一種抗磁場幹擾多塊pcb開口羅氏線圈設計方法與實現的製作方法
2023-05-22 11:00:21
一種抗磁場幹擾多塊pcb開口羅氏線圈設計方法與實現的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種能對抗外界磁場幹擾的多塊PCB開口羅氏線圈設計方法與實現。多塊PCB開口羅氏線圈，由位於多塊PCB上的兩組繞線方向相反的線圈第一線圈和第二線圈串聯而成，包括了若干個串聯的相同組成單元，所有組成單元的中心均勻分布在待測電流產生的磁場的一條磁力線上。每一個組成單元包括了第一線圈和第二線圈的各一圈線匝，這兩圈線匝緊密相鄰，每一圈線匝包括進線、出線及繞線，最後一個組成單元的兩條出線直接相連。繞線由位於不同層的布線和不同層之間的過孔環繞而成，繞線平面垂直於PCB表面，繞線的布線路徑在垂直於PCB表面的方向上重合。通過該繞線截面中心的磁力線法線方向和繞線截面方向近似同向，切線方向和繞線截面近似垂直。
【專利說明】-種抗磁場幹擾多塊PCB開口羅氏線圈設計方法與實現
【技術領域】
[0001] 本發明總的涉及電流傳感器中的PCB(印刷電路板）羅氏線圈，具體涉及一種抗磁 場幹擾多塊PCB開口羅氏線圈設計方法與實現。
【背景技術】
[0002] 羅氏（Rogowski)線圈是將導線均勻地繞在截面均勻的非磁性材料的框架上形成 的線圈。羅氏線圈因其具有重量輕、頻帶寬、線性度好且無磁飽和現象等特點，已普遍應用 於電流測量裝置中。羅氏線圈測量電流精度比較高，測量信號帶寬大，可以用較低的成本實 現電氣隔離測量，耐受電流能力幾乎無限大，適用於具有固定位置載流導體電流的精確測 量，可以應用於繼電保護等領域。
[0003] 羅氏線圈依據其測量時是否可以打開，可以分成閉合羅氏線圈和開口羅氏線圈。 圖1顯示的是開口羅氏線圈100測量載流導體113中交流電流I (t)的過程，圖IA顯示的 是開口羅氏線圈100處於打開狀態，圖IB顯示的是開口羅氏線圈100處於閉合狀態。
[0004] 圖IA和圖IB顯示的開口羅氏線圈100由兩半線圈：線圈101和線圈102組成。線 圈101由如下部分組成：信號輸出端103、信號輸出端104,信號輸出端103到線圈101端點 109之間的環形繞組107,線圈101端點109到信號輸出端104之間的回線匝111。線圈102 由如下部分組成：信號輸出端105、信號輸出端106,信號輸出端105到線圈102端點110之 間的環形繞組108,線圈102端點110到信號輸出端106之間的回線匝112。線圈101的信 號輸出端104和線圈102的信號輸出端106相連，組成完整的開口羅氏線圈100,線圈101 的信號輸出端103和線圈102的信號輸出端105,作為開口羅氏線圈100的兩個信號輸出 端。
[0005] 當應用開口羅氏線圈100測量載流導體113中待測交流電流I (t)時，首先需要打 開開口羅氏線圈100的兩半線圈：線圈101和線圈102,去包圍載流導體113,隨後閉合開口 羅氏線圈100的兩半線圈：線圈101和線圈102,讓載流導體113處於閉合後的開口羅氏線 圈100的中心。為了保證測量精度，需要讓載流導體113垂直穿過開口羅氏線圈100的中 心，載流導體113的中心和開口羅氏線圈100的中心重合。開口羅氏線圈100環繞在載流 導體113周圍，當待測交流電流I (t)流過載流導體113時，待測交流電流I (t)會在載流導 體113周圍產生交流磁場，磁力線近似為以載流導體113中心為圓心的圓。
[0006] 開口羅氏線圈100的線圈101的環形繞組107的各圈線匝中心，和線圈102的環 形繞組108的各圈線匝中心，就位於其中的一條圓形磁力線上。開口羅氏線圈100的線圈 101的環形繞組107的各圈線匝對應的截面積相等，各圈線匝截面方向和過該截面中心的 磁力線法線方向（即該截面中心到載流導體113中心半徑方向）近似一致，截面和該圓形 磁力線的切線方向近似垂直。開口羅氏線圈100的線圈102的環形繞組108的各圈線匝對 應的截面積相等，各圈線匝截面方向和過該截面中心的磁力線法線方向（即該截面中心到 載流導體113中心半徑方向）近似一致，截面和該圓形磁力線的切線方向近似垂直。這樣 可以保證開口羅氏線圈100的線圈101的環形繞組107的各個線匝的磁通c^(t)和線圈 102的環形繞組108的各個線匝的磁通Mt),全部近似相等，而且該磁通和電流成正比。
[0007] φ i ⑴=L · I (t) 1)
[0008] 待測交流電流I (t)在開口羅氏線圈100環形繞組所包圍的體積內產生磁通的變 化，可以被開口羅氏線圈100轉換成與各個線匝總磁通微分成比例的電壓信號，就是開口 羅氏線圈100的信號輸出端103和信號輸出端105之間的輸出電壓信號V⑴。
[0009]
【權利要求】
1.本發明提供了一種能對抗外界磁場幹擾的多塊PCB開口羅氏線圈設計方法與實現。 按照本發明的一個方面，本發明公開了一種能對抗外界磁場幹擾的多塊PCB開口羅氏 線圈設計方法，其包括： (1) 能對抗外界磁場幹擾的多塊PCB開口羅氏線圈，由兩組繞線方向相反的線圈串聯 而成，分別為第1線圈和第2線圈，每塊PCB上都有第1線圈和第2線圈的一部分。 (2) 能對抗外界磁場幹擾的多塊PCB開口羅氏線圈，由兩半PCB羅氏線圈組成，每一半 PCB羅氏線圈由N塊PCB層疊而成。每一半PCB羅氏線圈設有兩個信號輸出端，分別為第1 信號輸出端和第2信號輸出端。第1信號輸出端和第2信號輸出端所在的PCB為第1PCB， 與第1PCB相鄰的PCB為第2PCB，如果N彡3,則以此類推，依次為第3PCB，直到第N PCB。 (3) 每一半PCB羅氏線圈的第1PCB到第N-1PCB上設置了 4個外部接入點：第1外部 接入點、第2外部接入點、第3外部接入點、第4外部接入點，第1外部接入點、第3外部接 入點分別為第1PCB到第N-1PCB上第1線圈的起點和終點，第2外部接入點、第4外部接入 點分別為第1PCB到第N-1PCB上第2線圈的起點和終點。每一半PCB羅氏線圈的第N PCB 上設置了兩個外部接入點：第1外部接入點、第2外部接入點，第1外部接入點為第N PCB 上第1線圈的起點，第2外部接入點為第N PCB上第2線圈的起點。 (4) 每一半PCB羅氏線圈的第1PCB上的第1外部接入點為第1信號輸出端，第1PCB 上的第2外部接入點為第2信號輸出端。每一半PCB羅氏線圈的層疊的相鄰PCB中上一塊 PCB的第3外部接入點與下一塊PCB上的第1外部接入點相連，實現上一塊PCB上的第1線 圈部分和下一塊PCB上的第1線圈部分的串聯，形成完整的第1線圈。每一半PCB羅氏線 圈的層疊的相鄰PCB中上一塊PCB的第4外部接入點與下一塊PCB上的第2外部接入點相 連，實現上一塊PCB上的第2線圈部分和下一塊PCB上的第2線圈部分的串聯，形成完整的 第2線圈。每一半PCB羅氏線圈的第1線圈和第2線圈在第N PCB上直接串聯起來，形成 能對抗外界磁場幹擾的多塊PCB開口羅氏線圈的一半。 (5) 多塊PCB開口羅氏線圈的兩半PCB羅氏線圈有兩種連接方式：兩半PCB羅氏線圈的 第1信號輸出端直接相連，兩半PCB羅氏線圈的第2信號輸出端作為多塊PCB開口羅氏線 圈的兩個信號輸出端，分別為第1信號輸出端和第2信號輸出端；兩半PCB羅氏線圈的第2 信號輸出端直接相連，兩半PCB羅氏線圈的第1信號輸出端作為多塊PCB開口羅氏線圈的 兩個信號輸出端，分別為第1信號輸出端和第2信號輸出端。 (6) 多塊PCB開口羅氏線圈的每塊PCB都是由若干個相同的組成單元串聯而成，每一個 組成單元包括了第1線圈和第2線圈的各一圈線匝，這兩圈線匝緊密相鄰。 (7) 多塊PCB開口羅氏線圈的每塊PCB的每一個組成單元的第1線圈的一圈線匝包括： 進線、繞線、出線，進線和出線分別用於連接上一個組成單元和下一個組成單元屬於第1線 圈的線匝，繞線由位於不同層的布線和不同層之間的過孔環繞而成。多塊PCB開口羅氏線 圈的每塊PCB的每一個組成單元的第2線圈的一圈線匝包括：進線、繞線、出線，進線和出線 分別用於連接上一個組成單元和下一個組成單元屬於第2線圈的線匝，繞線由位於不同層 的布線和不同層之間的過孔環繞而成。 (8) 多塊PCB開口羅氏線圈的第1PCB到第N PCB的第1個組成單元的第1線圈的一圈 線匝的進線與第1PCB到第N PCB的第1外部接入點相連，第1PCB到第N PCB的第1個組成 單元的第2線圈的一圈線匝的進線與第1PCB到第N PCB的第2外部接入點相連。第1PCB 到第N-1PCB的最後1個組成單元的第1線圈的一圈線匝的出線與第1PCB到第N-1PCB的 第3外部接入點相連，第1PCB到第N-1PCB的最後1個組成單元的第2線圈的一圈線匝的 出線與第1PCB到第N-1PCB的第4外部接入點相連。第N PCB的最後1個組成單元的第1 線圈的一圈線匝的出線，與第N PCB的最後1個組成單元的第2線圈的一圈線匝的出線，直 接相連，實現第1線圈和第2線圈在第N PCB上的串聯。 (9) 能對抗外界磁場幹擾的多塊PCB開口羅氏線圈，每一個組成單元兩圈線匝的繞線 平面垂直於PCB表面，繞線圍成的截面位於PCB的橫截面上，繞線的布線路徑在垂直於PCB 表面的方向上重合。 (10) 能對抗外界磁場幹擾的多塊PCB開口羅氏線圈，每塊PCB上各個組成單元的中心 均勻分布在待測電流產生的磁場的一條磁力線上，所有組成單元兩圈線匝的繞線截面方向 近似沿通過該繞線截面中心的磁力線法線方向，所有組成單元兩圈線匝的繞線截面和通過 該繞線截面中心的磁力線切線方向（即磁場強度方向）近似垂直。
2.按照本發明的一個方面，本發明公開了一個能對抗外界磁場幹擾的多塊雙面PCB開 口羅氏線圈設計方法的具體實施例，能對抗外界磁場幹擾的多塊雙面PCB開口羅氏線圈， 其包括： (1) 能對抗外界磁場幹擾的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，由兩組繞線方向相反的線圈 串聯而成，分別為第1線圈和第2線圈，每塊雙面PCB上都有第1線圈和第2線圈的一部分。 (2) 能對抗外界磁場幹擾的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，由兩半PCB羅氏線圈組成，每 一半PCB羅氏線圈由N塊雙面PCB層疊而成。每一半PCB羅氏線圈設有兩個信號輸出端， 分別為第1信號輸出端和第2信號輸出端。第1信號輸出端和第2信號輸出端所在的PCB 為第1PCB，與第1PCB相鄰的PCB為第2PCB，如果N > 3,則以此類推，依次為第3PCB，直到 第 N PCB。 (3) 每一半PCB羅氏線圈的第1PCB到第N-1PCB上設置了 4個外部接入點：第1外部 接入點、第2外部接入點、第3外部接入點、第4外部接入點，第1外部接入點、第3外部接 入點分別為第1PCB到第N-1PCB上第1線圈的起點和終點，第2外部接入點、第4外部接入 點分別為第1PCB到第N-1PCB上第2線圈的起點和終點。每一半PCB羅氏線圈的第N PCB 上設置了兩個外部接入點：第1外部接入點、第2外部接入點，第1外部接入點為第N PCB 上第1線圈的起點，第2外部接入點為第N PCB上第2線圈的起點。 (4) 每一半PCB羅氏線圈的第1PCB上的第1外部接入點為第1信號輸出端，第1PCB 上的第2外部接入點為第2信號輸出端。每一半PCB羅氏線圈的層疊的相鄰PCB中上一塊 PCB的第3外部接入點與下一塊PCB上的第1外部接入點相連，實現上一塊PCB上的第1線 圈部分和下一塊PCB上的第1線圈部分的串聯，形成完整的第1線圈。每一半PCB羅氏線 圈的層疊的相鄰PCB中上一塊PCB的第4外部接入點與下一塊PCB上的第2外部接入點相 連，實現上一塊PCB上的第2線圈部分和下一塊PCB上的第2線圈部分的串聯，形成完整的 第2線圈。每一半PCB羅氏線圈的第1線圈和第2線圈在第N PCB上直接串聯起來，形成 能對抗外界磁場幹擾的多塊雙面PCB開口羅氏線圈的一半。 (5) 多塊雙面PCB開口羅氏線圈的兩半PCB羅氏線圈有兩種連接方式：兩半PCB羅氏線 圈的第1信號輸出端直接相連，兩半PCB羅氏線圈的第2信號輸出端作為多塊雙面PCB開 口羅氏線圈的兩個信號輸出端，分別為第1信號輸出端和第2信號輸出端；兩半PCB羅氏線 圈的第2信號輸出端直接相連，兩半PCB羅氏線圈的第1信號輸出端作為多塊雙面PCB開 口羅氏線圈的兩個信號輸出端，分別為第1信號輸出端和第2信號輸出端。 (6) 多塊雙面PCB開口羅氏線圈的每塊雙面PCB都是由若干個相同的組成單元串聯而 成，每一個組成單元包括了第1線圈和第2線圈的各一圈線匝，這兩圈線匝緊密相鄰。 (7) 多塊雙面PCB開口羅氏線圈的每塊雙面PCB的每一個組成單元的第1線圈的一圈 線匝包括：進線、繞線、出線，進線和出線分別用於連接上一個組成單元和下一個組成單元 屬於第1線圈的線匝，繞線由位於頂層和底層的布線和頂層和底層之間的過孔環繞而成。 多塊雙面PCB開口羅氏線圈的每塊雙面PCB的每一個組成單元的第2線圈的一圈線匝包 括：進線、繞線、出線，進線和出線分別用於連接上一個組成單元和下一個組成單元屬於第 2線圈的線匝，繞線由位於頂層和底層的布線和頂層和底層之間的過孔環繞而成。 (8) 多塊雙面PCB開口羅氏線圈的第1PCB到第N PCB的第1個組成單元的第1線圈的 一圈線匝的進線與第1PCB到第N PCB的第1外部接入點相連，第1PCB到第N PCB的第1個 組成單元的第2線圈的一圈線匝的進線與第1PCB到第N PCB的第2外部接入點相連。第 1PCB到第N-1PCB的最後1個組成單元的第1線圈的一圈線匝的出線與第1PCB到第N-1PCB 的第3外部接入點相連，第1PCB到第N-1PCB的最後1個組成單元的第2線圈的一圈線匝 的出線與第1PCB到第N-1PCB的第4外部接入點相連。第N PCB的最後1個組成單元的第 1線圈的一圈線匝的出線，與第N PCB的最後1個組成單元的第2線圈的一圈線匝的出線， 直接相連，實現第1線圈和第2線圈在第N PCB上的串聯。 (9) 能對抗外界磁場幹擾的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，每一個組成單元兩圈線匝的 繞線平面垂直於雙面PCB表面，繞線圍成的截面位於雙面PCB的橫截面上，繞線的頂層和底 層布線路徑在垂直於雙面PCB表面的方向上重合。 (10) 能對抗外界磁場幹擾的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，每塊雙面PCB上各個組成單 元的中心均勻分布在待測電流產生的磁場的一條磁力線上，所有組成單元兩圈線匝的繞線 截面方向近似沿通過該繞線截面中心的磁力線法線方向，所有組成單元兩圈線匝的繞線截 面和通過該繞線截面中心的磁力線切線方向（即磁場強度方向）近似垂直。
3. 根據權利要求2所述的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，其特徵在於：所述的多塊雙面 PCB開口羅氏線圈，由兩組繞線方向相反的線圈：第一線圈和第二線圈組成，第一線圈和第 二線圈在多塊雙面PCB上的各個部分串聯起來，組成完整的第一線圈和第二線圈，第一線 圈和第二線圈串聯起來，組成多塊雙面PCB開口羅氏線圈。
4. 根據權利要求2所述的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，其特徵在於：所述的多塊雙面 PCB開口羅氏線圈的每一塊雙面PCB都是由若干個相同的組成單元串聯而成。
5. 根據權利要求2所述的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，其特徵在於：所述的多塊雙面 PCB開口羅氏線圈的每一塊雙面PCB的所有組成單元的中心均勻分布在待測電流產生的磁 場的一條磁力線上。
6. 根據權利要求2所述的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，其特徵在於：所述的多塊雙面 PCB開口羅氏線圈的每一塊雙面PCB的每一個組成單元包括了第一線圈和第二線圈的各一 圈線匝，這兩圈線匝緊密相鄰。
7. 根據權利要求2所述的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，其特徵在於：所述的多塊雙面 PCB開口羅氏線圈的每一塊雙面PCB的每一個組成單元的的第一線圈的一圈線匝包括：進 線、繞線、出線，進線和出線分別用於連接上一個組成單元和下一個組成單元屬於第一線圈 的線匝，繞線由位於頂層和底層的布線和頂層底層之間的過孔環繞而成。每一個組成單元 的第二線圈的一圈線匝包括：進線、繞線、出線，進線和出線分別用於連接上一個組成單元 和下一個組成單元屬於第二線圈的線匝，繞線由位於頂層和底層的布線和頂層底層之間的 過孔環繞而成。
8. 根據權利要求2所述的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，其特徵在於：所述的多塊雙面 PCB開口羅氏線圈的第1PCB到第N PCB的第1個組成單元的第1線圈的一圈線匝的進線與 第1PCB到第N PCB的第1外部接入點相連，第1PCB到第N PCB的第1個組成單元的第2 線圈的一圈線匝的進線與第1PCB到第N PCB的第2外部接入點相連。第1PCB到第N-1PCB 的最後1個組成單元的第1線圈的一圈線匝的出線與第1PCB到第N-1PCB的第3外部接入 點相連，第1PCB到第N-1PCB的最後1個組成單元的第2線圈的一圈線匝的出線與第1PCB 到第N-1PCB的第4外部接入點相連。第N PCB的最後1個組成單元的第1線圈的一圈線 匝的出線，與第N PCB的最後1個組成單元的第2線圈的一圈線匝的出線，直接相連，實現 第1線圈和第2線圈在第N PCB上的串聯。
9. 根據權利要求2所述的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，其特徵在於：所述的多塊雙面 PCB開口羅氏線圈的每一個組成單元的第一線圈的線匝的繞線平面垂直於雙面PCB表面， 繞線圍成的截面位於PCB的橫截面上，繞線的布線路徑在垂直於雙面PCB表面的方向上重 合。每一個組成單元的第二線圈的線匝的繞線平面垂直於雙面PCB表而，繞線圍成的截面 位於雙面PCB的橫截面上，繞線的布線路徑在垂直於雙面PCB表面的方向上重合。
10. 根據權利要求2所述的多塊雙面PCB開口羅氏線圈，其特徵在於：所述的多塊雙面 PCB開口羅氏線圈的所有組成單元的第一線圈的線匝的繞線截面方向近似為通過該繞線截 面中心的磁力線法線方向，第一線圈的線匝的繞線截面和通過該繞線截面中心的磁力線切 線方向（即磁場強度方向）近似垂直。所有組成單元的第二線圈的線匝的繞線截面方向近 似為通過該繞線截面中心的磁力線法線方向，第二線圈的線匝的繞線截面和通過該繞線截 面中心的磁力線切線方向（即磁場強度方向）近似垂直。
【文檔編號】H05K1/16GK104349594SQ201310318277
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月26日 優先權日:2013年7月26日
【發明者】唐先武, 張建良 申請人:北京映翰通網絡技術股份有限公司