DE10110254A1

DE10110254A1 - Stromsensor, bestehend aus Stromleitern und Magnetfeld-oder Magnetfeldgradientensensoren

Info

Publication number: DE10110254A1
Application number: DE2001110254
Authority: DE
Inventors: Jochen Schmitt; Fritz Dettmann; Uwe Loreit
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2021-03-03
Also published as: DE10110254B4

Abstract

Es werden Stromsensoranordnungen, bestehend aus Stromleitern und in deren unmittelbarer Nähe angebrachten Magnetfeld- oder Magnetfeldgradientensensoren, beschrieben, die in einem weiten Frequenzbereich Stromwerte mit geringen Meßfehlern liefern. Dabei werden Lösungen besondert auch für den Bereich sehr großer Ströme angegeben. Für kleinere Ströme werden Stromleitergeometrien und -abmessungen vorgeschlagen, wobei zur Verhinderung der Auswirkungen der Induktion von Wirbelströmen die Abmessung mindstens in einer Richtung klein gegen die Skintiefe des Materials sein muß. Große Ströme können hohen Frequenzen mit geringen Fehlern bei Verwendung von Stromleitern gemessen werden, wenn der Leiterquerschnitt durchgehende, begrenzte oder innere Öffnungen enthält, deren Größe und Anordnung vorgegeben wird. In der Nähe der Stromleiter befindliche leitende Abschirm- oder Kühlkörper sind zum Erreichen frequenzunabhängiger Meßfehler ebenfalls mit Öffnungen zu versehen, die gleichzeitig zum Kühlmitteltransport verwendbar sind. Dadurch sind bei sehr hohen Strömen geringere Abmessungen der Stromsensoren realisierbar.

Description

Die Erfindung betrifft Anordnungen, die der potentialfreien Strommessung im Bereich höhe rer Frequenzen dienen.

Stromsensoren, die aus geeignet geformten Stromleitern und Magnetfeldsensoren bestehen, die das bei Stromfluß in den geformten Leitern und zum Strom proportionale Magnetfeld in der Nähe anzeigen und damit auf den momentanen Stromwert im Leiter eindeutig schließen lassen, sind bekannt. In dem Artikel "Neues Meßverfahren für Echtzeitstromsensoren und die Anwendung in der Prüftechnik" von E. Kolb in "messen prüfen automatisieren" von De zember 1989, Seite 600 bis 610, sind Stromsensoren, die gerade Stromleiter mit kreisrundem Querschnitt benutzen, beschrieben. Bei Durchfluß hochfrequenter Ströme durch die kreis runden Leiter ändert sich zwar die Stromdichteverteilung im Inneren des Stromleiters, die Stromdichteverteilung bleibt aber zentralsymmetrisch und die Amplituden der magnetischen Feldstärke außerhalb des Stromleiters ändern sich deshalb bei konstanter Stromamplitude nicht mit der Frequenz. Exakte Strommessungen sind so bis in einen Frequenzbereich mög lich, der durch die Frequenzgrenze des eingesetzten Magnetfeldsensors oder Magnetfeld gradientensenors festgelegt wird. Bei Anwendung magnetoresistiver Sensoren sind so Fre quenzen bis zu mehr als 10 MHz möglich. Einschränkungen bezüglich der Frequenzunab hängigkeit der Magnetfelder ergeben sich sofort, wenn in der Nähe des kreisrunden Strom leiters weitere gut leitfähige Materialien in irgendeiner geometrischen Form vorhanden sind. Solche Materialien sind aber in einer technischen Umgebung für die Strommessung fast ausnahmslos vorhanden. Durch Induzieren von Wirbelströmen in diesen Materialien und deren Rückwirkung ergibt sich eine nicht kreissymmetrische Stromverteilung im Stromleiter und damit eine Frequenzabhängikeit des Magnetfeldes am Ort des Sensors, die zu Meßfeh lern bei der Strombestimmung führt.

Da das Magnetfeld eines kreisrunden geraden Leiters stark ortsabhängig ist, und deshalb die Anforderungen an die Genauigkeit der Position des Sensors für eine exakte Strommessung von erheblichem Maße sind, wurde eine Reihe von anderen Stromleitergeometrien vorge schlagen, die lokal weniger stark variierende Feldstärken aufweisen. So wird zum Beispiel in der EP 0 061 520 auf Stromleiter unterschiedlicher Form zurückgegriffen, deren Querschnitt dem eines flachen Bandes entspricht. In solchen Querschnitten ergeben sich bei hohen Fre quenzen des eingespeisten Stromes auch ohne in der Nähe vorhandene leitfähige Materiali en durch die selbstinduzierten Wirbelströme Änderungen der Stromdichteverteilung bei vari ierender Frequenz, so daß auch hier wesentliche Änderungen der Magnetfelder am Ort der nahe beim Stromleiter positionierten Sensoren zu erheblichen Meßfehlern führen. Diese Meßfehler werden besonders gravierend, wenn große Leitungsquerschnitte eingesetzt wer den, die aber bei der Messung sehr hoher Ströme unumgänglich sind.

In der Auslegeschrift DE 198 19 470 A1 wird die Ursache für Meßfehler bei der Strombe stimmung aus dem Magnetfeld im Bereich höherer Frequenzen richtig erkannt. Zur Vermei dung der Auswirkung von Wirbelstromeffekten auf die Feldverteilung wird vorgeschlagen, die Querschnittsfläche und -form sowie das Material des Stromleiters und den Abstand zu spe ziell geformten benachbarten leitenden Metallteilen oder Ferriten so aufeinander abzustim men, daß sich die Einflüsse auf den magnetischen Fluß am Ort der Magnetfeldmessung durch den Sensor gegenseitig weitgehend kompensieren. Unverständlich bleibt hier die Nennung des magnetischen Flusses, dessen Verbindung mit der von den Sensoren detek tierten magnetischen Feldstärke in der Patentschrift nicht erläutert wird. Darüberhinaus wird durch den Lösungsvorschlag nur eine Aufgabe mit Einschränkung auf die angegebenen Mittel gestellt, ohne daß technisch anwendbare Lösungen angegeben werden. Auch die an geführten Ausführungsbeispiele enthalten keine Lehre für den Fachmann, wie die gestellte Aufgabe zu lösen ist. Eine Analyse des Verhaltens der angegebenen Beispiele zeigt teilwei se die Wirkungslosigkeit der benutzten Mittel und in manchen Fällen sogar eine Verstärkung der Frequenzabhängigkeit der durch die Ströme erzeugten Magnetfeldwerte an den Orten der Sensoren durch die gewählten Mittel.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, für die potentialfreie Messung vor allem hoher Ströme Stromsensoranordnungen mit geringen Meßfehlern in einem weiten Frequenzbereich anzugeben, wobei die Stromsensoranordnungen aus Stromleitern und Magnetfeldsensoren oder Magnetfeldgradientensensoren aufgebaut sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch charakterisierte und in den Unteransprü chen weiter konkretisierte Stromsensoranordnungen gelöst. Die angegeben Anordnungen für die Stromsensoren liefern bei Einhaltung der in den Unteransprüchen angegebenen Bedin gungen frequenzunabhängige Meßwerte. In den Ansprüchen 7 bis 16 werden Stromsen soranordnungen angegeben, bei denen diese Frequenzunabhängigkeit auch bei beliebig großen zu messenden Strömen erreicht werden kann. Die Frequenzunabhängigkeit des Ma gnetfeldes oder der Magnetfelddifferenz zwischen zwei Punkten, die bei den erfindungsge mäßen Lösungen die Voraussetzung für die Frequenzunabhängigkeit des jeweiligen Sen sormeßwertes ist, wird durch eine sehr einfache mechanische Bearbeitung der Stromleiter erreicht. Damit sind diese Stromleiter sehr kostengünstig herstellbar.

Entsprechend der Erfindung sind Stromsensoren ohne Frequenzabhängigkeit mit Magnet feldsensoren oder mit Magnetfeldgradientensensoren aufbaubar. Wie aus dem oben ange gebenen Artikel von Kolb und aus der oben angegebenen Patentschrift hervorgeht, ist in der Mehrzahl der Einsatzfälle die Verwendung von Magnetfeldgradientensensoren nicht nur vor zuziehen, sondern zur fehlerfreien Messung in magnetisch gestörter Umgebung einfach not wendig. Deshalb haben auch für den Einsatz der vorliegenden Erfindung solche Stromsen soranordnungen die weitaus größere praktische Bedeutung. Das gilt insbesondere für den Fall, daß in der Nähe des Stromsensors weitere gut leitfähige Materialien, beispielsweise zur elektromagnetischen Abschirmung oder zur Wärmeableitung vorhanden sind, in denen, ver ursacht durch den hochfrequenten Strom in den Stromleitern, Wirbelströme entstehen, die dann ihrerseits magnetische Felder erzeugen. Das Ausmaß der durch diese Felder verur sachten Meßfehler für den Strom ist bei Verwendung von Magnetfeldgradientensensoren jedoch wesentlich abgeschwächt, da hier nicht die Störfelder selbst wirksam werden, son dern nur die Differenz der Magnetfeldstärken zwischen den beiden Sensorschichtbereichen des Gradientensensors.

Im folgenden wird die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu ist in den zugehörigen Zeichnungen Folgendes dargestellt:

Fig. 1: Erfindungsgemäße Stromsensoranordnung für stark begrenzte Stromstärke.

Fig. 2: Erfindungsgemäße Stromsensoranordnung für begrenzte Stromstärke mit Feldsensor.

Fig. 3: Erfindungsgemäße Stromsensoranordnung für begrenzte Stromstärke mit Magnet feldgradientensensor.

Fig. 4: Erfindungsgemäße Stromsensoranordnung für begrenzte Stromstärke mit Magnet feldgradientensensor bei großen Positionstoleranzen.

Fig. 5: Querschnitt eines erfindungsgemäßen Stromleiters ohne Begrenzung der Stromstärke.

Fig. 6: Erfindungsgemäßer Stromsensor mit zwei parallelen Stromleitern und symmetrisch angeordnetem Magnetfeldgradientensensor.

Fig. 7: Stromsensor nach Fig. 6 mit einer anderen symmetrischen Lage des Magnetfeldgra dientensensors.

Fig. 8: Stromsensor mit aus einem Materialteil hergestellten parallelen Stromleitern.

Fig. 9: Stromsensor mit Abschirm- und Kühlkörper.

Fig. 10: Ein weiterer Stromsensor mit Abschirm- und Kühlkörper.

Fig. 1 zeigt einen Stromsensor, der aus zwei elektrisch in Reihe geschalteten Stromleitern 1 besteht, über denen ein Magnetfeldgradientensensor 3 angeordnet ist. Dabei liegen die bei den Bereiche des Magnetfeldgradientensensors 3 mit der Sensorschicht 15 den beiden Stromleitern 1 genau gegenüber. Die Stromleiter 1 haben einen rechteckigen Querschnitt. Erfindungsgemäß sind die Abmessungen 4; 5 des Querschnittes wesentlich kleiner als die Skintiefe des Materials bei der oberen Frequenzgrenze für die Anwendung des Stromsen sors. Die Skintiefe λ errechnet sich nach

aus dem spezifischen Widerstand ρ des Materials, der Frequenz f und der Permeabilitäts konstanten µ₀. Für eine obere Grenze des Frequenzbereiches, in dem der Strom gemessen werden soll, von 100 kHz ergibt sich für Kupfer als Leitungsmaterial eine Skintiefe von 200 µm. Bei Abmessungen 4; 5 des rechteckigen Leiterquerschnitts von 50 µm treten in die sem geringem Querschnitt keine Stromdichteveränderungen durch Frequenzvariation auf, da sich Wirbelströme wegen der geringen Abmessung nicht ausbilden können. Damit sind auch die Magnetfelder, die auf die Sensorflächen wirken, frequenzunabhängig. Die Stromstärke, die mit der Anordnung von Fig. 1 meßbar ist, bleibt allerdings wegen der geringen Quer schnitte stark eingeschränkt.

Höhere Stromstärken sind mit der Stromsensoranordnung nach Fig. 2 meßbar. Hier sind zwei Stromleiter elektrisch in Reihe geschaltet und bilden geometrisch ein U. Die Abmes sung der Stromleiter 1 senkrecht zur U-Ebene 6 ist wesentlich größer als die Abmessung in der U-Ebene 7. Letztere ist erfindungsgemäß kleiner als die Skintiefe λ des Materials bei der höchsten Meßfrequenz. In den beiden U-Schenkeln fließt der Strom in entgegengesetzter Richtung. Wegen der großen Breite 6 der Stromleiter 1 und und ihrem dagegen geringeren Abstand 8 wird so bei hohen Frequenzen im jeweils gegenüberliegenden Stromleiter 1 zwar immer ein zum primären Strom entgegengesetzt gerichteter Strom induziert, dieser stimmt jedoch mit dem dort von außen eingespeisten Strom überein. Damit wird kein zusätzlich zum Meßstrom wirkender Wirbelstrom induziert. Die Stromverteilung bleibt unverändert homogen und damit ist das Magnetfeld außerhalb der Stromleiter 1 auch frequenzunabhängig. Durch die große Breite 6 können erheblich größere Stromstärken als nach Fig. 1 zugelassen wer den. Da der Abstand der U-Schenkel 8 kleiner als die Breite 6 gewählt ist, ist im Raum zwi schen den beiden Stromleitern 1 das Magnetfeld weitgehend homogen, wie in der Ge brauchsmusterschrift DE 298 12 531 U1 gezeigt wird. Für einen in der Mitte der Leiteranord nung plazierten Magnetfeldsensor 1 sind deshalb große Toleranzen in der Position zulässig. Die Verwendung eines Magnetfeldsensors 2 führt jedoch zur Störbarkeit durch Fremdmag netfelder.

Die Anordnung von Fig. 3 zeigt bei Stromleitergeometrie von Fig. 2, wie ein Magnetfeldgra dientensensor 3 mit zwei Sensorschichten 15, zwischen denen die Felddifferenz gemessen wird, vorteilhaft zu positionieren ist. Bei der Positionierung des Magnetfeldgradientensensors 3 ist auf die Übereinstimmung der Symmetrieachsen der Anordnung der Stromleiter 10 und des Sensors 3 zu achten. Die Verwendung des Magnetfeldgradientensensors 3 führt in be kannter Weise zur weitgehenden Unabhängigkeit der Stromanzeige von magnetischen Störfeldern.

Die Stromsensoranordnung nach Fig. 4 verwendet vier elektrisch in Reihe geschaltete Stromleiter 1 mit rechteckigem Querschnitt, wobei die Dicke 6 der Stromleiter 1 erfindungs gemäß kleiner ist als die Skintiefe λ des Materials. Der Abstand 8 der beiden Doppelband leitungen und der Abstand der Stromleiter 1 in Richtung der Banddicke sind wesentlich klei ner als die Breite 7 derselben. Damit treten wie schon bei den Anordnungen nach Fig. 2 und 3 keine frequenzbedingten Umverteilungen der Stromdichte in den Stromleitern 1 auf. Das Magnetfeld zwischen den Bandleitern ist wieder weitgehend homogen, in beiden nebenein ander liegenden Bandleitungen jedoch entgegengesetzt. So kann ein Magnetfeldgradienten sensor 3 so eingesetzt werden, daß die erste Sensorschicht 15 im Bereich der einen und die zweite Sensorschicht 15 im Bereich der zweiten Bandleitung liegen. Damit liefert diese An ordnung störfeldunabhängige Meßwerte ohne daß eine genaue Positionierung des Magnet feldgradientensensors 3 erforderlich ist.

Mit den Anordnungen nach Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 können beliebig hohe Ströme gemessen werden, allerdings können wegen der Beschränkung der Dicke der Bandleiter auf einen Wert unterhalb der Skintiefe λ überaus große Leiterbreiten erforderlich sein. Es wurde jedoch eine Lösung zur Vermeidung dieses Nachteiles gefunden. Diese besteht darin, eine Umverteilung der Stromdichte in Leitern durch die besonders bei hohen Frequenzen induzierten Wirbel ströme soweit zu vermeiden, daß am Ort des Sensors keine Feldamplitudenänderung bei variabler Frequenz vorkommt. Die störende Umverteilung der Stromdichte in kompakten Leitern wird durch Vorhandensein von durchgehenden Öffnungen 12, von begrenzten Öff nungen 13 und von inneren Öffnungen 14 vermieden. Fig. 5 zeigt einen beliebig geformten Leiterquerschnitt, der solche erfindungsgemäßen Öffnungen enthält. Stromleiter können mit einer, zwei oder allen drei Arten von Öffnungen versehen sein. Die Öffnungen müssen nicht unbedingt mechanisch vorhanden sein, sie müssen aber in jedem Fall elektrisch nichtleitend oder um Größenordnungen schlechter leitend sein als das Material des übrigen Leiters. Die Form der Öffnungen ist beliebig, ebenso die Art ihrer Herstellung. Die Abmessung der Öff nungen in den drei Raumrichtungen kann gleich oder unterschiedlich sein. Die kleinste Aus dehnung der Öffnungen wird vorzugsweise größer sein als die Skintiefe des Leiters aber nicht nicht um Größenordnungen von dieser entfernt liegen. Die Wirkung der Öffnungen be steht darin, daß sie die freie Ausbildung von Wirbelströmen verhindern und so zur frequenz unabhängigen Verteilung der Stromdichte führen.

Fig. 6 zeigt eine Stromsensoranordnung mit zwei kompakten, elektrisch parallel geschalteten Stromleitern 1. Die Stromleiter 1 sind gleich, haben einen rechteckigen Querschnitt und wer den in der Aufsicht gezeigt. Beide Abmessungen des Querschnitts der Stromleiter liegen um Größenordnungen über der Skintiefe λ. Damit sind beliebig große Stromstärken zulässig. In einem speziellen Beispiel beträgt die in Fig. 6 dargestellte Breite der beiden aus Kupfer be stehenden Stromleiter 1 7 mm, die Dicke beträgt 2 mm. In die beiden Stromleiter wurden als Öffnungen 12 zur Einschränkung der induzierten Wirbelströme durchgehende Bohrungen eingebracht. Der Durchmesser aller Bohrungen ist gleich und beträgt 1.5 mm. Die Bohrun gen bilden entsprechend der Fig. 6 ein regelmäßiges Muster. Die Bohrungen verhindern die Änderung der Stromverteilung in den Stromleitern bei steigender Frequenz des zu messen den Stromes in so einem Maße, daß ein in der Mitte zwischen den beiden Stromleitern 1 mit seinen beiden Sensorschichten 15 symmetrisch zur Mittellinie 17 angeordneter Magnetfeld gradientensensor bis in den Bereich von 100 kHz Felddifferenzwerte zu ermitteln gestattet, aus denen die Stromamplituden mit weniger als 1% Fehler bei Nutzung einer frequenzunab hängigen Eichkonstante zu ermitteln sind. Die Sensorschichten messen im Fall der Fig. 6 die Feldstärkekomponente, die senkrecht auf der Zeichenebene steht. Vorzugsweise werden hier magnetoresistive Magnetfeldgradientensensoren eingesetzt. Sie verfügen über eine ge nügend hohe Magnetfeldempfindlichkeit und können in einfacher Weise so aufgebaut wer den, daß als Ausgang sofort das Felddifferenzsignal zur Verfügung steht. Zur Anpassung ihres Magnetfeldmeßbereichs an einen bestimmten Strommeßbereich kann der Abstand zwischen der Mittelebene der Stromleiter 1 und den Sensorschichten 15 variiert werden.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführung der Erfindung im Schnitt dargestellt. Geändert gegen über der Anordnung in Fig. 6 ist lediglich die Lage des Magnetfeldgradientensensors 3. Der Sensor 3 mit seinen beiden Sensorschichten 15 ist symmetrisch zu beiden Symmetrieach sen 17 der beiden Stromleiter 1 angeordnet. Gemessen wird nur die in der Fig. 7 waage rechte Feldkomponente. Auch hier ist es vorteilhaft, magnetoresistive Magnetfeldgradienten sensoren zu verwenden. Dabei sind solche Magnetfeldgradientensensoren vorzuziehen, in die Schichtleiter integriert sind, in die Ströme eingespeisbar sind, durch deren Magnetfelder die von den Stromleitern 1 erzeugten Magnetfeldgradienten kompensierbar sind. Diese Sen soren gewährleisten eine hohe Linearität und Temperaturunabhähngigkeit des Meßergeb nisses. Die Frequenzunabhängigkeit der Strommessung wird wieder durch als Bohrungen ausgeführte durchgehende Öffnungen 12 in den Stromleitern 1 erreicht. Das Fertigen solcher Öffnungen 12 ist besonders einfach und kostengünstig.

In Fig. 8 ist eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Hier sind die beiden parallel geschalteten Stromleiter 1 durch Anbringen von Aussparungen 16 in ei nem rechteckigen Materialteil entstanden. Um eine einfache Herstellung der Stromleiter 1 sicherzustellen, ist statt eines langen Schlitzes eine Reihe von drei Bohrungen als Ausspa rung 16 gewählt worden. Der Abstand der Bohrungen ist wesentlich kleiner als ihr Durch messer. In der mittleren Bohrung ist der Magnetfeldgradientensensor 3 positioniert. Das rechteckige Materialteil ist mit einer Vielzahl von Bohrungen geringeren Durchmessers, be zeichnet als durchgehenden Öffnungen 12, zur Vermeidung von Stromdichteumverteilung bei unterschiedlichen Frequenzen versehen. In der Fig. 8 sind diese Bohrungen über den gesamten Bereich des Materialteiles gleichmäßig verteilt. Ist das Materialteil sehr lang, kann von dieser gleichmäßigen Verteilung abgewichen werden. Wichtig ist, daß die Öffnungen 12 in der Umgebung der Bohrung mit dem Sensor 3 vorhanden sind. Als Umgebung ist ein Be reich mit Abmessungen von der Größe des Durchmessers der Bohrung zu verstehen, wenn die Breite des Materialteiles nicht größer ist als das Dreifache des genannten Durchmessers.

Fig. 9 zeigt den Querschnitt durch einen Stromsensor mit zwei parallel geschalteten Strom leitern 1 mit durchgehenden Öffnungen 12, die als Bohrungen ausgeführt sind, und dazwi schen in symmetrischer Anordnung einen Magnetfeldgradientensensor 3 mit zwei Sensor schichten 15. Unter den Stromleitern 1 ist ein elektrisch und thermisch gut leitender Kühlkör per 18 angeordnet. Der Kühlkörper 18 enthält durchgehende Öffnungen 12 in Form von Bohrungen, deren Achse in Richtung der Längsausdehnung der Stromleiter 1 liegt. Der Kühlkörper 18 dient gleichzeitig als Rückleitung des die beiden parallelen Stromleiter 1 durchfließenden zu messenden Stromes. Ohne die Öffnungen 12 im Kühlkörper würde sich bei höheren Frequenzen des Stromes die Stromdichteverteilung im Kühlkörper durch indu zierte Wirbelströme so ändern, daß mit steigender Frequenz die Stromdichte am oberen Rand des Kühlkörpers immer weiter zunehmen würde und in der restlichen Querschnittsflä che kaum noch Strom fließen würde. Damit würde eine mit zunehmender Frequenz steigen de Magnetfeldstärke am Sensorort auftreten, die zu einer Frequenzabhängikeit des Sensor ausgangssignales führt. Durch die Öffnungen 12 wird das jedoch verhindert. Vorteilhafter weise lassen sich die Bohrungen im Kühlkörper zum Transport von Kühlmittel benutzen, wo durch eine weit effektivere Kühlung ermöglicht wird. Bei Anwendung von Kühlmitteln können durch die Stromleiter 1 bei gleichen Abmessungen wesentlich höhere Ströme transportiert werden. Der zulässige Strommeßbereich wird erhöht.

Fig. 10 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 9. Hier wird jedoch der Kühlkörper 18 nicht als Rückleitung des Stromes benutzt. Durch eine Öffnung im mittleren Teil des Kühlkörpers 18 wird verhindert, daß in dem Sensor 3 gegenüberliegenden Bereich Wirbelströme entstehen können. Weiterhin wird in den weiter entfernt liegenden Teilen des Kühlkörpers 18 durch die enthaltenen durchgehenden Öffnungen 12 die Ausbildung von Wirbelströmen in einem Maße gestört, daß frequenzunabhängige Magnetfelddifferenzen am Ort des Magnetfeldgradienten sensors vorhanden sind.

Bezugszeichenliste

1

Stromleiter

2

Magnetfeldsensor

3

Magnetfeldgradientensensor

4

;

5

Abmessungen

6

Abmessung senkrecht zur U-Ebene

7

Abmessung in der U-Ebene

8

Abstand der U-Schenkel

9

Mittelpunkt

10

Symmetrieachse in der U-Ebene

11

Symmetrieachse des Magnetfeldgradientensensors

12

Durchgehende Öffnung

13

Begrenzte Öffnung

14

Innere Öffnung

15

Sensorschicht

16

Aussparung

17

Mittellinie

18

Kühlkörper

Claims

1. Stromsensor, bestehend aus einem oder mehreren elektrisch parallel oder in Reihe ge schalteten Stromleitern, deren bei Stromdurchfluß entstehendes Magnetfeld durch einen oder mehrere Magnetfeldsensoren oder einen Magnetfeldgradientensensor meßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des jeweiligen Sensors dadurch im vorgesehenen Bereich frequenzunabhängig ist, daß Stromleiter verwendet werden, die am Ort des jeweiligen Sensors eine Magnetfeldveränderung durch die Ausbildung von Wirbelströmen ausschließen.

2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Stromleiter in der Nähe des jeweiligen Sensors durch Rechtecke gebildet ist und die Ab messungen der Rechtecke wesentlich kleiner als die Skintiefe sind.

3. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter U-förmig ausgebildet ist und einen rechteckigen Querschnitt aufweist, daß die Abmessung des Querschnittes senkrecht zur U-Ebene wesentlich größer als der Abstand der Schenkel des U sind, daß die Abmessung des Querschnitts in der U-Ebene wesentlich kleiner als die Skintiefe ist, und daß ein Magnetfeldsensor sich etwa im Mittelpunkt der Anordnung befindet.

4. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, der Stromleiter U-förmig ausgebildet ist und einen rechteckigen Querschnitt aufweist, daß die Abmessung des Querschnittes senkrecht zur U-Ebene wesentlich größer als der Abstand der Schenkel des U sind, daß die Abmessung des Querschnitts in der U-Ebene wesentlich kleiner als die Skintiefe ist, und daß ein Magnetfeldgradientensensor mit zur U-Ebene parallelen- Chipebene in unmittelbarer Nähe des Stromleiters und symmetrisch zur U-Form ange ordnet ist.

5. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter aus zwei gleichen übereinander liegenden flachen U-förmigen Leiterteilen mit rechteckigem Quer schnitt besteht und die Abmessung des Querschnitts in der U-Ebene wesentlich größer ist als die Abmessung senkrecht dazu und als der Abstand der beiden Schenkel des U-förmigen Leiterteiles, daß die Abmessung des Querschnittes senkrecht zur U-Ebene we sentlich kleiner als die Skintiefe des Materials ist, daß zwei übereinander liegende Schenkel der U-förmigen Leiterteile an den Enden elektrisch leitend verbunden sind und die zwei restlichen Enden zur Zu- und Abführung des Stromes vorgesehen sind, und daß ein Magnetfeldgradientensensor mit seiner Chipebene parallel zur U-Ebene symmetrisch etwa in Mitte des Stromleiters angeordnet ist.

6. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Strom leiter mit Querschnitten vorhanden sind, deren Abmessungen wesentlich größer als die Skintiefe des Materials sind, daß die Leiter durchgehende, begrenzte und/oder innere Öffnungen enthalten, die nichtleitend sind, und daß die Magnetfeldsensoren oder Mag netfeldgradientensensoren zur Bestimmung des die Leiter durchfließenden Stromes außerhalb der Leiter angeordnet sind.

7. Stromsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektrisch parallel geschaltete geometrisch parallel verlaufende Stromleiter vorhanden sind, und daß im Raum zwischen beiden Leitern ein Magnetfeldgradientensensor angeordnet ist.

8. Stromsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromleiter gleiche Abmessungen haben, aus dem gleichen Material bestehen und die gleichen Öff nungen aufweisen, und daß der Feldgradientensensor symmetrisch zur Mittelachse der beiden Stromleiter angeordnet ist.

9. Stromsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromleiter einen rechteckigen Querschnitt haben.

10. Stromsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Quer schnitts wesentlich größer ist als die Länge und die beiden Stromleiter in Richtung der Breite nebeneinander angeordnet sind.

11. Stromsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen durchge hende Bohrungen sind, deren Achsenrichtung in Richtung der Dicke zeigt.

12. Stromsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen Durch messer haben, die wesentlich kleiner als die Breite der Stromleiter sind.

13. Stromsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bohrungen den glei chen Durchmesser haben, und daß die Anordnung der Bohrungen einem regelmäßigen Muster entspricht.

14. Stromsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromleiter aus einem Materialteil durch Einbringen von Aussparungen entstanden sind.

15. Stromsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aussparung vor handen ist, deren Länge groß gegen ihre Breite ist.

16. Stromsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung eine Bohrung ist.

17. Stromsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen Boh rungen sind, deren Abstand geringer als ihr Durchmesser ist.

18. Stromsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der beiden Stromleiter 7 mm und ihre Dicke 2 mm beträgt, daß der Abstand der Stromleiter mit 5 mm bemessen ist, und daß der Durchmesser der Bohrungen 1 mm ist.

19. Stromsensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Stromleitern ein Magnetfeldgradientensensor so angeordnet ist, daß seine beiden mag netfeldempfindlichen Flächen symmetrisch zur Mittellinie liegen und beide in Richtung der Breite der Stromleiter den gleichen Abstand von dieser Mittellinie haben.

20. Stromsensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Stromleitern ein Magnetfeldgradientensensor so angeordnet ist, daß seine beiden durch die Mittellinie magnetfeldempfindlichen Flächen symmetrisch zur Mittellinie liegen und beide in Richtung der Dicke der Stromleiter den gleichen Abstand von dieser Mittellinie haben.

21. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren oder die Magnetfeldgradientensensoren magnetoresistive dünne Schichten enthalten.

22. Stromsensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven dünnen Schichten den GMR-Effekt nutzen.

23. Stromsensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven dünnen Schichten den AMR-Effekt nutzen.

24. Stromsensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß in die Magnetfeldsenso ren oder die Magnetfeldgradientensensoren Schichtleiter integriert sind, in die Ströme eingespeisbar sind, durch deren Magnetfelder die von den Stromleitern erzeugten Mag netfelder oder Magnetfeldgradienten kompensierbar sind.

25. Stromsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ebene, die parallel zur Ebene, in der die Stromleiter und der Magnetfeldgradientensensor angeordnet sind, ein flacher Kühlkörper aus thermisch und elektrisch gut leitendem Material symmetrisch zur Mittelachse der Anordnung aus Stromleitern und Magnetfeldgradientensensor aus dehnt, und daß dieser Kühlkörper auch durchgehende, begrenzte und/oder innere Öff nungen enthält.

26. Stromsensor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper die Rückleitung für den zu messenden Strom ist.

27. Stromsensor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper in dem Bereich, der dem Magnetfeldgradientensensor gegenüber liegt, eine Aussparung enthält.

28. Stromsensor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß als Öffnungen durchge hende Bohrungen vorhanden sind, die zum Transport eines Kühlmittels nutzbar sind.