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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen
eines elektrischen Stroms, der durch einen elektrischen Stromkreis fließt, welcher
in unterschiedliche Instrumente und Vorrichtungen, zum Beispiel
eines Automobils, eingebaut ist, und insbesondere eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Erfassen eines elektrischen Stroms unter Verwendung
eines magneto-elektrischen Umwandlungselements.
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Stand der Technik
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Elektrische
Stromsensoren zum Erfassen eines elektrischen Stroms unter Verwendung
von Hall-Elementen sind herkömmlich
bekannt. Ein Hall-Element ist ein Typ eines magneto-elektrischen Umwandlungselements.
Ein Beispiel solcher elektrischer Stromsensoren ist offenbart in
der japanischen offengelegten Patentanmeldung
JP 62-098267 A .
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1 verdeutlicht den in der
JP 62-098267 A offenbarten
elektrischen Stromsensor. Ein erstes Hall-Element
115 ist
in einem Zwischenraum angeordnet, der von den beiden Endflächen
112 und
113 des
C-förmigen
Magneten
114 gebildet wird. Ein Leiter C erstreckt sich
senkrecht zu der Ebene, die von dem C-förmigen Magneten
114 definiert
wird. Das erste Hall-Element
115 ist
so angeordnet, dass seine Magnetismus-empfindliche Oberfläche senkrecht zu dem magnetischen
Feld steht, das von dem Magneten
114 erzeugt wird. Das
erste Hall-Element
115 erzeugt
eine elektromotorische Kraft als Antwort auf einen geringen elektrischen
Strom, der durch den Leiter C fließt.
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Ein
zweites Hall-Element 116 ist um eine bestimmte Entfernung
beabstandet von dem Magneten 114 und angrenzend an den
Leiter C angeordnet, wobei seine Magnetismus-empfindliche Oberfläche senkrecht
zu einem magnetischen Feld steht, das durch den elektrischen Strom,
der durch den Leiter C fließt,
induziert wird. In anderen Worten fühlt das zweite Hall-Element 116 das
magnetische Feld, das von dem elektrischen Strom induziert wird,
aber es wird nicht so sehr durch das magnetische Feld, das von dem
Magneten 54 erzeugt wird, beeinflusst wie das erste Hall-Element 115.
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Eine
elektromotorische Kraft wird größer, wenn
ein elektrischer Strom ansteigt, solange ein magnetischer Fluss
nicht gesättigt
ist. Bei diesem elektrischen Stromsensor wird entsprechend, wenn der
durch den Leiter C fließende
elektrische Strom klein ist, das erste Hall-Element 115 benutzt.
Wenn die elektromotorische Kraft des ersten Hall-Elements 115 gesättigt ist,
dann wird die elektromotorische Kraft des zweiten Hall-Elements 116 benutzt,
um den elektrischen Strom zu erfassen. Diese Anordnung verbessert
die Genauigkeit der Erfassung, und gleichzeitig vergrößert sie
den Erfassungsbereich.
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2 verdeutlicht
eine andere herkömmliche
Technik, nämlich
einen elektrischen Stromsensor, der in der
japanischen offengelegten Patentanmeldung
Nr. 8-194016 offenbart ist.
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Eine
Sammelschiene 121 ist in eine U-förmige Gestalt gebogen, um eine
Rückleitung 122 zu
bilden. Die Rückleitung 122 hat
Schenkel 121a und 121b, die jeweils eine Mittellinie
aufweisen, die zusammenfällt
mit einer der Strommittellinien, Ia und Ib. Magnetische Sensoren 123a, 123b und 123c sind entlang
einer Linie 124 angeordnet, die senkrecht zu einer Ebene
liegt, welche die Strommittellinien Ia und Ib enthält und welche
mitten zwischen den Schenkeln 121a und 121b entlang
verläuft.
Die Entfernungen von der Rückleitung 122 zu
den drei magnetischen Sensoren 123a, 123b und 123c sind
unterschiedlich.
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Die
Ausgangsleistungen der magnetischen Sensoren 123a, 123b und 123c sind
gesättigt,
wenn die Stärke
eines magnetischen Felds einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Das magnetische Feld, das von dem durch die Rückleitung 122 fließenden elektrischen
Strom induziert wird, wird von einem der magnetischen Sensoren 123a, 123b und 123c erfasst.
Wenn ein geringer elektrischer Strom durch die Rückleitung 122 fließt, wird
der magnetische Sensor 123a, der am nächsten an den Schenkeln 121a und 121b liegt,
zum Erfassen des elektrischen Stroms verwendet. Um einen großen elektrischen
Strom zu messen, wird der magnetische Sensor 123c verwendet,
der entfernt von den Schenkeln 121a und 121b angeordnet
ist. Mit dieser Anordnung kann die Stärke des magnetischen Felds
in einem angemessenen Bereich gemessen werden, unabhängig von
der Stärke
des elektrischen Stroms, der gemessen wird.
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Beide
Typen von elektrischen Stromsensoren, offenbart in
JP 62-098267 A und
JP 08-194016 A ,
verbessern die Auflösung
der Strommessung und verbreitern den Bereich des messbaren Stroms.
Beide erfordern jedoch zwei oder mehr magneto-elektrische Umwandlungselemente (d.
h. Hall-Elemente), was die Herstellungskosten für einen Stromsensor erhöht.
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Außerdem schwanken
die Kerneigenschaften, wie die Temperatureigenschaft, die Empfindlichkeitseigenschaft,
eine Offset-Verschiebungseigenschaft, usw., eines magnetischen Elements
gegenüber
einem zweiten, und solche Variationen müssen beim Gebrauch korrigiert
werden.
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Außerdem erfordern
beide Typen von Stromsensoren eine Signalauswahlvorrichtung zum
Auswählen
eines der Signale, die von dem magneto-elektrischen Mehrfachumwandler
geliefert werden. Dieses Erfordernis macht die Hardware-Abmessungen
des elektrischen Stromsensors unvermeidbar groß.
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In
dem Fachbuch von Roumenin, C. S. "Solid State Magnetic Sensors, Elsevier
Science B. V., 1994, ISBN 0 444 89401 2, S. 383–393", ist ein Hallsensor zur tangentialen
Messung eines magnetischen Feldes um einen Leiter mit kreisförmigem Querschnitt
in einem Abstand r dargestellt, wodurch sich ein lineares Verhältnis zwischen
dem Strom I und der Induktion B ergibt.
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Ferner
beschreibt die
DE-AS 1800479 eine Abgleichvorrichtung
für elektrische
Leistungsmessumformer mit Hallgeneratoren, wobei die Position des
Hallgenerators
7 justierbar ist, um eine Änderung eines
magnetischen Feldes zu erfassen, welches von einer magnetischen
Feldspule erzeugt wird. Die Justierung der Position des Hallgenerators
7 führt zu einer Änderung
der Stärke
des magnetischen Feldes, was durch ein Drehen eines Armes
4,
an dem der Hallgenerator
7 angebracht ist, um einen Drehzapfen
5 erreicht
wird, so dass sich die Magnetfluss-empfindliche Oberfläche des Hallgenerators
7 innerhalb
oder ausserhalb des Luftspaltes
2 der Feldspule
1 befindet.
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Des
weiteren beschreibt die
US-A-5,686,879 ein
Ampermeter, das ein Element aus magnetresisitivem Material
1,
um einen planaren Halleffekt zu erhalten. Das magnetresisitive Material
1 erstreckt
sich sowohl entlang einer X-Achse als auch einer Y-Achse, die rechtwinklig
zur X-Achse verläuft.
Die X-Achse ist zur Messung der Stromstärke vorgesehen und die Y-Achse
ist zur Spannungsmessung vorgesehen. Das magnetresisitive Material
1 ist
auf einem Substrat aufgebracht, das eine Nut
7 aufweist,
in welcher sich ein Leiter befindet. In weiteren Ausführungsform ist
ein sensitives Material des Ampermeters in einem Arm einer Klemme
in der Nähe
eines Leiters angebracht.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Probleme
des Standes der Technik zu überwinden
und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines breiten
Bereichs von elektrischem Strom bei hoher Präzision und niedrigen Kosten
unter Verwendung einer vereinfachten Anordnung eines einzigen oder
eines Paares von magneto-elektrischen
Umwandlungselementen zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen elektrischen Stromsensor gemäss Anspruch
1 bzw. 6 sowie durch ein Verfahren gemäss Anspruch 9 gelöst.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
erfasst gemäß einem
Aspekt der Erfindung ein elektrischer Stromsensor einen elektrischen
Strom, der durch einen Leiter fließt, wobei er den elektrischen
Fluss verwendet, der um den Leiter herum durch den Strom, der durch den
Leiter fließt,
induziert wird. Der elektrische Stromsensor weist ein einziges magneto-elektrisches Umwandlungselement
auf, das eine Magnetfluss-empfindliche
Oberfläche
hat, und einen Winkeleinstellmechanismus zum Verändern des Winkels zwischen
der Magnetfluss-empfindlichen Oberfläche des magneto-elektrischen Umwandlungselements und
der Richtung des magnetischen Flusses, der von dem elektrischen
Strom induziert wird. Das magneto-elektrische Umwandlungselement
ist zum Beispiel ein Hall-Element, das ein elektrisches Signal als
Antwort auf die magnetische Flussdichte an der Magnetfluss-empfindlichen
Oberfläche
ausgibt. Der elektrische Stromsensor erfasst den elektrischen Strom, der
durch den Leiter fließt,
auf der Grundlage des elektrischen Signals, das von dem magneto-elektrischen
Umwandlungselement ausgegeben wird, dessen Magnetfluss-empfindliche
Oberfläche
in einem bestimmten Winkel bezüglich
des magnetischen Flusses ausgerichtet ist.
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Der
elektrische Stromsensor hat einen Verbindungskasten zur Aufnahme
eines Teils des Leiters, der eine Öffnung an einer Seite hat,
und ein Verstellelement ist herausnehmbar in dieser Öffnung angeordnet.
Das Verstellelement unterstützt
das magneto-elektrische Umwandlungselement, und das magneto-elektrische
Umwandlungselement ist innerhalb des Verbindungskastens angeordnet,
wenn das Verstellelement in der Öffnung
des Verbindungskastens befestigt wird. Das Verstellelement wird
bezüglich der Öffnung des
Verbindungskastens gedreht. Der Umfang der Öffnung und die Außenfläche des
Verstellelement bilden den Winkeleinstellmechanismus.
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Vorzugsweise
hat die Öffnung
mehrere Ausnehmungen in vorbestimmten Abständen am Umfang. Jede Ausnehmung
erstreckt sich in radialer Richtung vom Umfang der Öffnung,
um den Umriss einer Getriebeverzahnung zu bilden. Das Verstellelement
hat eine Anzahl von Zähnen
in bestimmten Abständen
entlang seiner Außenfläche. In
diesem Fall umfasst der Winkeleinstellmechanismus die Zähne des
Verstellelement und die Ausnehmungen der Öffnung, die miteinander in
Eingriff und außer
Eingriff geraten.
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Alternativ
kann die Öffnung
ein Innengewinde haben und das Verstellelement ein Außengewinde.
In diesem Fall umfasst der Winkeleinstellmechanismus das Außengewinde
des Verstellelement und das Innengewinde der Öffnung.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein elektrischer Stromsensor
zum Erfassen eines elektrischen Stroms, der durch einen Leiter fließt, einen
Klemmrahmen, der einen Schlitz und zwei Schenkel aufweist, die durch
den Schlitz getrennt sind. Der Leiter wird in den Schlitz eingeführt und
von den zwei Schenkeln des Klemmrahmens eingeklemmt. Wenn in diesem
Zustand der elektrische Strom durch den Leiter fließt, wird
ein magnetischer Fluss um den Leiter herum induziert. Ein Paar von
Hall-Elementen ist innerhalb der entsprechenden Schenkel des Klemmrahmens
angeordnet, wobei jedes Hall-Element eine Magnetfluss-empfindliche Oberfläche hat.
Der elektrische Stromsensor umfasst auch einen Winkeleinstellmechanismus
zum Verändern
des Winkels der Magnetfluss-empfindlichen Oberfläche des Hall-Elements bezüglich der
Richtung des magnetischen Flusses.
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Vorzugsweise
ist ein Paar von Winkeleinstellvorsprüngen an den Innenflächen des
Schlitzes ausgebildet, und mehrere Winkeleinstellöffnungen sind
in dem Leiter in vorbestimmten Abständen entlang eines Bogens ausgeformt.
Wenn der elektrische Stromsensor an dem Leiter befestigt wird, greift
das Paar von Winkeleinstellvorsprüngen in eine der Winkeleinstellöffnungen.
In diesem Fall bilden das Paar von Winkeleinstellvorsprüngen und
die Anzahl von Öffnungen
den Winkeleinstellmechanismus.
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Alternativ
kann ein Paar von Winkeleinstellausnehmungen in den Innenflächen des
Schlitzes ausgeformt sein, und eine Anzahl von Winkeleinstellvorsprüngen sind
an dem Leiter in vorbestimmten Abständen entlang eines Bogens ausgeformt.
Einer der Winkeleinstellvorsprünge
greift in die Winkeleinstellausnehmungen, wenn der elektrische Stromsensor
an dem Leiter befestigt wird. In diesem Fall bilden das Paar von
Winkeleinstellausnehmungen und die Anzahl von Winkeleinstellvorsprüngen den
Winkeleinstellmechanismus.
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Gemäß einem
noch anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen
eines elektrischen Stroms geschaffen, der durch einen Leiter fließt. Der
elektrische Strom, der durch den Leiter fließt, induziert einen magnetischen
Fluss um den Leiter herum. In dem Verfahren wird zunächst ein magneto-elektrisches
Umwandlungselement, das eine Magnetfluss-empfindliche Oberfläche hat,
in dem magnetischen Feld angeordnet. Dann wird die Orientierung
der Magnetfluss-empfindlichen
Oberfläche
bezüglich
der Richtung des magnetischen Flusses ausgerichtet. Das magneto-elektrische
Umwandlungselement wird dazu gebracht, ein elektrisches Signal als
Antwort auf eine magnetische Flussdichte an der magneto-elektrischen
Oberfläche
auszugeben. Schließlich
wird der elektrische Strom, der durch den Leiter fließt, auf
der Grundlage des elektrischen Signals gemessen, das von dem magneto-elektrischen Umwandlungselement
ausgegeben wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen deutlich, wobei:
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1 einen herkömmlichen elektrischen Stromsensor
zeigt, der zwei oder mehr Hall-Elemente verwendet;
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2 einen
anderen Typ eines herkömmlichen
elektrischen Stromsensors zeigt, der zwei oder mehr Hall-Elemente verwendet;
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3 in einer perspektivischen Ansicht einen
elektrischen Stromsensor gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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4 in
einer perspektivischen Ansicht einen elektrischen Stromsensor gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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5 einen elektrischen Stromsensor gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt, wobei 5A eine
Vorderansicht und 5B eine rechte Seitenansicht
ist;
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6 zeigt, wie der elektrische Stromsensor aus 5 verwendet wird, um einen elektrischen Strom
zu erfassen, wobei 6A. den elektrischen Stromsensor
zeigt, wenn er bezüglich
eines Leiters ausgerichtet ist, 6B den
elektrischen Stromsensor in einer vertikalen Richtung gesichert
zeigt und 6 den elektrischen Stromsensor
gesichert in einem vorbestimmten Winkel bezüglich der vertikalen Richtung
zeigt; und
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7 den
relevanten Teil des elektrischen Stromsensors aus 6C zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Erste Ausführungsform
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Die
Erfindung wird nun detailliert in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen beschrieben.
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3 zeigt die gesamte Anordnung eines elektrischen
Stromsensors 300 gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung. Der elektrische Stromsensor 300 weist einen
streifenförmigen
Leiter 10 auf und einen Verbindungskasten 20,
der einen Teil des streifenförmigen
Leiters 10 aufnimmt. Der Verbindungskasten 20 ist
beispielsweise ein sechsflächiger
Kasten. Der Leiter 10 tritt in der Nähe der Unterseite zweier gegenüberliegender
Seitenflächen durch
den Verbindungskasten 20.
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Eine
verzahnungsförmige
runde Öffnung 21 ist
an der Oberseite des Verbindungskastens 20 ausgeformt.
Die Öffnung 21 hat
mehrere Ausnehmungen 22 entlang ihres Umfangs. Die Öffnung 21 ist
so ausgestaltet, dass sie ein verzahnungsförmiges Verstellelement 40 aufnehmen
kann. Ein Hall-Element 30 hängt von dem verzahnungsförmigen Verstellelement 40 herab.
Eine vorgeschriebene Menge von elektrischem Strom wird dem Hall-Element 30 über Zuleitungen 31 zugeführt. Wenn
das Verstellelement 40 in der Öffnung 21 befestigt
wird, ist das Hall-Element innerhalb des Verbindungskastens angeordnet. In
dem in 1 gezeigten Beispiel beträgt die Anzahl der
Zähne des
Verstellelements 40 und die Anzahl der Ausnehmungen 22 um
die Öffnung 21 herum acht.
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Das
Hall-Element 30 ist ein magneto-elektrisches Umwandlungselement,
das eine Magnetfluss-empfindliche Oberfläche hat. In diesem Beispiel ist
die Magnetfluss-empfindliche
Oberfläche
eine Seitenfläche
des Hall-Elements, die sich parallel zu der Längsachse des streifenförmigen Leiters 10 und senkrecht
zu der oberen Fläche
des streifenförmigen Leiters 10 erstreckt.
Das Hall-Element 30 erzeugt eine Hall-Spannung (oder ein
Hall-Signal) als Antwort auf die Menge des magnetischen Flusses,
der die Magnetfluss-empfindliche
Oberfläche 30a beaufschlagt.
Das von dem Hall-Element 30 erzeugte Hall-Signal
wird extern über
die Leitungen 31, die durch das Verstellelement 40 treten,
extrahiert.
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Das
Verstellelement 40 wird ein Teil der oberen Fläche des
Verbindungskastens 20, wenn es in der Öffnung 21 befestigt
wird. Genauer gesagt ist das Verstellelement 40 eine Scheibe
mit mehreren Zähnen 41,
die sich in radialer Richtung an der oberen Fläche des Verstellelements 40 erstrecken.
Die Zähne 41 werden
von den Ausnehmungen 22 aufgenommen. Die Ausnehmungen 22 und
die Zähne 41 bilden einen
Winkeleinstellmechanismus 50.
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Das
Prinzip des elektrischen Stromsensors 300 wird nun erklärt. Zuerst
wird das Hall-Element 30 in der Öffnung 21 so angeordnet,
dass die Längsseiten
des Hall-Elements mit der Längsachse
des streifenförmigen
Leiters 10 ausgerichtet sind, wie in 3A gezeigt.
Dann wird das Verstellelement 40 in der Öffnung 21 befestigt,
wobei die Zähne 41 in
die Ausnehmungen 22 greifen. In diesem Zustand liegt die
Magnetfluss-empfindliche Oberfläche
des Hall-Elements 30 parallel zu der Längsachse des streifenförmigen Leiters 10.
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Wenn
ein elektrischer Strom I durch den Leiter 10 in der Richtung
des Pfeils in 3A fließt, wird ein Magnetfeld H entsprechend
der Ampere'schen Korkzieherregel
erzeugt. Die Stärke
des Magnetfelds H ist proportional zu dem elektrischen Strom I.
Wie oben erwähnt,
liegt die Magnetfluss-empfindliche Oberfläche des Hall-Elements 30 parallel
zu der Längsachse
des streifenförmigen
Leiters 10 und senkrecht zu der oberen Fläche des
Leiters. Daher beaufschlagt der magnetische Fluss aufgrund des Magnetfelds
H die Magnetfluss-empfindliche Oberfläche im rechten Winkel (d. h.
in einem Winkel von 90°),
und eine Spannung proportional zu der magnetischen Flussdichte B
wird von dem Hall-Element 30 erzeugt.
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Wenn
die Menge des elektrischen Stroms, der durch den Leiter 10 fließt, relativ
groß ist,
wird die Ausrichtung des Hall-Elements 30 verändert, wie
in 3B gezeigt. Das Verstellelement 40 wird
aus der Öffnung 21 entfernt
und um einen Winkel θ bezüglich des
in 3A gezeigten Zustands gedreht. Das Verstellelement 40 wird
wieder in der Öffnung 21 befestigt,
wobei die Zähne 41 in
die Ausnehmungen 22 greifen. Die längeren Seiten des Hall-Elements 30 bilden
einen Winkel θ bezüglich der
Längsachse
des streifenförmigen
Leiters 10.
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Der
elektrische Strom, der durch den streifenförmigen Leiter 10 fließt, induziert
ein Magnetfeld H, und die magnetische Flussdichte an der Oberfläche des
Hall-Elements 30 wird B·cosθ. Entsprechend wird eine Spannung
oder ein Signal proportional zu der magnetischen Flussdichte B·cosθ von dem Hall-Element 30 erhalten.
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Mit
dieser Anordnung wird, um eine geringe Menge von elektrischem Strom,
der durch den Leiter 10 fließt, zu messen, das Verstellelement 40 in
der Öffnung 21 des
Verbindungskastens 20 befestigt, so dass die Magnetfluss- empfindliche Oberfläche des Hall-Elements 30 senkrecht
zum magnetischen Fluss liegt. Wenn der zu messende elektrische Strom
groß wird,
wird das Verstellelement 40 gedreht, um den Winkel θ größer zu machen,
um die Menge des magnetischen Flusses, der die Magnetfluss-empfindliche
Oberfläche
des Hall-Elements 30 beaufschlagt, einzustellen. Mit dem
elektrischen Stromsensor gemäß der ersten
Ausführungsform
wird der Winkel θ um
jeweils 45° verändert, weil
acht Ausnehmungen um die Öffnung 21 herum
ausgeformt sind. Durch Vergrößern der
Anzahl der Ausnehmungen 22 und Zähne 41 kann der Modus
zum Erfassen eines elektrischen Stroms in kleineren Schritten verändert werden.
Entsprechend kann ein elektrischer Strom erfasst werden, ohne dass
das Hall-Element 30 gesättigt
ist.
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Die
Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 wird entsprechend
gewählt,
um für
den Bereich des elektrischen Stroms geeignet zu sein, der gemessen werden
soll. Dies bedeutet, dass die Genauigkeit der elektrischen Stromerfassung
verbessert wird. Zusätzlich
kann ein großer
Bereich von elektrischem Strom erfasst werden, wenn der Winkel θ gemäß der Menge
des elektrischen Stroms, der gemessen wird, angepasst wird. Als
Ergebnis kann die Präzision
der elektrischen Stromerfassung verbessert werden.
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In
dieser Anordnung wird nur ein einziges Hall-Element verwendet, im
Gegensatz zu den herkömmlichen
Techniken. Abweichende Eigenschaften einzelner Elemente können verhindert
werden und die Herstellungskosten können reduziert werden.
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Zweite Ausführungsform
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4 zeigt
einen elektrischen Stromsensor 400 gemäß der zweiten Ausführungsform.
Der elektrische Stromsensor 400 umfasst einen Verbindungskasten 20 und
ein Verstellelement 40. In dieser Ausführungsform hat das Verstellelement 40 ein
Außengewinde 42,
und die Öffnung 21 des
Verbindungskastens 20 hat ein Innengewinde 23.
Das Außengewinde 42 und
das Innengewinde 23 bilden einen Winkeleinstellmechanismus 50.
Andere Elemente sind die gleichen wie die in der ersten Ausführungsform. Die
gleichen Elemente werden durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet,
und deren Erklärung
wird weggelassen.
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Das
Außengewinde 42 das
Verstellelements 40 wird durch Drehen des Verstellelements 40 in
die Öffnung 21 geschraubt.
Die Ausrichtung des Hall-Elements 30 wird durch einfaches
Drehen des Hahns 40 kontinuierlich verändert. Weil der Winkel zwischen
der Magnetfluss-empfindlichen Oberfläche und der Richtung des magnetischen
Flusses, der durch den Strom erzeugt wird, der durch den Leiter fließt, kontinuierlich
angepasst wird, kann die Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 passend
eingestellt werden, um einen breiten Bereich von elektrischem Strom
zu messen.
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Diese
Anordnung kann die gleichen Effekte erzeugen, die für die erste
Ausführungsform
geschildert worden sind, und kann die Messgenauigkeit erhöhen, wobei
der Messbereich verbreitert wird.
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Dritte Ausführungsform
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5 zeigt einen elektrischen Stromsensor 500 gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung. Der elektrische Stromsensor 500 umfasst
einen Klemmrahmen 25 und ist angepasst, um einen elektrischen
Strom zu messen, der durch einen streifenförmigen Leiter 10 fließt. Einer
der Vorteile dieses Sensors besteht darin, dass der Klemmrahmen 25 direkt
mit dem Leiter 10 verbunden wird, wenn immer ein elektrischer
Strom erfasst wird.
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Der
Klemmrahmen 25 hat einen Schlitz 26, der den Klemmrahmen 25 in
zwei Schenkel teilt. Entsprechend ist der Querschnitt des Klemmrahmens 25 U-förmig, wie
in 5A gezeigt. Der Klemmrahmen ist so ausgestaltet,
dass er den streifenförmigen Leiter 10 einklemmt,
wenn er an dem Leiter 10 befestigt wird. Klemmvorsprünge 27 und
Winkeleinstellvorsprünge 28 sind
an den gegenüberliegenden
Innenflächen
des Schlitzes 26 ausgeformt. Ein Substrat 32, an
dem die Hall-Elemente 30 befestigt sind, ist innerhalb
des Klemmrahmens 25 angeordnet.
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Jedes
Hall-Element 30 ist an dem Substrat 32 befestigt,
so dass die Magnetfluss-empfindliche Oberfläche 30a des Hall-Elements 30 senkrecht
zu der Tiefenrichtung des Schlitzes 26 liegt. Eine Anzahl von
Leitern sind mit dem Ende des Substrats 32 verbunden, um
eine vorgeschriebene Menge von elektrischem Strom zu den Hall-Elementen 30 zu
leiten, und um elektrische Signale zu extrahieren, die von den Hall-Elementen 30 erzeugt
werden.
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Der
elektrische Stromsensor 500 der dritten Ausführungsform
ist angepasst, um direkt an einem streifenförmigen Leiter 10 befestigt
zu werden, um den elektrischen Strom durch den Leiter (wie eine Sammelschiene) 10 zu
messen. Deswegen hat der Leiter 10 eine Befestigungsöffnung 11 und
mehrere Winkeleinstellöffnungen 12 entlang
eines Bogens um die Befestigungsöffnung 11 herum.
In dem in 5B gezeigten Beispiel sind drei
Winkeleinstellöffnungen 12a, 12b und 12c in
dem Leiter 10 ausgeformt. Die drei Winkeleinstellöffnungen
sind entlang eines Bogens angeordnet, der ein Teil eines Kreises
um die Befestigungsöffnung 11 herum
ist. Obwohl in der dritten Ausführungsform
drei Winkeleinstellöffnungen 12a bis 12c ausgeformt
sind, ist die Anzahl der Winkeleinstellöffnungen 12 beliebig.
Je mehr Winkeleinstellöffnungen 12 ausgeformt
sind, desto präziser kann
die Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 in kleineren Schritten
angepasst werden.
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Die 6 und 7 zeigen,
wie der elektrische Stromsensor 500, der in 5 gezeigt ist, verwendet wird.
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Zunächst wird
der elektrische Stromsensor 500 an dem Leiter in einem
rechten Winkel bezüglich der
Richtung des elektrischen Stroms befestigt. Der elektrische Stromsensor
ist an dem Leiter 10 befestigt in Richtung des Pfeils α, wie in 6A gezeigt. Der
streifenförmige
Leiter 10 wird in den Schlitz 26 des Klemmrahmens 25 eingeführt.
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Die
Befestigungsvorsprünge 27 werden
in der Befestigungsöffnung 11 befestigt,
und die Winkeleinstellvorsprünge 28 werden
in der Winkeleinstellöffnung 12a befestigt.
Entsprechend wird der elektrische Stromsensor mit dem Leiter 10 in
einem rechten Winkel bezüglich
der Längsachse
des Leiters 10 verbunden.
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In
diesem Zustand erstreckt sich die Magnetfluss-empfindliche Oberfläche 30a parallel
zu der Längsachse
des Leiters 10 und senkrecht zu der Oberfläche des
streifenförmigen
Leiters 10. Wenn ein elektrischer Strom I durch den Leiter 10 in
der Richtung fließt,
die in 6 durch einen Pfeil angedeutet ist,
wird ein magnetisches Feld H gemäß der Ampere'schen Korkzieherregel
erzeugt, dessen Stärke der
Menge von elektrischem Strom I entspricht.
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Da
der elektrische Stromsensor 500 mit dem Leiter 10 in
einem rechten Winkel verbunden ist, wie in 6B gezeigt,
beaufschlagt der magnetische Fluss, der durch den elektrischen Strom
I induziert wird, die Magnetfluss-empfindliche Oberfläche 30a des Hall-Elements 30 in
einem rechten Winkel. Entsprechend erzeugt das Hall-Element 30 ein
elektrisches Signal proportional zu der magnetischen Flussdichte
B.
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Anschließend wird
der elektrische Stromsensor 500 um den Winkel θ1 bezüglich der
Linie senkrecht zu der Längsachse
des Leiters 10 geneigt. In diesem Fall ist der elektrische
Stromsensor 500 mit dem Leiter 10 in Richtung
des Pfeils β verbunden,
so dass die Kante des streifenförmigen
Leiters 10 in den Schlitz 26 eingeführt wird,
wie in 6A gezeigt. Die Befestigungsvorsprünge 27 werden
in die Befestigungsöffnung 11 eingepasst,
und die Winkeleinstellvorsprünge 28 werden
in die Öffnung 12b eingepasst.
Der Winkel 12b ist vorher ausgerichtet, um einen Winkel θ1 bezüglich der Öffnung 12a zu
bilden. Entsprechend wird der elektrische Stromsensor 500 mit
dem streifenförmigen
Leiter 10 schrägt
in einem Winkel θ1
verbunden, wie in 6C gezeigt.
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Der
magnetische Fluss, der durch den elektrischen Strom I induziert
wird, der durch den Leiter 10 fließt, beaufschlagt die Magnetfluss-empfindliche Oberfläche 30a des
Hall-Elements 30 unter einem Einfallswinkel von θ1, wie in
der vergrößerten Ansicht von 7 gezeigt.
Die magnetische Flussdichte B, die an der Magnetfluss-empfindliche
Oberfläche 30a erfasst
wird, ist B·cosθ1. Entsprechend
erzeugt das Hall-Element 30 ein elektrisches Signal proportional zu
der magnetischen Flussdichte von B·cosθ1.
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Wenn
der elektrische Strom, der durch den streifenförmigen Leiter 10 fließt, viel
größer ist,
wird der elektrische Stromsensor 500 mehr geneigt, wobei
die Winkeleinstellvorsprünge 28 in
die Öffnung 12c wandern.
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In
dieser Weise wird der elektrische Stromsensor 500 mit dem
Leiter 10 unter dem geeignetsten Winkel entsprechend der
Menge von elektrischem Strom, der durch den Leiter 10 fließt, verbunden. Wenn
nämlich
der elektrische Strom I, der durch den Leiter 10 fließt, klein
ist, werden die Winkeleinstellvorsprünge 28 in die Öffnung 12a eingepasst,
so dass die Magnetfluss-empfindliche Oberfläche des Hall-Elements 30 senkrecht
zur Richtung des magnetischen Flusses liegt. Wenn der zu messende Strom
größer wird,
werden die Winkeleinstellvorsprünge 28 zu
den Öffnungen 12b oder 12c bewegt, wobei
die magnetische Flussdichte angepasst wird, die an der Magnetfluss-empfindliche
Oberfläche
gemessen wird. Als Ergebnis kann der elektrische Strom in dem geeignetsten
Bereich gemessen werden, ohne dass die Hall-Elemente 30 gesättigt sind.
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In
der dritten Ausführungsform
bilden die Winkeleinstellvorsprünge 28 des
Klemmrahmens 25 und die Öffnungen 12a bis 12c des
Leiters 10 einen Winkeleinstellmechanismus. Diese Anordnung
ist viel einfacher als die Anordnung der ersten und der zweiten
Ausführungsform,
und die Herstellkosten werden weiter gesenkt. Zusätzlich ist
der elektrische Stromsensor viel einfacher anzuwenden, weil er direkt
mit dem Leiter 10 in einfacher Weise verbunden ist.
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In
der dritten Ausführungsform
werden die Befestigungsvorsprünge 27 und
die Winkeleinstellvorsprünge 28 in
dem elektrischen Stromsensor 500 ausgeformt, und die Öffnungen
werden vorher in dem streifenförmigen
Leiter 10 ausgeformt. Befestigungsausnehmungen und Winkeleinstellausnehmungen können jedoch
auch in dem elektrischen Stromsensor 500 ausgeformt sein,
und mehrere Vorsprünge, die
in den Ausnehmungen aufgenommen werden sollen, können in dem streifenförmigen Leiter 10 ausgeformt
werden. Diese Anordnung kann die gleichen Effekte und Vorteile wie
die in 5 gezeigte Anordnung erreichen.
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Es
wird angemerkt, dass neben den oben schon erwähnten viele Veränderungen
und Variationen gemacht werden können,
ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Solche Änderungen sind
auch in dem Bereich der Erfindung enthalten, der durch die anliegenden
Ansprüche
definiert wird.