用于能量测量的电感耦合接近电流传感器的制作方法

本公开涉及断路器、计量设备、接线设备和其他监测和测量电流的设备，更具体地，涉及使用尺寸减小以易于安装的平面线圈电流传感器来感测这些设备中的电流的系统和方法。

背景技术：

1、现代保护设备(例如，断路器)、计量设备、接线设备以及其他监测和测量电流和能量使用的设备具有能够实现现有设备中先前不可用的若干功能的部件。例如，电子断路器中的cpu(例如微控制器)允许断路器既作为接地故障电路中断(gfci)设备又作为电弧故障电路中断(afci)设备。cpu通过不断检测和采样线电流并监测这些电流来检测此类故障。

2、在许多电子断路器中，电流传感器是电流互感器，具有大量缠绕在环形芯部上的线圈或绕组，环形芯部通常为铁磁材料合金。可以通过调整绕组(匝数)的数量、使用铁氧体芯部等来优化电流互感器。一些断路器使用所谓的“无芯”电流传感器，也称为“电流变化率”或“di/dt”传感器、“电流上升时间”传感器或罗果夫斯基线圈(rogowski coil)，其中环形芯部是非铁磁的。罗果夫斯基线圈型电流传感器提供与输入信号(即线电流)的变化率成比例的输出信号(即电压)。

3、电流互感器也经常用于能量传输、电气隔离和信号传输。传统变压器通常包括缠绕在磁芯上的铜绕组。因为用于制造磁芯的铁磁材料为磁通量提供了良好的传导路径，所以在变压器中使用磁芯通常被认为是重要的。

4、然而，使用传统电流互感器作为电流传感器会带来一些设计挑战。首先，这些电流互感器往往体积庞大，占用大量空间，使它们难以集成到已经拥挤的电子断路器中。对于内部间距更受限制的微型断路器(mcb)来说尤其如此。由于在断路器、接线设备或计量设备中安装这种传统的电流互感器通常会增加机械复杂性，因此还会带来额外的挑战。

5、因此，需要一种方法来减小监测和测量电流的设备中的电流传感器所需的内部间距。

技术实现思路

1、本公开的实施例涉及用于减小保护设备、接线设备、计量设备以及监测和测量电流和能量使用的其他设备内的电流传感器所需的内部间距的系统和方法。在一些实施例中，该系统和方法提供了平面线圈电流传感器，其中导电迹线以螺旋或缠绕图案形成在印刷电路板(pcb)基板上以形成平面线圈。取决于特定的实施方式，螺旋图案可以采取多边形、圆形或其他形状的形式。这种平面线圈电流传感器然后可以放置在载流导体附近以感测导体中的电流。导体中的电流在导体周围感应出电磁场，进而在附近的平面线圈电流传感器中产生电压。平面线圈电流传感器中的感应耦合电压然后可以用于监测和测量导体中的电流。

2、在一些实施例中，pcb基板包括多层，每层具有以螺旋图案布置在其上的导电迹线，其可以采取多边形、圆形或其他形状的形式，以形成平面线圈。在一些实施例中，电磁屏蔽部可以装配到pcb基板。在一些实施例中，可以在pcb基板上提供前端处理器和调节器电路。在一些实施例中，可以使用多个平面线圈电流传感器，每个平面线圈电流传感器安装在相应电流导体附近。

3、与基于传统电流互感器的电流传感器相比，上述平面线圈电流传感器具有若干优点。例如，平面线圈电流传感器体积减小、占地面积小、外形小、硬件结构简单，更容易安装到电流监测设备(例如断路器、计量设备或接线设备)中，并且与基于传统电流互感器的电流传感器相比，制造成本相对低廉。

4、另一个优点是使用pcb设计和制造技术生产上述平面线圈电流传感器的能力。通过使用具有多层的pcb基板，pcb技术允许本文的平面线圈电流传感器自动实现比传统电流传感器更精确和准确的规格。

5、总体上，在一个方面，本公开的实施例涉及电流传感器。电流传感器包括印刷电路板(pcb)基板和至少一个导电迹线，导电迹线以大致螺旋图案布置在pcb基板上以形成平面线圈。电流传感器还包括在pcb基板中连接到导电迹线的至少一个垂直互连通路(通孔)，至少一个通孔被连接以为导电迹线提供引线端子。

6、总体上，在另一方面，本公开的实施例涉及电流监测设备。电流监测设备包括电流监测设备中的电流导体和电流监测设备中的中性导体。电流监测设备还包括安装在电流监测设备中紧邻电流导体的平面线圈电流传感器，以及可操作用于监测平面线圈电流传感器并确定流过电流导体的电流的量的监测电路。

7、总体上，在又一方面，本公开的实施例涉及一种提供用在电流监测设备中的电流传感器的方法。该方法包括在pcb基板上形成至少一个导电迹线，至少一个导电迹线以类似平面线圈的大致螺旋图案布置。该方法还包括为至少一个导电迹线提供引线端子，使用pcb基板中的垂直互连通路(通孔)将引线端子连接到至少一个导电迹线。

技术特征：

1.一种电流传感器，包括：

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述pcb基板包括多个层，每层具有以大致螺旋图案布置在其上的导电迹线，以形成平面线圈。

3.根据权利要求2所述的电流传感器，其中所述pcb基板上的每个平面线圈与所述pcb基板上的其他平面线圈电串联连接。

4.根据权利要求1所述的电流传感器，还包括位于所述pcb基板上或附近的电磁屏蔽部，所述电磁屏蔽部配置为减少所述平面线圈上的电磁干扰。

5.根据权利要求1所述的电流传感器，还包括在所述pcb基板上的信号调节电路，所述信号调节电路配置为对由所述电流传感器输出的任何电压信号提供信号调节和处理。

6.一种电流监测设备，包括：

7.根据权利要求6所述的电流监测设备，其中所述平面线圈电流传感器包括：

8.根据权利要求7所述的电流监测设备，其中所述pcb基板包括多个层，每层具有以类似平面线圈的螺旋图案布置在其上的导电迹线。

9.根据权利要求8所述的电流监测设备，其中所述pcb基板上的每个平面线圈与所述pcb基板上的其他平面线圈电串联连接。

10.根据权利要求7所述的电流监测设备，还包括位于所述pcb基板上或附近的电磁屏蔽部，所述电磁屏蔽部配置为减少所述平面线圈上的电磁干扰。

11.根据权利要求7所述的电流监测设备，还包括在所述pcb基板上的信号调节电路，所述信号调节电路配置为对由所述电流传感器输出的任何电压信号提供信号调节和处理。

12.根据权利要求6所述的电流监测设备，还包括多个平面线圈电流传感器，每个平面线圈电流传感器安装在所述电流监测设备中，紧邻相应的电流导体。

13.根据权利要求6所述的电流监测设备，其中所述监测电路包括能量测量电路，所述能量测量电路配置为使用线电压、中性电压和电流信号来执行能量和功率使用计算。

14.根据权利要求5所述的电流监测设备，其中所述电流监测设备是以下之一：高级功能微型断路器、接地故障中断(gfi)插座接线设备、gfi智能插头或计量设备。

15.一种提供用在电流监测设备中的电流传感器的方法，所述方法包括：

16.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述至少一个导电迹线的引线端子连接到所述电流监测设备，所述至少一个导电迹线位于所述电流监测设备中的电流导体附近。

17.根据权利要求16所述的方法，其中将所述至少一个导电迹线的引线端子连接到所述电流监测设备包括将所述引线端子连接到所述电流监测设备中的能量测量电路，所述能量测量电路配置为执行能量和功率使用计算。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述pcb基板上提供信号调节电路，所述信号调节电路可操作成为由所述至少一个导电迹线输出的任何电压信号提供信号调节和处理。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括将电磁屏蔽部定位在所述pcb基板上或附近，所述电磁屏蔽部配置为减少所述至少一个导电迹线上的电磁干扰。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述电流监测设备是以下之一：高级功能微型断路器、接地故障中断(gfi)插座接线设备、gfi智能插头或计量设备。

技术总结用于感测电流的系统和方法提供了用于电流监测设备的平面线圈电流传感器，其中导电迹线以螺旋或缠绕图案形成在印刷电路板(PCB)基板上以形成平面线圈。取决于特定的实施方式，螺旋或缠绕图案可以采取多边形、圆形或其他形状的形式。这种平面线圈电流传感器然后可以放置在载流导体附近以感测导体中的电流。导体中的电流在导体周围感应出电磁场，进而在附近的平面线圈电流传感器中产生电压。平面线圈电流传感器中的感应耦合电压然后可以用于监测和测量导体中的电流。技术研发人员：A·A·伦登赫尔南德兹,J·I·梅莱西奥拉米雷兹,C·R·菲谢尔斯,A·德比受保护的技术使用者：施耐德电气美国股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/10