基於機械波的電流測量互感器的製作方法

2023-09-19 23:46:55

專利名稱：基於機械波的電流測量互感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於基於機械波，或者換句話說基於彈性波的產生的電流互感器，其目的在於藉助於不同裝置適應電路的電流值，從而能測量它，即使它可能是非常高的值、或在高壓電路中循環也是如此。這些裝置包括幾個力／磁場轉換器，這些轉換器從電磁場產生經各種傳送結構傳播到其中他們轉換成電信號的接收器的機械波。
這些互感器用來測量電路中的交流電流，電路的電流或需要的絕緣強度是如此之高，從而他們不能直接進入測量裝置。
儘管它可以在寬頻率範圍中使用，但最重要的應用領域是在用於處理50至60Hz頻率下的高壓和電流的電能產生、輸送、和分配的設施中。
適當的還有在所有系統上使用，這些系統要求高電流值的測量或者要求在初級電路與次級或測量電路之間的電流隔離。
電流互感器是改變電流幅值的裝置。
在傳統上，這通過在初級電路上產生可變磁通實現，該可變磁通到達次級電路，並且感應出與磁通變化相對的電流變化。該現象一般藉助於麥克斯韋方程較好地解釋。
初級和次級電路的匝數比值確定初級和次級電流的幅值比值。從用作用於電流測量的中間裝置的前途看，對於測量設備改變幅值和調節他們的可能性是有用的，並且在初級和次級電路用磁場連接在他們之間沒有電氣接觸時他們提供的電流隔離更是如此。
後一種性能使得他們在其中初級電路的電壓非常高的用於電能分配的大電網中特別有用。雖然如此，但當分配輸出隨電壓和電流的緩慢增大而增長時，不僅初級電路的尺寸由於較大電流而增大，而且電絕緣也提高。這使得反映兩個因素乘積的互感器尺寸增長到異常程度，變成對於他們必須處理的信號功率非常大且格外昂貴的裝置。這說明了在最近幾年在該領域開發新替換方法的興趣。
在最近幾十年的歷程中已經提出了各種裝置。最重要的研究方向當前集中在基於纖維光學(有源的和無源的)的新系統的開發上。
在光纖由能夠以光形式傳送能量、但不能傳送電子的非傳導材料製造的情況下，這些系統實現初級與次級電路之間的高效電隔離。
另一種同樣有效的替換方法，就在初級與次電路之間的電隔離而論，是基於機械波在介電介質中的傳播；本申請人擁有對於在西班牙以號9401142／7申請的關於電壓測量互感器的發明專利文件的權利。該申請涉及電流測量互感器。
在本發明提出的基於機械波的電流測量互感器中，由在初級與次級電路之間的介電材料傳播的能量具有機械能量的形式彈性波。
這些互感器由如下主要元件組成-初級電路導體。要測量的電流經該導體循環。
-磁場／力轉換器。由經初級電路循環的交流電流產生彈性波。經導體循環的電流感應出繞他們的磁場。這些磁場能夠在磁鐵上、在鐵磁性材料的鐵心上或在帶有感應電流的線圈上產生力。他們也可以改變磁致伸縮材料的尺寸。如果磁鐵、鐵磁性材料、線圈、或磁致伸縮材料機械聯接到具有一定剛度的介質上，則交變力作為彈性波經該材料傳播。
-傳送結構。傳送結構把磁場／力轉換器機械聯接到接收器上。因此，由磁場／力轉換器產生的波經由介電材料製成以電隔離電路的傳送結構傳播，並且到達接收器。
-接收器。基於壓電材料建造，它把彈性波轉換成電信號。這些電信號的數值與經初級電路循環的電流的數值有關。對於基於永久磁鐵或磁致伸縮材料的磁場／力轉換器，接收器輸出信號的數值近似與經初級電路循環的電流成比例，而對於基於鐵磁性材料或線圈的磁場／力轉換器，它近似與初級電路電流數值的平方成比例。
作為一種選擇，包括一個電氣單元以放大來自接收器的電氣信號。該電氣單元也使得有可能校準系統，補償熱偏移、非線性、在原始信號與輸出信號之間的相位差、材料特性的老化，及與外部探測系統通信。
為了完成描述、和為了有助於提供本發明特徵的更好理解，該描述伴隨有作為其整體部分的一組圖，這些圖是例子而不是限制性的，表示如下

圖1表示基於機械波的測量互感器的方塊圖，該互感器是本發明的目的，帶有初級電路、磁場／力轉換器、傳送結構、接收器、和放大器。
圖2表示第一方法建造的一種基於機械波的測量互感器的外部側視圖。
圖3表示第一方法建造的一種基於機械波的測量互感器的側剖視圖。
圖4表示第一方法建造的一種基於機械波的測量互感器的初級電路和磁場／力轉換器的布置。
圖5表示從第三方法建造的一種基於機械波的測量互感器的初級電路和磁場／力轉換器上方看到的剖開的布置。
圖6表示第五方法建造的一種基於機械波的測量互感器的剖開側視圖。
圖7表示第六方法建造的一種基於機械波的測量互感器的接收器的剖開側視圖。
圖8表示第七方法建造的一種基於機械波的測量互感器的剖開側視圖。
所有實施例具有圖1中所示的方塊結構。在該圖中，經初級電路(1)循環的電流感應出一個交變磁場，磁場／力轉換器(2)把該磁場轉換成經傳送結構(3)傳播到接收器(4)的彈性波(10)。接收器(4)把這些彈性波(11)轉換成能由電子單元(5)放大的電信號(12)。
圖2表示電流互感器第一實施例的外部視圖。初級電路的導體是一個穿過傳送結構(3′)的外殼的剛性圓柱(1)。經在下部的一個孔，傳送來自接收器的電信號(12)的兩個導體延伸。該實施例基於一個基於永久磁鐵和軸向力(拉伸／壓縮)的傳送的磁場／力轉換器。
圖3表示電流互感器的以上實施例的內部。初級電路(1)的導體產生一個吸引和排斥磁鐵(2)的磁場。該磁鐵(2)剛性聯接到由一種剛性介電材料製成的內部傳送結構(3′)上。該圓柱形結構(3′)也剛性連接到由一種壓電材料製成的接收器(4)上，這允許它在磁場／力轉換器(2)與接收器(4)之間傳遞機械應力。所有這些元件安裝在一個外部殼體(3″)的內部。為了使接收器(4)吸收拉伸和壓縮力，其下端必須剛性聯接到是一個螺釘(3)的殼體的下部，這使得有可能把磁場／力轉換器組件(2)、內部結構(3′)、及接收器(4)帶到在較大或較小程度上靠近初級電路(1)的導體。帶有電輸出信號的兩個導體(12)連接到接收器的電極上。這些電信號的數值與經初級電路(1)循環的電流數值成比例。
改變磁場／力轉換器的類型產生新的實施例。提出的一個第二實施例是用鐵磁材料製成的鐵心代替永久磁鐵(2)。在該第二方法中，在磁場／力轉換器中產生的力近似與經初級電路循環的電流的平方成比例。
一個第三實施例表示在圖4中，並且以這樣一種方式包括用帶有線圈(2″)或短路繞組的鐵心(2′)代替磁鐵，從而在他們中由於由初級電路(1)中的電流產生的磁場變化感應出電流。
其他實施例由於傳送力的類型而出現。圖5表示其中磁場／力轉換器(2)傳送轉動力的一個第四實施例。圖5表示在第四實施例中的電流互感器的俯視圖和示意圖。由初級電路(1)的電流產生的磁場傾向於轉動磁場／力轉換器(2)。
圖6表示一個其中傳送力是彎曲力的第五實施例。磁場／力轉換器(2)向著或遠離初級電路的導體(1)運動，使內部傳送結構(3′)、並因此使接收器(4)彎曲。
不同類型的接收器產生其他實施例。提供一個第六實施例，其中接收器由幾個並聯連接的盤組成。由壓電材料並聯製成的盤的連接減小輸出阻抗，並且改進信號／電流互感器噪聲的比值。圖7表示一個由並聯電氣連接但具有顛倒空間位置的兩個盤(4′和4″)組成的接收器，如按指示極化的箭頭可以觀察到的那樣。
圖8表示一個第七實施例，其中磁場／力轉換器(2)由一片或兩片磁致伸縮材料組成。在該方法中具有正方形或矩形形狀的初級電路(1)的導體，布置在兩片磁致伸縮材料(2)之間。磁致伸縮片的收縮和膨脹經內部傳送結構(3′)傳播，到達由壓電材料製成的且把他們轉換成電信號(12)的接收器(4)。所有元件引入在傳送結構(3″)的外部殼體中。一個在傳送結構下部的螺釘(3)用來以這樣一種方式壓縮所有內部元件(1)、(2)、(3)、和(4)，從而磁場／力轉換器(2)的膨脹和壓縮由接收器(4)吸收。內部傳送結構(3′)把初級電路(1)與接收器(4)電隔離開。
無需進一步說明，本領域技術人員就能理解本發明範圍和它呈現的優點。
元件的材料、形狀及布置都可以改變，條件是這不涉及本發明本質的變更。
該說明書中的術語必須總是理解為廣義的而不是限制性的。
權利要求
1．一種基於機械波的電流互感器，用於測量經電路循環的交流電流的數值，其特徵在於包括初級電路(1)的導體；一個磁場／力轉換器(2)；一種傳送結構(3′)和(3″)；一個接收器(4)；及可選擇的一個放大單元(5)，通過磁場／力轉換器(2)產生彈性(機械)波，該彈性波經由一種剛性介電材料製成的傳送結構(3)傳播，並且到達由一種壓電材料製成的接收器(4)，其中把這些彈性波轉換成電波。
2．根據權利要求1所述的基於機械波的電流互感器，其特徵在於由一個磁鐵(2)組成，磁鐵(2)布置成非常靠近初級電路(1)的圓柱形導體，並且剛性聯接到內部傳送結構(3′)上，內部傳送結構(3′)由一種介電材料製成並且剛性連接到接收器(4)上，接收器(4)也剛性連接到包含所有元件的傳送結構(3″)的外部殼體的底部上。
3．根據權利要求1所述的基於機械波的電流互感器，其特徵在於使一個磁場／力轉換器(2)基於一個鐵磁材料的鐵心建造，並且剛性聯接到內部傳送結構(3′)上。
4．根據權利要求1所述的基於機械波的電流互感器，其特徵在於使一個磁場／力轉換器(2)由圍繞磁心(2′)的線圈或環路(2″)形成。
5．根據權利要求1所述的基於機械波的電流互感器，其特徵在於使磁場／力轉換器(2)的軸相對於初級電路(1)的軸傾斜，並且產生經內部傳送結構(3′)傳播的轉動力，內部傳送結構(3′)把接收器(4)剛性連接到磁場／力轉換器(2)上。
6．根據權利要求1所述的基於機械波的電流互感器，其特徵在於使一個磁場／力轉換器(2)相對於初級電路(1)的導體側面布置，並且產生經內部傳送結構(3′)傳播的彎曲力，內部傳送結構(3′)把接收器(4)剛性連接到磁場／力轉換器(2)上。
7．根據權利要求1所述的基於機械波的電流互感器，其特徵在於使一個接收器(4)由兩個或多個由壓電材料製成電氣並聯連接的盤(4′)和(4″)形成，並且成對極性顛倒地安裝。
8．根據權利要求1所述的基於機械波的電流互感器，其特徵在於使一個磁場／力轉換器(2)由一片或兩片圍繞初級導體(1)的磁致伸縮材料(2)和(2″″)形成。
全文摘要
一種電流測量互感器,把由電流(1)產生的電磁場轉換成經一種介電介質(3)傳送到一個接收器(4)的彈性(機械)波,接收器(4)把彈性波再次轉換成電信號。作為一種選擇,最後,一個電子單元(5)放大和調節這些信號,這些信號的數值與初級電路中的電流有關。本發明根據彈性波的磁場/力轉換器類型(永久磁鐵、鐵磁心、線圈、磁致伸縮材料)和傳送的力(拉伸/壓縮、轉動、及彎曲)配置有不同類型的互感器。
文檔編號H01L41/09GK1290861SQ00124288
公開日2001年4月11日 申請日期2000年8月23日 優先權日1999年10月1日
發明者朱安·A·T·馬丁 申請人:科米亞斯教皇大學