Устройство и способ измерения тока

Устройство и способ измерения тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Приоритет

По данной заявке испрашивается приоритет по патентной заявке США №12/684,056 от 07.01.2010 с тем же названием, которая является частичным продолжением и испрашивает приоритет по патентной заявке США №12/567,622 от 25.09.2009 с тем же названием. По последней испрашивается приоритет по предварительной патентной заявки США №61/230,474 от 31.07.2009 с тем же названием. Полное содержание каждой из вышеуказанных заявок включено в настоящий документ посредством ссылки.

Авторское право

Часть изложенной в настоящем патентном документе информации содержит материалы, охраняемые в соответствии с авторским правом. Владелец авторских прав не возражает против факсимильной репродукции материалов, находящихся в архиве или реестре Патентного ведомства, но сохраняет за собой все права.

Область техники

В общем данное изобретение относится к элементам электрических цепей, и в частности, в одном примерном аспекте, к устройствам измерения тока, а также к способам использования и производства таких устройств.

Уровень техники

Из уровня техники известно огромное количество различных видов устройств для измерения тока. Один из общих подходов к производству таких устройств заключается в использовании так называемого «пояса Роговского». Пояс Роговского представляет собой электрическое устройство для измерения переменного тока («АС», от англ. Alternating Current). Как правило, оно состоит из катушки с винтовой намоткой провода (винтовую катушку), при этом вывод с одного конца выходит через центр катушки и идет через винтовую катушку до другого ее конца. Винтовая катушка целиком располагается вокруг проводника переменного тока, ток в котором должен быть измерен. Напряжение, индуцируемое в катушке, пропорционально скорости изменения тока в проводнике, так что выдаваемый поясом Роговского сигнал указывает на количество тока, проходящего через проводник.

Пояса Роговского могут быть сделаны незамкнутыми и гибкими, что позволяет обхватывать ими проводник с током без какого-либо прямого нарушения проходящего через проводник тока. Обычно пояс Роговского вместо магнитно-проницаемого сердечника имеет воздушное пространство, что придает ему относительно низкую индуктивность и чувствительность к токам с относительно большой частотой. Также выдаваемый поясом Роговского сигнал обычно имеет высокую степень линейности даже в случае больших токов, таких как при передаче электроэнергии, сварке или другом применении импульсной электроэнергии. Кроме того, должным образом сконструированные пояса Роговского часто бывают мало восприимчивы к электромагнитным помехам, что делает их устойчивыми к внешним искажениям. Однако из-за относительно сложной конфигурации обмотки производство поясов Роговского в известных решениях является трудоемким и дорогим процессом.

Существует множество способов изготовления поясов Роговского в предшествующем уровне техники, включая, например, описанные в патентных документах:

- US 4616176, Mercure и другие, 07.10.1986, «Dynamic current transducer»;

- US 5414400, Gris и другие, 09.05.1995, «Rogowski coil»;

- US 5442280, Baudart, 15.08.1995, «Device for measuring an electrical current in a conductor using a Rogowski coil»;

- US 5982265, Von Skarczinski и другие, 09.11.1999, «Current-detection coil for a current transformer»;

- US 6094044, Kustera и другие, 25.07.2000 «AC current sensor having high accuracy and large bandwidth»;

- US 6313623, Kojovic и другие, 06.11.2001 «High precision Rogowski coil»;

- US 6614218, Ray, 02.09.2003 «Current measuring device»;

- US 6731193, Meier и другие, 04.05.2004 «Printed circuit board-based current sensor»;

- US 6822547, Saito и другие, 23.11.2004 «Current transformer»;

- US 7227441, Skendzic и другие, 05.06.2007 «Precision Rogowski coil and method for manufacturing same»;

- US 7253603, Kovanko и другие, 07.08.2007 «Current sensor arrangement»;

- US 7538541, Kojovic, 26.05.2009 «Split Rogowski coil current measuring device and methods»;

- US 20050248430, Dupraz и другие, 10.11.2005 «Current transformer with Rogowski type windings comprising an association of partial circuits forming a complete circuit»;

- US 20060220774, Skendzic, 05.10.2006 «Precision printed circuit board based Rogowski coil and method for manufacturing same»;

- US 20070290695, Mahon, 20.12.2007 «Method and Apparatus for Measuring Current»;

- US 20080007249, Wilkerson и другие, 10.1.2008 «Precision, Temperature-compensated, shielded current measurement device»;

- US 20080079418, Rea и другие, 03.04.2008 «High-precision Rogowski current transformer»;

- US 20080106253, Kojovic, 08.05.2008 «Shielded Rogowski coil assembly and methods»;

- US 20080211484, HOWELL и другие, 04.09.2008 «Flexible current transformer assembly».

Несмотря на большое разнообразие устройств измерения тока, известных из уровня техники, имеется существенная необходимость в создании таких устройств измерения тока (в том числе типа пояса Роговского), которые могли бы быть дешевыми в производстве и имели бы улучшенные или, по меньшей мере, сравнимые электрические характеристики; при этом низкие затраты на производство обеспечивались бы в том числе, благодаря преодолению трудностей, связанных со сложной конфигурацией обмотки нынешних катушек. В идеальном случае, новые устройства не только обеспечили бы низкую себестоимость вместе с улучшенной производительностью устройства измерения тока, но и повышенный уровень стабильности и надежности работы путем уменьшения вероятности возникновения ошибок или других дефектов в процессе их производства.

Более того, в идеале созданное устройство должно иметь возможность, по меньшей мере, частичного масштабирования и выполнения в различных форм-факторах в зависимости от поставленных задач.

Раскрытие изобретения

В первом аспекте изобретения описывается усовершенствованное индуктивное устройство измерения тока. В одном из вариантов осуществления изобретения индуктивное устройство измерения тока содержит множество сегментированных намоточных элементов. Обратный проводник электрически соединяет передний элемент из сегментированных намоточных элементов с завершающим элементом из множества сегментированных намоточных элементов.

В другом варианте осуществления изобретения сегментированные намоточные элементы включают сегментированные каркасные элементы, на которых располагается обмотка.

В еще одном варианте осуществления изобретения обмотка является по существу самостоятельной конструкцией, так что каркас или другой внутренний поддерживающий элемент не требуется.

Во втором аспекте изобретения описывается усовершенствованное индуктивное устройство измерения тока, лишенное заданной формы. В одном из вариантов осуществления изобретения индуктивное устройство содержит множество катушек без сердечника, лишенных заданной формы. Эти катушки без сердечника помещаются в соответствующие полости, расположенные на охватывающей головной части. Обратный проводник соединяет переднюю из катушек, лишенных заданной формы, с завершающей из указанных катушек.

В третьем аспекте изобретения описывается система, включающая в себя вышеупомянутые индуктивные устройства измерения тока. В одном из вариантов осуществления изобретения система содержит служебный блок распределения энергии, включающий в себя усовершенствованное индуктивное устройство измерения тока. Служебный блок распределения энергии содержит сетевой интерфейс, который передает собранные усовершенствованным индуктивным устройством измерения тока данные по сети другому устройству или в другое место (напр. централизованное хранилище или контрольный центр) для мониторинга, тарификации и/или управления приложениями.

В четвертом аспекте изобретения описываются способы изготовления вышеупомянутых устройств. В одном из вариантов осуществления изобретения описывается способ, в котором производится непрерывная намотка изолированного проводника на множество сегментированных каркасных элементов. Обратный проводник прокладывается между всеми сегментированными каркасными элементами. Затем обратный проводник электрически соединяется с изолированным проводником таким образом, что образуется индуктивное устройство измерения тока.

В пятом аспекте изобретения описывается способ использования вышеупомянутой системы.

В шестом аспекте изобретения описывается масштабируемое индуктивное устройство. В одном из вариантов осуществления изобретения устройство содержит несколько сегментов обмотки, и количество этих сегментов (или количество витков в каждом сегменте) может варьироваться в зависимости от необходимости, тем самым позволяя достигнуть желаемого компромисса между высокой производительностью и высокой стоимостью производства.

В седьмом аспекте изобретения описывается недорогое высокоточное индуктивное устройство. В одном из вариантов осуществления изобретения используется несколько сегментов, по существу, образующих непрерывный кольцевой пояс Роговского.

В восьмом аспекте изобретения описывается регулируемая пользователем многокатушечная сборка. В одном из вариантов осуществления изобретения две или более сегментированные катушки стыкуются (т.е. помещаются рядом друг с другом в направлении общей центральной оси) таким образом, что угловое смещение (вращение) катушек относительно общей оси может регулироваться сборщиком или конечным пользователем, и/или количество имеющихся катушек может быть изменено. Путем изменения расположения сегментов одной катушки относительно сегментов другой катушки (или катушек), и/или увеличения или уменьшения их количества настраивается выходной сигнал устройства, тем самым позволяя сборщику/пользователю регулировать эффективный выходной сигнал катушечной сборки, чтобы добиться требуемого уровня производительности.

В другом варианте осуществления изобретения две или более катушки располагаются, по существу, концентрически относительно друг друга таким образом, что они имеют разные радиусы. Аналогично, когда относительное расположение катушек изменяется, и/или варьируется их количество, будет изменяться выходной сигнал катушек, который можно отрегулировать в соответствии с требуемым уровнем производительности.

В еще одном варианте осуществления изобретения вертикальное расстояние между катушками или их взаимное расположение (будь то в «состыкованной» или «концентрической» конфигурации) может быть отрегулировано, тем самым увеличивая или уменьшая связь или взаимодействие этих катушек.

В девятом аспекте изобретения описывается катушечное устройство, имеющее вставку для приема проводника. В одном из вариантов осуществления изобретения устройство содержит сегментированную катушку вышеупомянутого вида, которая дополнительно содержит центральную часть, выполненную с возможностью ориентирования и расположения одного или нескольких контролируемых проводников в установленном месте в центральной части катушки.

В десятом аспекте изобретения описывается опорный элемент, использующийся в вышеупомянутых индуктивных устройствах измерения тока. В одном из вариантов осуществления изобретения опорный элемент содержит множество каркасных элементов. По меньшей мере, часть каркасных элементов также содержит соединительные элементы, используемые для соединения каркасных элементов со смежными каркасными элементами.

В одиннадцатом аспекте изобретения описывается каркасный элемент, использующийся в вышеупомянутых индуктивных устройствах измерения тока. В одном из вариантов осуществления изобретения каркасный элемент имеет сердечник, который определяет внутренний объем, и соответствующий этому сердечнику внешний диаметр намотки. Также на двух противоположных концах сердечника расположена пара фланцев.

В другом варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один из пары фланцев содержит расположенный на нем электропроводящий зажим.

В еще одном варианте осуществления изобретения во внутреннем объеме содержится опорный элемент для обратного проводника, который размещает обратный проводник в предопределенном положении относительно сердечника.

Краткое описание чертежей

Особенности, цели и преимущества изобретения станут более ясными после детального описания, приведенного ниже по тексту, вместе с предоставленными графическими материалами.

На фиг.1 в перспективе изображен первый вариант устройства типа пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.1A в перспективе изображена головная часть пояса Роговского по фиг.1 в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.1B в перспективе изображено сечение по линии 1B-1B фиг.1A.

На фиг.1C в перспективе изображен пояс Роговского, образованный сегментированным или непрерывным применением связующего компонента, в соответствии с принципами пояса Роговского.

На фиг.1D показан вид сверху устройства типа пояса Роговского с возможностью использования в полевых условиях и имеющего перекрывающиеся концы проводника в соответствии с принципами пояса Роговского.

На фиг.1E показан вид сверху устройства типа пояса Роговского с примыкающими концами проводника в соответствии с принципами пояса Роговского.

На фиг.2 в перспективе изображена часть второго варианта устройства типа пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.2A в перспективе изображено сечение по линии 2A-2A фиг.2.

На фиг.2B в перспективе изображен единичный сегмент пояса Роговского по фиг.2 в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.2C в перспективе изображен единичный сегмент пояса Роговского по фиг.2B под другим углом.

На фиг.3 в перспективе изображен единичный сегмент пояса Роговского согласно третьему варианту устройства типа пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.3A изображена вертикальная боковая проекция сегмента пояса Роговского по фиг.3.

На фиг.3B в перспективе изображены четыре (4) собранных сегмента пояса Роговского по фиг.3, образующих одну половину устройства типа пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.3C в перспективе изображены четыре (4) собранных и установленных на оправе сегмента пояса Роговского по фиг.3B в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.3D изображена вертикальная боковая проекция сегментов пояса Роговского по фиг.3C, установленных на оправе.

На фиг.4 в перспективе изображен единичный сегмент пояса Роговского согласно четвертому варианту устройства типа пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.4A в перспективе изображены два имеющих обмотку сегмента пояса Роговского по фиг.4, установленных между двумя сегментами головной части, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.4B в перспективе изображены восемь (8) собранных и установленных на оправе сегментов пояса Роговского по фиг.4 в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.5 в перспективе изображен единичный сегмент пояса Роговского согласно пятому варианту устройства типа пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.5A изображена вертикальная боковая проекция одного элемента пояса Роговского по фиг.5.

На фиг.5B в перспективе изображены два сегмента пояса Роговского по фиг.5, которые могут быть установлены вместе, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.5C в перспективе изображены восемь (8) собранных и установленных на оправе сегментов пояса Роговского по фиг.5 в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.6 в перспективе изображен единичный сегмент пояса Роговского согласно шестому варианту устройства типа пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.6A изображена вертикальная боковая проекция одного элемента пояса Роговского по фиг.6.

На фиг.6B в перспективе изображены два сегмента пояса Роговского по фиг.6, которые могут быть установлены вместе, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.6C в перспективе изображен другой вариант сегмента катушки, адаптированный для приема периферийного проводника, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.7 изображена вертикальная боковая проекция, иллюстрирующая различные положения для проходящего через устройство измерения тока проводника, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.8 показан вид сверху альтернативной конфигурации устройства типа пояса Роговского, установленного вокруг прямоугольного силового кабеля, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.8A показан вид сверху первого варианта устройства типа пояса Роговского по фиг.8, содержащего выравнивающие элементы для предотвращения перекоса или смещения, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.8B показан вид сверху другого варианта устройства (без корпуса) измерения тока, адаптированного для использования с четырехсторонней (например, прямоугольной) электрической шиной.

На фиг.8B-1 изображено поперечное сечение устройства по фиг.8B по линии 8B-1-8B-1 с корпусом.

На фиг.9 изображена вертикальная боковая проекция альтернативной конфигурации устройства типа пояса Роговского, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.10 приведена схема, описывающая процесс изготовления устройств измерения тока, изображенных на фиг.1-1B, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.11 приведена схема, описывающая процесс изготовления устройств измерения тока, изображенных на фиг.2-2C и фиг.4-4B, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.12 приведена схема, описывающая процесс изготовления устройств измерения тока, изображенных на фиг.3-3D, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.13 приведена схема, описывающая процесс изготовления устройств измерения тока, изображенных на фиг.5-5C, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.14 приведена схема, описывающая процесс изготовления устройств измерения тока, изображенных на фиг.6-6B, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.15A в перспективе изображен пример стыкуемого устройства типа пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.15B показан вид сверху стыкуемого устройства типа пояса Роговского, изображенного на фиг.15A.

На фиг.15C в перспективе изображена регулируемая реализация стыкуемого устройства типа пояса Роговского по фиг.15A.

На фиг.15D в перспективе изображено сечение второго варианта регулируемого стыкуемого устройства типа пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.15E показан вид сверху концентрического стыкуемого устройства типа пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.16 в перспективе изображена часть седьмого варианта сегмента пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.16A в перспективе изображен сегмент пояса Роговского по фиг.16, соединенный вместе с такими же сегментами, образуя устройство типа пояса Роговского.

На фиг.16B в перспективе покомпонентно изображен седьмой вариант устройства типа пояса Роговского вместе с его корпусом.

На фиг.16C изображено сечение по линии 16C-16C из фиг.16B.

На фиг.16D показан вид сверху нижней части корпуса, соответствующего устройству типа пояса Роговского, изображенному на фиг.16B.

На фиг.17 в перспективе изображен сегмент восьмого варианта пояса Роговского в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.17A в перспективе изображен сегмент пояса Роговского по фиг.17, соединенный вместе с такими же сегментами, образуя устройство типа пояса Роговского.

На фиг.17B изображено сечение по линии 17B-17B фиг.17A.

На фиг.18A в перспективе изображена вставка начального зажима для сегмента пояса Роговского в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18B в перспективе изображена вставка концевого зажима для сегмента пояса Роговского в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18C в перспективе изображена вставка сегментов пояса Роговского на оправу в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18D в перспективе изображена прокладка кабеля по канавкам в сегментах каркаса в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18E в перспективе изображен старт процесса намотки в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг.18F показано поперечное сечение, на котором изображены слои обмотки, расположенные на первом сегменте пояса Роговского в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18G в перспективе изображен проход обмотки между сегментами пояса Роговского в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18H в перспективе изображены сегменты пояса Роговского с обмоткой, установленные на оправе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18I в перспективе изображено окончание намотки на начальном зажиме в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18J показано поперечное сечение, на котором изображен экранирующий слой обмотки на первом сегменте пояса Роговского в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18K в перспективе изображены сегменты пояса Роговского, установленные на оправе с намотанным экранирующим слоем в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18L в перспективе изображена намотка слоя ленты поверх экранирующего слоя обмотки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18M в перспективе изображено окончание намотки на концевом зажиме в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18N в перспективе изображена вставка обратного проводника в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18O в перспективе изображена вставка оконечного провода, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18P показан вид сверху процесса установки сегментов пояса Роговского в головную часть в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18Q в перспективе изображена вставка проводов в головную часть пояса Роговского в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18R в перспективе изображено нанесение эпоксидного клея сверху головной части устройства типа пояса Роговского в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.18S в перспективе изображено устройство типа пояса Роговского, изготовленное с применением процессов, проиллюстрированных на фиг.18А-18R.

Все графические материалы, изложенные в настоящем документе, являются объектом авторских прав Pulse Engineering, Inc. 2009-2010.

Осуществление изобретения

На представленных чертежах одинаковые номера обозначают одни и те же части.

Далее будут раскрыты значения некоторых употребляемых в данном тексте терминов.

Термины «каркас» и «форма» употребляются без каких-либо ограничений, относясь к любым структурам или компонентам, расположенным снаружи, внутри или в виде части индуктивного устройства, которые помогают формировать или удерживать одну или большее количество обмоток указанного устройства.

Термины «электрический компонент» и «электронный компонент» употребляются взаимозаменяемо и относятся к компонентам, выполненным с возможностью реализации каких-либо электрических и/или сигнальных функций, включая, но не ограничиваясь, индуктивные реакторы (дроссельные катушки), трансформаторы, фильтры, транзисторы, тороидальные сердечники с зазорами, катушки индуктивности (связанные или несвязанные), конденсаторы, резисторы, операционные усилители и диоды, выполненные в виде дискретных компонентов или в составе интегральной схемы, сами по себе или в комбинации с другими компонентами.

Термин «индуктивное устройство» употребляется в отношении к любым устройствам, использующим или осуществляющим явление электромагнитной индукции, включая, но не ограничиваясь, катушки индуктивности (индукторы), трансформаторы и индуктивные реакторы (дроссельные катушки).

Термины «сеть» и «базовая сеть» употребляются в отношении к любому типу сетей данных, телекоммуникационных сетей или иных сетей, включая, но не ограничиваясь, сети передачи данных (в том числе MAN-, PAN-, WAN-, LAN-, WLAN-сети и микросети, пикосети, Интернет и Интранет), гибридные сети с волоконно-оптическими и коаксиальными элементами (HFC-сети), спутниковые сети, сотовые и телефонные сети. Подобные сети или их составные части могут использовать одну или несколько топологий (например, кольцо, шина, звезда, замкнутая цепь), сред передачи данных (например, проводная, радиочастотная, область миллиметровых волн, оптическая) и/или коммуникационных или сетевых протоколов (например, SONET, DOCSIS, IEEE Std. 802.3, 802.11, ATM, X.25, Frame Relay, 3GPP, 3GPP2, WAP, SIP, UDP, FTP, RTP/RTCP, H.323 и т.д.).

Термины «сетевой интерфейс» или «интерфейс» употребляются в отношении ко всем сигнальным интерфейсам, интерфейсам данных или программным интерфейсам для компонентов, сетей или процессов, включая, но не ограничиваясь, интерфейс FireWire (например, FW400, FW800 и т.д.), USB (например, USB2, USB 3.0, USB On-the-Go и т.д.), Ethernet (например, 10/100, 10/100/1000, Gigabit Ethernet, 10-Gig-E и т.д.), интерфейс МоСА, оптические интерфейсы (например, пассивный POD, мультиплексный DWDM), интерфейсы Serial АТА (например, SATA, e-SATA, SATAII), Ultra-ATA/DMA, интерфейсы Coaxsys (например, TVnet™), радиочастотные приемники (например, внутри- или внеполосный приемник, кабельный модем и т.д.), WiFi (802.11a, b, g, n), WiMAX (802.16), PAN-приемник (802.15), IrDA и другие беспроводные технологии.

Термины «преобразование сигнала» или «преобразование» употребляются в отношении к процессам, включая, но не ограничиваясь, преобразование напряжения сигнала, фильтрацию и подавление шумов, дробление сигнала, управление и коррекцию сопротивления (импеданса), ограничение тока, управление емкостью и временную задержку.

Термины «верх», «низ», «бок», «сторона», «вверх», «вниз» и производные от них употребляются просто для обозначения относительного положения или геометрии одного или другого компонента и ни в коем случае не определяют абсолютной системы отсчета или какой-либо необходимой ориентации. Например, «верхняя» часть компонента может в действительности находиться под «нижней» частью, в том случае, когда компонент установлен на другое устройство (например, на нижнюю часть печатной платы).

Термин «беспроводной» употребляется в отношении к любым беспроводным сигналам, данным, связи или другим интерфейсам, включая, но не ограничиваясь, Wi-Fi, Bluetooth, 3G (например, 3GPP, 3GPP2 и UMTS), HSDPA/HSUPA, TDMA, CDMA (например, IS-95A, WCDMA и др.), FHSS, DSSS, GSM, PAN/802.15, WiMAX (802.16, 802.20), узкополосные каналы/FDMA, OFDM, PCS/DCS, аналоговую сотовую связь, CDPD, спутниковые системы, миллиметровые волны или микроволновые системы, оптические (например, инфракрасная IrDA) и акустические системы.

Общее описание изобретения.

Настоящее изобретение среди прочего предлагает недорогое усовершенствованное устройство измерения тока и способы его производства и применения. В одном из вариантов изобретения устройство измерения тока сформировано из сегментов, которые, согласно примерам осуществления изобретения, по существу линейны по своей природе, что облегчает выполнение намотки на устройстве. Сформированные сегменты впоследствии располагаются согласно сложным геометрическим структурам, таким как окружность, многоугольник, или эллиптическая/тороидальная структура. В то время, как тороидальные геометрии являются общепринятыми, сформированные сегменты могут быть адаптированы для использования согласно большому количеству разных геометрических структур, когда проводник, вокруг которого формируются сегменты, имеет по своей природе неправильную форму. В дополнении к, по существу, фиксированным формам, описываются варианты, подходящие для гибких решений.

Вышеупомянутый подход «сегментированных» катушек в качестве преимущества позволяет контролировать затраты на производство устройства, чтобы сбалансировать его относительно требуемых уровней функциональности и точности. Вместе с увеличением требуемой точности для того или иного применения возрастает количество сегментов (и/или количество витков на каждом сегменте), что, в свою очередь, повышает затраты на производство. Для применения в областях, не требующих высокой точности, может быть использовано устройство более низкой точности с меньшим количеством сегментов и/или витков, тем самым позволяя снизить затраты на достижение требуемого уровня точности.

В одном из вариантов осуществления изобретения сегменты формируются из каркасных элементов, имеющих конструктивные особенности и/или геометрию, которые выгодно облегчают их сборку в конечное готовое устройство измерения тока. Эти каркасные элементы включают шарнирные соединения и/или выравнивающие элементы и/или заформованные гибкие сетки и т.д. для того, чтобы облегчить сборку. В альтернативном варианте осуществления изобретения сегменты сформированы из самоподдерживающей скрепляемой обмотки, и впоследствии помещаются в защитный головной элемент. При этом используется один или несколько обратных проводников или сквозных проводников, электрически соединяющих обмотки, формируя тем самым устройство измерения тока.

Кроме того, некоторые приведенные здесь варианты осуществления изобретения включают вставленный с формованием или отдельно вставляемый проводящий зажим. Он может быть использован не только для накрутки провода (т.е. для закрепления обмотки перед началом процесса намотки на каркасный элемент), но и для электрического соединения внешних подводящих проводов с обмоткой каркасного элемента, тем самым осуществляя электрические соединения, необходимые для формирования устройства типа пояса Роговского. В некоторых вариантах изобретения также описано использование выпуклостей, сформированных на внешних фланцах каркасных элементов. Эти выпуклости могут содержаться в устройстве вместе с соответствующими парными отверстиями для выравнивания и придания устойчивости в течение процессов намотки.

В примерных вариантах осуществления устройства головная часть и/или каркасные элементы выполнены с конструктивными особенностями, которые выгодным образом включены в геометрию устройства для того, чтобы поддерживать и точно располагать обратный (обратные) проводник (проводники) относительно обмотки устройства. Расположение обратного (обратных) проводника (проводников) может быть рассмотрено с точки зрения как функциониональности, так и процесса производства, для того, чтобы предложить высокопроизводительное и недорогое устройство измерения тока. Принцип расположения проводника даже может различаться, например, с использованием структуры, которая поддерживает несколько различных путей для проводника (проводников).

Также описаны «бескаркасные» или варианты осуществления устройства, лишенные заданной формы, в которых витки обмотки (обмоток) (и сами сегменты) сформированы и используются без каркаса или другой опорной структуры. В одном варианте используется так называемый «скрепляемый» провод; индивидуальные витки обмотки выборочно скрепляются друг с другом (например, с помощью термически активируемого связующего компонента или другого вещества) так, чтобы удержать витки в необходимом положении и ориентации относительно друг друга, тем самым избегая применения каркаса и уменьшая производственные затраты. В другом варианте обмотка и центральный проводник заключены в полимер или другую охватывающую структуру, которая «скрепляет» обмотку и проводник относительно друг друга, тем самым придавая устройству механическую устойчивость и жесткость.

Также описаны «настраиваемые» варианты, где два (2) или более вышеупомянутых устройства измерения тока располагаются рядом друг с другом, так чтобы скорректировать связанные с сегментированием дефекты электрической функциональности и/или реализовать выборочную настройку функциональности катушек пользователем или сборщиком. Согласно одному варианту две или большее количество катушек стыкуются или размещаются рядом друг с другом и устанавливаются относительно друг друга так, чтобы устранить или уменьшить рассеивание магнитного потока, вызванное промежутками между сегментами катушек. Согласно другому варианту, две или более катушки располагаются по существу концентрическим образом.

Подробное описание изобретения.

Ниже по тексту приведено подробное описание различных вариантов осуществления изобретения и касающихся его устройств и способов. Хотя обсуждение идет главным образом в контексте устройств измерения тока, и в частности, в одном из вариантов осуществления устройств, функционирующих согласно принципам пояса Роговского, но различные описанные здесь устройства и техники не ограничиваются только ими. В действительности, многие из описанных здесь устройств и способов являются полезными в производстве различных катушек сложной конфигурации (например, намотанного тора), для которых будут полезны описанные здесь техники сегментированного изготовления и устройства, включая устройства, не требующие использования сквозных или обратных проводников.

Дополнительно следует принять во внимание, что определенные признаки, рассмотренные в отношении тех или иных вариантов изобретения, могут во многих случаях легко адаптироваться для использования в одном или нескольких иных описанных здесь вариантах осуществления изобретения. В рамках изложенных здесь материалов, специалист в данной области сможет без труда понять, что описанные признаки могут быть применены в областях, выходящих за рамки приведенных примеров и вариантов осуществления.

Принципы работы пояса Роговского.

Для того чтобы лучше понять нижеописанные различные конструктивные соображения о применении способов изготовления примерных катушек, будет полезно понимать основные принципы, обуславливающие фунционирование пояса Роговского и ему подобных устройств. Как хорошо известно из области электроники, напряжение, возникающее в поясе Роговского, подчиняется уравнению (1) ниже:

V = − A N μ O l d l d t ,                 ( 1 )

где A - площадь одного из малых контуров, N - количество витков, l - длина обмотки, µ_O - магнитная постоянная и d l d t - скорость изменения тока в контуре.

Для того чтобы реализация на практике максимально соответствовала теоретическому описанию, описываемому уравнением (1), делаются различного рода допущения, включая то, что интервалы между витками равны, и то, что радиус устройства достаточно велик в сравнении с радиусами самих витков. Соответственно, стоит иметь в виду данные допущения и то, каким образом они влияют на чувствительность самого пояса Роговского, при дальнейшем описании различных катушек, приведенном ниже.

Устройство измерения тока.

Далее со ссылкой на фиг.1-1B показан и подробно раскрыт первый вариант осуществления устройства 100 измерения тока. В частности, на фиг.1-1B изображен вариант устройства измерения тока типа пояса Роговского. На фиг.1 показаны главные элементы, связанные с устройством измерения тока, включая намотанную катушку 102, сквозной или обратный проводник 104 и сегментированный головной элемент 110.

Как можно увидеть на фиг.1, первое значительное преимущество этого устройства 100 по сравнению с устройствами из предыдущего уровня техники легко заметно. В частности, обычные для предыдущего уровня техники катушки имели равномерное распределение витков по всему контуру устройства, что с большой уверенностью считалось необходимым для достижения адекватной электрической функциональности устройства. Однако, как было обнаружено заявителем, такая конструкция из предыдущего уровня техники не только сложна в производстве (что выливается в относительно высокую стоимость устройства), но и не является обязательной для достижения требуемого уровня электрической функциональности устройства. Наоборот, с помощью сегментиро