本發(fā)明本發(fā)明涉及一種電流傳感器的設(shè)計(jì)方法，具體地說，是基于匝均衡原理設(shè)計(jì)和制造空芯線圈，以被測電流的磁場分布為依據(jù)設(shè)計(jì)出線圈繞線的最佳軌跡，可有效解決空芯線圈生產(chǎn)中批量一致性差的行業(yè)難題，同時(shí)可顯著減小電流中心位置變化以及外界干擾磁場對電流測量的影響，從而保證空芯線圈電流互感器的高互換性并極大提高測量準(zhǔn)確度等級。

背景技術(shù)：

高精度電流測量是現(xiàn)代工業(yè)精確控制的核心技術(shù)之一?？招揪€圈新型電流傳感器廣泛應(yīng)用于電力、冶金、軍工、核物理等領(lǐng)域，近年來市場需求年增長率50％。采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于現(xiàn)代加工工藝?yán)@制的空芯線圈的最高精度等級一直以來無法突破0.2級，嚴(yán)重制約了精確控制技術(shù)及高端制造裝備的發(fā)展。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的磁場在繞線上可以感應(yīng)出一定大小的電壓，因此，空芯線圈(也被稱為Rogowski線圈)可通過測量被測電流周圍磁場強(qiáng)度的變化，推算出被測電流的大小?？招揪€圈的結(jié)構(gòu)如圖1所示，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，空芯線圈具有無磁飽和、測量范圍大、線性度好、頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，是一種極具競爭力的新型電流傳感器。

由安培環(huán)路定律和電磁感應(yīng)定律可得到空芯線圈感應(yīng)電壓為e＝M·jω·I，式中，I為被測電流，M為互感常數(shù)，ω為正弦電流的角頻率，e為空心線圈的輸出電壓。一般空芯線圈需要匹配積分器使用(包括模擬積分器和數(shù)字積分器)，積分器的輸入輸出電壓信號滿足關(guān)系式U_o＝K·U_i/(jω)，其中Ui為輸入電壓信號，Uo為輸出電壓信號，ω為正弦電流的角頻率。若將空芯線圈的輸出電壓作為積分器的輸入信號，則最終的輸出電壓U_o＝K·M·I?？梢钥吹剑招揪€圈的測量被測電流的準(zhǔn)確度取決于一個(gè)穩(wěn)定的互感系數(shù)M。

制造高精度空芯線圈，其幾何參數(shù)必須符合三個(gè)基本原則：1)足夠多匝的繞線在一定大小閉合非鐵磁材料骨架上均勻分布；2)每一匝繞線的形狀完全相同；3)繞線平面垂直骨架包絡(luò)線在該點(diǎn)的切線。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法僅遵循線圈上述幾何參數(shù)三大基本原則，完全依賴線圈的單匝幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)單一，沒有考慮被測電流的磁場分布，且傳統(tǒng)制造工藝無法滿足前述設(shè)計(jì)要求，使得繞線加工公差、載流截面形態(tài)及位置變化等因素對互感系數(shù)產(chǎn)生直接顯著的影響，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的線圈粗放、宏觀和不完備，基于現(xiàn)代最高精度繞線工藝制成的空芯線圈最多只能滿足0.2級測量要求，批量生產(chǎn)的一致性誤差為3-5％，空芯線圈的互換性差，抗干擾能力不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種制作高性能匝均衡空芯線圈的方法，其目的在于減小加工公差、載流體截面變化、外界干擾磁場等因素對空芯線圈互感系數(shù)的影響，極大提升空芯線圈批量生產(chǎn)的一致性和產(chǎn)品的互換性，增強(qiáng)空芯線圈在電流測量時(shí)的抗干擾能力，提高測量的準(zhǔn)確度。

本發(fā)明提出的一種制作高性能匝均衡空芯線圈的方法，，包括如下步驟：

(1)獲取被測電流磁場分布情況；

(2)根據(jù)所測電流磁場分布情況，通過計(jì)算找出環(huán)繞被測電流的閉合連續(xù)可導(dǎo)的曲線集，該曲線集中任一條曲線滿足其上任一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，且其上任意點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量方向與該曲線在該點(diǎn)的切線方向重合；

(3)根據(jù)應(yīng)用場合空間要求，從滿足步驟(2)條件的曲線集中，選擇一條最接近線圈尺寸的曲線；

(4)在垂直于所述曲線方向上，等間距在曲線上取N個(gè)點(diǎn)；

(5)根據(jù)步驟(4)選出的點(diǎn)，制作單匝或多匝繞組，要求所有繞組均垂直于步驟(2)所述曲線在該點(diǎn)的切線；

(6)將各匝繞組順序串聯(lián)在一起，完成空芯線圈制作。

進(jìn)一步的，所述磁場分布可以借助電磁學(xué)理論解析法或者數(shù)值模擬方法得到，中心軌跡線為閉合連續(xù)可導(dǎo)的曲線，其可為圓形、橢圓形或者其他任意形狀。

進(jìn)一步的，所述N越大，線圈精度越高，但線圈定位與加工的工程實(shí)施難度越大，實(shí)踐中根據(jù)性能要求和工程難度權(quán)衡；

進(jìn)一步的，所述線圈還包括骨架，所述骨架以最優(yōu)化的中心軌跡線為依據(jù)確定，中心軌跡線垂直于線圈骨架的任意橫截面，且中心軌跡線與任意橫截面的交點(diǎn)為該橫截面的中心點(diǎn)，骨架橫截面的形狀一般為圓形或方形，也可是橢圓、多邊形等其他形狀，所述線圈繞制在該骨架上。

進(jìn)一步的，所述線圈中被測電流在線圈骨架中任意點(diǎn)處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小接近，骨架中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值與最小值控制在5％以內(nèi)，以保證空芯線圈的高精度、高穩(wěn)定度和抗干擾能力。

進(jìn)一步的，所述空芯線圈成型由骨架確定，空芯繞組匝數(shù)N取決于線圈骨架的尺寸、理想互感系數(shù)、內(nèi)部阻抗、分布電容；N值越大性能越好；但N越大，工程實(shí)施難度越大，N匝繞組可以以單匝或多匝為單位均勻的分布在線圈骨架上，可以絕對均勻也可以分組均勻。

進(jìn)一步的，所述線圈骨架與線圈繞組的成型方式可以是手工繞制，也可借助繞線機(jī)、電鍍等工藝實(shí)現(xiàn)，或者采用印刷電路板工藝、3D打印等一體成型實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明基于等磁感應(yīng)強(qiáng)度中心軌跡線定位技術(shù)，形成一種巧妙的空芯線圈設(shè)計(jì)思路與制備方法，以“匝均衡”為準(zhǔn)則約束空芯線圈的繞線分布，可顯著減小加工公差、載流體截面變化、外界干擾磁場等因素對空芯線圈互感系數(shù)的影響，提升空芯線圈批量生產(chǎn)的一致性和產(chǎn)品的互換性，增強(qiáng)空芯線圈在電流測量時(shí)的抗干擾能力，擴(kuò)展空芯線圈電流互感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

本方法主要適用于剛性骨架空芯線圈，與傳統(tǒng)方法有所不同，本發(fā)明提出的“匝均衡”空芯線圈的形態(tài)不局限于圓環(huán)形，線圈繞組中心軌跡線可是橢圓、三角形甚至于任意形狀，利用電磁場數(shù)值計(jì)算方法獲得被測導(dǎo)線周圍空間磁場分布規(guī)律，以“匝均衡”準(zhǔn)則確定繞組中心軌跡線，如此一來，線圈的匝與匝之間存在互換性，能夠顯著提高空芯線圈的性能。

本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明突破了以往空芯線圈僅考慮幾何參數(shù)的簡單化粗放化設(shè)計(jì)方法，解決了特定條件下空芯線圈最優(yōu)化設(shè)計(jì)難題。與按照傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的空芯線圈相比，匝均衡空芯線圈互感系數(shù)的穩(wěn)定性可提高一個(gè)數(shù)量級，配合一體成型精密加工工藝和多種骨架線圈成型新工藝，可制備出高精度空芯線圈，批量一致性高、互換性好、抗干擾能力強(qiáng)，從而顯著提高空芯線圈的測量準(zhǔn)確度，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場電流測量需求。

附圖說明

圖1為空芯線圈結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2為匝均衡空芯線圈構(gòu)成要素圖；

圖3為匝均衡空芯線圈中心軌跡線示意圖；

圖4為匝均衡空芯線圈繞組布置示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

總體上，本發(fā)明的“匝均衡”空芯線圈實(shí)施方法如圖2所示，實(shí)施過程涉及到載流體1、電流磁場分布2、線圈中心軌跡線3、鐵磁物質(zhì)4、線圈骨架5、線圈繞組6、線圈最大直徑7、線圈回線8，與傳統(tǒng)空芯線圈設(shè)計(jì)采用的較籠統(tǒng)的“三大基本原則”(足夠多匝的繞線在一定大小閉合非鐵磁材料骨架上均勻分布；每一匝繞線的形狀完全相同；繞線平面垂直骨架包絡(luò)線在該點(diǎn)的切線)粗放而籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路不同，“匝均衡”空芯線圈講究量化，旨在最優(yōu)化線圈繞組分布與定位，使得匝與匝之間有近似互換性。若匝與匝之間可互換，通過概率與統(tǒng)計(jì)理論可以證明：如表1所示，空芯線圈的機(jī)械加工公差概率分布為正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為σ，N匝繞組構(gòu)成的空芯線圈的理論互感系數(shù)與實(shí)際互感系數(shù)分別為M*和M，兩者之間的偏差也滿足正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為σ/N，若匝數(shù)N取值足夠大，則實(shí)際互感系數(shù)M的大小無限接近于M*，如此一來，加工公差的影響被消除，互感系數(shù)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，批量生產(chǎn)一次性和產(chǎn)品互換性得到提升。

具體地，本實(shí)施例具體實(shí)施如下：

1.確定匝均衡空芯線圈中心軌跡線。為了保證匝與匝之間的近似互換性，空芯線圈的每一匝所處空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度必須相等。本方法首先要獲得被測電流周圍空間磁場的分布規(guī)律，從圖3可以看出，不同的載流體1產(chǎn)生的電流磁場分布2是不同的，在外圍空間是否存在鐵磁物質(zhì)4對電流磁場分布2也影響顯著。本實(shí)施例綜合考慮載流體1和鐵磁物質(zhì)4等因素的基礎(chǔ)之上計(jì)算出被測電流的磁場分布2，結(jié)合測量現(xiàn)場情況確定線圈最大直徑7。

2.匝均衡空芯線圈繞組分布與成型。依據(jù)最優(yōu)化的線圈中心軌跡線3設(shè)計(jì)線圈骨架5，其截面可為方形、圓形或其他對稱形態(tài)，中心軌跡線3垂直穿過骨架截面的正中心。線圈骨架5盡量選取的較小，具體數(shù)值參考電流磁場分布2來確定，一般而言，線圈骨架5中所有點(diǎn)處被測電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值與最小值的偏差不超過5％為宜。線圈繞組6均勻分布在線圈骨架5上，其匝數(shù)N由互感系數(shù)M的目標(biāo)參數(shù)來確定，計(jì)算公式見背景技術(shù)中的公式(1)，N的取值不宜太小，只有N足夠大，匝均衡空芯線圈的批量一致性和產(chǎn)品互換性才能得到保障，線圈的組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。匝均衡空芯線圈的繞組成型方式可多種多樣，可以手工將繞線固定在骨架上，也可以通過繞線機(jī)來完成，也可以尋求腐蝕、噴涂、電鍍等工藝，甚至采用印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)技術(shù)和3D打印技術(shù)等先進(jìn)的一體成型方法。值得說明的是，不論采用何種成型方法，回線在匝均衡空芯線圈的設(shè)計(jì)與制備中也是必須的。

3.機(jī)械加工公差的消除?！霸丫狻痹O(shè)計(jì)過程先確定了最優(yōu)化線圈中心軌跡線3，并形成了線圈骨架5和線圈繞組6完備空間描述，這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法通過約束條件最大限度的保證了空芯線圈匝與匝之間的互換性。如表1所示，假設(shè)空芯線圈的機(jī)械加工存在一定的公差，其概率分布為正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為σ，若線圈繞組6的繞組數(shù)量為N，理論互感系數(shù)為M，機(jī)械加工公差的存在勢必引起實(shí)際空芯線圈互感系數(shù)M*與M之間存在偏差，可以通過統(tǒng)計(jì)學(xué)來證明，若線圈繞組6的N匝繞組是等價(jià)的(磁感應(yīng)強(qiáng)度近似相等)，具有互換性，則M*與M之間的偏差率也滿足正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為σ/N。若匝數(shù)N取值足夠大，則實(shí)際互感系數(shù)M的大小無限接近于M*，如此一來，加工公差的影響被消除，互感系數(shù)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，批量生產(chǎn)一次性和產(chǎn)品互換性得到提升。

表1：匝均衡空芯線圈抗干擾推導(dǎo)過程

4.抗干擾能力的提升。本實(shí)施例提出的匝均衡空芯線圈設(shè)計(jì)制作方法保證了線圈繞組6匝與匝之間的互換性，二維閉合連續(xù)可導(dǎo)的線圈中心軌跡線3上任意處的空間磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，外界且線圈骨架5中任意一點(diǎn)處被測電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小偏差不超過5％。根據(jù)安培環(huán)路定律：外界干擾磁場對空芯線圈的影響可最大程度的減小，而載流導(dǎo)體中心位置的小幅度變化不會從根本上改變匝均衡前提，因此載流導(dǎo)體中心位置等因素對互感系數(shù)M的影響也將顯著減小。在不改變現(xiàn)有機(jī)械加工公差、不增加額外苛刻的限制措施的基礎(chǔ)之上，“匝均衡”理論使得高精度空芯線圈的設(shè)計(jì)與制備成為了可能。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。