CN111164433A - 电流传感器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52)，其包括布置在电流导体(56)的两个导体部(14)之间的磁阻梯度传感器(12)。本发明还提出，导体部(14)将电流进行划分并且相对于阻梯度传感器(12)的布置沿相同的方向引导，并且导体部(14)相对于磁阻梯度传感器(12)的测量平面(20)在高度上偏移。

Description

电流传感器组件

技术领域

本发明涉及一种基于围绕导体的磁场来测量通过导体的电流的电流传感器组件。

背景技术

本发明涉及一种磁场传感器装置，该磁场传感器装置基于围绕导体的磁场来测量通过一个或多个导体的电流的强度。

基于沿着闭合曲线S的围绕导体的磁场H来测量通过一个或多个导体的电流强度的磁场传感器装置在本领域中是众所周知的。其基于这样的事实，即根据安培定律，可以得出通过由曲线S界定的区域A的总电流I的结论：

这使得可以在干预电路的操作的情况下，特别是无需中断或插入电路的情况下，实现无接触电流检测。

由现有技术已知，组件使用磁阻梯度传感器来测量相邻电流导体的传导电流之间的测量平面中的磁场强度差。

通常使用的对磁场敏感的传感器元件是磁阻传感器元件，其例如利用霍尔效应、AMR效应、GMR效应或TMR效应来工作。

这样的磁阻梯度传感器例如可以采取两个磁场传感器的形式，例如基于诸如AMR、TMR或GMR的xMR技术，其中，各磁场传感器检测由各个电流部分引起的磁场，并且磁场传感器在内部或外部从中确定梯度值。TMR和GMR传感器基于TMR或GMR效应，由厚度仅为几纳米的各种薄层组成，并由软磁性、非磁性、金属和硬磁性材料制成。软磁层和硬磁层之间的对齐对于电阻值至关重要，其中，该电阻值随磁场角度的变化而变化。

如果两个传感器元件彼此隔开一定距离放置，则可以通过对传感器信号进行差别评估来使传感器坚固耐用以抵抗外部干扰。均差被理解为磁场的梯度。这些梯度传感器特别适合于例如位置测量系统和电流传感器。

传感器元件布置在就电流测量而言有源(strommessaktiven)的导体部的区域中，使得就电流测量而言有源的导体部的磁场致使主要的传感器值变化，尤其是主要的电阻变化，并且由于就电流测量而言寄生的传感器元件相对于导体部寄生的空间取向和/或由于其他载流元件的场补偿效应，就电流测量而言寄生的导体部的磁场致使传感器值变化很小或基本没有变化。

在本发明的意义上，梯度传感器可以采取单个传感器组件的磁阻电阻元件的梯度互连的形式；在本发明的意义上，还可以设置两个磁场传感器，每个磁场传感器检测一个电流导体部的磁场，并且两个磁场传感器在外部进行计算以产生梯度值。

目前用于梯度计组件中电流测量的解决方案通常基于U形汇流排，其用于产生与电流相关的主要的场梯度。为此，考虑了在U形导体部的两个支腿中流动的电流，其中，流入一个支腿并在相邻支腿中流出的电流在两个支腿之间形成了叠加的总磁场，其场梯度在测量平面上被检测。自然地，两条支腿中流动的电流量相同，但方向相反。

在梯度计组件中的电流测量领域中，现有技术的缺点在于，由U形的电流支腿形成的电感可能会导致电压峰值，特别是在相对较高的频率下会导致电压峰值，其必须由接通的功率半导体电子单元来补偿，其中，该功率半导体电子单元设计例如用于转换器操作。因此，必须针对相对较高的电压峰值进行设计。

此外，随着这种电流传感器的不断小型化，例如由于U形导体的支腿之间的连接腹板中的电流，干扰场分量的大小可能会致使xMR传感器的磁场敏感层的磁化强度发生变化。

此外，U形导体支腿的制造需要耗费相对大量的工作和材料。此外，在高电流组件中，总电流流经支腿，使得支腿必须具有较高的载流能力。

此外，如果高频交流电流过导体，则会产生集肤效应(Skin-Effekt)，其中，由于电流位移效应，导体的内部区域的电流密度低于外部区域的电流密度。这意味着，在交流电的情况下，会根据频率产生涡流和电场，它们将电荷载流子移位到导体的表面。

另外，邻近效应在两个紧密相邻的导体之间起作用。邻近效应是一种电流位移现象，其中，这种与频率有关的现象受限于紧密相邻的导体之间的涡流，其中，交流电沿相反的方向流动，就像先前已知的带有U形导体元件的电流测量传感器一样。根据在高频下尤其明显的邻近效应，高频电流趋于彼此尽可能接近地流动。电流集中到两个导体紧挨着的区域。

在U形导体回路的情况下，两个上述效应的叠加会在支腿的内部区域，特别是在边缘产生较高的电流密度。因此，高频电流明显更密集地引导，并且磁场梯度在传感器区域内产生。在这方面，先前已知的U形电流传感器对于测量质量而言取决于电流频率。

最终，产生了馈线和电流回路的不利的寄生效应。一种用于基于磁场的电流测量的通用U形组件包括就电流测量而言有源的至少一个导体部和就电流测量而言寄生的至少一个导体部。就电流测量而言寄生的导体部对应于馈线或电流回路。在电流通过时，寄生磁场由就电流测量而言寄生的导体部产生。产生的寄生磁场影响对磁场敏感的传感器元件的测量值。

总而言之，基于U形汇流排在梯度计组件中进行电流测量的现有解决方案具有以下缺点：考虑了在U形导体部的两个支腿中流动的电流，其中，流入一个支腿并从相邻的支腿中流出的电流形成两个支腿之间的叠加总磁场，其场梯度在测量平面中被检测。自然地，两条支腿中流动的电流量相同。

由此导致以下缺点：

-大的有效横截面和困难的热定型

-偏转/反馈引起的干扰场

-高的漏电感(不利于功率半导体的切换行为)

-较大的安装空间

-集肤效应和邻近效应引起的强烈频率依赖性

-电容性和电感性干扰注入的不利设置

-在传统的制造方法中，大量的废汇流排材料

由U形电流支腿形成的电感会导致电压峰值，其必须由接通的功率半导体电子单元来补偿，其中，该功率半导体电子单元设计例如用于转换器操作。因此，必须针对相对较高的电压峰值进行设计。

此外，U形导体支腿的制造需要耗费相对大量的工作和材料。

特别是对于大电流组件，总电流流过必须具有较高载流能力的管脚。

DE10110254A1公开了一种电流传感器，其用于在较高频率范围内的无电势电流测量。如果在圆形电流导体附近存在任何几何形状的高导电材料，则在磁场的频率无关性方面受到限制。这些材料中涡流的感应及其作用会导致电流导体中出现非圆形的对称电流分布，从而导致传感器位置处磁场的频率依赖性，这可能导致在当前确定中的测量误差，其可能由于“集肤”和“邻近”效应而出现。在本文中，电流传感器由一个或多个电并联或串联的电流导体和磁场传感器或磁场梯度传感器构成。在电流通过时，可以通过磁场传感器或磁场梯度传感器来测量围绕一个电流导体或多个导体的磁场，其中在各个情况下，电流分别以相反的方向流过电流传感器。各传感器的输出信号在预期范围内取决于频率。电流导体的形状使得在各传感器的位置处产生的磁场变化会抑制涡流的形成。通过这种方式，可以在较高的频率范围内以低的测量误差通过电流传感器来测量无电势电流。

WO2014/001473A1示出了用于电流测量的另一组件。对于借助于至少一个对磁场敏感的传感器元件的基于磁场的电流测量，提出该组件采取成角度的，特别是U形导体元件的形式，其包括就电流测量而言有源的至少一个导体部和至少就电流测量而言寄生的至少一个导体部。传感器元件具有至少一个灵敏度方向，在该方向上磁场分量引起显著的传感器值变化，其中，传感器元件以这种方式定向：在就电流测量而言有源的导体部的区域中，特别是相对于就电流测量而言寄生的导体部而旋转、倾斜和/或在高度上偏移，就U形导体元件的电流测量而言有源的导体部的磁场基本上定向在灵敏度方向上，而根据就U形导体元件的电流测量而言寄生的磁场基本上不定向在灵敏度方向上，特别是与灵敏度方向成直角。

基于上述的现有技术，本发明的目的是减少已知组件的缺点。

通过根据权利要求1的组件解决了上述缺点。本发明的有利的进一步改进构成了从属权利要求的主题。

发明内容

本发明提出了一种包括磁阻梯度传感器的电流传感器组件，其中，磁阻梯度传感器布置在磁阻梯度传感器的电流导体的两个导体部之间。

本发明提出，相对于磁阻梯度传感器的布置，导体部将电流划分并在相同的方向上引导，并且，导体部对于磁阻梯度传感器的测量平面而言在高度上偏移。即，电流导体相对于测量平面在两个平面中偏移，而没有导体部的交叉路径。磁阻梯度传感器的测量平面是由传感器组件的磁阻电阻来测量梯度场的平面。梯度场这里平行于测量平面。同一电流导体的实际上分开的两个导体部相对于磁阻梯度传感器的测量平面而言在高度上偏移。两个导体部对于磁阻梯度传感器而言将电流载于相同的方向上。第一导体部中的电流分量产生磁场。类似地，电流在第二导体部中产生另一磁场。根据右手法则，两个磁场都沿相同的方向围绕导体部。对于测量平面而言，其磁场定向法向的分量在两个导体部的每一个中相对地定向，并且位于测量平面中的磁场的切向分量同样在两个导体部的每一个中相对地定向。这样，在测量平面中形成切向分量的梯度场，并且该梯度场可以通过梯度传感器来测量。

换句话说，提出了一种新的组件，其中主导体被划分并偏移于梯度传感器的传感器元件上方和下方的两个平面中，没有导体部的交叉路径。与U形组件相比，这具有明显的优势。例如，相对于U形导体回路，只有一半电流流过每个导体部。电感减小，从而电压峰值减小。高电流可以被载以较低的电流密度。与U形电流回路相比，电流密度可降低约50％。

对于高频电流分量，会发生集肤效应，从而导致电流密度集中在靠近导体表面。另外，邻近效应具有以下效果：电流在导体相对于相邻的导体的内侧出现，其中，在U形导体回路的情况下，这两种效应是叠加的，从而导致在支腿的内部区域中、特别是在弯曲边缘处的较高的电流密度。这通过根据本发明的导体部的构造显著减少，这意味着在高电流强度和高频分量下使用都是可行的。这尤其在多个转换器操作的情况下是有利的，在多个转换器操作中，转换器以相对较高的切换频率进行操作。根据本发明的传感器还可以在由于电流的高边沿陡度而引起的关于短路或过载的电流监视任务的情况下提供更精确的测量结果并获得更高的精度。根据本发明，场梯度也相对于先前的U形支腿解决方案而减半，从而可以减小梯度传感器的动态范围或测量范围。最后，可以有利地使用在梯度传感器中用于线性测量范围调整的预磁化场，而在先前的U型支腿解决方案中，产生的磁场会干扰(即增强或减弱)预磁化/偏移场。

在这种情况下，磁阻梯度传感器可以由单个传感器组件的磁阻电阻器元件的梯度电路形成。

所提出的构造通过划分电流导体来显著减少集肤和邻近效应，其中，两个分电流对于测量平面而言沿相同方向流动。先前的U形导体回路会在内部支脚中产生非常高的电流密度，从而导致内部支脚周围产生非常强的磁场。因此，磁阻梯度传感器迅速达到饱和，特别是在高频交流电的情况下。相比之下，在两个导体部的内部区域中出现低电流密度。因此，在两个导体部的内部区域中会产生较弱的磁场。通过将梯度场减半，在相同的主电流下，根据本发明的电流传感器组件的磁阻梯度传感器的测量范围加倍，使得根据本发明的电流传感器组件可以在高电流强度下和高频范围内下使用。特别地，根据本发明的电流传感器组件可以用于多个转换器操作中，其中，转换器以比已提到的另一转换器更高的切换频率来操作，例如，将双向电流馈送到三相电动机或主电源变压器。

有利的是，可以通过具有相同电流强度的划分的电流导体的相应几何形状，将梯度场调整为与U形导体回路相同的值。在传感器结构中，存在恒定的磁场，其可用于调整线性测量范围，而在先前的U型支腿解决方案中可能出现的寄生磁场会干扰该偏移场，即会无意中增强或减弱偏移场。根据本发明的电流传感器组件的几何形状使得这种影响通常可以忽略。此外，有利的是，根据本发明的电流传感器组件具有高阶跃响应，即接通电流时的快速响应，直至可识别出突然的电流变化为止，其中，最大电流高达600Amp标称电流及已经考虑了约1000A的峰值电流。因此，根据本发明的电流传感器组件也非常适合用于短路检测或电流监视，并且可以承担电子熔断器的传感器任务。

由于总电流被分为两条路径，被分成通过导体部的两个分电流，并且电流方向发生变化，因此，导体部的横截面可能会比例如在其中U形电流回路承载总电流的现有技术的要更小。因此，可以实现更紧凑的设计，并且可以实现紧凑的结构。使用法拉第笼进行的电容注入屏蔽很容易实现。在电流超过300A的情况下，可以将电流导体的几何形状用作机械传感器组件支撑，其例如应用于聚酰亚胺硬质柔性PCB基板。由于两个导体部上的电流分量都减少，因此聚酰亚胺的绝缘厚度和爬电电流形成特性也可用于更高的电流。

由于在该应用中寄生交叉场可以被抑制，因此，特别是在大电流的情况中，在很大程度上可以省去磁量集中板，其中，这些磁量集中板用于提高U形导轨中的特性曲线线性，并且显著减小的漏电感可促使更长的反应时间并降低应用中的切换损耗。在瞬态电流变化的情况下，可以大大减少感应信号干扰的感应注入，因为与U形组件相比可以省去导体回路。可以将两个导体回路分开并以一个突兀的角度或实际上以均匀倒圆的方式组合在一起。还减小了例如在诸如散热器、壳体板或屏蔽之类的金属层中引起循环电流的传感器干扰场，因此甚至可以独立于频率来保持带宽和高范围测量分辨率。

最后，与提供U形导体部相比，简单的几何设计可降低机械制造的成本，其中，更小的几何形状也可以节省浪费和材料。由于可以使用较小的基板厚度并且增加了间距，因此温度特性也得到了改提高。电流不对称也可以被很容易地控制和补偿。已经发现，AMR特性曲线的大约1/3的共模操作点移位已被证明是可以接受的，其中，该操作点移位可以通过传感器和两个导体部之间的不同距离或基板上的横向偏移而在结构上进行补偿，或在进一步的信号处理中进行数学补偿。

在本发明的有利的改进方案中，可以在测量平面的下方引导一个导体部并且在测量平面的上方引导一个导体部。主电流被载于馈送导体中。导体部根据其横截面比率和传导性划分电流，并相对于磁阻梯度传感器的布置将其沿相同的方向引导。两个电流分量在每种情况下都会产生围绕导体部的磁场，其中磁场在梯度传感器所在的测量平面上相遇。每个磁场可以分解为两个分量，其中切向分量位于测量平面中，法向分量垂直于测量平面。通过磁阻梯度传感器检测位于测量平面中的切向分量。垂直于测量平面的两个磁场的磁场分量彼此相对并且至少部分彼此抵消。因此，磁阻梯度传感器仅承受位于测量平面中的切向分量，并且不受寄生磁场分量的影响。

在另一有利的实施例中，两个导体部可以具有相同的电流分量以及距测量平面和距磁阻梯度传感器相同的相对距离。在该实施例中提出，将电流导体分成两个导体部，在电流通过时，将电流划分为两个相同的电流分量，其中每个电流分量通过导体部被载于对于测量平面而言相同的方向上。在导体部之间设置有布置在板上的磁阻梯度传感器，该传感器测量对于磁阻梯度传感器而言沿相反方向延伸的磁场。在此，梯度传感器基本上布置在两个导体部的电流密度中性点之间的对角连接部分的中点处，并且其测量平面布置为与连接距离成一定角度，以使切向分量适合具有用于检测期望的电流强度范围的梯度传感器的磁场检测范围。相对于连接部分的角度在0°至90°之间，特别是在30°至60°之间，优选地45°的角度范围是可行的。因此，每个导体部被布置成与磁阻梯度传感器、特别是与距测量平面相距相同的距离。这两个磁场在每种情况下也可以分解为两个磁场分量，其中位于测量平面中的两个切向分量形成由磁阻梯度传感器进行测量的梯度场，而垂直于测量平面的两个法向分量被划分。这里，垂直于测量平面的两个分量对电流测量没有影响。

在另一有利的实施例中，两个导体部可以具有不相同的电流分量和/或距测量平面和距磁阻梯度传感器不相同的相对距离，其中，不相同的电流分量和/或不相同的距离可以通过这种方式相互补偿，或者可以借助于校正系数或校正特征曲线来补偿所得电流测量值的校正。在该实施例中提出，两个导体部都配置有不同的传导性。从而，载于主导体中的电流被划分为两个不同的电流分量。由于电流或磁场不对称性，需要空间上的不对称性，使得切向分量在梯度传感器的位置处具有近似相同的大小。这可以通过电流分量较小的磁阻梯度传感器与导体部之间的距离小于电流分量较大的磁阻梯度传感器与导体部之间的距离来实现。因此，不相同的电流分量可以通过空间布置不对称性、特别是通过导体部之间的不相同的间距来进行补偿。梯度传感器组件还可以采取“背负(Piggy-Back)”布置的形式，即，将规则地集成在IC壳体中的梯度传感器引入顶部上方。从而实现梯度传感器组件的空间不对称性，其中，测量平面的位置可以相对于电流导体组件和载板/膜进行改变。电流不对称性可以基本上通过梯度传感器组件的空间不对称性来进行补偿。

或者可以想到，两个导体部具有不相同的电流分量并且具有与磁阻梯度传感器相同的相对距离。可以使用校正因子或校正特征曲线来校正所电流测量值，即切向分量的不相同的大小。这样，可以通过尤其可以根据电流强度而选择的校正特征曲线或校正系数来补偿空间不对称性或电流不对称性。结果，在结构上困难的条件下的集成以及随后的电流测量校准特别容易实现。

在另一有利的实施例中，磁阻梯度传感器可以布置在柔性PCB膜上。在该实施例中，PCB膜采取电流传感器组件的基板或电路载体的形式。PCB膜具有热稳定性和化学稳定性、阻燃性、不导电性、超疏水性和柔性形状。在利用电流导体组件的紧凑的、节省空间的结构进行电流测量的情况下，可以在空间上改变电流导体之间的梯度传感器的布置。因此，可以将磁阻梯度传感器灵活地引入并定向于电流导体的槽中。此外，有利的是，电流导体组件具有较小的尺寸，使得通过其紧凑的结构，可以廉价地制造和安装电流导体组件。

在另一有利的实施例中，两个导体部可以相对于磁阻梯度传感器的测量平面而对称地在高度上偏移，其中，一个导体部在测量平面下方延伸，而一个导体部在测量平面上方延伸。在该实施例中提出，两个导体部相对于磁阻梯度传感器的测量平面而言在高度上偏移，并且两者具有与测量平面相同的相对距离。两个导体部优选地具有相同的电阻，即，传导性。在另一变型中，使两个导体部的电阻不相同，从而在两个导体部中形成两个不相同的电流分量。可以通过校正系数或校正特征曲线来校正所电流测量值，其中，电流不对称性可以被补偿。

在另一有利的实施例中，两个导体部可以相对于磁阻梯度传感器的测量平面而不对称地在高度上偏移，其中，一个导体部在该测量平面下方延伸，而一个导体部在该测量平面上方延伸。当两个导体部中通过不相同的电流时，进一步有利的是将两个导体部相对于磁阻梯度传感器的测量平面而非对称地在高度上偏移，其中，一个导体部在测量平面的下方延伸，而一个导体部在测量平面的下方延伸。因此，两个导体部布置在测量平面的下方和上方，并且具有与测量平面不相同的相对距离。因此，磁阻梯度传感器布置得更靠近引导较小电流分量的导体部，即，测量平面与具有较小电流分量的导体部之间的相对距离小于测量平面与具有较大电流分量的导体部之间的距离。在此，与导体部的电流密度分布的几何中心点之间的距离至关重要，其中，可以简单地用半径为0的线性导体代替导体部的空间配置，该线性导体会产生基本相同的磁场。不相同的电流分量可以通过这种方式来进行补偿。由两个电流分量产生的梯度场可以被精确地测量。

在另一有利的实施例中，两个导体部可以位于共同导体平面中，并且，磁阻梯度传感器可以布置为与两个导体部所在的导体平面成角度β，其中角度β在0°至90°之间，特别地在30°至60°之间，特别地为45°。为此，导体平面是穿透两个平行引导的导体部和导体部的电流密度的几何中心点之间的直角连接线的平面。在该实施例中，两个导体部和磁阻梯度传感器不是彼此平行布置，而是相对于彼此倾斜，优选地彼此倾斜45°。两个导体部可能具有相同或不同的电流分量。在相同的电流分量的情况下，两个导体部优选地相对于磁阻梯度传感器的测量平面而对称地布置，其中，磁阻梯度传感器布置为与导体平面成角度β。或者，两个导体部可以具有不相同的电流分量。这里有利的是，磁阻梯度传感器与导体平面成角度β，并且两个导体部相对于磁阻梯度传感器的测量平面而不对称地布置，其中，磁阻梯度传感器靠近承载较小电流分量的导体部。通过改变角度β，可以将待测量的电流强度范围调节到梯度传感器的磁场测量范围。

在另一有利的实施例中，两个导体部可以由至少一个跨接线和汇流排形成，其中跨接线与汇流排电接触。该实施例可以考虑具有用于桥接的跨接线或多个跨接线的单个汇流排，从而两个导体部由跨接线和汇流排形成。在此，跨接线与汇流排电接触，其中跨接线采取旁路的形式。汇流排可以布置在PCB膜或PCB导体轨道上。跨接线还可以由一束导体或接合线组成。由跨接线绕过的汇流排的导体部的横截面可能会减小，并且通常会承载比汇流排更小的电流分量，从而使梯度传感器的非对称位置更靠近跨接线而不是汇流排线是可行的和/或借助于校正因子或校正特征曲线或性能图通过(非线性)加权的校正是可行的。上述汇流排还可以具有用于固定跨接线的凹部或电导率降低的区域，从而获得可调节的电流不对称性和磁场不对称性。电流传感器组件的空间不对称性有利于抵消电流不对称性和磁场不对称性，其中，磁阻梯度传感器可以布置得更靠近其中流过较小电流分量的导体部，从而来补偿电流不对称性。这里，也可以容许电流差小于10％、优选小于5％、特别是小于1.5％。

在另一有利的实施例中，导体部可以采取冲压弯曲部分的形式，该冲压弯曲部分具有槽，在槽中布置磁阻梯度传感器。在该实施例中，被划分的导体可以由冲压弯曲部分一体式制造，其具有用于定义导体部的槽。在此，这些开槽部分别延伸作为导体部，从平行于导体平面的导体平面向下和向上弯曲；或者，梯度传感器可以倾斜地布置在导体部之间。在开槽部之间，磁阻梯度传感器可以布置在柔性PCB膜上。因此，磁阻梯度传感器可以在空间上可变地引入到冲压弯曲部分的槽中。作为上述实施例的替代，导体部也可以是多件式的，例如是两个相同的冲压部分。两个相同的冲压部分可以通过两个间隔件连接(例如钎焊、铆接或熔焊)在一起，其中，第二冲压部分可以相对于第一冲压部分旋转180°。也可以设想以这样的方式构造这类导体部，即，使得直轨具有适当的铣削部分，从而可以设置导体部。

在另一有利的实施例中，两个导体部可以由通常为柔性的导体线束的两个束形成，其中，它们由细的单根导线组成，从而形成易于弯曲的电导体。该实施例考虑了被划分的线束的导体，其中两个线束将两个被划分的电流路径定义为导体部。磁阻梯度传感器可以例如被布置在PCB膜上，并且梯度传感器因此可以被插入在被划分的电流路径之间。两条电流路径可以采取具有相同电阻的两条线束束的形式。因此，两个相同的电流分量可以载于两个导体部中。对于测量平面而言，磁阻梯度传感器可以相对于两个导体部而对称地在高度上偏移。

或者，该电流传感器组件可以包括具有不相同电阻的两个导体部，即每条线束束具有不相同数量的细线。通过这些电流导体的电流会在两个导体部中产生不相同的电流分量。这里，电流不对称性可以通过空间电流传感器组件不对称性来消除，其中，在磁阻梯度传感器和具有较小电流分量的导体部之间设置相应较小的距离。为此可以设想，电流不对称性可以通过校正系数或校正特征曲线来进行补偿。

在另一有利的实施例中，导体部可以采取具有两个槽的平行开槽管的形式，其中，磁阻梯度传感器可以优选地布置为与槽成一定角度。在该实施例中，与导体线束成直角来形成共同导体平面。在此，有利的是，使梯度传感器相对于开槽管倾斜，从而可以测量梯度场。在此，开槽管相对于梯度传感器的测量平面对称地布置。优选地，可以考虑将梯度传感器布置在PCB膜上。因此，梯度传感器可以根据所测量的磁场位置在槽中灵活移动。

在另一有利的实施例中，可以提供磁屏蔽，其中，磁屏蔽基本上完全围绕导体部，并且磁屏蔽优选地采取两个半圆形或成角度的铁或钢管状半体的形式。该磁屏蔽屏蔽磁阻梯度传感器不受外界、例如干扰场或多相布置附近的另一条线的影响，从而对封装在内部的梯度传感器产生很小的影响。磁屏蔽基于铁磁性物质的高磁导率。外部磁场的通量线很容易进入由铁磁物质制成的物体，然后在该物体内行进，然后再次出现，其中，被屏蔽层包围的区域实际上保持无磁场。由于空的磁屏蔽，没有磁通量线进入磁屏蔽的内部，其中，磁屏蔽采取两个半圆形或矩形铁管半体的形式。如果在电流测量结构的紧邻区域布置有对磁场敏感的组件，则外部屏蔽意味着只有很小的磁场出现。

最后，另一有利实施例提出，对于三相或多相系统而言，三个或多个磁阻梯度传感器可以布置在共同的板上，优选在PCB膜上。在此，每个电流相被分为两个导体部，这两个导电部分别在板的上方延伸和下方延伸，其中，每个电流相的导体部优选位于共同的导体平面中，并且将不同电流相的导体平面布置为在高度上偏移并且彼此侧向地偏移，并且特别地，以一定角度在导体平面的导体部之间来引导板。由于电流传感器组件是倾斜的，因此可以提供紧凑的布置以及节省空间的所有相的测量。

此外，作为关于三相或多相系统的上述实施例的进一步扩展，三个或多个磁阻梯度传感器布置在共同的板的正面和背面上，而不是在一侧上。通过在共同的板的正面和背面上的三个或多个磁阻梯度传感器的结构，可以为三相或多相系统提供更小且更紧凑的电流传感器组件。通过电流传感器组件的这种结构(即，其中三个或多个磁阻梯度传感器交替地布置在共同板的正面和背面上)，可以提高测量质量，因为在相同的电流传感器组件(其中，三个或多个磁阻梯度传感器布置在共同的板的一侧)的空间尺寸条件下，相对于相邻相位的信噪比更高。因此，三个电流导体的导体部可以更靠近在一起并且彼此抵消以形成共模场。

附图说明

其他优点可以由当前的附图描述得出。附图示出了本发明的示例性实施例。附图、说明书和权利要求书包含许多特征的组合。本领域技术人员可以有针对性地考虑这些特征，并将它们组合为有意义的进一步的组合。

其中：

图1示出了根据现有技术的具有U形电流导体的组件；

图2a是根据现有技术的电流测量的示意图；

图2b是根据本发明的电流测量的第一变型的示意图；

图2c是根据本发明的电流测量的第二变型的电流测量的示意图；

图3是电流传感器组件的第一实施例的示意图；

图4a是电流传感器组件的第二实施例的示意图；

图4b是根据第二实施例的电流测量的进一步的示意图；

图5a是电流传感器组件的第三实施例的示意图；

图5b是根据第三实施例的电流测量的进一步的示意图。

图6是电流传感器组件的第四实施例的立体图；

图7是电流传感器组件的第五实施例的示意图；

图8a是电流传感器组件的第六实施例的示意图；

图8b是电流传感器组件的第七实施例的示意图；

图9是电流传感器组件的第八实施例的示意图；

图10是电流传感器组件的第九实施例的示意图；

图11a是电流传感器组件的第十实施例的第一变型的示意图；

图11b是电流传感器组件的第十实施例的第二变型的示意图；

图12是电流传感器组件的第十一实施例的示意图。

具体实施方式

这些附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。附图仅示出示例，不应被理解为限制性的。

图1示出了现有技术中已知的电流测量组件100。电流测量组件100具有传感器元件107和U形导体件101，其中，就电流测量而言有源的支腿104在z方向上相对于就电流测量而言寄生的连接腹板102和连接线105设置在后面，以使寄生磁场分量基本上成直角地穿透传感器元件107的传感器结构的磁场中性取向平面。通过将支腿104在z方向上相对于连接线105和连接腹板102偏移的布置确保了寄生磁场分量被抑制或仅穿透磁场中性取向平面，而就电流测量而言有源的且待被检测的磁场分量穿透传感器元件107的磁场敏感取向平面。

图2a示出了现有技术中对应于图1的示意性电流测量原理。相应的电流测量组件由位于y-z平面中的U形导体回路和布置在平行于导体回路的平面中的传感器元件组成，其中，导体回路具有连接线、支腿和连接腹板。就电流测量而言有源的两条支腿中，电流相对于梯度传感器12在相反的方向上流动，其中，在一条支腿中，电流16a沿方向17a流动，而在另一条支腿中，电流16b沿方向17b流动。在电流支腿104中产生磁场60a、60b，其中，磁场60a、60b围绕着支腿104。磁场60a和60b在传感器元件所在的测量平面20中相交。每个磁场60a、60b可以分解成两个分量，其中，切向分量位于测量平面20中并且可以由传感器元件测量，而另一个法向分量垂直于测量平面20。两个磁场的垂直于测量平面20的法向分量相加并指向同一方向。在这种情况下，传感器元件仅测量位于测量平面20中的两个切向分量之间的差，其中位于测量平面中的分量相反地定向并因此形成梯度场。

图2b是电流测量的第一变型实施例的示意图。根据本发明的电流传感器组件包括：磁阻梯度传感器12，其测量由电流并行流过的两个导体部中产生的梯度场；和相对于测量平面20在高度上偏移的两个导体部。磁阻梯度传感器12限定测量平面20。电流分量16a、16b沿相同方向流动。由电流分量16a、16b产生的磁场在测量平面20中沿相反的方向相交。由导体部沿方向17产生的磁场60a具有磁场方向62a，由导体部沿方向17b产生的磁场60b具有磁场方向62b。磁场62a、62b中的每个可以分解为两个分量。可以通过磁阻梯度传感器来测量位于测量平面20中的切向分量。相比之下，与测量平面20成直角的法向分量被分解。通过测量梯度场，可以确定电流，其中，由位于测量平面20中的两个切向磁场分量之间的差来提供梯度场。

图2c示出了根据本发明的电流测量的第二变型实施例。在该实施例中，两个导体部布置在共同的导体平面中。磁阻梯度传感器相对于导体平面倾斜一角度，其中，在磁阻梯度传感器12和两个导体部之间形成相同的距离。电流分量16a、16b具有相同的大小。由此产生磁场60a、60b，并且磁场60a、60b分别具有磁场方向62a和62b。磁阻梯度传感器12布置在测量平面20中，其中，磁场60a和60b在测量平面20中相遇并且由磁阻梯度传感器12测量。两个磁场60a和60b的切向分量相对于测量平面20沿相反方向行进，并且可以分别分解为两个分量，其中，一个切向分量位于测量平面20中，而另一个法向分量与测量平面20成直角。与测量平面20成直角的两个切向分量被分解，并且磁阻梯度传感器12测量位于测量平面20中的分量。从而可以确定载流的大小和频率。

图3示出了电流传感器组件10的第一实施例。电流导体56分为两个导体部14a、14b，其中，相应的电流分量16a和电流分量16b在导体部14a、14b中沿相同的电流流动方向流动。PCB膜18上的传感器元件11放置在两个导体部14a、14b之间，其中，传感器元件11包括磁阻梯度传感器12，该磁阻梯度传感器12在测量平面20中测量磁场的一个切向分量的磁场强度差。在这种情况下，测量平面20被定义为，使梯度传感器12的磁阻电阻器位于该测量平面20中，该电阻器对于平行位于测量平面20中的磁场的矢量分量(切向分量)而言是敏感的。此外，两个导体部14a、14b相对于测量平面20在高度上偏移反平行(antiparallel)的。

图4a示出了电流传感器组件38的第二实施例，其包括两个导体部14a、14b和传感器元件11，其中，传感器元件11布置在PCB膜18上。不相同的电流分量16a和16b在相应的导体部14a、14b中流动。为了使两个电流分量的不相同大小均衡，空间不对称对于电流测量是有利的，其中，空间不对称通过传感器元件11的IC壳体的“背负(Piggy-Back)”布置而实现，其中，选择隐藏在其中的梯度传感器12的IC基板。“背负”布置被构造成，使得传感器元件11的IC壳体引入顶部上，其中，磁阻梯度传感器12与测量平面20不对称地布置在IC壳体中。由此使测量平面20的相对高度相对于PCB 18的表面移位。因此，可以在导体部14a、14b之间实现测量平面20的不对称布置。

图4b示出了图4a中的电流传感器组件38的第二实施例的电流测量。两个导体部具有不相同的电流分量16a、16b，电流分量16a、16b沿相同的电流流动方向引导。测量平面20由磁阻梯度传感器12的布置和取向而定义。相应的导体部14a和导体部14b中的电流产生沿相反方向行进的磁场60a和磁场60b。在x方向上的距离dx1(对应于磁阻梯度传感器12和导体部14a之间在x方向上的距离)小于在x方向上的距离dx2(对应于磁阻梯度传感器12和导体部14b之间在x方向上的距离)。在这种情况下，在y方向上的距离dy1小于在y方向上的距离dy2，其中，在y方向上的距离dy1对应于在磁阻梯度传感器12和导体部14a之间y方向上的距离，在y方向上的距离dy2对应于磁阻梯度传感器12和导体部14b之间在y方向上的距离。由于电流传感器组件的最终空间不对称性，电流分量16a、16b相对于切向分量的大小的差异可以得到补偿。两个磁场60a、60b可各自分解为两个分量。切向分量位于测量平面20中，法向分量垂直于测量平面20。垂直于测量平面20的两个法向分量可以相互补偿，而位于测量平面中20中的两个切向分量之间的梯度由磁阻梯度传感器12测量。

图5a示出了电流传感器组件40的第三实施例。电流导体56分为位于共同导体平面22中的两个导体部14a、14b。具有相同的方向和不相同的大小的相应的电流分量在两个导体部14a、14b中引导。布置在PCB膜18上的传感器元件11相对于导体平面22成角度β 36而布置，即，磁阻梯度传感器12相对于导体平面22倾斜。角度β36优选地选自以下范围：30°至60°，优选45°。如果电流分量16a小于电流分量16b，则两个导体部14a、14b相对于测量平面20不对称地布置。换句话说，测量平面20和导体部14a之间的距离可能小于测量平面20和导体部14b之间的距离，从而可以通过磁阻梯度传感器12精确地测量磁场强度差。

图5b示出了与电流传感器组件40的第三实施例有关的电流测量。两个导体部14、14b布置在共同导体平面中，其中，导体部14a、14b具有电流分量16a和电流分量16b，电流分量16a和电流分量16b具有不相同的电流大小并沿相同的电流流动方向引导。测量平面20相对于两个导体部14a、14b而倾斜一角度β，其中，由于电流不对称，两个导体部14a、14b相对于测量平面20不对称地布置。在该实施例中，导体部14a和导体平面20之间的距离d1小于导体部14b和导体平面20之间的距离d2。产生的两个磁场60a、60b在测量平面20处相交。因此，磁阻梯度传感器可以测量两个磁场之间的差异。最佳的不对称取向和相对于导体部的各距离可以在设计过程中通过计算机辅助的场模拟或经验性地通过机械校准针对所需的电流测量范围而被预先确定。

图6示出了电流传感器组件42的第四实施例。导体部由三根平行引导的跨接线24和实心汇流排26形成。在导体部之间，传感器元件11布置在PCB膜18上或刚性PCB上。传感器元件11包括具有测量平面20的磁阻梯度传感器12，其中，可以在磁阻梯度传感器12的该测量平面20中测量磁场强度差。此外，电流分量16a在跨接线24中流动，而电流分量16b在汇流排26中，其中，电流分量16a和电流分量16b是相同的，从而两个导体部相对于测量平面20对称地在高度上偏移，从而在测量平面20和两个导体部之间提供相同的距离。

图7示出了电流传感器组件44的第五实施例。导体部由导体线束28的束30a、30b形成。具有与束30b中的电流分量16b的电流流动方向相同的电流流动方向的电流分量16a在束30a中流动。传感器元件11布置在束30a和束30b之间，该传感器元件11包括磁阻梯度传感器12，从而由束30a、30b产生的磁场可以由磁阻梯度传感器12在测量平面20中检测。

磁阻梯度传感器12和两个束30a、30b之间的距离可以根据电流分量来确定。在两个束30a、30b中具有相同的电流分量的情况下，束30a、30b相对于测量平面20、特别是磁阻梯度传感器12而对称地布置，即，提供了电流传感器组件的空间对称性。相比之下，两个束30a、30b相对于测量平面20、特别是在不相同的电流通过的情况下的磁阻梯度传感器12而不对称地在高度上偏移，其中，在测量平面20和具有较大电流分量的束之间提供更大的距离。

图8a示出了关于三相系统的电流传感器组件46的第六实施例。三个传感器元件11布置在其顶部的共同板64上，其中，每个传感器元件11包括磁阻梯度传感器12。在这种情况下，每个电流相U、V、W划分为两个导体部14a、14b，它们分别在板64的上方和下方延伸。此外，每个电流相U、V、W的导体部14a、14b位于共同导体平面中，而不同的电流相U、V、W的导体平面被布置成在高度上偏移并且侧向地偏移。板64以一定角度布置在导体平面的导体部14a、14b之间，使得每个梯度传感器12和与其相关联的导体部14a、14b相距相同的距离，其中导体部14a、14b具有其电流相。在这种情况下，三个磁阻梯度传感器12布置在共同板64的一侧上。这种紧凑的设计使得可以测量多相系统，在多相情况下，例如在六相系统中，可以相应地缩放比例。

图8b示出了电流传感器组件48的第七实施例。该电流传感器组件同样涉及三相系统。在共同的板64上布置了三个传感器元件11，其中，这三个传感器元件11分别包括磁阻梯度传感器12。每个电流相U、V、W分为两个导体部14a、14b，它们分别在板64的上方和下方延伸。板64相对于不同的电流相U、V、W的导体部14a、14b而倾斜。在该实施例中，三个磁阻梯度传感器12交替地布置在共同板64的正面和背面上，从而促使整个系统的更紧凑的设计。在这种情况下，有利的是，可以利用图9a和9b中的实施例对所有三相U、V、W进行高度节省空间的电流测量。

图9示出了电流传感器组件50的第八实施例。该电流传感器组件包括两个导体部14a、14b和传感器元件11，其中，两个导体部14a、14b采取具有两个对角相对的槽32的平行开槽管的形式。因此，两个导体部14a、14b布置在共同径向平面中，其中，相同的电流分量在两个导体部14a、14b中流动。传感器元件11包括磁阻梯度传感器12，并且布置在PCB膜18上。磁阻梯度传感器12因此可以在管内移动并且相应地被布置在正确的位置处，尽管如此，也可以在刚性PCB上进行布置。磁阻梯度传感器12相对于两个导体部14a、14b成一定角度布置。电流分量16a和电流分量16b各自产生磁场。产生的磁场的差异可以用磁阻梯度传感器12测量。此外，设置有包覆式磁屏蔽34，其采取两个半圆形的钢管半体54的形式。该磁屏蔽34使磁阻梯度传感器12免受外部影响，从而对封装在内部的磁阻梯度传感器12产生轻微的影响，并且还为由外部布线引起的电流导体的杂散磁场提供屏蔽。

图10示出了电流传感器组件52的第九实施例。该电流传感器组件包括两个导体部14a、14b和传感器元件11。在两个导体部14a、14b之间布置传感器元件11，其中磁阻梯度传感器12检测梯度场并且其布置在PCB膜18上。两个导体部14a、14b相对于测量平面20对称且反平行地在高度上偏移，在测量平面20中测量磁场强度差。电流分量16a和电流分量16b在导体部14a、14b中沿相同的方向流动。在电流传感器组件的外部，形成了两个矩形的钢管半体54作为磁屏蔽34，其具有两个槽32，并根据图9屏蔽干扰。

图11a示出了电流传感器组件58的第十实施例。电流导体56采取一件式冲压弯曲部分的形式，其被划分为两部分并具有槽32，其中传感器元件11布置在PCB膜18上。在这种情况下，开槽部被构造为导体部14a、14b。主电流I在电流导体56中流动，该主电流被导体部14a、14b分为两个电流分量16a、16b，并相对于磁阻梯度传感器12被载于相同的方向上。由于柔性PCB膜18，磁阻梯度传感器12可以以空间可变的方式被引入电流导体56中的槽32中。

图11b示出了电流传感器组件70的第十一实施例。与图11a相比，电流导体采取两个冲压弯曲部分连接在一起的形式。冲压弯曲部分72a和冲压弯曲部分72b被钎焊、铆接或熔焊在一起，从而将两个冲压弯曲部分连接在一起，并且可选地由间隔件隔开，该间隔件限定了与测量平面20的空间距离。这样，冲压弯曲部分可以设置为两个导体部。两个冲压弯曲部分构造为彼此反平行，并且磁阻梯度传感器12可以可选地相对于两个冲压弯曲部分倾斜地布置，优选地相对于两个冲压弯曲部分倾斜45°，以便将测量平面适配至磁场轮廓。由此，可以测量主电流。

图12示出了电流传感器组件59的第十二实施例。两个导体部采取两个束30a、30b的形式，其由导体线束28a、28b形成。在束30a中流动的电流分量16a产生磁场，该磁场借助于传感器元件11的磁阻梯度传感器12在测量平面20中被检测。此外，由电流分量30b产生的磁场借助于磁阻梯度传感器12在测量平面20中被同时测量。因此，可以确定位于测量平面20中的切向磁场强度分量之间的差异，从而提供对总电流的了解。此外，提供了磁屏蔽，其采取两个半圆形的钢管半体54的形式。由于传感器元件11布置在PCB膜上，所以传感器元件11或磁阻梯度传感器12可以以空间可变的方式来布置。

附图标记列表

10 电流传感器组件的第一实施例

11 传感器元件

12 磁阻梯度传感器

14a 导体部a

14b 导体部b

16a 电流分量a

16b 电流分量b

17a 方向a

17b 方向b

18 PCB膜

20 测量平面

22 导体平面

24 跨接线

26 汇流排

28 导体线束

30a 束a

30b 束b

32 槽

34 磁屏蔽

36 角度β

38 电流传感器组件的第二实施例

40 电流传感器组件的第三实施例

42 电流传感器组件的第四实施例

44 电流传感器组件的第五实施例

46 电流传感器组件的第六实施例

48 电流传感器组件的第七实施例

50 电流传感器组件的第八实施例

52 电流传感器组件的第九实施例

54 钢管半体

56 电流导体

58 电流传感器组件的第十实施例

59 电流传感器组件的第十二实施例

d1 导体部a和测量平面之间的距离

d2 导体部b和测量平面之间的距离

60a 磁场a

60b 磁场b

62a 磁场方向a

62b 磁场方向b

64 共同的板

I 主电流

66 馈送导体

68 板

70 电流传感器组件的第十一实施例

72a U形冲压弯曲部分a

72b U形冲压弯曲部分b

100 电流测量组件

101 导体片

102 连接腹板

104 支腿

105 连接线

107 传感器元件

dx1，dx2 在x方向上的距离

dy1，dy2 在y方向上的距离

d1，d2 距离

U，V，W 电流相

Claims (15)

1.一种电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，包括磁阻梯度传感器(12)，所述磁阻梯度传感器(12)布置在电流导体(56)的两个导体部(14a、14b)之间，其特征在于，所述导体部(14a、14b)将电流划分并相对于所述磁阻梯度传感器(12)的布置沿相同的方向引导，并且所述导体部(14a、14b)相对于所述磁阻梯度传感器(12)的测量平面(20)在高度上偏移。

2.根据权利要求1所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，一个导体部(14b)被引导于所述测量平面(20)下方，并且一个导体部(14a)被引导于所述测量平面(20)上方。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，所述两个导体部(14a、14b)具有相同的电流分量并且具有相对于所述测量平面(20)和所述磁阻梯度传感器(12)的相同的相对距离。

4.根据前述权利要求1和3中任一项所述的电流传感器组件(10，38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，所述两个导体部(14a、14b)具有不相同的电流分量和/或具有相对于所述测量平面(20)和所述磁阻梯度传感器(12)的不相同的相对距离，其中，所述不相同的电流分量和所述不相同的距离彼此补偿或者能够借助于校正系数或校正特征曲线采取电流测量值的校正。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，所述磁阻梯度传感器(12)布置在柔性PCB膜(18)上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，所述两个导体部(14a、14b)相对于所述磁阻梯度传感器(12)的测量平面(20)对称地在高度上偏移，其中，一个导体部(14b)在所述测量平面(20)下方延伸，而一个导体部(14a)在所述测量平面(20)上方延伸。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，所述两个导体部(14a、14b)相对于所述磁阻梯度传感器(12)的测量平面(20)不对称地在高度上偏移，其中，一个导体部(14b)在所述测量平面(20)下方延伸，而一个导体部(14a)在所述测量平面(20)上方延伸。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，所述两个导体部(14a、14b)位于共同的导体平面(22)中，并且所述磁阻梯度传感器(12)布置为相对于所述两个导体部(14a、14b)所位于的所述导体平面(22)成角度β(36)，所述角度β(36)在0°至90°之间、特别是30°至60°之间、特别是45°角。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，所述两个导体部(14a、14b)由至少一根跨接线(24)和汇流排(26)形成，其中，所述跨接线(24)与所述汇流排(26)电接触。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，所述导体部(14a、14b)采取冲压弯曲部分的形式，所述冲压弯曲部分具有槽(32)，所述磁阻梯度传感器(12)布置在所述槽(32)中。

11.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，所述两个导体部(14a、14b)由导体线束(28)的两个束(30)形成。

12.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，所述导体部(14a、14b)采取平行开槽管的形式，所述平行开槽管具有两个槽(32)，并且所述磁阻梯度传感器(12)优选地布置为相对于所述槽(32)成一定角度。

13.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，设置有包括所述导体部(14a、14b)的磁屏蔽(34)，所述磁屏蔽(34)优选地形成为半圆形或矩形的两个钢管半体(54)。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，对于三相或多相系统，三个或多个磁阻梯度传感器(12)布置在共同的板(64)上，优选地布置在PCB膜(18)上，并且每个电流相都划分到两个导体部，所述两个导体部分别在所述板的上方和下方延伸，其中，每个电流相的导体部优选地位于共同的导体平面中，并且不同的电流相的导体平面布置为在高度上偏移，并且特别地，所述板成角度地布置在所述导体平面的所述导体部之间。

15.根据权利要求14所述的电流传感器组件(10、38、40、42、44、46、48、50、52、58、59)，其特征在于，对于三相或多相系统，三个或多个磁阻梯度传感器(12)布置在所述共同的板(64)的一侧上或交替地布置在所述共同的板(64)的正面和背面上。

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