专利名称：一种高磁导率Rogowski线圈的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量^f兹场或电流的传感器的线圈，具体地说，是涉 及一种基于印刷电路板(PCB)技术的带气隙铁芯的高^f兹导率Rogowski线圈。
背景技术：
现在，人们往往把Rogowski线圈局限于空芯线圏，线圈的骨架被理所 当然的定义为非磁性材料。毋庸置疑的是，空芯线圏有极大的动态范围， 在理论上甚至可以认为它永远也不会饱和，但是，空芯线圈也有着一个极 大的缺点，被测的额定电流为数百安培时，空芯线圈的输出电压约为数十 毫伏。空芯线圈作为电流测量装置与计量、显示等二次仪表连接使用的时 候，感应的电势信号必须通过相应的电路放大处理，而在设备数量相对庞 大的电力行业和工业界，为了节省成本和增加仪器的使用寿命，往往选用 无源的指针式二次仪表，此时，空芯线圈的驱动能力严重不足，其应用范 围受到了极大的限制。另外一方面，在被测电流很小也就是数安培时，一 般的空芯线圈的输出电势往往为数微伏，对这种微弱信号的处理是困难 的，往往得不到令人满意的效果，提高其感应电势的大小不失为一种巧妙 而有效的方法。提高感应电势的方法中，加大二次绕组的匝数是常见的一 种，但是,由于为了保证测量精度,Kojovic Ljubomir. Rogowski coils suit relay protection and measurement [of power systems]. IEEE Computer Applications in power ， 1997 ， 10 (3): 47 — 52,文中说明了 空芯线圏对二次绕组的绕制是有特殊要求的，匝数越多，越难以达到绕制 的要求，使得该方法受限。Rogowski线圈的设计是为了得到一个稳定的互感系数M，其表达式为式中，//为骨架材料的磁导率，^为线圈匝数，力为线圏骨架高度，&为 骨架外径，A为骨架内径。空芯线圏的骨架为非磁芯材料，其》兹导率为4ji*10—7,其相对,兹导率 为1。要提高Rogowski线圈的输出电势，提高骨架材料的相对磁导率是 一个非常有效的方法
发明内容
本发明的目的利用基于PCB板上电气布线取代传统手绕或机械绕制 的二次绕组的漆包线线圏，克服了具体生产中线圈绕制的烦瑣，排除了线 圏因漆包线掉漆短路或因漆包线断线而断路等隐患，此外，基于PCB板上 电气布线拥有很高的密集度和均匀度，试验证明，改造后的Rogowski线 圈线性度有较大的提升，产品的互感系数也更趋于一致。带气隙的 Rogowski线圏和基于PCB板的Rogowski线圈已经有相关的专利进行了报 道，但是这种将气隙铁芯和PCB技术相结合，既能够提高线圈的磁导率从 而增大输出的感应电势，同时也能够延续纯PCB板的生产简单、 一致性好 和可靠性高的优点的新型Rogowski线圈还未见报道，本发明涉及的 Rogowski线圈吸取了气隙铁芯线圈和纯PCB板的优势，有极大的应用价 值和推广空间。本发明提供了一种高磁导率Rogowski线圈，该线圈包括骨架和二次 绕组，骨架由带气隙的铁芯构成，二次绕组由一块或一块以上的PCB板构 成，每块PCB板上有电气布线组成的电气回路，骨架的铁芯中开有至少一 个气隙，PCB板均匀地放置在气隙中，并将所有的PCB板的电气回路首尾 串联，并引出两个感应电势的端子。所述线圈为一种测量交变或脉冲电流、不规则电流的线圈，被测载流 导线沿中心穿过该Rogowski线圈，二次绕组感应一定电势，该电势与禎: 测电流对时间的微分成正比；气隙的铁芯为圆形、矩形或不规则形状。线 圏骨架由带气隙的铁芯组成，该铁芯横截面处处相等、密度均匀，且用同 一材质制作，可以是硅钢片亦可是纳米晶、非晶或其它高磁导率磁性材料， 一个铁芯至少有一个气隙，为了获得最佳的测量效果， 一般以开偶数个气 隙为宜，每个气隙的长度相等且在铁芯长度方向上均匀分布，且每个气隙 的长度一般不宜超过铁芯横截面的等效直径。二次绕组的匝数根据被测量电流及所需输出信号的大小来定，二次绕 组由一块或一块以上PCB板构成，每块PCB板上有电气布线组成的电气回 路，每块PCB板上有若干匝线圈，PCB板的电气回路围绕该PCB板的几何 中心分别在PCB板的正面和反面均匀对称布线，再通过PCB板几何中心的 过孔将正、反面的布线构成一个电气回路。PCB板为长方形、正方形、圆 形、三角形或不规则形状，其上的电气布线的形状也为长方形、正方形、 圓形或三角形。PCB板为双面板或二层以上的板。PCB板放置在气隙中，将所有的PCB板首尾串联构成二次绕组；该 Rogowski线圈的输出信号正比于^皮测电流对时间的樣史分，其感应电势可
进行积分处理也可不经过积分处理，即该线圈既可带积分器工作也可独立 工作， 一般情况下，不规则的波形往往需要用积分器进行还原，规则的周 期波形如频率较稳定的正弦波往往不需要进行积分处理。本发明就是采用气隙铁芯来替代非磁性骨架，提高感应电势的大小， 本发明对二次绕组绕制的线圈采用基于PCB板上电气布线构造成为二次绕组的线圏，将一块以上电气布线的PCB板进行串行连接可有效增加绕线 的匝数从而提高输出的感应电势，将串联而成电气布线的PCB板放置在铁 芯的气隙中即构造了一个高磁导率的Rogowski线圈，简单易行，且一致 性有保障。总之，与已有的Rogowski线圈相比，本发明的Rogowski线圈主要具 有以下主要优点1、 采用气隙铁芯作为骨架材料，骨架的相对磁导率得到较大的提高， 输出信号可增大数十倍，信号的处理变得容易，此外，还为其与指针式二 次仪表配套使用提供了可能。2、 采用气隙铁芯作为二次绕线骨架，铁^磁材料具有聚^H乍用，骨架 中的磁感应强度几乎处处相等且远大于骨架外空气中的^t感应强度，所 以，本发明的Rogowski线圈不需要遵循空芯线圈中关于二次绕线绝对均 匀的原则，只需要保证二次绕线大致均匀的分布在骨架上即保证被气隙分 隔开的每段铁芯上都有大致相等数量的绕线即可。3、 每个气隙铁芯至少有一个气隙，为了获得最佳的测量效果， 一般 以开偶数个气隙为宜，且每个空气隙的长度相等且均匀分布，这种对称分 布的结构大大的减小了漏磁，保证了相对磁导率的恒定，且在被测电流较 大的情况下，可以通过增加气隙的数量来调整相对磁导率，保证线圈在正 常工作范围内不会使铁芯饱和。4、 由于气隙铁芯中的磁感应强度均匀，本发明的Rogowski线圈与空 芯线圈相比，受导线与线圈相对位置的影响小，抗外界电磁场干扰能力强。 对称的气隙分布还可改善被测导线与线圈相对位置对测量产生的影响，通 过限制每个气隙的长度可以进一步改善位置影响的问题,从而把位置影响减小到最小。5、 二次绕组的绕线由一块或一块以上PCB板上的电气布线组成的电 气回路串联构成，基于PCB板上的电气布线与采用漆包线绕制的二次线圈 相比，其可靠性更高，避免了因为漆包线掉漆或者断线带来的故障，此外， 基于PCB板上的电气布线可在一定程度上简化生产工艺、保证产品一致 性，且其线性性能和温度稳定性能均有一定程度的提高。
总之，与传统的基于变压器原理的电流互感器相比，本发明的Rogowski线圏主要具有以下主要优点1 、由于线圈的二次负载电阻远大于线圈绕组的自感系数的等效感抗 即自感系数与被测电流角频率的乘积，线圈的二次输出为与被测一次电流 对时间的微分成正比的感应电势，即线圈一般处于开if各工作状态，而传统 电流互感器的二次额定输出电流为5A或1A, —般处于短路工作状态或二 次负荷非常小， 一般为几欧姆或几十欧姆，因此本发明的线圈与传统的电 流互感器相比工作状态不同，无开路危险，更加安全。2、由于本发明的Rogowski线圈采用气隙铁芯作为骨架材料，在相同 被测电流和骨架材料、尺寸情况下，与闭合铁芯相比较，降低了铁芯中的 磁感应强度，因此与传统的电流互感器相比，拥有较小的体积和重量，将 大大的节省骨架铁^磁材料和二次绕组铜线的用量。
图1为本发明的结构示意图。图2为单块PCB板上典型电气布线及回路连接示意图。 图中1-铁芯，2-气隙，3- PCB板上电气布线构成的二次绕组， 4——次载流导线，5-二次绕组出线端子，6-单块PCB板出线端，7-PCB 板正面绕组绕线，8-PCB板反面绕组绕线，9-PCB板过孔，IO-PCB板体。
具体实施方式
本发明包括骨架和二次绕组，骨架由带气隙的铁芯构成，二次绕组由 一块或一块以上的PCB板构成，每块PCB板上有电气布线组成的电气回路， 骨架的铁芯中开有至少一个气隙，PCB板均匀地放置在气隙中，并将所有 的PCB板的电气回路首尾串联，并引出两个感应电势的端子。本发明的高磁导率Rogowski线圈采用气隙铁芯作为骨架，其目的是 为了增大其互感系数，使感应电势得到增强，采用基于PCB板上的电气布 线代替使用漆包线的二次绕组，使得生产工艺简单、产品可靠性高、线性 性能有所提升、 一致性更有保障，其具体的实施方式是1、气隙铁芯的设计。首先根据具体的应用环境主要是一次载流导线 的外形和物理尺寸确定Rogowski线圏骨架的外形和基本尺寸，包括骨架 的外径、内径和高度；接着，根据所测电流的频率范围确定铁芯的材料， 中低频一般采用硅钢片，对于特高频率的应用场合一般采用频率性能好的 材料，比如纳米晶或非晶等；最后，根据一次电流的大小选择气隙的个数， 电流越大，需要的气隙个数越多，骨架的物理尺寸越大，需要的气隙个数 越多，确定气隙的数量和每个气隙的大小的判断依据是， 一次载流导线上
通以额定电流时，骨架中的磁感应强度小于所选用铁磁材料的饱和磁感应 强度。2、 二次绕组的设计。由于采用的是气隙铁芯，二次绕线不需要遵循绝对均匀的原则，只要保证二次绕组均匀分布在气隙中即可。二次绕线的 匝数根据需要的二次输出电压来确定，步骤l中确定了气隙铁芯的具体参 数，从这些参数就可以得到气隙铁芯的相对磁导率和骨架截面积，根据相 对磁导率和骨架截面积就可计算出二次绕线的数目。3、 二次绕组的制作二次绕组由放置在气隙中的一块或一块以上的 PCB板及其PCB板上的电气布线形成的电气回路构成，每块PCB板上有电 气布线组成的电气回路，将所有的PCB板的电气回路首尾串联构成二次绕 组。例如，围绕该PCB板的几何中心分别在PCB板的正面和反面均勻对称 布线，再通过PCB板几何中心的过孔将正、反面的布线构成一个电气回路。4、 构成二次绕组的PCB板几何形状不限，可以是长方形、正方形、 圆形、三角形等，其上的电气布线的形状也可以是长方形、正方形、圆形、 三角形等；PCB板可以是双面板也可以是多层板，多层板在有限的空间内 可以得到较多的绕线匝数，可有效提高Rogowski线圈的互感系数从而提 高输出感应电势。
权利要求
1、一种高磁导率Rogowski线圈，该线圈包括骨架和二次绕组，骨架由带气隙的铁芯构成，二次绕组由一块或一块以上的PCB板构成，每块PCB板上有电气布线组成的电气回路，其特征在于骨架的铁芯中开有至少一个气隙，PCB板均匀地放置在气隙中，并将所有的PCB板的电气回路首尾串联，并引出两个感应电势的端子。
2、 根据权利要求1所述的高磁导率Rogowski线圏，其特征在于气 隙的铁芯为圆形或矩形。
3、 根据权利要求1所述的高磁导率Rogowski线圈，其特征在于气 隙的铁芯为不规则形状。
4、 根据权利要求1所述的高磁导率Rogowski线圏，其特征在于气 隙的铁芯橫截面处处相等、密度均匀，且用同一材质制作。
5、 根据权利要求1所述的高磁导率Rogowski线圏，其特征在于气 隙的铁芯为硅钢片、纳米晶或非晶高磁导率磁性材料。
6、 根据权利要求1所述的高磁导率Rogowski线圈，其特征在于气 隙的铁芯中开的气隙为偶数个气隙，每个气隙的长度相等且在铁芯长度方 向上均匀分布，且每个气隙的长度不超过铁芯横截面的等效直径。
7、 根据权利要求1所述的高磁导率Rogowski线圏，其特征在于PCB 板的电气回路围绕该PCB板的几何中心分别在PCB板的正面和反面均勻对 称布线，再通过PCB板几何中心的过孔将正、反面的布线构成一个电气回 路。
8、 根据权利要求1所述的高磁导率Rogowski线圏，其特征在于PCB 板为长方形、正方形、圓形或三角形，其上的电气布线的形状也为长方形、 正方形、圓形或三角形。
9、 根据权利要求1所述的高磁导率Rogowski线圏，其特征在于PCB 板为不规则形状。
10、 根据权利要求l所述的高磁导率Rogowski线圏，其特征在于 PCB板为双面板或二层以上的板。
全文摘要
本发明涉及一种高磁导率Rogowski线圈，该线圈包括骨架和二次绕组，骨架由带气隙的铁芯构成，二次绕组由一块或一块以上的PCB板构成，每块PCB板上有电气布线组成的电气回路，骨架的铁芯中开有至少一个气隙，PCB板均匀地放置在气隙中，将所有的PCB板的电气回路首尾串联，并引出两个感应电势的端子。本发明不仅增大线圈的互感系数，使感应电势得到增强，由于采用PCB板上电气布线代替使用漆包线的二次绕组，使得生产工艺简单、产品可靠性高、线性性能有所提升、一致性更有保障。
文档编号H01F5/02GK101162635SQ20071005314
公开日2008年4月16日 申请日期2007年9月6日 优先权日2007年9月6日
发明者窦峭奇 申请人:武汉格蓝若光电互感器有限公司