专利名称：一种空芯线圈及其制备方法
技术领域：
本发明属于一种测量磁场或电流的传感器，具体地说，是一种利用印刷电路板制造的空芯线圈。
背景技术：
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，空芯线圈已经完全适用于电流测量，并有逐渐取代现有的传统电流互感器的趋势。
空芯线圈中，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。与传统电流互感器不同，由于它不是直接测量电流，即使被测电流含有很大的直流分量，仍然不会饱和，因此近年来空芯电流互感器开始应用于继电保护和测量。
空芯线圈的测量原理如图1所示，整个线圈均匀地绕在一个环形的非磁性骨架上。由全电流定律和电磁感应定律可得到空芯线圈感应电压e(t)为e(t)=-dΨ(t)dt=-Mdi(t)dt]]>=-μ0Nh2π1nRaRi·di(t)dt]]>式中ψ(t)为磁链，M为空芯线圈互感，i(t)为一次侧电流，μ0为真空磁导率，N为线圈匝数，h为线圈骨架高度，Ra为骨架外径，Ri为骨架内径。
测量回路的等效电路如图2所示。其中R0是线圈的内阻，Rc是外接积分器的输入阻抗，L是线圈的自感，其大小为L=μ0N2h2π1nRaRi=N·M]]>
Rc一般都在数万欧姆，R0只有数十欧姆，所以i(t)很小，uout与e(t)非常接近。通过积分器可以将e(t)的波形还原成M*i(t)的波形，M为常数，进行运算就可以得到i(t)的准确值。
对于稳态下的正弦电流，空芯线圈的输出电压可以表示为E＝M×jω×Ip式中Ip为被测一次电流。
可以看到，空芯电流互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，这些对绕制工艺提出了较高的要求。
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％(参见Kojovic Ljubomir.Rogowski coilssuit relay protection and measurement[of power systems].IEEEComputer Applications in power，1997，10(3)47-52)。这样的准确度不能满足电力系统测量的要求，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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空芯线圈及其制备方法，以解决制造中存在的上述问题，使空芯线圈易于批量生产，并保证批量生产时性能的可重复性。
本发明提供的一种空芯线圈，包括线圈骨架和二次绕组，其特征在于所述线圈骨架为开有中心通孔的主印刷电路板，在主印刷电路板上向心均匀分布有完全相同的副印刷电路板，它们均垂直于主印刷电路板；副印刷电路板上有成回路的导电布线，主印刷电路板上的导电布线为其上的各副印刷电路板提供串联回路，主印刷电路板的正、反二面的导电布线方向相反；所有副印刷电路板上的导电布线和主印刷电路板上的双面导电布线以及信号引出线串联构成所述二次绕组。
上述空芯线圈中，当主印刷电路板的一面上安装有副印刷电路板时，主印刷电路板该面的导电布线为各副印刷电路板提供串联回路，另一面的导电布线与副印刷电路板的串联回路反方向布线，形成回线。当主印刷电路板的两面均安装有副印刷电路板，主印刷电路板两面的导电布线分别为安装在该面的各副印刷电路板提供串联回路，但主印刷电路板反面的导电布线为安装在主印刷电路板反面的副印刷电路板提供与主印刷电路板正面安装的副印刷电路板绕行方向相反的串联回路。
制备上述空芯线圈的方法，其步骤为(1)、根据被测电流大小，设计主印刷电路板上中心通孔的大小、副印刷电路板的数量及其回路线的形状；根据副印刷电路板的尺寸及安装方式设计主印刷电路板的正反面布线图；(2)、根据上述设计的方案制作主印刷电路板和副印刷电路板；(3)、将副印刷电路板均匀、垂直安装在主印刷电路板的正反两面或设计好的一面上，使得所有副印刷电路板上的回路线和主印刷电路板上的导电线、引出信号线共同构成一个围绕被测量导体的回路。
本发明采用印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)制作空芯线圈，是一种与以往完全不同的结构与制备方法。从原理上来说，采用印刷电路板制造空芯线圈可以做得非常精确，其线圈的绕制完全是用PCB实现的，易于满足空芯线圈互感系数M为常数的三个条件，并且测量准确度高，加工非常简单，自动化生产程度高。它避免了手工或半手工绕制线圈造成的分散性，能保证生产的空芯线圈性能稳定和重复性好，特别适合准确标定和批量生产。
图1为空芯线圈的测量原理图；图2为空芯线圈等效电路图；图3.1-3.2为本发明的两种空芯线圈的结构示意图；图4.1-4.4为副印刷电路板的四种典型布线回路示意图；图5.1-5.2为两种副印刷电路板和主印刷电路板连接示意图；图6为本发明设计的空芯线圈的外观图(照片)。
具体实施例方式
如图3所示，基于印刷电路板的空芯线圈实际上是让二次绕组的绕线分段均匀。本发明的空芯线圈包括若干个完全相同的小印刷电路板制成的副印刷电路板1和一个双面布线的主印刷电路板2。主印刷电路板作为线圈骨架，若干个完全一样的小印刷电路板制成的副印刷电路板和主印刷电路板上的双面导电布线以及信号引出线串联构成二次绕组。主印刷电路板2和副印刷电路板1以跳针焊接或螺母固定。在主印刷电路板的中心开有通孔6，使得被测量的导线3可以从中穿过，导线应该垂直的穿过主印刷电路板的中心轴。按照具体的测量要求，线圈的输出可以接积分器4或不接积分器。
本发明使用的主印刷电路板和副印刷电路板对采用的印刷电路板本身没有特殊要求，只需其布线路径满足设计要求即可。
下面对各部分作进一步详细的说明1.线圈骨架的设计。主印刷电路板作为线圈骨架，但其作用除此之外，还要给副印刷电路板提供回路，使得它们围绕被测导体串联起来组成二次绕组，所以主印刷电路板采用双面板布线。当仅在其中任何一面上安装副印刷电路板时，该面的导电布线为副印刷电路板提供串联回路，另一面按照副印刷电路板的串联回路反方向布线，形成回线，如图3.1中的虚线所示；当主印刷电路板的两面均安装副印刷电路板时，主印刷电路板反面的导电布线为安装在主印刷电路板反面的副印刷电路板提供与主印刷电路板正面安装的副印刷电路板绕行方向相反的串联回路，如图3.2中的虚线所示。这两种方法均可以完全抵消垂直于主印刷电路板的磁力线对空芯线圈产生的干扰。
2.二次绕组的设计。二次绕组由若干个完全一样的小印刷电路板制成的副印刷电路板和主印刷电路板上的双面导电布线及信号引出线串联组成。副印刷电路板的作用是感应被测导线电流产生磁场变化所引起的电势。副印刷电路板的精确与否直接影响到空芯线圈的性能，如图4.1-4.4所示，为了感应足够的电动势，在每块副印刷电路板上布置规则或不规则的回路线，这样等价于增加匝数。典型的回路线有螺旋回路线、圆形回路线、三角形回路线或矩形回路线。为了有效的抵御平行于主印刷电路板平面的磁力线产生的干扰，副印刷电路板应该均匀的分布在主印刷电路板上，保证其与主印刷电路板相垂直，并根据被测电流的大小设计副印刷电路板的数量。
3.安装工艺。主印刷电路板和副印刷电路板分开设计，安装时将其连接起来。副印刷电路板成向心均匀分布在主印刷电路板的一面或正反两面上。如图5所示，在主印刷电路板上有过通孔5或螺丝的螺通孔5，可用跳针插入过通孔5中，采用焊接的连接方法连接副印刷电路板和主印刷电路板，或者用螺母和螺通孔5的机械连接，固定副印刷电路板和主印刷电路板。连接时必须保证副印刷电路板与主印刷电路板的垂直。
上述设计可以容易地满足使互感系数M为常数的三个条件(1)采用的每个副印刷电路板是完全相同的，且在主印刷电路板上均匀分布安装，使得二次绕组的绕线分段均匀，线圈密度恒定；(2)采用主印刷电路板制成线圈骨架，骨架横截面积恒定；(3)主印刷电路板和副印刷电路板连接时，通过用弯跳针焊接，或用螺母连接，保证副印刷电路板与主印刷电路板的垂直，从而满足了线圈横截面与中心线垂直的条件。
上述空芯线圈的制备方法1、根据被测电流大小，设计主印刷电路板中心通孔6的大小、副印刷电路板的数量，副印刷电路板上回路线的形状，典型的回路线形状如图4所示。再根据副印刷电路板的尺寸和安装形式(单面或双面安装)，设计主印刷电路板正反面导线的布线方向。
2、根据上述设计的方案，采用现有的印刷电路板的制备工艺制作主印刷电路板和副印刷电路板。
3、如图6所示，安装时将副印刷电路板均匀分布在主印刷电路板的正反两面上，(或一面上，如图3.2所示)，使得所有副印刷电路板上的回路线和主印刷电路板上的导电线、引出信号线共同构成一个围绕被测量导体的回路。
4、具体安装方法如图5所示，在主印刷电路板上有过通孔5或螺丝的螺通孔5，可用跳针插入过通孔5中，采用焊接的连接方法连接副印刷电路板和主印刷电路板，或者用螺母和螺通孔5的机械连接，固定副印刷电路板和主印刷电路板。连接时必须保证副印刷电路板与主印刷电路板的垂直。
权利要求
1.一种空芯线圈，包括线圈骨架和二次绕组，其特征在于所述线圈骨架为开有中心通孔(6)的主印刷电路板(2)，在主印刷电路板(2)上向心均匀分布有完全相同的副印刷电路板(1)，它们均垂直于主印刷电路板(2)；副印刷电路板(1)上有成回路的导电布线，主印刷电路板(2)上的导电布线为其上的各副印刷电路板(1)提供串联回路，主印刷电路板(2)的正、反二面的导电布线方向相反；所有副印刷电路板(1)上的导电布线和主印刷电路板(2)上的双面导电布线以及信号引出线串联构成所述二次绕组。
2.根据权利要求1所述的空芯线圈，其特征在于主印刷电路板(2)的一面上安装有副印刷电路板(1)，主印刷电路板(2)该面的导电布线为各副印刷电路板(1)提供串联回路，另一面的导电布线与副印刷电路板(1)的串联回路反方向布线，形成回线。
3.根据权利要求1所述的空芯线圈，其特征在于主印刷电路板(2)的两面均安装有副印刷电路板(1)，主印刷电路板(2)两面的导电布线分别为安装在该面的各副印刷电路板(1)提供串联回路，但主印刷电路板(2)反面的导电布线为安装在主印刷电路板(2)反面的副印刷电路板(1)提供与主印刷电路板(2)正面安装的副印刷电路板(1)绕行方向相反的串联回路。
4.根据权利要求1、2或3所述的空芯线圈，其特征在于在该空芯线圈的输出端连接有积分器(4)。
5.根据权利要求4所述的空芯线圈，其特征在于副印刷电路板(1)上的导电布线为有规则的回路线。
6.根据权利要求5所述的空芯线圈，其特征在于所述回路线为螺旋回路线、圆形回路线、三角形回路线或矩形回路线。
7.一种制备权利要求1所述空芯线圈的方法，其步骤为(1)、根据被测电流大小，设计主印刷电路板上中心通孔的大小、副印刷电路板的数量及其回路线的形状；根据副印刷电路板的尺寸及安装方式设计主印刷电路板的正反面布线图；(2)、根据上述设计的方案制作主印刷电路板和副印刷电路板；(3)、将副印刷电路板均匀、垂直安装在主印刷电路板的正反两面或设计好的一面上，使得所有副印刷电路板上的回路线和主印刷电路板上的导电线、引出信号线共同构成一个围绕被测量导体的回路。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于采用跳针焊接或用螺母将副印刷电路板固定在主印刷电路板上。
全文摘要
本发明公开的一种空芯线圈及其制备方法，空芯线圈的线圈骨架为开有中心通孔的主印刷电路板，在主印刷电路板上向心均匀分布有完全相同的副印刷电路板，它们均垂直于主印刷电路板；副印刷电路板上有成回路的导电布线，主印刷电路板上的导电布线为其上的各副印刷电路板提供串联回路，其正、反二面的导电布线方向相反；所有副印刷电路板上的导电布线和主印刷电路板上的双面导电布线以及信号引出线串联构成二次绕组。制备过程中主、副印刷电路板以跳针焊接或螺母固定。本发明自动化生产程度高，可避免手工或半手工绕制线圈造成的分散性，能保证生产的空芯线圈性能稳定和重复性好，特别适合准确标定和批量生产。
文档编号H01F41/06GK1554952SQ20031011162
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月22日 优先权日2003年12月22日
发明者李红斌, 陈庆, 张明明, 刘延冰 申请人:华中科技大学