專利名稱：一種基于印刷電路板的空芯線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種測量磁場或電流的傳感器，具體地說，是一種利用印刷電路板制造的空芯線圈。
背景技術(shù)：
空芯線圈最初是用來測量磁場的。由于線圈的輸出電壓和功率不足以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的測量設(shè)備，早期的空芯線圈不能用于電流測量。隨著以微處理器為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和測量技術(shù)的發(fā)展，空芯線圈已經(jīng)完全適用于電流測量，并有逐漸取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)電流互感器的趨勢。
空芯線圈中，二次繞組繞在一個(gè)非磁性骨架上，不存在鐵磁材料，使傳感器在幾安到幾百千安的范圍內(nèi)仍然具有優(yōu)良的線性。與傳統(tǒng)電流互感器不同，由于它不是直接測量電流，即使被測電流含有很大的直流分量，仍然不會(huì)飽和，因此近年來空芯電流互感器開始應(yīng)用于繼電保護(hù)和測量。
空芯線圈的測量原理如圖1所示，整個(gè)線圈均勻地繞在一個(gè)環(huán)形的非磁性骨架上。由全電流定律和電磁感應(yīng)定律可得到空芯線圈感應(yīng)電壓e(t)為e(t)=-dΨ(t)dt=-Mdi(t)dt]]>=-μ0Nh2πlnRaRi·di(t)dt]]>式中ψ(t)為磁鏈，M為空芯線圈互感，i(t)為一次側(cè)電流，μ0為真空磁導(dǎo)率，N為線圈匝數(shù)，h為線圈骨架高度，Ra為骨架外徑，Ri為骨架內(nèi)徑。
測量回路的等效電路如圖2所示。其中R0是線圈的內(nèi)阻，Rc是外接積分器的輸入阻抗，L是線圈的自感，其大小為L=μ0N2h2πlnRaRi=N·M]]>
Rc一般都在數(shù)萬歐姆，R0只有數(shù)十歐姆，所以i(t)很小，uout與e(t)非常接近。通過積分器可以將e(t)的波形還原成M*i(t)的波形，M為常數(shù)，進(jìn)行運(yùn)算就可以得到i(t)的準(zhǔn)確值。
對于穩(wěn)態(tài)下的正弦電流，空芯線圈的輸出電壓可以表示為E＝M×jω×Ip式中Ip為被測一次電流。
可以看到，空芯電流互感器的測量準(zhǔn)確度取決于一個(gè)穩(wěn)定的互感常數(shù)M。所以為了獲得高精度的空芯線圈，制作時(shí)必須遵循以下原則線圈密度恒定；骨架截面積恒定；線圈橫截面與中心線垂直，否則將引入較大的測量誤差，這些對繞制工藝提出了較高的要求。
采用傳統(tǒng)線圈繞制方法制作的空芯線圈，理論上設(shè)計(jì)精度最高可達(dá)到0.1％，實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常為1-3％(參見Kojovic Ljubomir.Rogowski coilssuit relay protection and measurement[of power systems].IEEEComputer Applications in power，1997，10(3)47-52)。這樣的準(zhǔn)確度不能滿足電力系統(tǒng)測量的要求，而且制作時(shí)由于工藝所決定的性能分散性更難以避免，這是空芯線圈至今沒有產(chǎn)業(yè)化的重要原因之一。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于印刷電路板的空芯線圈，以解決制造中存在的上述問題，使空芯線圈易于批量生產(chǎn)，并保證批量生產(chǎn)時(shí)性能的可重復(fù)性。
本實(shí)用新型提供的一種基于印刷電路板的空芯線圈，包括線圈骨架和二次繞組，其特征在于所述線圈骨架為開有中心通孔的主印刷電路板，在主印刷電路板上向心均勻分布有完全相同的副印刷電路板，它們均垂直于主印刷電路板；副印刷電路板上有成回路的導(dǎo)電布線，主印刷電路板上的導(dǎo)電布線為其上的各副印刷電路板提供串聯(lián)回路，主印刷電路板的正、反二面的導(dǎo)電布線方向相反；所有副印刷電路板上的導(dǎo)電布線和主印刷電路板上的雙面導(dǎo)電布線以及信號引出線串聯(lián)構(gòu)成所述二次繞組。
上述空芯線圈中，當(dāng)主印刷電路板的一面上安裝有副印刷電路板時(shí)，主印刷電路板該面的導(dǎo)電布線為各副印刷電路板提供串聯(lián)回路，另一面的導(dǎo)電布線與副印刷電路板的串聯(lián)回路反方向布線，形成回線。當(dāng)主印刷電路板的兩面均安裝有副印刷電路板，主印刷電路板兩面的導(dǎo)電布線分別為安裝在該面的各副印刷電路板提供串聯(lián)回路，但主印刷電路板反面的導(dǎo)電布線為安裝在主印刷電路板反面的副印刷電路板提供與主印刷電路板正面安裝的副印刷電路板繞行方向相反的串聯(lián)回路。
本實(shí)用新型采用印刷電路板(Printed Circuit Board，簡稱PCB)制作空芯線圈，是一種與以往完全不同的結(jié)構(gòu)與制備方法。從原理上來說，采用印刷電路板制造空芯線圈可以做得非常精確，其線圈的繞制完全是用PCB實(shí)現(xiàn)的，易于滿足空芯線圈互感系數(shù)M為常數(shù)的三個(gè)條件，并且測量準(zhǔn)確度高，加工非常簡單，自動(dòng)化生產(chǎn)程度高。它避免了手工或半手工繞制線圈造成的分散性，能保證生產(chǎn)的空芯線圈性能穩(wěn)定和重復(fù)性好，特別適合準(zhǔn)確標(biāo)定和批量生產(chǎn)。


圖1為空芯線圈的測量原理圖；圖2為空芯線圈等效電路圖；圖3.1-3.2為本實(shí)用新型的兩種空芯線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4.1-4.4為副印刷電路板的四種典型布線回路示意圖；圖5.1-5.2為兩種副印刷電路板和主印刷電路板連接示意圖；具體實(shí)施方式
如圖3所示，基于印刷電路板的空芯線圈實(shí)際上是讓二次繞組的繞線分段均勻。本實(shí)用新型的空芯線圈包括若干個(gè)完全相同的小印刷電路板制成的副印刷電路板1和一個(gè)雙面布線的主印刷電路板2。主印刷電路板作為線圈骨架，若干個(gè)完全一樣的小印刷電路板制成的副印刷電路板和主印刷電路板上的雙面導(dǎo)電布線以及信號引出線串聯(lián)構(gòu)成二次繞組。主印刷電路板2和副印刷電路板1以跳針焊接或螺母固定。在主印刷電路板的中心開有通孔6，使得被測量的導(dǎo)線3可以從中穿過，導(dǎo)線應(yīng)該垂直的穿過主印刷電路板的中心軸。按照具體的測量要求，線圈的輸出可以接積分器4或不接積分器。
本實(shí)用新型使用的主印刷電路板和副印刷電路板對采用的印刷電路板本身沒有特殊要求，只需其布線路徑滿足設(shè)計(jì)要求即可。
下面對各部分作進(jìn)一步詳細(xì)的說明1.線圈骨架的設(shè)計(jì)。主印刷電路板作為線圈骨架，但其作用除此之外，還要給副印刷電路板提供回路，使得它們圍繞被測導(dǎo)體串聯(lián)起來組成二次繞組，所以主印刷電路板采用雙面板布線。當(dāng)僅在其中任何一面上安裝副印刷電路板時(shí)，該面的導(dǎo)電布線為副印刷電路板提供串聯(lián)回路，另一面按照副印刷電路板的串聯(lián)回路反方向布線，形成回線，如圖3.1中的虛線所示；當(dāng)主印刷電路板的兩面均安裝副印刷電路板時(shí)，主印刷電路板反面的導(dǎo)電布線為安裝在主印刷電路板反面的副印刷電路板提供與主印刷電路板正面安裝的副印刷電路板繞行方向相反的串聯(lián)回路，如圖3.2中的虛線所示。這兩種方法均可以完全抵消垂直于主印刷電路板的磁力線對空芯線圈產(chǎn)生的干擾。
2.二次繞組的設(shè)計(jì)。二次繞組由若干個(gè)完全一樣的小印刷電路板制成的副印刷電路板和主印刷電路板上的雙面導(dǎo)電布線及信號引出線串聯(lián)組成。副印刷電路板的作用是感應(yīng)被測導(dǎo)線電流產(chǎn)生磁場變化所引起的電勢。副印刷電路板的精確與否直接影響到空芯線圈的性能，如圖4.1-4.4所示，為了感應(yīng)足夠的電動(dòng)勢，在每塊副印刷電路板上布置規(guī)則或不規(guī)則的回路線，這樣等價(jià)于增加匝數(shù)。典型的回路線有螺旋回路線、圓形回路線、三角形回路線或矩形回路線。為了有效的抵御平行于主印刷電路板平面的磁力線產(chǎn)生的干擾，副印刷電路板應(yīng)該均勻的分布在主印刷電路板上，保證其與主印刷電路板相垂直，并根據(jù)被測電流的大小設(shè)計(jì)副印刷電路板的數(shù)量。
3.安裝工藝。主印刷電路板和副印刷電路板分開設(shè)計(jì)，安裝時(shí)將其連接起來。副印刷電路板成向心均勻分布在主印刷電路板的一面或正反兩面上。如圖5所示，在主印刷電路板上有過通孔5或螺絲的螺通孔5，可用跳針插入過通孔5中，采用焊接的連接方法連接副印刷電路板和主印刷電路板，或者用螺母和螺通孔5的機(jī)械連接，固定副印刷電路板和主印刷電路板。連接時(shí)必須保證副印刷電路板與主印刷電路板的垂直。
上述設(shè)計(jì)可以容易地滿足使互感系數(shù)M為常數(shù)的三個(gè)條件
(1)采用的每個(gè)副印刷電路板是完全相同的，且在主印刷電路板上均勻分布安裝，使得二次繞組的繞線分段均勻，線圈密度恒定；(2)采用主印刷電路板制成線圈骨架，骨架橫截面積恒定；(3)主印刷電路板和副印刷電路板連接時(shí)，通過用彎跳針焊接，或用螺母連接，保證副印刷電路板與主印刷電路板的垂直，從而滿足了線圈橫截面與中心線垂直的條件。
上述空芯線圈的制備方法1、根據(jù)被測電流大小，設(shè)計(jì)主印刷電路板中心通孔6的大小、副印刷電路板的數(shù)量，副印刷電路板上回路線的形狀，典型的回路線形狀如圖4所示。再根據(jù)副印刷電路板的尺寸和安裝形式(單面或雙面安裝)，設(shè)計(jì)主印刷電路板正反面導(dǎo)線的布線方向。
2、根據(jù)上述設(shè)計(jì)的方案，采用現(xiàn)有的印刷電路板的制備工藝制作主印刷電路板和副印刷電路板。
3、安裝時(shí)將副印刷電路板均勻分布在主印刷電路板的正反兩面上，(或一面上，如圖3.2所示)，使得所有副印刷電路板上的回路線和主印刷電路板上的導(dǎo)電線、引出信號線共同構(gòu)成一個(gè)圍繞被測量導(dǎo)體的回路。
4、具體安裝方法如圖5所示，在主印刷電路板上有過通孔5或螺絲的螺通孔5，可用跳針插入過通孔5中，采用焊接的連接方法連接副印刷電路板和主印刷電路板，或者用螺母和螺通孔5的機(jī)械連接，固定副印刷電路板和主印刷電路板。連接時(shí)必須保證副印刷電路板與主印刷電路板的垂直。
權(quán)利要求1.一種基于印刷電路板的空芯線圈，包括線圈骨架和二次繞組，其特征在于所述線圈骨架為開有中心通孔(6)的主印刷電路板(2)，在主印刷電路板(2)上向心均勻分布有完全相同的副印刷電路板(1)，它們均垂直于主印刷電路板(2)；副印刷電路板(1)上有成回路的導(dǎo)電布線，主印刷電路板(2)上的導(dǎo)電布線為其上的各副印刷電路板(1)提供串聯(lián)回路，主印刷電路板(2)的正、反二面的導(dǎo)電布線方向相反；所有副印刷電路板(1)上的導(dǎo)電布線和主印刷電路板(2)上的雙面導(dǎo)電布線以及信號引出線串聯(lián)構(gòu)成所述二次繞組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空芯線圈，其特征在于主印刷電路板(2)的一面上安裝有副印刷電路板(1)，主印刷電路板(2)該面的導(dǎo)電布線為各副印刷電路板(1)提供串聯(lián)回路，另一面的導(dǎo)電布線與副印刷電路板(1)的串聯(lián)回路反方向布線，形成回線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空芯線圈，其特征在于主印刷電路板(2)的兩面均安裝有副印刷電路板(1)，主印刷電路板(2)兩面的導(dǎo)電布線分別為安裝在該面的各副印刷電路板(1)提供串聯(lián)回路，但主印刷電路板(2)反面的導(dǎo)電布線為安裝在主印刷電路板(2)反面的副印刷電路板(1)提供與主印刷電路板(2)正面安裝的副印刷電路板(1)繞行方向相反的串聯(lián)回路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的空芯線圈，其特征在于在該空芯線圈的輸出端連接有積分器(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空芯線圈，其特征在于副印刷電路板(1)上的導(dǎo)電布線為有規(guī)則的回路線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空芯線圈，其特征在于所述回路線為螺旋回路線、圓形回路線、三角形回路線或矩形回路線。
專利摘要本實(shí)用新型公開的一種基于印刷電路板的空芯線圈?？招揪€圈的線圈骨架為開有中心通孔的主印刷電路板，在主印刷電路板上向心均勻分布有完全相同的副印刷電路板，它們均垂直于主印刷電路板；副印刷電路板上有成回路的導(dǎo)電布線，主印刷電路板上的導(dǎo)電布線為其上的各副印刷電路板提供串聯(lián)回路，其正、反二面的導(dǎo)電布線方向相反；所有副印刷電路板上的導(dǎo)電布線和主印刷電路板上的雙面導(dǎo)電布線以及信號引出線串聯(lián)構(gòu)成二次繞組。本實(shí)用新型自動(dòng)化生產(chǎn)程度高，可避免手工或半手工繞制線圈造成的分散性，能保證生產(chǎn)的空芯線圈性能穩(wěn)定和重復(fù)性好，特別適合準(zhǔn)確標(biāo)定和批量生產(chǎn)。
文檔編號G01R15/18GK2689238SQ200320125530
公開日2005年3月30日 申請日期2003年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月22日
發(fā)明者李紅斌, 陳慶, 張明明, 劉延冰 申請人:華中科技大學(xué)