DE10011047B4

DE10011047B4 - Direktabbildender Stromsensor

Info

Publication number: DE10011047B4
Application number: DE2000111047
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Preusse; Stefan Dipl.-Ing. Schäfer; Friedrich Dipl.-Ing. Lenhard
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2020-03-08
Also published as: DE10011047A1

Abstract

Direktabbildender Stromsensor mit einer Primärwicklung (1), einem weichmagnetischen Kern (4), welcher einen Luftspalt (5) aufweist, und einem Magnetfeldsensor (2),
bei dem Primärwicklung (1) und Magnetfeldsensor (2) elektrisch voneinander isoliert und magnetisch durch den Kern miteinander gekoppelt sind und
bei dem die Primärwicklung (1) zur Einspeisung eines zu erfassenden Stromes und der Magnetfeldsensor (2) zur Erfassung des in die Primärwicklung (1) eingespeisten Stromes durch Messung des von diesem erzeugten Magnetfeldes vorgesehen ist,
gekennzeichnet durch
eine zusätzliche Wicklung (3), die der Primärwicklung (1) elektrisch parallel geschaltet ist, und die außerhalb des Kerns (4) in dessen unmittelbarer Nähe dem Luftspalt (5) gegenüberliegend angeordnet ist, derart, dass durch den magnetischen Fluss der zusätzlichen Wicklung (3) eine ungleichmäßige Flussverteilung im Kern zumindest teilweise kompensiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen direktabbildenden Stromsensor mit einer Primärwicklung, einem weichmagnetischen Kern, welcher einen Luftspalt aufweist, und einem Magnetfeldsensor, bei dem Primärwicklung und Magnetfeldsensor elektrisch voneinander isoliert und magnetisch durch den Kern miteinander gekoppelt sind und bei dem die Primärwicklung zur Einspeisung eines zu erfassenden Stromes und der Magnetfeldsensor zur Erfassung des in die Primärwicklung eingespeisten Stromes durch Messung des von diesem erzeugten Magnetfeldes vorgesehen ist.
Stromsensoren sollen einerseits klein und kostengünstig sein, andererseits aber einen großen Messbereich haben. Bevorzugt werden dabei auch direktabbildende Stromsensoren verwendet. Ein derartiger direktabbildende Stromsensor ist beispielsweise aus der EP 0 565 946 B1 bekannt. Dabei wird in einem ringförmigen, weichmagnetischen Kern mit Luftspalt von dem zu erfassenden Strom mittels der Primärwicklung ein dazu proportionales Magnetfeld erzeugt, das durch einen Magnetfeldsensor erfasst und ausgewertet wird.
Bei direktabbildenden Stromsensoren wird also im Luftspalt die magnetische Flussdichte als Maß für den Strom in dem vom weichmagnetischen Kern umschlossenen Stromleiter abgebildet. Durch den Luftspalt entsteht ein relativ großer Streufluss. Die aus dem Kern tretenden Feldlinien befinden sich auf der Seite des Kerns, auf der der Luftspalt ist. Dadurch wird im Luftspalt nur ein Teil des Flusses gemessen, der sich im gegenüberliegenden Bereich des Kerns befindet. Wird in diesem gegenüber dem Luftspalt liegenden Teil des Kerns die Sättigung erreicht, wird die Proportionalität der Magnetflussdichte im Luftspalt zum Strom im Stromleiter durchbrochen und damit die Grenze des Messbereiches erreicht. Dies geschieht be reits bei 30% bis 50% des Sättigungsflusses im Luftspalt. Als Ergebnis kann z. B. von einem Ni-Fe-Kern mit einer Sättigungsflussdichte von 0,8 T nur 0,25 bis 0,4 T Aussteuerung im Luftspalt ausgenutzt werden. Dies hat zur Folge, dass der Kern nicht im gesamten Bereich voll ausgenutzt werden kann, dass das Verhältnis von Aussteuerbereich zu Hysterese ungünstiger wird, das das Verhältnis von Meßbereichsausgangsspannung zu Offset der Magnetfeldsonde (z. B. Hallelement) ungünstiger wird und dass das Verhältnis von nutzbarem Flusshub im Luftspalt und äußeren Fremdfeld ungünstiger wird. Die drei zuletzt genannten Punkte haben vor allem Einfluß auf die Messgenauigkeit bei kleinen Strömen was in vielen Anwendungsfällen entweder zu großen Kernen führt, die teuer sind, oder sogar bestimmte Anwendungen ausschließen.
Als weiterer Stand der Technik werden die EP 0 521 250 A2 und die DE 195 35 551 A1 genannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen direktabbildenden Stromsensor anzugeben, der trotz geringem Aufwand einen großen Messbereich hat.
Die Aufgabe wird durch einen Stromsensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Vorteil der Erfindung ist es, dass kleinere Kerne verwendet werden können, da Sättigungseffekte und unhomogene magnetische Flüsse weitgehend vermieden werden.
Erreicht wird dies im einzelnen bei einem Stromsensor der eingangs genannten Art durch eine zusätzliche Wicklung, die der Primärwicklung elektrisch parallel geschaltet ist und die neben dem Kern angeordnet ist derart, dass nur bestimmte Bereiche des Kerns von ihrem magnetischen Fluss erfasst werden.
Insbesondere wird dabei die zusätzliche Wicklung in dem Bereich des Kerns angeordnet, an dem eine Flussüberhöhung auftritt, und zwar derart, dass die Flussüberhöhung zumindest teilweise kompensiert wird.
Bevorzugt führen die Primärwicklung und die zusätzliche Wicklung Ströme unterschiedlicher Stärke, wobei die Ströme in Summe den zu erfassenden Strom ergeben. Auf diese Weise lässt sich zu jeder Geometrie (Kern und Wicklung) durch eine optimale Stromaufteilung ein Maximum an Linearität und damit ein maximaler Messbereich erzielen.
Wenn die Primärwicklung und die zusätzliche Wicklung Windungszahlen aufweisen, die kleiner als eins sind, können beispielsweise sogenannte Durchsteckwandler realisiert werden, bei denen die den zu erfassenden Strom führende Leitung als Primärwicklung durch einen ringartigen Kern mit Luftspalt hindurchgeführt wird.
Dazu kann bei einer bevorzugten Ausführungsform die Primärwicklung und die zusätzliche Wicklung durch einen im Bereich des Kerns im wesentlichen geradlinigen Leiter oder einen im Bereich des Kerns im wesentlichen u-förmigen Leiter gebildet werden. Die u-förmige Ausbildung der die Primärwicklung und sämtliche zusätzlichen Wicklungen bildenden Leiter unter Ineinanderschachteln der einzelnen Leiter vergrößert den Messbereich weiter.
Werden die Primärwicklung und die zusätzliche Wicklung durch einen einzigen geschlitzten Leiter gebildet, dann ergeben sich vorteilhafterweise keine sich mit der Zeit oder der Temperatur ändernde Übergangswiderstände an den andernfalls notwendigen Kontaktstellen der Primärwicklung und der zusätzlichen Wicklung untereinander, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird.
Primärwicklung, zusätzliche Wicklung, Magnetfeldsensor und Kern können schließlich zumindest teilweise, einzeln oder zusammen von einem Abschirmblech umgeben sein. Damit wird der Kern entlastet und der Einfluss von Störfeldern reduziert, die sich ungünstig auf den Messbereich auswirken würden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 eine erste allgemeine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors,
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit Abschirmblech,
3 den Feldlinienverlauf eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit zwei Primärleitern und einem Kern mit runder Grundfläche im Vergleich zu einem herkömmlichen Stromsensor,
4 den Feldlinienverlauf eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit zwei Primärleitern und einem Kern mit rechteckiger Grundfläche im Vergleich zu einem herkömmlichen Stromsensor,
5 den Feldlinienverlauf eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit Abschirmblech im Vergleich zu einem herkömmlichen Stromsensor,
6 eine Ausführungsform eines geschlitzten einstückigen Leiters zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Stromsensor und
7 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit zwei ineinander geschachtelten u-förmigen Leitern.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors ist neben einer Primärwicklung und einem Magnetfeldsensor 2 (wie zum Beispiel einem Hall-Sensor) eine weitere Wicklung vorgesehen, wobei Primärwicklung und zusätzliche Wicklung jeweils als Streifenleiter 1 bzw. 3 aus gebildet sind. Statt Streifenleitern könnte in gleicher Weise auch jede andere Leiterform Verwendung finden. Der Magnetfeldsensor 2 ist in einem Luftspalt 5 eines weichmagnetischen Kerns 4 angeordnet. Der Kern 4 hat einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt und ist ausgehend von dem Luftspalt 5 ringförmig ausgebildet derart, dass die Grundläche in etwa rechteckförmig ist. Anstelle einer rechteckigen Grundfläche und eines rechteckförmigen Querschnitts könnte aber jede beliebige, eine Ringform des Kerns 4 ermöglichende Grund- und Querschnittsfläche wie beispielsweise eine ovale, runde Fläche etc. verwendet werden.
Der Streifenleiter 1 (Primärwicklung) durchdringt dabei die Grundfläche des Kerns 4 im wesentlichen geradlinig derart, dass er vom Kern 4 abgesehen von dessen Luftspalt 5 über den vollen Umfang umschlossen wird. Erfindungsgemäß ist ein zweiter Streifenleiter 3 (zusätzliche Wicklung), der dem ersten Streifenleiter 1 (Primärwicklung) elektrisch parallel geschaltet ist, außerhalb des Kerns 4, jedoch in dessen unmittelbarer Nähe, und in Bezug auf den ersten Streifenleiter 1 (Primärwicklung) dem Luftspalt 5 gegenüberliegend angeordnet. Der als zusätzliche Wicklung dienende Streifenleiter 3 erzeugt dabei einen mangetischen Fluss, der den durch beispielsweise einen unsymmetrisch innerhalb des Kerns angeordneten Streifenleiters 1 (Primärwicklung) hervorgerufene ungleichmäßige Flussverteilung im Kern 4 kompensiert.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 geht aus der in 1 gezeigten Ausführungsform dadurch hervor, dass ein u-förmiges Abschirmblech 6 den Kern 4 sowie die Streifenleiter 1 und 3 umgibt. Das Abschirmblech 6 geht dabei von den beiden seitlich zu Luftspalt 5 und Magnetsensor 2 befindlichen Schenkeln des Kerns 4 aus und verläuft dazu parallel sowie unter Einschluss beider Streifenleiter 1 und 3 auch parallel zu dem Luftspalt 5 und Magnetsensor 2 gegenüberliegenden Abschnitt des Kerns 4. Durch das Abschirmblech 6 wird zum einen der Einfluss von Störfeldern verringert, die den Messbereich ein schränken könnten, und zum anderen wird der Kern entlastet, indem ein Teil der Feldlinien über das Abschirmblech geführt werden.
In den 3 und 4 ist dargestellt, wie eine Flussüberhöhung bei einem Stromsensor konventioneller Art mit einem Kern 7 von runder Grundfläche (3a) und einem Kern 11 von rechteckiger Grundfläche (4a) beispielsweise durch unsymmetrische Anordnung eines als Primärwicklung vorgesehenen Leiters 8 bzw. 12 innerhalb des jeweiligen ringförmigen Kerns 7 bzw. 11 mit jeweils einem Luftspalt 10 bzw. 14 hervorgerufen wird. An dem dem jeweiligen Luftspalt 10 bzw. 14 gegenüber gelegenen Abschnitt des Kerns 7 bzw. 11 (Rückschlusskern) tritt durch eine nicht punktsymmetrische Anordnung des (Primär-)Leiters 8 bzw. 12 eine Flussüberhöhung auf, die durch den dem Fluss im Kern 7 bzw. 11 überlagerten, direkt einwirkenden, magnetischen Fluss des (Primär-)Leiters 8 bzw. 12 zustande kommt.
Wird nun erfindungsgemäß (3b und 4b) ein ”geteilter Leiter”, also der (Primär-)Leiter 8 bzw. 12 und ein elektrisch parallel geschalteter zusätzlicher Leiter 9 bzw. 13, zu beiden Seiten des die Überhöhung aufweisenden Abschnitts des Kerns 7 bzw. 11 (Rückschlusskern) vorbeigeführt, dann heben sich die Feldlinien gegenseitig wieder auf und das resultierende magnetische Feld ist gleich null. Dadurch erhöht sich der Messbereich nicht nur um den Faktor der Stromaufteilung zwischen den Leitern 8 und 9 bzw. 12 und 13, sondern um das Produkt der Stromaufteilung (Verhältnis vom Gesamtstrom zu Anteil des gemessenen Stroms) und Meßbereichserweiterung des Stromsensors (Verhältnis aus ”normalem” Messbereich zu Messbereich bei erfindungsgemäßer Anordnung). Wird zum Beispiel bei der Anordnung nach 4b nur der 1/5 Strom (Stromaufteilungsfaktor 5) über den Leiter 12 geführt, dann ergibt sich eine Messbereichserweiterung von 1,5 und eine Erweiterung des linearen Messbereichs auf das 7,5-fache. Ein herkömmlicher Stromsensor mit 100 Ampere könnte bei Anwendung der Erfindung damit auf einen linearen Messbereich von 750 Ampere gebracht werden.
Bei einer noch höheren Stromaufteilung (zum Beispiel Faktor 209) ergibt sich eine Aufmagnetisierung des Rückschlusskerns durch den zusätzlichen Leiter 13 und dadurch ein positiver Linearitätsfehler bei hohen Strömen. Um auch hier größere Messbereiche zu ermöglichen, muss bei gegebenem Abstand des (Primär-)Leiters 12 der Abstand des Leiters 13 zum Rückschlusskern erhöht werden. Durch Variation von Stromaufteilung und/oder Abständen kann also der Stromsensor auf maximalen Messbereich eingestellt werden.
In 5 ist die Wirkung eines Abschirmblechs 15 bei einer Anordnung nach 4b gegenüber einer herkömlichen Anordnung nach 4a gezeigt. Durch das Abschirmblech wird das durch die Leiter 12 und 13 erzeugte Magnetfeld weiter homogenisiert und über im Kern 11 nur über den den Spalt 14 aufweisenden Abschnitt des Kerns 11 geführt. Auf diese Weise wird zum einen der Kern entlastet und zum anderen Störfelder vom Kern 11 fern gehalten.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer einstückigen Realisierung der Streifenleiter 1 und 3 als einstückiger, geschlitzter Streifenleiter 16 ist in 6 dargestellt. Dabei zeigt im Detail 6a den Aufbau vor und 6b den Aufbau des Streifenleiters 16 nach Durchführung eines Biegevorgangs um die Längssymmetrieachse. Gemäß 7a hat der Streifenleiter 16 eine rechteckige Grundform, wobei in Längsrichtung, also parallel zu den längeren Kanten, drei Schlitze 17, 18, 19 etwa auf halber Breite vorgesehen sind, von denen in Längsrichtung einer in der Mitte 17 und zwei 18, 19 an den seitlichen Rändern angeordnet sind. Der Streifenleiter 16 ist dabei sowohl bezüglich einer quer zur Längsrichtung in deren Mitte verlaufenden Symmetrielinie als auch einer entlang der Schlitze 17, 18, 19 verlaufenden Symmetrielinie symmetrisch aufgebaut. Ausgehend jeweils von den die Schlitze 18 und 19 enthaltenden beiden Seitenrändern ist der Streifenleiter 16 etwa in Höhe der der Mitte zugewandten Enden der Schlitze 18 und 19 gebogen derart, dass sich zwischen diesen beiden Enden insgesamt eine Vertiefung gegenüber den genannten Seitenrändern ergibt, wobei im Bereich des Schlitzes 17 eine weitere Vertiefung vorgesehen ist. Schließlich befinden sich in der Nähe der Ecken Löcher 20, 21, 22, 23, die zumindest hinsichtlich der entlang der Schlitze 17, 18, 19 verlaufenden Symmetrielinie symmetrisch angeordnet sind.
Ausgehend von dieser Grundform wird dann der Streifenleiter 16 gemäß 7b an der entlang der Schlitze 17, 18, 19 verlaufenden Symmetrielinie gebogen derart, dass jeweils zwei der Löcher 20, 22 bzw. 21, 23 übereinander zu liegen kommen. Damit ergibt sich eine Form, die ausgehend von den die Schlitze 18 und 19 enthaltenden Seitenrändern zunächst im Bereich der Löcher 20, 21, 22, 23 dicht aneinander liegen, um sich dann bei der ersten Vertiefung voneinander abzuheben. Im Bereich der zweiten Vertiefung (um den Schlitz 17) ist dabei der Abstand zwischen den beiden Teilen des Streifenleiters 16 am größten. Dieser Teil dient dann zur Aufnahme des Kerns.
Beim Ausführungsbeispiel nach 7 sind gegenüber der in 1 gezeigten Ausführungsform die Streifenleiter u-förmig ausgebildet. Die U-Form ergibt dabei eine Wicklung mit der Wickungszahl von 0,75. Dabei verlaufen die beiden Streifenleiter 1 und 3 weiterhin parallel, so dass sich zwei ineinander geschachtelte ”U” ergeben. Es kann der Abstand zwischen den entsprechenden Schenkeln der u-förmigen Streifenleiter 1 und 3 einander gegenüber im Hinblick auf den Abstand im Bereich des Kerns 4 auch verkleinert werden, womit sich der Einfluss von Störfeldern, hervorgerufen durch die Stromzuführung, verringern lässt. Die U-Form bietet insgesamt einen größeren Messbereich.

1: Streifenleiter
2: Magnetfeldsensor
3: Streifenleiter
4: Kern
5: Luftspalt
6: Abschirmblech
7: Kern
8: Leiter
9: Leiter
10: Luftspalt
11: Kern
12: Leiter
13: Leiter
14: Luftspalt
15: Abschirmblech
16: Streifenleiter
17: Schlitz
18: Schlitz
19: Schlitz
20: Loch
21: Loch
22: Loch
23: Loch

Claims

Direktabbildender Stromsensor mit einer Primärwicklung (1), einem weichmagnetischen Kern (4), welcher einen Luftspalt (5) aufweist, und einem Magnetfeldsensor (2), bei dem Primärwicklung (1) und Magnetfeldsensor (2) elektrisch voneinander isoliert und magnetisch durch den Kern miteinander gekoppelt sind und bei dem die Primärwicklung (1) zur Einspeisung eines zu erfassenden Stromes und der Magnetfeldsensor (2) zur Erfassung des in die Primärwicklung (1) eingespeisten Stromes durch Messung des von diesem erzeugten Magnetfeldes vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Wicklung (3), die der Primärwicklung (1) elektrisch parallel geschaltet ist, und die außerhalb des Kerns (4) in dessen unmittelbarer Nähe dem Luftspalt (5) gegenüberliegend angeordnet ist, derart, dass durch den magnetischen Fluss der zusätzlichen Wicklung (3) eine ungleichmäßige Flussverteilung im Kern zumindest teilweise kompensiert wird.
Stromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (1) und die zusätzliche Wicklung (3) Ströme unterschiedlicher Stärke führen, wobei die Ströme in Summe den zu erfassenden Strom ergeben.
Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (1) und/oder die zusätzliche Wicklung (3) Windungszahlen aufweisen, die kleiner als eins sind.
Stromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (1) und/oder mindestens eine zusätzliche Wicklung (3) durch einen im Bereich des Kerns (4) im wesentlichen geradlinigen Leiter gebildet wird.
Stromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Primärwicklung (1) und/oder zusätzliche Wicklung (3) durch einen im Bereich des Kerns (4) im Wesentlichen u-förmigen Leiter gebildet wird.
Stromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (1) und die zusätzliche Wicklung (3) durch einen einstückigen geschlitzten Leiter gebildet werden.
Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Primärwicklung (1), zusätzliche Wicklung (3), Magnetfeldsensor (2) und/oder Kern (4) zumindest teilweise von einem Abschirmblech (6) umgeben sind.