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KR101169301B1 - 로고스키 코일을 이용한 전류센서 - Google Patents

로고스키 코일을 이용한 전류센서 Download PDF

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KR101169301B1
KR101169301B1 KR1020110019307A KR20110019307A KR101169301B1 KR 101169301 B1 KR101169301 B1 KR 101169301B1 KR 1020110019307 A KR1020110019307 A KR 1020110019307A KR 20110019307 A KR20110019307 A KR 20110019307A KR 101169301 B1 KR101169301 B1 KR 101169301B1
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rogowski coil
pcb
rogowski
coil
wound
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Inventor
이준오
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주식회사 셀픽
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Abstract

본 발명은 피씨비 기판을 내부 및 외부 영역으로 구분하여 로고스키 코일을 이중으로 권선함으로써, 측정오차 면적을 최소화함과 동시에 출력전압을 증가시키도록 구성된 로고스키 코일을 이용한 전류센서를 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술구성은, 제1 피씨비 기판(10) 및 제2 피씨비 기판(20)으로 구성되고, 상기 제1 피씨비 기판(10)은 중앙에 측정 대상인 전력 매체가 통과하도록 관통홀(15)이 형성되고, 이 관통홀(15)의 둘레를 따라 내부 영역(11) 및 외부 영역(13)으로 구분되며, 이 내부 영역(11) 및 외부 영역(13)에는 각각 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)이 전기적으로 연결되도록 권선되고, 상기 제2 피씨비 기판(20)은 중앙에 측정 대상인 전력 매체가 통과하도록 관통홀(25)이 형성되고, 이 관통홀(25)의 둘레를 따라 내부 영역(21) 및 외부 영역(23)으로 구분되며, 이 내부 영역(21) 및 외부 영역(23)에는 각각 내부 로고스키 코일(22) 및 외부 로고스키 코일(24)이 상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)과 전기적으로 연결됨과 동시에 그 권선 방향은 반대가 되도록 권선되고, 상기 내부 로고스키 코일(12,22) 및 외부 로고스키 코일(14,24)로부터 유도되는 출력전압을 적분 및 증폭하여 최종 전류값을 계산하는 것으로 구성된다.

Description

로고스키 코일을 이용한 전류센서{CURRENT SENSOR USING ROGOWSKI COIL}
본 발명은 로고스키 코일을 이용한 전류센서로서, 보다 상세하게는 피씨비 기판에 로고스키 코일을 권선하는 방법을 새로이 개발하여 측정 오차범위를 최소화하고 출력전압을 높일 수 있도록 고안된 전류센서에 관한 것이다.
최근에 전력 사용량이 급증하고 대전력을 사용하는 수용가가 증가함에 따라, 정확한 전류의 측정은 전력 시스템의 보호와 전력 사용 효율의 극대화 측면에서 필수 불가결한 요소가 되었다.
수용가의 측면에서는 정확한 전류의 측정을 통해 전력 수요를 예측/분석하여 효율을 높일 수 있으며, 전력 시스템의 측면에서는 정격전류뿐만 아니라 단락전류의 정확한 측정을 통해 사고전류를 검출하고 사고계통을 신속히 분리함으로써 건전 계통을 보호할 수 있다.
이를 위해 현재 사용되고 있는 전류센서로는 변류기(current transformer), 분류기(shunt), 홀 센서(hall sensor), 로고스키 센서(rogowski sensor) 등이 있으며, 국내에는 변류기(CT) 형태의 전류센서가 가장 많이 사용되고 있다.
그러나, 변류기는 CT 철심의 자기포화와 오차등급의 한계로 인하여 하나의 변류기로 일정 오차범위 내에서 측정할 수 있는 전류 범위는 극히 제한되어 정격전류의 수십 ~ 수백 배에 이르는 사고전류를 정확히 검출하기는 거의 불가능하다. 또한, 현재의 전력기기는 전력전자와 펄스파워 기술의 발달로 수 Hz에 이르는 주파수 범위를 갖는 전류를 사용하는 예가 많으나, 변류기는 상용 주파수 전류 이외의 주파수 전류를 측정하는데 한계가 있다.
이러한 문제들로 인하여 현재 외국에서는 로고스키 코일을 이용한 전류센서가 많이 사용되고 있으며 대부분의 제품이 전류 표시장치 및 전력계통의 시스템화를 위한 통신장치를 부가적으로 연결하여 사용하고 있다.
도 1은 로고스키 코일을 이용한 전류측정의 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 전류를 측정하고자 하는 전력 매체(1)가 비 자성체로 된 원형의 내부 코어(2)를 따라 균일하게 감은 로고스키 코일(3)의 내부를 통과하도록 설치하고, 전력선(1)을 통과하는 전류에 의해 유기되는 출력전압(E)을 적분회로를 통하여 적분하고 이를 증폭함으로써 전력 매체(1)에 흐르는 전류값을 계산하게 된다.
로고스키 전류센서를 제작함에 있어서, 가장 중요한 설계목표는 전류 측정의 오차범위를 최소화하는 것과 출력전압의 최대화하는 것이다.
전류 측정의 오차범위를 최소화하는 것은 외부의 전류나 자기장의 영향을 감소시키기 위한 것으로서, 이는 후술하는 바와 같이 오차요인 면적을 최소화함으로써 달성될 수 있다. 한편, 로고스키 코일에 의해 유도되는 출력전압(E)은 통상 ㎶ 단위로 매우 작기 때문에 주변의 노이즈로부터 영향을 받기 쉬워 이를 증폭할 경우 전류값의 정확성이 떨어진다. 따라서, 유도되는 출력전압 자체가 높을수록 노이즈로부터 영향을 적게 받기 때문에 가능한 한 출력전압을 최대화하는 것이 유리하다.
이러한 이유로, 현재 상기한 2 가지 설계목표를 달성하기 위하여 다양한 실험과 연구가 이루어지고 있다.
본 발명은 상기한 설계목표를 달성하기 위하여 개발된 것으로서, 피씨비 기판을 내부 및 외부 영역으로 구분하여 로고스키 코일을 이중으로 권선함으로써, 측정오차 면적을 최소화함과 동시에 출력전압을 증가시키도록 구성된 로고스키 코일을 이용한 전류센서를 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로고스키 코일을 이용한 전류센서는, 제1 피씨비 기판 및 제2 피씨비 기판으로 구성되고, 상기 제1 피씨비 기판은 중앙에 측정 대상인 전력 매체가 통과하도록 관통홀이 형성되고, 이 관통홀의 둘레를 따라 내부 영역 및 외부 영역으로 구분되며, 이 내부 영역 및 외부 영역에는 각각 내부 로고스키 코일 및 외부 로고스키 코일이 전기적으로 연결되도록 권선되고, 상기 제2 피씨비 기판은 중앙에 측정 대상인 전력 매체가 통과하도록 관통홀이 형성되고, 이 관통홀의 둘레를 따라 내부 영역 및 외부 영역으로 구분되며, 이 내부 영역 및 외부 영역에는 각각 내부 로고스키 코일 및 외부 로고스키 코일이 상기 제1 피씨비 기판의 내부 로고스키 코일 및 외부 로고스키 코일과 전기적으로 연결됨과 동시에 그 권선 방향은 반대가 되도록 권선되고, 상기 내부 로고스키 코일 및 외부 로고스키 코일로부터 유도되는 출력전압을 적분 및 증폭하여 최종 전류값을 계산하도록 구성된다.
또한, 상기 제1 피씨비 기판의 내부 로고스키 코일 및 외부 로고스키 코일은 같은 방향으로 권선되고, 상기 제2 피씨비 기판의 내부 로고스키 코일 및 외부 로고스키 코일은 상기 제1 피씨비 기판의 내부 로고스키 코일 및 외부 로고스키 코일과 반대 방향이 되도록 권선될 수 있다.
또한, 상기 제1 피씨비 기판의 내부 로고스키 코일 및 외부 로고스키 코일은 반대 방향으로 권선되고, 상기 제2 피씨비 기판의 내부 로고스키 코일은 상기 제1 피씨비 기판의 내부 로고스키 코일과 반대 방향으로 권선되며, 상기 제2 피씨비 기판의 외부 로고스키 코일은 상기 제1 피씨비 기판의 외부 로고스키 코일과 반대 방향으로 권선될 수 있다.
또한, 상기 제1 피씨비 기판은 상기 내부 영역 및 외부 영역을 포함해 로고스키 코일이 권선된 셋 이상의 영역으로 구분되고, 상기 제2 피씨비 기판도 상기 제1 피씨비 기판의 영역 갯수와 일치되도록 상기 내부 영역 및 외부 영역을 포함해 로고스키 코일이 권선된 셋 이상의 영역으로 구분되며, 상기 제1 피씨비 기판의 영역과 상기 제2 피씨비 기판의 영역에는 로고스키 코일이 기판 전체가 반대 방향이 되거나 각 기판 중 대응되는 영역끼리 반대 방향이 되도록 권선될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 로고스키 코일을 이용한 전류센서에 따르면, 인접한 도선이나 도체로부터 발생하는 전류나 자기장의 영향을 최소화하여 측정오차를 감소시킬 수 있다.
또한, 로고스키 코일의 권선수를 증가시켜 출력전압을 높여 줌으로써 로고스키 코일의 성능을 극대화할 수 있다.
또한, 상기한 측정오차 감소 및 츨력전압 증가 효과로 인해 고가의 전류측정장치인 변류기(current transformer), 분류기(shunt), 홀 센서(hall sensor) 등을 대체할 수 있어 매우 경제적이다.
도 1은 로고스키 코일의 기본 원리를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 한 쌍의 로고스키 피씨비 기판을 이용한 전류센서를 나타낸 도면.
도 3은 로고스키 코일의 권선 방식과 측정오차와의 관계를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 로고스키 코일을 이용한 전류센서를 나타낸 도면.
도 5는 도 2의 전류센서의 측정오차 및 출력전압을 계산하기 위한 도면.
도 6은 도 2의 전류센서의 오차요인 면적을 계산하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 전류센서의 측정오차 및 출력전압을 계산하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 전류센서의 오차요인 면적을 계산하기 위한 도면.
도 9는 전류 측정오차를 비교한 그래프.
이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 로고스키 코일을 이용한 전류센서는 측정 오차범위 감소 및 출력전압 증가라는 2가지 설계목표에 따라 개발되어 왔다.
도 2에는 이러한 설계목표를 달성하기 위해 개발된 로고스키 코일을 이용한 전류센서의 일 형태(이하 "종래 피씨비 로고스키 코일"이라 함)가 도시되어 있다.
본 실시예는 로고스키 코일이 측정 오차범위를 감소시키기 위한 것으로서, 인접한 도체의 영향을 받지 않고 코일 루프 내부의 도체 위치와 무관하게 정확한 전류치를 측정하기 위하여 바로 옆에 위치하는 한 쌍의 피씨비(PCB: Printed Circuit Board) 기판에 전기적으로 반대 방향으로 연결된 2개의 코일 루프를 구성한 것이다.
즉, 중앙에 전류 측정대상인 전력 매체(1)가 통과하도록 관통홀이 형성된 제1 피씨비 기판(4)에는 로고스키 코일(5)이 시계 방향으로 권선되고, 이와 인접하게 위치하고 중앙에 전력 매체(1)가 통과하도록 관통홀이 형성된 제2 피씨비 기판(6)에는 로고스키 코일(7)이 시계 반대 방향으로 권선된 형태로 구성된다. 이 실시예에 따르면 두 개의 로고스키 코일(5,7)이 반대 방향으로 권선되어 외부 전류나 지장의 영향을 감소시킴과 동시에 상호 직렬로 연결되어 출력전압을 높일 수 있다.
본 발명은 이러한 피씨비 기판을 이용한 로고스키 코일을 한층 더 개량하여 측정 오차범위 감소 및 출력전압 증가의 기술적 효과를 향상시킨 것이다.
본 발명의 구성에 대해 상세히 설명하기에 앞서 로고스키 코일의 권선 형태와 측정 오차범위와의 관계를 도 3을 참조로 간단히 설명한다. 도 3은 상기한 도 2와 같이 피씨비 기판에 권선된 로고스키 코일에 있어서 관통홀의 반경(Ri), 피씨비 기판의 반경(Re), 피씨비 기판의 두께(S)를 표시하고, 로고스키 코일이 기판의 상면으로 감겨져 비아홀(코일을 통과시키기 위해 기판에 천공한 구멍)을 통과한 후 하면으로 다시 감겨진 형태를 나타낸 것이다.
이때, 로고스키 코일은 원형 루프를 형성하기 위하여 피씨비 기판의 상면과 하면에 코일라인이 정확하게 일치되는 것이 아니라 약간 비스듬하게 권선된다. 이에 의해 3가지 섹션이 나타나는데, 섹션 Ⅰ은 피씨비 기판의 상면 코일라인과 하면 코일라인에 의해 형성되는 경사면을 나타내고, 섹션 Ⅱ는 상기 섹션 Ⅰ의 경사면이 평면(x-y 평면)에 투영된 수평면을 나타내며, 섹션 Ⅲ은 피씨비 기판의 상면 코일라인과 하면 코일라인에 의해 형성되는 두께 방향의 수직면을 나타낸다.
상기 3가지 섹션 중에서 로고스키 코일의 권선 라인에 따라 나타나는 수평면인 섹션 Ⅱ의 면적이 작으면 작을수록 측정 오차범위가 감소한다는 연구 결과가 알려져 있다. 이러한 점에서 상기 섹션 Ⅱ를 "오차요인 면적"이라 한다.
본 발명은 피씨비 기판에 로고스키 코일을 권선하는 새로운 형태를 개발함으로써 상기 오차요인 면적을 줄여서 측정 오차범위를 감소시키는 한편, 단위 면적당 코일의 권선 수를 증가시켜 출력전압을 증가시킬 수 있도록 한 것이다.
도 4에는 본 발명의 로고스키 코일을 이용한 전류센서의 형태가 상세히 도시되어 있다.
본 발명은 기본적으로 제1 피씨비 기판(10) 및 제2 피씨비 기판(20)으로 구성된다는 점에서 상기 도 2에 개시된 종래 피씨비 로고스키 코일과 동일하나, 상기 제1 피씨비 기판(10) 및 제2 피씨비 기판(20)이 내, 외부 영역으로 구분되어 로고스키 코일이 각각 권선되어진다는 점에서 상이하다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 제1 피씨비 기판(10)은 중앙에 측정 대상인 전력 매체가 통과하도록 관통홀(15)이 형성되고, 이 관통홀(15)의 둘레를 따라 내부 영역(11) 및 외부 영역(13)으로 구분되며, 이 내부 영역(11) 및 외부 영역(13)에는 각각 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)이 전기적으로 연결되도록 권선되어 구성된다.
또한, 상기 제2 피씨비 기판(20)은 중앙에 측정 대상인 전력 매체가 통과하도록 관통홀(25)이 형성되고, 이 관통홀(25)의 둘레를 따라 내부 영역(21) 및 외부 영역(23)으로 구분되며, 이 내부 영역(21) 및 외부 영역(23)에는 각각 내부 로고스키 코일(22) 및 외부 로고스키 코일(24)이 상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)과 연결 라인(30)을 매개로 전기적으로 직렬 연결됨과 동시에 그 권선 방향은 반대가 되도록 권선된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 전류센서는 상기 내부 로고스키 코일(12,22) 및 외부 로고스키 코일(14,24)로부터 유도되는 출력전압을 적분 및 증폭하여 최종 전류값을 계산하도록 구성된다.
여기서, 제1 피씨비 기판(10)의 2개의 로고스키 코일(12,14)과 제2 피씨비 기판(20)의 2개의 로고스키 코일(22,24)가 반대 방향으로 권선되도록 한 것은, 피씨비 기판 전체의 오차요인 면적을 감소시켜 인접한 도체의 영향을 받지 않고 정확한 전류치를 측정하기 위함이다. 이러한 오차범위 감소 효과에 대한 상세한 내용은 도 5 내지 도 9를 참조로 후술하기로 한다.
두 쌍의 로고스키 코일을 반대 방향으로 권선하는 방법은 크게 2가지가 있다.
한 가지 권선 방법은, 상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)은 같은 방향으로 권선하고, 상기 제2 피씨비 기판(20)의 내부 로고스키 코일(22) 및 외부 로고스키 코일(24)은 상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)과 반대 방향이 되도록 권선하는 것이다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 피씨비 기판(10)의 2개의 로고스키 코일(12,14)은 시계 반대 방향으로 권선하고, 제2 피씨비 기판(20)의 2개의 로고스키 코일(22,24)은 시계 방향으로 권선하는 것이다. 물론, 이와 역방향으로 구성할 수도 있다.
다른 한 가지 권선 방법은, 상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)은 반대 방향으로 권선하고, 상기 제2 피씨비 기판(20)의 내부 로고스키 코일(22)은 상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12)과 반대 방향으로 권선하며, 상기 제2 피씨비 기판(20)의 외부 로고스키 코일(24)은 상기 제1 피씨비 기판(10)의 외부 로고스키 코일(14)과 반대 방향으로 권선하는 것이다.
예를 들어, 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12)은 시계 방향, 외부 로고스키 코일(14)은 시계 반대 방향으로 권선하고, 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(22)은 시계 반대 방향, 외부 로고스키 코일(24)은 시계 방향으로 각각 권선하는 것이다.
한편, 본 발명은 상기 제1 피씨비 기판(10)은 상기 내부 영역(11) 및 외부 영역(13)을 포함해 로고스키 코일이 권선된 셋 이상의 영역으로 구분되고, 상기 제2 피씨비 기판(20)도 상기 제1 피씨비 기판(10)의 영역 갯수와 일치되도록 상기 내부 영역(21) 및 외부 영역(23)을 포함해 로고스키 코일이 권선된 셋 이상의 영역으로 구분되며, 상기 제1 피씨비 기판(10)의 영역과 상기 제2 피씨비 기판(20)의 영역에는 로고스키 코일이 기판 전체가 반대 방향이 되거나 각 기판 중 대응되는 영역끼리 반대 방향이 되도록 권선되어 구성될 수도 있다.
예를 들어, 제1 피씨비 기판(10) 및 제2 피씨비 기판(20)은 제1, 제2, 제3 영역으로 구분되며, 제1 피씨비 기판(10)의 3개의 영역에는 로고스키 코일이 시계 방향으로 권선되고 제2 피씨비 기판(20)의 3개의 영역에는 로고스키 코일이 시계 반대 방향으로 권선될 수 있다. 또한, 제1 피씨비 기판(10)의 3개의 영역은 순서대로 시계 방향, 시계 반대 방향, 시계 방향으로 권선되고, 제2 피씨비 기판(20)의 3개의 영역은 순서대로 시계 반대 방향, 시계 방향, 시계 반대 방향으로 권선될 수 있다.
이와 같이, 비록 도 4에는 피씨비 기판이 원형을 이루고, 내,외부의 2가지 영역으로 구분되어 각각 로고스키 코일이 권선된 실시예가 도시되어 있으나, 본 발명의 기술사상은 이에 한정되지 아니하고 피씨비 기판의 영역을 구분하여 각각 로고스키 코일을 권선함으로써 오차요인 면적을 감소시키고 출력전압을 증가시킬 수 있는 것이면, 기판의 형태(원형, 사각형, 삼각형 등)나 영역의 갯수(2개, 3개, 4개...)에 한정되지 아니한다.
이하에서는, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 도 2의 게시된 로고스키 코일을 이용한 전류센서와 비교하여 오차요인 면적의 감소에 따른 측정 정확도 향상 및 코일 권선수의 증가에 따른 출력전압 증대라는 중요한 기술적 효과를 달성할 수 있음을 도 5 내지 도 9를 참조로 상세히 설명한다.
도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 종래 피씨비 로고스키 코일에 의해 형성되는 오차요인 면적 및 이를 계산하기 위한 도면을 나타낸 것이고, 도 7 및 도 8은 도 4에 도시된 본 발명의 피씨비 로고스키 코일에 의해 형성되는 오차요인 면적 및 이를 계산하기 위한 도면을 을 나타낸 것이며, 도 9는 2개의 오차요인 면적의 계산 결과를 비교 도시한 그래프이다.
상기 계산에 사용되는 변수를 정리하면 다음과 같다.
a : 비아홀의 패턴을 최소화하였을 경우의 비아홀 사이의 최소 거리
r1 : 피씨비 기판의 내경(관통홀의 반경)
r2 : 피씨비 기판의 중간 내경
r3 : 피씨비 기판의 외경
S1 : 도 2의 로고스키 코일의 오차요인 면적
S2 : 본 발명의 내부 로고스키 코일의 오차요인 면적
S3 : 본 발명의 외부 로고스키 코일의 오차요인 면적
So : 도 2의 로고스키 코일의 오차요인 전체 면적
Sn : 본 발명의 로고스키 코일의 오차요인 전체 면적
N1 : 도 2의 로고스키 코일의 전체 권선 수
N2 : 본 발명의 내부 로고스키 코일의 권선 수
N3 : 본 발명의 외부 로고스키 코일의 권선 수
N : 코일의 권선 수
S : 피씨비 기판의 두께
A : 코일의 감긴부분의 단면적
A1 : 도 2의 로고스키 코일의 감긴부분의 단면적
A2 : 본 발명의 로고스키 코일의 감긴부분의 단면적
H1 : 도 2의 로고스키 코일의 코일 민감도(coil sensitivity : Vs/A)
H2 : 본 발명의 로고스키 코일의 코일 민감도(coil sensitivity : Vs/A)
E1 : 도 2의 로고스키 코일의 출력전압
E2 : 본 발명의 로고스키 코일의 출력전압
μ0 : MAGNETIC CONSTANT
I : 전력 매체에 흐르는 전류
실시예 1) 외부 전류 또는 자장의 영향 최소화
상술한 바와 같이, 근접한 도체의 전류 또는 전자장의 영향을 최소화하기 위해서는 오차요인 면적인 S1과 (S2+S3)이 최소가 되어야 한다.
도 2에 도시된 종래 피씨비 로고스키 코일의 전체 오차요인 면적(So)을 계산하면 다음과 같다.θ값이 아주 작다면, sinθ ≒ θ로 근사화할 수 있다. 따라서, 비아홀 사이의 최소거리인 a = r1sinθ = r1θ로 계산된다.
S1 = 1/2 × (r3 - r1) × r3sinθ = {r3(r3 - r1)sinθ}/2
N1 = 2πr1/a = 2πr1/r1θ = 2π/θ
So = S1 × N1 = {π r3 ( r3 - r1 )sinθ}/θ = π r3 ( r3 - r1 ) (1) 식
반면, 본 발명의 피씨비 로고스키 코일의 전체 오차요인 면적(Sn)을 계산하면 다음과 같다. θ, β값이 아주 작다고 가정하면 sinθ ≒ θ, sinβ ≒ β로 근사화할 수 있다. 또한, r2 = (r1 + r3)/2으로 가정하고, 내부영역 및 외부영역의 비아홀 사이의 최소거리는 동일하게 a = r1θ = r2β으로 계산된다.
S1 = 1/2 × (r2 - r1) × r2sinθ = {(r3 - r1)(r3 + r1)sinθ}/8
S2 = 1/2 × (r3 - r2) × r3sinβ = {r3(r3 - r1)sinβ}/4
N1 = 2πr1/a = 2πr1/r1θ = 2π/θ
N2 = 2πr2/a = 2πr2/r2β = 2π/β
Sn = ( S1 × N1 ) + ( S2 × N2 ) = {π(3 r3 + r1 )( r3 - r1 )}/4 (2) 식
(1) 식 및 (2) 식으로부터,
Y = So / Sn = 4r3/(3r3 + r1), X = r3/r1으로 하여 정리하면,
Y = 4X / (3X + 1) (3) 식
Y1 = 4X, Y2 = 3X + 1라고 놓고, X축[X = (r3/r1)] 및 Y축(Y1, Y2 별도 표시]으로 된 2차원 그래프를 나타내면 도 9와 같다.
도 9에서 보듯이 X(r3/r1)값이 1 이상인 모든 영역에서 항상 Y1값이 Y2값보다 큰 값을 나타낸다. 이는 곧 도 7에 도시된 본 발명의 피씨비 로고스키 코일의 전체 오차요인 면적(Sn)이 도 5에 도시된 종래의 피씨비 로고스키 코일의 전체 오차면적(So)보다 작다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 피씨비 로고스키 코일에 있어서 피씨비 기판의 외부 영역(13,23)의 반경(r3)이 관통홀(15,25)의 반경(r1)보다 당연히 크므로, 종래의 피씨비 로고스키 코일보다 오차요인 면적을 감소시켜 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
실시예 2) 출력전압의 최대화
동일한 크기의 피씨비 기판으로 구성된 종래 피씨비 로고스키 코일과 본 발명의 피씨비 로고스키 코일의 출력전압을 비교하기 위하여 도선에 흐르는 전류는 동일하고 피씨비 상에 패턴과 비아홀의 크기가 동일하다고 가정한다. 일반적으로 로고스키 코일의 출력전압은 다음과 같다.
E ∝ H× dI/dt
H = μ0× N× A
도 5에 도시된 종래 피씨비 로고스키 코일의 출력전압을 계산하면 다음과 같다.
E1 ∝ H1× dI/dt = μ0× NtOld× A1× dI/dt
E1 ∝ NtOld × A1 = (2π r1 / a) × S × ( r3 - r1 ) (4) 식
도 7에 도시된 본 발명의 피씨비 로고스키 코일의 출력전압을 계산하면 다음과 같다. 단. 계산의 용이성을 위하여 (r3-r2) 과 (r2-r1)이 동일하다고 가정한다.
E2 ∝ H2× dI/dt = μ0× NtNew× A2× dI/dt
E2 ∝ NtNew × A2 = {2π( r1 + r2 ) / a} × S × ( r2 - r1 ) (5) 식
상기 (4) 식 및 (5) 식으로부터 E1과 E2의 비를 계산하면 다음과 같다.
E1 : E2 = r1(r3-r1) : (r1+r2)(r2-r1)
예) r1 = 1, r2 = 2, r3 = 3 이라고 가정하면
E1 : E2 = 2 : 3
즉, 본 발명의 피씨비 로고스키 코일의 출력전압이 종래 PCB 로고스키 코일의 출력전압보다 50% 정도 증가됨을 확인할 수 있다. 이와 같이, 출력전압이 증가하면 주변 노이즈로부터 영향을 적게 받기 때문에 이를 증폭할 때 더욱 정확한 전류값을 측정할 수 있다.
10: 제1 피씨비 기판 11: 내부 영역
12: 내부 로고스키 코일 13: 외부 영역
14: 외부 로고스키 코일 20: 제2 피씨비 기판
21: 내부 영역 22: 내부 로고스키 코일
23: 외부 영역 24: 외부 로고스키 코일
30: 연결 라인

Claims (4)

  1. 제1 피씨비 기판(10) 및 제2 피씨비 기판(20)으로 구성되고,
    상기 제1 피씨비 기판(10)은 중앙에 측정 대상인 전력 매체가 통과하도록 관통홀(15)이 형성되고, 이 관통홀(15)의 둘레를 따라 내부 영역(11) 및 외부 영역(13)으로 구분되며, 이 내부 영역(11) 및 외부 영역(13)에는 각각 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)이 전기적으로 연결되도록 권선되고,
    상기 제2 피씨비 기판(20)은 중앙에 측정 대상인 전력 매체가 통과하도록 관통홀(25)이 형성되고, 이 관통홀(25)의 둘레를 따라 내부 영역(21) 및 외부 영역(23)으로 구분되며, 이 내부 영역(21) 및 외부 영역(23)에는 각각 내부 로고스키 코일(22) 및 외부 로고스키 코일(24)이 상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)과 전기적으로 연결됨과 동시에 그 권선 방향은 반대가 되도록 권선되고,
    상기 내부 로고스키 코일(12,22) 및 외부 로고스키 코일(14,24)로부터 유도되는 출력전압을 적분 및 증폭하여 최종 전류값을 계산하는 것을 특징으로 하는 로고스키 코일을 이용한 전류센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)은 같은 방향으로 권선되고, 상기 제2 피씨비 기판(20)의 내부 로고스키 코일(22) 및 외부 로고스키 코일(24)은 상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)과 반대 방향이 되도록 권선되는 것을 특징으로 하는 로고스키 코일을 이용한 전류센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12) 및 외부 로고스키 코일(14)은 반대 방향으로 권선되고, 상기 제2 피씨비 기판(20)의 내부 로고스키 코일(22)은 상기 제1 피씨비 기판(10)의 내부 로고스키 코일(12)과 반대 방향으로 권선되며, 상기 제2 피씨비 기판(20)의 외부 로고스키 코일(24)은 상기 제1 피씨비 기판(10)의 외부 로고스키 코일(14)과 반대 방향으로 권선되는 것을 특징으로 하는 로고스키 코일을 이용한 전류센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 피씨비 기판(10)은 상기 내부 영역(11) 및 외부 영역(13)을 포함해 로고스키 코일이 권선된 셋 이상의 영역으로 구분되고, 상기 제2 피씨비 기판(20)도 상기 제1 피씨비 기판(10)의 영역 갯수와 일치되도록 상기 내부 영역(21) 및 외부 영역(23)을 포함해 로고스키 코일이 권선된 셋 이상의 영역으로 구분되며,
    상기 제1 피씨비 기판(10)의 영역과 상기 제2 피씨비 기판(20)의 영역에는 로고스키 코일이 기판 전체가 반대 방향이 되거나 각 기판 중 대응되는 영역끼리 반대 방향이 되도록 권선되는 것을 특징으로 하는 로고스키 코일을 이용한 전류센서.
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