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Stand der Technik
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Es sind Magnetfeldsensoren bekannt, die als Stromsensoren einsetzbar sind, wobei die Erzeugung eines Magnetfeldes um einen stromdurchflossenen Leiter ausgenutzt wird. Als Magnetfeldsensoren sind Hall- oder magnetoresistive Sensoren oder auch laterale Magnetotransistoren bekannt. Grundvoraussetzung für solche Verfahren ist die genaue Kenntnis der zu messenden möglichen Feldverteilung, um Aussagen hinsichtlich der Positionierung und der Positioniergenauigkeit des Sensorelementes geben zu können. Deutlich erschwert wird die Messung bei magnetisch gestörter Umgebung und bei sehr kleinen zu erfassenden Strömen. Bisherige Lösungen verwenden in solchen schwierigen Situationen Flußkonzentratoren, beispielsweise aus ferritischem Material und/oder magnetischen Abschirmmaßnahmen. Solche Maßnahmen sind jedoch teuer und aufwendig und haben einen großen Platzbedarf.
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Aus der
US-PS 4,559,495 sind Vorrichtungen zur Messung der elektrischen Stromstärke in einem elektrischen Leiter bekannt, die beispielsweise nach dem Hall-Prinzip arbeiten. Der Leiter weist in allen Ausführungsbeispielen einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Er ist insbesondere im Messbereich U-förmig bzw. hufeisenförmig gebogen gebogen, so dass sich eine Vergrößerung des Messeffekts ergibt.
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Aus der
DE-OS 19821492 sind weitere Verfahren zur berührungslosen Messung eines in einem Leiter fließenden Stromes mittels eines Hall-Sensors bekannt. Dabei sind Maßnahmen zur Erhöhung der Signalamplitude vorgesehen, die beispielsweise konstruktiv auf den Leiter eingreifen. Weiterhin wird als Signalgröße die Differenz der Hall-Spannungen zweier Hall-Sensoren erfasst, wodurch sich eine Vergrößerung der Signalamplitude ergibt. Die beschriebenen Vorrichtungen zur Strommessung werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um den Batteriestrom zu ermitteln.
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Vorteile der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Messung der elektrischen Stromstärke eines stromdurchflossenen Leiters anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Sensormittel ein größeres Magnetfeld sensiert als dieses an einem einfachen geraden Leiter bei einer vorgegebenen Stromstärke möglich wäre.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Vorrichtung, Strommesser und Kraftfahrzeug möglich.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen dass der Leiter in einem ersten Leiterbereich im Wesentlichen hufeisenförmig vorgesehen ist und damit eine erste Hufeisenform bildet, dass der Leiter in einem zweiten Leiterbereich im Wesentlichen hufeisenförmig vorgesehen ist und damit eine zweite Hufeisenform bildet, wobei der erste Abschnitt ein Teil eines ersten Schenkels der Hufeisenform bildet und wobei der zweite Abschnitt ein Teil eines zweiten Schenkels der ersten Hufeisenform bildet, wobei der dritte Abschnitt ein Teil eines ersten Schenkels der zweiten Hufeisenform bildet und wobei der vierte Abschnitt ein Teil eines zweiten Schenkels der zweiten Hufeisenform bildet, wobei der erste Schenkel der ersten Hufeisenform und der erste Schenkel der zweiten Hufeisenform durch ein erstes Verbindungsstück verbunden sind und wobei der zweite Schenkel der ersten Hufeisenform und der zweite Schenkel der zweiten Hufeisenform durch ein zweites Verbindungsstück verbunden sind. Dadurch wird der ankommende stromführende Leiter in zwei parallele Leiter aufgeteilt und um 180° gebogen, so dass eine Magnetfelderhöhung am Ort des Sensorelementes in der Größenordnung von zwei gegenüber der äquivalenten nicht gebogenen Anordnung erreicht wird.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass der Leiter ein erstes Umkehrstück aufweist, dass der Leiter ein zweites Umkehrstück aufweist und dass der Leiter ein drittes Umkehrstück aufweist, wobei sich das erste Umkehrstück an den ersten Abschnitt anschließt, wobei auf das erste Umkehrstück der zweite Abschnitt folgt, wobei sich das zweite Umkehrstück an den zweiten Abschnitt anschließt, wobei auf das zweite Umkehrstück der dritte Abschnitt folgt, wobei sich das dritte Umkehrstück an den dritten Abschnitt anschließt, wobei auf das dritte Umkehrstück der vierte Abschnitt folgt, wobei die in einer gemeinsamen, zu den Abschnitten senkrechten Ebene gelegenen Mittelpunkte des ersten, zweiten, dritten und vierten Abschnitts im Wesentlichen die Eckpunkte eines Rechtecks bilden und wobei sich in dem Rechteck der zum ersten Abschnitt gehörige Eckpunkt dem zum zweiten Abschnitt gehörigen Eckpunkt diagonal gegenüber liegen. Dadurch ist eine Magnetfeldüberlagerung erreichbar, die zu einem noch größeren Magnetfeld führt, wobei die Magnetfeldüberlagerung in der Größenordnung des vierfachen gegenüber der äquivalenten, nicht gebogenen Anordnung entspricht. Hierbei wird keine Stromaufteilung in dem verwendeten Leiter vorgenommen.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Leiterquerschnitt rund vorgesehen ist. Dadurch ist die Feldverteilung des magnetischen Feldes um den stromführenden Leiter herum nur schwach von der Frequenz des Stroms abhängig.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass das Sensormittel ein Magnetfeldsensor, insbesondere ein Hall-Sensor, ein lateraler Magneto-Transistor und/oder ein magnetoresistiver Widerstand, ist. Dadurch ist es insbesondere möglich, dass das Sensorelement bzw. Sensormittel eine Magnetfeldempfindlichkeit in lateraler Richtung, d. h. parallel zu seiner Oberfläche aufweist.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leiters in einer perspektivischen Darstellung,
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2 die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leiters in Vorderansicht,
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3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leiters in perspektivischer Ansicht,
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4 eine Querschnittdarstellung des Leiters zur ersten und zweiten Ausführungsform und
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5 ein weiteres Aufbaubeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leiters 1 in perspektivischer Darstellung dargestellt. Der Leiter 1 umfasst einen ersten Leiterbereich 100 und einen zweiten Leiterbereich 200. Der erste Leiterbereich 100 und der zweite Leiterbereich 200 sind hufeisenförmig bzw. u-förmig gebogen. Dies bedeutet, dass die Leiterbereiche 100, 200 neben je einem ersten Schenkel und je einem zweiten Schenkel, die im Wesentlichen gerade vorgesehen sind, ein etwa halbkreisförmiges Verbindungsstück aufweisen, das für jeden Leiterbereich 100, 200 den ersten Schenkel und den zweiten Schenkel verbindet. Der erste Leiterbereich 100 weist im Bereich eines ersten Schenkels einen ersten Abschnitt 10 des Leiters und im Bereich seines zweiten Schenkels einen zweiten Abschnitt 20 des Leiters 1 auf. Der zweite Leiterbereich 200 weist im Bereich seines ersten Schenkels einen dritten Abschnitt 30 und im Bereich seines zweiten Schenkels einen vierten Abschnitt 40 des Leiters 1 auf. Der erste Schenkel des ersten Leiterbereichs 100 und der erste Schenkel des zweiten Leiterbereichs 200, mithin also der erste Abschnitt 10 und der dritte Abschnitt 30, sind mittels eines ersten Verbindungsstücks 5 verbunden. Im Bereich des ersten Verbindungsstücks 5 befindet sich ein erster Anschluß des Leiters 1, der für die Zu- bzw. Abführung des Stroms vorgesehen ist. Ebenso ist der zweite Schenkel des ersten Leiterbereichs 100 und der zweite Schenkel des zweiten Leiterbereichs 200, mithin also der zweite Abschnitt 20 und der vierte Abschnitt 40, mittels eines zweiten Verbindungsstücks 25 verbunden, wobei wiederum im Bereich des zweiten Verbindungsstücks 25 ein weiterer Anschluß für die Zu- bzw. Abführung des Stroms vorgesehen ist.
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In 2 ist der Leiter 1 in Seitenansicht dargestellt. Hierbei wird insbesondere deutlich, dass der Leiter 1 in seinem ersten Leiterbereich 100 und in seinem zweiten Leiterbereich 200 hufeisenförmig gebogen ist. Erkennbar ist wiederum der erste und dritte Abschnitt 10, 30 sowie der zweite und vierte Abschnitt 20, 40 und die Verbindungsstücke 5, 25.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leiters 1 dargestellt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist es bei der zweiten Ausführungsform vorgesehen, dass der Leiter 1 über seinen ganzen Verlauf die gleiche Stromstärke aufweist, d. h. es findet keine Aufteilung des Stroms wie bei der ersten Ausführungsform statt. Bei der zweiten Ausführungsform ist wiederum der erste Abschnitt 10, der zweite Abschnitt 20, der dritte Abschnitt 30 und der vierte Abschnitt 40 vorgesehen, die jeweils wiederum im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Um dies mittels des einzigen durchgängigen Leiters 1 zu erreichen, umfasst der Leiter drei Umkehrstücke, die den Leiter um jeweils ca. 180° umkehren. Ein erstes Umkehrstück 6 schließt sich an den ersten Abschnitt 10 an, wobei auf das erste Umkehrstück 6 der zweite Abschnitt 20 folgt, der wiederum im Wesentlichen parallel zum ersten Abschnitt 10 vorgesehen ist. An den zweiten Abschnitt 20 schließt sich ein zweites Umkehrstück 7 an, das den Leiter wiederum um ca. 180° umkehrt. Auf das zweite Umkehrstück 7 folgt der dritte Abschnitt 30, der wiederum im Wesentlichen parallel zum ersten Abschnitt 10 und zum zweiten Abschnitt 20 vorgesehen ist. Weiterhin umfasst der Leiter 1 im Anschluß an den dritten Abschnitt 30 ein drittes Umkehrstück 8, das den Leiter wiederum um ca. 180° umkehrt. Das erste Umkehrstück 6 und das dritte Umkehrstück 8 überkreuzen sich derart, dass keine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Umkehrstück 6 und dem dritten Umkehrstück 8 vorgesehen ist. Im Anschluß an das dritte Umkehrstück 8 ist der vierte Abschnitt 40 des Leiters 1 vorgesehen. Die Geometrie des Leiters 1 ist derart vorgesehen, dass, falls eine Schnittebene betrachtet wird, die im Bereich der Abschnitte 10, 20, 30, 40 senkrecht zum Verlauf der Abschnitte 10, 20, 30, 40 verläuft, die Mittelpunkte bzw. die Zentren der Abschnitte 10, 20, 30, 40 ein Rechteck oder ein Quadrat bilden. Es ist dann nach der obigen Beschreibung so, dass sich die Mittelpunkte bzw. die Zentren des ersten Abschnitts 10 und des zweiten Abschnitts 20 bezüglich des genannten Rechtecks bzw. des genannten Quadrats diagonal gegenüberliegen. Aus der Beschreibung wird weiterhin klar, dass die Orientierung der Stromrichtung im ersten Abschnitt 10 und im dritten Abschnitt 30 gleich ist und eine erste Stromrichtung vorgibt. Weiterhin ist die Stromrichtung im zweiten Abschnitt 20 und im vierten Abschnitt 40 gleich und gibt eine zweite Stromrichtung vor. Weiterhin wird deutlich, dass die erste Stromrichtung und die zweite Stromrichtung antiparallel vorgesehen ist.
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Die Aussagen über die Stromrichtung treffen auch auf die erste Ausführungsform zu, da sich ausgehend vom ersten Verbindungsstück 5 der Stromleiter aufteilt in den ersten Abschnitt 10 und den dritten Abschnitt 30 bzw. ausgehend vom zweiten Verbindungsstück 25 sich der Stromleiter aufteilt in den zweiten Abschnitt 20 und den vierten Abschnitt 40, so dass die Stromrichtung im ersten und dritten Abschnitt 10, 30 einerseits sowie im zweiten und vierten Abschnitt 20, 40 andererseits jeweils parallel verlaufen, untereinander jedoch antiparallel orientiert sind.
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In 4 ist eine Schnittdarstellung der ersten Ausführungsform des Leiters 1 im Bereich der Abschnitte 10, 20, 30, 40 dargestellt. Erkennbar ist wiederum, dass die erste Stromrichtung im ersten Abschnitt 10 und im dritten Abschnitt 30 gleich ist, was durch ein Kreuz dargestellt ist, das im ersten Abschnitt 10 und im dritten Abschnitte 30 in der 4 angebracht ist und darstellen soll, dass die Stromrichtung im ersten Abschnitt 10 und im dritten Abschnitt 30 in die Zeichenebene hinein orientiert ist. Entsprechend ist im zweiten Abschnitt 20 und im vierten Abschnitt 40 in der 4 ein Punkt angebracht, der verdeutlichen soll, dass im zweiten Abschnitt 20 und im vierten Abschnitt 40 die zweite Stromrichtung aus der Zeichenebene heraus orientiert ist. Die für die Abschnitte 10, 20, 30, 40 definierten Stromrichtungen erzeugen Magnetfelder, die durch Magnetfeldlinien angedeutet sind, die mit einem Pfeil versehen sind. Eine erste Magnetfeldlinie 11 verläuft um den ersten Abschnitt 10 im Uhrzeigersinn. Eine zweite Magnetfeldlinie 21 läuft um den zweiten Abschnitt 20 entgegen des Uhrzeigersinns. Eine dritte Magnetfeldlinie 31 verläuft um den dritten Abschnitt 30 im Uhrzeigersinn. Eine vierte Magnetfeldlinie 41 verläuft um den vierten Abschnitt 40 entgegen des Uhrzeigersinns. Ein Sensormittel 15 ist erfindungsgemäß zwischen dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Abschnitt 10, 20, 30, 40 vorgesehen. Das Sensormittel 15 ist durch eine Montageplatte 50 gehalten. Dadurch, dass das Sensormittel 15 genau im Zentrum zwischen den Abschnitten 10, 20, 30, 40 vorgesehen ist, wird durch das Sensormittel 15 für die erste Ausführungsform etwa das doppelte Magnetfeld gemessen als es bei gleichem Sensormittel 15 und gleichem Abstand zum Stromleiter 1 bei einem geraden Stromleiter der Fall wäre.
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Die Schnittdarstellung für die zweite Ausführungsform ist mit der in 4 Gezeigten identisch bis auf die Tatsache, dass die Bezugszeichen für den zweiten Abschnitt 20 und den vierten Abschnitt 40 (und dann natürlich auch der zweiten und vierten Magnetfeldlinie 21, 41) wegen der Überkreuzung des ersten und dritten Verbindungsstücks 6, 8 vertauscht werden müssen. Daraus ergibt sich dann, dass der Mittelpunkt bzw. das Zentrum des ersten Abschnitts 10 in dem im Zusammenhang mit 3 angesprochenen Quadrat oder Rechteck dem Mittelpunkt bzw. dem Zentrum des zweiten Abschnitts 20 diagonal gegenüber liegt. An der Konstellation der Magnetfelder ändert sich jedoch grundsätzlich nichts. Der Unterschied liegt darin, dass das am Ort des Sensormittels vorhandene Magnetfeld bei der zweiten Ausführungsform sogar etwa 4-fach so groß als es im vergleichbaren Fall bei einem geraden Leiter der Fall sein würde, weil sich der Strom bei der zweiten Ausführungsform nicht aufteilt.
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In 5 ist ein weiteres Montagebeispiel bzgl. der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Hierbei ist neben der ersten Montageplatte 50, auf der das Sensormittel 15 befestigt ist, eine zweite Montageplatte 51 vorgesehen, die zusammen mit der ersten Montageplatte 50 das Sensormittel 15 genau zwischen je zwei der Abschnitte, beispielsweise zwischen dem ersten Abschnitt 10 und dem zweiten Abschnitt 20 und dem dritten Abschnitt 30 und dem vierten Abschnitt 40 positioniert. Für die Positionierung des Sensormittels 50 in hierzu senkrechter Richtung dienen beispielsweise Stege 52, die auf den Montageplatten 50, 51 angebracht sind und die Positionierung des Sensormittels zwischen dem ersten Abschnitt 10 und dem dritten Abschnitt 30 bzw. zwischen dem zweiten Abschnitt 20 und dem vierten Abschnitt 40 gewährleistet.
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Für die zweite Ausführungsform müßten in 5 lediglich die Bezugszeichen für den zweiten Abschnitt 20 und den vierten Abschnitt 40 vertauscht werden.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Vorrichtung in einem Strommesser, wobei ein solcher erfindungsgemäßer Strommesser außer dem Sensormittel (15), der beispielsweise als Hall-Sensor, als lateraler Magnetotransistor und/oder als magnetoresistiver Widerstand ausgebildet ist, eine Auswerteschaltung, beispielsweise in Form eines ASICs, umfasst. Weiterhin umfasst ein solcher erfindungsgemäßer Strommesser den Leiter 1 in seiner speziellen Geometrie. Weiterhin ist vorgesehen, einen solchen erfindungsgemäßen Strommesser mittels des erfindungsgemäßen Leiters 1, dem Sensormittel 15 inklusive seiner Montagehilfen 50, 51, 52 in ein Gehäuse zu integrieren, so dass lediglich die Steuerungs- und Signalleitungen für die Auswerteschaltung einerseits und andererseits die Zuführungen und Ableitungen für den zu messenden Strom im Leiter 1 außerhalb des Gehäuses zugänglich sind. Ein solches Gehäuse ist insbesondere in Form einer Vergußmasse erfindungsgemäß vorgesehen. Insbesondere umfasst eine solche Vergußmasse magnetisch aktives Material, das der Abschirmung von Störmagnetfeldern am Sitz des Sensormittels 15 dient.
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Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Stromsensors in einem Kraftfahrzeug zur Messung verschieden großer Ströme, insbesondere über einen sehr weiten Bereich von Größenordnungen, ist besonders vorteilhaft, da in einem Kraftfahrzeug bzw. in dessen Umfeld elektromagnetische Störfelder besonders intensiv und störend sind. Beim Aufbau des Strommessers ist darauf zu achten, dass die verwendeten Materialien zur Montage des Sensormittels 15 die Feldverteilung des durch den stromführenden Leiter 1 erzeugten Magnetfelds nicht oder nur unwesentlich beeinflussen.
