繞制是沿斯述長度方向多次繞制進(jìn)行的，使每次繞制時(shí)各毗鄰線匝的間距不變，從而每次繞制都有間隙產(chǎn)生，而這些間隙在以后幾次的繞制過程中都填補(bǔ)上。
2.如權(quán)利要求1所述的經(jīng)改進(jìn)交流傳感器線圈，其特征在于，在每個(gè)方向上具有相等數(shù)量的間隙。
3.如權(quán)利要求1所述的經(jīng)改進(jìn)交流傳感器線圈，其特征在于，所述導(dǎo)線的直徑通過將各線匝的間隙除以一次繞制的線匝數(shù)確定。
4.如權(quán)利要求1所述的經(jīng)改進(jìn)交流傳感器線圈，其特征在于，所述線圈繞制在可卸式芯子上。
全文摘要
交流傳感器的一種經(jīng)改進(jìn)可成型的線圈,其長度和線匝數(shù)都預(yù)定。線圈雙向多次繞制,各方向的繞制次數(shù)預(yù)定,以達(dá)到可填補(bǔ)所形成的任何間隙和形成穩(wěn)定螺旋形線圈的目的。最佳實(shí)施例采用了可卸式芯子,便于線圈從芯子上任意卸下。
文檔編號(hào)G01R15/18GK1196487SQ98106069
公開日1998年10月21日 申請(qǐng)日期1998年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月17日
發(fā)明者C·R·詹森 申請(qǐng)人:弗蘭克公司