一种抗磁场干扰多块pcb开口罗氏线圈设计方法与实现的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种能对抗外界磁场干扰的多块PCB开口罗氏线圈设计方法与实现。多块PCB开口罗氏线圈，由位于多块PCB上的两组绕线方向相反的线圈第一线圈和第二线圈串联而成，包括了若干个串联的相同组成单元，所有组成单元的中心均匀分布在待测电流产生的磁场的一条磁力线上。每一个组成单元包括了第一线圈和第二线圈的各一圈线匝，这两圈线匝紧密相邻，每一圈线匝包括进线、出线及绕线，最后一个组成单元的两条出线直接相连。绕线由位于不同层的布线和不同层之间的过孔环绕而成，绕线平面垂直于PCB表面，绕线的布线路径在垂直于PCB表面的方向上重合。通过该绕线截面中心的磁力线法线方向和绕线截面方向近似同向，切线方向和绕线截面近似垂直。
【专利说明】-种抗磁场干扰多块PCB开口罗氏线圈设计方法与实现
【技术领域】
[0001] 本发明总的涉及电流传感器中的PCB(印刷电路板）罗氏线圈，具体涉及一种抗磁 场干扰多块PCB开口罗氏线圈设计方法与实现。
【背景技术】
[0002] 罗氏（Rogowski)线圈是将导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上形成 的线圈。罗氏线圈因其具有重量轻、频带宽、线性度好且无磁饱和现象等特点，已普遍应用 于电流测量装置中。罗氏线圈测量电流精度比较高，测量信号带宽大，可以用较低的成本实 现电气隔离测量，耐受电流能力几乎无限大，适用于具有固定位置载流导体电流的精确测 量，可以应用于继电保护等领域。
[0003] 罗氏线圈依据其测量时是否可以打开，可以分成闭合罗氏线圈和开口罗氏线圈。 图1显示的是开口罗氏线圈100测量载流导体113中交流电流I (t)的过程，图IA显示的 是开口罗氏线圈100处于打开状态，图IB显示的是开口罗氏线圈100处于闭合状态。
[0004] 图IA和图IB显示的开口罗氏线圈100由两半线圈：线圈101和线圈102组成。线 圈101由如下部分组成：信号输出端103、信号输出端104,信号输出端103到线圈101端点 109之间的环形绕组107,线圈101端点109到信号输出端104之间的回线匝111。线圈102 由如下部分组成：信号输出端105、信号输出端106,信号输出端105到线圈102端点110之 间的环形绕组108,线圈102端点110到信号输出端106之间的回线匝112。线圈101的信 号输出端104和线圈102的信号输出端106相连，组成完整的开口罗氏线圈100,线圈101 的信号输出端103和线圈102的信号输出端105,作为开口罗氏线圈100的两个信号输出 端。
[0005] 当应用开口罗氏线圈100测量载流导体113中待测交流电流I (t)时，首先需要打 开开口罗氏线圈100的两半线圈：线圈101和线圈102,去包围载流导体113,随后闭合开口 罗氏线圈100的两半线圈：线圈101和线圈102,让载流导体113处于闭合后的开口罗氏线 圈100的中心。为了保证测量精度，需要让载流导体113垂直穿过开口罗氏线圈100的中 心，载流导体113的中心和开口罗氏线圈100的中心重合。开口罗氏线圈100环绕在载流 导体113周围，当待测交流电流I (t)流过载流导体113时，待测交流电流I (t)会在载流导 体113周围产生交流磁场，磁力线近似为以载流导体113中心为圆心的圆。
[0006] 开口罗氏线圈100的线圈101的环形绕组107的各圈线匝中心，和线圈102的环 形绕组108的各圈线匝中心，就位于其中的一条圆形磁力线上。开口罗氏线圈100的线圈 101的环形绕组107的各圈线匝对应的截面积相等，各圈线匝截面方向和过该截面中心的 磁力线法线方向（即该截面中心到载流导体113中心半径方向）近似一致，截面和该圆形 磁力线的切线方向近似垂直。开口罗氏线圈100的线圈102的环形绕组108的各圈线匝对 应的截面积相等，各圈线匝截面方向和过该截面中心的磁力线法线方向（即该截面中心到 载流导体113中心半径方向）近似一致，截面和该圆形磁力线的切线方向近似垂直。这样 可以保证开口罗氏线圈100的线圈101的环形绕组107的各个线匝的磁通c^(t)和线圈 102的环形绕组108的各个线匝的磁通Mt),全部近似相等，而且该磁通和电流成正比。
[0007] φ i ⑴=L · I (t) 1)
[0008] 待测交流电流I (t)在开口罗氏线圈100环形绕组所包围的体积内产生磁通的变 化，可以被开口罗氏线圈100转换成与各个线匝总磁通微分成比例的电压信号，就是开口 罗氏线圈100的信号输出端103和信号输出端105之间的输出电压信号V⑴。
[0009]
【权利要求】
1.本发明提供了一种能对抗外界磁场干扰的多块PCB开口罗氏线圈设计方法与实现。 按照本发明的一个方面，本发明公开了一种能对抗外界磁场干扰的多块PCB开口罗氏 线圈设计方法，其包括： (1) 能对抗外界磁场干扰的多块PCB开口罗氏线圈，由两组绕线方向相反的线圈串联 而成，分别为第1线圈和第2线圈，每块PCB上都有第1线圈和第2线圈的一部分。 (2) 能对抗外界磁场干扰的多块PCB开口罗氏线圈，由两半PCB罗氏线圈组成，每一半 PCB罗氏线圈由N块PCB层叠而成。每一半PCB罗氏线圈设有两个信号输出端，分别为第1 信号输出端和第2信号输出端。第1信号输出端和第2信号输出端所在的PCB为第1PCB， 与第1PCB相邻的PCB为第2PCB，如果N彡3,则以此类推，依次为第3PCB，直到第N PCB。 (3) 每一半PCB罗氏线圈的第1PCB到第N-1PCB上设置了 4个外部接入点：第1外部 接入点、第2外部接入点、第3外部接入点、第4外部接入点，第1外部接入点、第3外部接 入点分别为第1PCB到第N-1PCB上第1线圈的起点和终点，第2外部接入点、第4外部接入 点分别为第1PCB到第N-1PCB上第2线圈的起点和终点。每一半PCB罗氏线圈的第N PCB 上设置了两个外部接入点：第1外部接入点、第2外部接入点，第1外部接入点为第N PCB 上第1线圈的起点，第2外部接入点为第N PCB上第2线圈的起点。 (4) 每一半PCB罗氏线圈的第1PCB上的第1外部接入点为第1信号输出端，第1PCB 上的第2外部接入点为第2信号输出端。每一半PCB罗氏线圈的层叠的相邻PCB中上一块 PCB的第3外部接入点与下一块PCB上的第1外部接入点相连，实现上一块PCB上的第1线 圈部分和下一块PCB上的第1线圈部分的串联，形成完整的第1线圈。每一半PCB罗氏线 圈的层叠的相邻PCB中上一块PCB的第4外部接入点与下一块PCB上的第2外部接入点相 连，实现上一块PCB上的第2线圈部分和下一块PCB上的第2线圈部分的串联，形成完整的 第2线圈。每一半PCB罗氏线圈的第1线圈和第2线圈在第N PCB上直接串联起来，形成 能对抗外界磁场干扰的多块PCB开口罗氏线圈的一半。 (5) 多块PCB开口罗氏线圈的两半PCB罗氏线圈有两种连接方式：两半PCB罗氏线圈的 第1信号输出端直接相连，两半PCB罗氏线圈的第2信号输出端作为多块PCB开口罗氏线 圈的两个信号输出端，分别为第1信号输出端和第2信号输出端；两半PCB罗氏线圈的第2 信号输出端直接相连，两半PCB罗氏线圈的第1信号输出端作为多块PCB开口罗氏线圈的 两个信号输出端，分别为第1信号输出端和第2信号输出端。 (6) 多块PCB开口罗氏线圈的每块PCB都是由若干个相同的组成单元串联而成，每一个 组成单元包括了第1线圈和第2线圈的各一圈线匝，这两圈线匝紧密相邻。 (7) 多块PCB开口罗氏线圈的每块PCB的每一个组成单元的第1线圈的一圈线匝包括： 进线、绕线、出线，进线和出线分别用于连接上一个组成单元和下一个组成单元属于第1线 圈的线匝，绕线由位于不同层的布线和不同层之间的过孔环绕而成。多块PCB开口罗氏线 圈的每块PCB的每一个组成单元的第2线圈的一圈线匝包括：进线、绕线、出线，进线和出线 分别用于连接上一个组成单元和下一个组成单元属于第2线圈的线匝，绕线由位于不同层 的布线和不同层之间的过孔环绕而成。 (8) 多块PCB开口罗氏线圈的第1PCB到第N PCB的第1个组成单元的第1线圈的一圈 线匝的进线与第1PCB到第N PCB的第1外部接入点相连，第1PCB到第N PCB的第1个组成 单元的第2线圈的一圈线匝的进线与第1PCB到第N PCB的第2外部接入点相连。第1PCB 到第N-1PCB的最后1个组成单元的第1线圈的一圈线匝的出线与第1PCB到第N-1PCB的 第3外部接入点相连，第1PCB到第N-1PCB的最后1个组成单元的第2线圈的一圈线匝的 出线与第1PCB到第N-1PCB的第4外部接入点相连。第N PCB的最后1个组成单元的第1 线圈的一圈线匝的出线，与第N PCB的最后1个组成单元的第2线圈的一圈线匝的出线，直 接相连，实现第1线圈和第2线圈在第N PCB上的串联。 (9) 能对抗外界磁场干扰的多块PCB开口罗氏线圈，每一个组成单元两圈线匝的绕线 平面垂直于PCB表面，绕线围成的截面位于PCB的横截面上，绕线的布线路径在垂直于PCB 表面的方向上重合。 (10) 能对抗外界磁场干扰的多块PCB开口罗氏线圈，每块PCB上各个组成单元的中心 均匀分布在待测电流产生的磁场的一条磁力线上，所有组成单元两圈线匝的绕线截面方向 近似沿通过该绕线截面中心的磁力线法线方向，所有组成单元两圈线匝的绕线截面和通过 该绕线截面中心的磁力线切线方向（即磁场强度方向）近似垂直。
2.按照本发明的一个方面，本发明公开了一个能对抗外界磁场干扰的多块双面PCB开 口罗氏线圈设计方法的具体实施例，能对抗外界磁场干扰的多块双面PCB开口罗氏线圈， 其包括： (1) 能对抗外界磁场干扰的多块双面PCB开口罗氏线圈，由两组绕线方向相反的线圈 串联而成，分别为第1线圈和第2线圈，每块双面PCB上都有第1线圈和第2线圈的一部分。 (2) 能对抗外界磁场干扰的多块双面PCB开口罗氏线圈，由两半PCB罗氏线圈组成，每 一半PCB罗氏线圈由N块双面PCB层叠而成。每一半PCB罗氏线圈设有两个信号输出端， 分别为第1信号输出端和第2信号输出端。第1信号输出端和第2信号输出端所在的PCB 为第1PCB，与第1PCB相邻的PCB为第2PCB，如果N > 3,则以此类推，依次为第3PCB，直到 第 N PCB。 (3) 每一半PCB罗氏线圈的第1PCB到第N-1PCB上设置了 4个外部接入点：第1外部 接入点、第2外部接入点、第3外部接入点、第4外部接入点，第1外部接入点、第3外部接 入点分别为第1PCB到第N-1PCB上第1线圈的起点和终点，第2外部接入点、第4外部接入 点分别为第1PCB到第N-1PCB上第2线圈的起点和终点。每一半PCB罗氏线圈的第N PCB 上设置了两个外部接入点：第1外部接入点、第2外部接入点，第1外部接入点为第N PCB 上第1线圈的起点，第2外部接入点为第N PCB上第2线圈的起点。 (4) 每一半PCB罗氏线圈的第1PCB上的第1外部接入点为第1信号输出端，第1PCB 上的第2外部接入点为第2信号输出端。每一半PCB罗氏线圈的层叠的相邻PCB中上一块 PCB的第3外部接入点与下一块PCB上的第1外部接入点相连，实现上一块PCB上的第1线 圈部分和下一块PCB上的第1线圈部分的串联，形成完整的第1线圈。每一半PCB罗氏线 圈的层叠的相邻PCB中上一块PCB的第4外部接入点与下一块PCB上的第2外部接入点相 连，实现上一块PCB上的第2线圈部分和下一块PCB上的第2线圈部分的串联，形成完整的 第2线圈。每一半PCB罗氏线圈的第1线圈和第2线圈在第N PCB上直接串联起来，形成 能对抗外界磁场干扰的多块双面PCB开口罗氏线圈的一半。 (5) 多块双面PCB开口罗氏线圈的两半PCB罗氏线圈有两种连接方式：两半PCB罗氏线 圈的第1信号输出端直接相连，两半PCB罗氏线圈的第2信号输出端作为多块双面PCB开 口罗氏线圈的两个信号输出端，分别为第1信号输出端和第2信号输出端；两半PCB罗氏线 圈的第2信号输出端直接相连，两半PCB罗氏线圈的第1信号输出端作为多块双面PCB开 口罗氏线圈的两个信号输出端，分别为第1信号输出端和第2信号输出端。 (6) 多块双面PCB开口罗氏线圈的每块双面PCB都是由若干个相同的组成单元串联而 成，每一个组成单元包括了第1线圈和第2线圈的各一圈线匝，这两圈线匝紧密相邻。 (7) 多块双面PCB开口罗氏线圈的每块双面PCB的每一个组成单元的第1线圈的一圈 线匝包括：进线、绕线、出线，进线和出线分别用于连接上一个组成单元和下一个组成单元 属于第1线圈的线匝，绕线由位于顶层和底层的布线和顶层和底层之间的过孔环绕而成。 多块双面PCB开口罗氏线圈的每块双面PCB的每一个组成单元的第2线圈的一圈线匝包 括：进线、绕线、出线，进线和出线分别用于连接上一个组成单元和下一个组成单元属于第 2线圈的线匝，绕线由位于顶层和底层的布线和顶层和底层之间的过孔环绕而成。 (8) 多块双面PCB开口罗氏线圈的第1PCB到第N PCB的第1个组成单元的第1线圈的 一圈线匝的进线与第1PCB到第N PCB的第1外部接入点相连，第1PCB到第N PCB的第1个 组成单元的第2线圈的一圈线匝的进线与第1PCB到第N PCB的第2外部接入点相连。第 1PCB到第N-1PCB的最后1个组成单元的第1线圈的一圈线匝的出线与第1PCB到第N-1PCB 的第3外部接入点相连，第1PCB到第N-1PCB的最后1个组成单元的第2线圈的一圈线匝 的出线与第1PCB到第N-1PCB的第4外部接入点相连。第N PCB的最后1个组成单元的第 1线圈的一圈线匝的出线，与第N PCB的最后1个组成单元的第2线圈的一圈线匝的出线， 直接相连，实现第1线圈和第2线圈在第N PCB上的串联。 (9) 能对抗外界磁场干扰的多块双面PCB开口罗氏线圈，每一个组成单元两圈线匝的 绕线平面垂直于双面PCB表面，绕线围成的截面位于双面PCB的横截面上，绕线的顶层和底 层布线路径在垂直于双面PCB表面的方向上重合。 (10) 能对抗外界磁场干扰的多块双面PCB开口罗氏线圈，每块双面PCB上各个组成单 元的中心均匀分布在待测电流产生的磁场的一条磁力线上，所有组成单元两圈线匝的绕线 截面方向近似沿通过该绕线截面中心的磁力线法线方向，所有组成单元两圈线匝的绕线截 面和通过该绕线截面中心的磁力线切线方向（即磁场强度方向）近似垂直。
3. 根据权利要求2所述的多块双面PCB开口罗氏线圈，其特征在于：所述的多块双面 PCB开口罗氏线圈，由两组绕线方向相反的线圈：第一线圈和第二线圈组成，第一线圈和第 二线圈在多块双面PCB上的各个部分串联起来，组成完整的第一线圈和第二线圈，第一线 圈和第二线圈串联起来，组成多块双面PCB开口罗氏线圈。
4. 根据权利要求2所述的多块双面PCB开口罗氏线圈，其特征在于：所述的多块双面 PCB开口罗氏线圈的每一块双面PCB都是由若干个相同的组成单元串联而成。
5. 根据权利要求2所述的多块双面PCB开口罗氏线圈，其特征在于：所述的多块双面 PCB开口罗氏线圈的每一块双面PCB的所有组成单元的中心均匀分布在待测电流产生的磁 场的一条磁力线上。
6. 根据权利要求2所述的多块双面PCB开口罗氏线圈，其特征在于：所述的多块双面 PCB开口罗氏线圈的每一块双面PCB的每一个组成单元包括了第一线圈和第二线圈的各一 圈线匝，这两圈线匝紧密相邻。
7. 根据权利要求2所述的多块双面PCB开口罗氏线圈，其特征在于：所述的多块双面 PCB开口罗氏线圈的每一块双面PCB的每一个组成单元的的第一线圈的一圈线匝包括：进 线、绕线、出线，进线和出线分别用于连接上一个组成单元和下一个组成单元属于第一线圈 的线匝，绕线由位于顶层和底层的布线和顶层底层之间的过孔环绕而成。每一个组成单元 的第二线圈的一圈线匝包括：进线、绕线、出线，进线和出线分别用于连接上一个组成单元 和下一个组成单元属于第二线圈的线匝，绕线由位于顶层和底层的布线和顶层底层之间的 过孔环绕而成。
8. 根据权利要求2所述的多块双面PCB开口罗氏线圈，其特征在于：所述的多块双面 PCB开口罗氏线圈的第1PCB到第N PCB的第1个组成单元的第1线圈的一圈线匝的进线与 第1PCB到第N PCB的第1外部接入点相连，第1PCB到第N PCB的第1个组成单元的第2 线圈的一圈线匝的进线与第1PCB到第N PCB的第2外部接入点相连。第1PCB到第N-1PCB 的最后1个组成单元的第1线圈的一圈线匝的出线与第1PCB到第N-1PCB的第3外部接入 点相连，第1PCB到第N-1PCB的最后1个组成单元的第2线圈的一圈线匝的出线与第1PCB 到第N-1PCB的第4外部接入点相连。第N PCB的最后1个组成单元的第1线圈的一圈线 匝的出线，与第N PCB的最后1个组成单元的第2线圈的一圈线匝的出线，直接相连，实现 第1线圈和第2线圈在第N PCB上的串联。
9. 根据权利要求2所述的多块双面PCB开口罗氏线圈，其特征在于：所述的多块双面 PCB开口罗氏线圈的每一个组成单元的第一线圈的线匝的绕线平面垂直于双面PCB表面， 绕线围成的截面位于PCB的横截面上，绕线的布线路径在垂直于双面PCB表面的方向上重 合。每一个组成单元的第二线圈的线匝的绕线平面垂直于双面PCB表而，绕线围成的截面 位于双面PCB的横截面上，绕线的布线路径在垂直于双面PCB表面的方向上重合。
10. 根据权利要求2所述的多块双面PCB开口罗氏线圈，其特征在于：所述的多块双面 PCB开口罗氏线圈的所有组成单元的第一线圈的线匝的绕线截面方向近似为通过该绕线截 面中心的磁力线法线方向，第一线圈的线匝的绕线截面和通过该绕线截面中心的磁力线切 线方向（即磁场强度方向）近似垂直。所有组成单元的第二线圈的线匝的绕线截面方向近 似为通过该绕线截面中心的磁力线法线方向，第二线圈的线匝的绕线截面和通过该绕线截 面中心的磁力线切线方向（即磁场强度方向）近似垂直。
【文档编号】H05K1/16GK104349594SQ201310318277
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月26日 优先权日:2013年7月26日
【发明者】唐先武, 张建良 申请人:北京映翰通网络技术股份有限公司