DE102006037003B4

DE102006037003B4 - Filterdrossel

Info

Publication number: DE102006037003B4
Application number: DE102006037003.1A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Lindenberger Heinz; Uwe Krella
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2026-08-09
Also published as: DE102006037003A1

Abstract

Filterdrossel (1), aufweisend:- einen Strom-Eingangsleiter (2),- einen mit dem Strom-Eingangsleiter (2) leitend verbundenen Strom-Ausgangsleiter (3),- einen Drosselkern (4) aus magnetisierbarem Material, der zumindest bereichsweise zwischen dem Strom-Eingangsleiter (2) und dem Strom-Ausgangsleiter (3) angeordnet ist, wobei zwischen zwei Drosselkernabschnitten (5, 6) ein Luftspalt (7) ausgeführt ist, der die Drosselkernabschnitte (5, 6) voneinander trennt,- einen im Luftspalt (7) angeordneten Magnetfeldsensor (10),- wobei mindestens einer der Drosselkernabschnitte (5, 6) als E-Kern ausgebildet ist, wobei der Luftspalt (7) zwischen mindestens einem E-Schenkelpaar ausgebildet ist, gekennzeichnet dadurch- unterschiedlich weiter Luftspaltabschnitte (7a, 7b) zwischen den E-Schenkeln der Drosselkernabschnitte (5, 6), zwischen denen jeweils ein Magnetfeldsensor (10) aufnehmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Filterdrossel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Filterdrossel ist durch offenkundige Vorbenutzung bekannt. Eingesetzt werden derartige Filterdrosseln zur Filterung von Störungen auf den Stromzuleitungen geschalteter Wandler, insbesondere im Automotive-Bereich. Dabei werden Störungen in einem Frequenzbereich bis über 100 MHz gefiltert. Zur Funktionsüberwachung ist es erforderlich, die Stromstärke der auf dem Strom-Eingangsleiter zu- beziehungsweise auf dem Strom-Ausgangsleiter abfließenden Ströme zu erfassen. Dies geschieht bei den bekannten Systemen direkt am Strom-Eingangs- beziehungsweise Ausgangsleiter.
Die Druckschrift US 6 429 639 B1 beschreibt eine Filterdrossel mit einem Hallsesor, die einen Magnetkern aufweist. Der Magnetkern weist einen Lustspalt auf, in dem der Hallsensor angeordnet ist.
Die Druckschrift DE 41 13496 A1 beschreibt einen Magnetkern für einen Stromsensor. Der Magnetkern weist einen Luftspalt auf, in dem der als ein Magnetfelddetektor gebildete Stromsensor angeordnet ist.
Die Druckschrift DE 93 15 001 U1 beschreibt einen Drosselkern, bestehend aus zwei E-förmigen Schalenkernhälften, wobei der Kern zwischen Schenkelenden zweier gegenüberliegenden Schenkel der beiden Schalenkernhälften einen Luftspalt aufweist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Filterdrossel der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass in kompakter Weise eine Strommessung zu- oder abfließender Ströme möglich ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Filterdrossel mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch Einsatz des im Luftspalt angeordneten Magnetfeldsensors der Drosselkern der Filterdrossel selbst zur Strommessung eingesetzt werden kann. Dieser Drosselkern weist auch schon bei bekannten Filterdrosseln einen Luftspalt auf, in den der Magnetfeldsensor einfach eingesetzt werden kann. Es resultiert ein kompakter Aufbau. Gesonderte Messstellen, zum Beispiel Flusssammler an Strom-Zu- oder Abführleitungen oder an Stromschienen entfallen. Als Drosselkernmaterial wird insbesondere ein Ferrit, insbesondere mit hoher Anfangspermeabilität, eingesetzt.
Als E-Kerne ausgeführte Drosselkernabschnitte weisen Luftspalte an verschiedenen Orten zwischen den Drosselkernabschnitten auf. Es kann für den Luftspalt dann ein Ort gewählt werden, der sich für die Strommessung aufgrund der Flussdichte besonders eignet.
Eine Filterdrossel mit Luftspalten unterschiedlicher Weiten erlaubt eine Strommessung in einem weiten Bereich von elektrischen Stromstärken.
Ein Hall-Sensor nach Anspruch 2 ist ein besonders kompakter und zuverlässiger Magnetfeldsensor.
Eine Anordnung des Magnetfeldsensors nach Anspruch 3 führt zu einer guten Linearisierung der Magnetisierungskennlinie des Drosselkerns, was die Strommessung vereinfacht. Zudem werden Offset-Fehler bei der Strommessung weiter reduziert.
Ein stetiger Übergang nach Anspruch 4 vermindert die Anforderungen an die Einhaltung einer definierten Sensorposition im Luftspalt. Zudem ermöglicht der stetige Übergang eine einfache Abstimmung des Sensors an einen Vorgabe- beziehungsweise Kalibrierwert durch gezieltes Verlagern von diesem im aufgeweiteten Luftspaltabschnitt.
Ein stetiger Übergang nach Anspruch 5 ist mit geringem Herstellungsaufwand realisierbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 eine Seitenansicht einer Filterdrossel mit einem in einem Luftspalt angeordneten Magnetfeldsensor;
2 einen Schnitt gemäß Linie II-II in 1 mit einem schematischen Verlauf magnetischer Feldlinien;
3 einen Schnitt gemäß Linie III-III in 1 mit einem schematischen Verlauf magnetischer Feldlinien;
4 eine Magnetisierungskennlinie der Filterdrossel nach 1, wonach zudem eine Kennlinie ohne Luftspalt zum Vergleich dargestellt ist;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Filterdrossel in einer zu 1 ähnlichen Darstellung;
6 einen zu 2 ähnlichen Schnitt gemäß Linie VI-VI in 5.
7 eine zu 1 ähnliche Seitenansicht einer weiteren Ausführung einer Filterdrossel mit einem in einem Luftspalt angeordneten Magnetfeldsensor;
8 einen Schnitt gemäß Linie VIII-VIII in 7 mit einem schematischen Verlauf magnetischer Feldlinien; und
9-12 zu 3 ähnliche Schnittdarstellungen weiterer Ausführungsformen von Filterdrosseln mit verschiedenen Varianten der Sensorpositionierung.

Eine Filterdrossel 1, zu der in den 1 und 2 und schematisch auch in 3 eine erste Ausführungsform dargestellt ist, dient zur Unterdrückung hoher Frequenzanteile und damit zur Filterung von Störungen auf Stromzuleitungen geschalteter Wandler, insbesondere in Kraftfahrzeugen. Die durch die Filterdrossel 1 geführten Stromstärken liegen im Bereich von 10 bis 500 A.
Die Filterdrossel 1 hat einen Strom-Eingangsleiter 2 und einen mit diesem leitend verbundenen Strom-Ausgangsleiter 3. Die beiden Stromleitern 2, 3 sind miteinander U-förmig verbunden, sodass sie eine Spule mit Wicklungszahl 1 ergeben.
Abschnittsweise verlaufen der Strom-Eingangsleiter 2 und der Strom-Ausgangsleiter 3 in einem Drosselkern 4 aus einem magnetisierbaren Material. Der Drosselkern 4 ist, wie der Darstellung nach den 1 bis 3 zu entnehmen ist, bereichsweise zwischen dem Strom-Eingangsleiter 2 und dem Strom-Ausgangsleiter 3 angeordnet. Der Drosselkern 4 ist zweiteilig, hat also zwei Drosselkernabschnitte 5, 6, die durch einen Luftspalt 7 mit Spaltweite s voneinander beabstandet sind. Eine Spaltebene liegt dabei parallel zur Zeichenebene der 1. Aufgrund ihres in der 3 dargestellten Querschnitts werden die Drosselkernabschnitte 5, 6 auch als E-Kerne bezeichnet, da ihr Querschnitt an den Großbuchstaben „E“ erinnert.
Der Luftspalt 7 hat einen gegenüber dem sonstigen Luftspalt aufgeweiteten Luftspaltabschnitt 8, der in den 1 und 2 den unteren Abschluss des Luftspalts 7 bildet. Der Luftspalt 7 erweitert sich zum Luftspaltabschnitt 8 über eine 90°-Stufe 9.
Im Luftspaltabschnitt 8 ist ein Magnetfeldsensor 10 in Form eines HallSensors angeordnet. Letzterer ist über Leitungsabschnitte 11 mit einer nicht dargestellten Auswertungseinheit verbunden.
Für die effektive Permeabilität µ_e im Drosselkern 4, die ein Maß für die magnetische Flussdichte im Drosselkern 4 ist, gilt in guter Näherung: $μ_{e} = μ_{i} / (1 + μ_{i} {s/l}_{e})$
Diese Näherung gilt, solange die Weite des Luftspaltes s nicht zu groß ist und der Streufluss außerhalb der im Luftspaltabschnitt 8 einander gegenüberstehenden Spaltflächen klein bleibt. l_e ist dabei die effektive Weglänge im magnetischen Material, die in etwa der mittleren Weglänge der magnetischen Feldlinien entspricht.
Anhand von Gleichung (1) läßt sich ersehen, daß der Luftspalt s eine deutliche Stabilisierung der effektiven Permeabiltät µ_e bewirkt. Schwankungen der Anfangspermeabilität µ_i beeinflussen die effektive Permeabilität µe und damit die Flussdichte im Drosselkern 4 in einem wesentlich verringertem Maße. Dieser Stabilisierungseffekt nimmt mit höherem µ_i zu.
Damit lassen sich nicht nur Materialstreuungen weitgehend ausgleichen, sondern vor allem auch temperaturabhängige Schwankungen von µ_i. Nimmt man z.B. einen Luftspalt s von 2 mm an, sowie eine effektive Länge l_e von 50 mm, so führt bei einem µ_i von 100 eine temperaturabhängige Erhöhung um 100% beim µ_e zu einer Erhöhung um 11%. Bei einer Anfangspermeabilität µ_i von 400 führt eine Erhöhung um 100% zu einer Erhöhung um 3% bei der effektiven Permeabiltät µ_e.
Der Luftspalt s führt also zu einer Meßgröße, die weitgehend von Materialstreuungen und temperaturabhängigen Effekten entkoppelt ist.
Zudem führt der Luftspalt 7 dazu, dass die Magnetisierungskennlinie MKL 1 mit Luftspalt, wie in der 4 dargestellt ist, einerseits eine geringere Steigung als die Magnetisierungskennlinie MKL 0 ohne Luftspalt aufweist und andererseits eine viel geringere remanente Flussdichte B_R. Dies führt dazu, dass Hystereseeffekte beim Drosselkern 4 mit Luftspalt 7 viel geringer sind als bei einem Drosselkern ohne Luftspalt 7. Eine entsprechende Materialwahl vorausgesetzt, z.B. eine Koerzitivfeldstärke < 50 A/m bei einem von Luftspalt 2 mm, kann der Hystereseeffekt so reduziert werden, dass über das vom Magnetfeldsensor 10 gemessene Magnetfeld eine Strommessung des zwischen dem Strom-Eingangsleiters 2 und dem Strom-Ausgangsleiter 3 fließenden Stroms mit einem Offset-Fehler realisiert wird, der geringer ist als 1 % der tatsächlich fließenden Stromstärke. Je nach Aufweitung des Luftspalts 7 im Luftspaltabschnitt 8 ist ein Offset-Fehler im Bereich von etwa 0,2 % der tatsächlich fließenden Stromstärke möglich.
Mit Hilfe des Luftspalts s läßt sich so die gewünschte Linearisierung der B/H-Magnetisierungskennlinie (MKL) einstellen.
2 ist zu entnehmen, dass im Luftspaltabschnitt 8, insbesondere benachbart zur Stufe 9, ein stark inhomogener magnetischer Feldverlauf vorliegt. Kleine horizontale Lageänderungen des Sensors 10, wie in der 2 durch Darstellung zweier Sensorpositionen veranschaulicht, führen zu einer relativ großen Änderung der vom Sensor 10 erfassten magnetischen Flussdichte. Wenn der Sensor 10 auf die Erfassung einer ganz bestimmten Flussdichte kalibriert ist, führt dies zum Erfordernis einer sehr exakten Positionierung des Sensors 10 im Luftspaltabschnitt 8, auch in horizontaler Richtung (vergleiche den Doppelpfeil in 2), wobei während der Messung keine Lageänderungen tolerierbar sind.
5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Filterdrossel 1. Komponenten und Materialparameter, die denjenigen entsprechen, die vorstehend schon unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und Kennzeichnungen und werden nicht nochmals im Einzelnen erläutert.
Anstelle der Stufe 9 hat die Filterdrossel 1 nach den 5 und 6 einen stetigen Übergang zwischen dem aufgeweiteten Luftspaltabschnitt 8 und dem sonstigen Luftspalt 7. Dieser stetige Übergang ist gebildet durch eine abgeschrägte Kante 12 nach Art einer Fase.
Es resultiert im Luftspaltabschnitt 8 der Ausführung nach den 5 und 6 ein gleichmäßiger Verlauf der magnetischen Feldlinien, wobei die magnetische Flussdichte zum sonstigen Luftspalt 7 hin sich stetig und ohne Sprünge vergrößert. In horizontaler Richtung in 6 ist eine erheblich höhere Positionstoleranz des Magnetfeldsensors 10 im Vergleich zur Ausführung nach den 1 bis 3 gegeben. Eine Verlagerung in vertikaler Richtung (vergleiche den Doppelpfeil in 6) ermöglicht eine stufenlose Anpassung der Flussdichte, zum Beispiel an einen Skalier- beziehungsweise Vorgabewert des Magnetfeldsensors 10.
7 und 8 zeigen eine Variante der Filterdrossel 1 ohne Stufe oder stetigen Übergang des Luftspalts 7 im Bereich des Magnetfeldsensors 10. Es ergibt sich ein homogener Verlauf der magnetischen Feldlinien zwischen den Drosselkernabschnitten 5, 6.
9 zeigt in einer zu 3 ähnlichen Darstellung eine Variante einer Filterdrossel 1 mit Drosselkernabschnitten 5, 6, die beide als E-Kerne ausgebildet sind, wobei der Luftspalt 7 auf alle E-Schenkel verteilt ist. Der Luftspalt 7 liegt also nicht nur zwischen den beide Stromleitern 2, 3 vor, sondern setzt sich jenseits der Stromleiter 2, 3 nach außen hin fort. Der Luftspalt 7 und damit dessen stabilisierende Wirkung auf die B/H-Magnetisierungskennlinie wird also auf mehrere Luftspaltabschnitte verteilt.
10 zeigt eine Anordnung des Magnetfeldsensors 10 in einem der beiden äußeren Luftspaltabschnitte. Eine derartige Anordnung kann insbesondere bei hohen zu messenden Stromstärken vorteilhaft sein.
11 zeigt in einer weiteren zu 3 ähnlichen Darstellung eine weitere Variante einer Filterdrossel 1, bei der der Luftspalt 7 nur zwischen den beiden äußeren E-Schenkeln der als E-Kerne ausgeführten Drosselkernabschnitte 5, 6 ausgeführt ist. Der Magnetfeldsensor 10 ist dabei in der 11 im linken Luftspaltabschnitt angeordnet dargestellt. Die beiden Luftspaltabschnitte der Ausführung nach 11 haben die gleiche Weite s.
12 zeigt eine Abwandlung der Filterdrossel 1 nach 11, bei der die beiden Luftspaltabschnitte eine voneinander unterschiedliche Weite haben. Der in der 12 linke Luftspaltabschnitt 7a hat eine größere Spaltweite als der in der 12 rechts dargestellte Luftspaltabschnitt 7b. Die unterschiedlich weiten Luftspaltabschnitte 7a, 7b sind zur Strommessung für unterschiedliche Stromstärken geeignet. Der weitere Luftspaltabschnitt 7a ist für größere Ströme geeignet, da die Kennlinie erst für höhere Ströme in Sättigung geht. Für kleinere Ströme ist der engere Luftspaltabschnitt 7b geeignet. Ein erster Magnetfeldsensor 10 ist im Luftspaltabschnitt 7a angeordnet. Ein dünner ausgeführter Magnetfeldsensor 10' ist zur Messung kleinerer Ströme in den engeren Luftspaltabschnitt 7b eingeschoben. Auch Ausführungen der Filterdrossel 1 nach 12, bei denen nur in einem der beiden Luftspaltabschnitte 7a, 7b ein Sensor eingesetzt ist, sind möglich.
Der einzelne Magnetfeldsensor 10 kann dann jeweils in den Luftspaltabschnitt 7a, 7b angeordnet sein, der sich für die Messung der durch die Stromleiter 2, 3 geführten Stromstärke eignet. Insbesondere kann der Sensor 10 so ausgelegt sein, dass er zwischen den beiden Luftspaltabschnitten 7a, 7b hin und her verlagert werden kann.

Claims

Filterdrossel (1), aufweisend: - einen Strom-Eingangsleiter (2), - einen mit dem Strom-Eingangsleiter (2) leitend verbundenen Strom-Ausgangsleiter (3), - einen Drosselkern (4) aus magnetisierbarem Material, der zumindest bereichsweise zwischen dem Strom-Eingangsleiter (2) und dem Strom-Ausgangsleiter (3) angeordnet ist, wobei zwischen zwei Drosselkernabschnitten (5, 6) ein Luftspalt (7) ausgeführt ist, der die Drosselkernabschnitte (5, 6) voneinander trennt, - einen im Luftspalt (7) angeordneten Magnetfeldsensor (10), - wobei mindestens einer der Drosselkernabschnitte (5, 6) als E-Kern ausgebildet ist, wobei der Luftspalt (7) zwischen mindestens einem E-Schenkelpaar ausgebildet ist, gekennzeichnet dadurch - unterschiedlich weiter Luftspaltabschnitte (7a, 7b) zwischen den E-Schenkeln der Drosselkernabschnitte (5, 6), zwischen denen jeweils ein Magnetfeldsensor (10) aufnehmbar ist.
Filterdrossel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hall-Sensor als Magnetfeldsensor (10).
Filterdrossel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (10) in einem gegenüber dem sonstigen Luftspalt (7) aufgeweitetem Luftspaltabschnitt (8) angeordnet ist.
Filterdrossel nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen stetigen Übergang (12) zwischen dem aufgeweiteten Luftspaltabschnitt (8) und dem sonstigen Luftspalt (7).
Filterdrossel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der stetige Übergang (12) durch mindestens eine abgeschrägte Kante ausgebildet ist.