一种制作高性能匝均衡空芯线圈的方法技术

本发明专利技术公开了一种制作高性能匝均衡空芯线圈的方法。本方法首先以被测电流的磁场分布为依据获得空芯线圈的最优化中心轨迹线，被测电流在该轨迹线上任意点处的磁感应强度相等，且方向与该点处轨迹线的切线方向相同；然后以中心轨迹线为依据最优化出线圈骨架；再以目标参数和线圈骨架为依据最优化出线圈绕组的空间分布；最后确定合适的线圈骨架与线圈绕组的加工与成型工艺。与按照传统方式设计的空芯线圈相比，本发明专利技术制作的线圈的稳定性可提高一个数量级，配合一体成型精密加工工艺和多种骨架线圈成型新工艺，批量一致性高、互换性好、抗干扰能力强的高精度空芯线圈，显著提高空芯线圈的测量准确度，以适应工业现场电流测量需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术本专利技术涉及一种电流传感器的设计方法，具体地说，是基于匝均衡原理设计和制造空芯线圈，以被测电流的磁场分布为依据设计出线圈绕线的最佳轨迹，可有效解决空芯线圈生产中批量一致性差的行业难题，同时可显著减小电流中心位置变化以及外界干扰磁场对电流测量的影响，从而保证空芯线圈电流互感器的高互换性并极大提高测量准确度等级。
技术介绍
高精度电流测量是现代工业精确控制的核心技术之一。空芯线圈新型电流传感器广泛应用于电力、冶金、军工、核物理等领域，近年来市场需求年增长率50％。采用传统设计方法，基于现代加工工艺绕制的空芯线圈的最高精度等级一直以来无法突破0.2级，严重制约了精确控制技术及高端制造装备的发展。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场在绕线上可以感应出一定大小的电压，因此，空芯线圈(也被称为Rogowski线圈)可通过测量被测电流周围磁场强度的变化，推算出被测电流的大小。空芯线圈的结构如图1所示，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，空芯线圈具有无磁饱和、测量范围大、线性度好、频带宽的优点，是一种极具竞争力的新型电流传感器。由安培环路定律和电磁感应定律可得到空芯线圈感应电压为e＝M·jω·I，式中，I为被测电流，M为互感常数，ω为正弦电流的角频率，e为空心线圈的输出电压。一般空芯线圈需要匹配积分器使用(包括模拟积分器和数字积分器)，积分器的输入输出电压信号满足关系式Uo＝K·Ui/(jω)，其中Ui为输入电压信号，Uo为输出电压信号，ω为正弦电流的角频率。若将空芯线圈的输出电压作为积分器的输入信号，则最终的输出电压Uo＝K·M·I。可以看到，空芯线圈的测量被测电流的准确度取决于一个稳定的互感系数M。制造高精度空芯线圈，其几何参数必须符合三个基本原则：1)足够多匝的绕线在一定大小闭合非铁磁材料骨架上均匀分布；2)每一匝绕线的形状完全相同；3)绕线平面垂直骨架包络线在该点的切线。传统设计方法仅遵循线圈上述几何参数三大基本原则，完全依赖线圈的单匝几何参数、结构单一，没有考虑被测电流的磁场分布，且传统制造工艺无法满足前述设计要求，使得绕线加工公差、载流截面形态及位置变化等因素对互感系数产生直接显著的影响，导致所设计的线圈粗放、宏观和不完备，基于现代最高精度绕线工艺制成的空芯线圈最多只能满足0.2级测量要求，批量生产的一致性误差为3-5％，空芯线圈的互换性差，抗干扰能力不足。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种制作高性能匝均衡空芯线圈的方法，其目的在于减小加工公差、载流体截面变化、外界干扰磁场等因素对空芯线圈互感系数的影响，极大提升空芯线圈批量生产的一致性和产品的互换性，增强空芯线圈在电流测量时的抗干扰能力，提高测量的准确度。本专利技术提出的一种制作高性能匝均衡空芯线圈的方法，，包括如下步骤：(1)获取被测电流磁场分布情况；(2)根据所测电流磁场分布情况，通过计算找出环绕被测电流的闭合连续可导的曲线集，该曲线集中任一条曲线满足其上任一点磁感应强度大小相等，且其上任意点磁感应强度矢量方向与该曲线在该点的切线方向重合；(3)根据应用场合空间要求，从满足步骤(2)条件的曲线集中，选择一条最接近线圈尺寸的曲线；(4)在垂直于所述曲线方向上，等间距在曲线上取N个点；(5)根据步骤(4)选出的点，制作单匝或多匝绕组，要求所有绕组均垂直于步骤(2)所述曲线在该点的切线；(6)将各匝绕组顺序串联在一起，完成空芯线圈制作。进一步的，所述磁场分布可以借助电磁学理论解析法或者数值模拟方法得到，中心轨迹线为闭合连续可导的曲线，其可为圆形、椭圆形或者其他任意形状。进一步的，所述N越大，线圈精度越高，但线圈定位与加工的工程实施难度越大，实践中根据性能要求和工程难度权衡；进一步的，所述线圈还包括骨架，所述骨架以最优化的中心轨迹线为依据确定，中心轨迹线垂直于线圈骨架的任意横截面，且中心轨迹线与任意横截面的交点为该横截面的中心点，骨架横截面的形状一般为圆形或方形，也可是椭圆、多边形等其他形状，所述线圈绕制在该骨架上。进一步的，所述线圈中被测电流在线圈骨架中任意点处产生的磁感应强度大小接近，骨架中磁感应强度的最大值与最小值控制在5％以内，以保证空芯线圈的高精度、高稳定度和抗干扰能力。进一步的，所述空芯线圈成型由骨架确定，空芯绕组匝数N取决于线圈骨架的尺寸、理想互感系数、内部阻抗、分布电容；N值越大性能越好；但N越大，工程实施难度越大，N匝绕组可以以单匝或多匝为单位均匀的分布在线圈骨架上，可以绝对均匀也可以分组均匀。进一步的，所述线圈骨架与线圈绕组的成型方式可以是手工绕制，也可借助绕线机、电镀等工艺实现，或者采用印刷电路板工艺、3D打印等一体成型实现。本专利技术基于等磁感应强度中心轨迹线定位技术，形成一种巧妙的空芯线圈设计思路与制备方法，以“匝均衡”为准则约束空芯线圈的绕线分布，可显著减小加工公差、载流体截面变化、外界干扰磁场等因素对空芯线圈互感系数的影响，提升空芯线圈批量生产的一致性和产品的互换性，增强空芯线圈在电流测量时的抗干扰能力，扩展空芯线圈电流互感器的应用领域。本方法主要适用于刚性骨架空芯线圈，与传统方法有所不同，本专利技术提出的“匝均衡”空芯线圈的形态不局限于圆环形，线圈绕组中心轨迹线可是椭圆、三角形甚至于任意形状，利用电磁场数值计算方法获得被测导线周围空间磁场分布规律，以“匝均衡”准则确定绕组中心轨迹线，如此一来，线圈的匝与匝之间存在互换性，能够显著提高空芯线圈的性能。本专利技术具有以下技术效果：本专利技术突破了以往空芯线圈仅考虑几何参数的简单化粗放化设计方法，解决了特定条件下空芯线圈最优化设计难题。与按照传统方式设计的空芯线圈相比，匝均衡空芯线圈互感系数的稳定性可提高一个数量级，配合一体成型精密加工工艺和多种骨架线圈成型新工艺，可制备出高精度空芯线圈，批量一致性高、互换性好、抗干扰能力强，从而显著提高空芯线圈的测量准确度，以适应工业现场电流测量需求。附图说明图1为空芯线圈结构原理图；图2为匝均衡空芯线圈构成要素图；图3为匝均衡空芯线圈中心轨迹线示意图；图4为匝均衡空芯线圈绕组布置示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。总体上，本专利技术的“匝均衡”空芯线圈实施方法如图2所示，实施过程涉及到载流体1、电流磁场分布2、线圈中心轨迹线3、铁磁物质4、线圈骨架5、线圈绕组6、线圈最大直径7、线圈回线8，与传统空芯线圈设计采用的较笼统的“三大基本原则”(足够多匝的绕线在一定大小闭合非铁磁材料骨架上均匀分布；每一匝绕线的形状完全相同；绕线平面垂直骨架包络线在该点的切线)粗放而笼统的设计思路不同，“匝均衡”空芯线圈讲究量化，旨在最优化线圈绕组分布与定位，使得匝与匝之间有近似互换性。若匝与匝之间可互换，通过概率与统计理论可以证明：如表1所示，空芯线圈的机械加工公差概率分布为正态分布，标准差为σ，N匝绕组构成的空芯线圈的理论互感系数与实际互本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作高性能匝均衡空芯线圈的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取被测电流磁场分布情况；(2)根据所测电流磁场分布情况，通过计算找出环绕被测电流的闭合连续可导的曲线集，该曲线集中任一条曲线满足其上任一点磁感应强度大小相等，且其上任意点磁感应强度矢量方向与该曲线在该点的切线方向重合；(3)根据应用场合空间要求，从满足步骤(2)条件的曲线集中，选择一条最接近线圈尺寸的曲线；(4)在垂直于所述曲线方向上，等间距在曲线上取N个点；(5)根据步骤(4)选出的点，制作单匝或多匝绕组，要求所有绕组均垂直于步骤(2)所述曲线在该点的切线；(6)将各匝绕组顺序串联在一起，完成空芯线圈制作。

【技术特征摘要】
1.一种制作高性能匝均衡空芯线圈的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取被测电流磁场分布情况；(2)根据所测电流磁场分布情况，通过计算找出环绕被测电流的闭合连续可导的曲线集，该曲线集中任一条曲线满足其上任一点磁感应强度大小相等，且其上任意点磁感应强度矢量方向与该曲线在该点的切线方向重合；(3)根据应用场合空间要求，从满足步骤(2)条件的曲线集中，选择一条最接近线圈尺寸的曲线；(4)在垂直于所述曲线方向上，等间距在曲线上取N个点；(5)根据步骤(4)选出的点，制作单匝或多匝绕组，要求所有绕组均垂直于步骤(2)所述曲线在该点的切线；(6)将各匝绕组顺序串联在一起，完成空芯线圈制作。2.根据权利要求1所述制作方法，其特征在于，所述磁场分布借助电磁学理论解析法或者数值模拟方法得到，中心轨迹线为闭合连续可导的曲线，包括圆形、椭圆形或者其他任意形状。3.根据权利要求1所述制作方法，其特征在于，所述N越大，线圈精度越高，但线圈定位与加工的工程实施难度越大，实践中根据性能要求和工程难度权衡。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红斌，陈庆，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42