专利名称：用于交流电流传感器的改进的线圈的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及交流电流传感器，具体地说，涉及交流电流传感器的一种经改进可成形的线圈。
美国专利5,057,769公开了一种无需切开或折断导线就可检测和测定导线中的交流电流(AC)的交流电流传感器。这种交流电流传感器的主线圈呈U字形，形成测量凹口，测定时，待检测传送交流电的导线即安置在测量凹口中。按照现有技术，主线圈一般采用单层导线绕组绕制成的空气芯子长螺旋线圈。此外，为减小传感器误差从而提高测量精确度并抑制外电场的影响，主线圈还采用绕制得使中间线匝区和单位长度的线匝数沿主线圈的整个长度均匀分布。
电流传感器的主线圈为单层导线绕制的长螺旋形线圈有下列一些缺点。参看附图的
图1所示的实例。长度为L的线圈由单层绝缘层线绕制成，各线匝紧挨着前面的线匝。绝缘被覆层直径或厚度的任何变化或毗邻的各线匝间间隙的任何变化都会使单位长度的线匝数不一致，导致传感器误差。此外，线圈在传感器制造过程中弯制成U字形时，导线的中间线匝区和单位长度的线匝数就难以保持一致了。若弯度过大，线匝往往会在转变处弹出。若弯曲处有弯结，或弯曲半径不顺当，会使传感器产生误差。此外，单层主线圈一旦形成其最终形状并放入传感器中就位，为避免传感器误差，必须保持主线圈的形状和位置。单层线圈有关的另一个问题是，各线匝由于导线的抗拉强度，就位时不能完全平放，从而使线圈制成后在长度方向上略为松开。线圈绕在圆柱形芯子上时，可以看到这个松开现象以成品线圈在直径方向略为膨胀的形式表面出来，而线圈绕在矩形或扁平芯子上时，可以看到线圈在整个长度方向上明显扭曲或挠曲。制造电流传感器时，主线圈的形成和就位必须反复进行，以便可以快速简单地制取任意要求数量的电流传感器。
现有技术试图解决一些这类问题的作法是将主线圈在弯制成所要求的形状之前绕在一定长度的软塑料直管上。主线圈由于在长度的精确度方面不太重要，因而可以制成尽可能长，而使线匝直径较小，以便保持弯曲半径的平滑和中间线匝区和单位长度线匝数的一致性。对这种方案的比较评定是，测量灵敏度下降了。美国专利5,057,769公开的一种线圈是将30AWG(美国线规)双绝缘磁导线以每英寸90匝的额定值单层绕制在16.5英寸长的1/4英寸直径芯子上。
为将手持式测量仪表的线圈长度缩短到4英寸以下并提高测量灵敏度和精确度且提高电流传感器的工艺性，最好不受现有技术的限制采用尺寸较小可形成所要求形状的主线圈。解决这个问题的办法是采用线规较细的导线(直径较小)多层绕制到所要求的匝数。
在第一层上绕制第二层来增加匝数从而提高灵敏度的作法给制造上带来一些问题匝数难以控制，而且第二包层的线匝可能会陷入第一层各相邻线匝之间形成的间隙中。此外，即使能绕制成第二包层，但线圈制成U字形会使线圈线匝围绕弯曲部分的弧形面扭曲。即使用塑料带或塑料条之类的某些加强条沿线圈长度方向粘附到线圈内侧，要制取稳定、可成形的线圈仍然有问题。
本发明是将线圈的各线匝多次双向绕制，各方向的次数是经过选择的，以便填补任何间隙，使线匝达到所要求的总匝数，从而获得高度精确以及高度抑制外部电场的稳定的、可成形线圈。根据所要求的线圈长度和匝数，可以确定各圈的间距、每次绕制的匝数、所需要的绕制次数和线规，从而形成稳定的螺旋绕制线圈。一个最佳实施例是将线圈绕制在可卸芯子上，便于线圈从芯子上卸下，各方向绕制的次数相等，因而误差消除了。
因此，本发明的目的是提供交流电流传感器的一种经改进的线圈。
本发明的另一个目的是提供性能特性以改进、易于形成所要求形状的一种传感器线圈。
本发明的另一个目的是提供一种易制造经改进的线圈。
本发明还有一个目的，即提供采用可卸绕制芯子的传感器线圈可反复进行的制造方法。
结合附图阅读下面的说明，本技术领域的普通技术人员可以清楚理解本发明的其它目的、特点和优点。
图1示出了现有技术的电流传感器主线圈。
图2示出了本发明导线单向绕制的部分线圈。
图3示出本发明导线双向绕制的部分线圈。
图4示出了本发明传感器线圈成品的平面圈。
图5示出了呈实际使用时所要求形状的传感器线圈成品。
图6示出了芯子组件连同线圈成品的部件分解透视图。
图7示出了本发明制取传感器线圈的芯子组件一端的剖视图。
参看附图的图2。可以看到导线12以等间距P单向绕制在芯子14上，从而可以制取稳定的多层螺旋绕制线圈。这种线圈的总长度L、芯子周边、线匝间距P、线匝数T、层数(或次数，沿一个方向绕制叫一次)和线规等这些各种不同的因素之间，存在着一定的关系。经验证明，角φ≌7度时，线圈的机械性能稳定。假设P＝2sinφ，则换算成P和D的关系时，P≈0.25D，其中D为芯子的直径。
举例说，假设想制取4英寸长。半英寸内径、2000匝数的线圈，以达到所要求的对流经导线的电流所产生电场的灵敏度。设P＝0.125英寸，则每次绕制4英寸的匝数为32。但2000除以32等于62.5次。若次数调到62(偶整数)，则4英寸长线圈需要32.25的匝数，从而使间距等于0.124英寸而不是0.125英寸，这还是合理的。要使导线在各方向上100％充满间隙从而将间隙消除掉，可将0.124英寸除以31得出0.004英寸的导线最大直径。查一下美国线规(AWG)表，可以看到38号AWG线规在室温下的数值为.003965英寸，因而选取38号AWG导线。这个简单举例说明了各因素之间的相互关系，以便可轻易确定任何要求尺寸的线圈。
图3示出了本发明的部分线圈，其中导线12第一次从左向右绕制，接着第二次从右向左绕制。这里举例要说明的是，除在各交叉点16外，导线都是紧挨着芯子敷设的。应该指出的是交叉点每次绕制时在不同位置，因而可以保持均匀的厚度。因此，说到多层线圈时，“多层”并不是指每次绕制在一层中得出的成堆线层。
图4示出了本发明一个最佳实施例线圈成品18的平面图，其中所有的间隙都填补过。线圈的绕制次数是偶数，因而导线的端部20和22都处在线圈的同一端。这样做为的是线圈最后形成时，容易电气接线。此外，绕制次数取偶数，一个方向上绕制过程中产生的任何误差可以为反方向绕制过程中产生的反向误差所抵消。
图5示出了制成所要求的工作状态的传感器线圈成品18。必须时可以采用塑料套管24，这有助于保持最终形状。套管24可简单地将塑料带在线圈还处在芯子上时包绕到线圈臂上制取。但我们发现，线圈按这里所述的方式制取时容易形成任何所要求的形状而改变中间线匝区或单位长度的线匝数。线圈绕制成圆柱形还是圆形，在形状上是没有要求的，但也可提出要求。这样，线圈绕制所在的芯子确定了线圈的形状，这可以是圆的，方的或甚至是扁平的。这里的准则是，无论芯子取什么形状，沿芯子长度方向的横截面积应保持不变，使得沿线圈成品方向的中间线匝区不变。
图6示出了可卸芯子组件在卸除状态下连同线圈成品的部件分解透视图。芯子30有一个近端32、柱体34a，34b和一个远端36，近端32是为插入绕线机的夹具中而设计的，柱体34a，34b上准备绕制线圈。柱体34a，34b有一个纵向槽38，从头向尾逐渐变窄，将两半柱体34a，34b在远端36凑到一起。这样在拆卸状态下，芯子30绕有线圈的柱体部分呈锥形。
销子40有一个压花的钮头42。销子40的作用是插入远端36的沟槽44中将柱体34a，34b的端部撑开，形成线圈绕组的形状。参看图7可以更好地理解这一点。从图7中可以看到芯子组件30供制取本发明传感器线圈的远端的剖视图。销子40插入端部36时，两半柱体34a，34b彼此平行，因而使柱体34a，34b在柱体整个长度方向上的横截面积不变。如上面说过的那样，柱体34a，34b不一定非要圆柱形不可，可以取任何所要求的形状，根据待制取线圈的要求而定。为协助确定绕制线圈的长度，可采用象橡皮或塑料之类的弹性材料制成的挡块46。在绕制过程中，可以将两个这样的挡块46套到线圈端部，一端一个。这些挡块要够厚，以防导线一直绕到挡块上。要卸下线圈成品，可以从端部36卸下销子40，再将挡块46滑离芯子，接着就可以将线圈从芯子上卸下。如果固定线圈端部时不使用挡块46则可以在芯子的线圈端部分加些纹路以便使导线能在线圈端处抓住芯子。加纹路的方法可以是用砂纸将芯子表面稍微磨一磨或搞粗。
我们用上述方法制造了一些传感器线圈并加以测试，在测试过程中意外地发现了这样的好处抑制外来电场进入内部的能力达40∶1的水平。就是说，测定安置在马蹄形圈内特定导线中的电流时，线圈外的任何场对测定中的场的影响只有2.5％。
装有按本发明制取的线圈的产品目前还没有上市，制造出来经测试合乎上述要求的技术规范和结果的线圈，总长3.68英寸，绕制在横截面积为0.480×0.110的芯子上，绕制使用的导线为38号AWG磁导线，绕制次数84次，间距0.1584英寸，每次绕制23.23匝，总共1956匝。按其它尺寸和标准(例如，减少总匝数，绕制次数少到20或40次)制取的其它线圈也表现良好。
上面已就本发明的最佳实施例示范和说明，但本技术领域的行家们都知道，在广义上不脱离本发明观点的前提下是可以对上述实施例进行种种更改和修改的。因此，所附权利要求书应视为包括所有这些属于本发明真实范围内的更改和修改。
权利要求
1.一种经改进的交流传感器线圈，包括绕制成一定长度的导线，方法是将所述导线在相反方向上多层绕制，形成预定数目的线匝，各线匝的中间线匝区和沿长度方向单位长度的线匝数都保持不变；其中，所述导线的双向多层绕制是沿斯述长度方向多次绕制进行的，使每次绕制时各毗邻线匝的间距不变，从而每次绕制都有间隙产生，而这些间隙在以后几次的绕制过程中都填补上。
2.如权利要求1所述的经改进交流传感器线圈，其特征在于，在每个方向上具有相等数量的间隙。
3.如权利要求1所述的经改进交流传感器线圈，其特征在于，所述导线的直径通过将各线匝的间隙除以一次绕制的线匝数确定。
4.如权利要求1所述的经改进交流传感器线圈，其特征在于，所述线圈绕制在可卸式芯子上。
全文摘要
交流传感器的一种经改进可成型的线圈,其长度和线匝数都预定。线圈双向多次绕制,各方向的绕制次数预定,以达到可填补所形成的任何间隙和形成稳定螺旋形线圈的目的。最佳实施例采用了可卸式芯子,便于线圈从芯子上任意卸下。
文档编号G01R15/18GK1196487SQ98106069
公开日1998年10月21日 申请日期1998年3月3日 优先权日1997年3月17日
发明者C·R·詹森 申请人:弗兰克公司