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CN107209218A - 小型电弧故障电流传感器和系统 - Google Patents

小型电弧故障电流传感器和系统 Download PDF

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CN107209218A
CN107209218A CN201680009934.9A CN201680009934A CN107209218A CN 107209218 A CN107209218 A CN 107209218A CN 201680009934 A CN201680009934 A CN 201680009934A CN 107209218 A CN107209218 A CN 107209218A
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arc fault
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Application number
CN201680009934.9A
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格伦·罗默
弗学·吉恩
拉塞尔·马沙多
布鲁斯·汉密尔顿
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Pulse Electronics Inc
Original Assignee
Pulse Electronics Inc
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Abstract

一种设置在电路板上接近载流迹线的电弧故障传感器。所述电弧故障传感器包括磁通量集中器(MFC)。MFC包括由中心柱接合的第一凸缘和第二凸缘。第一凸缘和第二凸缘中的每一个具有大于中心柱的横截面积。感测线圈绕组缠绕在中心柱周围。所述电弧故障传感器产生与载流导体中的电流变化率成比例的输出电压。对于感测线圈绕组的给定直径，所述输出电压由凸缘的横截面积相对于中心柱的横截面积的比来增强。还公开了制造和利用前述电弧故障传感器的方法。

Description

小型电弧故障电流传感器和系统
优先权
本申请要求2015年2月11日提交的标题为Miniature Arc Fault Current Sensor的共同未决的且共同拥有的美国临时专利申请序列号62/115,078的优先权，所述申请以引用的方式整体并入本文。
版权
本专利文件的公开的一部分含有受版权保护的材料。版权所有者不反对由任何人以专利文件或专利公开出现在美国专利与商标局专利文档或记录中的形式复制所述专利文件或专利公开，但是另外保留任何所有版权权利。
技术领域
本公开大体上涉及电路元件，并且更具体地涉及用于感测电弧故障电流的设备以及利用和制造所述设备的方法。
背景技术
电弧故障是在两个或更多个导体之间的电力的高功率放电。这种放电产生热量，其可以损坏电线的绝缘性，并点燃附近的易燃材料，从而引起火灾。电弧故障范围从几安培至数千安培，并且产生可检测的宽带电特征。所述特征通常可以处于100Hz至1GHz的范围内，这取决于发生电弧的电气系统的带宽。
自从广泛使用电力以来，人们已经认识到电弧故障的危险。美国消费品安全委员会(CPSC)在二十世纪后半叶认识到，美国的火灾死亡率大部分都是由电来源的住宅火灾引起的。1990年代，电弧故障检测和电路中断技术达到商业可行性。美国保险商实验室(UL)和美国电气制造商协会(NEMA)认识到与过载断路器类似的电弧故障电路断流器(AFCI)的需求和生产标准。1999年，国家电气规范开始在卧室电路中要求电弧故障电路断流器(AFCI)。由于光伏太阳能直流(DC)电弧故障的危险，NEC最近将AFCI的要求扩大到所有生活空间以及光伏太阳能(PV)设施中的电路。最近的UL标准1699，电弧故障电路断流器定义了在电路中检测到电弧故障特征时中断电路(类似于断路器)的AFCI的UL认证的要求。
现代AFCI由电弧故障传感器部件、检测器电路和电路中断机构组成。配电系统AFCI通常集成在断路器和AC插头/插座中。对于PV系统，AFCI集成在串联逆变器、DC均衡器、微逆变器和组合箱中。
为了在电弧故障载流导体和AFCI传感器部件之间提供电隔离，AFCI系统中使用的电弧故障传感器大多数是具有磁芯或环形罗可夫斯基线圈(RC)的环形电流互感器(CT)，没有磁芯封装在环形塑料壳体内。这些AFCI传感器存在许多问题：
1)它们倾向于较大(直径几厘米，并且高一厘米)，对于薄(例如0.5英寸)的断路器、AC插座和PV组合箱、微逆变器和DC均衡器来说太大了。
2)主集(承载待感测的电弧故障信号的导体)必须途经这些AFCI传感器环形线圈的中心。这种路由限制灵活性，不方便，而且昂贵。
3)CT(<1MHz)、罗可夫斯基线圈(<10MHz)的带宽远远小于被感测的电弧故障信号的带宽，这导致它们像低通滤波器一样起作用并且限制检测电路的性能。
4)与小型电弧故障电流传感器相比，电弧故障传感器环形线圈是昂贵的。除了外部塑料环形容器外，CT需要足够大的磁芯使得其不会使应用的正常AC和DC电流以及数百匝铜线饱和。罗可夫斯基线圈还需要数百匝精密缠绕的铜线和额外的电放大，用于它们的低信号输出。
AFCI日益增长的应用需要没有上述缺点的传感器部件，其足够小以便部署在印刷电路板(PCB)上的相邻迹线附近或之间，同时具有足够的输出以支持电弧故障检测电路。
发明内容
本发明通过提供一种改进的电流传感器装置及其制造和使用方法来满足前述需求(即解决现有技术的CT和RC环形传感器的缺点)。
在第一方面，公开了电流感测装置。在一个实施方案中，电流感测装置包括电弧故障感测部件，其足够紧凑以适合在印刷电路板(PCB)上的迹线附近或之间，同时产生足够的信号以便检测电弧故障信号。与现有技术的CT和RC一样，主导体不需要途经传感器。
在第二实施方案中，公开了一种小型电弧故障传感器部件。电弧故障传感器部件具有如横向于迹线测量的小于一厘米的外部尺寸。小型电弧故障传感器组件与电弧故障载流迹线相邻进行安装。小型电弧故障传感器部件具有相对于迹线的外部尺寸，其包括平行于迹线的外部尺寸、横向于迹线的外部尺寸以及横向于PCB的平面的外部尺寸。
在一个变型中，小型电弧故障传感器部件具有适合在一侧为一厘米的立方体内的外部尺寸。
在又一变型中，PCB迹线包括区段，其基本上彼此横向并且与小型电弧故障传感器部件的至少两侧相邻以增强由小型电弧故障传感器部件产生的信号。
在又一变型中，PCB迹线围绕小型电弧故障传感器部件，以便与小型电弧故障传感器部件的三个侧面相邻。PCB迹线可以定义开放的矩形或“U形”图案。
在又一变型中，PCB迹线包括区段，其与小型电弧故障传感器部件的两侧相邻以增强由小型电弧故障传感器部件产生的信号。两个区段以基本上相反的方向承载电流，但由于所谓的“右手法则”而提供附加信号。
在第二方面，公开了一种紧凑型电弧故障传感器系统。在一个实施方案中，紧凑型电弧故障传感系统包括紧凑型电弧故障传感器，其被配置来感测电路板上的载流导体中变化的电流，所述变化的电流产生在载流导体周围循环的变化的磁场。
在一个变型中，紧凑型电弧故障传感器包括由具有至少100的相对磁导率的材料形成的磁通量集中器，其在包括第一凸缘和第二凸缘的两个凸缘之间具有中心柱，所述紧凑型电弧故障传感器被配置来安装到电路板，使得来自循环磁场的磁通量进入第一凸缘、穿过中心柱并通过第二凸缘离开；以及设置在所述磁通路集中器的中心柱周围的感测线圈绕组，所述感测线圈绕组被配置来输出与所述变化的电流的变化率成比例的电压，所述磁场强度通过两个凸缘之间的通量集中来增加，以使紧凑型感测线圈绕组能够增加给定线圈尺寸的输出电压。
在又一变型中，载流导体相对于紧凑型电弧故障传感器具有所需的几何形状。在一个实施方案中，所需的几何形状包括一个或多个电路板迹线的两部分，每部分至少在紧凑型电弧故障传感器的第一侧面和第二侧面上彼此平行来延伸。
在另一个实施方案中，所需的几何形状还包括一个或多个电路板迹线的第三部分，其大体上与一个或多个电路板迹线的两部分垂直来延伸。
在又一实施方案中，所需的几何形状包括电路板迹线的至少一部分，其设置在与其中设置有多个接线柱的紧凑型电弧故障传感器的第二侧面相对的紧凑型电弧故障传感器的第一侧面上，所述多个接线柱各自与感测线圈绕组耦合。
在又一变型中，紧凑型电弧故障传感器设置在电路板的第一表面上，并且载流导体设置在电路板的第二相对表面上。
在又一变型中，公开了一种第二紧凑型电弧故障传感器，其通过一对输出迹线与电路板上的第一紧凑型电弧故障传感器串联耦合。
在第三方面中，公开了制造前述电流感测装置的方法。在一个实施方案中，所述方法包括由导磁材料形成磁通量集中器使得所述磁通量集中器包括一对凸缘和中心柱，所述中心柱具有小于一对凸缘二者的横截面积；在所述中心柱周围缠绕多匝导线；以及将所述导线的多个端部终止于所述电流感测装置的接口部分上。
在第四方面中，公开了利用前述电流感测装置的方法。在一个实施方案中，电流感测装置的输出通过在其至少两个侧面上使承载待感测电流的主导体途经电流感测装置周围而增加。
在第五方面中，公开了并入了前述电流感测装置的商业和/或工业机器。在一个实施方案中，在环境中利用前述电流感测装置，以便防止尤其由于电流过载导致的电动机故障。
在一个变型中，电动机用于传送机应用。
在另一个变型中，电动机用于破碎机应用。
在又一变型中，电动机用于粉碎机应用。
在又一变型中，电动机用于砂轮机应用。
在另一个实施方案中，在环境中利用前述电流感测装置，以便有助于检测导线绝缘的恶化/破坏。
在一个变型中，在电加热器内利用导线绝缘劣化/破坏的检测。
在另一个变型中，在照明基础设施环境(诸如机场跑道)中使用导线绝缘劣化/破坏的检测。
在又一变型中，在紫外线和/或红外线处理灯中利用导线绝缘劣化/破坏的检测。
附图说明
结合附图，本公开的特征和优点通过下面列出的详细说明将变得更加明显，其中：
图1A是根据本公开的原理的接近PCB上的载流导体定位的小型电弧故障电流传感器的一个示例性实施方案的透视图。
图1B是沿着线B-B截取的图1A的小型电弧故障电流传感器的横截面图。
图1C是沿着线C-C截取的图1A的小型电弧故障电流传感器的横截面图。
图2A是根据本公开的原理的接近电弧故障载流“L”形导体定位的小型电弧故障电流传感器的第二示例性实施方案的透视图。
图2B是沿着线B-B截取的图2A的小型电弧故障电流传感器的横截面图。
图3A是根据本公开的原理的接近电弧故障载流“U”形导体定位的小型电弧故障电流传感器的第三示例性实施方案的透视图。
图3B是沿着线B-B截取的图3A的小型电弧故障电流传感器的横截面图。
图4A是根据本公开的原理的接近两个电弧故障载流导体定位的小型电弧故障电流传感器的第四示例性实施方案的透视图。
图4B是沿着线B-B截取的图4A的小型电弧故障电流传感器的横截面图。
图5是根据本公开的原理的图1A-1C的小型电弧故障电流传感器的变型应用的透视图，其中传感器102定位成与MFC的轴线，并且感测线圈绕组平行于PCB来设置并且位于载流导体迹线上方的PCB顶部侧面上，所述载流导体迹线位于PCB的底部侧面上。
图6是根据本公开的原理的接近垂直设置的载流导体(诸如汇流条)定位的图1A-1C的小型电弧故障电流传感器的变型应用的透视图。
图7是根据本公开的原理的串联定位的一对小型电弧故障电流传感器的顶部平面图。
具体实施方式
现在参考附图，其中相同的数字始终是指相同的部分。
如本文所用，术语“总线(bus)”和“汇流条(bus bar)”旨在广泛地应用于电系统中的任何感测部件(例如，导体或多个导体)，而不论形状或设置。
如本文所用，使用术语“线轴(bobbin)”和“线模(form)”(或“绕线模(former)”)而不限于指设置在电感设备上或电感设备中或作为电感设备的一部分的任何结构或部件，其有助于形成或维持设备的一个或多个绕组。
如本文所用，术语“载流导体”旨在广泛地应用于大范围的导体，其包括但不限于例如PCB迹线、金属汇流条和承载待感测电流的导线。
如本文所用，术语“电部件”和“电子部件”可互换使用，并且是指适于提供一些电和/或信号调节功能的部件，其包括但不限于电感电抗器(“扼流线圈”)、变压器、滤波器、晶体管、有隙芯环形线圈、电感器(耦合或其他)、电容器、电阻器、运算放大器和二极管，无论离散部件还是集成电路，无论单独还是组合。
如本文所用，术语“电感设备”是指使用或实施电感的任何设备，其包括但不限于电感器、变压器和感应电抗器(或“扼流线圈”)。
如本文所用，术语“导磁”是指通常用于形成电感芯或类似部件的任何数量的材料，其包括但不限于由铁素体制成的各种制剂。
如本文所用，术语“信号调节”或“调节”应理解为包括但不限于信号电压变换、滤波和噪声减轻、信号分裂、阻抗控制和校正、限流、电容控制和时间延迟。
如本文所用，术语“顶部”、“底部”、“侧面”、“向上”、“向下”、“上部”、“下部”等只意味着将一个部件对另一个部件的相对位置或几何形状，并且决不意味着绝对的参考框架或任何需要的取向。例如，当部件被安装到另一设备(例如，到PCB的下侧)时，所述部件的“顶部”部分可能实际上位于“底部”部分下方。
概述
在一个示例性实施方案中，本公开涉及特别适合用作电弧故障传感器的非常紧凑且高灵敏度的电流感测装置(或电流传感器)。紧凑的性质允许这种传感器放置在相对小的印刷电路(PC)板或柔性电路上的迹线附近或之间。例如，在一个实施方案中，传感器可以足够小以适合在具有1厘米(cm)的边缘尺寸的立方体内。尽管这种小尺寸，传感器能够响应于指示电弧故障的电流变化产生可检测大小的电压信号。
在描述这种传感器时，PC板将成为主要实例。PC板具有在横向方向上延伸的平坦表面。横向方向可以被描述为限定与PC板的上表面平行的“XY”平面的方向“X”和“Y”。PC板包括可以设置在PC板内的上表面上或与上表面相对的表面上的载流导体。穿过载流导体的电流产生磁场，其具有与电流成比例且与离载流导体的距离大致成反比的强度。
传感器被配置成安装在接近载流导体的PC板的上表面上。电流的变化(诸如由电弧故障产生的那些电流变化)产生穿过传感器的变化的磁通量。传感器产生跨两个输出接线柱的电压，其与穿过传感器的磁通量的变化率成比例。
传感器包括由导磁材料(诸如软铁)形成的磁通量集中器(MFC)。MFC包括第一凸缘、第二凸缘以及将第一凸缘与第二凸缘耦合的中心柱。第一凸缘和第二凸缘中各自的横截面积大于中心柱的横截面积。传感器被安装到PC板，由此磁通量穿入第一凸缘，穿过中心柱并穿过第二凸缘。当它穿过中心柱时，MFC集中所述通量。
传感器还包括感测线圈绕组，其包裹在中心柱周围并被终止于两个接线柱。感测线圈绕组有N个线匝。由于感测线圈绕组包裹在中心柱周围，所以进入第一凸缘的基本上所有的磁通量也穿过感测线圈绕组的所有匝。因此，相对紧凑的线圈绕组包围穿入相对大的面积凸缘的磁通量。
因为这种几何形状，在接线柱处产生的电压基本上与匝数N(在绕组中)乘以进入和离开每个凸缘的磁通量的变化率成比例。这允许相对小的传感器因为载流导体中的给定电流变化而产生相对较大的电压。换句话说，感测线圈绕组的输出电压通过每个凸缘的横截面积相对于中心柱的横截面积的比来增强。
在示例性实施方案中，MFC被定向成使得第二凸缘是接近PCB的上表面安装的下凸缘。因此，下凸缘、中心柱和上凸缘沿着与XY平面垂直的Z方向来布置。下凸缘的边缘接近载流导体。将在以下描述中描述其他实施方案。
示例性实施方案的详述
现在提供对本公开的装置和方法的各种实施方案和变型的详述。尽管在电弧故障电流感测装置的上下文中主要讨论，但是本文讨论的各种装置和方法并不限于此。事实上，本文描述的各种装置和方法在其他电流感测应用(诸如测量进入商业/工业/住宅场所的电流)中是有用的。
此外，还应理解，在许多情况下，相对于具体实施方案的某些特征可以容易地适用于本文描述的一个或多个其他预期实施方案(以及所并入的参考文献中列出的那些实施方案)中。给定本公开的普通技术人员也应容易理解，本文描述的许多特征在他们描述的具体实施例和实施方式之外具有更广泛的有用性。
示例性电流感测装置——
图1-6描绘根据本公开的各种实施方案的电弧故障传感器102。轴X、Y和Z相互正交。轴X和Y位于与电路板118的平坦上表面平行的平面中，所述电路板118上安装有电弧故障传感器。在一个实施方案中，电路板118是基本刚性且平坦的印刷电路板(PCB)118，并且因此XY平面对应于PCB的上表面。在其他实施方案中，电路板118是柔性电路板，并且XY平面可以与电路板118的上表面的一个或多个点相交。从这里开始，将讨论PCB 118的实施方案，但是应理解，传感器102的一些实施方案可以与柔性板一起被利用。沿着X轴和Y轴的方向在本文中将被称为“横向”或“水平”方向，但是应理解，这些方向是相对于电路板118上表面而不是相对于重力参考。轴Z与XY平面垂直并且与被定向与PCB 118的上表面垂直。
现在参考图1A，示出了根据本公开的原理的安装在印刷电路板118(PCB)上的小型电弧故障电流传感器102。在所示的实施方案中，小型电弧故障电流传感器包括缠绕在用作磁通量集中器(MFC)的磁芯108周围的感测线圈绕组106。磁通量集中器108具有通过其间的中心柱114连接的上凸缘110和下凸缘112。凸缘110和112以及中心柱114由低磁阻磁性材料形成。用于MFC的磁性材料的特性是在本公开的设备参数部分中讨论的设备的参数。
在所示的实施方案中，小型电弧故障电流传感器102与位于PCB的表面上的载流导体116相邻来设置。载流导体大体上沿着X轴延伸，使得所述导体与壳体104的一侧平行并且紧邻壳体104的一侧来延伸。虽然载流导体被示出为驻留在PCB的上表面(即，安装电流传感器的表面)上，但是应理解，在替代性实施方案中，载流导体也可以驻留在PCB内或者替代地在PCB的底部表面(即，安装电流传感器的相对表面)上。
由穿过导体116的电流在X方向上产生的磁场在接近所述导体的点处是最强的，所述磁场的强度与离所述导体边缘的距离大致成反比。因此，关于MFC108的放置，下凸缘110优选地尽可能靠近载流导体116放置，但不与导体重叠。例如，假设载流导体116沿着+X方向承载电流，它将产生根据所谓的“右手定则”的围绕导体116循环的磁场。磁场的循环可以被描述为沿着大致轴向对准导体的相等场强的线来定向。所述场的强度与离导体116的边缘的距离的倒数大致成比例。因此，从图1B的透视图看，磁场顺时针围绕导体116并通过MFC108来定向。
MFC 108的存在将集中场线，因为磁场由于其低磁阻而倾向于被吸入磁性材料中。MFC的凸缘紧邻导体放置的事实，确保了最大量的磁通量将通过上凸缘110进入MFC并通过下凸缘112离开MFC。因此，在上凸缘与下凸缘之间，通量被集中并穿过MFC的中心柱114，因此提供通过感测线圈绕组106最大的磁场强度。
应注意，如果小型电弧故障电流传感器部件102放置在载流迹线116上方或与载流迹线116的边缘重叠，则它将如上所述运行，但是输出将小于与迹线116紧密相邻的放置，因为部件下方的迹线116中的电流部分将产生磁场线，所述磁场线与来自不在部件下方的迹线中的电流的磁场线相对，因此减小通过MFC的净磁场和小型电弧故障电流传感器的输出结果。
MFC凸缘110和112的形状是部件的重要参数，影响通量集中的量，并且因此影响小型电弧故障电流传感器产生的输出。所述部件的这种形状参数在本公开的设备参数部分中讨论。
在所示的实施方案中，并且如本文之前所示的，MFC芯由导磁材料制造。导磁芯的存在允许小型电弧故障电流传感器比具有相当灵敏度的空气线圈小得多。尺寸的减小是显著的，因此允许小型电弧故障电流传感器与许多通常实施的印刷电路板(PCB)设计结合利用，并因此使其能够在各种并入了PCB的设备中使用。
小型电弧故障电流传感器102的感测线圈绕组106的输出是与根据法拉第定律的穿过MFC 108的磁场变化时间成比例的电压。更具体地，传感器102的输出电压大致等于进入和离开凸缘(110和112)的通量变化率乘以传感线圈绕组106的匝数。这是因为磁通量集中器108重定向磁场线，使得几乎所有进入凸缘(110和112)的磁通量都将途径通过中心柱114。
例如，诸如图1A所示，具有7mm(毫米)X 7mm的横向凸缘尺寸和缠绕有250匝#38规格铜线的直径4mm的圆形中心柱的小型电弧故障电流传感器，已经示出在相邻的载流导体中每安培50Hz正弦电流产生250μV(微伏)的输出RMS。将这种传感器与利用空气线圈的传感器设计对比。在这种设计中，感测线圈绕组的直径需要具有三百五十(350)匝的10mm的直径，以便每安培50Hz正弦电流产生250μV RMS输出，这需要相当多的占有面积、铜线和生产时间。如本文所述，附加的PCB占有面积、匝数(线长度)和绕组时间各自有助于比构建在磁通量收集芯上的较小的小型电弧故障电流传感器的成本更高的零件。
小型电弧故障电流传感器的输出也与导体中电流的频率或变化率成比例。例如，在用于较高频率电流(即大于1KHz)的实施方案中，如本公开的设备参数部分中所讨论的，可以按比例减小MFC上的尺寸和/或匝数。
虽然主要在其并入到PCB上的上下文中讨论，但是应认识，本公开不限于此，并且可以以多种方式来实施，只要小型电弧故障电流传感器可以紧邻/邻近载流导体(例如印刷线路板(PWB)迹线)或电流产生汇流条。例如，在替代布置(未示出)中，应理解，电流传感器可以被封装到壳体中，所述壳体具体地配置用于直接夹持在载流汇流条上。此外，因为载流导体的形状/尺寸可以可想象地变化，具有夹具的一体式壳体可以具体地设定尺寸以便与相应的载流导体变型配合。
现在参考图1B(为了清楚起见，壳体104已经被移除)，MFC 108包括上凸缘110、下凸缘112和位于其间的中间柱114。因此，上凸缘110、中心柱114和下凸缘112沿着竖直的Z轴来布置。中心柱114用作线轴，感测线圈绕组106包裹在所述线轴周围。如图1B所示，MFC 108的横向横截面积从上凸缘和下凸缘处的相对较大的面积变化到中心柱处相对较小的横截面积。感应线圈绕组106缠绕在上凸缘与下凸缘之间的MFC的中心柱114周围。这种构型的一个优点是，感测线圈绕组可以被自身缠绕，同时被上凸缘和下凸缘物理地限制，因此能够使用具有较大匝数(与空气线圈电流传感器相比)的较小的感测线圈绕组，而不使用由例如注模聚合物制成的单独的线轴部件。在提及凸缘110和112以及中心柱的横截面积时，应理解，这些面积是平行于横向XY平面测量的，所述XY平面与它们沿着布置的Z轴垂直。
现在参考图1C，图1A所示的小型电弧故障电流传感器以横向横截面示出，示出了中心柱114、感测线圈绕组106以及安装在PCB 118上与载流导体116相邻设置的下凸缘112。为了清楚起见，上凸缘和壳体已经被隐藏。图1C示出了附接到PCB迹线120的感测线圈绕组106的端部，所述PCB迹线120将传感器连接到检测器电路。感测线圈绕组106和PCB迹线之间的附接方法优选是具有应用所需要的机械强度的低电阻连接。在一个实施方案中，传感器102通过将感测线圈绕组106的接线柱焊接到PCB 118迹线来安装到PCB 118。感测线圈绕组106的接线柱接近下凸缘112，其中下凸缘因此接近PCB 118的上表面来安装。
在图2A和2B中，示出并详细描述了安装在PCB 118上的小型电弧故障电流传感器102的替代布置。类似于上面关于图1A-1C描述的实施方案，电流传感器包括缠绕在MFC 108的中心周围的感测线圈绕组106。小型电弧故障电流传感器与位于PCB的表面上的载流导体116相邻来设置。然而，与图1A-1C所示的实施方案不同，载流导体116在XY平面中具有“L”形轮廓，因此使得电流传感器能够与载流导体相邻设置在凸缘110的两(2)个分开的侧面上。虽然载流导体被示出为驻留在PCB的上表面(即，安装电流传感器的表面)上，但是应理解，在替代性实施方案中，载流导体也可以驻留在PCB内或者替代地在PCB的底部表面(即，安装电流传感器的相对表面)上。
如本文先前所述，由穿过导体116的电流产生的磁场在接近所述导体的点处是最强的，所述磁场的强度与离所述导体的距离大致成反比。因此，关于MFC108的放置，下凸缘112优选地尽可能靠近载流导体116放置。例如，假设载流导体116沿大体顺时针方向承载电流，则载流导体将因此产生根据所谓的“右手定则”大体上在导体116周围循环的磁场。可以将磁场的循环描述为沿相等场强的闭合轮廓来定向，所述闭合轮廓大致轴向中心位于导体上。从图2A的透视图看，磁场顺时针围绕导体116并通过MFC 108来定向。MFC 108的存在将集中场线，因为磁场由于其低磁阻将被吸入导磁材料中。MFC的凸缘紧邻导体放置的事实，确保了最大量的磁通量将通过上凸缘110进入MFC。在上凸缘与下凸缘之间，通量被集中并穿过MFC108的中心柱114，因此提供通过感测线圈绕组106最大的磁场强度。
现在参考图2B，图2A所示的电流传感器以横截面示出，示出了中心柱114、感测线圈绕组106以及安装在PCB 118上的下凸缘112，其中电流传感器与载流导体116相邻设置。为了清楚起见，上凸缘和壳体已经被隐藏。在所示的实施方案中，MFC 108被示出为具有大体上矩形的凸缘(类似于关于图1C示出的实施方案)；然而，接近L形载流导体的凸缘的角含有半径，使得包含在L形导体116上的曲线与位于下(和上)凸缘上的半径同心，且中心柱大体上为圆柱形。类似于关于图1C所描述的，感测线圈绕组106包裹在中心柱114周围并终止于相应的导电迹线120。
图2A和2B中示出的构型中的小型电弧故障电流传感器102的输出将大于图1A、1B和1C中示出的小型电弧故障电流传感器102的输出，因为与凸缘112相邻的载流导体116的附加长度有助于额外的通量，其与和凸缘相邻的载流导体116的长度的比率成比例。在图2A和2B中的方形凸缘110和112的情况下，所收集的附加通量将是图1A和1B的附加通量的大约两倍(2X)。这将转换成图1A和1B的小型电弧故障电流传感器输出的两倍(2X)。
现在参考图3A和3B，示出了电流传感器102的替代布置，其设置在U形载流导体116旁边。所示的替代布置示出了其中凸缘112的边缘接近并沿着载流导体的边缘来设置的实施方案。图3A和3B中示出的构型中的小型电弧故障电流传感器102的输出将大于图1A、1B和1C中示出的小型电弧故障电流传感器102的输出，因为与凸缘112相邻的载流导体116的附加长度有助于额外的通量，其与和凸缘相邻的载流导体116的长度的比率成比例。在图3A和3B中的方形凸缘110和112的情况下，所收集的附加通量将是图1A和1B的附加通量的大约三倍(3X)。这将转换成图1A和1B的小型电弧故障电流传感器输出的三倍(3X)。
现在参考图4A和4B，示出了电流传感器102的替代布置，其设置在平行载流导体116和117旁边，其中相等的电流沿相反的方向流动。所示的替代布置示出了其中凸缘112的边缘接近并沿着载流导体116和117的边缘来设置的实施方案。图4A和4B中示出的构型中的小型电弧故障电流传感器102的输出将大于图1A、1B和1C中示出的小型电弧故障电流传感器102的输出，因为与凸缘112相邻的载流导体116和117的附加长度有助于额外的通量，其与和凸缘相邻的载流导体116加上117的长度的比率成比例。在图4A和4B中的方形凸缘110和112的情况下，所收集的附加通量将是图1A和1B的附加通量的大约两倍(2X)，这将转换成图1A和1B的小型电弧故障电流传感器输出的两倍(2X)。此外，这种布置对于抑制共模电流(即，在迹线116和117中沿相同方向上流动的电流)是有用的。当完全相同的电流在两个迹线中沿相同的方向流动时，磁场相等且相反，有效地抵消彼此，并且不会导致传感器的任何输出。
现在参考图5，载流导体的替代变型，其中所述导体位于PCB 118的底部侧面上，并且小型电弧故障电流传感器102位于PCB的顶部。为了最大化电流传感器的输出，将它从图1、2、3和4中通常示出的取向逆时针旋转90度，以允许MFC 108收集磁通量线，如图1、2、3和4所示。对于沿+X方向的电流，通量线遵循“右手定则”，并绕着载流导体116顺时针旋转。因为所有其他参数相等，所以小型电弧故障电流传感器102的输出将与图1A所示的大致相同。在这种构型中，PCB 118在载流导体116和电流传感器102之间提供附加的电隔离。
现在参考图6，示出了与图1A-1C的电流传感器102一起使用的载流导体116的替代变型。在所示的实施方案中，载流导体116与例如图1A所示的实施方案正交地翻动。这种构型代表例如在断路器和AC插座(插头)中对于AFCI的UL 1699要求，以维持20-50微秒的2000A的电流尖峰。PCB迹线将像保险丝那样熔化并打开，因此必须用足够尺寸的金属汇流条来代替，使得其在当前尖峰测试期间不熔化或熔断。
虽然在图6中未示出，但载流导体116可以成型为L形或U形，以增加小型电弧故障电流传感器的输出，类似于上面对于图2A/B、3A/B和4A/B所述的方法。应注意，这种旋转载流导体的方法减小了导体所需的电路板面积的量，特别是如果所述导体除了电弧故障电流之外还必须支持大的AC或DC电流。这是小型电弧故障电流传感器的灵活性的一个实例。
现在参考图7，示出了又一变型，其中多个电流传感器102和103通过输出迹线120、122串联连接。如图所示，电流传感器各自彼此相邻以及与载流导体116相邻来设置。与仅利用单个电流传感器的设计相比，这种构型能够产生近似于单个传感器的输出乘以串联连接的传感器的数量的更大的信号输出。在需要更高输出并且载流导体不能成型为前述的L形或U形的情况下，可以找到这种变型的应用。
此外，虽然所示的串联构型包括两(2)个电流传感器，但是应理解，在需要更高输出的应用中可以容易地采用更多个电流传感器(即，三(3)个或更多个)。
虽然所示的实施方案示出了电流传感器与载流导体116相邻来设置，但是应理解，容易想到的变型是其中串联耦合的电流传感器被设置在正确连接的载流导体的相对侧面上，以确保输出是相加的。这种构型倾向于通过消除在传感器的面积上大致与PCB垂直定向的大AC磁场来减小影响。
设备参数——
六个主要参数影响小型电弧故障电流传感器102的输出：(1)凸缘(110和112)的形状和尺寸；(2)感测线圈绕组匝数；(3)MFC 108材料；(4)电流频率/变化率；(5)传感器的安装取向；和(6)传感器相对于载流导体的位置。在讨论参数时，将使用关于图1A-C的方向。XY平面等于安装有传感器102的PCB 118的上表面。Z轴与PCB 118上表面垂直。X轴和Y轴沿“横向”方向延伸，并且Z轴沿“竖直”方向延伸。应理解，横向和竖直的术语不是指重力参考，而是指相对于PCB的上表面的方向。
凸缘形状——在一些实施方案中，优选的凸缘形状是最佳磁场集中性能(由传感器输出电压测量)与将感测线圈绕组106缠绕到MFC 108上的难度之间的优化。
实验和理论分析表明，两个凸缘(110和112)具有相同的形状、尺寸和相对于所述凸缘之间的中心柱114的取向是最佳的。如果一个凸缘(110或112)小于另一个凸缘，或者不取向成与另一个凸缘平行并同心，则会减小MFC 108磁阻、磁场集中，并且从而减小传感器102的输出电压。传感器102的输出近似于如果较大的凸缘减小到较小的凸缘的尺寸和取向将会获得的输出。
考虑到各种经济的MFC凸缘形状—即方形、矩形(例如，3长x 1宽)、椭圆形、圆形和混合形状—对于示例性实施方案，优选方形形状。对于，具有与载流导体(例如PCB上的迹线)紧密相邻的相同凸缘面积的三种特定形状中的每一种，“三乘一”矩形(长轴平行于沿X轴的迹线并且是沿X轴的大小的三倍)将具有最高的通量收集，其次是方形的三乘一矩形的91％，并且最后一个是圆形形状的三乘一矩形的85％。在MFC上缠绕感应线圈绕组最佳的是对称的方形和圆形的凸缘形状，而最难的是矩形形状的凸缘。因此，在示例性实施方案中，发现方形凸缘是制造效率和磁通量捕获中的最佳设计因素。
对于任何给定的形状，电流传感器的输出随着凸缘的横向横截面积增加而增加(所有其他参数相等)。然而，由于横向面积超过1平方厘米，所以传感器对于小PCB上的应用(诸如用于紧凑型电弧故障检测器应用中的那些应用)来说变得太大。对于示例性小PCB，传感器的最大实际尺寸适合在具有10毫米边缘的立方体内。在另一个示例性实施方案中，电流传感器适合在具有小于9毫米的边缘尺寸的立方体内。在又一示例性实施方案中，电流传感器适合在具有小于8毫米的边缘尺寸的立方体内。在再一实施方案中，电流传感器具有凸缘，每个凸缘限定大约40-60平方毫米的横向面积。应理解，本公开可以应用于允许更大且不能适合在具有10毫米边缘大小的立方体内的传感器的一些应用。
MFC中心柱114提供了若干功能：(1)提供缠绕有感测线圈绕组106的“线轴”；(2)为磁场提供两个凸缘(110和112)之间的低磁阻路径；和(3)提供两个凸缘(110和112)相对于彼此的机械支撑。中心柱114的横向横截面积小于凸缘(110和112)的横截面面积，以便为感测线圈绕组106提供空间。对于高灵敏度应用，MFC 108材料不会接近饱和，允许使用具有远小于凸缘(110和112)的横截面积的中心柱114。在一个实施方案中，凸缘(110和112)的横向横截面积分别为中心柱114的横截面积的至少两倍。在另一个实施方案中，凸缘(110和112)的横向横截面积分别为中心柱114的横截面积的至少三倍。在又一实施方案中，凸缘(110和112)的横向横截面积分别为中心柱114的横截面积的至少三倍。在一个示例性实施方案中，凸缘(110和112)各自具有在40至60平方毫米范围内的横向横截面积，并且中心柱114具有在10至30平方毫米的范围内的横截面积。MFC凸缘(110和112)和中心柱114的这些几何形状使得非常敏感的电弧故障传感器102能够具有适用于小PCB 118应用的非常小的大小。
在图1A-C的说明性实施方案中，中心柱114是圆形的，并且中心大致位于相对于XY平面的凸缘110和112之上。在替代性实施方案中，中心柱114可以取其他形状，诸如方形、三角形或具有圆角的方形，仅举几个实例。在其他替代性实施方案中，中心柱114可以不相对于凸缘110和112位于中心。在再其他实施方案中，凸缘110和112可以具有其他形状，诸如矩形、部分椭圆形或三角形，仅举一些实例。
感测线圈绕组——按照法拉第定律小型电弧故障电流传感器102的电压输出与感测线圈绕组106的匝数成比例(所有其他参数相等)。匝数的实际限制为下限一匝，因为难以固定和连接部分匝，而在凸缘之间紧固适应的匝数作为上限。除了允许给定MFC上的或多或少的匝数，线直径(线规)不是一个关注的参数，因为感测线圈绕组电流相当小(微安培)，因为它是高阻抗设备，并且输出电压由高阻抗电路感测。
在第一实施方案中，感测线圈绕组106具有至少50匝。在第二实施方案中，感测线圈绕组106具有至少100匝。在第三实施方案中，感测线圈绕组106具有至少150匝。在第四实施方案中，感测线圈绕组106具有至少200匝。在一个示例性实施方案中，感测线圈绕组106具有约250匝。在其他实施方案中，通过选择较小线规的线并且通过增加凸缘(110或112)面积与中心柱114面积的比率，感测线圈绕组106可以具有更多的匝数。
MFC材料——这是一个无量纲参数，其是与自由空间相比，MFC的软磁材料的相对磁导率(μr)。μr值的范围从非磁性材料(木材、塑料、铝)的约一(1.0)至软铁素体的1000到10,000+。小型电弧故障电流传感器的输出与μr成比例，所有其他参数相等。示例性实施方案的模拟表明，>100的μr值足以实现所需的磁场集中效果。远大于100(诸如5,000至10,000)的相对磁导率(μr)值不能提供比接近100的值显著更大的输出，并且通常比低磁导率材料的成本高。其他实施方案可能需要大于100的μr值。
位置——此参数是从下凸缘112的边缘到载流导体116的边缘的距离。在所有其他参数相等的情况下，小型电弧故障电流传感器的输出电压随着此距离的增加而减小。因为离在X方向上延伸的线性迹线的距离十倍大于Y中凸缘的宽度，所以输出电压的减小接近所述距离的平方反比。最小距离为零，并且最大距离可以是凸缘的宽度的许多倍，其中输出降低到电弧故障检测器电子器件不能利用的水平。通常，小型电弧故障电流传感器将如隔离电压要求所允许的在靠近载流导体处来放置。应注意，如前面所讨论的，除了一个取向之外，凸缘优选地不与载流导体的边缘重叠。
在第一示例性实施方案中，从下凸缘112的边缘到载流迹线116的距离小于四毫米。在第二示例性实施方案中，从下凸缘112的边缘到载流迹线116的距离小于三毫米。在第三示例性实施方案中，从下凸缘112的边缘到载流迹线116的距离小于二毫米。在第四示例性实施方案中，从下凸缘112的边缘到载流迹线116的距离小于一毫米。在第五示例性实施方案中，下凸缘112的边缘接近迹线116，其间具有最小的间隙。
传感器的安装——使用多种技术之一将传感器102安装到PCB 118的上表面。在示例性实施方案中，壳体104被安装到PCB 118的上表面并且设置在PCB118与下凸缘112之间。在替代性实施方案中，传感器102没有外部壳体104，并且下凸缘直接安装到PCB 118的上表面。在示例性实施方案中，将感测线圈绕组106的接线柱焊接到迹线120提供了传感器102与PCB 118的上表面之间的结构安装接头。在其他替代性实施方案中，粘合剂(诸如环氧树脂)可用于将下凸缘112或壳体104安装到PCB 118的上表面。环氧树脂可以是柔性环氧树脂，以最小化部件应力并最大化冲击强度。
频率——此参数是载流导体中电弧故障电流的频率或频率含量。对于单个频率，小型电弧故障电流传感器的输出随频率线性增加，所有其他参数相等。传感器的输出是在宽带电弧故障电流中组合的所有单个频率电流的总和。如本公开前面所讨论的，这些频率范围为从1KHz至1GHz。
其他电流感测应用——
本文所述的示例性电流感测装置相对简单且制造经济。此外，本文所述的电流感测装置与旨在感测的导体(诸如通过例如非导电聚合物壳体)电绝缘。在示例性实施方案中，电流感测装置可用于感测从1KHz至多于1GHz的频率范围内的宽带电流。此类电流感测装置的潜在附加(电弧故障电流感测以外)应用包括但不限于使用在工业环境中消耗的电能的大约百分之六十(60％)的电动机。
用于本文所述的电流感测装置的一个此类应用是为了保护电动机免受由于电流过载的破坏。保护电动机免受由于电流过载的破坏的各种实例包括但不限于：输送机阻塞(无论是通过内部机械故障还是通过外部物体的干扰)；破碎机/粉碎机/研磨机过载(例如当被破碎/粉碎/研磨的材料大于特定机器的设计限制时)；锯过载和泵阻塞。
用于本文所述的电流感测装置的替代性应用包括识别内部绝缘破坏或其他电器设备故障(通过感测电流增加)，以允许尤其是预防性维护。这些应用的各种实例包括识别故障的电机轴承；电机绕组绝缘恶化；由于电流增加和/或高频AC电流的局部放电的变压器绕组绝缘恶化；电加热元件部分故障；电加热元件绝缘恶化；灯具恶化；紫外线和红外线处理灯恶化等。
此外，良好的工程实践表明，每个控制输出应具有对应的状态输入，用于验证以及用于通过由电流感测电负载来控制各种过程，所述电流被消耗并调整机构以便产生更常见的电负载。因此，本文描述的电流感测装置可以用于确保AC感应电机电流与负载成比例。例如，感测电流以及调整负责增加负载的机构的运行可用于泵、锯、输送机、研磨机、粉碎机、钻头等。电焊焊接质量也与消耗的电流的量成比例。因此，通过感测电流以及调整送丝和尖端运动，本文所述的电流感测装置也可以在焊接设备中发挥效用。此外，还可以用本文所述的电流感测装置来监测AC发电机和变压器负载监测和负载削减，以便防止例如电流过载。也可以通过本文所述的电流感测装置来监测基于电流对电压相位比较的功率因数检测，并且可以通过任何数量的不同方法进行校正动作。
最后，本文描述的电流感测装置可以用于故障报警以产生任何数量的校正动作。例如，基于灯电流测量可以更可靠地监测关键照明基础设施(诸如用于机场跑道上使用)，与通过可能变脏、雾化等的光检测器来监控完全不同。通过监测加热器电流可以更快速且更可靠地检测例如化学和工业过程中的关键AC电加热元件故障，与使用热传感器完全不同。检测用于光伏系统的低电压AC配电设备中的关键绝缘故障的电导体的电弧故障检测可从本文所述的电流感测装置中受益。也可以使用本文所述的电流感测装置来监测部分放电检测。
因此，虽然上面已经描述了许多具体应用，但应容易理解，本文所述的电流感测装置通过利用简单、经济、宽带AC电流传感器而具有更广泛的效用，所述AC电流传感器具有与AC电流大小(例如，以安培为单位)和感测的AC电流的频率含量成比例的电输出电压。
虽然上文的详细描述已经在应用于各种实施方案时示出、描述并指出本公开的新颖特征，但是应理解，在不脱离本公开的情况下，本领域技术人员可以做出在所示出的设备或方法的形式和细节上的各种省略、替代和改变。前述描述是当前设想的执行本公开的最佳模式。这种描述绝不是限制性的，而应被认为是对本公开的一般原理的说明。本公开的范围应参考权利要求书来确定。

Claims (20)

1.一种紧凑型电弧故障传感器，其用于感测电路板上的载流导体中的变化电流，所述电路板具有支撑所述载流导体的上表面，所述变化电流产生在所述载流导体周围循环的变化磁场，所述紧凑型电弧故障传感器包括：
磁通集中器，其具有下凸缘、上凸缘以及设置在所述上凸缘与所述下凸缘之间的中心柱，所述下凸缘用于安装在接近所述电路板的所述上表面，其中所述下凸缘限定接近承载待测量的所述变化电流的所述载流导体的边缘的边缘，当沿着平行于所述上表面的一部分的平面测量时，所述下凸缘和所述上凸缘各自具有比所述中心柱的横向横截面积更大的横向横截面积，其中所述循环磁场穿过所述上凸缘和下凸缘并沿着所述中心柱集中；和
感测线圈，其缠绕在所述中心柱周围并且具有接线柱，所述感测线圈提供与所述载流导体中的电流的变化率成比例的输出电压，以允许非常紧凑的感测线圈绕组输出基本上由所述凸缘的横截面积相对于所述中心柱的横截面积的比率来增强的电压。
2.如权利要求1所述的传感器，其中所述下凸缘被配置用于直接安装到所述电路板的所述上表面。
3.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器包括围绕所述磁通量集中器的至少一部分的外部壳体。
4.如权利要求3所述的传感器，其中所述壳体包括在所述下凸缘与所述电路板的所述上表面之间的壳体部分。
5.如权利要求3所述的传感器，其中所述壳体包括设置在所述上凸缘与下凸缘之间的中间部分，其中所述感测线圈绕组的至少一部分位于所述壳体的中间部分和所述中心柱之间。
6.如权利要求1所述的传感器，其中所述感测线圈绕组包括用于焊接到所述电路板的所述上表面的两个接线柱。
7.一种紧凑型传感器，其用于感测在电路板上形成的载流导体中的变化电流，所述电路板具有限定XY平面的上表面，所述传感器包括：
磁通集中器，其具有下凸缘、上凸缘以及在所述上凸缘与所述下凸缘之间的中心柱，所述下凸缘用于安装在接近所述电路板的所述上表面，其中所述下凸缘限定接近所述迹线的边缘的边缘，所述磁通量集中器沿与所述XY平面垂直的Z轴延伸，所述下凸缘、所述中心柱和所述上凸缘沿所述Z轴来布置并且各自限定相对于所述XY平面的投影横向面积，所述下凸缘和所述上凸缘的各自的投影横向面积大于所述中心柱的投影横向面积，其中穿过所述上凸缘和下凸缘的磁通量集中在所述中心柱中；和
感测线圈，其缠绕在所述中心柱周围并且被配置成提供与通过所述磁通集中器增强的穿过所述中心柱的磁通量的变化率成比例的电压输出。
8.如权利要求7所述的传感器，其中所述下凸缘被配置用于直接安装到所述电路板的所述上表面。
9.如权利要求7所述的传感器，其中所述传感器包括围绕所述磁通量集中器的至少一部分的外部壳体，所述外部壳体包括在所述下凸缘与所述电路板的所述上表面之间的壳体部分。
10.如权利要求7所述的传感器，其中所述传感器的外部大小适合在具有沿着X、Y和Z轴小于10毫米的外部大小的立方体内。
11.如权利要求7所述的传感器，其中穿过所述中心柱的磁通量场强度至少是所述凸缘的磁通量场强度的两倍，以便能够实现非常紧凑的电弧故障传感器。
12.如权利要求7所述的传感器，其中所述上凸缘和所述下凸缘的投影面积分别为所述磁通量集中器的所述中心柱的投影面积的至少两倍。
13.如权利要求7所述的传感器，其中所述上凸缘和所述下凸缘的投影面积分别为所述磁通量集中器的所述中心柱的投影面积的至少三倍。
14.如权利要求7所述的传感器，其中所述上凸缘和所述下凸缘的投影面积分别为所述磁通量集中器的所述中心柱的投影面积的至少四倍。
15.一种紧凑型电弧故障传感器系统，其用于感测电路板上的载流导体中的变化电流，所述变化电流产生在所述载流导体周围循环的变化磁场，所述系统包括：
紧凑型电弧故障传感器，其包括：
磁通量集中器，其由具有至少100的相对磁导率的材料形成，所述磁通量集中器具有在包括第一凸缘和第二凸缘的两个凸缘之间的中心柱，所述紧凑型电弧故障传感器被配置成安装到所述电路板，使得来自所述循环磁场的通量进入所述第一凸缘，穿过所述中心柱，并通过所述第二凸缘离开；和
感测线圈绕组，其设置在所述磁通量集中器的所述中心柱周围，所述感测线圈绕组被配置成输出与所述变化电流的变化率成比例的电压，所述磁场强度通过所述两个凸缘之间的通量集中器来增加，以使紧凑型感测线圈绕组能够增加给定线圈尺寸的输出电压；
其中所述载流导体相对于所述紧凑型电弧故障传感器具有所需的几何形状。
16.如权利要求15所述的紧凑型电弧故障传感器系统，其中所述所需的几何形状包括一个或多个电路板迹线的两部分，每部分至少在所述紧凑型电弧故障传感器的第一侧面和第二侧面上彼此平行来延伸。
17.如权利要求16所述的紧凑型电弧故障传感器系统，其中所述所需的几何形状还包括一个或多个电路板迹线的第三部分，其大体上与一个或多个电路板迹线的所述两部分垂直来延伸。
18.如权利要求15所述的紧凑型电弧故障传感器系统，其中所述所需的几何形状包括电路板迹线的至少一部分，其设置在与其中设置有多个接线柱的所述紧凑型电弧故障传感器的第二侧面相对的所述紧凑型电弧故障传感器的第一侧面上，所述多个接线柱各自与所述感测线圈绕组耦合。
19.如权利要求15所述的紧凑型电弧故障传感器系统，其中所述紧凑型电弧故障传感器设置在所述电路板的第一表面上，并且所述载流导体设置在所述电路板的第二相对表面上。
20.如权利要求15所述的紧凑型电弧故障传感器系统，其还包括第二紧凑型电弧故障传感器，其通过一对输出迹线与所述电路板上的所述紧凑型电弧故障传感器串联耦合。
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