一种制作高性能匝均衡空芯线圈的方法与流程

本发明本发明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。

背景技术：

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U_o＝K·U_i/(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U_o＝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。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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。

本发明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。

本发明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，本发明提出的“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。

本发明具有以下技术效果：

本发明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

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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，本发明的“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感系数分别为M*和M，两者之间的偏差也满足正态分布，标准差为σ/N，若匝数N取值足够大，则实际互感系数M的大小无限接近于M*，如此一来，加工公差的影响被消除，互感系数的稳定性增强，批量生产一次性和产品互换性得到提升。

具体地，本实施例具体实施如下：

1.确定匝均衡空芯线圈中心轨迹线。为了保证匝与匝之间的近似互换性，空芯线圈的每一匝所处空间的磁感应强度必须相等。本方法首先要获得被测电流周围空间磁场的分布规律，从图3可以看出，不同的载流体1产生的电流磁场分布2是不同的，在外围空间是否存在铁磁物质4对电流磁场分布2也影响显著。本实施例综合考虑载流体1和铁磁物质4等因素的基础之上计算出被测电流的磁场分布2，结合测量现场情况确定线圈最大直径7。

2.匝均衡空芯线圈绕组分布与成型。依据最优化的线圈中心轨迹线3设计线圈骨架5，其截面可为方形、圆形或其他对称形态，中心轨迹线3垂直穿过骨架截面的正中心。线圈骨架5尽量选取的较小，具体数值参考电流磁场分布2来确定，一般而言，线圈骨架5中所有点处被测电流产生的磁感应强度最大值与最小值的偏差不超过5％为宜。线圈绕组6均匀分布在线圈骨架5上，其匝数N由互感系数M的目标参数来确定，计算公式见背景技术中的公式(1)，N的取值不宜太小，只有N足够大，匝均衡空芯线圈的批量一致性和产品互换性才能得到保障，线圈的组成结构如图4所示。匝均衡空芯线圈的绕组成型方式可多种多样，可以手工将绕线固定在骨架上，也可以通过绕线机来完成，也可以寻求腐蚀、喷涂、电镀等工艺，甚至采用印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)技术和3D打印技术等先进的一体成型方法。值得说明的是，不论采用何种成型方法，回线在匝均衡空芯线圈的设计与制备中也是必须的。

3.机械加工公差的消除。“匝均衡”设计过程先确定了最优化线圈中心轨迹线3，并形成了线圈骨架5和线圈绕组6完备空间描述，这种先进的设计方法通过约束条件最大限度的保证了空芯线圈匝与匝之间的互换性。如表1所示，假设空芯线圈的机械加工存在一定的公差，其概率分布为正态分布，标准差为σ，若线圈绕组6的绕组数量为N，理论互感系数为M，机械加工公差的存在势必引起实际空芯线圈互感系数M*与M之间存在偏差，可以通过统计学来证明，若线圈绕组6的N匝绕组是等价的(磁感应强度近似相等)，具有互换性，则M*与M之间的偏差率也满足正态分布，标准差为σ/N。若匝数N取值足够大，则实际互感系数M的大小无限接近于M*，如此一来，加工公差的影响被消除，互感系数的稳定性增强，批量生产一次性和产品互换性得到提升。

表1：匝均衡空芯线圈抗干扰推导过程

4.抗干扰能力的提升。本实施例提出的匝均衡空芯线圈设计制作方法保证了线圈绕组6匝与匝之间的互换性，二维闭合连续可导的线圈中心轨迹线3上任意处的空间磁感应强度大小相等，外界且线圈骨架5中任意一点处被测电流产生的磁感应强度的大小偏差不超过5％。根据安培环路定律：外界干扰磁场对空芯线圈的影响可最大程度的减小，而载流导体中心位置的小幅度变化不会从根本上改变匝均衡前提，因此载流导体中心位置等因素对互感系数M的影响也将显著减小。在不改变现有机械加工公差、不增加额外苛刻的限制措施的基础之上，“匝均衡”理论使得高精度空芯线圈的设计与制备成为了可能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。