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傳感器的制造方法
【專利摘要】一種電流傳感器，包括具有多個線圈的第一部件。每個線圈均包括印刷在相應基板的至少一個平面上的一個或多個線匝，并且線圈的平面彼此平行并與第一部件的縱向軸線垂直。第二部件包括軟磁材料并具有第一平面和第二平面，第一平面和第二平面位于第一部件的相對端處并且布置成與第一部件的縱向軸線垂直并相交。
【專利說明】傳感器
[0001]說明書
[0002]本發明涉及傳感器。
[0003]電流傳感器是眾所周知的。電流傳感器可用于測量這樣的導體中的電流，流過該導體的電流如此高，以至于直接應用測量儀器是不理想或不可能的。
[0004]電流傳感器的一種眾所周知的形式是羅果夫斯基線圈(Rogowski coil)。典型地，這些包括卷繞在包圍所關注的導體的非磁性芯上的一圈電線。具有等距隔開的繞組和規則形狀的正確形成的羅果夫斯基線圈對外部磁場非常不敏感而對所包圍的導體產生的磁場敏感。然而，難以實現正確形成的羅果夫斯基線圈，特別是如果需要將其構造為使得它們能在所關注的導體上改造時。
[0005]已經提出了基于羅果夫斯基原理但沒有環形線圈的多種傳感器。US5521572公開了這樣一種傳感器，其包含在電量計內，并包括限定其中定位有次級線圈的兩個氣隙的材料。US6313727公開了這樣一種傳感器，其可在三相系統上改造，并包括具有低矯頑性棒的螺旋傳感線圈。US5617019公開了這樣一種傳感器，其設計為適于母線并且不可改造。大多數實施方式結合有屏蔽裝置，以改進對外部場的抵制。所有三篇專利均公開了在兩個軟磁部件之間的氣隙中具有傳感線圈的磁路。
[0006]Sentec Limited已制造基于羅果夫斯基傳感器的原理但是使用印刷在電路板上的線圈(這可簡化制造并改進所制造的產品的精度)的多種不同的傳感器。實例包括US6414475和W02011/018530。包含印刷在電路板上的線圈的容易改造的傳感器的實例是W02011/018533。
[0007]傳感器設計包含多種考慮因素，包括制造的簡便性和成本、對外部場的靈敏度、傳感區域內的靈敏度的均勻性、以及物理尺寸。一些具有最佳性能的傳感器過大以至于無法容易地容納在一些環境中，這樣的傳感器的一個實例是變電站，在該變電站中，所關注的導體緊密地一起封裝在機柜或其他容器內。
[0008]本發明在該背景下形成。
[0009]根據本發明的第一方面，提供了一種傳感器，包括:
[0010]第一部件，包括多個線圈，其中:
[0011]每個線圈包括印刷在相應基板的至少一個平面上的一個或多個線匝，并且
[0012]線圈的平面彼此平行并且與第一部件的縱向軸線垂直；以及
[0013]第二部件，包括軟磁材料并且具有第一平面和第二平面，第一平面和第二平面位于第一部件的相對端處并且布置成與第一部件的縱向軸線垂直并相交。
[0014]第二部件可僅包括軟磁材料者其可包括其他部件。在一些實施方式中，第二部件包括具有線圈的一個或多個其他部件。在這些實施方式中，包括線圈的該部件沒有磁性材料。
[0015]對于第一部件的所有線圈而言，相鄰線圈之間的間隔可為近似相同的。該間隔可為完全相同。間隔可替代地改變，但會以降低的性能為代價。
[0016]第一部件的每個線圈可包括相同數量的線匝并且在基板上具有相同的面積。它們可替代地是不同的，并且實際上這在無法實現規則的線圈間隔的情況下可能是優選的。
[0017]第二部件可包括U形軟磁部件，第一面和第二面可為在U形的口內平行的面。這里，第二部件可能可與第一部件分離，從而允許在將第二部件放置在第二部件的U形的口內之前將導體引入U形中?？商鎿Q地或附加地，對于第一部件的所有線圈而言，相鄰線圈之間的間隔可近似為相同的，并且最靠近第一端的線圈與第一接觸面之間的間隔可大致等于最靠近第二端的線圈與第二接觸面之間的間隔，并且可等于或近似等于相鄰線圈之間的間隔的一半。
[0018]盡管提供了最佳布置，然而可替代地提供不規則的間隔，在這種情況下，可通過改變基板中的適當基板上的線匝面積乘積來減緩不規則間隔的效果。
[0019]傳感器可包括用于使第二部件保持在第二部件的U形的口內的裝置。
[0020]第二部件還可包括第三部件，第三部件包括多個線圈，其中:第三部件的每個線圈包括印刷在相應基板的至少一個平面上的一個或多個線匝，并且第三部件的線圈彼此平行并且位于第三部件的縱向軸線上；并且其中，第二部件包括第三平面和第四平面，第三平面和第四平面布置成與第三部件的縱向軸線垂直并相交。
[0021]這里，第二部件可包括第一 I形部件和第二 I形部件，第一 I形部件包括第一面和第三面，并且第二I形部件包括第二面和第四面。
[0022]對于第一部件和第三部件的所有線圈而言，相鄰線圈之間的間隔可為近似相同的，并且其中，最靠近第一部件的第一端的線圈與第一面之間的間隔和最靠近第一部件的第二端的線圈與第二面之間的間隔相同，其和最靠近第三部件的第一端的線圈與第三面之間的間隔相同，并且和最靠近第三部件的第二端的線圈與第四面之間的間隔相同，并且近似為相鄰線圈之間的間隔的一半。
[0023]盡管提供了最佳布置，然而可替代地提供不規則的間隔，在這種情況下，可通過改變基板中的適當基板上的線匝面積乘積來減緩不規則間隔的效果。
[0024]第二部件可包括一個或多個其他部件，每個部件均包括多個線圈，其中:每個其他部件的每個線圈包括印刷在相應基板的至少一個平面上的一個或多個線匝，并且每個其他部件的線圈彼此平行并位于所述其他部件的縱向軸線上。
[0025]相鄰基板可由間隔件機械地隔開。
[0026]第一部件中的端部基板可通過間隔件與第一部件隔開。
[0027]傳感器可包括構造成與連接電路中的線圈的電路板。
[0028]傳感器可包括構造成至少部分地圍繞第一部件的一個或多個屏蔽部件，并且在存在第三部件的情況下所述屏蔽部件還至少部分地圍繞第三部件。
[0029]傳感器可包括穿過傳感器的中央部分延伸的載流導體。
[0030]軟磁材料可為鐵氧體(ferrite)。
[0031]每個線圈可包括印刷在相應基板的至少兩個平行表面上的一個或多個線匝。
[0032]第一部件可包括分別印刷在第一基板的第一平行表面和第二平行表面上的第一線圈和第二線圈。這里，第二部件還可包括第三部件，第三部件包括分別印刷在第二基板的第一平行表面和第二平行表面上的第三線圈和第四線圈，其中，第三部件的線圈彼此平行并位且于第三部件的縱向軸線上；并且其中，第二部件包括第三平面和第四平面，三平面和第四平面布置成與第三部件的縱向軸線垂直并相交。第一基板和第二基板可具有相同的厚度，并且第三線圈與第四部件之間的間隔可和第一線圈與第二部件之間的間隔相同。
[0033]第一部件和第三部件可由單個多層印刷電路板形成，在該多層印刷電路板中形成有構造成接收導體的槽孔或切口。
[0034]傳感器可包含絕緣殼體和/或抗風化(weatherproof)殼體。
[0035]現在將參考附圖通過實例的方式來描述本發明的實施方式，附圖中:
[0036]圖1是根據本發明的傳感器的第一實施方式的立體圖；
[0037]圖2是第一實施方式傳感器的側視圖和端視圖；
[0038]圖3是形成第一實施方式傳感器的一部分的線圈堆的一部分的立體圖；
[0039]圖4a和圖4b是形成第一實施方式傳感器的一部分的印刷電路板的不同側的視圖；
[0040]圖5是第一實施方式傳感器的立體圖，其中連接的印刷電路板和屏蔽罩(shielding cans)處于適當位置中；
[0041]圖6是處于閉合位置中的根據本發明的傳感器的第二實施方式的立體圖；
[0042]圖7a和圖7b是第二實施方式傳感器的側視圖和端視圖；
[0043]圖8是處于打開位置中的第二實施方式傳感器的立體圖；
[0044]圖9是根據本發明的第三實施方式的傳感器的側視圖；
[0045]圖10是根據本發明的第四實施方式的傳感器的側視圖；
[0046]圖11是根據本發明的第五實施方式的傳感器的側視圖；
[0047]圖12a、圖12b和圖12c示出了雙面印刷電路板，該雙面印刷電路板提供在本發明的一些實施方式中使用的線圈堆；
[0048]圖13是根據第六實施方式的傳感器的立體圖；
[0049]圖14a至圖14d呈現了根據本發明的第七實施方式的傳感器的不同方面。
[0050]現在將參考圖1至圖5描述根據本發明的第一實施方式的傳感器10。
[0051]如可在圖1中最佳地看到的，傳感器10包括第一和第二部件11、12 (每個均包括多個線圈)以及第三和第四部件13、14 (每個均包括軟磁材料)。在下文中，第一和第二部件11、12將稱為線圈堆。在下文中，第三和第四部件13、14將稱為軟磁棒或就稱為磁棒。磁棒由具有低矯頑性的材料形成。鐵是一種適合的材料，盡管如此，其他材料也是適合的。該材料可能是鐵氧體。該材料可能是例如鎳的合金。該材料可能是例如層壓電工鋼。這里，層壓板位于優選地垂直于作為測量對象的導體的軸線的平面中，例如圖2b的平面。
[0052]線圈堆11、12均包括多個電路板15，每個電路板在其上印刷了多個線圈，并且在電路板之間具有多個間隔件(spacer) 16。
[0053]如可從圖2a和圖2b中最佳地看到的，第一線圈堆11包括第一至第六電路板27至32、以及第一至第七間隔件20至26。第二間隔件21位于第一和第二電路板27、28之間，等等。第一間隔件20位于第一線圈堆11的最上端，并且，其最下方的面與第一電路板27的最上方的表面抵接。第六間隔件26位于線圈堆11的最下端，并且其最上方的面與電路板32的最下方的面抵接。第六間隔件26的端部或最下方的面31與第一間隔件20的端部或最上方的面43平行并且與第一線圈堆11的縱向軸線垂直。
[0054]在該實施方式中，電路板27至32相對較薄，并且與電路板相比，間隔件20至26相對較厚。電路板27至32均大致是矩形的形狀。每個電路板的尺寸與第一線圈堆11的所有其他電路板的尺寸相同。間隔件20至26也都是矩形的。除了第一和第六間隔件20、26比第二至第五間隔件21至25薄以外(如下面更詳細地描述的)，間隔件20至26彼此相同。除了間隔件厚度以外，間隔件20至26的尺寸與電路板27至32的尺寸近似相同。此外，，將間隔件20至26例如通過膠粘與電路板27至32彼此接合。在間隔件20至26與電路板27至32對準時提供接合，因此第一線圈堆11的整體形狀是矩形立方體的。因為第二至第五間隔件21至25均具有相同的厚度，所以相鄰的第一至第五電路板27至32之間的間隔是相同的。
[0055]間隔件20至26的關鍵功能是將印刷電路板27至32以所需的間隔保持，并且因此在不損壞傳感器10的情況下間隔件相反可能具有一些其他的形狀。
[0056]圖3是第一線圈堆11的可替換視圖。這里，從圖中省略第一間隔件20，從而允許第一電路板27的最上方的表面是可見的。
[0057]如可在圖3中最清楚地看到的，電路板27至32在其三個邊緣處均設置有多個凸翼(tab)。特別地，在面向外部(朝向圖2b中的左側)的邊緣上，第一和第二凸翼80和81近似設置在沿著電路板的邊緣的四分之一和四分之三處。凸翼85、86設置在每個電路板27至32的相對側上的對應位置處。在電路板27至32 (其是圖2b中看到的面)的邊緣上具有三個凸翼，標為82、83和84。凸翼83大約形成在沿著電路板的邊緣的中心處，并且凸翼82和84定位在任一側上。在中心凸翼83和每個凸翼82與84之間形成有凹部。
[0058]下面更詳細地描述了凸翼82至86的用途。
[0059]再次參考圖1和圖2，將看到的是，第二線圈堆12在形狀上與第一線圈堆11相同。第二線圈堆12包括第一至第六電路板57至62以及第一至第七間隔件50至56，分別對應于第一堆11的間隔件20至26中的電路板27至32。
[0060]在第二線圈堆12的最下端是面71，其與第二線圈堆12的最上端的面73平行。這兩個面與第二線圈堆12的縱向軸線垂直。
[0061]將第一和第二線圈堆11、12對準，使得在公共平面中分別形成第一和第二線圈堆的最上方的面43、73。類似地，第一和第二線圈堆11、12的最下方的面41、71也分別位于公共平面中。
[0062]第一和第二磁棒13、14 一般都具有矩形立方體的形狀。然而，軟磁棒13、14均沿著其兩個邊緣傾斜。
[0063]位于第一軟磁棒13的一個面上(其在圖2中面向下方)的是與第一線圈堆11的最上端的面抵接的面42。其還包括與第二線圈堆12的最上端的面73抵接的面72。
[0064]類似地，第二軟磁棒14在圖2中具有位于面向最上方的面上的面40和面70，面40與第一線圈堆的最下方的端面41抵接，面70與第二線圈堆12的最下方的面71抵接。
[0065]每個棒13、14的立方體形狀具有三個尺寸。高度尺寸在與線圈堆11、12的縱向軸線相同的方向上延伸。磁棒13、14的長度尺寸的端部與線圈堆11、12的截面大致對準。磁棒13、14的寬度尺寸通常與線圈堆11、12的對應尺寸相同。因此，軟磁棒13、14和線圈堆
11、12 —起提供大體矩形的環面(annulus)。
[0066]第一和第二軟磁棒13、14的傾斜設置在棒的端部處但是位于棒的與第一和第二線圈堆11、12接觸的面相對的側上。這提供矩形環面形狀的一些倒圓角，而不會降低磁棒
13、14飽和之前的最大電流。[0067]因為第一線圈堆11的間隔件20至26具有均勻的厚度，所以電路板27至32位于公共的直線軸線上。此外，因為第一和第二間隔件20至26具有均勻的厚度，所以磁棒13、14的縱向軸線和面42、72形成為與第一線圈堆11的縱向軸線成直角并且與電路板27至32的平面平行。
[0068]由于間隔件50至56的布置以及所產生的電路板57至62的布置,這同樣適用于第二線圈堆12和第二磁棒14。
[0069]第一磁棒13可操作成使出現在第一線圈堆11的最上端處的磁場集中，并使其與第二線圈堆12的最上方的面73直接聯接。類似地，第二軟磁棒14集中于第一線圈堆11的最下端41與第二線圈堆12的最下端71之間的磁場。
[0070]因為第一和第二軟磁棒13、14的面40、42、70、72與第一和第二線圈堆11、12的縱向軸線垂直并且端部間隙是中間間隙的一半(或者在單個雙面板的情況下是相等的)，所以可將傳感器10認為是等同于無限螺線管(infinite solenoid)。這在下面更詳細地討論。
[0071]在每個印刷電路板27至32上形成有具有多匝的線圈。
[0072]圖4示出了印刷電路板27至32和57至62上的表面圖案化。在其一個表面上，提供圖4a所示的圖案。將看到的是，這在最內端和最外端之間包括線圈88的多個線匝87。在圖4b所示的印刷電路板27至32和57至62的另一側上，線圈88的多個線匝87在最內端與最外端之間延伸。盡管由于圖4a和圖4b是不同的視圖而使得線圈88的方向看似是與印刷電路板不同的側，然而線匝實際上是在相同的方向上。因此，印刷電路板的每側上的線阻彼此一起構造成。
[0073]穿過印刷電路板27至32和57至62的過孔連接每側上的圖案的最內端。因此，單個線圈88形成在位于印刷電路板27至32和57至62的一側上的最外端與位于印刷電路板的另一側上的最上端之間。線圈88的線匝數等于印刷電路板27至32和57至62的每側上的線匝數的和。
[0074]在該實例中，線匝87的形狀為大體矩形。這允許線匝87相對于印刷電路板27至32的尺寸而言具有更大的直徑。
[0075]印刷電路板27至32和57至62可例如由FR4制成。兩個線圈堆11、12的線圈沿相反的方向(即，從上方看去時，一個方向為順時針而另一個方向為逆時針)連接。因此，就電路包括線圈和磁棒1、14的意義而言，它們是在相同的方向上連接的。
[0076]印刷電路板27至32和57至62的線圈通過設置于另一電路板90上的電路而串聯在一起，這在圖5中最佳地看出。電路板90是薄的柔性板。
[0077]圖5中還示出了第一至第四屏蔽罩91至94。這些包括穿孔金屬板。每個屏蔽罩91至94包括槽孔，這些槽孔構造為接收設置于印刷電路板27至32和57至62上的凸翼
80、81、85和86。屏蔽罩91至94中的槽孔與凸翼80、81、85和86接合，并使得屏蔽罩91至94固定至線圈堆11、12。
[0078]屏蔽罩91至94分別屏蔽線圈堆11、12中的一個的整個的一個主要面。在該實施方式中，不屏蔽線圈堆11、12的前面和后面。
[0079]屏蔽罩91至94的效果是，去除感測體積內和感測體積外的靜電耦合。如果對屏蔽罩91至94使用相對厚的導電材料(例如0.3mm的鈹、銅或黃銅)，則在希望具有精確的諧波響應(例如，大于等于5kHz )的情況下，在線圈堆11、12周圍不完成短路的線匝是有用的。[0080]傳感器10等同于無限螺線管的部分原因是間隔件厚度的選擇。特別地，第一線圈堆11的第一間隔件20的厚度和第二線圈堆12的第一間隔件50的厚度選擇成使得厚度的和等于第一和第二線圈堆11、12的第二至第五間隔件21至25和51至55的厚度。將第一線圈堆11的第一間隔件20的端面43與第二線圈堆12的第一間隔件50的面73連接的第一磁棒13的存在具有這樣的效果，即，在磁性上使得第一線圈堆11的第一印刷電路板27與第二線圈堆12的第一印刷電路板57之間的距離等于第一或第二線圈堆中的相鄰印刷電路板之間的間隔。因此，第二線圈堆12在磁性上看似是第一線圈堆11的延伸。
[0081]因為第一線圈堆11的第六間隔件26和第二線圈堆12的第六間隔件56具有相同的厚度，并且每個的厚度等于第一和第二線圈堆11、12的第二至第五間隔件21至25和51至55的厚度的一半，并且因為第二磁棒14將第一線圈堆的第六間隔件26的端面41與第二線圈堆12的第六間隔件56的端面71直接連接，所以在第一和第二線圈堆11、12的最下端具有相同的效果。因此，可將第一線圈堆11認為是第二線圈堆12在另一端處的延續。這有助于實現無限螺線管效果。
[0082]在上述實施方式中，印刷電路板27至32和57至62中的每一個均為大致相同的。因此，每個印刷電路板具有相同的線圈線匝數和相同的平均線匝半徑。而且，對于所有電路板而言，相鄰印刷電路板之間的間隔是相同的，其與由第一和第二磁棒13、14中的一個隔開的印刷電路板之間的有效間隔相同。該高度對稱的布置具有多個優點。一個優點是易于制造。特別地，僅需要單電路板的設計，并且僅需要雙間隔件的設計。另一優點是靈敏度，在于該高度規則的布置對源于由傳感器10限定的體積內的磁場具有均勻的靈敏度，而對外部施加的磁場提供良好的抑制。然而，本領域技術人員將構想到可替換布置。多個可替換方式具有幾乎均良好的性能，盡管可能更復雜并且因此制造起來更昂貴。
[0083]間隔件20至26和50至56由非磁性材料制成。例如，間隔件20至26和50至56由聚碳酸酯制成。印刷電路板27至32和57至62也由非磁性材料制成。屏蔽罩91至96也由非磁性材料制成。因此，線圈堆11、12沒有磁性材料。線圈堆11、12組成軟磁棒之間的氣隙。
[0084]現在將提供發明人所構造的傳感器10的原型的部件的尺寸，以用于說明的目的。在該原型中，印刷電路板是0.4mm厚，IOmm寬和25mm長。第二至第五間隔件的厚度是
3.95mm,給定相鄰印刷電路板的中心之間的間隔是4.35mm (考慮板厚)。每個線圈堆11、12的總長是26mm,其限定了軟磁棒的最內表面之間的間隔。軟磁棒13、14具有27mm深乘60mm長和9mm高的尺寸。當線圈堆11、12處于適當位置中時,其縱向軸線之間的間隔是48mm。每個印刷電路板在每側上設置有13個線圈線匝?？紤]到每個線圈堆11、12上具有六個雙面印刷電路板，每個線圈堆具有156個線匝，因此總共存在312個線匝。每個線匝的平均面積是1.2平方厘米(印刷電路板的給定側上的明確不同的線匝具有不同的面積)。軟磁棒的初始相對磁導率為近似2000。對于傳感器10，在飽和度為?0.4特斯拉的中等功率鐵氧體具有大約IOOOArms的電流處理能力。
[0085]傳感器10可操作為羅果夫斯基類型的傳感器。傳感器10能夠用于測量流過導體進入第一和第二線圈堆11、12與第一和第二磁棒13、14之間的體積中的電流，該體積在下文中稱為感測體積。
[0086]感測體積內的傳感器的靈敏度通過線圈堆11、12的線匝面積與每米長度的乘積來確定。這是普遍適用的論述，而不僅僅適用于傳感器10。
[0087]在上述原型傳感器10中，如下所述地計算理論靈敏度。所測電流與傳感器線圈之間的互感計算為，6 (線圈堆中的印刷電路板)X26 (每個印刷電路板的線匝)X (0.00012(線匝的平均面積)/0.026 (線圈堆長度))XUq (真空磁導率，4pil0_7，或者?1.25e_6)為0.9 μ H。這代表每安培0.9微伏秒。將這乘以角頻率來得到靈敏度，單位是伏/安。對于50Hz (多數國家中的主頻率)，靈敏度是0.28mV/A。
[0088]然而，實際靈敏度通過兩個小因素(B卩，軟磁棒的有限磁導率并且由于軟磁棒在線圈堆上的有限重疊)而減小。發明人構想的是，靈敏度由于磁棒的有限磁導率而減小0.1%到1%，并且由于磁棒在線圈堆上的有限重疊而導致的靈敏度的減小(假設由堆端部處的間隔件形成間隙)在0.05%與0.5%之間。例如，在如上所述的傳感器10中，棒的有限磁導率減小0.4%。因此，如果磁導率翻倍(例如由于增加的電流和/或增加的溫度)，則傳感器的增益將增加0.2%。
[0089]軟磁棒13、14的平面在線圈輪廓之外的有限投影使得增益的減小為?0.1%。
[0090]由于磁導率而導致的增益減小可通過對軟磁棒13、14使用不同磁導率的材料和/或對軟磁棒選擇不同的厚度而改變。例如，由于磁導率而導致的增益減小(0.4%)可通過將鐵氧體磁導率增加至10000 (例如通過使用立方結構鐵氧體3E6材料)而減小5倍至?
0.08%。增益減小可通過使軟磁棒13、14的厚度翻倍至16mm而再次減半至0.04%。
[0091]如果希望的話，由于軟磁棒13、14的有限投影而導致的增益減小可通過增加磁棒的長度和/或寬度而減小。增益的減小可通過將磁棒13、14的長度和寬度如上所述地增加幾毫米而減小顯著的量，盡管這是以增大整體尺寸為代價的。
[0092]通常，假設傳感器10是對稱構造的，則傳感器10對均勻場(在遠離感測體積處產生的場在傳感器處是均勻的)不敏感。梯度場的靈敏度受軟磁棒的有限磁導率限制。對于給定的磁導率，其越短且越厚則越好。與感測體積中的導體相比，傳感器10對就位于傳感器外部邊上的外部載流導體的典型靈敏度是大約?1/500。通過提供具有磁導率為10000的磁棒并且將磁棒的厚度增加至近似16_高，對這種外部產生的場的靈敏度可提高大約10倍。如果用鐵氧體作為軟材料，則增加的磁導率趨于與飽和之前的磁感應的較低最大值平衡；磁棒13、14的額外厚度在保持良好的電流處理能力的同時提供額外的能力。
[0093]如上所述，靈敏度由線匝面積與每單位長度的乘積給定。因此，可通過以下方式來增加靈敏度:提供具有更大面積的線圈，在線圈上提供更多的線匝，在每個板中提供更多層的線圈，和/或減小相鄰印刷電路板之間的間隔。減小相鄰板之間的間隔需要更小的第一間隔件20、50，所述第一間隔件在傳感器設置于可打開的殼體中時產生限制，如下面參考圖2討論的。
[0094]在以上描述中，每個印刷電路板27至32和57至62描述為包括位于板的兩側上的具有線匝的一個線圈?？商鎿Q地，可將印刷電路板27至32和57至62考慮為包括兩個線圈，板的每側上有一個。這里，每個線圈具有13個線匝，當然，盡管如此，線圈堆11、12中的總的線匝數不變。
[0095]在這種情況下，板上的兩個線圈之間的距離等于印刷電路板27至32和57至62的厚度。而且，堆中的一個線圈到下一個線圈的距離等于將相鄰印刷電路板隔開的間隔件的厚度。在這種情況下，每個線圈堆11、12中的線圈并不是等距隔開的。相反，沿著印刷電路板的長度，線圈之間的間隔在間隔件厚度與印刷電路板厚度之間交替。
[0096]為了允許將傳感器10用于測量在導體中流動的電流，在通過圖2b中的頁面平面的方向上通過導體，或者從左到右通過，或者在圖2a中反之亦然。應當認識到的是，流過這種導體的電流產生在導體周圍形成同心圓的磁場線，這些磁場的線因此沿著第一和第二線圈堆11、12中每一個的軸線延伸。磁棒13、14用于使磁場集中，從而使得通過第一和第二線圈堆11、12的場聚焦。應當理解的是，常規地，羅果夫斯基類型的傳感器并不包括磁性材料。
[0097]存在用于在導體周圍設置傳感器10的多個不同的選擇。在第一種選擇中，傳感器10保持完整，并將導體插入由第一和第二線圈堆11、12以及第一和第二磁棒13、14形成的孔中。然而，通過該方法，無法將傳感器10改造為原位導體。
[0098]在第二種選擇中，磁棒13、14 (例如第一磁棒13)曾與第一和第二線圈堆11、12的端部43、73隔開。一旦已經去除第一磁棒13，則可將導體插入由第一和第二線圈堆11、12與第二磁棒14形成的U形的中心。第一磁棒13可然后與第一和第二線圈堆11、12的面43、73重新連接并固定在適當的位置。這樣的結果是，導體由傳感器10的四個主要部件容納，即，穿過感測體積延伸。
[0099]可替換地，傳感器10可設置在構造為允許將傳感器10改造為位于原位的導體的殼體中。在圖6、圖7和圖8中示出了傳感器10的第二實施方式(可特別容易地對其進行改造)，現在將對該實施方式進行描述。傳感器10包括第一實施方式傳感器10的除了第一間隔件20、50以外的所有部件。第一實施方式傳感器的以上描述應當被認為是包含在第二所述實施方式的該描述中，但是這里為了簡明和清楚而將其省略。
[0100]該第二實施方式中的傳感器10包括兩個主要部件。U形件100設置有門101。在U形件100中(如圖1至圖5所示)，也可存在圖5所示的電路板90?？商鎿Q地，可提供用于將線圈的線匝連接在電路板上的一些其他裝置。U形件100還可包括圖5所示的屏蔽部件91 至 94。
[0101]門101在一端處鉸接于U形件100的一端。門101的另一端與U形件100的另一端抵接，然而并非與其永久地固定。U形件100和門101之間的鉸接連接允許打開門，從而允許導體插入由U形件100限定的感測體積中。一旦導體處于適當的位置中，則門101可再次關閉，使得其與U形件100的兩端都抵接。門101包括第一磁棒13，由此用作第一和第二線圈堆11、12的最上端之間的磁場集中器。
[0102]門101和U形件100構造為允許將傳感器10半永久地固定在關閉位置中。這例如可使用彈性夾(clip)來實現。這在需要時允許門由使用者打開，但是會另外導致門保持關閉，即使受到沖擊或受到振動也是這樣。
[0103]在圖8中示出，該鉸接使得門101在第一磁棒13的平面中樞轉。然而，門101可替代地以一些其他方式樞轉，例如圍繞垂直于(而非平行于)第一和第二線圈堆11、12的軸線延伸的軸線樞轉。
[0104]在圖6至圖8所示的實施方式中，通過U形件100的材料在第一和第二線圈堆11、12的最上端處的的厚度以及容納第一磁棒13的門101的材料的厚度而提供第一和第二線圈堆11、12的第一印刷電路板27、57與磁棒13之間的間隙。將門101和U形件100構造為使得第一線圈堆11的第一印刷電路板27之間的間隔和第二線圈堆的第一印刷電路板57與棒13之間的間隔是相等的，或近似等于第一線圈堆11中的相鄰印刷電路板之間的間隔的一半。這可例如通過以下方式來實現:將形成位于磁棒和線圈堆11、12的端部之間的U形件和門101的部分的材料的厚度選擇為與圖1至圖5的間隔件20，50的厚度對應，并且將U形件100和門101構造為使得當傳感器10處于圖6所示的關閉位置中時兩個部件抵接。
[0105]如上所述，傳感器10提供無限螺線管的等同物。可替換布置也可提供相同的效果，并且現在將參考圖9、圖10和圖11描述一些這種可替換方式。
[0106]首先參考圖9，示出了傳感器200的第三實施方式。這里，傳感器200包括U形軟磁部件201和單線圈堆202。線圈堆202與圖1至圖5的實施方式的第一和第二線圈堆11、12非常相似，并且那些線圈堆的以上描述應當被認為是第三實施方式的該描述的一部分，盡管這里為了清楚和簡明而將其省略。非常簡要地，線圈堆202具有由間隔件205至208隔開的多個印刷電路板209。線圈堆202在其端部處設置有間隔件203和204，這些間隔件是位于印刷電路板209之間的間隔件205至208的厚度的近似一半。間隔件203至208和印刷電路板209對準為使得第一線圈堆202具有一般矩形立方體的形狀。第一間隔件203的最上端的面213與最下方的間隔件204的端面212平行。
[0107]U形軟磁部件201的一端的內側210與線圈堆202的最上方的端面213抵接。U形部件201的另一端的內側211與線圈堆202的底端處的端面212抵接。因此，軟磁部件201的面210和211彼此平行并且與線圈堆202的縱向軸線垂直。盡管未示出，然而傳感器200是伸入附圖的頁面方向的三維尺寸。
[0108]與第一實施方式的情況一樣，軟磁部件201用于使磁場集中，從而使得線圈堆202的一端與線圈堆的另一端直接磁性地聯接。因此，再次提供無限螺線管效果。
[0109]延伸到由U形軟磁部件201和線圈堆202限定的感測體積的導體(未示出)中的是對象傳感器200。流過導體的電流在導體周圍產生磁場，該磁場通常沿著線圈堆202縱向地延伸并且通過U形軟磁部件201集中。因此，在導體中流動的變化電流在線圈堆202的線圈中產生對應的電動勢，其可用于測量流過導體的電流。
[0110]為了將傳感器200裝配至導體，需要將導體插入U形軟磁部件201與線圈堆202之間的體積中，或者需要在將U形部件201放置在導體上之前去除線圈堆202并且然后將線圈堆202重新引入U形軟磁部件201的端部之間的體積中。這兩種方法假定U形部件201是相對剛性的單件?？商鎿Q地，U形軟磁部件201可為不是剛性的，并且可以一些方式允許將導體引入感測體積中。可提供殼體(未示出)以便于進行該操作。
[0111]現在將參考圖10描述第四實施方式。這里，第一至第四線圈堆301至304布置在矩形且特別是方形中。每個線圈堆與上面結合第一或第三實施方式描述的相同。因此，線圈堆301至304中的每一個均具有大體彼此平行的端部。提供第一至第四軟磁部件305至308。軟磁部件305至308中的每一個均連接兩個相鄰線圈堆的端部。軟磁部件305至305的與線圈堆301至304的一端接觸的面是平的，并且布置為大體與相應線圈堆的縱向軸線垂直。因此，每個軟磁部件305至308包括大體彼此垂直的兩個面，使得相鄰的線圈堆301至304以彼此成90ο的角度支撐。
[0112]在圖10中，軟磁部件305至308示出為具有大體三角形的截面。然而，構想了可替換的形狀。例如，軟磁部件305至308可具有方形截面，或者，其可能具有1/4個圓形的截面。主要需求是，軟磁部件305至308的面是平的并且與線圈堆301至304的相關軸線垂直地延伸。盡管未示出，然而傳感器300是伸入附圖的頁面方向的三維尺寸。
[0113]第四所述傳感器300也提供了無限螺線管的效果。該傳感器能夠允許在線圈堆301至304之間限定的感測體積中測量流過導體的電流。
[0114]上述傳感器10、200、300提供了截面大體是矩形的感測體積。傳感器10、200、300
可用于測量在容納于感測體積中的任何導體中流動的電流。
[0115]在一些實施方式中，傳感器10、200、300安裝在變電站的導體周圍，特別是低壓變電站或配電站。這里，變電站的輸入處的導體趨于具有圓形的或圓弓形的截面，并且具有幾十毫米的直徑(包括絕緣護套)。通過使用具有僅略微大于導體的外徑的最小內部尺寸的傳感器10、200、300，安裝到導體上的傳感器的總尺寸可相對較小。因此，甚至在多個導體相對緊密地封裝的地方也可安裝傳感器10、200、300，如在現代變電站中越來越普遍的。此外，這甚至在傳感器在精度和靈敏度方面提供相對良好的性能的情況下實現。傳感器的緊湊性方面的貢獻因素是印刷電路板的最長的邊在沿著感測體積的軸線的方向上設置。這允許最短的邊徑向于感測體積的軸線，由此使得當將傳感器安裝于其上時對導體增加的額外直徑最小。
[0116]當將傳感器設置在可打開的殼體內時(諸如在圖6、圖7和圖8中所示)，包括在主體100中的線圈堆的端部處的印刷電路板與包括在殼體的門101中的磁棒13、14之間的間隔依據對殼體提供絕緣和/或防風雨的機械特征而變化。通常，通過線圈堆的每個單位長度的更大數量的線匝來提供更大的靈敏度?？稍诙瞬坑∷㈦娐钒迮c磁棒13、14之間實現的最小間隔也限定了線圈堆中的相鄰板之間的間隔。對于給定長度的線圈堆，這限定了堆中的板的數量。
[0117]在圖11中示出了根據第五實施方式構造的傳感器400。
[0118]該傳感器與第三所述傳感器200的相似之處在于，其包括U形軟磁部件402和線圈堆。該線圈堆包括三個印刷電路板403至405。印刷電路板403至405是規則間隔開的。在傳感器400中包括來自第一和第二實施方式的其他特征，但是為了清楚和簡潔的起見而從附圖和該描述中省略。
[0119]在圖11中還示出了母線(busbar)形式的導體401。母線401穿過限定于U形軟磁部件402的三條邊與線圈堆之間的感測體積。還應當看到的是，在傳感器400的最近的表面與母線401之間具有相對較小的間隔。這允許傳感器的總體積相對小，并且實際上比用于相似目的的多個現有技術傳感器更小。當然，傳感器400比可能具有相似的制造簡易性性和/或相似的性能的現有技術傳感器更小。
[0120]傳感器400可設置有殼體(未示出)，通過該殼體使傳感器400與母線401絕緣。然而，如果仔細地選擇傳感器400的相關部分的材料，傳感器400的可與母線401接觸的部分是充分電絕緣的，從而無需額外的殼體或其他絕緣件。另外，如果可正確地保持傳感器400和母線401的相對位置，如例如可在其中傳感器400結合于配電板、變電站、配電盤或儀表中的實施方式中提供的，無需預防措施用以在傳感器與母線401之間提供電絕緣。
[0121]在其他實施方式中，也可將線圈堆11、12制造為使用多層印刷電路板技術的單個部件。該多層印刷電路板可以包括或可以不包括由線圈堆11、12的端部處的板的層提供的間隔件。在多層印刷電路板中，每個層均包括基板。[0122]在圖12中示出了一個這種線圈堆。圖12a示出了單個部件堆，圖12b示出了印刷電路板層的布局，并且圖12c示出了圖示這些層在印刷電路板的高度內的放置的側部立體圖。
[0123]在該實例中，提供12個印刷電路板層。這些包括位于頂部處的屏蔽層以及位于底部處的另一屏蔽層。屏蔽軌道在層2至11中的每一層的外部周圍延伸。
[0124]每對非屏蔽層2、3 ;4、5 ;6、7 ;8、9 ;10、11形成與印刷電路板的外表面連接的線圈，如圖12a的右側所示。在該實施方式中，這些以與如上所述的傳感器10中的堆中的板相同的方式連接，然而在其他實施方式中，它們一起串聯地互連在多層印刷電路板內。
[0125]可替換地，可由單個印刷電路板提供兩個線圈堆，如現在將參考圖13描述的。這里，傳感器600包括由多層印刷電路板603隔開的第一和第二磁棒601、602。印刷電路板603包括導體605定位于其中的槽孔或切口 604。槽孔604在傳感器600的前部與后部之間延伸。導體605中的彎曲部605允許導體605與印刷電路板603的平面分離，盡管如此，導體的一部分607沿著印刷電路板603的平面延伸。線圈堆608、609形成在槽孔604的任一側的印刷電路板603內以及磁棒601、602之間。線圈堆通過印刷電路板的在槽孔604的端部周圍延伸的部分而連接在一起。
[0126]這可擴展為制造多相變換器，如現在將參考圖14描述的。在圖14a中，由單個印刷電路板提供四個線圈堆。傳感器700包括由多層印刷電路板703隔開的第一和第二磁棒701、702。印刷電路板703包括三個槽孔或切口部分704至706，相應的導體711至713位于每個槽孔或切口部分中。每個槽孔704至706在傳感器700的前部與后部之間延伸。每個導體704至706中的彎曲部允許其與印刷電路板703的平面分離，盡管如此，每個導體的一部分沿著印刷電路板703的平面延伸。在印刷電路板703內形成四個線圈堆707至710。每對線圈堆707至710形成在槽孔704至706的任一側以及磁棒701、702之間。線圈堆707至710通過印刷電路板的在槽孔704至706的端部周圍延伸的部分而連接在一起。
[0127]圖14a和圖14b示出了印刷電路板703內的一層的相對側上的圖案。這里，可看到的是，線圈堆707至710在板層的每側上包括由相應的穿過層的過孔連接的線匝。這些圖還示出了圖案如何與端子Tl至T5連接。這些例如可與多相計量芯片上的不同的電流輸入連接。
[0128]可替換的線圈圖案在每個導體711、712、713的任一側上包括相應的一對線圈。這提供了獨立絕緣的輸出，盡管以更大的整體傳感器以及印刷電路板中的更多層或更低的敏感度為代價。
[0129]圖14d示出了由印刷電路板703形成的電路，并示出了提供來自線圈堆707至710的信號的端子Tl至T5。
[0130]圖14示出了可如何使用較小數量的線圈堆來測量三相電流，在這種情況下，該數量等于導體的數量加I。由于線圈堆共享來自導體和線圈堆的相關位置的結果的原因而使得這是可能的。
[0131]在其他實施方式中，使用獨立的線圈堆(B卩，并非形成在公共的印刷電路板內的線圈堆)來實現相同的效果。
[0132]所有上述傳感器10、200、300、400、600、700具有相對易于制造、可靠地具有所需
特性并以相對低的成本制造的優點。特別地，這是印刷多匝線圈并使支撐線圈的基板相對于彼此和軟磁材料定位的效果。此外，傳感器也易于在現有導體上改造同時保持其原始形狀或結構，從而保持其所需特性，除了另外提到的以外。
[0133]現在將提供與不同結構相關的一些一般的討論。
[0134]傳感器中的線圈堆的數量越大，傳感器的對稱性越大，并且軟磁部件的有限磁導率的效果越低。然而，這以傳感器組件的更高的復雜性為代價。
[0135]對于由有限磁導率產生的最低的負效應，第一、第二和第四實施方式(即，不使用U形軟磁部件的那些實施方式)的傳感器是優選的。然而，U形軟磁部件提供偶極矩，其對均勻場是敏感的。當在測量多相電流的多組傳感器中使用U形軟磁部件時或者出于功率監測或財政測量(計量)的目的而使用一對+/-相位時，優選地使所有U形都面向相同的方向或者不大優選地面向大體相同的方向，使得當在功率計算中與相電壓的輸出相乘時，抵消對均勻場的公共靈敏度。雙線圈堆傳感器(諸如第一和第二實施方式的傳感器10)提供對第一量級梯度場具有靈敏度的四極矩。呈方形的四線圈堆傳感器(諸如第四所實施的傳感器300)僅對更高量級的場梯度敏感。
[0136]技術人員將構想到可替換的布置。
[0137]例如，印刷電路板可由FR4或一些其他適當的材料(諸如氧化鋁或基于紙的材料)制成。這些材料都允許結合有過孔的雙面板的構造。其他實施方式使用單面板。因為印刷電路板相對較小并具有相對簡單的形狀，所以用可壓印的材料制造電路板是有利的。一些類型的FR4適于壓印，因為其為基于紙的板?？蓪ρ趸X板進行激光切割。
[0138]在一些實施方式中，從線圈堆省略間隔件。在以上實施方式中，間隔件用于將印刷電路板(以及因此線圈)保持在所需位置的目的。然而，這可替代地以一些其他方式實現，例如使用與印刷電路板機械接合以將其固定在適當位置中的框架或殼體。
[0139]另外，在一些實施方式中，在不同的印刷電路板上存在不同數量的線圈?？商鎿Q地或附加地，在相鄰的印刷電路板之間可具有不規則的間隔。盡管規則的傳感器具有最佳的性能，然而在多個應用中，這種實施方式都可能是令人滿意的?？赏ㄟ^改變板上的線匝面積乘積而在一定程度上補償印刷電路板和磁棒13、14之間的間隔的變化，這在傳感器設計中可能是無法避免的，例如由于當使用本體和可打開的門型殼體時在部件之間實現的最小值。
[0140]在一些實施方式中，傳感器中的每個線圈堆僅包括一個單個層，雙面電路板，每個電路板具有印刷在其每側上的線圈。因此，電路板提供兩個線圈。傳感器可包括一個或兩個這種線圈堆，或者在其他實施方式中包括更多個線圈堆。印刷電路板在傳感器中的位置選擇成使得在相鄰線圈之間實現適當的間隔。例如，在雙磁芯傳感器中，印刷電路板可中央地定位于兩個磁棒(諸如圖1的棒13、14)之間。
[0141]應當認識到的是，上述實施方式僅是說明性的并且不限制保護范圍，保護范圍僅由所附權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種傳感器,包括: 第一部件，包括多個線圈，其中: 每個線圈均包括印刷在相應基板的至少一個平面上的一個或多個線匝，并且 所述線圈的平面彼此平行并且與所述第一部件的縱向軸線垂直；以及 第二部件，包括軟磁材料并且具有第一平面和第二平面，所述第一平面和所述第二平面位于所述第一部件的相對端處并且布置成與所述第一部件的縱向軸線垂直并相交。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其中，對于所述第一部件的所有線圈而言，相鄰線圈之間的間隔是近似相同的。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的傳感器，其中，所述第一部件的每個線圈包括相同數量的線匝并且在所述基板上具有相同的面積。
4.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，其中，所述第二部件包括U形軟磁部件，并且其中，所述第一面和所述第二面在所述U形的口內是平行的面。
5.根據權利要求4所述的傳感器，其中，所述第二部件能與所述第一部件分離，從而允許在將所述第二部件放置在所述第二部件的所述U形的口內之前將導體引入所述U形中。
6.根據權利要求4或權利要求5所述的傳感器，其中，對于所述第一部件的所有線圈而言，相鄰線圈之間的間隔是近似相同的，并且其中，最靠近第一端的線圈與第一接觸面之間的間隔大致等于最靠近第二端的線圈與第二接觸面之間的間隔并且等于或近似等于相鄰線圈之間的間隔的一半。
7.根據從屬于權利要求5時的權利要求6所述的傳感器，包括用于使所述第二部件保持在所述第二部件的所述U形的口內的裝置。
8.根據權利要求1至3中任一項所述的傳感器，其中，所述第二部件還包括第三部件，所述第三部件包括多個線圈，其中:所述第三部件的每個線圈均包括印刷在相應基板的至少一個平面上的一個或多個線匝，并且所述第三部件的線圈彼此平行并且位于所述第三部件的縱向軸線上；并且其中，所述第二部件包括第三平面和第四平面，所述第三平面和所述第四平面布置成與所述第三部件的縱向軸線垂直并相交。
9.根據權利要求8所述的傳感器，其中，所述第二部件包括第一I形部件和第二 I形部件，所述第一 I形部件包括第一面和第三面，并且所述第二 I形部件包括第二面和第四面。
10.根據權利要求9所述的傳感器，其中，對于所述第一部件和所述第三部件的所有線圈而言，相鄰線圈之間的間隔是近似相同的，并且其中，最靠近所述第一部件的第一端的線圈與所述第一面之間的間隔和最靠近所述第一部件的第二端的線圈與所述第二面之間的間隔相同，最靠近所述第一部件的第二端的線圈與所述第二面之間的間隔和最靠近所述第三部件的第一端的線圈與所述第三面之間的間隔相同且和最靠近所述第三部件的第二端的線圈與所述第四面之間的間隔相同，并且近似為相鄰線圈之間的間隔的一半。
11.根據權利要求8所述的傳感器，其中，所述第二部件包括一個或多個其他部件，每個所述部件均包括多個線圈，其中:每個其他部件的每個線圈均包括印刷在相應基板的至少一個平面上的一個或多個線匝，并且每個其他部件的線圈彼此平行且位于所述其他部件的縱向軸線上。
12.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，其中，相鄰基板由間隔件機械地隔開。
13.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，其中，所述第一部件中的端部基板通過間隔件與所述第一部件隔開。
14.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，包括構造成將所述線圈連接在電路中的電路板。
15.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，包括構造成至少部分地圍繞所述第一部件的一個或多個屏蔽部件，并且如果存在第三部件的話，所述屏蔽部件還構造成至少部分地圍繞所述第三部件。
16.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，包括穿過所述傳感器的中央部分延伸的載流導體。
17.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，其中，所述軟磁材料是鐵氧體。
18.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，每個線圈均包括印刷在相應基板的至少兩個平行表面上的一個或多個線匝。
19.根據權利要求1所述的傳感器，其中，所述第一部件包括分別印刷在第一基板的第一平行表面和第二平行表面上的第一線圈和第二線圈。
20.根據權利要求19所述的傳感器，其中，所述第二部件還包括第三部件，所述第三部件包括分別印刷在第二基板的第一平行表面和第二平行表面上的第三線圈和第四線圈，其中，所述第三部件的線圈彼此平行且位于所述第三部件的縱向軸線上；并且其中，所述第二部件包括第三平面和第四平面，所述第三平面和所述第四平面布置成與所述第三部件的縱向軸線垂直并相交。
21.根據權利要求20所述的傳感器，其中，所述第一基板和所述第二基板具有相同的厚度，并且其中，所述第三線圈與第四部件之間的間隔和所述第一線圈與所述第二部件之間的間隔相同。
22.根據權利要求8至11中任`一項或其任一從屬權利要求所述的傳感器，其中，所述第一部件和所述第三部件由單個多層印刷電路板形成，在所述多層印刷電路板中形成有構造成接收導體的槽孔或切口。
23.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，包含絕緣殼體和/或抗風化殼體。
【文檔編號】G01R15/18GK103765228SQ201280041716
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月27日 優先權日:2011年6月27日
【發明者】安德魯·尼古拉斯·達姆, 馬修·埃馬努埃萊·斯托克, 希拉里·米恩韋爾, 愛德華·科爾比 申請人:森泰克有限公司