CN108344891B - 一种长宽定比例的高准确度矩形电流线圈 - Google Patents

Abstract

一种长宽定比例的高准确度矩形电流线圈，包含四个直筒状线圈构成整个电流线圈，四个直筒状线圈采用首尾相连的方式。单个直筒状线圈外形为圆柱体空心结构，骨架材料采用环氧树脂构成。直筒状线圈安装在矩形盒中，矩形盒中含有多个卡柱，用于卡紧四个直筒状线圈，安装快捷方便。单个直筒状线圈绕制简单，且根据绕线直径可以在长度21mm的尺寸上绕制数百匝，从而有效提高测量准确度。针对直筒状线圈构成整个电流线圈存在的边角缺少线匝问题，本发明提出了通过线圈长宽比的设计，降低邻相电流、导线偏心等因素的影响，从而大大提高矩形电流线圈的测量准确度。

Description

一种长宽定比例的高准确度矩形电流线圈

技术领域

本发明一种长宽定比例的高准确度矩形电流线圈，用于对导线电流进行实时准确的测量。

背景技术

电流测量对于判断线路所连接设备的运行状态至关重要，通过线路电流的测量，及时准确获取电流幅值、相位、波形、谐波含量等参数，可以实时反映及评估线路设备的运行状态，进而提出合理的检修或应对措施。

目前对于线路电流的监测，一般有以下几种方法：传统电磁式互感器、光学传感器、空心线圈。传统电磁式互感器体积大、重量重，且测量频带较窄，因而限制了其应用；光学传感器制作工艺复杂、价格高、温度稳定性较差。因此，目前应用较多的是空心线圈测量方法。

专利“CN103400680A”提出了一种带闭合磁路的空心线圈，通过设置铁芯和空心线圈的配合，利用铁芯的集磁作用提高空心线圈的输出，但由于铁芯的存在，尽管增大了空心线圈的输出，仍然降低了其测量频带，比纯空心线圈的测量频带要窄得多。

专利“CN102024556A”提出了一种基于自粘空心线圈的电子式电流互感器，由若干个自粘空心线圈、印刷电路板骨架制作成空心线圈，若干个自粘空心线圈按照逆时针顺序依次均匀焊接固定在圆形印刷电路板骨架上，通过印刷导线依次相互串联，构成一个大的空心线圈。然而本身印刷电路板型空心线圈的匝数就很少，导致其输出信号较小，易受干扰信号影响。

此外，四个直筒状线圈构成的矩形电流线圈，测试时由于四个边角没有线匝存在，导致测量时易受邻相电流、导线偏心等因素的影响。

发明内容

针对目前空心线圈存在的输出信号小、信噪比不高、易受邻相电流或导线偏心等影响问题，本发明提供了一种长宽定比例的高准确度矩形电流线圈。该矩形电流线圈包含四个直筒状线圈，每个直筒状线圈均采用机械方式绕制。由于直筒状线圈在一条直线上，绕制起来较为容易，布线也较为均匀，因而抗干扰能力较强。

同时，本发明通过理论及实际测试分析，提出了一种计算矩形电流线圈长宽比例的方法，通过长宽比的设计，降低邻相电流、导线偏心等因素的影响，从而有效提高矩形电流线圈的测量准确度。尤其当在狭小空间使用时，印刷电路板型空心线圈匝数太小，输出易受干扰，传统闭环绕制式空心线圈也由于尺寸限制不好绕制。本发明提出的由直筒状线圈构成的整体线圈，单个直筒状线圈绕制简单，组合起来方便快捷，且根据绕线直径可以在长度20mm的尺寸上绕制数百匝，从而有效提高测量准确度。

本发明采取的技术方案为：

一种长宽定比例的高准确度矩形电流线圈，包含四个直筒状线圈：第一直筒状线圈、第二直筒状线圈、第三直筒状线圈、第四直筒状线圈，每个直筒状线圈上缠绕一定匝数的线匝，每个直筒状线圈首端与另一个临近直筒状线圈的尾端相连，四个直筒状线圈串联在一起，构成一个整体矩形电流线圈。

所述直筒状线圈的外形为圆柱体空心结构，骨架材料采用环氧树脂构成，既保证了一定的承重能力，又有效减轻了整个线圈的重量，骨架相对磁导率为1。

所述直筒状线圈上的绕线采用漆包线，漆包线直径可根据被测电流大小而定。线圈匝数可达上千匝甚至更高，从而有效提高其输出信噪比，尤其是小电流时可有效提高信噪比。如被测电流为100A时，要求线圈输出电压不低于50mV，此时可采用0.05mm直径的漆包线绕制，单层绕制后整个线圈的匝数可达1000匝以上。

所述四个直筒状线圈安装在矩形盒5中，矩形盒5中含有多个卡柱6，卡柱6用于卡紧四个直筒状线圈，安装快捷方便。

矩形电流线圈，体积小、重量轻，周长小于10cm，重量小于200g，并可根据需要进行尺寸设计，从而适应不同的电流测量场合，应用范围十分广泛。

一种长宽定比例的高准确度矩形电流线圈，由矩形四条边上的四个直筒状线圈构成，通过对矩形电流线圈的长宽比进行设计，提高其抗邻相电流干扰、偏心干扰的能力，从而提高测量准确度，误差可小于10^-4。

一种计算矩形电流线圈长宽比例的方法，直筒状线圈宽度为a，长度为b，骨架直径为c，线圈外直径为d，匝间距离e，包括以下步骤：

1)、根据导线尺寸、测量目标、安装空间确定长度b的大小；

2)、计算导线位置正常时A相导线上线圈的互感系数，计算方法如下：

①：输入直筒状线圈尺寸，包括宽度a、长度b、骨架直径c、线圈外直径d、绕线匝间距离e等参数；

②：计算上边骨架互感系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-b/2)～(b/2)，递进值为匝间距离e，μ₀为真空磁导率；

③：计算左边骨架互感系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-a/2)～(a/2)，递进值为匝间距离e；

④：总互感系数为M₀＝2*(∑M₀₁+∑M₀₂)；

3)、计算B相干扰时A相导线上线圈的互感系数，计算方法如下：

①：计算上边骨架互感系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-b/2-x₀₁)～(b/2-x₀₁)，递进值为匝间距离e，x₀₁、y₀₁参数如图2所示；

②：计算下边骨架互感系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-b/2-x₀₁)～(b/2-x₀₁)，递进值为匝间距离e；；

③：计算左边骨架互感器系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-a/2-y₀₁)～(a/2-y₀₁)，递进值为匝间距离e；

④：计算右边骨架互感器系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-a/2-y₀₁)～(a/2-y₀₁)，递进值为匝间距离e；

⑤：总干扰互感系数M_b＝∑M_b1+∑M_b2+∑M_b3+∑M_b4

4)、计算B相干扰误差：

误差大小为：

5)、根据误差曲线，确定B相干扰最小时的宽度a值；

6)、C相干扰可按照上述步骤依次计算出来。

本发明一种长宽定比例的高准确度矩形电流线圈，技术效果如下：

1)、矩形电流线圈采用四个直筒状线圈构成整个电流线圈，单个直筒状线圈绕制简单，组合起来方便快捷。

2)、直筒状线圈上的绕线采用漆包线制作而成，漆包线直径选择范围较大，因而本线圈的匝数可以达到较高的数值，可达上千匝以上，从而有效提高其输出信噪比，尤其是小电流时可有效提高信噪比。

3)、通过对矩形电流线圈进行长宽比的分析与设计，达到降低邻相电流干扰、导线偏心干扰等的目的，从而有效提高矩形电流线圈的测量准确度，误差可小于10-4。

4)、设计的矩形盒简单可靠，其上的卡柱可直接将直筒状线圈卡在盒中，大大简化了安装流程。

5)、本发明中的矩形电流线圈体积小、重量轻，其重量小于200g，绕制简单方便，可根据不同的应用场合进行尺寸和匝数设计，应用范围十分广泛。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中邻相干扰距离参数示意图。

图3为本发明中线圈长宽比变化时的误差仿真图。

图4为本发明中矩形盒示意图。

具体实施方式

一种长宽定比例的高准确度矩形电流线圈，包含四个直筒状线圈：第一直筒状线圈1、第二直筒状线圈2、第三直筒状线圈3、第四直筒状线圈4，每个直筒状线圈上缠绕一定匝数的线匝，每个直筒状线圈首端与另一个临近直筒状线圈的尾端相连，四个直筒状线圈串联在一起，构成一个整体矩形电流线圈。

如图1所示，直筒状线圈宽度为a，长度为b，骨架直径为c，线圈外直径为d。其中宽度a和长度b的确定方式步骤如下：：

1)、根据导线尺寸、测量目标、安装空间确定长度b的大小。先确定a或者先确定b都可以，由于b为长度，其上的匝数较多，对整个线圈起到决定性作用，所以一般先确定b的尺寸。导线尺寸或直径决定了a或者b的最小值，a和b必须大于导线直径方能安装在导线上。安装空间决定了a或者b的最大值，a和b的尺寸均应保证线圈能正常放进安装空间，并留有一定余量。测量目标一般决定了线圈匝数的多少，可根据测量要求适当调整匝数多少。

2)、计算导线位置正常时A相导线上线圈的互感系数，计算方法如下：

①：输入直筒状线圈尺寸，包括宽度a、长度b、骨架直径c、线圈外直径d、匝间距离e等参数。

②计算上边骨架互感系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-b/2)～(b/2)，递进值为匝间距离e，μ₀为真空磁导率。

③：计算左边骨架互感系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-a/2)～(a/2)，递进值为匝间距离e；

④：总互感系数为M₀＝2*(∑M₀₁+∑M₀₂)。

3)、计算B相干扰时A相导线上线圈的互感系数，计算方法如下：

①：计算上边骨架互感系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-b/2-x₀₁)～(b/2-x₀₁)，递进值为匝间距离e，x₀₁、y₀₁参数如图2所示。x₀₁、y₀₁分别为A相和B相之间在x轴方向和y轴方向的距离。

②：计算下边骨架互感系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-b/2-x₀₁)～(b/2-x₀₁)，递进值为匝间距离e。

③：计算左边骨架互感器系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-a/2-y₀₁)～(a/2-y₀₁)，递进值为匝间距离e。

④：计算右边骨架互感器系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-a/2-y₀₁)～(a/2-y₀₁)，递进值为匝间距离e。

⑤：总干扰互感系数M_b＝∑M_b1+∑M_b2+∑M_b3+∑M_b4。

4)、计算B相干扰误差：

误差大小为：

5)、根据误差曲线，确定B相干扰最小时的宽度a值。

6)、C相干扰可按照上述步骤依次计算出来。

以长度b＝21mm为例，取骨架直径c为5mm，线圈外直径d为10mm。通过仿真计算宽度a变化时的邻相干扰情况，结果如图3所示，可以看出，当宽度a设计为14mm时，邻相干扰误差最小，误差小于10^-4。

所述的四个直筒状线圈，其外形为圆柱体空心结构，骨架材料采用环氧树脂构成，既保证了一定的承重能力，又有效减轻了整个线圈的重量。

所述的四个直筒状线圈，最终输出为第一直筒状线圈1的首端和第四直筒状线圈4的尾端，其余输出采用首尾相连的方式，如第一直筒状线圈1的尾端与第二直筒状线圈2的首端相连，依次类推。

所述的直筒状线圈，其上的绕线采用漆包线，漆包线直径可根据被测电流大小而定。如被测电流为100A时，要求线圈输出电压不低于50mV，此时可采用0.05mm直径的漆包线绕制，单层绕制后整个线圈的匝数可达1000匝以上。

所述的四个直筒状线圈安装在矩形盒5中，矩形盒5中含有多个卡柱6，用于卡紧四个直筒状线圈，安装快捷方便，如图4所示。

本发明一种长宽定比例的高准确度矩形电流线圈，由于采用四个直筒状线圈构成整个电流线圈，单个直筒状线圈绕制简单，组合起来方便快捷，且根据绕线直径可以在长度21mm的尺寸上绕制数百匝，从而有效提高测量准确度。针对直筒状线圈构成整个电流线圈存在的边角缺少线匝问题，本发明通过理论及实际测试分析，结果如表1、表2所示。

表1线圈邻相干扰测试结果

表2线圈偏心误差测试结果

本发明提出了通过计算矩形电流线圈长宽比例的方法，通过长宽比的设计，降低邻相电流、导线偏心等因素的影响，从而有效提高矩形电流线圈的测量准确度。

Claims (1)

1.一种计算矩形电流线圈长宽比例的方法，其特征在于：

所述矩形电流线圈包含四个直筒状线圈：第一直筒状线圈(1)、第二直筒状线圈(2)、第三直筒状线圈(3)、第四直筒状线圈(4)，每个直筒状线圈首端与另一个临近直筒状线圈的尾端相连，四个直筒状线圈串联在一起，构成一个整体矩形电流线圈；

该矩形电流线圈长宽比例的计算方法包括以下步骤：

步骤1)、根据导线尺寸、测量目标、安装空间确定长度b的大小；

步骤2)、计算导线位置正常时A相导线上线圈的互感系数，计算方法如下：

①：输入直筒状线圈尺寸，包括第一、第三直筒状线圈的长度a、第二、第四三直筒线圈的长度b、骨架直径c、线圈外直径d、绕线匝间距离e参数；

②：计算上边骨架互感系数，单匝互感系数为：

其中x变化范围从(-b/2)～(b/2)，递进值为匝间距离e，μ₀为真空磁导率；

③：计算左边骨架互感系数，单匝互感系数为：

其中：x变化范围从(-a/2)～(a/2)，递进值为匝间距离e；

④：总互感系数为M₀＝2*(∑M₀₁+∑M₀₂)；

步骤3)、计算B相干扰时A相导线上线圈的互感系数，计算方法如下：

①、计算上边骨架互感系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-b/2-x₀₁)～(b/2-x₀₁)，递进值为匝间距离e；x₀₁、y₀₁分别为A相和B相之间在x轴方向和y轴方向的距离；

②：计算下边骨架互感系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-b/2-x₀₁)～(b/2-x₀₁)，递进值为匝间距离e；

③：计算左边骨架互感器系数，

单匝互感系数为：

其中x变化范围从(-a/2-y₀₁)～(a/2-y₀₁)，递进值为匝间距离e；

④：计算右边骨架互感器系数，单匝互感系数为

其中x变化范围从(-a/2-y₀₁)～(a/2-y₀₁)，递进值为匝间距离e；

⑤：总干扰互感系数M_b＝∑M_b1+∑M_b2+∑M_b3+∑M_b4；

步骤4)、计算B相干扰误差：

误差大小为：

步骤5)、根据误差曲线，确定B相干扰最小时的长度a值；

步骤6)、C相干扰能够按照上述步骤依次计算出来。

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