本公開涉及斷路器、計量設(shè)備、接線設(shè)備和其他監(jiān)測和測量電流的設(shè)備，更具體地，涉及使用尺寸減小以易于安裝的平面線圈電流傳感器來感測這些設(shè)備中的電流的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代保護設(shè)備(例如，斷路器)、計量設(shè)備、接線設(shè)備以及其他監(jiān)測和測量電流和能量使用的設(shè)備具有能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有設(shè)備中先前不可用的若干功能的部件。例如，電子斷路器中的cpu(例如微控制器)允許斷路器既作為接地故障電路中斷(gfci)設(shè)備又作為電弧故障電路中斷(afci)設(shè)備。cpu通過不斷檢測和采樣線電流并監(jiān)測這些電流來檢測此類故障。

2、在許多電子斷路器中，電流傳感器是電流互感器，具有大量纏繞在環(huán)形芯部上的線圈或繞組，環(huán)形芯部通常為鐵磁材料合金。可以通過調(diào)整繞組(匝數(shù))的數(shù)量、使用鐵氧體芯部等來優(yōu)化電流互感器。一些斷路器使用所謂的“無芯”電流傳感器，也稱為“電流變化率”或“di/dt”傳感器、“電流上升時間”傳感器或羅果夫斯基線圈(rogowski?coil)，其中環(huán)形芯部是非鐵磁的。羅果夫斯基線圈型電流傳感器提供與輸入信號(即線電流)的變化率成比例的輸出信號(即電壓)。

3、電流互感器也經(jīng)常用于能量傳輸、電氣隔離和信號傳輸。傳統(tǒng)變壓器通常包括纏繞在磁芯上的銅繞組。因為用于制造磁芯的鐵磁材料為磁通量提供了良好的傳導(dǎo)路徑，所以在變壓器中使用磁芯通常被認為是重要的。

4、然而，使用傳統(tǒng)電流互感器作為電流傳感器會帶來一些設(shè)計挑戰(zhàn)。首先，這些電流互感器往往體積龐大，占用大量空間，使它們難以集成到已經(jīng)擁擠的電子斷路器中。對于內(nèi)部間距更受限制的微型斷路器(mcb)來說尤其如此。由于在斷路器、接線設(shè)備或計量設(shè)備中安裝這種傳統(tǒng)的電流互感器通常會增加機械復(fù)雜性，因此還會帶來額外的挑戰(zhàn)。

5、因此，需要一種方法來減小監(jiān)測和測量電流的設(shè)備中的電流傳感器所需的內(nèi)部間距。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本公開的實施例涉及用于減小保護設(shè)備、接線設(shè)備、計量設(shè)備以及監(jiān)測和測量電流和能量使用的其他設(shè)備內(nèi)的電流傳感器所需的內(nèi)部間距的系統(tǒng)和方法。在一些實施例中，該系統(tǒng)和方法提供了平面線圈電流傳感器，其中導(dǎo)電跡線以螺旋或纏繞圖案形成在印刷電路板(pcb)基板上以形成平面線圈。取決于特定的實施方式，螺旋圖案可以采取多邊形、圓形或其他形狀的形式。這種平面線圈電流傳感器然后可以放置在載流導(dǎo)體附近以感測導(dǎo)體中的電流。導(dǎo)體中的電流在導(dǎo)體周圍感應(yīng)出電磁場，進而在附近的平面線圈電流傳感器中產(chǎn)生電壓。平面線圈電流傳感器中的感應(yīng)耦合電壓然后可以用于監(jiān)測和測量導(dǎo)體中的電流。

2、在一些實施例中，pcb基板包括多層，每層具有以螺旋圖案布置在其上的導(dǎo)電跡線，其可以采取多邊形、圓形或其他形狀的形式，以形成平面線圈。在一些實施例中，電磁屏蔽部可以裝配到pcb基板。在一些實施例中，可以在pcb基板上提供前端處理器和調(diào)節(jié)器電路。在一些實施例中，可以使用多個平面線圈電流傳感器，每個平面線圈電流傳感器安裝在相應(yīng)電流導(dǎo)體附近。

3、與基于傳統(tǒng)電流互感器的電流傳感器相比，上述平面線圈電流傳感器具有若干優(yōu)點。例如，平面線圈電流傳感器體積減小、占地面積小、外形小、硬件結(jié)構(gòu)簡單，更容易安裝到電流監(jiān)測設(shè)備(例如斷路器、計量設(shè)備或接線設(shè)備)中，并且與基于傳統(tǒng)電流互感器的電流傳感器相比，制造成本相對低廉。

4、另一個優(yōu)點是使用pcb設(shè)計和制造技術(shù)生產(chǎn)上述平面線圈電流傳感器的能力。通過使用具有多層的pcb基板，pcb技術(shù)允許本文的平面線圈電流傳感器自動實現(xiàn)比傳統(tǒng)電流傳感器更精確和準(zhǔn)確的規(guī)格。

5、總體上，在一個方面，本公開的實施例涉及電流傳感器。電流傳感器包括印刷電路板(pcb)基板和至少一個導(dǎo)電跡線，導(dǎo)電跡線以大致螺旋圖案布置在pcb基板上以形成平面線圈。電流傳感器還包括在pcb基板中連接到導(dǎo)電跡線的至少一個垂直互連通路(通孔)，至少一個通孔被連接以為導(dǎo)電跡線提供引線端子。

6、總體上，在另一方面，本公開的實施例涉及電流監(jiān)測設(shè)備。電流監(jiān)測設(shè)備包括電流監(jiān)測設(shè)備中的電流導(dǎo)體和電流監(jiān)測設(shè)備中的中性導(dǎo)體。電流監(jiān)測設(shè)備還包括安裝在電流監(jiān)測設(shè)備中緊鄰電流導(dǎo)體的平面線圈電流傳感器，以及可操作用于監(jiān)測平面線圈電流傳感器并確定流過電流導(dǎo)體的電流的量的監(jiān)測電路。

7、總體上，在又一方面，本公開的實施例涉及一種提供用在電流監(jiān)測設(shè)備中的電流傳感器的方法。該方法包括在pcb基板上形成至少一個導(dǎo)電跡線，至少一個導(dǎo)電跡線以類似平面線圈的大致螺旋圖案布置。該方法還包括為至少一個導(dǎo)電跡線提供引線端子，使用pcb基板中的垂直互連通路(通孔)將引線端子連接到至少一個導(dǎo)電跡線。

技術(shù)特征：

1.一種電流傳感器，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述pcb基板包括多個層，每層具有以大致螺旋圖案布置在其上的導(dǎo)電跡線，以形成平面線圈。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流傳感器，其中所述pcb基板上的每個平面線圈與所述pcb基板上的其他平面線圈電串聯(lián)連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，還包括位于所述pcb基板上或附近的電磁屏蔽部，所述電磁屏蔽部配置為減少所述平面線圈上的電磁干擾。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，還包括在所述pcb基板上的信號調(diào)節(jié)電路，所述信號調(diào)節(jié)電路配置為對由所述電流傳感器輸出的任何電壓信號提供信號調(diào)節(jié)和處理。

6.一種電流監(jiān)測設(shè)備，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流監(jiān)測設(shè)備，其中所述平面線圈電流傳感器包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電流監(jiān)測設(shè)備，其中所述pcb基板包括多個層，每層具有以類似平面線圈的螺旋圖案布置在其上的導(dǎo)電跡線。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電流監(jiān)測設(shè)備，其中所述pcb基板上的每個平面線圈與所述pcb基板上的其他平面線圈電串聯(lián)連接。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電流監(jiān)測設(shè)備，還包括位于所述pcb基板上或附近的電磁屏蔽部，所述電磁屏蔽部配置為減少所述平面線圈上的電磁干擾。

11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電流監(jiān)測設(shè)備，還包括在所述pcb基板上的信號調(diào)節(jié)電路，所述信號調(diào)節(jié)電路配置為對由所述電流傳感器輸出的任何電壓信號提供信號調(diào)節(jié)和處理。

12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流監(jiān)測設(shè)備，還包括多個平面線圈電流傳感器，每個平面線圈電流傳感器安裝在所述電流監(jiān)測設(shè)備中，緊鄰相應(yīng)的電流導(dǎo)體。

13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流監(jiān)測設(shè)備，其中所述監(jiān)測電路包括能量測量電路，所述能量測量電路配置為使用線電壓、中性電壓和電流信號來執(zhí)行能量和功率使用計算。

14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電流監(jiān)測設(shè)備，其中所述電流監(jiān)測設(shè)備是以下之一：高級功能微型斷路器、接地故障中斷(gfi)插座接線設(shè)備、gfi智能插頭或計量設(shè)備。

15.一種提供用在電流監(jiān)測設(shè)備中的電流傳感器的方法，所述方法包括：

16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括將所述至少一個導(dǎo)電跡線的引線端子連接到所述電流監(jiān)測設(shè)備，所述至少一個導(dǎo)電跡線位于所述電流監(jiān)測設(shè)備中的電流導(dǎo)體附近。

17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中將所述至少一個導(dǎo)電跡線的引線端子連接到所述電流監(jiān)測設(shè)備包括將所述引線端子連接到所述電流監(jiān)測設(shè)備中的能量測量電路，所述能量測量電路配置為執(zhí)行能量和功率使用計算。

18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括在所述pcb基板上提供信號調(diào)節(jié)電路，所述信號調(diào)節(jié)電路可操作成為由所述至少一個導(dǎo)電跡線輸出的任何電壓信號提供信號調(diào)節(jié)和處理。

19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括將電磁屏蔽部定位在所述pcb基板上或附近，所述電磁屏蔽部配置為減少所述至少一個導(dǎo)電跡線上的電磁干擾。

20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述電流監(jiān)測設(shè)備是以下之一：高級功能微型斷路器、接地故障中斷(gfi)插座接線設(shè)備、gfi智能插頭或計量設(shè)備。

技術(shù)總結(jié)
用于感測電流的系統(tǒng)和方法提供了用于電流監(jiān)測設(shè)備的平面線圈電流傳感器，其中導(dǎo)電跡線以螺旋或纏繞圖案形成在印刷電路板(PCB)基板上以形成平面線圈。取決于特定的實施方式，螺旋或纏繞圖案可以采取多邊形、圓形或其他形狀的形式。這種平面線圈電流傳感器然后可以放置在載流導(dǎo)體附近以感測導(dǎo)體中的電流。導(dǎo)體中的電流在導(dǎo)體周圍感應(yīng)出電磁場，進而在附近的平面線圈電流傳感器中產(chǎn)生電壓。平面線圈電流傳感器中的感應(yīng)耦合電壓然后可以用于監(jiān)測和測量導(dǎo)體中的電流。

技術(shù)研發(fā)人員：A·A·倫登赫爾南德茲,J·I·梅萊西奧拉米雷茲,C·R·菲謝爾斯,A·德比
受保護的技術(shù)使用者：施耐德電氣美國股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10