一种基于印刷电路板的钳形双绕组空芯线圈制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于印刷电路板的钳形双绕组空芯线圈，该空芯线圈由若干块首尾串联的ＰＣＢ组成，每块ＰＣＢ根据被测导线的形状来设计其长度，且每块ＰＣＢ具有相同的厚度和宽度。每块ＰＣＢ上都有两组互相平行且沿各ＰＣＢ中线上、下对称分布的各成回路的导电布线，分别构成上、下对称的两个绕组，上下绕组的导电回路布线方向相反。绕组的对称分布可有效的降低外界电磁场的干扰，该结构的空芯线圈外形可灵活变化，体积小，安装时不需断开被测导线，非常适合被测导线外形不规则的应用场合。与已有的空芯线圈结构相比，线圈中的磁场更均匀，绕组更密集，测量的准确度更高，抗外界电磁场干扰的能力更强。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种测量磁场或电流的空芯线圈，又称为Rogowski线圈，具体地说，是一种利用印刷电路板(Print Circuit Board，以下简称PCB)制造的钳形双绕组空芯线圈。
技术介绍
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。空芯电流传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，否则将引入较大的测量误差，这对绕制工艺提出了较高的要求。因此，采用传统线圈绕制方法制作的空芯线圈，理论上设计精度最高可达到0.1％，实际应用时通常为1-3％(见Kojovic Ljubomir.Rogowskicoils suit relay protection and measurement.IEEE Computer Applications in power，1997，10(3)47-52)。这样的准确度难以满足测量的要求，而且制作时由于工艺所决定的性能分散性更难以避免，这是空芯线圈至今没有产业化的重要原因之一。对比文件1(JP特开2000-228323A)采用PCB技术设计空芯线圈，和传统空芯线圈绕制方法比较，提高了空芯线圈的测量精度和抗外界电磁场干扰的能力。对比文件1提出理想空芯线圈的四点特性，“参见专利技术的详细说明中的 段”，采用了一种主要的技术手段来改善其抗干扰性能，即每个线圈由若干对呈镜像的印刷电路板串联而成，当有垂直于印刷电路板方向的外界磁场穿过线圈时，该磁场在呈镜像的两块印刷电路板上感应的电势互相抵消，从而大大的减小了垂直于PCB板方向的磁场对测量结果的影响。对比文件1中的第5实施技术手段中，提出了将数块呈镜像的电路板形成的绕组进行串联，并指出上述串联的作用效果是使得空芯线圈的输出电压按照印刷电路板的块数成倍增加，后又进一步解释这样作的目的是可以很容易的调节灵敏度，并可以同时防止外部磁场对电流测量的影响。但该空芯线圈结构存在以下缺点 1、对比文件1中的空芯线圈结构是针对被测电流导线的形状为圆形设计的，在被测导线形状不规则时，被测磁场分布发生变化，不再是以被测导体为中心的均匀圆形分布，将被测导线穿过空芯线圈的中心孔后，被测电流产生的磁场的中心不再位于线圈的几何中心，测量精度将下降。2、对比文件1中以一整块PCB板形成一个绕组称为1号PCB板，再用与其镜像对称的2号PCB板串联共同构成1个空芯线圈，如果被测导线截面较大且形状不规则(例如在Tokomak中用于320kA的脉冲电流测量装置，被测导线直径约为1.2米，且边缘为不规则的六边形，导线的截面图如图1所示)，该结构在设计和安装时均难以实现，因为直径1.2米的印刷电路板加工难度大，且造价很高。同时，由于对比文件1中1号PCB板和2号PCB板均为整块PCB，所构成的空芯线圈现场安装时必须断开被测导线。3、当被测电流较小时，对比文件1中的空芯线圈须数块叠加，将各块PCB上的绕组串联，提高测量的灵敏度，这样将使得空芯线圈体积较大，应用场合受限。4、抗电磁干扰的能力有待提高。对比文件1中单块印刷电路板上的刻线均指向圆心，那么，被测电流产生的磁力线所穿过的单位长度上的线圈的匝数不是固定不变的，距离圆心近的磁力线穿过的单位长度上的线圈匝数较多，而距离圆心远的磁力线穿过的单位长度上的线圈匝数较少。这种结构与理想的空芯线圈的模型有很大的出入，势必影响线圈抗外电磁场干扰的能力。并且对比文件1的技术手段仅仅是减小了垂直于印刷电路板方向的外界磁场的干扰。实际上由于外界干扰磁场是复杂的，方向是不确定的，仅仅考虑减小垂直方向的磁场干扰是不够的，必须采取更多的有效措施减小平行于PCB板方向的磁场对测量的影响。此外，由于在PCB的设计和加工过程中存在一定的误差，做到绕线绝对均匀是不可能的，当存在平行于外界磁场的干扰时，将直接引入测量误差，这是对比文件1的技术手段没有考虑的。5、当垂直于印刷电路板方向的外界干扰磁场穿过对比文件1连接板上的串联回路时，由于没有设计绕行方向相反的回线，将破坏对比文件1中 段描述的空芯线圈第b点的理想特性，这是对比文件1中没有提及的，此时外界磁场将引入测量误差。总之，对比文件1中采用PCB技术设计的空芯线圈结构，抗电磁干扰的能力有待提高，不适合被测导线形状不规则、被测电流较大的情形，且由于线圈由整块PCB构成，不能够实现灵活的拼装，现场安装时必须断开被测导线。被测电流较小时，须数块叠加，体积较大。
技术实现思路
本技术的目的在于克服对比文件1中设计的结构的不足之处，提供一种采用印刷电路板构造的新的钳形双绕组空芯线圈，该结构的空芯线圈抗电磁干扰能力更强，测量精度更高，安装时不需断开被测导线，适用于任何外形的被测载流导线的现场安装，空芯线圈体积也大为降低。本技术提供的一种空芯线圈，包括线圈骨架和二次绕组，所述线圈骨架为根据被测导线形状灵活设计的数块PCB首尾串联而成，每块PCB上都有两组互相平行且沿各PCB中线上、下对称分布的各成回路的导电布线，每块PCB上的上导电布线围绕被测导线用软连接线首尾串联成导电回路，构成上绕组；每块PCB上的下导电布线围绕被测导线首尾串联成导电回路，构成下绕组，上、下绕组的导电回路布线方向相反；再将上、下绕组的任意一端作为尾端用软连接线串联连接，上、下绕组的其余一端作为首端，用做输出信号引出线的两个端点。所有PCB上的双面导电布线、每块PCB之间的串联软导线，以及信号引出线串联构成所述二次绕组。与对比文件1中设计的结构相比，本技术的空芯线圈具有以下优点1、各块PCB的形状可根据不同外形的载流导线的磁场分布变化，但各块PCB1的厚度、宽度及导电布线的密集度须保持一致。例如当被测导线为五边形时，可采用5块PCB构成，如图3示，被测电流产生的磁力线穿过本技术的空芯线圈的单位长度上的绕行匝数恒定，与理想的空芯线圈的模型基本一致，故测量精度高；2、如图2示，本技术的空芯线圈有多块PCB上的导电回路串联而成，输出信号引出线的两个端点10、11在同一块PCB1上，如图3所示，可实现空芯线圈沿载流导线外表面的灵活“贴身”安装，故安装时不需断开被测导线，适用于任何外形的被测载流导线的现场安装；3、本技术提供的空芯线圈厚度一般约为1～6mm，可实现线圈与导线的“贴身”安装，大大减小了空芯线圈占用的空间。以
技术介绍
中提到的导线为例的安装图如图3所示，印刷电路板的厚度约为3mm，体积较小，节省空间；4、与对比文件1中设计的结构相比，本技术的空芯线圈的绕线截面积较小，线圈中的磁场强度更均匀，被测电流产生的磁力线单位长度上穿越的绕线匝数可保持恒定，与理想的空芯线圈的模型更吻合，因此，本技术的空芯线圈绕线可更密集、均匀度更高，如图4所示，提供更强的抗外界磁场干扰能力。如图4a、图4b所示，由于本技术制作的空芯线圈由上、下两对绕组组成，两对绕组都构成了闭合的曲线，所以沿水平方向的投影几乎为零，包括XZ平面和XY平面，则线圈对水平方向的外界干本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于印刷电路板ＰＣＢ的钳形双绕组空芯线圈，其特征在于：由若干块首尾串联的印刷电路板组成，每块印刷电路板根据被测导线的形状来设计其长度，且每块印刷电路板具有相同的厚度和宽度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李红斌，
申请(专利权)人：武汉天任光电互感器有限公司，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]