專利名稱：帶有氣隙鐵芯的高磁導率Rogowski線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量磁場或電流的傳感器，具體地說是涉及一種新型的羅科夫斯基Rogowski線圈。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在，人們往往把Rogowski線圈局限于空芯線圈，線圈的骨架被理所當然的定義為非磁性材料。毋庸置疑的是，空芯線圈有極大的動態(tài)范圍，在理論上甚至可以認為它永遠也不會飽和，但是，空芯線圈也有著一個極大的缺點，被測的額定電流為數(shù)百安培時，空芯線圈的輸出電壓一般約為數(shù)十毫伏。因此空芯線圈作為電流測量裝置與計量、顯示等二次儀表連接使用的時候，感應(yīng)的電勢信號必須通過相應(yīng)的電路放大處理，而在設(shè)備數(shù)量相對龐大的電力行業(yè)和工業(yè)界，為了節(jié)省成本和增加儀器的使用壽命，往往選用無源的指針式二次儀表，此時，空芯線圈的驅(qū)動能力嚴重不足，其應(yīng)用范圍受到了極大的限制。另外一方面，在被測電流很小如數(shù)安培時，一般的空芯線圈的輸出電勢往往為數(shù)微伏，對這種微弱信號的處理是困難的，往往得不到令人滿意的效果，提高其感應(yīng)電勢的大小不失為一種巧妙而有效的方法。提高感應(yīng)電勢的方法中，加大二次繞組的匝數(shù)是常見的一種，但是，由于為了保證測量精度，空芯線圈對二次繞組的繞制是有特殊要求的，如Kojovic Ljubomir.Rogowski coils suit relay protectionand measurement[of power systems].IEEE Computer Applicationsin power，1997，10(3)47-52所說，線圈密度恒定；骨架截面積恒定；二次繞組的每匝線圈在骨架上繞成的各個橫截面均與相應(yīng)的骨架橫截面的中心線垂直，否則將引入較大的測量誤差，二次繞組的匝數(shù)越多，越難以達到繞制的要求，因此使得該方法受限。
Rogowski線圈的設(shè)計關(guān)鍵是為了得到一個穩(wěn)定的互感系數(shù)M，其表達式為M=-μNh2πlnRaRi]]>式中，μ為骨架材料的磁導率，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。
空芯線圈的骨架為非磁芯材料，其磁導率恒定為4л*10-7，其相對磁導率為1。要提高Rogowski線圈的輸出電勢，提高骨架材料的相對磁導率是一個非常有效的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服一般空芯線圈輸出信號過小、驅(qū)動能力不足的缺點，而提供一種感應(yīng)電勢較大、有一定驅(qū)動能力的Rogowski線圈。氣隙鐵芯在變壓器、電焊機、電抗器等領(lǐng)域已被較廣泛的應(yīng)用，但還未見在Rogowski線圈中的應(yīng)用。氣隙鐵芯中鐵芯部分的磁阻遠小于空氣隙部分的磁阻，因此相當于鐵芯將部分磁路短接，其相對磁導率大大的高于空氣的相對磁導率，整個鐵芯的等效磁導率一般可設(shè)計為10～200，從上述Rogowski線圈互感的公式來看，骨架相對磁導率的提高將使得運用其構(gòu)成的Rogowski線圈輸出電勢大為增強。
采用本發(fā)明所述的Rogowski線圈可方便的實現(xiàn)與無源指針式二次儀表的配套使用?，F(xiàn)在被廣泛采用的電流互感器的二次額定輸出電流為5A或1A，本發(fā)明的Rogowski線圈額定輸出電勢為數(shù)伏，但與傳統(tǒng)的電流互感器相比擁有較小的體積和重量，將大大節(jié)省骨架鐵磁材料和二次繞組銅線的用量，此外，該線圈輸出為感應(yīng)電勢，一般處于開路工作狀態(tài)，與傳統(tǒng)的電流互感器相比更加安全。
本發(fā)明提供了一種Rogowski線圈，包括線圈骨架和二次繞組，所述為一種測量交變或脈沖電流、不規(guī)則電流的線圈，被測載流導線沿中心穿過該Rogowski線圈，二次繞組感應(yīng)出一定的電勢，該電勢與被測電流對時間的微分成正比；線圈骨架由帶氣隙的鐵芯組成，該鐵芯橫截面處處相等、密度均勻，且用同一材質(zhì)制作，所用材質(zhì)可以是硅鋼片亦可是納米晶、非晶或其它高磁導率磁性材料，一個鐵芯至少有一個氣隙，為了獲得最佳的測量效果，一般以開偶數(shù)個氣隙為宜，每個氣隙的長度相等、在鐵芯長度方向上均勻分布，且每個氣隙的長度一般不宜超過鐵芯橫截面的等效直徑；二次繞組的匝數(shù)根據(jù)被測量電流及所需輸出信號的大小來定，二次繞組只需大致均勻的繞制在氣隙鐵芯骨架上，即保證被氣隙分隔開的每段鐵芯上都有相等數(shù)量的繞線；該Rogowski線圈的輸出信號正比于被測電流對時間的微分，其感應(yīng)電勢可進行積分處理也可不經(jīng)過積分處理，即該線圈既可帶積分器工作也可獨立工作，一般情況下，不規(guī)則的波形往往需要用積分器進行還原，規(guī)則的周期波形，例如，頻率較穩(wěn)定的正弦波往往不需要進行積分處理。
總之，與傳統(tǒng)的空芯線圈相比，本發(fā)明的Rogowski線圈主要具有以下主要優(yōu)點1、采用氣隙鐵芯作為骨架材料，骨架的相對磁導率得到較大的提高，輸出信號可增大數(shù)十倍，信號的處理變得容易，此外，還為其與指針式二次儀表配套使用提供了可能。
2、采用氣隙鐵芯作為二次繞線骨架，鐵磁材料具有聚磁作用，骨架中的磁感應(yīng)強度幾乎處處相等且遠大于骨架外空氣中的磁感應(yīng)強度，所以，本發(fā)明的Rogowski線圈不需要遵循空芯線圈中關(guān)于二次繞線絕對均勻的原則，只需要保證二次繞線大致均勻的分布在骨架上即保證被氣隙分隔開的每段鐵芯上都有相等數(shù)量的繞線即可，但不需要二次繞組的每匝線圈在骨架上繞成的橫截面均分別與相應(yīng)的骨架橫截面的中心線垂直。
3、每個氣隙鐵芯至少有一個氣隙，為了獲得最佳的測量效果，一般以開偶數(shù)個氣隙為宜，每個空氣隙的長度相等且均勻分布，這種對稱分布的結(jié)構(gòu)大大減小了漏磁，保證了相對磁導率的恒定，且在被測電流較大的情況下，可以通過增加氣隙的數(shù)量來調(diào)整相對磁導率，保證線圈在正常工作范圍內(nèi)不會使鐵芯飽和。
4、由于氣隙鐵芯中的磁感應(yīng)強度均勻，本發(fā)明的Rogowski線圈與空芯線圈相比，受導線與線圈相對位置的影響小，抗外界電磁場干擾能力強。對稱的氣隙分布還可改善被測導線與線圈相對位置對測量產(chǎn)生的影響，通過限制每個氣隙的長度可以進一步改善位置影響的問題，從而把位置影響減小到最小。
5、二次繞線大致均勻的分布，在降低了二次繞組制作難度的同時，可大大改進一次導線與線圈相對位置對測量精度的影響，并可減小外界電磁干擾對測量的干擾。
此外，與傳統(tǒng)的基于變壓器原理的電流互感器相比，本發(fā)明的Rogowski線圈主要具有以下主要優(yōu)點1、由于本發(fā)明的線圈的二次負載電阻遠大于線圈繞組的自感系數(shù)的等效感抗，即自感系數(shù)與被測電流角頻率的乘積，線圈的二次輸出為與被測一次電流對時間的微分成正比的感應(yīng)電勢，即線圈一般處于開路工作狀態(tài)，而傳統(tǒng)電流互感器的二次額定輸出電流為5A或1A，一般處于短路工作狀態(tài)或二次負荷非常小，一般為幾歐姆或幾十歐姆，因此本發(fā)明的線圈與傳統(tǒng)的電流互感器相比工作狀態(tài)及工作原理均不同，無開路危險，更加安全。
2、由于本發(fā)明的Rogowski線圈采用氣隙鐵芯作為骨架材料，在相同被測電流和骨架材料、尺寸情況下，與閉合鐵芯相比較，降低了鐵芯中的磁感應(yīng)強度，因此與傳統(tǒng)的電流互感器相比，擁有較小的體積和重量，將大大的節(jié)省骨架鐵磁材料和二次繞組銅線的用量。


圖1為圓形氣隙鐵芯骨架構(gòu)成的Rogowski線圈。
圖2為矩形氣隙鐵芯骨架構(gòu)成的Rogowski線圈。
其中1-鐵芯，2-氣隙，3-二次繞組，4-一次載流導線，5-二次繞組輸出信號出線端子。
具體實施例方式
本發(fā)明的高磁導率Rogowski線圈采用氣隙鐵芯作為骨架，其目的是為了增大其互感系數(shù)，使感應(yīng)電勢得到增強，以便于進行電路處理和與二次儀表的直接配套使用，其具體的實施方式是1、氣隙鐵芯的設(shè)計。首先根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境，主要是一次載流導線的外形和物理尺寸確定Rogowski線圈骨架的外形和基本尺寸，包括外徑、內(nèi)徑和高度；接著，根據(jù)所測電流的頻率范圍確定鐵芯的材料，中低頻一般采用硅鋼片，對于特高頻率的應(yīng)用場合一般采用頻率性能好的材料，比如納米晶或非晶等；最后，根據(jù)一次電流的大小選擇氣隙的個數(shù)，電流越大，需要的氣隙個數(shù)越多，骨架的物理尺寸越大，需要的氣隙個數(shù)越多，確定氣隙的數(shù)量和每個氣隙的大小的判斷依據(jù)是，一次載流導線上通以額定電流時，骨架中的磁感應(yīng)強度小于所選用鐵磁材料的飽和磁感應(yīng)強度。
2、二次繞線的繞制。由于采用的是氣隙鐵芯，二次繞線不需要遵循絕對均勻的原則，只要保證二次繞線大致均勻的分布在骨架上即可。二次繞線的匝數(shù)根據(jù)需要的二次輸出電壓來確定，步驟1中確定了氣隙鐵芯的具體參數(shù)，從這些參數(shù)就可以得到氣隙鐵芯的相對磁導率和骨架截面積，根據(jù)相對磁導率和骨架截面積就可計算出二次繞線的數(shù)目。二次繞線可以是單層的繞制在骨架上，也可以分成多層繞制，此外，為了進一步改進其抗外界電磁場的干擾，可以將二次繞線以類似空芯線圈二次繞組的繞法來回的分成偶數(shù)層繞制在氣隙鐵芯骨架上。
3、二次繞組的負載能力。本設(shè)計的高磁導率Rogowski線圈與空芯線圈相仿，它們都是輸出的感應(yīng)電壓信號，為了保證測量的線性度，其二次繞線的負載電阻一般不宜太小，基本原則是負載電阻遠大于線圈繞組的自感系數(shù)的等效感抗，即自感系數(shù)與被測電流角頻率的乘積。與空芯線圈一樣，高磁導率Rogowski線圈的輸出電勢正比于被測電流對時間的微分，為了還原被測電流的大小，一般采用積分器對輸出電勢進行處理，但在頻率較為穩(wěn)定的場所，線圈也可以不接積分器而直接使用感應(yīng)電勢來測量。
權(quán)利要求
1.帶有氣隙鐵芯的高磁導率Rogowski線圈，該線圈包括骨架和二次繞組，其特征在于骨架由帶氣隙的鐵芯構(gòu)成，鐵芯中開有至少一個氣隙，二次繞組均勻的分布在氣隙鐵芯骨架上，并引出兩個感應(yīng)電勢的端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈，其特征在于氣隙的鐵芯為圓形或矩形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈，其特征在于氣隙的鐵芯為不規(guī)則形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈，其特征在于鐵芯中開的氣隙為偶數(shù)個氣隙，且鐵芯的多個氣隙的氣隙長度相等，對稱均勻地分布在整個鐵芯中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈，其特征在于二次繞組繞線的數(shù)量根據(jù)具體的輸出電壓的要求來設(shè)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈，其特征在于二次繞組的繞線為單層或多層繞制在骨架上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的線圈，其特征在于二次繞組的繞線為多層繞制在骨架上時，將二次繞組的繞線來回的分成偶數(shù)層繞制在氣隙鐵芯骨架上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有氣隙鐵芯的高磁導率Rogowski線圈，該線圈包括骨架和二次繞組，骨架由帶氣隙的鐵芯構(gòu)成，鐵芯中開有至少一個氣隙，二次繞組均勻的分布在氣隙鐵芯骨架上，并引出兩個感應(yīng)電勢的端子。本發(fā)明的線圈采用氣隙鐵芯作為骨架，提高相對磁導率，輸出信號增大數(shù)十倍，信號的處理變得容易；氣隙在鐵芯中對稱分布的結(jié)構(gòu)大大減小了漏磁，保證了相對磁導率的恒定；由于氣隙鐵芯中的磁感應(yīng)強度均勻，受導線與線圈相對位置的影響小，抗外界電磁場干擾能力強；二次繞組的繞線只需大致均勻的分布，降低了二次繞組制作難度的同時，可大大改進一次導線與線圈相對位置對測量精度的影響，并可減小外界電磁干擾對測量的干擾。
文檔編號H01F41/04GK1913056SQ200610019929
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月8日
發(fā)明者李紅斌 申請人:武漢天任光電互感器有限公司