CN111542758B - 多相电流测量装置和用于多相电流测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量具有N个电流导体(12)的多导体电流系统的电流的测量方法和多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，包括用于确定测量平面中相邻电流导体(12)的导体电流之间的磁场强度差的N‑1个磁阻梯度传感器(14)，其中N＞2。提出为了补偿两个相邻电流导体(12)的DC场分量的目的而相对于每个磁阻梯度传感器(14)布置另外的电流导体(12)中的至少一个的至少一个旁路导体(16)。根据该方法，为了抑制两个相邻电流导体(12)的导体电流的DC分量，至少一个另外的电流导体(12)的旁路电流，优选是所有另外的电流导体(12)的旁路电流被旁路导体(16)以对称的方式引导通过所述磁阻梯度传感器(14)的测量平面。

Description

多相电流测量装置和用于多相电流测量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量具有N个电流导体和N-1个磁阻梯度传感器的多导体电流系统的电流的电流测量装置，其中N>2，并且涉及一种相关联的测量方法，尤其是用于高电流测量的方法。

背景技术

从现有技术中已知一种方法和一种多相电流测量装置，该方法和多相电流测量装置借助于磁阻梯度传感器来测量测量平面中相邻的电流导体的导体电流之间的磁场强度差。

DE 197 48 550 A1和EP 0 874 244 B1相应描述了一种方法和一种多相电流测量装置，其中可以使用N-1个磁阻梯度传感器来测量N个导体中的电流。以这种方式可以实现电流测量装置的紧凑结构，其中，总电流可以使用电流导体和N-1个梯度传感器基于各个相邻的电流导体之间的梯度磁场测量值来确定。为此，明确参考上述文献的公开内容，这些文献提供了对差动电流测量原理的更详细的解释，该原理也是本发明的基础。

DE 197 48 550 A1描述了一种用于测量n个导体中的电流的方法以及用于执行该方法的装置。用n-1个磁阻传感器测量n个导体中的电流，其中传感器被构造为用于测量由导体电流或多个导体电流产生的磁场强度差的梯度计。

EP 0597 404 A2描述了一种用于确定多导体系统的导体电流的方法和设备。该方法是基于对多导体系统的总磁场中的矢量磁场强度的仪器检测。各个导体电流根据测得的场强来计算。用于执行该方法的测量装置包括与导体的数量相等的多个传感器，或者在三相系统的情况下，也包括仅两个传感器，它们布置在靠近三导体系统的总磁场中且在磁屏蔽设备内并且与评估设备连接。

然而，在实际使用中已经发现，现有技术的电流测量装置容易出错，特别是在测量每根电流导体可能达到数百安培的高电流时。因此，当将上述文献中公开的电流测量装置例如应用于三导体系统中的超过600A峰值的电流的测量时，发现高度的不准确性，这意味着上述方法实际上不能用于每个电流相大于100-500A峰值电流的电流测量。之所以这样的原因是对于实际使用试图使测量装置尽可能紧凑。在例如图1所示的这种高度紧凑的电流测量装置中，各个电流导体12之间的间距是如此之小，以至于相邻电流导体12之间的DC场(该DC场是在两个电流导体中由沿相同方向定向的电流产生的)将梯度传感器14的工作点转换到非线性特性曲线范围内，从而在大于100A峰值的高电流下出现明显的电流测量失真和不准确性。

另一方面，如果增加各个电流导体之间的间距，则梯度场会减小，这进而导致不准确的测量结果。这还极大地增加了安装空间，其中对于许多应用而言，扩大测量面积是不可能的。

当相邻的电流导体(它们之间布置有梯度传感器)在同一方向上承载相同强度的电流时，总是出现最大的DC场。如果DC场明显超过场梯度，则梯度传感器的特性曲线可能会被移动到无法精确确定电流梯度的非线性范围中。特别是在三相或更多相的旋转磁场应用中，这可能在一个周期内出现两次或更多次。通过闭环控制产生反磁场以便补偿DC场的影响的补偿设备不能在上述高电流值下实现充分的校正，从而在测量结果中出现非线性失真。

针对上述现有技术的背景，当借助于N-1个梯度传感器将磁阻梯度传感器应用于N个电流导体中的电流确定时，由此就会产生问题，并且如果超过特定的电流强度，则可能出现失真，其使得无法在多相电流系统中高电流下应用。

因此，本发明的目的是解决上述问题并改进现有技术的电流测量装置以使得即使在高电流应用中，即使使用电流测量装置具有紧凑的结构也能够实现准确且精确的电流测量。

该目的通过根据本申请中的技术方案的电流测量装置和电流测量方法来实现。

本发明的有利的实施例是本申请中的技术方案的主题。

发明内容

本发明基于一种用于测量具有N个电流导体的多导体电流系统的电流的多相电流测量装置，其中N>2，该多相电流测量装置包括N-1个磁阻梯度传感器，用于确定测量平面中相邻电流导体的导体电流之间的磁场强度差。

提出了相对于每个磁阻梯度传感器布置有另外的电流导体中的至少一个电流导体的至少一个旁路导体，用于补偿两个相邻的电流导体的DC场分量。

换句话说，提出了一种本身已知的多相电流测量装置，其具有多个电流导体，其中，在每种情况下被布置在两个相邻的电流导体之间布置有磁阻梯度传感器。梯度传感器测量两个相邻电流导体之间的磁差场。如果相同大小的DC电流在两个电流导体中沿相同方向流动，则不会测量到梯度场。如果不同强度的电流或沿不同方向的电流在两个电流导体之间流动，则测量到相应更高的磁差场。这种电流测量装置的基本操作模式在现有技术中是已知的。

在高电流下并且在两个相邻的电流导体的高的相同定向的电流分量的情况下，在梯度传感器处获得高磁场DC场，尽管该DC场不会引起磁梯度，但是却能够至少当DC场分量明显高于平行的相电流的差场分量时将梯度传感器的线性工作点移位到非线性范围中。为了补偿非线性失真，本发明提供了，将不与梯度传感器相邻而是被布置得更远的至少一个另外的电流导体的至少一个旁路导体引导到梯度传感器的区域中，以使得能够以这种方式补偿两个相邻电流导体的合成DC场分量。

例如，在三相系统中，大小完全相同且方向相同的电流可以出现于相角为30°和210°的两个电流相L1和L2之间，如图3所示。在这些相角处，布置在两个电流相L1和L2之间的梯度传感器将看到高的DC场分量(共模分量)，其使传感器的线性工作范围转移到非线性失真范围中。因此，实际上不可能在高电流(例如可能高于数百安培的峰值，特别是高于600A的峰值)下进行高电流测量。在这些相位点处，相反的电流会同时通过其他电流导体流回去，这是因为根据基尔霍夫第一定律，所有电流的总和为零，并且同样在其中产生了(相反定向的)DC场分量，从而，总的来说，所有的DC场分量彼此抵消。如果其余的电流导体中的至少一个、特别是全部将旁路导体带到梯度传感器附近，则可以明显减小梯度传感器的主导DC场，并由此保持线性工作范围。结果，即使高的电流分量也可以被准确地测量而没有线性失真。

在多相电流测量装置的一个有利的实施例中，至少一个旁路导体或旁路导体的组可以关于磁阻梯度传感器的测量平面对称地布置。以这种方式，可以确保由至少一个旁路导体或旁路导体的组产生的旁路磁场不会引起磁阻梯度传感器的梯度测量信号。磁阻梯度传感器通常被构造成使得可以识别两个在空间上可定义的区域，可以测量在这两个区域之间的磁梯度场，即与作用在这些区域之间的磁场的偏差。与其相邻的，可以定义测量平面中的空间区域，在该空间区域中梯度传感器不能测量任何差值，因为该区域与磁阻传感器的梯度区域对称。这产生测量平面的“中性”区域，其中对称磁场对梯度传感器的梯度测量信号没有影响。由于本发明涉及抑制存在于作用在梯度区域中的两个电流导体之间的磁场的DC场分量，因此特别有利的是，将用于减小梯度磁场的DC分量的旁路导体定位在测量平面的该“中性”区域中，即定位成相对于磁阻梯度传感器的测量平面对称。因此，作用其中的磁场不会引起梯度测量信号的变化但会起到消除或减小磁场的出现在位于梯度区域中的两个电流导体之间的DC场分量的大小的作用。因此，可以在不影响整个测量信号的情况下减小DC场分量，并由此将梯度传感器的测量范围转换为线性范围。

在一种有利的实施例中，电流导体的导体电流的可通过电流导体的旁路导体的电流分量可以是可调节的，特别是通过电流导体的被旁路导体绕过的部分的截面减小、绝缘区域和/或电阻区域来调节。为了有效地调节流过旁路导体的电流，该电流旨在减小两个相邻电流导体之间的梯度场的DC场分量，有利的是，限定旁路导体的电流的量，特别是针对可预定的高电流测量范围进行校准。为此，可以通过影响电流导体的导体部分中的电阻来限定电荷的量，该电流导体的导体部分的电流将通过旁路导体被引出并承载在位于那里的梯度传感器的区域中的相邻的电流导体的一个中。例如，通过减小被旁路导体绕过的电流导体的截面，可以实现对电阻的影响，而该电阻对流过旁路导体的电流分量具有直接影响。也可以例如通过消除或去除被旁路导体绕过的区域中的材料来提供绝缘区域。此外，可以在该区域中使用具有较高电阻的材料，例如，铝而非铜，或电导率比旁路导体略低的合适的合金，从而可以调节没有流过导体部分而是流过旁路导体的电流的百分比。通常，流过旁路导体的电流强度明显低于流过电流导体的被旁路导体绕过的部分的电流强度。例如，可以将被电流导体引导通过的电流的20％，优选为10％或更少引导通过旁路导体。相应地，仅需要略微增加电流导体的被旁路导体绕过的区域的电阻。

在另一个有利的实施例中，电流测量装置的所有磁阻梯度传感器可以沿着与电流导体的纵向长度正交的轴线布置。在该实施例中，正交轴线可以穿过多相系统包括的所有电流导体。沿着该正交轴线，梯度传感器在每种情况下彼此相邻且彼此平行地布置在两个电流导体之间。这形成所有的场梯度传感器的对称结构，场梯度传感器彼此相邻布置并且在每种情况下与彼此直接相邻的两个电流导体重叠。所有的场梯度传感器都沿着与电流导体成直角定向的轴线布置，从而可以建立相同的条件。

作为上述实施例的替代，同样有利的是，磁阻梯度传感器相对于电流导体的纵向方向偏移布置。在上述实施例中，出现问题，即在每种情况下非直接相邻的电流导体的旁路导体必须在每种情况下在场梯度传感器下方沿着正交轴线延伸。这导致旁路导体彼此反复地重叠，因此需要旁路导体具有多层结构或复杂的电流导体布局。可以通过梯度传感器在电流导体的纵向长度上偏移布置来避免旁路导体的重叠。尽管这在电流导体的纵向长度上确实在空间上加长了电流测量装置，但是可以实现更紧凑的结构并且避免了旁路导体布局的多层结构。

因此，上述两个实施例可以被选择用于紧凑的设计或复杂的结构以及对称的实施例，并且根据应用领域相应地进行配置。

在本发明的一种有利的实施例中，梯度传感器可以布置在绝缘体层上方且电流导体和/或旁路导体布置在绝缘体层下方，其中，旁路导体的馈送导体优选在绝缘体层上方被引导。该进一步的改进提出了电流测量装置的至少两层结构，其中使用了绝缘体层，例如PCB或另一绝缘体层，电流导体可以被引导在该绝缘体层的下侧上。位于磁阻梯度传感器下方的旁路导体也可以在绝缘体层的下方被引导。梯度传感器(在每种情况下布置在两个相邻的电流导体之间并且平行于电流导体的至少一个旁路导体被引导位于其中每一个的区域中)被放置在绝缘体层上方。旁路导体电连接至另一非直接相邻的电流导体。可以例如在绝缘体层上方引导这个另一电流导体的馈送导体，使得可以使用技术上常规的两层结构的PCB。这产生了一种便宜且技术上可直接制造的多相电流测量装置。

在另一优选实施例中，旁路导体的馈送导体可以在电流导体和磁阻梯度传感器的测量平面的下方和/或上方的不同导电平面中延伸，并且旁路导体基本上在电流导体的平面中且平行于电流导体延伸。该实施例提出，电流导体和旁路导体都在同一平面中并且彼此平行地延伸。通常可以与电流导体成直角且和旁路导体成直角布置的馈送导体可以布置在所述测量平面的下方或上方的不同导电平面中，并且例如可以相应地进一步布置在电流导体下方和/或电流导体上方，例如在梯度传感器的高度处。因此，提出了一种多层结构，其特别是当所有梯度传感器沿着与电流导体正交的轴线布置时被使用，因为在这种情况下，至少两个或更多个旁路导体与馈送导体接触，并且馈送导体在每种情况下都与另一旁路导体相交。因此，电流测量装置的两层、三层或多层结构可适合于实现紧凑的设计。多层结构的另一个优点是由进一步远离磁场梯度传感器的馈送导体产生，并且其寄生磁场对梯度传感器的测量值的影响可以减小。

在另一个有利的实施例中，多个旁路导体可以相对于磁阻梯度传感器的测量平面水平或垂直相邻地布置。磁阻梯度传感器的测量平面是这样的平面，即两个平行引导的电流导体被引导在该平面中，这两个平行引导的电流导体之间的梯度场待被测量。旁路导体优选地也被引导在该测量平面中，但所述旁路导体被定位成相对于由梯度传感器检测的梯度区域成对称布置。该实施例提出，在具有N>3个电流导体的多相电流测量装置的情况下，其中对于所述装置，对于每个梯度传感器需要至少两个或更多个旁路导体，并且所述旁路导体可以彼此同心或者彼此水平或竖直相邻地布置，并且相对于该测量平面与梯度传感器对称地布置。因此提出了，旁路导体可以彼此平行或彼此堆叠地被引导在测量平面中或引导在其中性测量区域中在梯度传感器下方以多层同轴布置的形式，使得可以通过各个旁路导体来补偿DC场分量。因此，由旁路导体产生补偿磁场，该补偿磁场由非直接相邻的电流导体的流过平行相邻的旁路导体的各旁路电流引起。这些导体可以在测量平面内彼此平行延伸，也可以同轴地延伸穿过测量平面的中性区域。优选可以想到的是，将旁路导体彼此同心地引导，即例如以多层同轴电缆的形式引导，以便在梯度传感器的传感器中性区域中产生总磁场。

在另一有利的实施例中，磁阻梯度传感器可以包括优选可调节的场补偿设备。为此可以想到的是，梯度传感器除旁路导体之外还包括有源场补偿设备，该有源场补偿设备通过施加可控制的补偿电流而使得可以在梯度传感器中建立就像作用在测量值信号和DC场分量上一样的中性补偿场，从而可以消除两个导体之间的DC场分量。因此，关于通过DC场分量补偿测量值范围，除了旁路导体之外，还可以有源地驱动梯度传感器，其中，建议对补偿磁场进行闭环控制以用于此目的。在此对于场补偿设备有利的是，产生DC场或还可以产生基于多相电流系统的系统频率的随时间变化的场。场补偿设备可以进一步调整测量值范围，使得还可以精确地测量电流的各个数量级，而不会在电流测量中产生失真和不准确性，从而可以实现电流测量的高动态范围。

在一个有利的实施例中，电流导体和/或旁路导体可以单独地或共同地包括在铁素体组织中，以便预先确定磁通量方向。在此，铁素体组织至少局部地包围电流导体和/或旁路导体，并且有目的地将其磁场引导到梯度传感器的测量区域中，使得它精确地位于具有多于三个相的多相电流系统的空间分布的旁路导体中，旁路导体的磁场可以被引导到场梯度传感器的梯度中性区域中，并且可以提供对寄生场的屏蔽。还可以消除杂散场，并由此明显提高场准确度，从而可以提高测量精度。

一个有利的实施例可以包括三个电流导体和两个磁阻梯度传感器。因此，特别提出设计用于三相系统的电流测量装置，其中在每种情况下，仅一个旁路导体被引导在该两个梯度传感器中的一个的下方。这使得结构简化，并且旁路导体可以通过梯度传感器而恰好对称地布置在场中性的中间区域中，从而可以在高电流的三相系统中实现对DC场分量的非常好的补偿。

一个独立的方面提出了一种用于多相电流测量的方法，该方法优选使用如上所述的多相电流测量装置，其中，N-1个磁阻梯度传感器用于测量N个导体电流，其中N>2，并且在每种情况下，在两个相邻的电流导体之间布置具有测量平面的一个磁阻梯度传感器，以用于确定测量平面中在相邻的电流导体的导体电流之间的磁场强度差。该方法提出，通过对称于磁阻梯度传感器的测量平面通过至少一个另外的电流导体的旁路电流、优选是所有另外的电流导体的旁路电流，来抑制两个相邻的电流导体的导体电流的DC场分量。

因此，本发明提出，使来自多相系统中包括的所有另外的电流导体的一个或多个旁路电流通过梯度传感器的测量值中性区域，该测量值中性区域通常对应于通过梯度传感器的对称轴，以使得旁路电流产生的旁路磁场没有梯度作用。因此，梯度传感器的测量结果不受旁路电流的影响。如果在由梯度传感器检测的两个相邻电流导体中出现具有相同大小和相同方向的高DC分量，则这些电流的总和会流回到多相电流系统中包括的其余的电流导体中。由包括的另外的导体的所有旁路电流的磁场组合形成并产生的旁路电流补偿该DC场，使得梯度传感器不暴露于高DC场。因此，可以以结构简单的方式避免高电流应用中的DC场分量，从而可以实现所提出的多相电流测量装置的精确测量。

在测量方法的有利的进一步改进中，可以通过修改电流导体的被旁路导体绕过的部分的电阻来调节旁路电流的大小。该调节可以通过修改电阻来实现，修改电阻例如可以通过减小截面、使用具有不同电阻率的不同材料或使用具有较低电阻率的旁路导体来实现。旁路电流与流过这些导体中的一个的总电流的比例在此可以被调节成使得能够完美地抑制理想情况下出现的DC场分量。为此可以设想调整电阻变化所基于的可预定的电流范围。电阻的变化能够是可调节的，例如可以使用结构性措施来通过增大或减小截面或增大或减小被旁路导体绕过的部分中的电阻来调节电阻，从而可以最佳设置测量值范围。例如，可以设想使用依赖于电压的电阻器，即压敏电阻。因为旁路导体仅吸收流过电流导体的电流的百分之几，所以这里电阻的变化可以是仅为百分之几，或者是电阻的主要差值。

在另一有利的实施形式中，磁阻梯度传感器在每种情况下具有场补偿设备，该场补偿设备是可调节的，以用于测量范围校准。可以借助于优选基于用于消除DC场的闭环控制的场补偿设备来调节可预定的主磁场，该主磁场由此确定梯度传感器的工作点。作为测量范围校准的结果，场补偿设备可以产生可调节的磁场，从而可以将电流测量装置调节到不同的电流测量范围。

有利地发现，旁路电流小于导体电流的20％，优选地小于导体电流的10％，特别地小于导体电流的5％。考虑到如此少量的电流，旁路导体可以具有相对小的截面，并且旁路导体不需要具有高的载流能力，使得绝缘间隙和材料可以具有相应较小的尺寸。因此，可以提供一种结构简单且可便宜制造的电流测量装置。

附图说明

通过对附图的当前描述揭示了其他优点。附图示出了本发明的示例性实施例。本申请的技术方案中包含许多特征的组合。本领域技术人员还将方便地单独考虑这些特征，并将它们组合为有意义的其他组合。

在附图中：

图1是现有技术的三相电流测量装置的结构的示意性平面视图，

图2示出了三相系统的典型电流曲线，

图3示出了在根据图2的电流曲线中于电流相L1-L2之间建立的梯度和DC场分量，

图4以示意图形式示出了梯度传感器的传感器敏感梯度区域和传感器中性区域，

图5示出了根据本发明的电流测量装置的第一实施例，

图6示出了通过图5中所示的电流测量装置的截面，

图7示出了根据本发明的电流测量装置的另一实施例，

图8a、图8b示出了图7中所示的电流测量装置的各种变型的截面图示，

图9示出了根据本发明的电流测量装置的另一示例性实施例，

图10示出了根据本发明的电流测量装置的另一示例性实施例，

图11示出了根据本发明的四相电流测量装置的示例性实施例，

图12示出了通过根据本发明的六相电流测量装置的示例性实施例的截面，

图13示出了图12中所示的六相电流测量装置的实施例的局部视图，

图14是图12中所示的六相电流测量装置的一种变型的局部视图。

图中相同的元件用相同的附图标记表示。这些图只是示出一些示例，而不应被理解为限制。

具体实施方式

图1示出了从现有技术中已知的三相电流测量装置100。电流测量装置100包括三个平行引导的电流导体12，其在每种情况下承载三相电流系统的电流相L1、L2和L3。测量两个电流导体12(L1-L2)之间的梯度磁场的磁阻梯度传感器14(S1)插入在承载相电流L1的电流导体12和承载相电流L2的电流导体12之间。用于测量相梯度L2-L3的另一梯度传感器14(S2)插入在承载相L2和L3的两个电流导体12之间。

在借助于梯度传感器14(S1、S2)确定两个场梯度的基础上，可以使用众所周知的方法来确定三个电流导体12中的总电流，因为这两个梯度值在每种情况下均与电流相L1、L2和L3的相电流I₁、I₂和I₃的差值成比例。因此，由相电流获得两个梯度传感器S1、S2的两个梯度值U_S1和U_S2：

U_S1＝K₁·(I₁-I₂)

U_S2＝K₂·(I₂-I₃)

其中K₁、K₂为比例因子，其表示梯度传感器测量值与电流差的强度之间的关系，并且考虑到基尔霍夫定律：

得到具有三个未知数I₁、I₂、I₃的三个方程，其中，通过对梯度传感器的测量值的求和以及差计算：

U_S1-U_S2＝K₁·(I₁-I₂)-K₂·(I₂-I₃)和

U_S1+U_S2＝K₁·(I₁-I₂)+K₂·(I₂-I₃)

其中约束为：

I₁+I₃＝-I₂

并且假设K₁等于K₂＝K，即，使用相同的场梯度传感器，得到以下公式：

U_S1-U_S2＝K·(I₁+I₃-2I₂)＝K·(-3I₂)

通过适当的进一步计算可以直接得到三个电流相L1、L2和L3的每个导体电流I₁、I₂和I₃。

在N＞3的多相系统中，可以适当地对方程组进行多维扩展，以生成线性正定方程组，从而在每种情况下，可以通过测量两个相邻电流之间的场梯度来明确地确定各个导体电流。

在可预定义的磁场范围内，所使用的梯度传感器14(S1、S2)具有线性曲线，即，传感器测量值的大小线性地对应于相邻的电流导体之间的电流差值。但是，如果大的DC分量流过两个电流导体，则梯度传感器的测量点被转换到非线性范围内，在该非线性范围内，要么比例不占主导，要么梯度绝对不能再被测量，因为梯度传感器的磁阻特性是饱和的。因此，使用图1所示的现有技术中已知的电流测量装置无法进行高电流应用的准确测量。

图2示出了三相系统的典型正弦曲线，其具有三个电流相L1、L2和L3的三个电流I₁、I₂和I₃。每个电流相对于相邻电流偏移120°。

图3关于图1的传感器S1(14)不仅描绘了在电流相L1和L2之间形成的梯度场，而且描绘了在每种情况下由沿相同方向承载的电流产生的DC场分量。显然，关于电流相L1和L2，在每种情况中，在30°处和210°处获得最大的DC分量。在这些区域中产生高的DC场，使得传感器S1(14)几乎不再可能准确地测量这两个电流导体之间的梯度。特别在可能达到数百安培峰值的电流处，这会引起失真并因此引起不准确，其中特别在使用图1所示实施例的具有600A的峰值电流的装置中，不可能获得任何可用的测量结果。

图4是本发明所基于的类型的梯度传感器S(14)的测量区域的示意图。测量传感器14限定包括两个梯度区域42a和42b的空间测量区域。跨越区域42a至42b的磁场由传感器S(14)检测，并且其差值由传感器S输出为梯度值。相对于传感器S的空间范围对称地布置的“中性”区域44位于它们之间，并且在其区域中，磁场分量对传感器值没有明显影响。这可以说是传感器值中性区域，在该传感器值中性区域中，可以通过对传感器值没有影响的对称地形成的磁场。如果高的DC场普遍存在于梯度区域42a和42b中，则传感器S几乎不能再检测梯度的微小差值。为了补偿的目的，可以在中性区域44中引导入相反的磁场，该磁场被设计为补偿普遍存在于梯度区域42a和42b这两者中的高DC分量。这使得可以在梯度传感器S中重新建立线性工作范围，从而可以捕获梯度区域42a和42b之间的梯度差的准确测量值。

图5示出了根据本发明的用于三相应用的电流测量装置的第一示例性实施例10。三个电流相L1、L2和L3被承载在三个平行引导的电流导体12中。在每种情况下，在两个相邻的电流导体12之间布置梯度传感器14(S1、S2)。其中布置有梯度传感器14的电流导体部分32被旁路导体16所绕过。旁路导体16包括两个馈送导体18，它们以直角背离电流导体12并在各自相邻的电流导体12的下方或上方通过，并转变成平行于电流导体12的走向的旁路导体部分16，其穿过各自非直接相邻的电流导体对12的梯度传感器14的中性区域44。影响电流导体L2和L3之间的场梯度的电流相L1的电流分量因此被集中承载在梯度传感器S2(14)下方的中性区域44中。相反，影响两个电流相L1和L2的场梯度的相L3的旁路电流通过梯度传感器S1(14)的中性区域44。因为旁路导体16在每种情况下在梯度传感器14的中性区域44中延伸，所以其中承载的电流对传感器值没有影响。当电流在每种情况下在相邻的电流导体12上具有相同的强度和相同的方向时，出现相邻的电流导体12的最大DC场。这例如在相角30°和210°处的电流相L1和L2中适用，如图3所示。在这些时间点上，电流在第三棒L3(12)上被最大程度地定向在相反的方向上。因此，第三相L3的一部分电流经由梯度传感器13下方的旁路导体16承载，并且生成具有相当大小但沿相反方向定向的DC场。假定在梯度传感器14下方的旁路导体是对称布置，则旁路导体16不产生梯度场，但梯度传感器14的线性工作点被建立。

图5包括在图6中以截面图示出的截面A-A。显然，梯度传感器14布置在绝缘体层22上，例如印刷电路板(PCB)上。在每种情况下在正交轴A-A的区域中承载电流相分量L1-L1'、L2和L3-L3'的电流导体12在绝缘体层下方延伸。其他电流相分量L1'和L3'被引导通过相对于相应的梯度传感器14对称布置的旁路导体16。这些生成补偿磁场，以便在相邻的电流导体中具有高DC分量的情况下产生反磁场，并保持梯度传感器14的线性工作范围。馈送导体18在绝缘层22下方的两个水平相邻的层中被引导，并且在每种情况下绕过中间的电流导体12。

图7示出了三相电流测量装置的另一示例性实施例20。与图5所示的实施例10相反，两个梯度传感器14不是沿着与电流导体12的布局正交的轴线布置，而是沿纵向方向相对于电流导体12偏移。这使得两个旁路中的旁路导体16和馈送导体18可以不相交，而是彼此分开地被引导。因此，电流测量装置20在电流导体12的纵向方向上被扩大，但是由于馈送导体18不需要与任何另外的旁路导体16相交，因此结构复杂度降低了，并且因此可以避免多层结构。以这种方式可以实现简化的结构。因此，被旁路导体16绕过的电流导体的相应区域32在纵向上彼此偏移。

图8a示出了通过图7所示的正交截面线A-A的截面图。旁路导体16由承载电流导体L3的一部分L3'的馈送导体18供电，使得电流导体L3仅承载电流L3-L3'。

图8b替代地示出了馈送导体18可以在绝缘体层22的上侧上被引导通过绝缘体层22的通孔，使得可以使用仅两层的绝缘体层22并且避免电流测量装置的多层结构。同样可以在图6中设想这样的变型，其中两个馈送导体18中的一个在电流导体22上方被引导。以此方式，可以使用相对便宜的生产方法来生产在两侧上涂覆或者在两侧上都装有载流元件的印刷电路板，以便形成电流测量装置。

图9示出了三相电流测量装置的另一示例性实施例40，该三相电流测量装置的结构基于图5所示的实施例10。与之不同的是，在每个电流导体12的被旁路导体16绕过的区域32中都具有横截面收缩，从而提供了电流导体的截面减小的区域24。电流导体区域的减小稍微增加了该区域中的有效电阻，从而可以以这种方式调节被引导通过旁路导体16的量或电流分量。一般而言，将电流导体12中承载的电流的20％或更少，优选10％，特别是5％引导通过旁路导体就足够了。

替代地，图10示出了电流测量装置的另一示例性实施例40，其中，例如通过使用电阻率稍高的材料来在被旁路导体32绕过的区域中设置电阻区域26。以此方式，形成电阻区域，其中例如使用铝代替铜，或者使用电阻稍高的混合合金，从而可以将可定义的电流分量引导通过旁路导体16。可替代地想到由具有较高电导率的材料形成旁路导体16，从而获得通过电流导体12的电流的可定义的分摊，并且能够根据占被引导通过电流导体12的总电流的百分比来调节旁路导体中的电流。

图11示出了作为本发明的另一示例性实施例的四相电流测量装置50。为此目的设置四个相邻的电流导体12。每个电流导体12承载电流相L1、L2、L3和L4。每种情况下在两个相邻的电流导体12之间设置梯度传感器14(S1、S2和S3)。每个梯度传感器14测量两个相邻的电流导体12之间的梯度场。为了补偿DC场分量，各自非相邻的电流导体12的旁路导体16是需要的并且可以按照所示的布局布置。在该示例中，梯度传感器14布置在与电流导体12的走向正交的轴线上。还可替代地想到使梯度传感器14彼此偏移，使得旁路导体16不会反复地重叠，并由此实现电流导体布局的结构简化的实施。因此，电流相L3和L4的旁路导体16被引导通过梯度传感器14(S1)。因此，电流相L1和L4的旁路导体16被引导通过梯度传感器14(S2)。因此，电流相L1和L2的旁路导体16被引导通过梯度传感器14(S3)。例如，四相系统可以用于特定应用，并且可以随意缩放以创建五相、六相或多相系统。

图12示出了六相系统的另一个示例性实施例60的截面，其中六个电流相L1至L6在绝缘体层22下方被引导，并且每种情况下在电流导体12之间布置有五个梯度传感器14(S1至S5)。因此在每个梯度传感器14的中性区域44中布置有来自其他非直接相邻的电流导体12的四个旁路导体16。以梯度传感器S1为例，这些以命名L31、L41、L51和L61表示并且承载导体L3、L4、L5和L6的旁路电流。由此获得在梯度传感器14的中性区域中被引导的旁路导体的组28。

图13和图14示出了在图12的实施例60中旁路导体16是如何在梯度传感器14的中性区域44中被引导的各种实施例。虽然在图12中旁路导体16在测量平面中彼此相邻地被水平引导，但是如图13所示，它们也可以在中性测量平面中竖直地彼此堆叠，或者如图14所示，也可以以多层同轴电缆的方式彼此同心地被引导。因此，DC场可以在空间上集中在每个梯度传感器14的中性区域44中，使得即使在高电流下的多相应用中，也可以建立梯度传感器14的线性测量范围，并因此进行准确的测量。

本发明提出，特别是对于三相系统，还对于N>3的多相系统，使用在每种情况下由于其相相反而未被梯度传感器检测的相的电流来补偿在相邻电流导体中产生DC场的电流之间的场分量。经由旁路导体从另一相分接一小部分电流，并被对称承载在相邻的电流导体的相之间的梯度传感器的正下方中心。场梯度可以与导体棒正交地布置在相同的轴线上，使得电流测量装置在纵向方向上需要小的占据面积。在三导体系统中，中央电流棒L2中的电流不会减小，并且两个外部电流棒每种情况下在被旁路导体绕过的区域中承载减小的电流，其作为补偿场被引导通过旁路导体。为了计算总电流，减小的梯度场意味着在求解上述方程组时必须将这些单独的电流与相应的因子一起考虑。

在替代的变型中，梯度传感器可以在纵向方向上彼此偏移，使得旁路导体不相交。因此需要在导体棒的纵向方向上的更大的占据面积，但是关于旁路导体的布局可以实现更紧凑的设计，并且可以最小化硬件实施的结构复杂性。在这些情况下，也不需要考虑每个传感器减小的梯度场，这是因为，由于没有旁路电流被分流，因此在每种情况下全部电流流动在相邻的电流导体之间。因此，基于前述内容，计算规范得以简化。

由于本发明，可以使用三相或多相电流测量装置，以有目的地用于每根电流导体数百安培峰值的高电流应用，并且还可以提供梯度传感器的线性调制范围。因此，所提出的电流测量装置可以用于任何电流负载，无论该电流负载有多高，因此得到相比于现有技术的主要优势。

附图标记列表

10 电流测量装置的第一示例性实施例

12 电流导体

14 磁阻梯度传感器

16 旁路导体

18 旁路导体的馈送导体

20 电流测量装置的第二示例性实施例

22 绝缘体层

24 截面减小的电流导体区域

26 电阻区域/绝缘区域

28 旁路导体的组

30 电流测量装置的第三示例性实施例

32 被旁路导体绕过的电流导体部分

40 电流测量装置的第四示例性实施例

42 梯度区域

44 中性区域

50 电流测量装置的第五示例性实施例

60 电流测量装置的第六示例性实施例

100 现有技术的电流测量装置

Claims (20)

1.一种多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，用于测量具有沿N个电流导体(12)承载的N个电流相的多导体电流系统的电流，包括：用于确定测量平面中相邻的电流导体(12)的导体电流之间的磁场强度差的N-1个磁阻梯度传感器(14)，其中，N>2，其特征在于，相对于每个磁阻梯度传感器(14)布置有另外的非直接相邻的电流导体(12)中的至少一个电流导体(12)的绕过部分(32)的至少一个旁路导体(16)，其中所述至少一个旁路导体(16)设计用于补偿两个相邻的电流导体(12)的导体电流的DC场分量。

2.根据权利要求1所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，所述至少一个旁路导体(16)或旁路导体(16)的组(28)关于所述磁阻梯度传感器(14)的所述测量平面对称地布置，使得由所述至少一个旁路导体(16)或旁路导体(16)的组(28)产生的旁路磁场不引起所述磁阻梯度传感器(14)的梯度测量信号。

3.根据权利要求1或2所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，能够通过电流导体(12)的旁路导体(16)的电流分量能够被调节。

4.根据权利要求3所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，能够通过旁路导体(16)的所述电流分量通过所述电流导体(12)的被旁路导体(16)绕过的部分(32)的电流导体截面减小区域(24)、以及绝缘区域和/或电阻区域(26)而能够被调节。

5.根据权利要求1所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，所有所述磁阻梯度传感器(14)沿着与所述电流导体(12)的纵向长度正交的轴线布置。

6.根据权利要求1所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，所述磁阻梯度传感器(14)相对于所述电流导体(12)的纵向长度偏移布置。

7.根据权利要求1所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，所述磁阻梯度传感器(14)布置在绝缘体层(22)上方并且所述电流导体(12)和所述旁路导体(16)在所述绝缘体层(22)下方。

8.根据权利要求7所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，其中，所述旁路导体(16)的至少一个馈送导体(18)在所述绝缘体层(22)的上方被引导。

9.根据权利要求1所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，所述旁路导体(16)包括至少一个馈送导体(18)，所述馈送导体(18)在所述电流导体(12)和所述磁阻梯度传感器(14)的所述测量平面下方和/或上方的不同导电平面中延伸，并且在于，所述旁路导体(16)在所述电流导体(12)的平面中并且平行于所述电流导体(12)延伸。

10.根据权利要求1所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，多个旁路导体(16)相对于所述测量平面水平或竖直地彼此相邻地布置，或者彼此同心地布置在所述磁阻梯度传感器(14)的所述测量平面中。

11.根据权利要求1所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，所述磁阻梯度传感器(14)包括场补偿设备。

12.根据权利要求11所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，所述场补偿设备是能够调节的。

13.根据权利要求1所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，所述电流导体(12)和/或所述旁路导体(16)单独地或共同地包括在铁素体组织中以便预先确定磁通量方向。

14.根据权利要求1所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，其特征在于，包括三个电流导体(12)和两个磁阻梯度传感器(14)。

15.一种用于多相电流测量的方法，使用根据前述权利要求中的任一项所述的多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)，所述多相电流测量装置(10、20、30、40、50、60)具有N个电流相，使用N-1个磁阻梯度传感器(14)来测量所述N个电流相的N个导体电流，其中，N>2，并且在每种情况下，在两个相邻的电流导体(12)之间布置具有测量平面的一个磁阻梯度传感器(14)，用以确定测量平面中相邻的电流导体(12)的导体电流之间的磁场强度差，其特征在于，通过对称于所述磁阻梯度传感器(14)的所述测量平面流过至少一个另外的非直接相邻的电流导体(12)的旁路电流，来抑制所述两个相邻的电流导体(12)的导体电流的DC场分量。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，通过修改所述电流导体(12)的被所述旁路导体(16)绕过的部分(32)的电阻来调节所述旁路电流的大小。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述磁阻梯度传感器(14)的场补偿设备能够被调节，以用于测量范围校准。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述旁路电流小于所述导体电流的20％。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征是，所述旁路电流小于所述导体电流的10％。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征是，所述旁路电流小于所述导体电流的5％。

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