專利名稱：一種高磁導(dǎo)率Rogowski線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測量磁場或電流的傳感器的線圈，具體地說， 是涉及一種基于印刷電路板(PCB)技術(shù)的帶氣隙鐵芯的高磁導(dǎo)率 Rogowski線圏。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在，人們往往把Rogowsk i線圈局限于空芯線圈，線圈的骨架被理所 當(dāng)然的定義為非磁性材料。毋庸置疑的是，空芯線圈有極大的動態(tài)范圍， 在理論上甚至可以認(rèn)為它永遠也不會飽和，但是，空芯線圈也有著一個極 大的缺點，被測的額定電流為數(shù)百安培時，空芯線圈的輸出電壓約為數(shù)十 毫伏?？招揪€圈作為電流測量裝置與計量、顯示等二次儀表連接使用的時 候，感應(yīng)的電勢信號必須通過相應(yīng)的電路放大處理，而在設(shè)備數(shù)量相對龐 大的電力行業(yè)和工業(yè)界，為了節(jié)省成本和增加儀器的使用壽命，往往選用 無源的指針式二次儀表，此時，空芯線圈的驅(qū)動能力嚴(yán)重不足，其應(yīng)用范 圍受到了極大的限制。另外一方面，在被測電流很小也就是數(shù)安培時，一 般的空芯線圈的輸出電勢往往為數(shù)微伏，對這種微弱信號的處理是困難 的，往往得不到令人滿意的效果，提高其感應(yīng)電勢的大小不失為一種巧妙 而有效的方法。提高感應(yīng)電勢的方法中，加大二次繞組的匝數(shù)是常見的一 種，但是，由于為了保證測量精度，Kojovic Ljubomir. Rogowski coils suit relay protection and measurement [of power systems]. IEEE Computer Applications in power , 1997 , 10 (3): 47 — 52,文中說明了 空芯線圈對二次繞組的繞制是有特殊要求的，匝數(shù)越多，越難以達到繞制 的要求，使得該方法受限。
Rogowski線圈的設(shè)計是為了得到一個穩(wěn)定的互感系數(shù)M,其表達式
為
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式中，A為骨架材料的磁導(dǎo)率，W為線圈匝數(shù)，力為線圏骨架高度，&為 骨架外徑，A為骨架內(nèi)徑。
空芯線圈的骨架為非磁芯材料，其磁導(dǎo)率為4ji*10—7,其相對磁導(dǎo)率 為1。要提高Rogowski線圈的輸出電勢，提高骨架材料的相對磁導(dǎo)率是 一個非常有效的方法。發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的利用基于PCB板上電氣布線取代傳統(tǒng)手繞或機械 繞制的二次繞組的漆包線線圈，克服了具體生產(chǎn)中線圈繞制的煩瑣，排除 了線圈因漆包線掉漆短路或因漆包線斷線而斷路等隱患，此外，基于PCB 板上電氣布線擁有很高的密集度和均勻度，試驗證明，改造后的Rogowski 線圈線性度有較大的提升，產(chǎn)品的互感系數(shù)也更趨于一致。帶氣隙的 Rogowski線圈和基于PCB板的Rogowski線圈已經(jīng)有相關(guān)的專利進行了報 道，但是這種將氣隙鐵芯和PCB技術(shù)相結(jié)合，既能夠提高線圈的磁導(dǎo)率從 而增大輸出的感應(yīng)電勢，同時也能夠延續(xù)純PCB板的生產(chǎn)簡單、 一致性好 和可靠性高的優(yōu)點的新型Rogowski線圈還未見報道，本實用新型涉及的 Rogowski線圏吸取了氣隙鐵芯線圈和純PCB板的優(yōu)勢，有極大的應(yīng)用價 值和推廣空間。
本實用新型提供了一種高磁導(dǎo)率Rogowski線圈，該線圏包括骨架和 二次繞組，骨架由帶氣隙的鐵芯構(gòu)成，二次繞組由一塊或一塊以上的PCB 板構(gòu)成，每塊PCB板上有電氣布線組成的電氣回路，骨架的鐵芯中開有至 少一個氣隙，PCB板均勻地放置在氣隙中，并將所有的PCB板的電氣回路 首尾串聯(lián)，并引出兩個感應(yīng)電勢的端子。
所述線圈為一種測量交變或脈沖電流、不規(guī)則電流的線圈，被測載流 導(dǎo)線沿中心穿過該Rogowski線圈，二次繞組感應(yīng)一定電勢，該電勢與被 測電流對時間的微分成正比；氣隙的鐵芯為圓形、矩形或不規(guī)則形狀。線 圈骨架由帶氣隙的鐵芯組成，該鐵芯橫截面處處相等、密度均勻，且用同 一材質(zhì)制作，可以是硅鋼片亦可是納米晶、非晶或其它高磁導(dǎo)率磁性材料， 一個鐵芯至少有一個氣隙，為了獲得最佳的測量效果， 一般以開偶數(shù)個氣 隙為宜，每個氣隙的長度相等且在鐵芯長度方向上均勻分布，且每個氣隙 的長度一般不宜超過鐵芯橫截面的等效直徑。
二次繞組的匝數(shù)根據(jù)被測量電流及所需輸出信號的大小來定，二次繞 組由一塊或一塊以上PCB板構(gòu)成，每塊PCB板上有電氣布線組成的電氣回 路，每塊PCB板上有若干匝線圈，PCB板的電氣回路圍繞該PCB板的幾何 中心分別在PCB板的正面和反面均勻?qū)ΨQ布線，再通過PCB板幾何中心的 過孔將正、反面的布線構(gòu)成一個電氣回路。PCB板為長方形、正方形、圓 形、三角形或不規(guī)則形狀，其上的電氣布線的形狀也為長方形、正方形、 圓形或三角形。PCB板為雙面板或二層以上的板。
PCB板放置在氣隙中，將所有的PCB板首尾串聯(lián)構(gòu)成二次繞組；該 Rogowski線圈的輸出信號正比于被測電流對時間的微分，其感應(yīng)電勢可進行積分處理也可不經(jīng)過積分處理，即該線圏既可帶積分器工作也可獨立 工作， 一般情況下，不規(guī)則的波形往往需要用積分器進行還原，規(guī)則的周 期波形如頻率較穩(wěn)定的正弦波往往不需要進行積分處理。
本實用新型就是釆用氣隙鐵芯來替代非磁性骨架,提高感應(yīng)電勢的大 小，本實用新型對二次繞組繞制的線圈采用基于PCB板上電氣布線構(gòu)造成
為二次繞組的線圈，將一塊以上電氣布線的PCB板進行串行連接可有效增 加繞線的匝數(shù)從而提高輸出的感應(yīng)電勢，將串聯(lián)而成電氣布線的P C B板放 置在鐵芯的氣隙中即構(gòu)造了一個高^t導(dǎo)率的Rogowski線圈，簡單易行， 且一致性有保障。
總之，與已有的Rogowski線圈相比，本實用新型的Rogowski線圈主 要具有以下主要優(yōu)點
1、 采用氣隙鐵芯作為骨架材料，骨架的相對磁導(dǎo)率得到較大的提高， 輸出信號可增大數(shù)十倍，信號的處理變得容易，此外，還為其與指針式二 次儀表配套使用提供了可能。
2、 釆用氣隙鐵芯作為二次繞線骨架，鐵磁材料具有聚磁作用，骨架 中的磁感應(yīng)強度幾乎處處相等且遠大于骨架外空氣中的磁感應(yīng)強度，所 以，本實用新型的Rogowski線圏不需要遵循空芯線圈中關(guān)于二次繞線絕 對均勻的原則，只需要保證二次繞線大致均勻的分布在骨架上即保證被氣 隙分隔開的每段鐵芯上都有大致相等數(shù)量的繞線即可。
3、 每個氣隙鐵芯至少有一個氣隙，為了獲得最佳的測量效果， 一般 以開偶數(shù)個氣隙為宜，且每個空氣隙的長度相等且均勻分布，這種對稱分 布的結(jié)構(gòu)大大的減小了漏磁，保證了相對磁導(dǎo)率的恒定，且在被測電流較 大的情況下，可以通過增加氣隙的數(shù)量來調(diào)整相對^t導(dǎo)率，保證線圈在正 常工作范圍內(nèi)不會使鐵芯飽和。
4、 由于氣隙鐵芯中的》茲感應(yīng)強度均勻，本實用新型的Rogowski線圈 與空芯線圈相比，受導(dǎo)線與線圏相對位置的影響小，抗外界電磁場干擾能 力強。對稱的氣隙分布還可改善被測導(dǎo)線與線圈相對位置對測量產(chǎn)生的影 響，通過限制每個氣隙的長度可以進一步改善位置影響的問題，從而把位 置影響減小到最小。
5、 二次繞組的繞線由一塊或一塊以上PCB板上的電氣布線組成的電 氣回路串聯(lián)構(gòu)成，基于PCB板上的電氣布線與采用漆包線繞制的二次線圈 相比，其可靠性更高，避免了因為漆包線掉漆或者斷線帶來的故障，此外， 基于PCB板上的電氣布線可在一定程度上簡化生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品一致 性，且其線性性能和溫度穩(wěn)定性能均有一定程度的提高?？傊c傳統(tǒng)的基于變壓器原理的電流互感器相比，本實用新型的
Rogowski線圈主要具有以下主要優(yōu)點
1 、由于線圈的二次負(fù)載電阻遠大于線圈繞組的自感系數(shù)的等效感抗 即自感系數(shù)與被測電流角頻率的乘積，線圈的二次輸出為與被測一次電流 對時間的微分成正比的感應(yīng)電勢，即線圈一般處于開路工作狀態(tài)，而傳統(tǒng) 電流互感器的二次額定輸出電流為5A或1A， 一般處于短路工作狀態(tài)或二 次負(fù)荷非常小， 一般為幾歐姆或幾十歐姆，因此本實用新型的線圈與傳統(tǒng) 的電流互感器相比工作狀態(tài)不同，無開路危險，更加安全。
2、由于本實用新型的Rogowski線圈采用氣隙鐵芯作為骨架材料，在 相同被測電流和骨架材料、尺寸情況下，與閉合鐵芯相比較，降低了鐵芯 中的磁感應(yīng)強度，因此與傳統(tǒng)的電流互感器相比，擁有較小的體積和重量， 將大大的節(jié)省骨架鐵^磁材料和二次繞組銅線的用量。


圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為單塊PCB板上典型電氣布線及回路連接示意圖。
圖中1-鐵芯，2-氣隙，3- PCB板上電氣布線構(gòu)成的二次繞組， 4——次載流導(dǎo)線，5-二次繞組出線端子，6-單塊PCB板出線端，7-PCB 板正面繞組繞線，8-PCB板反面繞組繞線，9-PCB板過孔，10-PCB板體。
具體實施方式
本實用新型包括骨架和二次繞組，骨架由帶氣隙的鐵芯構(gòu)成，二次繞 組由一塊或一塊以上的PCB板構(gòu)成，每塊PCB板上有電氣布線組成的電氣 回路，骨架的鐵芯中開有至少一個氣隙，PCB板均勻地放置在氣隙中，并 將所有的PCB板的電氣回路首尾串聯(lián)，并引出兩個感應(yīng)電勢的端子。
本實用新型的高磁導(dǎo)率Rogowski線圈采用氣隙鐵芯作為骨架，其目 的是為了增大其互感系數(shù)，使感應(yīng)電勢得到增強，采用基于PCB板上的電 氣布線代替使用漆包線的二次繞組，使得生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)品可靠性高、 線性性能有所提升、 一致性更有保障，其具體的實施方式是
1、氣隙鐵芯的設(shè)計。首先根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境主要是一次載流導(dǎo)線 的外形和物理尺寸確定Rogowski線圈骨架的外形和基本尺寸，包括骨架 的外徑、內(nèi)徑和高度；接著，根據(jù)所測電流的頻率范圍確定鐵芯的材料， 中低頻一般采用硅鋼片，對于特高頻率的應(yīng)用場合一般采用頻率性能好的 材料，比如納米晶或非晶等；最后，根據(jù)一次電流的大小選擇氣隙的個數(shù), 電流越大，需要的氣隙個數(shù)越多，骨架的物理尺寸越大，需要的氣隙個數(shù) 越多，確定氣隙的數(shù)量和每個氣隙的大小的判斷依據(jù)是， 一次載流導(dǎo)線上通以額定電流時，骨架中的磁感應(yīng)強度小于所選用鐵>磁材料的飽和》茲感應(yīng) 強度。
2、 二次繞組的設(shè)計。由于采用的是氣隙鐵芯，二次繞線不需要遵循 絕對均勻的原則，只要保證二次繞組均勻分布在氣隙中即可。二次繞線的 匝數(shù)根據(jù)需要的二次輸出電壓來確定，步驟1中確定了氣隙鐵芯的具體參 數(shù)，從這些參數(shù)就可以得到氣隙鐵芯的相對磁導(dǎo)率和骨架截面積，根據(jù)相 對磁導(dǎo)率和骨架截面積就可計算出二次繞線的數(shù)目。
3、 二次繞組的制作二次繞組由放置在氣隙中的一塊或一塊以上的 PCB板及其PCB板上的電氣布線形成的電氣回路構(gòu)成，每塊PCB板上有電 氣布線組成的電氣回路，將所有的PCB板的電氣回路首尾串聯(lián)構(gòu)成二次繞 組。例如，圍繞該PCB板的幾何中心分別在PCB板的正面和反面均勻?qū)ΨQ 布線，再通過PCB板幾何中心的過孔將正、反面的布線構(gòu)成一個電氣回路。
4、 構(gòu)成二次繞組的PCB板幾何形狀不限，可以是長方形、正方形、 圓形、三角形等，其上的電氣布線的形狀也可以是長方形、正方形、圓形、 三角形等；PCB板可以是雙面板也可以是多層板，多層板在有限的空間內(nèi) 可以得到較多的繞線匝數(shù)，可有效提高Rogowski線圏的互感系數(shù)從而提 高輸出感應(yīng)電勢。
權(quán)利要求1. 一種高磁導(dǎo)率Rogowski線圈，該線圈包括骨架和二次繞組，骨架由帶氣隙的鐵芯構(gòu)成，二次繞組由一塊或一塊以上的PCB板構(gòu)成，每塊PCB板上有電氣布線組成的電氣回路，其特征在于骨架的鐵芯中開有至少一個氣隙，PCB板均勻地放置在氣隙中，并將所有的PCB板的電氣回路首尾串聯(lián)，并引出兩個感應(yīng)電勢的端子。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高磁導(dǎo)率Rogowski線圈，其特征在于氣 隙的鐵芯為圓形或矩形。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高磁導(dǎo)率Rogowski線圈，其特征在于氣 隙的鐵芯橫截面處處相等、密度均勻，且用同一材質(zhì)制作。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高磁導(dǎo)率Rogowski線圈，其特征在于氣 隙的鐵芯為硅鋼片、納米晶或非晶高磁導(dǎo)率磁性材料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高磁導(dǎo)率Rogowski線圈，其特征在于氣 隙的鐵芯中開的氣隙為偶數(shù)個氣隙，每個氣隙的長度相等且在鐵芯長度方 向上均勻分布，且每個氣隙的長度不超過鐵芯橫截面的等效直徑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高》茲導(dǎo)率Rogowski線圈，其特征在于PCB 板的電氣回路圍繞該PCB板的幾何中心分別在PCB板的正面和反面均勻?qū)?稱布線，再通過PCB板幾何中心的過孔將正、反面的布線構(gòu)成一個電氣回 路。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高磁導(dǎo)率Rogowski線圈，其特征在于PCB 板為長方形、正方形、圓形或三角形，其上的電氣布線的形狀也為長方形、 正方形、圓形或三角形。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高磁導(dǎo)率Rogowski線圈，其特征在于PCB 板為雙面板或二層以上的板。
專利摘要本實用新型涉及一種高磁導(dǎo)率Rogowski線圈，該線圈包括骨架和二次繞組，骨架由帶氣隙的鐵芯構(gòu)成，二次繞組由一塊或一塊以上的PCB板構(gòu)成，每塊PCB板上有電氣布線組成的電氣回路，骨架的鐵芯中開有至少一個氣隙，PCB板均勻地放置在氣隙中，將所有的PCB板的電氣回路首尾串聯(lián)，并引出兩個感應(yīng)電勢的端子。本實用新型不僅增大線圈的互感系數(shù)，使感應(yīng)電勢得到增強，由于采用PCB板上電氣布線代替使用漆包線的二次繞組，使得生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)品可靠性高、線性性能有所提升、一致性更有保障。
文檔編號H01F41/02GK201130580SQ20072008683
公開日2008年10月8日 申請日期2007年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月6日
發(fā)明者竇峭奇 申請人:武漢格藍若光電互感器有限公司