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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere einen Stromsensor, zur Messung eines Stroms, welcher in einer stromdurchflossenen Leiteranordnung, insbesondere einer Stromschiene, fließt. Im Zuge der Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs werden Stromsensoren für die Überwachung und Regelung der elektrischen Komponenten von Fahrzeugen benötigt, welche den in einzelnen Leitern fließenden Strom detektieren und korrespondierende Signale an eine Auswerteeinheit weiterleiten. Bisher wurden hierzu vermehrt Anordnungen verwendet, welche einen stromdurchflossenen Leiter umschließen, um mittels eines Flusskonzentrators das ihn umgebende Magnetfeld zu bündeln und aus einer Magnetfeldmessung auf die Höhe des Stromes durch den Leiter zu schließen. 1 zeigt eine Anordnung, in welcher jeweils ein Stromsensor eine Phase eines dreiphasigen elektrischen Systems umschließt. Auf einer Leiterplatte L sind hierzu Stromsensoren 1a, 1b und 1c angeordnet, welche im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Leiterplatte L orientierte Stromschienen S aufnehmen. Die Stromsensoren 1a, 1b und 1c weisen zur Konzentration des die Stromschienen S umgebenden magnetischen Flusses (nicht dargestellte) Flusskonzentratoren auf. Bekannte Flusskonzentratoren können aus gestanzten Blechpaketen oder Sintermaterial gefertigt sein. Somit kann der in den Flusskonzentratoren gebündelte magnetische Fluss mittels bekannter Wirkprinzipien ausgewertet und mit dem ihn hervorrufenden Strom in Relation gesetzt werden.
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Zur Verwendung in modernen elektrisch getriebenen Fahrzeugen sind solche Stromsensoren grundsätzlich verwendbar. Jedoch sind die in diesen Fahrzeugen verbauten Stromschienen mitunter stark gebogen und/oder verwunden, so dass die in den Stromsensoren für die Stromschienen vorzusehenden Öffnung größer als eigentlich notwendig ausgeführt werden muss, um den Stromsensor nach Fertigstellung der Stromschiene wie gewünscht platzieren zu können. Alternativ oder zusätzlich ist der Zeitpunkt der Aufbringung des Stromsensors auf die Stromschiene wohlüberlegt zu wählen, da ein Aufbringen des Stromsensors nach einem Biegen der Stromschiene gegebenenfalls überhaupt nicht mehr möglich ist. Wünschenswert ist daher ein Stromsensor, welcher ein geringes Bauvolumen aufweist, flexibel anzubringen und zu positionieren ist und aufgrund geringer Produktionskosten für die Massenproduktion in elektrischen Fahrzeugen geeignet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Befriedigung des bestehenden Bedürfnisses schlägt die vorliegende Erfindung einen Stromsensor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 vor. Entsprechend umfasst der Stromsensor einen Hall-Sensor, welcher in einem Kunststoffgehäuse vergossen ist. Das Kunststoffgehäuse kann dabei in einem bekannten, als „Molding“ bezeichneten Verfahrensschritt gefertigt werden und den Hall-Sensor sowie seine Anschlussleitungen dabei bereits enthalten. Die Oberfläche des Kunststoffgehäuses kann eingerichtet sein, an eine Flanke einer Stromschiene seitlich angesetzt zu werden. Entgegen dem Stand der Technik ist somit kein Aufschieben des Stromsensors auf die Stromschiene erforderlich. Mit anderen Worten kann die Oberfläche des Kunststoffgehäuses eine seitliche Anlagefläche zur Anbringung an eine Stromschiene aufweisen, so dass der Stromsensor im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der Stromschiene, an welcher er zu befestigen ist, aufgebracht werden kann. Für das Herstellen einer exakten, vordefinierten relativen Position zwischen dem Stromsensor und der Stromschiene kann die Anlagefläche des Kunststoffgehäuses eine Ausnehmung aufweisen bzw. in einer Ausnehmung bzw. Kavität gelegen sein. Bei dem Montagevorgang kann somit die Stromschiene in die Flanke eines erfindungsgemäßen Stromsensors eingebettet werden. Dabei kann eine Befestigung zwischen der Stromschiene und dem Stromsensor in unterschiedlicher Weise erfolgen: Es kann eine Klemmverbindung zwischen den Bauteilen erzeugt werden, indem das Kunststoffgehäuse Klemmelemente aufweist, mittels welcher die Stromschiene seitlich umschlossen und gehalten werden kann. Hierbei können die Klemmelemente Rastelemente umfassen, mittels welcher Kanten der Stromschiene hinterschnitten werden. Alternativ oder zusätzlich können Steckelemente in der Oberfläche des Kunststoffgehäuses vorgesehen sein, welche Ausnehmungen in einer Stromschiene durchdringen und/oder diese hinterschneiden können. Alternativ oder zusätzlich kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoffgehäuse und der Stromschiene (z.B. mittels Klebstoff) erzeugt werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Stromsensor mit Strukturelementen ausgestattet sein, welche so ausgebildet sind, dass sie mit der Kontur einer Stromschiene korrespondieren. Somit ist eine exakte Positionierung des Stromsensors auf der Stromschiene reproduzierbar gewährleistet und die Ausrichtung des Stromsensors auf der Stromschiene weist geringe Toleranzen auf.
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Vorzugsweise können sogenannte Pins als Strukturelemente in der Oberfläche des Kunststoffgehäuses vorgesehen sein, welche eingerichtet sind, eine Öffnung in einer Stromschiene zu durchdringen und rückseitig verpresst, verprägt und/oder verschweißt zu werden, um eine sichere Verbindung zwischen dem Kunststoffgehäuse und der Stromschiene herzustellen. Die Pins können beispielsweise einen im Wesentlichen zylindrischen Querschnitt aufweisen und einen Durchmesser im Bereich zwischen 2 und 8 mm haben. Derzeit häufig verwendete Querschnitte für Stromschienen aus Kupfer liegen im Bereich zwischen 20 und 60 mm2, um die in automotiven Anwendungen auftretenden Ströme aufnehmen zu können. Entsprechend können auch die Abmessungen der Ausnehmung für die Stromschiene im Kunststoffgehäuse zwischen 10 mm und 25 mm Breite aufweisen und bevorzugt im Bereich zwischen 13 bis 18 mm Breite sowie im Bereich 0 bis 8 mm Tiefe, insbesondere im Bereich 3 bis 6 mm Tiefe, liegen. Die Rasthaken und/oder (Kunststoff-)Pins können zur sicheren Fixierung der Stromschiene selbstverständlich eine größere Gesamtlänge aufweisen, um die aufgenommene Stromschiene rückseitig zu hinterschneiden.
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Weiter bevorzugt können ein- oder mehrdimensional messende Hall-Sensoren verwendet werden, um beispielsweise Störeinflüsse bzw. Fremdmagnetfelder erkennen und berücksichtigen zu können. Bevorzugt umfasst ein erfindungsgemäßer Stromsensor mindestens zwei Hall-Sensoren, wodurch z.B. eine Differenzauswertung erfolgen kann. Dies ermöglicht es, Störeinflüsse zu identifizieren und zudem eine Auswertung des Magnetfeldes aufgrund einer größeren Datenbasis vornehmen zu können. Zusätzlich ergibt sich durch eine redundante Messung eine Ausfallsicherheit, welche den Betrieb auch im Fehlerfall weiterhin ermöglicht.
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Weiter bevorzugt kann das Kunststoffgehäuse zusätzlich einen Auswerteschaltkreis umfassen, welcher eingerichtet ist, von dem Hall-Sensor bzw. den Hall-Sensoren stammende Signale zu empfangen und auszuwerten. Beispielsweise kann eine einfache Addition beider Signale die Empfindlichkeit des Signals erhöhen. Alternativ kann eine Subtraktion bestimmter Signale Fehlereinflüsse erkennbar machen. Hierzu kann der Auswerteschaltkreis einen sogenannten Mikrocontroller umfassen, welcher mittels durch das Kunststoffgehäuse geführter Anschlussleitungen mit elektrischer Energie versorgt wird. Zusätzlich kann der Mikrocontroller eingerichtet sein, Auswerteergebnisse in Datenform an die Peripherie des Stromsensors zu senden. Dies kann ebenfalls drahtgebunden und/oder drahtlos erfolgen. Ebenso könnte innerhalb des Kunststoffgehäuses ein dem Mikrocontroller bzw. dem Auswerteschaltkreis zugeordneter Netzwerkcontroller (z.B. Can-Controller) zugeordnet sein, mittels welchem der Stromsensor Auswerteergebnisse direkt an ein lokales Bussystem versenden könnte.
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Die zur Übertragung elektrischer Energie und Informationen am Kunststoffgehäuse des Stromsensors vorhandenen Anschlussleitungen können insbesondere eingerichtet sein, direkt mit Anschlüssen auf einer Leiterplatte verbunden zu werden. Alternativ oder zusätzlich können für eine besonders einfache Kontaktierung Steckkontakte am Kunststoffgehäuse und/oder an den Anschlussleitungen selbst vorhanden sein. Um beispielsweise durch Vibrationen induzierte mechanische Spannungen kompensieren zu können, können die Anschlussleitungen mit Dehnungsbereichen oder ähnlichen Abschnitten ausgestattet sein, welche beispielsweise mäanderförmig gestaltete Leitungsgeometrien aufweisen.
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Da ein Flusskonzentrator gemäß der vorliegenden Erfindung nicht vorgesehen ist, kann ein erfindungsgemäßer Stromsensor aus einer Kombination von Merkmalen bestehen, wie sie vorstehend beschrieben worden sind. Mit anderen Worten braucht eines der unter Schutz gestellten Ausführungsbeispiele im Wesentlichen keine weiteren technischen Merkmale als die diskutierten umfassen. Durch den Verzicht auf einen Flusskonzentrator verringern sich die Herstellungskosten eines Stromsensors, nimmt die Komplexität des Herstellungsverfahrens sowie die Teilevielfalt ab und ein „Auffädeln“ des Stromsensors auf eine Stromschiene erübrigt sich. Zudem kann die am Kunststoffgehäuse vorgesehene Struktur zur Positionierung und Befestigung des Stromsensors auf der Stromschiene exakt an diejenige Position der Stromschiene angepasst sein, an welcher der Stromsensor endgültig angeordnet und betrieben werden soll. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, Stromsensoren schneller exakter und kostengünstiger auf Stromschienen positionieren zu können und gegenüber dem Stand der Technik präzisere Messergebnisse zu erhalten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Baugruppe für eine Leistungselektronik eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, welche mindestens eine Stromschiene sowie einen auf der Stromschiene angeordneten Stromsensor umfasst, wie er oben im Detail beschrieben worden ist. Insbesondere kann der Stromsensor der Baugruppe an einem Bereich der Stromschiene angeordnet sein, welcher nahe der Energiezelle des Fahrzeugs gelegen ist oder sich nahe einem elektrischen Wandler (Gleichstrom-Dreiphasenwechselstrom) befindet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine Prinzipdarstellung herkömmlicher Stromsensoren an einem Drei-Phasen-System;
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2 eine räumliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine räumliche Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
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4a ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stromsensor auf einer Stromschiene in kraftschlüssiger Verbindung;
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4b ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stromsensor auf einer Stromschiene in formschlüssiger Verbindung;
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4c ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stromsensor auf einer Stromschiene in stoffschlüssiger Verbindung;
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5 eine räumliche Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor 1 mit einem ersten und einem zweiten Hall-Sensor 2. Wie vergrößert dargestellt, sind die Hall-Sensoren 2 als 3D-Hall-Elemente ausgeführt. Beide Hall-Sensoren 2 sind an gegenüberliegenden Enden eines Transfer Molds als Kunststoffgehäuse 3 angeordnet. Das Kunststoffgehäuse hat eine im Wesentlichen quaderförmige Grundform. Der Quader ist zum Einsparen von Bauraum sehr flach ausgeführt, hat also eine geringe Stärke in vertikaler Richtung. Seine Länge (korrespondierend zur Stromflussrichtung durch die Stromschiene S) ist etwas größer ausgeführt als seine Tiefe, so dass die Hall-Sensoren 2 zuverlässig vom Gehäuse 3 umschlossen werden. Die Breite des Kunststoffgehäuses 3 ist so gewählt, dass die einander gegenüberliegenden Hall-Sensoren 2 auf gegenüberliegenden Seiten der Stromschiene S angeordnet werden können. Im Bereich zwischen den Hall-Sensoren 2 ist eine Ausnehmung 4 im Kunststoffgehäuse 3 vorgesehen, welche mit der Querschnittsfläche der Stromschiene S im Wesentlichen korrespondiert. Mit anderen Worten ist die Ausnehmung 4 in Längsrichtung des Kunststoffgehäuses an dessen Unterseite derart angeordnet, dass die Stromschiene S zumindest halbseitig (zur Hälfte ihres Querschnittes) von der Ausnehmung 4 des Gehäuses 3 umschlossen werden kann. Im Ausführungsbeispiel weist die Ausnehmung 4 hierzu eine erste Flanke 4a sowie eine zweite Flanke 4c auf, welche in im Wesentlichen vertikaler Richtung angeordnet sind. Beide enden im Boden 4b der Ausnehmung 4. Mit anderen Worten sind die erste Flanke 4a und die zweite Flanke 4c der Ausnehmung 4 eingerichtet, Druckkräfte auf einander gegenüberliegende Flanken der Stromschiene S auszuüben. Aus dem Boden 4b der Ausnehmung 4 steht im Wesentlichen senkrecht ein Kunststoffpin 5 hervor, welcher eingerichtet ist, ein Loch 6 in der Stromschiene S zu durchdringen. Am Kopf des Pins 5 ist ein Rastelement zur Arretierung der Stromschiene S angedeutet. Aus der Unterseite des Kunststoffgehäuses stehen jeweils neben der Ausnehmung 4 Drahtpins 8 als elektrische Anschlussleitungen für die Hall-Sensoren 2 hervor. Lediglich der Übersicht halber weist exemplarisch jeweils ein Drahtpin 8 eines jeweiligen Hall-Sensors 2 einen Dehnungsabschnitt 9 zur Kompensation mechanischer Spannungen bzw. zur Aufnahme von Vibrationen im Betrieb auf.
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3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der in 2 gezeigten Anordnung. Im Gegensatz zur 2 zeigt 3 keine Ausnehmung 4 in dem Kunststoffgehäuse 3 des Stromsensors 1. Stattdessen weist das Kunststoffgehäuse 3 zwei Kunststoffpins 5a und 5b auf, mittels welcher das Kunststoffgehäuse 3 in vordefinierter relativer Lage auf der Stromschiene S angeordnet werden kann. Zur Verbindung mit dem Kunststoffgehäuse 3 weist die Stromschiene S korrespondierende Löcher 6a und 6b auf, durch welche die Kunststoffpins 5a und 5b gesteckt werden können. Eine verdrehsichere relative Positionierung und Befestigung ist somit unabhängig von der Breite der Stromschiene S (gestrichelt angedeutet) möglich.
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4a zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stromsensor 1, in welchem eine Stromschiene S in einer Ausnehmung 4 angeordnet und deren Unterseite von Rastelementen 5c des Gehäuses 3 hinterschnitten wird. Auf der linken und auf der rechten Seite der Stromschiene S sind etwa in Höhe ihrer Oberseite jeweils ein erster und ein zweiter Hall-Sensor 2 angeordnet. Die gezeigte Darstellung ist ein Beispiel für eine kraftschlüssige Verbindung, bei welcher zusätzlich Hinterschneidungselemente 5c für einen sicheren Formschluss des Stromsensors 1 mit der Stromschiene S sorgen können.
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4b zeigt eine alternative Befestigungsmöglichkeit zur in 4a gezeigten Anordnung. Die Ausnehmung 4 im Kunststoffgehäuse 3 weist hier einen größeren Querschnitt als derjenige der Stromschiene S auf, so dass eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Flanken 4a und 4c der Ausnehmung und den Flanken der Stromschiene S nicht vorhanden ist. Um dennoch eine exakte Positionierung zwischen dem Stromsensor 1 und der Stromschiene S zu gewährleisten, ist ein Pin 5 des Kunststoffgehäuses 3 durch die Stromschiene S gesteckt und hinterschneidet deren Unterseite durch ein Rastelement 5c. Zur verdrehsicheren Montage des Stromsensors 1 auf der Stromschiene S ist – wie in 3 gezeigt – ein (nicht sichtbarer) zweiter Pin 5 aus Richtung des Betrachters hinter dem geschnittenen Pin 5 liegend angeordnet.
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4c zeigt eine alternative Befestigungsmöglichkeit zwischen einem erfindungsgemäßen Stromsensor 1 und einer Stromschiene S. Die Unterseite des Gehäuses 3 ist im Wesentlichen eben ausgestaltet, um einer großen Vielfalt von Stromschienen entsprechen zu können. Eine Stromschiene S ist beispielhaft auf der Unterseite des Kunststoffgehäuses 3 angeordnet und mittels einer Klebe-Verbindung 10 symmetrisch zu den beiden Hall-Sensoren 2 befestigt. Zur exakten Positionierung können (nicht dargestellte) Markierungen auf dem Kunststoffgehäuse 3 vorgesehen sein, anhand welcher eine exakte Positionierung zwischen der Stromschiene S und dem Stromsensor 1 im Zuge der Montage vorgenommen werden kann. Insbesondere bei Verwendung automatisierter Verbindungstechniken kann auf eine optische Markierung selbstverständlich verzichtet werden, während dennoch eine exakte Positionierung der Stromschiene relativ zu den Hall-Sensoren 2 vorgenommen werden kann.
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5 zeigt eine räumliche Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei welchem das Kunststoffgehäuse 3 einen Mikrocontrollers 7 als Auswerteschaltkreis umfasst. Dieser ist eingerichtet, die Signale der Hallsensoren 2 aufzubereiten, miteinander zu vergleichen, zu interpretieren und/oder auszuwerten und weiterzuleiten. Hierzu können die Hallsensoren 2 über (nicht dargestellte) Leitungen mit dem Mikrocontroller 7 verbunden sein, über welche Messsignale übertragen werden. Zusätzlich können die Hallsensoren 2 über diese oder separate Leitungen vom Mikrocontroller 7 mit elektrischer Energie versorgt werden. Eine solche Energieversorgung kann selbstverständlich auch unabhängig vom Mikrocontroller 7 stattfinden. Auch der Mikrocontroller 7 kann über Leitungen mit elektrischer Energie versorgt werden. Je nach Größe des erfindungsgemäßen Stromsensors 1 kann das Kunststoffgehäuse 2 auch einen (nicht dargestellten) Energiewandler umfassen, um beispielsweise Spannung einer bestimmten Höhe oder Frequenz (insbesondere Gleichspannung) für den Betrieb des erfindungsgemäßen Stromsensors 1 bereitzustellen. Zur Übertragung gewonnener Informationen kann dem Mikrocontroller 7 eine drahtlose und/oder drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle zugeordnet sein, welche insbesondere ebenfalls im Kunststoffgehäuse 3 angeordnet sein kann. Über diese können die gewonnen Informationen an die Energiesteuerung („Energie-Master“) der die Stromschiene S umfassenden Vorrichtung übermittelt werden und die Vorgänge auf der bzw. in der Stromschiene somit der Steuerung der Vorrichtung zugrunde gelegt werden. Der Vorteil einer Integration von Logik in den erfindungsgemäßen Stromsensor ist, dass weniger separate Funktionseinheiten und Montageschritte erforderlich sind.
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Optional können weitere Sensoren wie z.B. Temperatur-, Licht- und Feuchtigkeitssensoren in einen erfindungsgemäßen Stromsensor 1 integriert werden, um weitere Aufschlüsse über Umgebungs- und Betriebsbedingungen mittels nur einer Sensoreinheit zu erhalten. Diese zusätzlichen Sensoren können ebenfalls z.B. über den Mikrocontroller 7 mit Energie versorgt und angesteuert werden. Ebenso können die durch sie gewonnenen Daten vom Mikrocontroller 7 interpretiert, ausgewertet und mit anderen Daten (z.B. Stromdaten) insbesondere zum Zwecke der Plausibilisierung in Beziehung gesetzt werden. Dies gilt insbesondere für die Temperatur an der Stromschiene S und den sie durchfließenden Strom.
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Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Stromsensor 1 zur Verfügung zu stellen, der an einer vordefinierten Position einer Stromschiene wahlfrei angeordnet werden kann, ohne ihn auf die Stromschiene auffädeln und über die Flanke der Stromschiene schieben zu müssen. Hierzu bietet die vorliegende Erfindung verschiedene Möglichkeiten einer relativen Positionierung und Verbindung zwischen dem Stromsensor und der Stromschiene, aufgrund welcher ein seitliches Ansetzen des erfindungsgemäßen Stromsensors an eine Stromschiene S ermöglicht wird. Hierbei verzichtet die vorliegende Erfindung auf die Verwendung eines Flusskonzentrators, der gemäß dem Stand der Technik eine Stromschiene, deren Stromstärke zu messen ist, zumindest annähernd umschließt.
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Wenn vorausgehend Ausführungsbeispiele und Merkmale der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben worden sind, so dient dies der Veranschaulichung, wobei weitreichende Kombinationen, insbesondere zwischen den dargestellten Ausführungsbeispielen, möglich sind, welche sämtlich als im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegend zu erachten sind, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
