一種採用印刷電路板構造的空芯線圈的製作方法

2023-07-31 22:24:31

專利名稱：一種採用印刷電路板構造的空芯線圈的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及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(Print Circuit Board，簡稱PCB)製造的空芯線圈的傳感器。
背景技術：
空芯線圈最初是用來測量磁場的。由於線圈的輸出電壓和功率不足以驅動後續的測量設備，早期的空芯線圈不能用於電流測量。隨著以微處理器為基礎的繼電保護和測量技術的發展，空芯線圈已經非常適合在這些場合測量電流用了。並有可能逐漸取代現有的傳統電流互感器。
空芯線圈中，二次繞組繞在一個非磁性骨架上，不存在鐵磁材料，使傳感器在幾安到幾百千安的範圍內仍然具有優良的線性，與傳統CT不同，由於它不是直接測量電流，即使被測電流含有很大的直流分量，仍然不會飽和。因此近年來空芯電流互感器開始應用於繼電保護和測量中。
空芯線圈的測量原理如圖1所示，整個線圈均勻地繞在一個環形的非磁性骨架上。由全電流定律和電磁感應定律可得到空芯線圈感應電壓e(t)為e(t)=-d(t)dt=-Mdi(t)dt]]>=-0Nh2lnRaRidi(t)dt]]>式中ψ(t)為磁鏈，M為空芯線圈互感，i(t)為一次側電流，μ0為真空磁導率，N為線圈匝數，h為線圈骨架高度，Ra為骨架外徑，Ri為骨架內徑。
測量迴路的等效電路如圖2所示。其中R0是線圈的內阻，Rc是外接積分器的輸入阻抗，L是線圈的自感，其大小為L=0N2h2lnRaRi=NM]]>
Rc一般都在數萬歐姆，R0隻有數十歐姆，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，進行運算就可以得到i(t)的準確值。
對於穩態下的正弦電流，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確度取決於一個穩定的互感常數M。所以為了獲得高精度的空芯線圈，製作時必須遵循以下原則線圈密度恆定；骨架截面積恆定；線圈橫截面與中心線垂直，否則將引入較大的測量誤差，這對繞制工藝提出了較高的要求。
因此，採用傳統線圈繞制方法製作的空芯線圈，理論上設計精度最高可達到0.1％，實際應用時通常為1-3％(見Kojovic Ljubomir.Rogowskicoils suit relay protection and measurement[of power systems].IEEE Computer Applications in power，1997，10(3)47-52)。這樣的準確度不能滿足電力系統測量的要求，而且製作時由於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業化的重要原因之一。

發明內容
本實用新型的目的在於克服上述不足之處，提供一種採用印刷電路板構造的空芯線圈，這種結構的空芯線圈是易於批量生產的，具有高的復現性和較高的準確度。
本實用新型提供的一種採用印刷電路板構造的空芯線圈，包括至少一對印刷電路板和一塊連接板；每對印刷電路板由上、下印刷電路板和上、下接線端子組成，每塊印刷電路板各自均勻布線並連接成一個串聯迴路，上印刷電路板的上表面和下印刷電路板的下表面相同，上印刷電路板的下表面和下印刷電路板的上表面相同，二者互為鏡像印刷電路板；每塊印刷電路板及連接板的中心開有通孔，每對印刷電路板疊放於連接板上或下，其接線端子與連接板上的接線端子相連，連接板將多對印刷電路板的導電迴路通過均勻分布在連接板上的接線端子串連起來。
本實用新型採用印刷電路板構成空芯線圈，可以很容易地從製造原理上滿足空芯線圈互感係數M為常數的三個條件，測量準確度高，加工非常簡單，自動化生產程度高，適合批量加工生產的要求，並且能保證生產的空芯線圈性能穩定，重複性好。


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為單對印刷電路板構造示意圖；圖4為4對印刷電路板和連接板連接示意圖。
具體實施方式
1.每對印刷電路板的設計。如圖3所示，每對印刷電路板由上印刷電路板1、上接線端子3及下印刷電路板2、下接線端子4組成。二塊印刷電路板1、2互為鏡像，即上印刷電路板1的上表面和下印刷電路板2的下表面完全一樣，上印刷電路板1的下表面和下印刷電路板2的上表面完全一樣，故稱其互為鏡像印刷電路板。在二塊鏡像印刷電路板的正反兩面上沿圓周方向均勻布線，用過孔來穿越鏡像印刷電路板1和2的上下表面，把每塊鏡像印刷電路板上的所有布線連成一個串聯迴路。由上印刷電路板1及下印刷電路板2組成的每對印刷電路板所構成的線圈可以完全消除垂直於空芯線圈平面的磁力線的幹擾。每塊鏡像印刷電路板均能夠產生一定的感應電勢，而這個電勢就正比於穿過PCB板中心孔的電流大小。鏡像印刷電路板構成的空芯線圈的感應電勢的計算和前述傳統方法繞制的空芯線圈的計算方法是一樣的，故可以採用和傳統方法繞制的空芯線圈同樣的計算方法來設計鏡像印刷電路板上的布線密度(即二次繞組匝數密度)及印刷電路板的對數數量。
2.連接板的設計。在連接板6上，每對印刷電路板均有與其相連的一對接線端子。連接板6的作用是將多對印刷電路板的導電迴路通過均勻分布在連接板6上的接線端子串連起來，以提高感應電勢的大小，從而提高整個傳感部分抗幹擾的能力。如圖4所示，為了將感應電勢疊加起來，上印刷電路板1上的接線端子3、下印刷電路板2上的接線端子4分別和連接板6上的接線端子7、8以導電桿焊接或螺母相連接。再通過連接板上的布線將多對印刷電路板串聯起來，這樣等價於增加了匝數，從而增大了互感係數M的值。將利用相同工藝製造的多對印刷電路板在連接板上均勻分布排列，有利於減小外磁場幹擾的影響，圖中的虛線為連接板背面的回線，是為了消除垂直穿過連接板的磁力線對其的影響。圖4是4對印刷電路板和連接板連接示意圖。
3.安裝工藝。鏡像印刷電路板成對出現組成一對印刷電路板。每對印刷電路板和連接板分開設計，安裝時將其連接起來。每對印刷電路板預留一對接線端子或者插孔3、4，在連接板6上，也有與每對印刷電路板相對應的一對接線端子5、6，用來實現和連接板的對接，每對印刷電路板的邊緣上需留出相應的空隙以便鄰近的印刷電路板的連接導電桿能夠順利穿過並和連接板相接。每塊印刷電路板上都要有阻焊層，以實現板與板之間的絕緣。鏡像印刷電路板上的接線端子3和4通過導電桿焊接或者螺母連接在連接板上。
上述設計可以容易地滿足使互感係數M為常數的三個條件採用的每塊鏡像印刷電路板是完全相同的，使得二次繞組的繞線分段均勻，線圈密度恆定；採用PCB製成的骨架滿足截面積恆定的條件；鏡像印刷電路板和連接板組合時，通過導電桿焊接，或用螺母連接，保證板與板之間的絕對對齊，從而滿足了線圈橫截面與中心線垂直的條件，總的感應電勢為單對印刷電路板感應電勢與印刷電路板(對)總數的乘積。
本實用新型的基於印刷電路板的空芯線圈可以讓二次繞組的繞線實現嚴格的均勻，其設計的外觀如圖5所示。本實用新型的空芯線圈包括一對或若干對印刷電路板(如圖3所示)，及一塊連接板6(如圖4所示)。一對印刷電路板由互為鏡像的印刷電路板1和印刷電路板2(如圖3所示)組成，故印刷電路板1和印刷電路板2定義為鏡像印刷電路板。鏡像印刷電路板1上的接線端子3、鏡像印刷電路板2上的接線端子4分別和連接板6上的接線端子7、8以導電桿焊接或螺母相連接。在鏡像印刷電路板1和2及連接板6中心均開有中心孔9，使得被測量的導線可以從中穿過，導線應該垂直的穿過印刷電路板及連接板的中心軸。連接板6上布置了連接線，將多對印刷電路板串聯起來以提高感應電勢的大小。按照具體的測量要求，線圈的輸出可以接積分器5或不接積分器。
權利要求1.一種採用印刷電路板構造的空芯線圈，其特徵在於包括一塊連接板和至少一對印刷電路板；每對印刷電路板由上、下印刷電路板(1、2)和上、下接線端子(3、4)組成，每塊印刷電路板各自均勻布線並連接成一個串聯迴路，上印刷電路板(1)的上表面和下印刷電路板(2)的下表面相同，上印刷電路板(1)的下表面和下印刷電路板(2)的上表面相同，二者互為鏡像印刷電路板；每塊印刷電路板及連接板的中心開有通孔，每對印刷電路板疊放於連接板(6)上或下，其接線端子與連接板上的接線端子相連，連接板(6)將多對印刷電路板的導電迴路通過均勻分布在連接板(6)上的接線端子串連起來。
專利摘要本實用新型提供的一種採用印刷電路板構造的空芯線圈，包括一塊連接板和至少一對印刷電路板；每對印刷電路板由上、下印刷電路板和上、下接線端子組成，每塊印刷電路板各自均勻布線並連接成一個串聯迴路，上、下印刷電路板互為鏡像印刷電路板；每塊印刷電路板及連接板的中心開有通孔，每對印刷電路板疊放於連接板上或下，其接線端子與連接板上的接線端子相連，連接板將多對印刷電路板的導電迴路通過均勻分布在連接板上的接線端子串連起來。本實用新型可以很容易地從製造原理上滿足空芯線圈互感係數M為常數的三個條件，測量準確度高，加工非常簡單，自動化生產程度高，適合批量加工生產的要求，並且能保證生產的空芯線圈性能穩定，重複性好。
文檔編號H05K1/00GK2705991SQ200420017510
公開日2005年6月22日 申請日期2004年3月22日 優先權日2004年3月22日
發明者萬榮寶, 謝建波, 張明明, 陳慶, 李紅斌, 劉延冰 申請人:北京華東森源電氣有限責任公司, 華中科技大學