DE102011076933A1

DE102011076933A1 - Stromsensor

Info

Publication number: DE102011076933A1
Application number: DE102011076933A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2011-12-08
Also published as: US20110298454A1; US20140266178A1; CN102331518A; US9366700B2; US20130300407A1; US8461824B2; US8779757B2

Abstract

Ein Stromsensor umfasst ein leitfähiges Element, zumindest zwei Magnetfeldsensoren, die auf dem leitfähigen Element angeordnet sind und angepasst sind, um ein Magnetfeld zu erfassen, das durch einen Strom durch das Leiterelement erzeugt wird. Die zumindest zwei Magnetfeldsensoren sind auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie senkrecht zu einer Stromflussrichtung in dem leitfähigen Element angeordnet, eine isolierende Schicht ist zwischen dem leitfähigen Element und den Magnetfeldsensoren angeordnet, und eine Leiterbahn ist mit den Magnetfeldsensoren verbunden.

Description

Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf das Gebiet der Stromerfassung. Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Stromsensor und ein Kabelsystem, das einen Stromsensor umfasst. Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf Stromsensoren für Hochstromsysteme (beispielsweise Systeme, die Ströme von 50 A oder mehr verwenden). Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf kernlose Magnetstromsensoren (CLMCS; CLMCS = coreless magnetic current sensors), die Magnetfeldsensoren umfassen, die das Magnetfeld eines Stroms durch einen Leiter erfassen und diese Informationen verwenden, um den Strom abzuleiten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Stromsensoren und ein Kabelsystem mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen einen Stromsensor, der folgende Merkmale umfasst: ein leitfähiges Element, zumindest zwei Magnetfeldsensoren, die auf dem leitfähigen Element angeordnet sind und angepasst sind, um ein Magnetfeld zu erfassen, das durch einen Strom durch das Leiterelement erzeugt wird, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensoren auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie senkrecht zu einer Stromflussrichtung in dem leitfähigen Element angeordnet sind, eine isolierende Schicht, die zwischen dem leitfähigen Element und den Magnetfeldsensoren angeordnet ist, und eine Leiterbahn, die mit den Magnetfeldsensoren verbunden ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen einen Stromsensor, der folgende Merkmale umfasst: einen im Wesentlichen zylindrischen Leiter, der ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Mittelteil umfasst, der zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei ein Außendurchmesser des Mittelteils kleiner ist als ein Außendurchmesser des ersten und zweiten Endes, wobei das erste Ende des im Wesentlichen zylindrischen Leiters ein Anschlusselement oder ein erstes Verbindungselement umfasst, das angepasst ist, um mit einem ersten Kabel oder mit einem ersten Kontakt verbunden zu sein, wobei das zweite Ende des im Wesentlichen zylindrischen Leiters ein zweites Verbindungselement umfasst, das angepasst ist, um mit einem zweiten Kabel oder mit einem zweiten Kontakt verbunden zu sein, eine isolierende Schicht, die auf dem Mittelteil des im Wesentlichen zylindrischen Leiters angeordnet ist, ein Sensorelement, das an dem Mittelteil des im Wesentlichen zylindrischen Leiters angeordnet ist, wobei ein Teil der isolierenden Schicht zwischen dem im Wesentlichen zylindrischen Leiter und dem Sensorelement angeordnet ist, wobei das Sensorelement zumindest zwei Magnetfeldsensoren umfasst, die auf unterschiedliche Weise verbunden sind und auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie senkrecht zu einer Stromflussrichtung in dem im Wesentlichen zylindrischen Leiter angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Leiterbahnen, die auf der isolierenden Schicht angeordnet sind und mit dem Sensorelement verbunden sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Kabelsystem, das folgende Merkmale umfasst: ein erstes Kabel, das angepasst ist, um einen Strom zu leiten, ein leitfähiges Element, das mit dem ersten Kabel verbunden ist, zumindest zwei Magnetfeldsensoren, die auf dem leitfähigen Element angeordnet sind und angepasst sind, um ein Magnetfeld zu erfassen, das durch einen Strom durch den Stromleiter erzeugt wird, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensoren auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie senkrecht zu einer Stromflussrichtung in dem leitfähigen Element angeordnet sind, eine isolierende Schicht, die zwischen dem leitfähigen Element und den Magnetfeldsensoren angeordnet ist, und eine Leiterbahn, die mit den Magnetfeldsensoren verbunden ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die zumindest zwei Magnetfeldsensoren auf einer Linie senkrecht zu der Stromflussrichtung in dem leitfähigen Element angeordnet, wobei ein Magnetfeldsensor links von einer Mittellinie des leitfähigen Elements ist und der andere Magnetfeldsensor rechts von der Mittellinie des leitfähigen Elements ist, so dass die relevanten Komponenten des Magnetfelds auf beiden Sensorelementen in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Bei Ausführungsbeispielen, die einen Hall-Sensor verwenden, ist die relevante Komponente des Magnetfelds senkrecht zu der Chipoberfläche.
Ausführungsbeispiele können eine zylindrische leitfähige Abschirmung umfassen, die konzentrisch um das Sensorelement herum angeordnet ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Stromsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen Stromsensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine Querschnittsansicht entlang der longitudinalen Ausdehnung eines zylindrischen Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 Querschnittsansichten von Ausführungsbeispielen von zwei zylindrischen Leitern entlang deren lateralen Ausdehnung;
5(a) ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stromsensors;
5(b) eine Querschnittsansicht des Stromsensors von 5(a) entlang der Linie S-S' in 5(a), wobei die Einkerbung einen runden Querschnitt aufweist;
5(c) eine Querschnittsansicht des Stromsensors von 5(a) entlang der Linie S-S' in 5(a), wobei die Einkerbung einen runden Querschnitt mit einer abgeflachten Chipbefestigungsoberfläche aufweist;
5(d) eine Querschnittsansicht des Stromsensors von 5(a) entlang der Linie S-S' in 5(a), wobei die Einkerbung einen kreisförmigen (polygonalen) Querschnitt aufweist;
6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich demjenigen von 5(a), außer dass an dem zweiten Ende der Hülse ein Verbindungsbauglied vorgesehen ist, das eine Verbindung der Hülse zu einem Anschluss, z. B. einem Batterieanschluss, ermöglicht;
7 eine schematische Querschnittsansicht des Leiters, der einen schmalen Schlitz in der Mittelebene aufweist;
8(a)–(d) Darstellungen, die die Frequenzabhängigkeit der Flusslinien darstellen;
9(a)–(b) Darstellungen, die eine Phasenverzerrung in dem Zwischenraum des geschlitzten kreisförmigen Leiters darstellen;
10(a)–(b) Darstellungen, die eine Verringerung der Eckfrequenz für größere Querschnitte darstellen;
11 dass das By-Feld aus dem Inneren des Leiters ausgestoßen ist, während es sich außerhalb des kreisförmigen Leiters nicht ändert;
12(a)–(b) Darstellungen, die zeigen, dass die Phase des Magnetfelds außerhalb des Leiters ebenfalls konstant ist gegenüber der Frequenz;
13 eine Darstellung zum Berechnen des Magnetfelds außerhalb des kreisförmigen Leiters;
14(a)–(b) zwei mögliche Ausrichtungen des Sensorchips bezüglich des Leiters, eine radiale Ausrichtung (14(a)) und eine tangentiale Anordnung (siehe 14(b));
15 ein Diagramm, das den linearen Anstieg des Magnetfelds mit Leiterdurchmesser darstellt;
16 ein Diagramm, das zeigt, dass sich der Strom mit dem Quadrat des Leiterdurchmessers erhöht;
17 ein Diagramm, das den Anstieg des Magnetfelds mit dem Leiterdurchmesser zeigt, wenn der Sensor eine radiale Ausrichtung bezüglich des Leiters aufweist;
18 ein Diagramm, das den Anstieg des Magnetfelds mit dem Leiterdurchmesser für sowohl einen Sensor mit einer radialen Ausrichtung als auch einen Sensor mit einer tangentialen Ausrichtung bezüglich des Leiters zeigt;
19–20 Diagramme der Messdriften für Leiter mit kleinem und großem Durchmesser;
21(a)–(c) Beispiele von Dreifach-Hall-Systemen für Ströme von bis zu 400 A mit drei unterschiedlichen Formen eines Leiters;
22 eine schematische Darstellung eines Stromsensors ähnlich demjenigen in 1 mit einer zusätzlichen Abschirmung;
23 ein Ausführungsbeispiel eines Stromsensors, der eine Abschirmung umfasst und eine End-Stichleitung aufweist;
24 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stromsensors, der eine Abschirmung umfasst;
25(a)–(b) die Gesamtstromverteilung in einem Leiter und einer Abschirmung;
25(c)–(d) den Betrag des By-Felds geteilt durch den Gesamtstrom;
26 das Verhältnis Phase des Felds zu Strom;
27(a)–(b) das Verhältnis des Felds zu Strom in einem Innenleiter;
28 ein Ausführungsbeispiel eines Stromsensors mit Abschirmung, wobei der Innenleiter einen Querschnitt eines Hexagons aufweist;
29(a)–(b) die Frequenzabhängigkeit des Magnetfelds in dem Ausführungsbeispiel von 28;
30–32 Darstellungen, die das Verhältnis By/cur₁ für den Sensor von 28 darstellen;
33 eine Darstellung, die das Magnetfeld mit Abschirmung und ohne Abschirmung darstellt;
34–36(b) Darstellungen, die das Verhalten eines Stromsensors darstellen, der einen rechteckigen Sensorchip ohne Abschirmung aufweist;
37–39 Darstellungen, die das Verhalten eines Stromsensors darstellen, der einen rechteckigen Sensorchip mit einer rechteckigen Abschirmung aufweist;
40–41 Darstellungen, die das Verhalten eines Stromsensors darstellen, der einen rechteckigen Sensorchip mit einer Abschirmung an nur einer Seite aufweist; und
42 Darstellungen, die das Verhalten eines Stromsensors darstellen, der einen rechteckigen Sensorchip mit einer kreisförmigen Abschirmung aufweist.
Hochstromsysteme verwenden Sammelschienen oder massive Kabel, die mit einer Sammelschiene verbunden sein können. Eine Sammelschiene kann aus massiven Kupferstreifen mit Querschnitten von z. B. 3 mm × 15 mm gebildet sein. Ein massives Kabel kann Stränge von z. B. 10 mm Durchmesser umfassen, bedeckt mit einer Plastikisolation von z. B. 15 mm Außendurchmesser. Eine typische Anwendung kann die Verbindung zu den Toren einer Autobatterie sein. Bei solch einer Anwendung können die Kabel etwa 1 cm dick sein.
Bei solchen Systemen werden zum Erfassen eines Stroms zwei Lösungsansätze verwendet, nämlich (a) Stecken des Kabels durch einen Magnetkern, der den Fluss des Stroms durch das Kabel sammelt und auf einen Magnetfeldsensor richtet, oder (b) Zerlegen des Kabels, Einfügen eines Nebenschlusses und Messen des Spannungsabfalls über den Nebenschluss mit einem Voltmeter. Der erste Lösungsansatz (a) ist nachteilhaft, da der Magnetkern Fehler in das Messsignal einführt, z. B. Nichtlinearität, Hysterese, begrenzte Bandbreite, zu niedrige Unterdrückung von Hintergrundfeldern, begrenzter Überstrom und Temperaturabhängigkeit. Das Verwenden eines Geschlossene-Schleife-Systems kann die Genauigkeit verbessern, aber die Leistungsaufnahme des Sensors erhöht sich insbesondere bei großen zu messenden Strömen. Der zweite Lösungsansatz (b) ist nachteilhaft aufgrund des großen Leistungsverlustes (z. B. 15,2 W bei 390 A), die begrenzte Isolationsspannung und die hohen Kosten. Ferner ist das Befestigen des Nebenschlusses über Schrauben für eine Sammelschiene geeignet, aber für einfache Kabel werden zwei Kabelschuhe an den Enden der Kabel benötigt plus Schrauben, um dieselben an dem Nebenschluss zu befestigen, und darüber hinaus muss der Nebenschluss an einem Rahmen oder Gehäuse befestigt werden, ohne Kontakt herzustellen. Somit gibt es einen Bedarf zum Schaffen eines verbesserten Lösungsansatzes zum Erfassen eines Stroms, z. B. eines Stroms in solchen Hochstromsystemen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung adressieren das Problem, wie der Strom in solche einem Kabel zu messen ist, und schaffen eine verbesserte Möglichkeit zum Befestigen eines Stromsensors an einem massiven Kabel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung platzieren einen Hochstromsensor auf einen massiven Leiter (z. B. einen zylindrischen Leiter) mit einer dünnen Spannungsisolationsschicht dazwischen, wobei die Chipebene im Wesentlichen tangential zu dem Leiter ist. Der Chip hat zumindest zwei verbundene Magnetfeldsensoren, die beispielsweise in einer unterschiedlichen Konfiguration verbunden sind (um homogene Hintergrundfelder zu subtrahieren). Ausführungsbeispiele der Erfindung können die zumindest zwei Magnetfeldsensoren auf dem Leiter bereitstellen (ohne einen gemeinsamen Chip bereitzustellen, auf dem die Sensoren angeordnet sind). Der Chip oder die Magnetfeldsensoren ist/sind auf dem Leiter angeordnet, so dass die zumindest zwei Magnetfeldsensoren auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie angeordnet sind, die senkrecht zu einer longitudinalen Achse des Leiters ist, entlang dem der zu erfassende Strom fließt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung verwenden zumindest zwei Hall-Sensoren, die auf einem Substrat oder Sensorchip angeordnet sind. Der Sensorchip ist so angeordnet, dass die zumindest zwei Hall-Sensoren im Wesentlichen den gleichen radialen Abstand zu der longitudinalen Achse des Leiters haben. Bei solch einer Anordnung sind die Flusslinien, die durch den Strom durch den Leiter erzeugt werden, im Wesentlichen tangential durch die Hall-Sensoren. Herkömmlicherweise wäre eine solche Anordnung der Hall-Sensoren vermieden worden, da davon ausgegangen wird, dass für einen bestmöglichen Betrieb der Hall-Sensoren eine senkrechte Anordnung bezüglich der Flusslinien (des Magnetfelds) am Besten ist. Somit würde man erwarten, dass Signale von einem Sensorelement am stärksten sind, dessen Hall-Sensoren senkrecht zu den Flusslinien angeordnet sind. Wie es nachfolgend näher gezeigt wird (siehe 14 bis 20 und zugeordnete Beschreibung), ist dies jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Tatsächlich fanden die Erfinder heraus, dass die Anordnung gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung (wie oben beschrieben und auch bezeichnet als „tangentiale” Anordnung) stärkere Signale liefert.
Der Leiter kann aus einer hohlen zylindrischen Hülse hergestellt werden durch Pressen/Formen/Quetschen. Seine zwei Enden können Hülsen sein, die auf die Stränge massiver Kabel oder Kabelschuhe geklemmt werden.
1 zeigt einen Stromsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Stromsensor 100 umfasst ein leitfähiges Element 102, ein Aufnahmeelement 104, das angepasst ist, um ein Kabel aufzunehmen, und ein Sensorelement 106, das auf dem leitfähigen Element 102 angeordnet ist. Das Sensorelement 106 erfasst ein Magnetfeld, das durch einen Strom I in dem leitfähigen Element 102 erzeugt wird. Das Sensorelement 106 umfasst zwei Magnetfeldsensoren 106a, 106b (z. B. Hall-Sensoren), die auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie 107 (siehe 4) senkrecht zu der Stromflussrichtung angeordnet sind. Genauer gesagt, es kann drei Richtungen geben, die ein kartesisches Dreibein bilden (d. h. jeweils zwei dieser drei Richtungen sind senkrecht zueinander): die Stromflussrichtung, die Richtung einer Linie, die die zwei Magnetfeldsensoren verbindet, und die Linie 107, wobei die Linie 107 durch einen Schwerpunkt der Stromdichteverteilung verläuft. Eine isolierende Schicht 108 ist zwischen dem leitfähigen Element 102 und dem Sensorelement 106 angeordnet. Die isolierende Schicht 108 kann eine Abmessung aufweisen, die größer ist als die Abmessung des Sensorelements 106, und kann sich ferner teilweise oder vollständig um das leitfähige Element 102 herum erstrecken. Auf der isolierenden Schicht 108 sind eine oder mehrere Leiterbahnen 110 vorgesehen, von denen ein Ende mit dem Sensorelement 106 verbunden ist. Das andere Ende der Leiterbahnen 110 stellt einen Anschluss zum Ausgeben der Sensorsignale bereit. Die Leiterbahnen 110 können so angeordnet sein, dass sich dieselben nicht vollständig um das leitfähige Element 102 herum erstrecken, um das Bilden eines geschlossenen Kreises der Leiterbahnen 110 zu vermeiden, durch die sich das leitfähige Element 102 erstreckt. Obwohl 1 ein Ausführungsbeispiel mit drei Leiterbahnen 110 zeigt, wird angemerkt, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist; stattdessen kann jede Anzahl gewünschter Bahnen verwendet werden, z. B. eine einzelne Bahn, zwei Bahnen oder mehr als drei Bahnen.
2 zeigt einen Stromsensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 zeigt den Stromsensor 100 und wie derselbe zwischen ein erstes Kabel 202 und ein zweites Kabel 204 eingefügt werden kann. Jedes Kabel 202, 204 hat einen Strang 202a, 204a und eine Isolation 202b und 204b, die den Strang 202a, 204a bedeckt. Um eine Verbindung zu dem Stromsensor 100 zu ermöglichen, wird die Isolation 202b, 204b von den Enden der Kabel 202, 204 entfernt, die dem Stromsensor 100 zugewandt sind.
Der Stromsensor 100 umfasst einen massiven Leiter 102 mit einer zylindrischen Form. Das Aufnahmeelement umfasst eine erste Öffnung 104a und eine zweite Öffnung 104b an gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Leiters 102. Die freigelegten Teile der Stränge 202a, 204a der zwei Kabel 202, 204 werden in die Öffnungen eingefügt. Um einen Mittelteil 112 des Zylinders 102 herum wird die isolierende Schicht 108, z. B. eine Kapton-Folie, gewickelt oder geklebt. Die Folie 108 dient zwei Zwecken: zuerst schafft dieselbe eine gewünschte Spannungsisolation und zweitens trägt dieselbe die feinen Leiterbahnen 110, die den Chip (das Sensorelement) 106 kontaktieren. Der Sensorchip 106 kann auf Flip-Chip-Art auf diese Folie 108 platziert sein, so dass die Oberfläche, die die Anschlussflächen enthält, der Oberfläche der Kapton-Folie 108 zugewandt ist, die die Leiterbahnen 110 trägt, mit denen die Anschlussflächen verbunden sind. Die Dicke der Folie 108 kann bei einem Beispiel zwischen 10 μm und 1 mm sein. Ausführungsbeispiele der Erfindung haben eine Folie 108 mit einer Dicke von 50 μm, die ausreicht, um ausreichende Haltespannung (z. B. in dem Bereich von 6 kV) zu erreichen. Alle Leiterbahnen 110 können sich zu nur einer Seite des massiven Leiters 102 erstrecken, um geschlossene Kreise von Leiterbahnen 110 zu vermeiden, wobei der massive Leiter 102 durch diese Kreise geht.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Leiterbahnen 110 einen maximalen Abstand zu einem Rand der Isolationsfolie 108 haben, um eine maximale Kriechstrecke aufzuweisen. Darüber hinaus können dieselben nahe zueinander sein und dadurch einen minimalen Bereich überspannen, wo Rauschen und Störungen gekoppelt sein können aufgrund einer elektromagnetischen Störung. Die Leiterbahnen 110 können so fein wie möglich sein, um als eine ausfallsichere Sicherung zu wirken, falls es einen Kurzschluss zwischen dem massiven Leiter 102 und den Anschlussleitungen des Sensorchips 106 gibt. Der Leiter 102 kann außerdem mit einer Art Lack beschichtet sein, wie es bei Hochspannungstransformatoren üblich ist, um die Zuverlässigkeit der Spannungsisolation zu erhöhen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der gewünschte Abstand der Leiterbahnen von dem Rand etwa 3 mm betragen, die Trennung der Leiterbahnen voneinander kann etwa 0,1 mm betragen und die Breite der Leiterbahnen kann etwa 0,05 mm betragen.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem zylindrischen Leiter 102 mit zwei Öffnungen 104a, 104b, die sich von entgegengesetzten Enden in den Leiter 102 erstrecken. Die Öffnungen 104a, 104b haben eine Tiefe, die zum Aufnehmen der freigelegten Enden (ohne Isolation 202b, 204b) der Kabel 202, 204 ausreicht. Zwischen den Öffnungen 104a, 104b kann Leitermaterial verbleiben. Die Erfindung ist nicht auf solche Ausführungsbeispiele begrenzt. Das Aufnahmeelement 106 kann eine einzelne Öffnung in dem zylindrischen Leiter 102 umfassen, so dass der Zylinder hohl ist. Alternativ kann der Zylinder auch hohl sein mit einem darin vorgesehenen Innenleiter oder Dorn.
3 ist eine Querschnittsansicht entlang der longitudinalen Ausdehnung eines zylindrischen Leiters 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Leiter 102 hat eine konische Hülse 114, in die ein Innenleiter oder Dorn 116 eingefügt ist (siehe den Pfeil 118). Der Dorn 114 dient im Wesentlichen dem Zweck, den Mittelteil 112 steifer zu machen und eine Belastung zu vermeiden, wenn die Stränge des Kabels mit der Hülse 114 des zylindrischen Leiters 102 kontaktiert werden (dies kann durch Löten oder Quetschen geschehen). Dies kann von besonderem Interesse sein, falls der Sensor in einem Serienendtest bei einem Halbleiterhersteller kalibriert wird, bevor er durch den Hersteller des Kabels oder des Endsystems an den Kabeln befestigt wird. Der Dorn 116 kann aus einem steifen Material wie Bronze, Messing oder Stahl bestehen. Derselbe kann auch steif genug sein, um Kupfer zu verwenden, insbesondere wenn der Kern aus einem harten bearbeitbaren Kupfer hergestellt ist und die Hülse aus weichem Kupfer hergestellt ist (um Quetschen zu ermöglichen). Ein nichtmagnetisches Material kann für den Kern 116 verwendet werden (in diesem Fall sollte Kupfer einen besonders geringen oder verschwindenden Eisen- und Nickelgehalt aufweisen).
Der Kern 116 kann leicht konisch sein und die Hülse 114 kann ebenfalls in eine leicht konische Form gedrückt werden, so dass der Kern 116 fest in die Hülse 114 gedrückt werden kann. Es wird angemerkt, dass in 3 der Öffnungswinkel der Hülse 114 übertrieben gezeigt ist, in der Praxis ist der Öffnungswinkel viel kleiner. Es kann vorteilhaft sein, den Dorn 116 und die Hülse 114 durch Ultraschallschweißen oder Hartlöten oder Löten zu verbinden, um den Mittelteil 112 so steif wie möglich zu machen, um Änderungen bei der Form zu vermeiden, wenn die Hülse 114 auf die Stränge der Kabel gedrückt wird. Ausführungsbeispiele vermeiden, dass die Außenoberfläche der Hülse 114 konisch ist, da eine konische Form schwieriger zu beschichten ist mit isolierenden Folien um den gesamten Umfang herum ohne Zwischenräume und Blasen.
4 zeigt Querschnittsansichten von Ausführungsbeispielen von zwei zylindrischen Leitern entlang deren lateralen Ausdehnung. Wie es von 4(a) und 4(b) ersichtlich ist, können die Befestigungspositionen des Sensorchips 106 an der Hülse 102 mit der Kapton-Folie 108 dazwischen kreisförmig 118a oder flach 118b sein. Die Anordnung der Magnetfeldsensoren 106a und 106b auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Linie 107 ist zu sehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Sensoren 106a, 106b Hall-Sensoren sein, die im Wesentlichen mit dem gleichen radialen Abstand zu der longitudinalen Achse 109 der Hülse 102 angeordnet sind.
Im Fall einer kreisförmigen Oberfläche 118a muss sich der Chip 106 biegen, um Lufteinschlüsse zwischen der Isolationsfolie 108 und der Leiterhülse 114 zu vermeiden. Solche Einschlüsse sollten vermieden werden, da dieselben Feuchtigkeit sammeln können und die Spannungsisolation aufgrund der großen dielektrischen Konstante von Wasser schwächen können. Darüber hinaus können die Einschlüsse zum Aufplatzen führen und sind normalerweise der Ausgangspunkt für eine Ablösung, was im Allgemeinen als Hauptrisiko für Zuverlässigkeit angesehen wird. Daher ist der Chip 106 bei einem Ausführungsbeispiel flexibel, z. B. sollte die Chipdicke unter 100 μm (z. B. 40 μm) liegen. Dies kann erreicht werden durch geeignete Herstellungstechniken (z. B. Dünnwafertechniken wie Schleifen vor der Vereinzelung und dergleichen). Diese Geometrie kann zu einer geringen Reduzierung der Empfindlichkeit des Sensors (ihren, da das Magnetfeld senkrecht durch die Platten verschwindet, falls die Oberflächen der Hall-Platten 106a, 106b perfekt tangential zu dem kreisförmigen Leiter 102 sind.
Im Fall einer abgeflachten Chipbefestigungsoberfläche 118b, die in 4(b) gezeigt ist, kann der Chip 106 dicker sein als bei der oben beschriebenen Situation (z. B. 210 μm). In diesem Fall kann der Chip 106 schwieriger abzudichten sein mit einer oberen Isolierfolie. Die Hülse 114 kann durch Drücken abgeflacht werden.
5(a) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stromsensors. Neben der Verwendung einer Hülse mit oder ohne Dorn wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine Hülse mit einer Einkerbung im Mittelteil verwendet, wo der Chip an dem Leiter befestigt ist. 5(a) ist eine Querschnittsansicht entlang der longitudinalen Ausdehnung eines zylindrischen Leiters 102 des Stromsensors 100. Der Leiter 102 ist durch eine Hülse 114 gebildet, die aus Weichkupfer gebildet sein kann. Die Hülse 114 hat ein erstes Ende 114a und ein zweites Ende 114b. Der Mittelteil 112 ist zwischen dem ersten Ende 114a und dem zweiten Ende 114b angeordnet und wird erhalten durch Drücken der Hülse 114 in diesen Teil. Dies führt zu der Einkerbung der Kupferhülse 114 in dem Mittelteil 112, wobei die Hülse 114 so gedrückt werden kann, dass eine kleine Öffnung 120 verbleibt oder so dass keine Öffnung verbleibt. Der Sensorchip 106, der den Hall-Sensor 106a umfasst, ist in der Einkerbung 112 befestigt, mit der Isolierfolie 108 zwischen dem Sensorchip 106 und der Hülse 114. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Folie 108 nur teilweise um die Hülse 114. Die Leiterbahnen 110 sind auf der Folie 108 vorgesehen und der Chip 106 ist flip-chip-gebondet auf die Bahnen 110. Der Zwischenraum zwischen dem Chip 106 und der Folie 108 ist mit einem Unterfüllmaterial 122 gefüllt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine zusätzliche oder obere Isolierfolie 124 vorgesehen, um den Chip 106 abzudecken. An dem ersten Ende 114a der Hülse 114 wird eine erste Öffnung 104a gebildet, die den Strang 202a des ersten Kabels 202 aufnimmt. An dem zweiten Ende 114b der Hülse 114 ist eine zweite Öffnung 104b gebildet, die den Strang 204a des zweiten Kabels 204 aufnimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Leiterquerschnitt unter dem Sensorchip 106 reduziert und somit ist die Stromdichte und das Magnetfeld erhöht. Darüber hinaus ist der Außendurchmesser der gesamten Struktur einschließlich des Chips bei einem Minimum gehalten. Die innere Öffnung 120 kann verschwinden oder kann mit einer kleineren Abmessung bleiben als an den zwei Enden der Hülse, z. B. falls dies notwendig ist aufgrund von gegebenen Regeln einer Metallumwandlung. Selbst wenn der Teil unter dem Sensor ein hohler Zylinder bleibt, führt dies jedoch nicht zu einer Frequenzabhängigkeit, solange die inneren und äußeren Oberfläche desselben zylindrisch sind. Dies wird nachfolgend gezeigt.
Ohne Einkerbung hat die Hülse Innen- und Außendurchmesser a₁, a₂, während der mit einer Einkerbung versehene Teil einen verschwindenden Innendurchmesser und einen Außendurchmesser
aufweist. Dies bedeutet, dass die Querschnittsfläche der Einkerbung gleich der Querschnittsfläche der Hülse (sleeve) ist. Dies liegt daran, dass die Einkerbung durch Metallformen hergestellt wird. Das Differenzfeld ohne Einkerbung (corrug) beträgt
und mit Einkerbung beträgt es
Nachfolgend bezeichnet g den Isolationszwischenraum, der der Abstand zwischen der Leiteroberfläche und dem Halbleiterchip ist; und d ist die Beabstandung der zwei Magnetfeldsensoren, die planare Hall-Platten sein können, die auf einem einzigen Siliziumchip integriert sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Kabel mit einer Querschnittsfläche von 100 mm² (verwendet für 500 A Strom) und mit einem Strangdurchmesser von 11,3 mm angenommen. Die Hülse, die für Kabelschuhe dieses Strangdurchmessers verwendet wird, hat die folgenden Durchmesser a₁ = 5,7 mm, a₂ = 8,5 mm und a₃ = 6,3 mm. Daher beträgt das Differenzfeld ohne Einkerbung 4,44 mT und mit Einkerbung 7,72 mT. Da gewöhnliche Hall-Sensoren eine Genauigkeit von zumindest 50 μT aufweisen, entspricht dies 0,65% des Nennstroms (= 3,2 A). Somit ist das Feld relativ klein. Der Grund ist die geringe Stromdichte von nur 5 A/mm² in dem Strang des Kabels. Falls die Stromdichte in dem Strang auf 10 A/mm² erhöht werden würde, würde sich das Feld auch auf 50,44 mT erhöhen – dies ist jedoch manchmal nicht erlaubt aufgrund von Sicherheitsvorschriften (da sich das Kabel zu sehr erwärmen kann). Eine bessere Art, dies zu verbessern, kann eine Reduzierung des Querschnitts in dem Mittelteil des Sensors sein, dies kann jedoch nicht durch eine einfache Einkerbung durchgeführt werden.
Falls es eine bestimmte Stromdichte in dem Kabelstrang gibt (I = πa 2 / 1S_cable) , dann gibt es eine Stromdichte in dem mit einer Einkerbung versehenen Teil, der nicht größer ist als I = πa 2 / 3S_corrung . Somit beträgt das Verhältnis der Stromdichten S_corrung/S_cable = a 2 / 1/a 2 / 3 = 1/((a₂/a₁)² – 1) und das Differenzfeld wird
Angenommen ein Wert von a₃ ist groß im Vergleich zu d und g, dann wird das Differenzfeld:
Daher sollten der Innen- und Außendurchmesser der Hülse so eng wie möglich zusammenpassen – dies bedeutet, dass die Hülse dünnwandig sein muss. Die minimale Dicke der Wand der Hülse wird entweder durch den Metallformungsprozess oder durch Dissipation bestimmt, die in dem mit einer Einkerbung versehenen Abschnitt des Leiters oder durch die Strukturstabilität des Endsensors verursacht wird. Das letztere Problem kann angegangen werden durch Verwenden von zusätzlichen nichtleitenden und nichtmagnetischen Tragestrukturen wie PCBs, um die Steifheit des Sensors zu erhöhen. Angenommen ein Außendurchmesser der Hülse α₂ = 7 mm bei dem obigen Beispiel, wird ein Differenzfeld von 21,6 mT erhalten, während die Stromdichte in dem Kabel nur 5 A/mm² beträgt. Die Wanddicke der Hülse beträgt bei einem Ausführungsbeispiel nur 0,65 mm. Zusammenfassend: Das Magnetfeld kann eingestellt werden durch Reduzieren der Dicke der Hülse und dadurch Erhöhen des Verlusts der Einkerbung, so dass es einen Kompromiss gibt zwischen Dissipation und Genauigkeit.
Anstatt die Hülsen über die Strangenden der Kabel zu quetschen, können die Hülsen auch aus Hartkupfer hergestellt sein und sie können innere Gewinde an ihren Enden tragen. Dieses Sensorelement kann auf einen mit einem Gewinde versehenen Bolzen geschraubt werden. Es kann vorteilhaft sein, wenn nur ein Ende des Sensors mit diesem Gewinde versehen ist, während das gegenüberliegende Ende wie oben beschrieben realisiert ist. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn das Ende mit dem Gewinde an seiner Außenoberfläche ein Profil in der Form einer Mutter aufweist, so dass Kraft auf das Gewinde ausgeübt werden kann über das mit einem Gewinde versehene Ende, ohne dass die Kraft durch den empfindlichen Teil mit dem Sensorchip übertragen wird.
5(b) ist eine Querschnittsansicht des Stromsensors von 5(a) entlang der Linie S-S' in 5(a). Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Einkerbung 112 einen kreisförmigen Querschnitt. Wie es zu sehen ist, ist der Chip 108 an einem oberen Abschnitt der Einkerbung 112 befestigt. Um den Chip 108 auf der kreisförmigen Einkerbung 112 zu tragen, sind Tragekeile 113a und 113b vorgesehen. Die Tragekeile 113a, 113b können aus Kunststoff hergestellt sein und können elektrisch isolierend und nichtmagnetisch sein.
5(d) ist eine Querschnittsansicht des Stromsensors von 5(a) entlang der Linie S-S' in 5(a), wobei die Einkerbung 112 einen kreisförmigen Querschnitt mit einer abgeflachten Chipbefestigungsoberfläche 113c aufweist.
5(c) ist eine Querschnittsansicht des Stromsensors von 5(a) entlang der Linie S-S' in 5(a), wobei die Einkerbung 112 einen im Wesentlichen kreisförmigen (polygonalen) Querschnitt aufweist. Genauer gesagt, die Einkerbung 112 hat acht flache Oberflächen 112a–112h, die wie in der Figur gezeigt verbunden sind. Der Chip 108 ist an der Oberfläche 112a befestigt. Die Oberflächen 112a bis 112b können gleich lang sein oder können unterschiedliche Längen aufweisen.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung war der Sensor zwischen zwei Kabeln platziert. Die Erfindung ist nicht auf solche Ausführungsbeispiele begrenzt. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ähnlich ist wie das von 5(a), außer dass an dem zweiten Ende der Hülse eine Verbindungsbauglied vorgesehen ist, das eine Verbindung der Hülse mit einem Anschluss, z. B. einem Batterieanschluss, ermöglicht. Das zweite Ende 114b der Hülse 114 (a₁ = 5,7 mm, a₂ = 7 mm, a₃ = 4,1 mm) ist spitz zulaufend und weist eine rechteckige Platte 126 auf mit einem Loch 128, die Teil eines Kabelschuhs bildet. Die Isolationsfolien 108 und 124 sind gezeigt, die eine Dicke von 0,2 mm aufweisen können und die aus Kapton sein können. Eine PCB (printed circuit board = gedruckte Schaltungsplatine,), z. B. eine FR4-Platine (PCB), mit einer Dicke von etwa 0,5 mm ist zwischen den zwei Folien 108, 124 vorgesehen. Die PCB 130 hat ein Loch 130a, um den Chip 106 darin aufzunehmen. Der Chip 106 kann mit seinen offenen Bondanschlussflächen nach unten ausgerichtet sein, und eine Ag-Paste kann verwendet werden, um die feinen Kupferleiterbahnen auf der oberen Seite der unteren Kapton-Folie 108 zu kontaktieren. Auf der rechten Seite kann man Drähte verbinden, um die Sensorschaltung zu versorgen und Kontakt zu ihren Ausgangssignalen herzustellen. Die PCB plus Isolationsfolien und Teile der Drähte können übergossen werden, um zusätzliche Spannungsisolation und Schutz vor Umgebungseinflüssen zu schaffen. Die rechte Seite des Kabelschuhs hat das Loch 128, so dass es verschraubt werden kann mit einem schweren Kontakt einer Sammelschiene oder eines Steckers (z. B. einer Batterie in einem Auto). Ausführungsbeispiele der Erfindung können auch Kabelschuhe an beiden Enden der Hülse vorsehen.
Das Ausführungsbeispiel von 6 kann leicht modifiziert werden wie folgt:

• Die Folien 108, 124 können die PCB 130 überlappen, so dass dieselben entlang dem gesamten Umfang der PCB 130 zusammengeklebt werden können. Dies schafft eine Spannungsisolation und eine bessere Barriere gegen seitlichen Feuchtigkeitseintritt. Alternativ kann die PCB 130 mit Chip 106 ein- oder mehrmals mit Kapton-Folie umwickelt werden.
• Die PCB 130 kann nur eine Ausnehmung anstatt eines Lochs aufweisen. In diese Ausnehmung kann man den Chip platzieren, während das verbleibende Material der Ausnehmung die feinen Leiterbahnen trägt, um den Chip zu kontaktieren. Dann muss die Kapton-Folie die Bahnen nicht tragen.
• Bei einfachen Systemen muss die PCB 130 kein Loch oder keine Ausnehmung aufweisen: Falls man den Chip mit der Vorderseite nach unten auf die PCB platziert, kann derselbe über Leiterbahnen auf der oberen Seite der PCB kontaktiert werden. Dies kann den Isolationszwischenraum erhöhen, da die Folie 108 und die verbleibende Schicht PCB-Material zwischen dem Leiter und dem Sensor liegen. Alternativ kann man den Chip mit der Vorderseite nach oben unter die PCB platzieren mit Leiterbahnen an der Unterseite der PCB. Alternativ kann man den Chip mit der Vorderseite nach oben auf die PCB platzieren mit Leiterbahnen auf der oberen Seite der PCB. Der Kontakt zwischen Anschlussflächen auf dem Chip und Leiterbahnen auf der PCB kann mit gewöhnlichen Bonddrähten ausgeführt werden.
• Eine Unterfüllung kann als zusätzliche Einrichtung für Spannungsisolation dienen – insbesondere mit all diesen Versionen, wo der Chip auf Flip-Chip-Weise kontaktiert wird.

Nachfolgend werden drei mögliche Anordnungen des Sensorchips und des Leiters verglichen und es wird gezeigt, dass die Anordnung, die oben gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben ist, in Bezug auf Bandbreite und Empfindlichkeit am besten ist.
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Leiters 102, der einen schmalen Schlitz in der Mittelebene y = 0 und –a < x < a aufweist: Sx²π = 2πxB_y/μ₀ → B_y = μ₀Sx/2
Falls das Differenzsystem zwei Hall-Sensorelemente auf einem einzelnen Chip bei einem Abstand d aufweist, beträgt die Differenz bei den Magnetfeldern: ΔB_y = μ₀Sd/2
Für S = 10 A/mm² und d = 3,5 mm: ΔB_y = 2π × 10^–7*7*0,0035 = 22 mT. Dieses System funktioniert für Leiterdurchmesser von 3,5 mm aufwärts – daher von 96 A aufwärts. Bei kleineren Strömen wird es ineffizient, da man den Durchmesser nicht verkleinern kann und nach wie vor den Zwischenraum zu diesem Durchmesser gering halten kann – falls andererseits der Durchmesser konstant gehalten wird und der Strom reduziert wird, geht die Stromdichte nach unten und somit wird das Magnetfeld klein (was Rauschen, Drift des Nullpunkts und der Genauigkeit erhöht).
In der Praxis sieht man sich dem Problem gegenüber, wie der Chip von dem Leiter zu isolieren ist. Dies sollte durchgeführt werden durch Platzieren des Chips zwischen zwei Kapton-Folien, wo eine Folie feine Kupferleiterbahnen aufweist, um den Chip zu kontaktieren. Falls jede Folie 0,1 mm dick ist und der Chip auch 0,1 mm dick ist, ist der Gesamtzwischenraum 0,3 mm dick und dies ist nach wie vor klein im Vergleich zu 3,5 mm Durchmesser. Falls die Sensorelemente genau in der Mitte des Zwischenraums platziert sind, muss dieser sogar auf 0,4 mm erhöht werden. Ein weiteres Problem dieser Leitergeometrie sind Wirbelströme: Bei höheren Frequenzen wird der Strom vom Inneren des Leiters ausgestoßen und dies ändert die Magnetfeldverteilung in dem Zwischenraum, wo der Chip platziert ist.
Die Flusslinien haben die Frequenzabhängigkeit, wie es in 8(a) – 8(d) gezeigt ist. Wie es in 9(a) zu sehen ist, verringert sich das Feld in der Mittelebene in dem Zwischenraum des Leiters drastisch bei x = 1,5 e – 3 m = 1,5 mm bei Frequenzen über 20 kHz (–3 dB Eckfrequenz).
Wie es von 10(a) und 10(b) zu sehen ist, ist die Phase auch wesentlich verzerrt in dem Zwischenraum des geschlitzten kreisförmigen Leiters bei y = 0 und x < 2 mm.
Somit funktioniert die Messung des Stroms in dem Zwischenraum des Leiters von 7 nur für Frequenzen unter ca. 5 kHz mit hoher Genauigkeit.
Um diese Frequenzabhängigkeit zu vermeiden, ist der Leiter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kreisförmig und der Chip ist außerhalb des Leiters platziert: 11 zeigt, dass das By-Feld ausgestoßen ist aus dem Inneren eines massiven Leiters (x < 1,8 mm), während es sich außerhalb des kreisförmigen Leiters nicht ändert. Die Phase des Magnetfelds außerhalb des Leiters ist auch konstant gegenüber der Frequenz (siehe 12 – die kleine Abhängigkeit für x > 1,8 mm in 12(b) stammt von Diskretisierungsfehlern des FEM-Codes). Das Magnetfeld außerhalb des kreisförmigen Leiters ist gegeben durch (siehe 13)
Nachfolgend wird erörtert, dass die tangentiale Anordnung der Magnetfeldsensoren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung vorteilhaft ist im Vergleich zu einer herkömmlichen radialen Anordnung. Es gibt zwei mögliche Ausrichtungen des Sensorchips 106 bezüglich des Leiters 102. Bei der radialen Ausrichtung sind die Hall-Sensorelemente 106a, 106b auf dem gleichen Radiusstrahl durch die Mitte des Leiters 102 aufgereiht (siehe 14(a)): ein Element 106a ist bei einem radialen Abstand von a + g, das andere Element 106b ist bei dem radialen Abstand a + g + d von der Mitte des Leiters. In der tangentialen Anordnung (siehe 14(b)) haben beide Hall-Sensorelemente 106a, 106b den gleichen radialen Abstand zu der Mitte des Leiters sqrt((a + g)^2 + (d/2)^2).
Es ist anzumerken, dass der Isolationszwischenraum g in der Realität bei der tangentialen Anordnung kleiner ist (> 0,1 mm) als bei der radialen (> 0,5 mm). Da der Isolationszwischenraum thermischer Ausdehnung unterworfen ist und auch eine Deformation über der Lebensdauer unterworfen sein kann (z. B. über Feuchtigkeitsaufnahme oder mechanische Belastung), erscheint die radiale Anordnung über die Lebensdauer stabiler als die tangentiale. Bei der radialen Anordnung ist der Chip senkrecht zu den Flusslinien, während dieselben bei der tangentialen Anordnung relativ tangential sind. Man würde erwarten, dass die Signale von den Hall-Sensoren bei der radialen Anordnung sehr viel stärker sind, dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall:
In dem radialen Fall ist das Feld auf jedem Sensorelement stark:
auf dem linken Element und
auf dem rechten. Falls ist die Stromdichte konstant gehalten wird bei 10 A/mm², erhöht sich das vollständige Magnetfeld beinahe linear mit dem Leiterdurchmesser, wie es in 15 gezeigt ist. Der Strom erhöht sich mit dem Quadrat des Leiterdurchmessers, wie es in 16 gezeigt ist. Zum Beispiel ist der Strom 500 A bei 8 mm Durchmesser (a = 4 mm) und das Feld auf der linken Hall-Platte ist 21 mT. Dennoch kann dieses Feld nicht für Signalverarbeitung verwendet werden – die Hintergrundstörungen sind noch nicht ausgeglichen. Zu diesem Zweck muss man die Felder auf beiden Hall-Platten subtrahieren und dies ergibt ein sehr viel niedrigeres Signal:
Somit ist das Differenzfeld nur 9 mT bei 500 A (siehe 17).
Die Situation ist in der tangentialen Anordnung vorteilhafter. Obwohl das absolute Feld auf jedem Hall-Element niedrig ist
ist das Differenzfeld zweimal so groß:
18 zeigt beide Signale für radiale und tangentiale Anordnung, wo die obere Kurve der tangentialen Anordnung entspricht. Wie es ersichtlich ist, ist das Signal etwa 16 mT bei 500 A (was 67% größer ist als oben). In der Darstellung von 18 war der Isolationszwischenraum g 0,3 mm für die tangentiale Einrichtung und 0,8 mm für die radiale.
Wenn ein sehr großer Leiter betrachtet wird, geht der Radius a zu unendlich, während die Stromdichte konstant bleibt
was 22 mT für 10 A/mm² wird und eine Beabstandung von 2,5 mm zwischen den beiden Hall-Platten. Zuerst ist zu sehen, dass das Signal proportional zu der Stromdichte ist, nicht zum Strom:
Somit ist der Sensor eher ein Stromdichtesensor als ein Stromsensor. Zweitens ist anzumerken, dass das Signal identisch ist mit dem Signal, das durch einen Sensor erhalten wird in einem schmalen Zwischenraum von zwei Leitern mit halbkreisförmigem Querschnitt (wie am Anfang gezeigt)! Dies sind wirklich gute Nachrichten, da es sehr viel leichter ist, einen Sensor mit einem Chip auf einem kreisförmigen Leiter herzustellen, als einen Chip zwischen zwei massiven Leitern mit halbkreisförmigem Querschnitt zu haben. Darüber hinaus ergibt sich eine stark verbesserte Bandbreite. Und dennoch geht keine Empfindlichkeit verloren, solange der Leiter sehr viel größer ist als der Chip! Dies wird nachfolgend gezeigt.
Falls sich der Durchmesser des Leiters um 1% erhöht aufgrund thermischer Ausdehnung oder mechanischer Belastung, während der Strom konstant ist, erhöht dies den Querschnitt um 2% und reduziert die Stromdichte effektiv um 2%. Somit ist jede Änderung beim Durchmesser zweimal so groß wie bei dem Messergebnis. Solange der Leiter nicht zu groß ist, driftet die Messung um weniger als 2% (siehe 19). Die thermische Ausdehnung kann durch die Sensorschaltung berücksichtigt werden, solange der Sensor thermisch mit dem Leiter verbunden ist.
Falls sich die Dicke des Isolationszwischenraums um 1% verändert, beeinträchtigt dies die Strommessung um –2Δg/a (für einen Durchmesser 2a eines großen Leiters) und etwas mehr für schmalere Leiter. Da der Isolationszwischenraum normalerweise dünn ist, ist er sehr viel weniger kritisch als der Leiterdurchmesser: Driften von nur 0,1% werden erwartet (siehe 20).
Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie diejenigen, die oben beschrieben sind, beziehen sich auf sogenannte kernlose Magnetstromsensoren (CLMCS). Der Begriff „kernlos” bei CLMCS bedeutet, dass es keinen Magnetkern mit μr > 1,01 oder μr < 0,99 gibt, der verwendet wird, um den Fluss um den Leiter herum zu sammeln. Wie es oben beschrieben ist, sind diese Sensoren Magnetfeldsensoren, die das Magnetfeld eines Stroms durch einen Leiter erfassen und diese Informationen verwenden, um den Strom abzuleiten. Die obigen Ausführungsbeispiele verwendeten Doppel-Hall-Systeme, wo das Magnetfeld an zwei Punkten abgetastet wird.
21(a)–(c) zeigen Beispiele von Dreifach-Hall-Systemen für Ströme bis zu 400 A mit drei unterschiedlichen Formen eines Leiters (I, U, S): Der Halbleiterchip 106 ist (über nicht sichtbare Zwischenisolationsschichten) auf den Leiter geklebt. Über den Enden der dünnen Schlitze/Kerben befinden sich planare Hall-Platten 106a–106c auf der Oberfläche des Chips, die die Flusskomponente senkrecht zu der Chipoberfläche erfassen. Der Sensor berechnet die Differenz der mittleren Flusskomponente und den Mittelwert der äußeren Flusskomponenten – dieses Signal ist proportional zu dem Strom durch den Leiter und hebt homogene Hintergrundmagnetfelder und lineare Feldgradienten auf. Ausführungsbeispiele der Erfindung können Sensoren mit Dreifach- oder Doppel-Hall-Systemen verwenden. Außerdem können Systeme, die einen oder mehr als drei Hall-Sensoren verwenden, verwendet werden.
Bei den Systemen, die gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung bisher beschrieben wurden, kann es ein Problem geben, dass das Magnetfeld des Stroms bei hohen Frequenzen Wirbelströme in leitfähige Materialien induziert, die diesem Feld ausgesetzt sind. Diese Wirbelströme führen zu einem sekundären Magnetfeld, das auf das Primärfeld überlagert wird und zu einem Messfehler der CLMCS führt und schließlich die nutzbare Bandbreite begrenzt. Leitfähige Körper sind entweder der Primärleiter selbst oder zusätzliche leitfähige Körper in der Nähe. Falls der Primärleiter einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, ändern die Wirbelströme das Magnetfeld nicht gegenüber der Frequenz. Daher zeigen die Doppel-Hall-Systeme der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele eine große Bandbreite, während die Dreifach-Hall-Systeme mit geschlitzten Leiterlagen eine schmalere Bandbreite aufweisen. In beiden Fällen ist der Sensorchip an der Oberfläche des Leiters befestigt, was denselben anfällig macht für mechanische Zerstörung. Es ist wünschenswert, den Sensorchip mit einer starren Abdeckung zu schützen. Darüber hinaus sollte diese Abdeckung den Sensor auch vor Hintergrundelektromagnetfeldern schützen, insbesondere vor niederfrequenten oder statischen magnetischen und elektrischen Feldern und vor elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung und zumindest weicher Kernstrahlung wie Alphapartikel. Eine solche Schutzabdeckung kann auch eine Einrichtung für eine Befestigung bereitstellen, wie z. B. mit Gewinde versehene Enden.
Aus den obigen Gründen sollte eine Schutzabdeckung bei einem Ausführungsbeispiel aus Metall hergestellt sein. Dies verursacht jedoch die oben beschriebenen Wirbelströme. Daher stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine Lösung bereit zum Verwenden einer Schutzmetallabdeckung, die eine Bandbreitenreduzierung vermeidet durch Verwenden einer leitfähigen zylindrischen Abschirmung um den Primärleiter herum.
Der Innenleiter kann ein (hohler oder fester) Zylinder sein, er kann aber auch jede andere Form haben: Je mehr die Form des Primärleiters einem Zylinder ähnelt, um so geringer ist der Effekt von Wirbelströmen auf das Magnetfeld auf das Magnetfeld, und um so größer ist das Volumen, wo das Feld-zu-Primärstrom-Verhältnis unabhängig ist von der Frequenz. Falls der Primärleiter ein flacher Stab ist, ist das Feld-zu-Primärstrom-Verhältnis nur in einem kleinen Volumen nahe dem schmaleren Rand des Stabs unabhängig von der Frequenz.
Die äußere zylindrische Abschirmung kann permeabel sein oder nicht, d. h. dieselbe kann eine beliebige Permeabilität aufweisen. Falls dieselbe eine hohe relative Permeabilität aufweist, ist die Abschirmung eine gute Barriere gegen niederfrequente Magnetfelder. Falls die relative Permeabilität niedrig ist (um 1 herum) und die Leitfähigkeit hoch ist, funktioniert die Abschirmung gut für hochfrequente elektromagnetische Felder und niederfrequente elektrische Felder.
Die Abschirmung kann auch etwas elektrischen Strom führen: In einer quasistationären Näherung führt dieser Strom nicht zu einem Magnetfeld in der zylindrischen Abschirmung und beeinträchtigt daher die Strommessung nicht. Bei hohen Frequenzen kann der Verschiebungsstrom in der Abschirmung nicht vernachlässigt werden und dann verursacht der Strom in der Abschirmung Wirbelströme in dem Primärleiter in der Bohrung der Abschirmung, und dies würde durch die Magnetfeldsensoren erfasst werden. Daher: Solange die Frequenz des Stroms in der Abschirmung nicht zu hoch ist, beeinträchtigt sie die Strommessung der CLMCS nicht.
Da der Strom durch die Abschirmung das Magnetfeld des Sensorchips nicht beeinträchtigt, kann derselbe jede Polarität haben, je nachdem, was für die Anwendung geeignet ist.
22 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromsensors 100 ähnlich demjenigen von 1 mit der zusätzlichen Abschirmung 140.
Insbesondere ist es bei einem Ausführungsbeispiel auch möglich, den Strom des Primärleiters aufzuspalten und einen gut definierten Teil desselben über die Abschirmung nebenzuschließen. Dann erfassen die Magnetsensorelemente auf dem Chip nur diesen Teil des Stroms, der durch den inneren Teil und nicht den komplementären Abschnitt durch die Abschirmung fließt. Dies kann vorteilhaft sein, falls der Strom sehr hoch ist, so dass der Widerstand reduziert werden muss durch Verwenden einer Abschirmung mit großem Querschnitt.
Umgekehrt ist es auch möglich, den gesamten Primärstrom durch die Abschirmung zu leiten, so dass die Stromflussrichtungen in dem mittleren oder inneren Leiter (= Primärleiter 102) und in der Abschirmung 140 entgegengesetzt sind. Dies führt zu einem Ausführungsbeispiel einer End-Stichleitung, wie es in 23 gezeigt ist. Der Stromsensor dieses Ausführungsbeispiels weist den zylindrischen Leiter 102 mit einer Hülse 114 auf. Die Hülse 114 hat das erste Ende 114a und das zweite Ende 114b. Der Mittelteil 112 ist zwischen dem ersten Ende 114a und dem zweiten Ende 114b angeordnet. Der Sensorchip 106, der die Hall-Sensoren umfasst, ist an dem Mittelteil 112 befestigt, mit der isolierenden Folie 108 zwischen dem Sensorchip 106 und der Hülse 114. Die obere isolierende Folie 124 ist vorgesehen, um den Chip 106 abzudecken. An dem ersten Ende 114a der Hülse 114 ist eine End-Stichleitung 142 gebildet. An dem zweiten Ende 114b der Hülse 114 ist eine Öffnung 104b gebildet. Der Zwischenraum zwischen der Abschirmung 140 und dem Leiter 102 ist mit einer Form 144 gefüllt. Flexible Folien 146 sind für eine Verbindung mit einem Anschluss vorgesehen. Wie es durch die Pfeile angezeigt ist, dringt ein Strom an der rechten Seite in den inneren Teil ein, fließt nach links und fließt an dem linken Ende nach außen. In der Abschirmung 140 fließt der Strom von links nach rechts und verlässt die Abschirmung 140 auf der rechten Seite. Die Abschirmung 140 ist starr befestigt an der Schulter, die durch den ersten Teil 114a gebildet ist durch Presspassung, Ultraschallschweißen, Hartlöten, Löten, Kleben, Quetschen. Das Element 142 ist als ein integraler Teil des Innenleiters gezeigt – dasselbe kann auch Teil der äußeren Hülse sein (dann ist die Hülse ein hohler Zylinder mit seinem Ende). Das zweite Ende 114b kann jeweilige interne Schraubengewinde 150 aufweisen. Der Umfang des zweiten Endes 114b kann glatt sein (wie es in 23 gezeigt ist) oder ähnlich wie das Element 142, um mit einem Schraubenschlüssel zusammenzupassen, um die Schraube anzuziehen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Abschirmung nur an einem Umfang mit dem Primärleiter zu verbinden, so dass dieselbe galvanisch verbunden ist mit dem Primärleiter, dennoch gibt es keinen Niederfrequenzstrom, der durch denselben fließt. Dies ist in 24 gezeigt. Ein externes, mit einem Schraubengewinde versehenes Ende 148 ist vorgesehen, das eine Verbindung mit einer Sammelschiene oder einem Kabelschuh ermöglicht. Das Element 142 kann einen quadratischen/rechteckigen/oktagonalen/hexagonalen (polygonalen) Querschnitt oder ein ähnliches Profil aufweisen, um einem Schraubenschlüssel Griff zu geben, um die Schraubenverbindung festzuziehen. Der erste Teil 114a hat einen kreisförmigen Querschnitt und dient als eine Schulter, um die Abschirmung 140 zu halten. Die zylindrische Abschirmung 140 ist pressgepasst auf die Schulter 114a und dient dazu, den Sensor 106 mechanisch zu schützen und vor hochfrequenten Hintergrundmagnetfeldern und vor Temperatur, Salz oder anderen chemischen Verunreinigungssubstanzen abzuschirmen. Es hindert den Sensor auch daran, elektromagnetische Störung auszustrahlen (zu emittieren). Die innere Isolationsfolie 108 dient als galvanische Isolation zwischen dem Sensor 106 und dem Hochstromweg. Dieselbe kann auch die dünnen leitfähigen Bahnen tragen, um den Sensorchip 106 zu kontaktieren, falls derselbe mit der Vorderseite nach unten ist. Die Folie 108 ist an den Mittelteil 112 geklebt durch ein Haftmittel an ihrer Unterseite. Der Sensorchip 106 ist mit der Oberseite nach unten positioniert, derselbe kann jedoch auch mit der Vorderseite nach oben positioniert sein. Vorderseite nach unten bedeutet, dass die Oberfläche des Chips, auf dem das/die elektronische(n) Bauelement(e) angeordnet ist/sind, der Isolationsfolie zugewandt ist. Vorderseite nach oben bedeutet, dass die Oberfläche des Chips, auf der das/die elektronische(n) Bauelement(e) angeordnet sind, der Abschirmung zugewandt ist. Die äußere Isolationsfolie 124 dient als galvanische Isolation zwischen der Abschirmung und dem Chip 106. Dieselbe kann die dünnen leitfähigen Bahnen tragen, um den Sensorchip zu kontaktieren, falls derselbe mit der Vorderseite nach oben ist. Die Folien 108 und 124 können entlang ihrem Umfang aneinandergeklebt sein, um eine hermetische Abdichtung gegen elektrische Ladung und/oder Feuchtigkeit zu erzeugen. Die Form 144 kann zwischen der Abschirmung 140 und dem Mittelteil 112 und dem zweiten Ende 114b injiziert werden. Die Form 144 hält den Sensor 106 in Position, schützt denselben vor Umgebungseinflüssen und stabilisiert die Abschirmung 140 gegenüber den Innenleiterteilen. Das zweite Ende 114b hat ein internes Schraubengewinde 150, und sein Umfang kann glatt sein (wie es in 24 gezeigt ist) oder ähnlich dem Element 142, um mit einem Schraubenschlüssel zusammenzupassen, um die Schraube anzuziehen. Die flexiblen Folien 146 führen zu einer Art Verbinder oder gedruckter Schaltungsplatine oder Kontakten, die durch eine Spritzgusstechnik an dem Hauptkörper befestigt sein können. Der Mittel- oder Hauptteil 112 des Leiters 102 genau unter dem Sensorelement 106 hat einen kreisförmigen oder beinahe kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt (z. B. Hexagon, Oktagon usw.). Da der Halbleiter zwischen dem Leiter und der Abschirmung angeordnet ist und beide auf dem Potential des Primärleiters sind, kann der Halbleiter mit elektrisch leitfähigen Lagen auf beiden Oberflächen (obere und untere Oberfläche des Chips) bedeckt sein, und dieselben mit dem Massepotential des Sensorsystems verbinden, um kapazitives Nebensprechen von dem Primärleiter zu der Sensorschaltung zu verhindern.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die Teile 112, 114a, 114b, 142 und 148 aus einem einzelnen Stück Kupfer (oder jedem anderen guten und nichtmagnetischen Leiter) hergestellt sein. Die Abschirmung 140 ist entweder pressgepasst oder geklebt oder geschweißt oder hartgelötet oder gelötet oder gequetscht auf eine Schulter 114a, um guten mechanischen und elektrischen Kontakt zu haben. Die Gewinde an beiden Enden sollten weit genug von dem Sensor entfernt sein, um keine Messfehler zu verursachen, falls leicht oder stark magnetische Schrauben (aus weichem Stahl) verwendet werden. Außerdem können nichtmagnetische Schrauben (z. B. A4-Qualität: rein austenitischer Stahl sogar bis zu den niedrigsten Arbeitstemperaturen) verwendet werden. Das Ausführungsbeispiel von 23 kann die gleichen Materialien verwenden.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine dünne elektrische isolierende Folie oder eine Spritzgußform oder eine andere Art elektrischer Isolator zwischen die Schulter 114a und die Abschirmung 140 platziert werden, so dass die Abschirmung 140 floaten kann oder mit jedem anderen Potential verbunden sein kann.
Nachfolgend werden unterschiedliche Konfigurationen der äußeren Abschirmung 140 erörtert. Der Leiter 102 und die Abschirmung 140, die um den Leiter 102 herum vorgesehen sind, werden als zwei konzentrische Zylinder angesehen. Falls ein Strom nur durch den inneren Teil des Leiters 102 fließt und der äußere Teil lediglich als eine Abschirmung 140 dient, gibt es die Gesamtstromverteilung, die in 25(a) und 25(b) gezeigt ist (Anmerkung: die Querschnittsfläche beider Leiter wurde identisch gewählt: Radien = 1,8 mm, 2,5 mm, 3,08 mm). Entlang den Linien 152 und 154 in 25(a) und 25(b) ist der Betrag des By-Felds geteilt durch den Gesamtstrom in 25(c) und 25(d) gegeben. Wie es von 25(c) und 25(d) ersichtlich ist, ist das Feld zwischen dem Innnen- und Außenleiter unabhängig von der Frequenz. Innerhalb des Innenleiters ist der Skineffekt zu bemerken: Bei großen Frequenzen wird das Feld von dem Innenleiter ausgestoßen. In der Abschirmung ist anzumerken, dass das Feld bei hohen Frequenzen stark gedampft ist – daher ist das Feld außerhalb der Abschirmung bei hohen Frequenzen effektiv „abgeschirmt”. Somit haben Ausführungsbeispiele der Erfindung einen Vorteil dadurch, dass das Feld bei hohen Frequenzen stark reduziert ist außerhalb der Abschirmung und dass gleichzeitig das Feld von externen Störungen, die auf ein Sensorelement in der Abschirmung wirken, ebenfalls stark reduziert ist, während die Abschirmung die Bandbreite des Sensors nicht behindert. Außerdem schützt die Abschirmung den Sensor vor der Umgebung.
Außerdem ist die das Verhältnis der Phase des Feld zu dem Strom null in dem Zwischenraum 156 zwischen beiden Leitern, wie es von 26 ersichtlich ist.
Falls ein Strom in die Abschirmung 140 eingeprägt wird, ist das Magnetfeld in dem Zwischenraum 156 zwischen Innenleiter 102 und Abschirmung 140 unabhängig von dem Strom. Dennoch induziert der Strom durch die Abschirmung Strom in den Innenleiter und dies erzeugt ein Feld auf dem Sensor in dem Zwischenraum. Erneut ist das Verhältnis von Feld zu Strom in dem Innenleiter unabhängig von der Frequenz, wie es von 27(a) und 27(b) ersichtlich ist.
Gemäß einem in 28 gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Innenleiter 102 einen Querschnitt eines Hexagons mit zwei gegenüberliegenden Kanten, die 2 mm lang sind, und die anderen vier Kanten sind 1,7 mm lang. Die 2 mm langen Kanten sind 3 mm entfernt. Die Breite entlang der x-Achse beträgt 3,6 mm. Der Querschnitt beträgt 8,6 mm². Der Gesamtstrom durch den Innenleiter ist cur₁ (erhalten über Integration von Jz_emqa über den Querschnitt). Der äußere hohle Zylinder (Abschirmung 140) ist unverändert: Di = 5 mm, Do = 3,0806 mm. Da der Innenleiter nicht perfekt kreisförmig ist, ist auch das Feld nicht konstant gegenüber der Frequenz. Dennoch ist die Frequenzabhängigkeit nach wie vor klein, insbesondere an Punkten in dem Zwischenraum, aber nahe zu der äußeren Abschirmung, wie es in 29(a) und 29(b) gezeigt ist. Es ist anzumerken, dass es für jede y-Position eine x-Position gibt mit verschwindender Frequenzabhängigkeit: solche Punkte sind (x, y) = 1,15 mm, 2 mm), gezeigt in 29(b), und (x, y) = (1,02 mm, 1,7 mm), gezeigt in 30.
Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass es mit dieser Geometrie leichter ist, einen Chip an seine flache Oberfläche zu befestigen. Die Linie 158 zeigt den Weg bei y = 1,7 mm, woBy/cur₁ in 30 aufgetragen ist. An den Punkten sind Betrag und Phase von By/cur₁ aufgetragen in 31 und 32. Es ist anzumerken, dass Betrag und Phase von By/cur₁ sehr flach sind für x = 1 mm (Kurve 160).
Somit sollte es gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung für jeden Leiterquerschnitt möglich sein, einen Punkt zu finden, wo Betrag und Phase des Verhältnisses des Magnetfelds zu Strom beinahe konstant bleibt gegenüber der Frequenz. Dieser Punkt ist nahe dem Rand des Leiters und wird nicht stark verändert durch eine zusätzliche Abschirmung, solange die Abschirmung einen kreisförmigen Querschnitt hat. Falls der Leiter symmetrisch ist bezüglich der Magnetfeldsensoren, dann sollte die Abschirmung auch symmetrisch zu denselben sein.
Falls die Abschirmung ausgelassen wird, bleibt die Frequenzabhängigkeit beinahe gleich. In der Darstellung in 33 ist das Feld mit Abschirmung gemäß 28 durch die durchgezogenen Linien gegeben, während das Feld ohne Abschirmung durch die Linien mit Quadraten gegeben ist. Wie es ersichtlich ist, wird das Feld nahe einem Leiter hauptsächlich bestimmt durch den Querschnitt des Leiters und nur geringfügig beeinflusst durch eine nahe Abschirmung.
Falls ein einfacher Streifen (3 mm × 5 mm) ohne Abschirmung betrachtet wird, ist zu bemerken, dass Strom von dem Inneren ausgestoßen wird und zu dem kurzen Rand gedrückt wird, wie es in 34 gezeigt ist. Daher konzentriert sich das Feld auch nahe dem kurzen Rand bei hohen Frequenzen, wie es in 35 gezeigt ist. Nahe dem Rand bei x = 2,505 mm ist das By-Feld konstant gegenüber der Frequenz. Die Bode-Diagramme in 36(a) und 36(b) zeigen auch die schwächste Frequenzabhängigkeit nahe zu x = 2,5 mm.
Nun wird der gleiche Leiterstreifen wie in 34 (5 mm × 1,5 mm) plus eine zusätzliche Abschirmung (0,5 mm dick, innere Breite = 6 mm, innere Höhe = 3 mm) betrachtet (siehe 37). So beträgt der Zwischenraum zwischen dem Streifen und der Abschirmung etwa 0,75 mm. Wie es zu sehen ist, kann eine sehr starke Frequenzabhängigkeit beobachtet werden, insbesondere an Punkten, die näher zu der Abschirmung sind als zu dem Leiter (siehe 38 und 39).
Falls die Abschirmung nur aus der oberen Platte besteht, ist die Frequenzabhängigkeit noch schlechter, wie es von 40 und 41 ersichtlich ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung verwenden eine Abschirmung mit kreisförmigem Querschnitt und, wie es von 42 und 43 ersichtlich ist, ist die Frequenzabhängigkeit von By/Strom nahe x = 2,4 mm sehr viel geringer, so dass gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung die Abschirmung 140 ein hohler Zylinder ist, während der Innenleiter jede Form haben kann, dennoch kann es vorteilhaft sein, eine Form zu verwenden, die beinahe kreisförmig ist (fest oder hohl ist unerheblich).
Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden beschrieben, die zwei Magnetfeldsensoren verwenden. Die Erfindung ist nicht auf solch eine Anordnung begrenzt. Ausführungsbeispiele der Erfindung können eine erste Gruppe von Magnetfeldsensoren und eine zweite Gruppe von Magnetfeldsensoren aufweisen. Jede Gruppe von Magnetfeldsensoren kann einen oder mehrere Magnetfeldsensoren aufweisen. Die zwei Gruppen sind auf dem Leiter auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie angeordnet, die senkrecht zu der Stromflussrichtung durch den Leiter ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden beschrieben, die zwei Hallsensoren verwenden. Die Erfindung ist nicht auf Hallsensoren begrenzt. Stattdessen oder zusätzlich zu den Hallsensoren können auch andere Magnetfeldsensoren verwendet werden, z. B. magnetoresistive (MR) Bauelemente, wie z. B. AMR-(anisotrop magnetoresistive), GMR-(Giant-MR-) oder TMR-(Tunneling-MR-)Bauelemente.
Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf einen Stromsensor, wie er oben beschrieben ist, wobei jeweilige Enden des Leiters eine der folgenden Konfigurationen haben können:
Ein Verbindungselement, das angepasst ist, um mit einem Kontakt verbunden zu sein, kann an einem ersten Ende des leitfähigen Elements vorgesehen sein, und ein Aufnahmeelement, das angepasst ist, um ein Kabel aufzunehmen, kann an einem zweiten Ende des leitfähigen Körpers vorgesehen sein, wobei das zweite Ende dem ersten Ende gegenüberliegt, oder
ein erstes Aufnahmeelement, das angepasst ist, um ein erstes Kabel aufzunehmen, kann an dem ersten Ende des leitfähigen Elements vorgesehen sein, und ein zweites Aufnahmeelement, das angepasst ist, um ein zweites Kabel aufzunehmen, kann an dem zweiten Ende des leitfähigen Körpers vorgesehen sein, oder
ein erstes Verbindungselement, das angepasst ist, um mit einem ersten Kontakt verbunden zu sein, kann an dem ersten Ende des leitfähigen Elements vorgesehen sein, und ein zweites Verbindungselement, das angepasst ist, um mit einem zweiten Kontakt verbunden zu sein, kann an dem zweiten Ende des leitfähigen Elements vorgesehen sein, oder
ein Verbindungselement, das angepasst ist, um mit einem ersten Kontakt verbunden zu sein, kann an dem ersten Ende des leitfähigen Elements vorgesehen sein, und ein Anschlusselement kann an dem zweiten Ende des leitfähigen Elements vorgesehen sein, oder
ein Aufnahmeelement, das angepasst ist, um ein Kabel aufzunehmen, kann an dem ersten Ende des leitfähigen Elements vorgesehen sein, und ein Anschlusselement kann an dem zweiten Ende des leitfähigen Elements vorgesehen sein.
Die oben beschriebenen Ausfürungsbeispiele sind lediglich darstellend für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es ist klar, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und Einzelheiten, die hierin beschrieben sind, für andere Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich sind. Es ist daher die Absicht, dass diese nur begrenzt sind durch den Schutzbereich der folgenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die durch Beschreibung und Erklärung der Ausführungsbeispiele hierin dargestellt sind.

Claims

Stromsensor (100), der folgende Merkmale aufweist: ein leitfähiges Element (102); zumindest zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b), die auf dem leitfähigen Element (102) angeordnet sind, und angepasst sind, um ein Magnetfeld zu erfassen, dass durch einen Strom durch das Leiterelement erzeugt wird, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b) auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie senkrecht zu einer Stromflussrichtung in dem leitfähigen Element (102) angeordnet sind; und eine isolierende Schicht (108), die zwischen dem leitfähigen Element (102) und den Magnetfeldsensoren (106a, 106b) angeordnet ist.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 1, der ferner folgende Merkmale aufweist: zumindest zwei Leiterbahnen, die jeweils mit den Magnetfeldsensoren (106a, 106b) verbunden sind; und ein Sensorelement (106), dass die zumindest zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b) umfasst, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b) über die jeweiligen Leiterbahnen in einer unterschiedlichen Konfiguration verbunden sind und im Wesentlichen an dem gleichen radialen Abstand von einer longitudinalen Achse des leitfähigen Elements (102) angeordnet sind.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 2, bei dem das leitfähige Element (102) einen im Wesentlichen kreisförmigen oder einen polygonalen Querschnitt aufweist, und bei dem das Sensorelement (106) tangential auf dem leitfähigen Element (102) angeordnet ist.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 3, bei dem das leitfähige Element (102) eine abgeflachte Sensorelementbefestigungsoberfläche aufweist.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das leitfähige Element (102) ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Mittelteil aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei ein Außendurchmesser des Mittelteils kleiner ist als ein Außendurchmesser des ersten und des zweiten Endes, und wobei das Sensorelement (106) und die isolierende Schicht (108) auf dem Mittelteil des leitfähigen Elements (102) angeordnet sind.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die isolierende Schicht (108) eine flexible Folie aufweist, eine weitere flexible Folie, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b) zwischen der flexiblen Folie und der weiteren flexiblen Folie eingebettet sind, und ferner Leiterbahnen aufweist, die auf zumindest entweder der flexiblen Folie oder der weiteren flexiblen Folie angeordnet sind.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das leitfähige Element (102) eine Hülse mit einem Innenleiter, der in der Hülse angeordnet ist, wobei sich die Hülse an zumindest einem Ende über den Innenleiter hinaus erstreckt, nur eine Hülse oder einen festen, sich longitudinal erstreckenden Leiter aufweist.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem: ein Verbindungselement, das angepasst ist, um mit einem Kontakt verbunden zu werden, an einem ersten Ende des leitfähigen Elements (102) vorgesehen ist, und ein Aufnahmeelement, das angepasst ist, um ein Kabel aufzunehmen, an einem zweiten Ende des leitfähigen Elements (102) vorgesehen ist, wobei das zweite Ende dem ersten Ende gegenüberliegt, oder ein erstes Aufnahmeelement, das angepasst ist, um ein erstes Kabel aufzunehmen, an dem ersten Ende des leitfähigen Elements (102) vorgesehen ist, und ein zweites Aufnahmeelement, das angepasst ist, um ein zweites Kabel aufzunehmen, an dem zweiten Ende des leitfähigen Elements (102) vorgesehen ist, oder ein erstes Verbindungselement, das angepasst ist, um mit einem ersten Kontakt verbunden zu werden, an dem ersten Ende des leitfähigen Elements (102) vorgesehen ist, und ein zweites Verbindungselement, das angepasst ist, um mit einem zweiten Kontakt verbunden zu werden, an dem zweiten Ende des leitfähigen Elements (102) vorgesehen ist, oder ein Verbindungselement, das angepasst ist, um mit einem ersten Kontakt verbunden zu werden, an dem ersten Ende des leitfähigen Elements (102) vorgesehen ist, und ein Anschlusselement an dem zweiten Ende des leitfähigen Elements (102) vorgesehen ist, oder ein Aufnahmeelement, das angepasst ist, um ein Kabel aufzunehmen, an dem ersten Ende des leitfähigen Elements (102) vorgesehen ist, und ein Anschlusselement an dem zweiten Ende des leitfähigen Elements (102) vorgesehen ist.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, der ferner Leiterbahnen aufweist, die sich auf der isolierenden Schicht (108) und nur auf einer Seite des leitfähigen Elements (102) erstrecken, um einen geschlossenen Kreis der Leiterbahnen zu vermeiden, durch die sich das leitfähige Element (102) erstreckt, und wobei die Mehrzahl von Leiterbahnen mit einem ersten Abstand von Rändern der isolierenden Schicht (108) angeordnet sind, und wobei die Leiterbahnen voneinander getrennt sind um einen zweiten Abstand, und wobei die Leiterbahnen eine vordefinierte Breite haben.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 9, bei dem der erste Abstand ausgewählt ist, um eine maximale Kriechstrecke bereitzustellen, wobei der zweite Abstand ausgewählt ist, so dass die Leiterbahnen eine minimale Fläche überspannen, um Koppeln von Rauschen und Störungen zu reduzieren, und wobei die Breite ausgewählt ist, so dass die Leiterbahnen im Fall eines Kurzschlusses zwischen dem leitfähigen Element (102) und Anschlussleitungen des Sensorelements (106) als eine Sicherung wirken.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, der ferner folgende Merkmale aufweist: Leiterbahnen, die mit den zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b) verbinden; und eine weitere isolierende Schicht (108), die die Magnetfeldsensoren (106a, 106b) und die Leiterbahnen beschichtet und abdeckt.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, der ferner eine leitfähige Abschirmung um die zumindest zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b) herum aufweist.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 12, bei dem die leitfähige Abschirmung eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsform aufweist.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 13, bei dem das leitfähige Element (102) ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Mittelteil aufweist, der zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei ein Außendurchmesser des Mittelteils kleiner ist als der Außendurchmesser des ersten und des zweiten Endes, wobei das Sensorelement (106) und die isolierende Schicht (108) in dem Mittelteil des leitfähigen Elements (102) angeordnet sind, und wobei die leitfähige Abschirmung an zumindest entweder dem ersten oder dem zweiten Ende des leitfähigen Elements (102) angeordnet ist.
Stromsensor (100), der folgende Merkmale aufweist: einen im Wesentlichen zylindrischen Leiter, der ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Mittelteil aufweist, der zwischen dem erstem Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei ein Außendurchmesser des Mittelteils kleiner ist als ein Außendurchmesser des ersten und des zweiten Endes; wobei das erste Ende des im Wesentlichen zylindrischen Leiters ein Anschlusselement oder ein erstes Verbindungselement aufweist, die angepasst sind, um mit einem ersten Kabel oder mit einem ersten Kontakt verbunden zu sein; wobei das zweite Ende des im Wesentlichen zylindrischen Leiters ein zweites Verbindungselement aufweist, das angepasst ist, um mit einem zweiten Kabel oder mit einem zweiten Kontakt verbunden zu sein; eine isolierende Schicht (108), die auf dem Mittelteil des im Wesentlichen zylindrischen Leiters angeordnet ist; ein Sensorelement (106), das an dem Mittelteil des im Wesentlichen zylindrischen Leiters angeordnet ist, wobei ein Teil der isolierenden Schicht (108) zwischen dem im Wesentlichen zylindrischen Leiter und dem Sensorelement (106) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (106) zumindest zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b) aufweist, die in einer unterschiedlichen Konfiguration verbunden sind, und auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie senkrecht zu einer Stromflussrichtung in dem im Wesentlichen zylindrischen Leiter angeordnet sind; und eine Mehrzahl von Leiterbahnen, die auf der isolierenden Schicht (108) angeordnet sind und mit dem Sensorelement (106) verbunden sind.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 15, der ferner eine im Wesentlichen zylindrische leitfähige Abschirmung aufweist, die um den im Wesentlichen zylindrischen Leiter herum angeordnet ist.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 16, der ferner ein isolierendes Material aufweist, das zwischen der leitfähigen Abschirmung und dem Sensorelement (106) vorgesehen ist.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, der ferner eine weitere isolierende Schicht (108) aufweist, die den im Wesentlichen zylindrischen Leiter, das Sensorelement (106) und die Mehrzahl von Leiterbahnen beschichtet.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem die Querschnittsfläche des Mittelteils des im Wesentlichen zylindrischen Leiters identisch ist mit der Querschnittsfläche des ersten oder zweiten Endes des im Wesentlichen zylindrischen Leiters.
Stromsensor (100), der folgende Merkmale aufweist: ein leitfähiges Element (102); eine Einrichtung zum Bereitstellen einer Verbindung zwischen dem leitfähigen Element (102) und einem Kontakt, einem Anschlusselement oder einem Kabel; eine Einrichtung zum Erfassen eines Magnetfelds erzeugt durch einen Strom in dem leitfähigen Element (102); und eine Leiterbahn, die mit der Erfassungseinrichtung verbunden ist; wobei die Erfassungseinrichtung zumindest zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b) aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie senkrecht zu einer Stromflussrichtung in dem leitfähigen Element (102) angeordnet sind.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 20, der ferner eine Einrichtung umfasst zum Abschirmen der Erfassungseinrichtung, ohne eine Bandbreite der Einrichtung zum Erfassen zu begrenzen.
Kabelsystem, das folgende Merkmale aufweist: ein erstes Kabel, das angepasst ist, um einen Strom zu leiten; ein leitfähiges Element (102), das mit dem ersten Kabel verbunden ist; zumindest zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b), die auf dem leitfähigen Element (102) angeordnet sind und angepasst sind, um ein Magnetfeld zu erfassen, das durch einen Strom durch das Leiterelement erzeugt wird, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensoren (106a, 106b) auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie senkrecht zu einer Stromflussrichtung in dem leitfähigen Element (102) angeordnet sind; eine isolierende Schicht (108), die zwischen dem leitfähigen Element (102) und den Magnetfeldsensoren (106a, 106b) angeordnet ist; zumindest zwei Leiterbahnen, die jeweils mit den Magnetfeldsensoren (106a, 106b) verbunden sind.
System gemäß Anspruch 22, das ferner an einem Ende des leitfähigen Elements (102), das dem Ende gegenüberliegt, an dem das erste Kabel verbunden ist, entweder ein zweites Kabel, ein Anschlusselement oder ein Verbindungselement aufweist, das angepasst ist, um mit einem Kontakt verbunden zu sein.
System gemäß Anspruch 23, bei dem das leitfähige Element (102) einen im Wesentlichen zylindrischen Körper aufweist, der ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Mittelteil aufweist, der zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei ein Außendurchmesser des Mittelteils kleiner ist als ein Außendurchmesser des ersten und des zweiten Endes, und eine erste und eine zweite Öffnung an dem ersten beziehungsweise zweiten Ende aufweist, wobei das Sensorelement (106) an dem Mittelteil des zylindrischen Körpers angeordnet ist, mit einem Teil der isolierenden Schicht (108) zwischen dem zylindrischen Körper und dem Sensorelement (106) angeordnet, und wobei ein Durchmesser der ersten und der zweiten Öffnung im Wesentlichen gleich einem Durchmesser des Mittelteils des zylindrischen Körpers ist.
System gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, das eine zylindrische leitfähige Abschirmung aufweist, die um den zylindrischen Körper herum angeordnet ist.