DE10110254B4 - Stromsensor, bestehend aus Stromleitern und Magnetfeld-oder Magnetfeldgradientensensoren - Google Patents

Stromsensor, bestehend aus Stromleitern und Magnetfeld-oder Magnetfeldgradientensensoren Download PDF

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Abstract

Stromsensor, bestehend aus einem oder mehreren elektrisch parallel oder in Reihe geschalteten Stromleitern (1) und aus einem oder mehreren Magnetfeldsensoren (2) oder einem Magnetfeldgradientensensor (3), die das bei Stromdurchfluss entstehende Magnetfeld der Stromleiter (1) messen, wobei das Ausgangssignal des jeweiligen Sensors (2; 3) im vorgesehenen Bereich frequenzunabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleiter (1) Querschnitte aufweisen, deren Abmessungen (4; 5) wesentlich größer als die Skintiefe des Materials sind, dass die Leiter (1) durchgehende, begrenzte und/oder innere Öffnungen (12; 13; 14) enthalten, die nichtleitend sind, und dass die Magnetfeldsensoren (2) oder Magnetfeldgradientensensoren (3) zur Bestimmung des die Leiter (1) durchfließenden Stromes außerhalb der Leiter (1) angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betriffteinen Stromsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 Anordnungen, die der potentialfreien Strommessung im Bereich höherer Frequenzen dienen, sind damit um fasst.
  • 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 fassen, sind bekannt. in dem Artikel „Neues Messverfahren für Echtzeitstromsensoren und die Anwendung in der Prüftechnik" von E. Kolb in „messen prüfen automatisieren" von Dezember 1989, Seite 600 bis 610 sind Stromsensoren, die gerade Stromleiter mit kreisrundem Querschnitt benutzen, beschrieben. Bei Durchfluss hochfrequenter Ströme durch die kreisrunden 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 möglich, der durch die Frequenzgrenze des eingesetzten Magnetfeldsensors oder Magnetfeldgradientensenors festgelegt wird. Bei Anwendung magnetoresistiver Sensoren sind so Frequenzen bis zu mehr als 10 MHz möglich. Einschränkungen bezüglich der Frequenzunabhängigkeit der Magnetfelder ergeben sich sofort, wenn in der Nähe des kreisrunden Stromleiters 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 Frequenzabhängigkeit des Magnetfeldes am Ort des Sensors, die zu Messfehlern 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 vorgeschlagen, 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 Frequenzen des eingespeisten Stromes auch ohne in der Nähe vorhandene leitfähige Materialien 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 werden, die aber bei der Messung sehr hoher Ströme unumgänglich sind. In der Schrift DE 198 19 470 A1 , aus welcher die Merkmale nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 hervorgehen wird die Ursache für Messfehler bei der Strombestimmung aus dem Magnetfeld im Bereich höherer Frequenzen richtig erkannt. Zur Vermeidung der Auswirkung von Wirbelstromeffekten auf die Feldverteilung wird vorgeschlagen, die Querschnittsfläche und -form sowie das Material des Stromleiters und den Abstand zu speziell geformten benachbarten leitenden Metallteilen oder Ferriten so aufeinander abzustimmen, 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 detektierten magnetischen Feldstärke in der Patentschrift nicht erläutert wird. Darüber hinaus wird durch den Lösungsvorschlag nur eine Aufgabe mit Einschränkung auf die angegebenen Mittel gestellt, ohne dass technisch anwendbare Lösungen angegeben werden. Auch die angeführten Ausführungsbeispiele enthalten keine Lehre für den Fachmann, wie die gestellte Aufgabe zu lösen ist. Eine Analyse des Verhaltens der angegebenen Beispiele zeigt teilweise 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 Anwendung U-förmiger Stromleiter entsprechend der OS DE 198 19 470 A1 und der doppelten U-Form nach EP 0 061 520 gestattet bei entsprechender Dimensionierung die Messung von Strömen bis zu hohen Frequenzen ohne ein Anwachsen des Messfehlers mit steigender Frequenz. Erläuterungen dazu werden in den Beschreibungen der 1 bis 4 gegeben. Ein frequenzunabhängiges Messergebnis ist nur für stark begrenzte Stromstärken erreichbar.
  • 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 Magnetfeldgradientsensoren aufgebaut sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch dazu angegebenen Merkmale gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind den Uteranspruchen aufgeführt. Die angegeben Anordnungen für die Stromsensoren liefern bei Einhaltung der in den Unteransprüchen angegebenen Bedingungen frequenzunabhängige Messwerte. In den Ansprüchen werden Stromsensoranordnungen angegeben, bei denen diese Frequenzunabhängigkeit auch bei beliebig großen zu messenden Strömen erreicht werden kann. Die Frequenzunabhängigkeit des Magnetfeldes oder der Magnetfelddifferenz zwischen zwei Punkten, die bei den erfindungsgemäßen Lö sungen die Voraussetzung für die Frequenzunabhängigkeit des jeweiligen Sensormesswertes 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 Magnetfeldsensoren oder mit Magnetfeldgradientensensoren aufbaubar. Wie aus dem oben angegebenen Artikel von Kolb und aus der oben angegebenen Patentschrift hervorgeht, ist in der Mehrzahl der Einsatzfälle die Verwendung von Magnetfeldgradientensensoren nicht nur vorzuziehen, sondern zur fehlerfreien Messung in magnetisch gestörter Umgebung einfach notwendig. Deshalb haben auch für den Einsatz der vorliegenden Erfindung solche Stromsensoranordnungen 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, verursacht durch den hochfrequenten Strom in den Stromleitern, Wirbelströme entstehen, die dann ihrerseits magnetische Felder erzeugen. Das Ausmaß der durch diese Felder verursachten Messfehler für den Strom ist bei Verwendung von Magnetfeldgradientensensoren jedoch wesentlich abgeschwächt, da hier nicht die Störfelder selbst wirksam werden, sondern 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:
  • 1: Stromsensoranordnung für stark begrenzte Stromstärke entsprechend dem Stand der Technik.
  • 2: Stromsensoranordnung für begrenzte Stromstärke mit Feldsensor entsprechend dem Stand der Technik.
  • 3: Stromsensoranordnung für begrenzte Stromstärke mit Magnetfeldgradientensensor entsprechend dem Stand der Technik.
  • 4: Stromsensoranordnung für begrenzte Stromstärke mit Magnetfeldgradientensensor bei großen Positionstoleranzen entsprechend dem Stand der Technik.
  • 5: Querschnitt eines erfindungsgemäßen Stromleiters ohne Begrenzung der Stromstärke
  • 6: Erfindungsgemäßer Stromsensor mit zwei parallelen Stromleitern und symmetrisch angeordnetem Magnetfeldgradientensensor.
  • 7: Stromsensor nach 6 mit einer anderen symmetrischen Lage des Magnetfeldgradientensensors.
  • 8: Stromsensor mit aus einem Materialteil hergestellten parallelen Stromleitern.
  • 9: Stromsensor mit Abschirm- und Kühlkörper.
  • 10: Ein weiterer Stromsensor mit Abschirm- und Kühlkörper.
  • 1 zeigt einen Stromsensor, der aus zwei elektrisch in Reihe geschalteten Stromleitern 1 besteht, über denen ein Magnetfeldgradientensensor 3 angeordnet ist. Dabei liegen die beiden Bereiche des Magnetfeldgradientensensors 3 mit der Sensorschicht 15 den beiden Stromleitern 1 genau gegenüber. Die Stromleiter 1 haben einen rechteckigen Querschnitt. Sind die Abmessungen 4; 5 des Querschnittes wesentlich kleiner als die Skintiefe des Materials bei der oberen Frequenzgrenze für die Anwendung des Stromsensors. Die Skintiefe λ errechnet sich nach
    Figure 00040001
    aus dem spezifischen Widerstand ρ des Materials, der Frequenz f und der Permeabilitätskonstanten 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 diesem 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 1 messbar ist, bleibt allerdings wegen der geringen Querschnitte stark eingeschränkt.
  • Höhere Stromstärken sind mit der Stromsensoranordnung nach 2 messbar. Hier sind zwei Stromleiter elektrisch in Reihe geschaltet und bilden geometrisch ein U. Die Abmessung der Stromleiter 1 senkrecht zur U-Ebene 6 ist wesentlich größer als die Abmessung in der U-Ebene 7. Letztere ist 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 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 1 zugelassen werden. Da der Abstand der U-Schenkel 8 kleiner als die Breite 6 gewählt ist, ist im Raum zwischen den beiden Stromleitern 1 das Magnetfeld weitgehend homogen, wie in der Gebrauchsmusterschrift DE 298 12 531 U1 gezeigt wird. Für einen in der Mitte der Leiteranordnung platzierten Magnetfeldsensor 1 sind deshalb große Toleranzen in der Position zulässig. Die Verwendung eines Magnetfeldsensors 2 führt jedoch zur Störbarkeit durch Fremdmagnetfelder.
  • Die Anordnung von 3 zeigt bei Stromleitergeometrie von 2, wie ein Magnetfeldgradientensensor 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 bekannter Weise zur weitgehenden Unabhängigkeit der Stromanzeige von magnetischen Störfeldern.
  • Die Stromsensoranordnung nach 4 verwendet vier elektrisch in Reihe geschaltete Stromleiter 1 mit rechteckigem Querschnitt, wobei die Dicke 6 der Stromleiter 1 kleiner ist als die Skintiefe λ des Materials. Der Abstand 8 der beiden Doppelbandleitungen und der Abstand der Stromleiter 1 in Richtung der Banddicke sind wesentlich kleiner als die Breite 7 derselben. Damit treten wie schon bei den Anordnungen nach 2 und 3 keine frequenzbedingten Umverteilungen der Stromdichte in den Stromleitern 1 auf. Das Magnetfeld zwischen den Bandleitern ist wieder weitgehend homogen, in beiden nebeneinander liegenden Bandleitungen jedoch entgegengesetzt. So kann ein Magnetfeldgradientensensor 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 Anordnung störfeldunabhängige Messwerte ohne dass eine genaue Positionierung des Magnetfeldgradientensensors 3 erforderlich ist.
  • Mit den Anordnungen nach 2, 3 und 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. Mit der Erfindung 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 Wirbelströme 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 Öffnungen 13 und von inneren Öffnungen 14 vermieden. 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 Öffnungen in den drei Raumrichtungen kann gleich oder unterschiedlich sein. Die kleinste Ausdehnung der Öffnungen wird vorzugsweise größer sein als die Skintiefe des Leiters aber nicht um Größenordnungen von dieser entfernt liegen. Die Wirkung der Öff nungen besteht darin, dass sie die freie Ausbildung von Wirbelströmen verhindern und so zur frequenzunabhängigen Verteilung der Stromdichte führen.
  • 6 zeigt eine Stromsensoranordnung mit zwei kompakten, elektrisch parallel geschalteten Stromleitern 1. Die Stromleiter 1 sind gleich, haben einen rechteckigen Querschnitt und werden 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 6 dargestellte Breite der beiden aus Kupfer bestehenden Stromleiter 17 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 Bohrungen bilden- entsprechend der 6 ein regelmäßiges Muster. Die Bohrungen verhindern die Änderung der Stromverteilung in den Stromleitern bei steigender Frequenz des zu messenden 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 Magnetfeldgradientensensor bis in den Bereich von 100 kHz Felddifferenzwerte zu ermitteln gestattet, aus denen die Stromamplituden mit weniger als 1 % Fehler bei Nutzung einer frequenzunabhängigen Eichkonstante zu ermitteln sind. Die Sensorschichten messen im Fall der 6 die Feldstärkekomponente, die senkrecht auf der Zeichenebene steht. Vorzugsweise werden hier magnetoresistive Magnetfeldgradientensensoren eingesetzt. Sie verfügen über eine genügend hohe Magnetfeldempfindlichkeit und können in einfacher Weise so aufgebaut werden, 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 7 ist eine weitere Ausführung der Erfindung im Schnitt dargestellt. Geändert gegenüber der Anordnung in 6 ist lediglich die Lage des Magnetfeldgradientensensors 3. Der Sensor 3 mit seinen beiden Sensorschichten 15 ist symmetrisch zu beiden Symmetrieachsen 17 der beiden Stromleiter 1 angeordnet. Gemessen wird nur die in der 7 waagerechte Feldkomponente. Auch hier ist es vorteilhaft, magnetoresistive Magnetfeldgradientensensoren zu verwenden. Dabei sind solche Magnetfeldgradientensensoren vorzuziehen, in die Schichtleiter integriert sind, in die Ströme.einspeisbar sind, durch deren Magnetfelder die von den Stromleitern 1 erzeugten Magnetfeldgradienten kompensierbar sind. Diese Sensoren gewährleisten eine hohe Linearität und Temperaturunabhängigkeit des Messergebnisses. 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 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 Aussparung 16 gewählt worden. Der Abstand der Bohrungen ist wesentlich kleiner als ihr Durchmesser. In der mittleren Bohrung ist der Magnetfeldgradientensensor 3 positioniert. Das rechteckige Materialteil ist mit einer Vielzahl von Bohrungen geringeren Durchmessers, bezeichnet als durchgehenden Öffnungen 12, zur Vermeidung von Stromdichteumverteilung bei unterschiedlichen Frequenzen versehen. In der 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 Bereich 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. 9 zeigt den Querschnitt durch einen Stromsensor mit zwei parallel geschalteten Stromleitern 1 mit durchgehenden Öffnungen 12 , die als Bohrungen ausgeführt sind, und dazwischen in symmetrischer Anordnung einen Magnetfeldgradientensensor 3 mit zwei Sensorschichten 15. Unter den Stromleitern 1 ist ein elektrisch und thermisch gut leitender Kühlkörper 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 induzierte Wirbelströme so ändern, dass mit steigender Frequenz die Stromdichte am oberen Rand des Kühlkörpers immer weiter zunehmen würde und in der restlichen Querschnittsfläche kaum noch Strom fließen würde. Damit würde eine mit zunehmender Frequenz steigende Magnetfeldstärke am Sensorort auftreten, die zu einer Frequenzabhängigkeit des Sensor-Ausgangssignals führt. Durch die Öffnungen 12 wird das jedoch verhindert. Vorteilhafterweise lassen sich die Bohrungen im Kühlkörper zum Transport von Kühlmittel benutzen, wodurch 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.
  • 10 zeigt eine ähnliche Anordnung wie 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 Magnetteldgradientensensors vorhanden sind.
  • 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 (23)

  1. Stromsensor, bestehend aus einem oder mehreren elektrisch parallel oder in Reihe geschalteten Stromleitern (1) und aus einem oder mehreren Magnetfeldsensoren (2) oder einem Magnetfeldgradientensensor (3), die das bei Stromdurchfluss entstehende Magnetfeld der Stromleiter (1) messen, wobei das Ausgangssignal des jeweiligen Sensors (2; 3) im vorgesehenen Bereich frequenzunabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleiter (1) Querschnitte aufweisen, deren Abmessungen (4; 5) wesentlich größer als die Skintiefe des Materials sind, dass die Leiter (1) durchgehende, begrenzte und/oder innere Öffnungen (12; 13; 14) enthalten, die nichtleitend sind, und dass die Magnetfeldsensoren (2) oder Magnetfeldgradientensensoren (3) zur Bestimmung des die Leiter (1) durchfließenden Stromes außerhalb der Leiter (1) angeordnet sind.
  2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei elektrisch parallel geschaltete geometrisch parallel verlaufende Stromleiter (1) vorhanden sind, und dass im Raum zwischen beiden Leitern (1) ein Magnetfeldgradientensensor (3) angeordnet ist.
  3. Stromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stromleiter (1) gleiche Abmessungen haben, aus dem gleichen Material bestehen und die gleichen Öffnungen (12; 13; 14) aufweisen, und dass der Feldgradientensensor (3) symmetrisch zur Mittelachse der beiden Stromleiter (1) angeordnet ist.
  4. Stromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stromleiter (1) einen rechteckigen Querschnitt haben.
  5. Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Querschnitts wesentlich größer ist als die Dicke und die beiden Stromleiter (1) in Richtung der Breite nebeneinander angeordnet sind.
  6. Stromsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (12) durchgehende Bohrungen sind, deren Achsenrichtung in Richtung der Dicke zeigt.
  7. Stromsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen Durchmesser haben, die wesentlich kleiner als die Breite der Stromleiter sind.
  8. Stromsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Bohrungen den gleichen Durchmesser haben, und dass die Anordnung der Bohrungen einem regelmäßigen Muster entspricht.
  9. Stromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stromleiter (1) aus einem Materialteil durch Einbringen von Aussparungen (15) entstanden sind.
  10. Stromsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aussparung (16) vorhanden ist, deren Länge groß gegen ihre Breite ist.
  11. Stromsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (16) eine Bohrung ist.
  12. Stromsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (16) Bohrungen sind, deren Abstand geringer als ihr Durchmesser ist.
  13. Stromsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der beiden Stromleiter (1) 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.
  14. Stromsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Stromleitern (1) ein Magnetfeldgradientensensor (3) so angeordnet ist, dass seine beiden magnetfeldempfindlichen Flächen (15) symmetrisch zur Mittellinie (17) liegen und beide in Richtung der Breite der Stromleiter (1) den gleichen Abstand von dieser Mittellinie (17) haben.
  15. Stromsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Stromleitern (1) ein Magnetfeldgradientensensor (3) so angeordnet ist, dass seine beiden magnetfeldempfindlichen Flächen (15) symmetrisch zur Mittellinie (17) liegen und beide in Richtung der Dicke der Stromleiter (1) den gleichen Abstand von dieser Mittellinie (17) haben.
  16. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (2) oder die Magnetfeldgradientensensoren (3) magnetoresistive dünne Schichten enthalten.
  17. Stromsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistiven dünnen Schichten den GMR-Effekt nutzen.
  18. Stromsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistiven dünnen Schichten den AMR-Effekt nutzen.
  19. Stromsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in die Magnetfeldsensoren (2) oder die Magnetfeldgradientensensoren (3) Schichtleiter integriert sind, in die Ströme einspeisbar sind, durch deren Magnetfelder die von den Stromleitern (1) erzeugten Magnetfelder oder Magnetfeldgradienten kompensierbar sind.
  20. Stromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ebene, die parallel zur Ebene, in der die Stromleiter (1) und der Magnetfeldgradientensensor (3) angeordnet sind, ein sich ein flacher Kühlkörper (18) aus thermisch und elektrisch gut leitendem Material symmetrisch zur Mittelachse (17) der Anordnung aus Stromleitern (1) und Magnetfeldgradientensensor (3) ausdehnt, und dass dieser Kühlkörper (18) auch durchgehende, begrenzte und/oder innere Öffnungen (12; 13; 14) enthält.
  21. Stromsensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (18) die Rückleitung für den zu messenden Strom ist.
  22. Stromsensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (18) in dem Bereich, der dem Magnetfeldgradientensensor (3) gegenüber liegt, eine Aussparung enthält.
  23. Stromsensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Öffnungen durchgehende Bohrungen (12) vorhanden und zum Transport eines Kühlmittels nutzbar sind.
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