DE102005018637A1

DE102005018637A1 - Ringförmiger Stromsensor

Info

Publication number: DE102005018637A1
Application number: DE102005018637A
Authority: DE
Inventors: Tomoki Kariya Itoh
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2005-12-22
Also published as: US20050237050A1; JP2005308635A; US7148675B2

Abstract

Ein ringförmiger Stromsensor weist einen C-förmigen Kern (1) und einen Magnetsensor auf. Ein Innenumfang des Kerns (1) bestimmt ein Erfassungsfeld eines Stroms. In einer Umfangsrichtung des Kerns (1) bilden beide Endflächen (11) einen zwischen ihnen liegenden Spalt (2). Eine senkrecht zur Umfangsrichtung gelegene Querschnittsfläche des Kerns nimmt von den beiden Endflächen (11) zu einem dem Spalt (2) in Durchmesserrichtung gegenüberliegenden Abschnitt (12) zu. In dem Spalt (2) ist ein Magnetsensor (4) angeordnet. Vorzugsweise besteht der Kern (1) aus einem Stapel einer Mehrzahl von Kernblechen (1a bis 1e) unterschiedlicher Formen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ringförmigen Stromsensor, der einen C-förmigen Kern für einen Weg magnetischer Feldlinien und einen in einem Spalt zwischen beiden in einer Umfangsrichtung des Kerns gelegenen Endflächen angeordneten Magnetsensor aufweist.

In ringförmigen Stromsensoren gilt die Rechte-Hand-Regel. Wie beispielsweise in der JP-2003-167009-A2 offenbart, umfasst der ringförmige Stromsensor einen C-förmigen Kern, in dem ein Weg magnetischer Feldlinien vorgesehen ist, und einen Magnetfeldsensor, wie beispielsweise eine Hall-Effekt-Messvorrichtung, die in einem Spalt zwischen beiden in einer Umfangsrichtung des Kerns gelegenen Endflächen angeordnet ist. Der ringförmige Stromsensor erfasst eine Stärke des in einem Leiter, wie beispielsweise einer Stromschiene, fließenden Stroms mit Hilfe des Kerns.

Die Stärke des in dem Leiter fließenden Stroms ist direkt proportional zur magnetischen Flussdichte in dem Weg magnetischer Feldlinien, einschließlich des Spalts. Der Magnetfeldsensor gibt eine Spannung aus, die proportional zur Stärke der magnetischen Flussdichte in dem Spalt ist. Folglich zeigt die Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors die Stärke des in dem Leiter fließenden Stroms an.

Ein herkömmlicher ringförmiger Stromsensor, wie beispielsweise der in der 7 gezeigte Stromsensor, weist einen C-förmigen Kern 101, welcher derart angeordnet wird, dass er einen Stromleiter oder eine Stromschiene 3 umgibt, und eine konstante Querschnittsfläche in einer Richtung auf, die senkrecht zu dem durch diese strömenden Magnetfluss verläuft. Dieser Sensor verursacht eine Magnetfluss konzentration an einem einem Spalt 102 in Durchmesserrichtung gegenüberliegenden Abschnitt 112 des Kerns 101, d.h., an dem Zwischenabschnitt zwischen zwei gegenüberliegenden Endflächen 111 in der Umfangsrichtung des Kerns 101. Die Magnetflusskonzentration tritt insbesondere an einer radialen Innenseite des Abschnitts 112 auf und vergrößert eine magnetische Hysterese an diesem Abschnitt 112.

Die magnetische Hysterese stört insbesondere in einem ringförmigen Stromsensor 4 zur Erfassung einer hohen Stromstärke die proportionale Beziehung zwischen dem Ist-Strom und der Ausgangsspannung des Magnetsensors. Der aus einem magnetischen Material mit einer relativ kleinen magnetischen Hysterese bestehende Kern 101 kann diesen Nachteil einschränken. Diese Art magnetischen Materials erhöht jedoch die Herstellungskosten des ringförmigen Stromsensors.

Es ist angesichts des vorstehend beschriebenen Nachteils die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen ringförmigen Stromsensor bereitzustellen, der eine hohe Strommessgenauigkeit aufweist und einen Anstieg der Herstellungskosten beschränkt.

Der ringförmige Stromsensor weist einen C-förmigen Leiterkern, eine Stromschiene und einen Magnetsensor auf. Ein Innenumfang des Kerns definiert ein Erfassungsfeld zum Umschließen eines Leiters, durch den ein zu erfassender Strom fließt. Beide in der Umfangsrichtung des Kerns gelegenen Endflächen bilden einen zwischen ihnen gelegenen Spalt. Eine senkrecht zu der Umfangsrichtung verlaufende Querschnittsfläche des Kerns nimmt von beiden Endflächen zu einem dem Spalt gegenüberliegenden Abschnitt graduell zu. Der Magnetsensor ist in dem Spalt angeordnet. Die Stromschiene kann als Sensorkomponente in dem Erfassungsfeld angeordnet werden. Vorzugsweise ist der Kern ein Stapel einer Mehrzahl von Kernblechen, von denen wenigstens ein Blech eine von den Formen der anderen Bleche verschiedene Form aufweist.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In der Zeichnung zeigt:

1 eine Perspektivansicht eines ringförmigen Stromsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Seitenansicht des ringförmigen Stromsensors der 1;
3A eine Draufsicht eines ersten Kernblechs eines Kerns in dem ringförmigen Stromsensor der 1;
3B eine Draufsicht eines zweiten Kernblechs des Kerns in dem ringförmigen Stromsensor der 1;
3C eine Draufsicht eines dritten Kernblechs des Kerns in dem ringförmigen Stromsensor der 1;
3D eine Draufsicht eines vierten Kernblechs des Kerns in dem ringförmigen Stromsensor der 1;
3E eine Draufsicht eines fünften Kernblechs des Kerns in dem ringförmigen Stromsensor der 1;
4 eine Perspektivansicht eines ringförmigen Stromsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Seitenansicht des ringförmigen Stromsensors der 4;
6 eine Perspektivansicht eines ringförmigen Stromsensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 eine schematische Abbildung einer Magnetflusslinienverteilung in einem Kern eines herkömmlichen ringförmigen Stromsensors.
(Erste Ausführungsform)
Ein ringförmigen Stromsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist, wie in den 1, 2 und 3A bis 3E gezeigt, einen C-förmigen Kern 1 mit einem zwischen beiden Endflächen 11 in einer Umfangsrichtung des Kerns 1 angeordneten Spalt 2 auf. Der Kern 1 und der Spalt 2 definieren einen Weg magnetischer Feldlinien, der durch beide verläuft. Beide Endflächen 11 des C-förmigen Kerns 1 sind parallel zueinander angeordnet, um einen Abstand zwischen ihnen und eine Magnetwiderstandsverteilung in dem Spalt 2 zu bilden.
Der Kern 1 umschließt eine Stromschiene 3, in der ein zu erfassender Strom fließt, und weist einen Magnetsensor 4, wie beispielsweise eine Hall-Effekt-Messvorrichtung, in dem Spalt 2 angeordnet auf. Der Magnetsensor 4 ist insbesondere senkrecht zu einem über den Weg magnetischer Feldlinien strömenden Magnetfluss angeordnet, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die proportional zu der Magnetflussdichte auf dem den Spalt 2 miteinschließenden Weg magnetischer Feldlinien ist. 1 zeigt den Kern 1 und dem Magnetsensor 4 mit Abständen zwischen beiden. Bei einem praxisnahen Aufbau berühren sich der Kern 1 und der Magnetsen sor 4 jedoch, wobei vorzugsweise ein kleiner Abstand zwischen beiden Endflächen 11 des Kerns vorhanden ist.
Der gesamte Körper des Kerns 1 besteht aus einem magnetisch hochpermeablen metallischen Material, wie beispielsweise einer Fe-Ni-Legierung ("Permalloy" (Handelsname) etc.). Der Kern 1 weist eine wirksame Querschnittsfläche auf, die senkrecht zu seiner Umfangsrichtung verläuft (und senkrecht zum Magnetfluss) und von beiden Endflächen 11 zu einem dem Spalt 2 gegenüberliegenden Abschnitt 12 graduell zunimmt.
Der Kern 1 weist eine Mehrzahl von Kernblechen 1a bis 1e auf, die, wie in den 3A bis 3E gezeigt, eine voneinander verschiedene Umfangslänge aufweisen. Das Kernblech 1a ist insbesondere in der Mitte des Kerns 1 angeordnet und weist eine größere Dicke als die anderen Kernbleche 1b bis 1e auf. Auf jeder Seitenfläche des Kernblechs 1a ist ein aus den Kernblechen 1b bis 1e bestehender Satz, wie in den 1 und 2 gezeigt, in einer Längsrichtung parallel zu der Stromschiene 3 gestapelt. Der Spalt 2 ist zwischen beiden Endflächen des Kernblechs 1a definiert. Der aus den Kernblechen 1a bis 1e bestehende Stapel ist durch ein Befestigungselement, etc. integriert und/oder mit einem aus einem hochpermeablen Material bestehenden Klebemittel verklebt.
Gemäß dem ringförmigen Stromsensor der ersten Ausführungsform weist der Kern 1 die wirksame Querschnittsfläche auf, die von beiden Endflächen 11 zu dem dem Spalt 2 gegenüberliegenden Abschnitt 12 graduell zunimmt. D.h., der Abschnitt 12 weist über die Umfangslänge des Kerns 1 gesehen eine maximal-wirksame Querschnittsfläche auf. Der durch den Abschnitt 12 strömende Magnetfluss verteilt bzw. verbreitert sich in der maximal-wirksamen Querschnittsfläche. Folglich dient die Form des Kerns 1 dazu, die Magnetfluss konzentration an dem dem Spalt gegenüberliegenden Abschnitt 12 zu verringern und eine homogene Magnetflussdichte über die Umfangslänge des Kerns zu erzielen.
Folglich ist die proportionale Beziehung zwischen der Stärke des in der Stromschiene 3 fließenden Stroms und der Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors 4 selbst bei einer hohen Stromstärke des in der Stromschiene 3 fließenden Stroms stabil, ohne durch die magnetische Hysterese des Kerns 1 beeinflusst zu werden. Folglich ist die Erfassungsgenauigkeit des ringförmigen Stromsensors gesichert.
Ferner benötigt der ringförmige Stromsensors kein teueres Material mit einer verhältnismäßig kleinen magnetischen Hysterese für den Kern 1. Folglich beschränkt der Kern 1 einen Anstieg der Herstellungskosten des eine hohe Erfassungsgenauigkeit aufweisenden ringförmigen Stromsensors. Der Kern 1 besteht insbesondere aus einer Mehrzahl von magnetischen Blechen 1a bis 1e, so dass die Form des Kerns 1 ohne einen komplizierten Herstellungsprozess und einen Anstieg der Herstellungskosten erzielt werden kann.
(Zweite Ausführungsform)
Ein ringförmigen Stromsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform weist, wie in den 4 und 5 gezeigt, einen zu dem Kern 1 der ersten Ausführungsform unterschiedlich gebildeten Kern 5 auf. Der ringförmigen Stromsensors weist mit Ausnahme des Kerns 5 den Aufbau des ringförmigen Stromsensors der ersten Ausführungsform auf.
Eine senkrecht zur Umfangsrichtung des Kerns 5 verlaufende wirksame Querschnittsfläche des Kerns 5 nimmt von einer Seite des Spalts 2 (von beiden Endflächen 51) zu einer in Durchmesserrichtung des Kerns 5 gelegenen anderen Seite 52 graduell zu. Der Kern 5 ist insbesondere ein eine Mehr zahl von Kernblechen 5a bis 5e aufweisender Stapel. Das Kernblech 5a weist eine größere Dicke als die anderen Kernbleche 5b bis 5e auf. Ein aus den Kernblechen 5b bis 5e bestehender Satz ist, wie in den 4 und 5 gezeigt, an einer Seitenfläche des Kernblechs 5a gestapelt. Der Spalt 2 ist zwischen beiden Endoberflächen des Kernblechs 5a definiert. Der geschichtete Stapel der Kernbleche 5a bis 5e ist durch ein Befestigungselement, etc. integriert und/oder mit einem aus einem hochpermeablen Material bestehenden Klebemittel verklebt.
(Dritte Ausführungsform)
Ein ringförmigen Stromsensor gemäß einer dritten Ausführungsform weist, wie in 6 gezeigt, einen Kern 6 mit einer den Kernen 1 und 2 in der ersten und zweiten Ausführungsform entsprechenden Form auf. Der Kern 6 besteht, gleich den Kernen 1 und 5, aus einem hochpermeablen metallischen Material, wie beispielsweise einer Fe-Ni-Legierung. Eine senkrecht zu seiner Umfangsrichtung gelegene wirksame Querschnittsfläche des Kerns 6 nimmt von einer Seite des Spalts 2 zu einer dem Spalt in Durchmesserrichtung gegenüberliegenden anderen Seite 52 graduell zu. Der Kern 6 besteht insbesondere aus einem magnetisch hochpermeablen metallischen Blech- bzw. Plattenmaterial in einer Wicklungsstruktur.
(Weitere Ausführungsformen)
Die mit Hilfe der obigen Ausführungsformen beschriebene vorliegende Erfindung kann beispielsweise gemäß nachstehender Beschreibung modifiziert werden.
Der in den obigen Ausführungsformen aus magnetisch hochpermeablen metallischen Materialien, wie beispielsweise einer Fe-Ni-Legierung, bestehende Kern 1, 5 oder 6 kann ebenso aus anderem magnetischen Material, wie beispielsweise Eisenoxid bestehen.
Der in jeder der obigen Ausführungsformen durch die Hall-Effekt-Messvorrichtung realisierte Magnetsensor kann ebenso eine Magnetowiderstandsvorrichtung, etc. sein.
Der ringförmigen Stromsensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist offensichtlich auf einen berührungslosen bzw. Klemm-Stromsensor anwendbar.
Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur. Folglich soll die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausgestaltungen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Ringförmiger Stromsensor für einen Leiter, der aufweist: – einen C-förmigen Kern (1, 5, 6), der zum Umschließen des Leiters (3) dient und in seiner Umfangsrichtung Endflächen (11, 51, 61) aufweist, zwischen denen ein Spalt (2) vorgesehen ist, wobei eine senkrecht zu der Umfangsrichtung gelegene Querschnittsfläche des Kerns von den Endflächen (11, 51, 61) zu einem dem Spalt in Durchmesserrichtung gegenüberliegenden Zwischenabschnitt (12, 52, 62) des Kerns graduell zunimmt; und – einen in dem Spalt angeordneten Magnetsensor (4).
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (1, 5) aus einem Stapel einer Mehrzahl von Kernblechen (1a bis 1e, 5a bis 5e) unterschiedlicher Formen besteht.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Kernblechen (1a bis 1e, 5a bis 5e) in einer senkrecht zu der Umfangsrichtung des Kerns (1, 5) verlaufenden Richtung gestapelt ist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Mehrzahl von Kernblechen (1a bis 1e, 5a bis 5e) eine C-Form, eine einheitliche Breite und eine in der Umfangsrichtung unterschiedliche Länge aufweist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Kernblechen (1a bis 1e, 5a bis 5e) unterschiedliche Dicken, Umfangslängen und die Endflächen (11, 51) an beiden Enden der Umfangslänge aufweisen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (1, 5, 6) an dem Zwischenabschnitt am dicksten ist.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (1, 5, 6) in einem mittleren Teil des Kerns (1, 5, 6) in einer Längsrichtung des Kerns (1, 5, 6) am längsten ist.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (1, 5) eine Mehrzahl von aufeinandergestapelten Kernstücken (1a bis 1e, 5a bis 5e) aufweist.