DE102014103190A1

DE102014103190A1 - Sensoren, Systeme und Verfahren zur Erfassung von Fehlerstrom

Info

Publication number: DE102014103190A1
Application number: DE102014103190.3A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2014-09-18
Also published as: CN104049129B; CN104049129A; US20140266180A1; US20170307664A1

Abstract

Ausführungsformen betreffen Sensorsysteme und Verfahren zum Erfassen von Fehlerströmen. In den Ausführungsformen umfasst ein Sensor einen Magnetkern und eine Vielzahl von Leitern, die durch eine Öffnung des Kerns hindurch gehen. Der Magnetkern umfasst in dem Kern selbst einen Spalt, und ein Magnetfeldsensor ist in der Nähe, aber im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen nicht in diesem Spalt angeordnet, damit ein Nettofluss in dem Kern erfasst wird. Die Ausführungsformen können vorteilhafterweise in Anwendungen verwendet werden, in denen es gewünscht ist, Wechselstrom oder Gleichstrom zu erfassen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Sensoren und spezieller Sensoren, wie beispielsweise Magnetfeldsensoren, zum Erfassen von Fehlerströmen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfassung von Fehlerströmen ist wichtig, um Verlustelektrizität zusätzlich zu ernsthafteren Ereignissen zu verhindern, wie beispielsweise tödliche Stromschläge, elektrische Brände und Beschädigung von Sachwerten. Herkömmliche Fehlerstromsensoren können eine Spule umfassen, die um einen weichmagnetischen Kern gewickelt ist, wobei zwei Leiter durch eine Öffnung des Kerns verlaufen. Wenn eine Summe der Ströme in den Leitern nicht gleich null ist, anders ausgedrückt, wenn der Strom zwischen den beiden Leitern nicht symmetrisch ist, ist ein magnetischer Nettofluss in dem Kern vorhanden. Dies kann auf einen Ableitstrom an Erde, einen anderen Schaltkreis oder irgendeinen anderen Punkt hinweisen. Übergangsvorgänge des Nettoflusses in dem Kern können zu einer induzierten elektromotorischen Kraft (EMF, Electromotive Force) in der Spule führen, die dann durch einen Schaltkreis erfasst werden kann, so dass der Strom abgeschaltet oder eine andere Maßnahme ergriffen werden kann, um das Fließen des Stromes zu stoppen.
Allerdings leiden diese herkömmlichen Fehlerstromsensoren unter einigen Nachteilen. Erstens funktionieren sie typischerweise nur für Übergangs- oder Wechselströme. Deswegen sind sie nicht bei Anwendungen einsetzbar, bei denen es auch gewünscht wird, Gleichströme zu erfassen. Zweitens benötigen sie im Allgemeinen eine Spule, die teuer in der Herstellung ist. Ferner kann der Sensor unter eingeschränkter Empfindlichkeit und Präzision leiden, wenn diese Spule gesättigt ist. Dies kann besonders wichtig sein, weil die Ströme, die wünschenswerterweise erfasst werden sollen, häufig sehr gering sind, zum Beispiel ein Ableitstrom von ungefähr 0,1 A in einem 100 A System.
KURZDARSTELLUNG
Die Ausführungsformen betreffen Fehlerstrom-Messsysteme und -verfahren. In einer Ausführungsform umfasst ein Fehlerstrom-Messsystem einen Magnetkern, umfassend einen Spalt, wobei der Spalt eine Breite aufweist, die durch gegenüberliegende Kanten des Magnetkerns definiert wird, so dass der Magnetkern um eine Mittelöffnung herum nicht durchgängig ist; eine Vielzahl von Stromleitern, die innerhalb der Mittelöffnung angeordnet sind; ein Sensorgehäuse, das eine erste Abmessung aufweist, die größer ist als die Breite des Spaltes, und das außerhalb des Spaltes und in seiner Nähe angeordnet ist, so dass die Breite und die erste Abmessung koaxial verlaufen und das Sensorgehäuse sich über den Spalt hinweg erstreckt; und mindestens ein Sensorelement, das in dem Sensorgehäuse angeordnet und ausgestaltet ist, um ein Magnetfeld zu messen, das in den Magnetkern induziert wird, wenn Strom in mindestens einem der Vielzahl von Leitern fließt.
In einigen Ausführungsformen ist die Mittelöffnung durch eine erste Fläche des Magnetkerns definiert und dabei ist das Sensorgehäuse mit einer zweiten Fläche des Magnetkerns gekoppelt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Sensorelement ein erstes Sensorelement und ein zweites Sensorelement, die auf einem Halbleiterchip in dem Sensorgehäuse angeordnet sind, wobei das Fehlerstrom-Sensorsystem eine Schaltungsanordnung umfasst, die ausgestaltet ist, um eine Differenz zwischen einem ersten Sensorelementsignal und einem zweiten Sensorelementsignal zu bestimmen. Das erste und zweite Sensorelement können auf dem Halbleiterchip voneinander beabstandet sein und sie können ausgestaltet sein, um als Gradiometer zur Messung eines räumlichen Gradienten eines Magnetfeldes verwendet zu werden. Das erste Sensorelement kann mit einer Mittelachse des Spaltes ausgerichtet sein und das zweite Sensorelement kann von dem Spalt in eine Richtung koaxial zu der Breite des Spaltes beabstandet sein, wobei die Mittelachse des Spaltes senkrecht zu der Breite des Spaltes verlaufen kann. Das erste und das zweite Sensorelement können an gegenüberliegenden Seiten des Spaltes in eine Richtung koaxial zu der Breite des Spaltes angeordnet und gleichweit von einer Mittelachse des Spaltes entfernt sein, wobei die Mittelachse des Spaltes senkrecht zu der Breite des Spaltes verlaufen kann.
In einigen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Sensorelement eine Vielzahl von Sensorelementen, die auf einem Halbleiterchip in dem Sensorgehäuse voneinander beabstandet sind, wobei das Fehlerstrom-Sensorsystem ferner eine Schaltungsanordnung umfasst, die ausgestaltet ist, um mindestens eines aus der Vielzahl von Sensorelementen auszuwählen, das nach der Herstellung des Sensorsystems zur betriebsgemäßen Verwendung eine optimale Position im Verhältnis zu dem Spalt hat, und um Informationen zu speichern, die sich auf das mindestens eine Sensorelement beziehen, das aus der Vielzahl von Sensorelementen ausgewählt wird. Das mindestens eine von der Vielzahl von Sensorelementen, das nach der Herstellung des Sensorsystems eine optimale Position im Verhältnis zu dem Spalt hat, kann ein Sensorelement in der Vielzahl umfassen, das am nächsten zu einer Mittelachse des Spaltes positioniert ist, wobei die Mittelachse des Spaltes senkrecht zu der Breite des Spaltes verläuft.
In einigen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Sensorelement mindestens entweder ein Hall-Effekt-Sensorelement, ein vertikales Hall-Effekt-Sensorelement, ein Riesen-Magnetoimpedanzelement oder ein magnetoresistives Sensorelement.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Sensorgehäuse ein Gehäuse für eine oberflächenmontiertes Vorrichtung (SMD, Surface Mount Device).
In einigen Ausführungsformen umfasst das Sensorgehäuse eine weichmagnetische Schicht, die parallel zu einem Halbleiterchip in dem Sensorgehäuse angeordnet ist, wobei ein Abstand zwischen der weichmagnetischen Schicht und dem Magnetkern größer ist als ein Abstand zwischen dem mindestens einen Sensorelement und dem Magnetkern.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Magnetkern einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, wobei die gegenüberliegenden Kanten eine Kante des ersten Abschnitts und eine Kante des zweiten Abschnitts umfassen. Das Sensorgehäuse kann ferner einen Rippenabschnitt umfassen. Das Sensorgehäuse kann mit dem Magnetkern gekoppelt werden, so dass der Rippenabschnitt zumindest teilweise innerhalb des Spaltes zwischen den gegenüberliegenden Kanten angeordnet ist. Das mindestens eine Sensorelement kann ein erstes Hall-Sensorelement und ein zweites Hall-Sensorelement umfassen, die mit einem Abstand voneinander beabstandet sind, der mindestens gleich einer halben Breite des Spaltes ist, und die ausgestaltet sind, um als Differentialsensor oder als gradiometrischer Sensor verwendet zu werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System ferner einen Magnethülsenabschnitt, der den Magnetkern und das Sensorgehäuse mindestens teilweise umschließt. Das System kann ferner eine gedruckte Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) umfassen, die über mindestens eine Leitung mit dem Sensorgehäuse gekoppelt ist. Die PCB kann innerhalb der Öffnung des Magnetkerns zwischen dem Sensorgehäuse und der Vielzahl von Leitern angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System ferner einen Prüfleiter, der in der Mittelöffnung angeordnet ist, und eine Schaltungsanordnung, die ausgestaltet ist, um eine Selbstprüfung des Fehlerstrom-Messsystems durch Bereitstellen eines bekannten Prüfstromes an den Prüfleiter und durch Bestimmen, ob der bekannte Prüfstrom durch das mindestens eine Sensorelement gemessen wird, zu erleichtern. Der bekannte Prüfstrom kann durch einen Schaltkreis ausgegeben werden, der in dem Sensorgehäuse angeordnet ist. Die Schaltungsanordnung kann ferner ausgestaltet sein, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, das angibt, ob der bekannte Prüfstrom gemessen wird oder nicht.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Erfassen eines Fehlerstromes das Bereitstellen eines Fehlerstrom-Messsystems, umfassend einen Magnetkern, der einen Spalt darin umfasst, und ein Sensorgehäuse, das an den Spalt angrenzend und über ihn hinweg angeordnet ist; und das Messen, mit mindestens einem Sensorelement, das in dem Sensorgehäuse angeordnet ist, eines Stromes, der durch Stromfluss in mindestens einem Leiter, der in dem Magnetkern angeordnet ist, in den Magnetkern induziert wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Bereitstellen eines Fehlerstrom-Messsystems ferner das Ausbilden des Magnetkerns aus mindestens zwei Teilen, wobei der Spalt zwischen den mindestens zwei Teilen definiert ist. Das Bereitstellen eines Fehlerstrom-Messsystems kann ferner das Anordnen eines ersten Abschnitts des Sensorgehäuses in dem Spalt umfassen, wobei ein zweiter Abschnitt des Sensorgehäuses das mindestens eine Sensorelement umfasst. Das mindestens eine Sensorelement kann mindestens entweder ein Hall-Effekt-Sensorelement, ein vertikales Hall-Effekt-Sensorelement, ein Riesen-Magnetoimpedanzelement oder ein magnetoresistives Sensorelement umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren möglicherweise ferner das Implementieren einer Selbstprüfung durch Anlegen eines bekannten Stromes an einen Prüfleiter, der in dem Magnetkern angeordnet ist, und das Bestimmen, ob ein Magnetfeld, das durch den bekannten Strom in den Magnetkern induziert wurde, durch das mindestens eine Sensorelement gemessen wurde. Das Implementieren einer Selbstprüfung kann ferner das Bereitstellen eines Ausgangssignals umfassen, das sich darauf bezieht, ob ein Magnetfeld, das durch den bekannten Strom in den Magnetkern induziert wurde, durch das mindestens eine Sensorelement gemessen wurde oder nicht.
In einer Ausführungsform umfasst ein Fehlerstrom-Messsystem einen Magnetkern, umfassend einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, die einen Spalt definieren, wobei der Spalt eine Breite aufweist, die durch gegenüberliegende Kanten des Magnetkerns definiert wird, so dass der Magnetkern um eine Mittelöffnung herum nicht durchgängig ist; eine Vielzahl von Stromleitern, die innerhalb der Mittelöffnung angeordnet sind; ein Sensorgehäuse, das eine erste Abmessung aufweist, die größer ist als die Breite des Spaltes, und das einen ersten Abschnitt umfasst, der außerhalb des Spaltes und in seiner Nähe angeordnet ist, so dass die Breite und die erste Abmessung koaxial verlaufen und das Sensorgehäuse sich über den Spalt hinweg erstreckt, wobei das Sensorgehäuse ferner einen zweiten Abschnitt umfasst, der mindestens teilweise in dem Spalt angeordnet ist; und mindestens ein Magnetfeld-Sensorelement, das in dem zweiten Abschnitt des Sensorgehäuses angeordnet und ausgestaltet ist, um ein Magnetfeld zu messen, das in den Magnetkern induziert wird, wenn Strom in mindestens einem der Vielzahl von Leitern fließt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann in Anbetracht der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher sein, in denen:
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Fehlerstrom-Messsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Fehlerstrom-Messsystems ist, das eine alternative relative Positionierung eines Sensorgehäuses und eines Magnetkerns gemäß einer Ausführungsform aufweist.
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Fehlerstrom-Messsystems ist, das eine andere alternative relative Positionierung eines Sensorgehäuses und eines Magnetkerns gemäß einer Ausführungsform aufweist.
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Fehlerstrom-Messsystems ist, das eine weichmagnetische Schicht gemäß einer Ausführungsform aufweist.
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Fehlerstrom-Messsystems ist, das eine Hülse und eine andere relative Positionierung eines Sensorgehäuses und eines Magnetkerns gemäß einer Ausführungsform aufweist.
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Fehlerstrom-Messsystems ist, das eine zweiteilige Hülse gemäß einer Ausführungsform umfasst.
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Fehlerstrom-Messsystems ist, das einen zweiteiligen Magnetkern gemäß einer Ausführungsform umfasst.
Während sich die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Ausbildungen eignet, sind ihre genauen Einzelheiten nur beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt worden und werden ausführlich beschrieben. Es sollte allerdings verständlich sein, dass die Absicht nicht darin liegt, die Erfindung auf die bestimmten beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil liegt die Absicht darin, alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abzudecken, die in den Geist und Schutzbereich der Erfindung fallen wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen betreffen Sensorsysteme und Verfahren zum Erfassen von Fehlerströmen. In den Ausführungsformen umfasst ein Sensor einen Magnetkern und eine Vielzahl von Leitern, die durch eine Öffnung in dem Kern hindurch gehen. Der Magnetkern umfasst in dem Kern selbst einen Spalt, und ein Magnetfeldsensor ist in der Nähe, aber im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen nicht in diesem Spalt angeordnet, damit ein Nettofluss in dem Kern erfasst wird. Die Ausführungsformen können vorteilhafterweise in Anwendungen verwendet werden, in denen es gewünscht ist, Wechselstrom oder Gleichstrom zu erfassen.
Unter Bezugnahme auf ist ein Fehlerstromsensorsystem 100 abgebildet. Das Sensorsystem 100 umfasst einen Magnetkern 102 und eine Vielzahl von Stromleitern 104, die durch eine Mittelöffnung 106 in dem Kern 102 hindurch gehen. In den Ausführungsformen umfassen die Leiter 104 Kupfer, zum Beispiel Kupferdrähte, Kupferlochblech oder Kupferleiterbahnen in oder auf einer gedruckten Leiterplatte in verschiedenen Ausführungsformen. Die Leiter 104 sind vorteilhafterweise symmetrisch mit Bezug auf die y-Achse in angeordnet, wobei eine bestimmte Position mindestens teilweise durch eine Geometrie des Kerns 102 definiert wird. Die Leiter 104 können in den Ausführungsformen zum Beispiel durch gedruckte Leiterplatten oder ein anderes dielektrisches, nicht-leitendes Material isoliert sein, obwohl die Isolierung in nicht abgebildet ist.
Der Kern 102 umfasst auch einen Spalt 108, der durch gegenüberliegende Kanten des Kerns 102 definiert ist, so dass der Kern 102 um die Mittelöffnung 106 herum nicht durchgängig ist. In einer Ausführungsform kann der Kern 102 eine einteilige Konstruktion und/oder ein Material umfassen, wie Permalloy, Mu-Metall, Ferrit oder ein anderes Material, das eine niedrige Koerzitivfeldstärke hat, obwohl in anderen Ausführungsformen andere Materialien verwendet werden können. In einer weiteren mit Bezug auf weiter unten ausführlicher erörterten Ausführungsform kann der Kern 102 mindestens zwei Teile umfassen, wie beispielsweise zwei Hälften, welche verklemmt, befestigt oder anderweitig kombiniert sind, wobei ein Spalt 108 dazwischen definiert ist. Eine gedruckte Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) 110 oder eine andere Struktur ist in der Nähe des Kerns 102 angeordnet, so dass ein Magnetfeldsensorgehäuse 112 in der Nähe des Kerns 102 oder an ihm montiert werden kann, insbesondere mit einem Magnetfeldsensor 114 in oder auf dem Gehäuse 112, das in der Nähe des Spaltes 108 oder an ihn angrenzend angeordnet ist. In den Ausführungsformen hat das Sensorgehäuse 112 eine Abmessung, wie beispielsweise die Breitenabmessung x in , die koaxial zu einer Breitenabmessung x des Spaltes 108 ist, und die Abmessung des Gehäuses 112 ist größer als die Breite, so dass das Gehäuse 112 sich über die gesamte Breite des Spaltes 108 hinweg erstreckt. Das Gehäuse 112 kann im Verhältnis zu einer mittleren y-Achse von Spalt 108 zentriert sein, wie in oder das Gehäuse 112 kann dezentriert sein (siehe z. B. ). Im Allgemeinen ist allerdings ein Abschnitt von Gehäuse 112, der den Sensor 114 umfasst, außerhalb von Spalt 108 angeordnet, so dass der Sensor 114 auch außerhalb von Spalt 108 angeordnet ist. Die Ausführungsformen, in denen andere Abschnitte von Gehäuse 112 mindestens teilweise in dem Spalt 108 angeordnet sind, werden weiter unten unter Bezugnahme auf ausführlicher erörtert.
Der Magnetfeldsensor 114 umfasst in den Ausführungsformen ein Hall-Effekt-Sensorelement oder eine -vorrichtung, wie beispielsweise ein(e) vertikale(s) Hall-Effekt-Sensorelement oder -vorrichtung; ein magnetoresistives Element (xMR) oder eine Vorrichtung wie beispielsweise ein AMR, GMR, TMR, CMR oder ein anderes xMR-Element oder eine Vorrichtung; eine Riesen-Magnetoimpendanzvorrichtung; oder ein(e) andere(s) geeignete(s) magnetfeldmessende(s) Element oder Vorrichtung. Eine bestimmte Ausrichtung und Konfiguration von Sensorelement 114 in dieser und anderen Ausführungsformen können gemäß der Art der implementierten Magnetfeld-Sensorvorrichtung variieren. Wie zum Beispiel in abgebildet, umfasst der Magnetfeldsensor 114 eine vertikale Hall-Effekt-Sensorvorrichtung oder eine xMR-Sensorvorrichtung. In anderen Ausführungsformen kann der Sensor 114 gedreht werden oder die Position anderweitig geändert sein, so dass ein normaler Hall-Effektsensor verwendet werden kann. Dies ist nur ein Beispiel und in anderen Ausführungsformen können, wie von Fachleuten anerkannt, andere Sensoren und Konfigurationen verwendet werden.
Im Allgemeinen ist die Position des Sensors 114 mit Bezug auf den Kern 102, insbesondere den Spalt 108, allerdings ein wichtiger Faktor, weil der Sensor 114 einen Fluss im Kern 102 messen soll, dessen Verlauf durch den Spalt 108 beeinflusst wird. Streufluss oder Flusslinien, die den Kern 102 verlassen oder sich aus ihm heraus und um das Gebiet des Spaltes 108 herum erstrecken, können sowohl von der Breite des Spaltes 108 als auch von anderen Eigenschaften der Geometrie des Spaltes 108 abhängen. Zum Beispiel können die gegenüberliegenden Kanten von Spalt 102, die den Spalt 108 definieren, parallel oder nicht parallel, gestuft oder gebogen sein oder sie können irgendeine andere nicht ebene Oberfläche umfassen, und sie können diese Eigenschaften in jede Richtung der Kanten oder Oberflächen in verschiedenen Ausführungsformen haben.
Somit ist der Sensor 114 in den Ausführungsformen so nahe wie möglich an, aber nicht in dem Spalt 108 positioniert, so dass in den Ausführungsformen d kleiner als ungefähr 0,5 mm ist, zum Beispiel ungefähr 0,3 mm in einer Ausführungsform. In den Ausführungsformen kann d durch die Dicke einer Gussmasse 116 innerhalb des Gehäuses 112 und/oder durch die Isolierungsschicht(en) des Gehäuses 112 und/oder des Kerns 102 definiert sein. Zum Beispiel kann der Kern 102 in den Ausführungsformen teilweise oder vollständig in eine Isolierungsfolie gewickelt sein, oder ein Plättchen kann zwischen Kern 102 und Gehäuse 112 eingefügt sein.
Das Gehäuse 112 umfasst in den Ausführungsformen eine oberflächenmontierte Vorrichtung (SMD, Surface Mount Device) und ist mit der PCB 110 durch einen Leiterrahmen 118 gekoppelt, mit dem ein Chip 120 wie beispielsweise ein Halbleiterchip gekoppelt ist. Das Gehäuse 112 kann irgendeine andere geeignete Konfiguration in anderen Ausführungsformen umfassen, wie beispielsweise ein leitungsloses Gehäuse, wie ein sehr dünnes Quad-Flat No-Lead-Gehäuse (VQFN). Der Magnetfeldsensor 114 ist auf dem Chip 120 angeordnet und im Allgemeinen umgibt die Gussmasse 116 den Magnetfeldsensor 114 in einer Ausführungsform.
In den Ausführungsformen umfasst der Kern 102 ein weichmagnetisches Material, wie beispielsweise ein „weiches“ Eisen oder ein anderes geeignetes Material und hat im Allgemeinen eine torische Form mit einem rechtwinkligen oder runden Querschnitt und/oder einer Öffnung, wobei mindestens ein Abschnitt der Oberfläche des Kerns 102, mit dem das Gehäuse 112 gekoppelt ist, flach ist. In anderen Ausführungsformen kann der Kern 102 irgendeine andere Form haben, und/oder die Oberfläche, mit der das Gehäuse 112 gekoppelt ist, ist nur teilweise flach oder hat irgendeine andere Konfiguration, welche dem Gehäuse 112 ermöglicht, mit dem Magnetfeldsensor 114 gekoppelt zu werden, der mit Bezug auf den Spalt 108 angeordnet ist. Das Gehäuse 112, allgemeiner die Baugruppe der PCB 110 kann mit dem Kern 102 in den Ausführungsformen durch einen Klebstoff, eine mechanische Haftung oder Befestigung oder irgendein anderes geeignetes Material oder irgendeinen anderen geeigneten Prozess in den Ausführungsformen gekoppelt werden.
weist eine beispielhafte Magnetflusslinie auf. Da der Magnetfeldsensor 114 in der Nähe von oder außerhalb des Spaltes 108 angeordnet ist, wie beispielsweise in einem Abstand von ungefähr 0,3 mm in einer Ausführungsform, liegt der Sensor 114 innerhalb des Streufeldes von Kern 102, das durch den Spalt 108 aus dem Kern 102 heraus abgelenkt ist. Im Allgemeinen kann d zu w maßstabsgerecht sein, zum Beispiel gemäß w/3 < d < 3·w in den Ausführungsformen. Wenn Isolierung zwischen dem Kern 102 und dem Gehäuse 112 verwendet wird, kann der Abstand auch variieren, da die Isolierung in den Ausführungsformen ungefähr 0,2 mm bis ungefähr 1,5 mm dick sein kann. Das Streufeld ist etwas schwächer, aber nichtsdestotrotz für Zwecke der Streustromerfassung ausreichend. Weil ein schmalerer Spalt 108 die Stärke dieses Streufeldes erhöht, ist in den Ausführungsformen die Breite von Spalt 108 kleiner als ungefähr 1 mm in den Ausführungsformen, wie beispielsweise ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 0,7 mm in den Ausführungsformen oder ungefähr 0,6 mm in einer Ausführungsform, obwohl der Spalt auch breiter sein kann, wie beispielsweise bis zu ungefähr 5 mm in den Ausführungsformen. Wie in der Anordnung in abgebildet, welche ein x-y Raster als Referenz aufweist, ist der Magnetfeldsensor 114 auf der Symmetrieachse von Kern 102 angeordnet, so dass der Sensor 114 gegenüber der horizontalen x-Komponente des durch den Kern 102 induzierten Magnetfeldes, oder B_x, empfindlich ist. In der Praxis können Montagetoleranzen dazu führen, dass der Sensor 114 außerhalb der Symmetrieachse positioniert ist, so dass in den Ausführungsformen das System 100 eine Vielzahl von Sensoren 114 auf dem Chip 120 umfassen kann. Die zahlreichen Sensoren 114 könnten auf dem Chip 120 voneinander beabstandet angeordnet sein, z. B. ungefähr 100 μm in einer Ausführungsform, einer Rasterkonfiguration, so dass der bestimmte Sensor 114, welcher der idealen Symmetrieachse nach der Montage am nächsten liegt, z. B. x = 0 wie in , zur Verwendung in dem Feld ausgewählt wird. Die anderen Sensoren 114 könnten zum Beispiel nach der Herstellungsendabnahme gesperrt werden, in welcher der am besten positionierte Sensor 114 identifiziert wird und in einem Speicher auf dem Chip 120 oder z. B. in einer EEPROM-Vorrichtung auf der PCB 110 gespeichert wird.
Das Positionieren des Magnetfeldsensors 114 nahe am Spalt 108, aber außerhalb davon, bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Sensor-im-Spalt-Ansätzen. Erstens ist das System 100 einfacher herzustellen als Sensor-im-Spalt-Systeme, da es, wie Fachleute anerkennen, einfacher ist, den Sensor 114 in der Nähe von Spalt 108 anstatt darin anzuordnen. Dies kann auch Kosteneinsparungen bieten. Zweitens kann das System 100 empfindlicher sein als Sensor-im-Spalt-Systeme, weil zum Beispiel der Spalt 108 schmaler gemacht werden kann, was das Magnetfeld erhöht, wodurch kleinere Fehlerströme erfasst werden können. Zusätzlich erfordern Sensor-im-Spalt-Systeme einen breiteren Spalt, damit ein Sensor darin untergebracht wird. Deswegen können durch Anordnung des Sensors außerhalb des Spaltes geringere Anforderungen an Platz oder Fläche realisiert werden, wie in .
Es sind auch zusätzliche Konfigurationen möglich, die in den Ausführungsformen zusätzliche Vorteile bereitstellen können. Hier werden durchgängig dieselben oder ähnliche Bezugszeichen (z. B. Kern 102 in und zum Beispiel Kern 202 in ) verwendet, um auf dieselben oder ähnliche Merkmale oder Elemente in den Zeichnungen Bezug zu nehmen, soweit nicht ausdrücklich anders angegeben.
Unter Bezugnahme auf ist ein anderes Sensorsystem 200 abgebildet, welches zwei Magnetfeld-Sensorelemente 214a und 214b umfasst, die in einem Differentialmesssystem und/oder gradiometrischen Messsystem verwendet werden können. Andere hier erörterte Ausführungsformen können auch als Differentialsensoren und/oder gradiometrische Sensoren und Systeme verwendet werden, die ausgestaltet sind, um eine Differenz in einem und/oder einen räumlichen Gradienten eines Magnetfeldes zu messen. Ein erstes Sensorelement 214a ist ähnlich wie der Sensor 114 in auf der Symmetrieachse von Kern 202 angeordnet, d. h. bei x = 0, wie in abgebildet. Das zweite Sensorelement 214b ist, soweit wie der Chip 220 es erlaubt, in die eine oder die andere der x-Richtungen verschoben, d. h. in die negative x-Richtung in . Das Sensorelement 214b kann zum Beispiel in einer Ausführungsform bei x = –2 mm angeordnet sein, obwohl dieser Abstand in anderen Ausführungsformen variieren kann. Das so angeordnete Sensorelement 214a wird eine stärkeres B_x Feld messen, während das Sensorelement 214b ein schwächeres B_x Feld messen wird. Die Sensorelemente 214a und 214b umfassen in den Ausführungsformen vertikale Hall-Effekt-Sensorelemente oder irgendwelche anderen Magnetfeld-Sensorelemente, die geeigneterweise angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen können die Sensorelemente 214a und 214b xMR-Sensorelemente umfassen, die in einer Wheatstoneschen Brückenkonfiguration angeordnet sind. Somit kann die Brückenkonfiguration so angeordnet sein, dass ein Element der Brücke bei x = 0 positioniert ist und das andere bei x = –2 mm oder einem anderen geeigneten Punkt positioniert ist.
Eine von den Sensorelementen 214a und 214b gemessene Differenz der Felder kann dann bestimmt werden, so dass das System 200 ein Differentialmesssystem umfasst. Ein Vorteil von Differentialmesssystemen kann in der verbesserten Präzision liegen, weil gewöhnliche Fehler, z. B. Nullpunkt, Verschiebung, Interferenz und Störungs-Magnetfelder und andere Fehler, die beide oder alle Sensorelemente beeinflussen, in dem kombinierten Differentialsignal unterdrückt werden können.
Anstelle eines SMD-Gehäuses wie in umfasst das Gehäuse 212 in einer Ausführungsform Leitungen 218, so dass das Gehäuse 212 dichter an den Kern 202 geklebt, an ihm anhaften oder anderweitig an ihm befestigt werden kann. Die Leitungen 218 können in den Ausführungsformen so bemessen und ausreichend flexibel ausgestaltet sein, dass eine Bewegung zwischen der PCB 210 und dem Kern 202 absorbiert wird, wodurch die Anordnung der Sensorelemente 214a und 214b, die von einer Gussmasse 216 in dem Gehäuse 212 umgeben sind, mit Bezug auf den Kern 202 und den Spalt 208 gleichbleibend gehalten wird. In anderen Ausführungsformen kann die SMD-Gehäusekonfiguration von System 100 aus als Teil von System 200 aus implementiert werden und umgekehrt. Dasselbe gilt für andere Elemente oder Merkmale, die hier mit Bezug auf irgendeine bestimmte Ausführungsform erörtert werden, welche im Allgemeinen in anderen Ausführungsformen, wie von Fachleuten anerkannt, implementiert werden können.
Das System 200 kann auch eine alternative Ausgestaltung der Leiter 204 umfassen. In System 200 umfassen die Leiter 204 Stäbe, welche entlang der x-Achse länglich sind, im Gegensatz zu den runden, drahtartigen Strukturen der Leiter 104 in . Die Leiter 204 sind mit Bezug auf die y-Achse spiegelsymmetrisch. Diese Symmetrie kann Fehler, die eine ungenaue Positionierung der Leiter 204 mit Bezug auf die x-Achse und deswegen auf den Spalt 208 betreffen, in der Nettoflussverteilung um die Sensorelemente 214a und 214b herum reduzieren oder sie verhindern. In den Ausführungsformen sind die Leiter 204 in der y-Richtung übereinander angeordnet, während die Leiter 104 in der x-Richtung übereinander angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen können die Leiter 104 und/oder die Leiter 204 auf eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Arten verschachtelt sein, wobei verschiedene der Leiter in Serie und/oder parallel geschaltet sind oder alle der Leiter 204 und/oder 104 können miteinander in Serie geschaltet sein, was größere Empfindlichkeit bereitstellen kann. Wie schon zuvor erwähnt, können wiederum Elemente und Merkmale einer Ausführungsform in anderen Ausführungsformen implementiert werden, so dass die Leiter 104 im System 200 in einer Ausführungsform implementiert werden könnten und zum Beispiel die Leiter 204 in implementiert werden könnten.
In anderen Ausführungsformen kann das Sensorsystem 200 mehr als zwei Sensorelemente 214a und 214b umfassen. Das Sensorsystem 200 umfasst zum Beispiel in einer Ausführungsform drei Sensorelemente für einen Gradiometer zweiter Ordnung, die jedes auf die Magnetfeldkomponente B_x (so, als ob sie ähnlich wie das System 200 von angeordnet wären) oder auf eine andere Magnetfeldkomponente empfindlich reagieren, wenn sie anders oder an einer anderen Achse angeordnet sind. Eine Ausgestaltung, die der von System 200 in ähnlich ist, wird zu Erörterungszwecken dieses Beispiels verwendet, obwohl sie drei Sensorelemente umfasst. Ein erstes Sensorelement, Bx1, ist bei x = 0 angeordnet und die anderen beiden Sensorelemente sind an gegenüberliegenden Seiten des ersten Sensorelementes gleichweit davon beabstandet angeordnet, z. B. Bx2 bei x = 1 mm und Bx3 bei x = –1 mm, obwohl diese Abmessungen variieren können. Dann kann das Sensorsystem die Signale von allen drei Sensorelementen verwenden, um ein gesamtes Signal zu berechnen, zum Beispiel 2·Bx1 – Bx2 – Bx3. Solch ein System kann mit Bezug auf externe Störungen sogar noch robuster in den Ausführungsformen sein.
Wie zuvor erwähnt, können in den Ausführungsformen normale Hall-Effekt-Sensorelemente oder Hall-Platten anstelle von vertikalen Hall-Effekt- oder xMR-Vorrichtungen verwendet werden. Unter Bezugnahme auf sind in den Ausführungsformen, in denen die Sensorelemente 314a und 314b Hall-Platten umfassen, die Sensorelemente 314a und 314b empfindlich gegenüber der B_y Magnetfeldkomponente und sind deswegen mit Bezug auf die y-Achse symmetrisch angeordnet. Die Sensorelemente 314a und 314b können zum Beispiel in einer Ausführungsform mit ungefähr 0,8 mm beabstandet sein, so dass das Sensorelement 314a bei x = 0,4 mm positioniert ist und das Sensorelement 314b bei x = –0,4 mm positioniert ist, obwohl diese Abmessungen in anderen Ausführungsformen variieren können. Im Allgemeinen werden die Sensorelemente 314a und 314b allerdings mit einem Abstand beabstandet sein, der die gleiche Breite w von Spalt 302 hat oder eine größere Breite.
Im Betrieb kann das System 300 eine Differenz zwischen den beiden Sensorsignalen bestimmen, zum Beispiel By1–By2, wobei By1 das Signal von Sensorelement 314a ist und By2 das Signal von Sensorelement 314b ist. In den Ausführungsformen, wie beispielsweise derjenigen von , in der die Breite w von Spalt 308 kleiner als ungefähr 1 mm ist, wie beispielsweise ungefähr 0,5 mm bis 0,7 mm, beträgt By1–By2 ungefähr 1 μT (Mikrotesla) bei einem Fehlerstrom von ungefähr 1 mA. Deswegen sind Fehlerströme von ungefähr 20 mA bis ungefähr 30 mA in den Ausführungsformen einfach zu erfassen.
Kern 302, Leiter 304, Öffnung 306, PCB 310, Gehäuse 312, Gussmasse 316, Leitungen 318 und Chip 320 können den ähnlichen Elementen ähnlich sein, die hier mit Bezug auf andere Abbildungen und Ausführungsformen erörtert wurden. Wie schon zuvor erwähnt, können Elemente aus einer Ausführungsform, die hier erörtert und/oder abgebildet sind, in Kombination mit Elementen aus anderen Ausführungsformen verwendet werden, obwohl spezifische Kombinationen hier nicht erörtert oder abgebildet sein mögen.
ist ähnlich, obwohl in das System 300 ferner eine weichmagnetische Schicht 322 umfasst, wie beispielsweise ein Weicheisenmaterial, das auf einer ersten Fläche des Chips 320 vorgesehen ist, so dass der Chip 320 zwischen der Schicht 322 und dem Kern 302 angeordnet ist. Die Sensorelemente 314a und 314b können wie in abgebildet oder gemäß irgendeiner anderen Ausgestaltung in anderen Ausführungsformen angeordnet sein. Der Chip 320 wird in den Ausführungsformen dünn gehalten, um einen Abstand zwischen der Schicht 322 und den Sensorelementen 314a und 314b zu minimieren, wie beispielsweise kleiner als ungefähr 200 μm in den Ausführungsformen, zum Beispiel kleiner als ungefähr 100 μm in einigen Ausführungsformen und kleiner als ungefähr 50 μm in einigen Ausführungsformen. Darüber hinaus kann die Schicht 322 breiter sein als die Beabstandung der Sensorelemente 314a und 314b in den Ausführungsformen, wie beispielsweise sogar breiter als der Chip 320. Dies kann nachteilige Effekte auf die Empfindlichkeit hinsichtlich des Fehlerstromes und/oder die Robustheit gegenüber Hintergrundfeldern reduzieren, die sich auf Positionierungstoleranzen des Chips 320 mit Bezug auf die Schicht 322 beziehen können. Die Schicht 322 kann dabei helfen, die Sensorelemente 314a und 314b von hintergründigen magnetischen Störungen zu isolieren und das System 300 auch weniger anfällig für Montagetoleranzen zu machen. Im Betrieb kann zum Beispiel ein Magnetfeld, das durch Ströme in den Leitern 304 verursacht wird, die das Sensorelement 314a beeinflussen, mit Bezug auf die Ausrichtung auf der Seite nach unten gerichtet sein, während ein Magnetfeld, welches das Sensorelement 314b beeinflusst, nach oben gerichtet ist. Das Subtrahieren der vertikalen B_y Felder, wenn zum Beispiel die Sensorelemente 314a und 314b Hall-Platten-Sensorvorrichtungen umfassen, bietet eine effektive Verdopplung des Signals, vorausgesetzt, dass die Signale umgekehrte Vorzeichen haben. Im Gegensatz dazu können äußere Störungsfelder im Wesentlichen homogen sein und deswegen können sie dasselbe Vorzeichen oder dieselbe Richtung haben, welche die Sensorelemente 314a und 314b beeinflussen, weswegen sie sich gegeneinander aufheben.
Unter Bezugnahme auf können in einer anderen Ausführungsform die Effekte von externen Magnetfeldern durch Bereitstellen einer abschirmenden Magnethülse 324 um den Kern 302 herum oder diesen umschließend reduziert werden. Die Hülse 324 umfasst in den Ausführungsformen ein weichmagnetisches Material, zum Beispiel dasselbe Material oder ein ähnliches wie das des Kerns 302. In einer Ausführungsform umfasst die Hülse 324 weichmagnetischen Stahl, während der Kern 302 ein Material höherer Qualität und/oder höherer Leistung umfasst, wie beispielsweise Permalloy, Mu-Metall, Ferrit oder ein anderes Material, das eine geringe Koerzitivfeldstärke aufweist, oder in anderen Ausführungsformen irgendein anderes geeignetes Material. Diese Materialien können auch in anderen Ausführungsformen einschließlich für die magnetische Schicht 322 in verwendet werden.
Wie abgebildet, umgibt die Hülse 324 den Kern 302 und das Sensorgehäuse 312 teilweise oder vollständig. In den Ausführungsformen muss eine ausreichende Trennung zwischen einer Außenfläche des Kerns 302 und einer Innenfläche der Hülse 324 bestehen, um zu vermeiden, dass die Hülse 324 kurzschließt oder den Fluss in dem Kern 302 anderweitig beeinflusst. Ein minimaler Trennungsabstand entlang eines gesamten Umfangs des Kerns 302 kann so gewählt werden, dass der äquivalente magnetische Widerstand zwischen dem Kern 302 und der Hülse 324 größer als ein äquivalenter magnetischer Widerstand des Spalts 308 ist. Wenn somit der Spalt 308 ungefähr 0,5 mm breit ist und eine Querschnittsfläche von ungefähr 10 mm² in einer Ausführungsform aufweist und wenn eine Umfangsfläche des Kerns 302 ungefähr 300 mm² beträgt, dann sollte in einer Ausführungsform ein Abstand zwischen dem Kern 302 und der Hülse 324 größer sein als ungefähr 15 mm (0,5·10/300). Zum Beispiel sind in den Ausführungsformen die Hülse 324 und der Kern 302 durch mindestens ungefähr 5 mm, zum Beispiel ungefähr 15 mm getrennt. Der eigentliche Kern 302 kann eine Querschnittsdicke, in die Zeichnungsebene von hinein, in der Größenordnung von ungefähr 5 mm bis ungefähr 15 mm in den Ausführungsformen haben, während die Hülse 324, auch in die Zeichnungsebene hinein, eine Querschnittsdicke in der Größenordnung von ungefähr 10 mm bis ungefähr 25 mm in den Ausführungsformen haben kann. Ein Material, das die Hülse 324 umfasst, wie beispielsweise Blech in einer Ausführungsform, kann in anderen Ausführungsformen in einer Größenordnung von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 1,5 mm Dicke liegen. Diese Abmessungen, wie beispielsweise für den Kern 302 können auch auf andere Ausführungsformen angewendet werden.
In den Ausführungsformen ist das Sensorgehäuse 312 innerhalb der Öffnung 306 des Kerns 302 angeordnet, d. h. der Kern 302 ist zwischen dem Gehäuse 312 und der Hülse 324 positioniert. Obwohl das Herstellen solch einer Ausgestaltung komplizierter sein kann als für andere Ausführungsformen, kann ein Vorteil darin bestehen, dass der Kern 302 das Gehäuse 312 schützen kann, wenn das Gehäuse 312 darin angeordnet ist. Die relativen Positionen von Gehäuse 312 und Spalt 308 sind allerdings ähnlich, wobei die Sensorelemente 314a und 314b auf dem Chip 320 auf gegenüberliegenden Seiten des Spalts 308 entlang der x-Achse voneinander beabstandet sind. Das Gehäuse 312 ist auch durch eine oder mehrere Leitungen 318 mit der PCB 310 gekoppelt, wobei die PCB 310 und die Leitungen 318 auch innerhalb der Öffnung 306 des Kerns 302 angeordnet sind. In den Ausführungsformen ist die PCB 310 in der Nähe von einem der Leiter 304 angeordnet oder mit einem der Leiter 304 gekoppelt, welche dieselben oder ähnliche Leiter sein können, wie die mit Bezug auf andere Ausführungsformen und Abbildungen erörterten Leiter. Die auf diese Weise positionierten Sensorelemente 314a und 314b sind weiter von den Leitern 304 beabstandet als in anderen Ausführungsformen, was mit Bezug auf das Reduzieren des Effekts von Toleranzen der Leiteranordnung auf das Magnetfeld vorteilhaft sein kann, das durch die Sensorelemente 314a und 314b gemessen wird. In noch einer anderen Ausführungsform kann die Hülse 324 mindestens zwei Abschnitte 324a und 324b umfassen, wie beispielsweise in abgebildet, und die PCB 310 kann die Hülse 324 als auch den Kern 302 und das Gehäuse 312 tragen. Die PCB 310 kann eine Öffnung 326 umfassen, in der das Gehäuse 312 angeordnet werden kann, wie beispielsweise bevor die Komponenten an die PCB 310 gelötet werden. Die PCB 310 kann somit umgekehrt zu einer typischen Ausgestaltung sein und kopfüber angeordnet werden, so dass Leiterbahnen und andere Zwischenverbindungen auf der unteren Fläche angeordnet sind, an die z. B. die Leitungen 318 gelötet werden können, wie in abgebildet. In dieser Ausführungsform kann das Sensorgehäuse 312 mit dem Kern 302 gekoppelt oder davon getrennt sein, wie beispielsweise um ungefähr 0,5 mm oder weniger, wie beispielsweise um ungefähr 0,1 mm, wenn die Montagekonfiguration mit der PCB 310 gegebenen ist. Wie in abgebildet, umfasst die Hülse 324 zwei Abschnitte 324a und 324b. Es kann vorteilhaft sein, einen der Abschnitte, hier Abschnitt 324b, an einer Kante der PCB 310 anzuordnen, um eine durchgängige Fläche mindestens entlang einer Seite bereitzustellen. Andere Konfigurationen, einschließlich mit Bezug auf eine oder mehrere relative Positionen der Hülsenabschnitte 324a und 324b, der PCB 310, des Gehäuses 312 und/oder des Kerns 302, können in anderen Ausführungsformen implementiert sein.
Wie schon zuvor erwähnt, kann der weichmagnetische Kern in den Ausführungsformen eine Konfiguration eines „gespaltenen Kerns“ umfassen. Zum Beispiel mindestens zwei Kernabschnitte, wie beispielsweise zwei Hälften oder andere Teile, die unterschiedlich oder gleich bemessen und ausgestaltet sind, können verklemmt, befestigt oder anderweitig kombiniert werden, was dabei helfen kann, die Abmessungen von Spalt 408 gleichbleibend zu halten. Unter Bezugnahme auf System 400 von umfasst der Kern 402 zwei solche Kernabschnitte 402a und 402b. Die Kernabschnitte 402a und 402b sind unterschiedlich bemessen, so dass der Kernabschnitt 402a eine größere vertikale Querschnittsabmessung als auch mindestens entlang einer Fläche eine größere horizontale Querschnittsabmessung aufweist. Die Kernabschnitte 402a und 402b sind irgendwie verschachtelt oder überlappen dadurch, dass eine äußere Bodenfläche 403b von Abschnitt 402b mindestens einer Teillänge einer oberen Bodenfläche 403a von Abschnitt 402a gegenüberliegt. In den Ausführungsformen sind eine minimale Trennung in der y-Richtung und eine maximale Länge in der x-Richtung (wie in identifiziert) zwischen den Flächen 403a und 403b zur Minimierung von Nettoeffekten der Trennung zwischen jenen Flächen 403a und 403b der Abschnitte 402a und 402b vorteilhaft. Die Enden der Kernabschnitte 402a und 402b liegen sich einander dem Spalt 408 auch gegenüber oder so, dass sie ihn ausbilden. Andere Konfigurationen können in anderen Ausführungsformen verwendet werden, so dass die Abschnitte 402a und 402b umgekehrt oder gedreht werden können, oder es können andere Formen und relative Layouts implementiert werden. Die Kernabschnitte 402a und 402b können zum Beispiel wie die Hülsenabschnitte 324a und 324b in montiert werden, so dass mindestens ein Abschnitt auf einer Seite oder einem Ende der PCB 310 montiert wird. In den Ausführungsformen umfassen die Kernabschnitte 402a und 402b dasselbe Material, wie beispielsweise weichmagnetisches Material, obwohl in anderen Ausführungsformen unterschiedliche Materialien verwendet werden können.
In den Ausführungsformen werden die Kernabschnitte 402a und 402b durch Bereitstellen von Druckkraft in die Richtungen zusammengehalten, die durch die größeren Pfeile in angegeben werden. Es können zum Beispiel eine Klammer, ein Kopplungsgehäuse oder -teil und/oder ein Federelement in den Ausführungsformen verwendet werden, um die Kernabschnitte 402a und 402b in ihren relativen Positionen zu halten. Es kann zum Beispiel ein Kopplungsteil aus Kunststoff verwendet werden, das einen Federabschnitt aus Kunststoff umfasst, und/oder es kann eine Feder implementiert werden, die Berylliumkufper (BeCu), Stahl, eine Legierung oder Gummi oder irgendein anderes geeignetes Material umfasst. Im Allgemeinen sollte die Kraft, welche die Kernabschnitte 402a und 402b hält, stark genug sein, um die gewünschte Positionsbeziehung und Geometrie von Spalt 408 aufrechtzuhalten, aber sie sollte nicht so stark sein, dass sie die strukturelle Integrität des weichmagnetischen Materials von Kern 402 beeinflusst oder das Gehäuse 412 beansprucht.
Zusätzlich kann das System 400 ein Sensorgehäuse 412 aufweisen, dass eine Rippe 413 oder einen anderen Abschnitt umfasst, der sich mindestens teilweise in den Spalt 408 hinein erstreckt. Die Rippe 413 kann in den Ausführungsformen ausgestaltet sein, um eine Breite von Spalt 408 zu definieren, insbesondere in den Ausführungsformen, wie beispielsweise derjenigen von System 400, in welcher zwei Kernabschnitte 402a und 402b kombiniert werden, um einen einzigen Kern 402 auszubilden. Die Rippe 413 kann einteilig als Bestandteil von Gehäuse 412 ausgebildet sein, wodurch sie auch dahingehend dient, eine räumliche Beziehung zwischen dem Spalt 408 und den Sensorelementen 414a und 414b aufrechtzuerhalten.
In den Ausführungsformen kann die Rippe 413 dasselbe Material wie die Gussmasse 416 umfassen, die in anderen Abschnitten von Gehäuse 412 ausgebildet ist. Typische Materialien für Gussmasse können zum Beispiel einen hohen Füllgehalt an Silizium umfassen, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat und deswegen nützlich bei der Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Breite des Spaltes 408 sein kann, wenn es darin angeordnet ist. Andere Materialien der Gussmasse oder Konfigurationen und Zusammensetzungen der Rippe 413 können in anderen Ausführungsformen verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Rippe 413 zum Beispiel einen separaten Abschnitt von Gehäuse 412 umfassen, der ein unterschiedliches Füllmaterial umfasst, ein Teil, das auf dem Gehäuse 412 ausgebildet oder mit ihm gekoppelt ist, oder eines, das allgemeiner das Koppeln des Gehäuses 412 mit dem Kern 402 unterstützt.
Leiter 404, Öffnung 406, Leitungen 418 und Chip 420 können den ähnlichen Elementen ähnlich sein, die hier mit Bezug auf andere Abbildungen und Ausführungsformen erörtert wurden. Obwohl nicht als Bestandteil von System 400 abgebildet, können andere Ausführungsformen eine mit dem Gehäuse 412 gekoppelte PCB, als auch andere Elemente und Merkmale, einschließlich derjenigen umfassen, die mit Bezug auf andere Abbildungen und Ausführungsformen hier erörtert wurden. Wie schon zuvor erwähnt, können Elemente aus einer Ausführungsform, die hier erörtert und/oder abgebildet werden, in Kombination mit Elementen aus anderen Ausführungsformen verwendet werden, selbst wenn spezifische Kombinationen hier nicht erörtert oder abgebildet sein mögen.
In den Ausführungsformen umfasst ein Fehlerstrom-Messsystem, wie beispielsweise System 100, System 200, System 300 und/oder System 400 mindestens einen Prüfleiter, so dass eine Selbstprüfung des Systems ausgeführt werden kann. Der Prüfleiter kann zum Beispiel und unter Bezugnahme auf das System 400 in der Öffnung 406 angeordnet sein und eine Schaltungsanordnung des Sensorsystems 400 und/oder eine, die mit dem System gekoppelt oder anderweitig in dem Sensorgehäuse 412 angeordnet ist, kann einen bekannten Prüfstrom durch den Prüfleiter schicken. In einer Ausführungsform kann das Sensorsystem den Prüfstrom selbst ausgeben oder erzeugen, was die Präzision verbessern kann, weil der Abstand zwischen den Sensorelementen 414a und 414b und dem Prüfstrom kleiner ist, wenn sie auf demselben Chip 420 definiert sind. Die Schaltungsanordnung kann dann bestimmen, ob die Sensorelemente 414a und 414b den Prüfstrom gemessen haben und kann ein entsprechendes Ausgangssignal bereitstellen. In der Ausführungsform von kann zum Beispiel ein Prüfleiter in oder auf der PCB 310 ausgebildet sein. Das Prüfsignal kann bei Bedarf angelegt werden oder es kann periodisch laufen, wie beispielsweise alle 100 ms in einer Ausführungsform.
Verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Vorrichtungen und Verfahren sind hier beschrieben worden. Diese Ausführungsformen werden nur als Beispiel angeführt und sind nicht dazu vorgesehen, den Umfang der Erfindung einzuschränken. Es sollte darüber hinaus anerkannt werden, dass verschiedene Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben worden sind, auf verschiedene Weise kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen zu schaffen. Während verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Konfigurationen und Stellen usw. zur Verwendung mit den offenbarten Ausführungsformen beschrieben worden sind, können darüber hinaus andere neben denen, die offenbart wurden, verwendet werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
Durchschnittsfachleute auf diesen Gebieten werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale umfassen kann, als in irgendeiner einzelnen, vorstehend beschriebenen Ausführungsform dargestellt. Die hier beschriebenen Ausführungsformen erheben nicht den Anspruch darauf, eine vollständige Darstellung der Möglichkeiten zu sein, in denen die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsformen nicht als wechselseitig exklusive Kombinationen von Merkmalen zu verstehen; die Erfindung kann, wie von Durchschnittsfachleuten verstanden, stattdessen eine Kombination von unterschiedlichen einzelnen Merkmalen umfassen, die aus unterschiedlichen einzelnen Ausführungsformen ausgewählt werden. Darüber hinaus können Elemente, die mit Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben wurden, in anderen Ausführungsformen implementiert werden, selbst wenn sie in solchen Ausführungsformen nicht beschrieben wurden, soweit nicht anders angegeben. Obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, können andere Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand von jedem anderen abhängigen Anspruch oder einer Kombination aus einem oder mehreren Merkmalen mit einem anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruch aufweisen. Solche Kombination sind hier vorgeschlagen, es sein denn, es ist angegeben, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch Merkmale eines Anspruchs in irgendeinem anderen unabhängigen Anspruch enthalten sind, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängt.
Jede Aufnahme durch Verweis auf vorstehende Dokumente ist dahingehend begrenzt, dass kein Erfindungsgegenstand aufgenommen wird, der zu der ausdrücklichen Offenbarung hierin im Widerspruch steht. Jede Aufnahme durch Verweis auf vorstehende Dokumente ist ferner dahingehend begrenzt, dass keinerlei in den Dokumenten enthaltene Ansprüche durch Verweis in diese Patentanmeldung aufgenommen werden. Jede Aufnahme durch Verweis auf vorstehende Dokumente ist noch weiter dahingehend begrenzt, dass beliebige in den Dokumenten bereitgestellte Definitionen nicht durch Verweis hierin aufgenommen werden, soweit sie nicht ausdrücklich mit hierin eingeschlossen werden.
Zu Interpretationszwecken der Ansprüche der vorliegenden Erfindung ist ausdrücklich beabsichtigt, dass die Bestimmungen aus Kapitel 112, sechster Paragraf von 35 der Bundesgesetzessammlung der Vereinigten Staaten von Amerika (U.S.C., United States Code) nicht herangezogen werden sollen, es sein denn, die spezifischen Begriffe „Mittel für“ oder „Schritt zu“ werden in den Ansprüchen angeführt.

Claims

Fehlerstrom-Messsystem (100), umfassend: einen Magnetkern (102), der einen Spalt (108) umfasst, wobei der Spalt eine durch gegenüberliegende Kanten des Magnetkerns (102) definierte Breite aufweist, so dass der Magnetkern um eine Mittelöffnung (106) herum nicht durchgängig ist; eine Vielzahl von Stromleitern (104), die innerhalb der Mittelöffnung (106) angeordnet sind; ein Sensorgehäuse (112), das eine erste Abmessung aufweist, die größer ist als die Breite des Spaltes (108), und das außerhalb des Spaltes und in seiner Nähe angeordnet ist, so dass die Breite und die erste Abmessung koaxial verlaufen und das Sensorgehäuse (112) sich über den Spalt hinweg erstreckt; und mindestens ein Sensorelement (114), das in dem Sensorgehäuse (112) angeordnet und ausgestaltet ist, um ein in den Magnetkern (102) induziertes Magnetfeld zu messen, wenn Strom in mindestens einem der Vielzahl von Leitern (104) fließt.
System nach Anspruch 1, wobei die Mittelöffnung (106) durch eine erste Fläche des Magnetkerns (102) definiert ist und wobei das Sensorgehäuse (112) mit einer zweiten Fläche des Magnetkerns gekoppelt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Sensorelement (114) ein erstes Sensorelement (214a) und ein zweites Sensorelement (214b) umfasst, die auf einem Halbleiterchip (220) in dem Sensorgehäuse (212) angeordnet sind, und wobei das Fehlerstrom-Sensorsystem eine Schaltungsanordnung umfasst, die ausgestaltet ist, um eine Differenz zwischen einem ersten Signal eines Sensorelementes und einem zweiten Signal eines Sensorelementes zu bestimmen.
System nach Anspruch 3, wobei das erste und das zweite Sensorelement (214a; 214b) auf dem Halbleiterchip (220) voneinander beabstandet und ausgestaltet sind, um als Gradiometer zur Messung eines räumlichen Gradienten eines Magnetfeldes verwendet zu werden.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei das erste Sensorelement (214a) mit einer Mittelachse des Spaltes (208) ausgerichtet ist und das zweite Sensorelement (214b) von dem Spalt (208) in eine Richtung koaxial zu der Breite des Spaltes beabstandet ist, wobei die Mittelachse des Spaltes senkrecht zu der Breite des Spaltes verläuft.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei das erste und das zweite Sensorelement (314a; 314b) an gegenüberliegenden Seiten des Spaltes (308) in eine Richtung koaxial zu der Breite des Spaltes angeordnet und gleichweit von einer Mittelachse des Spaltes entfernt sind, wobei die Mittelachse des Spaltes senkrecht zur Breite des Spaltes verläuft.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Sensorelement (114) eine Vielzahl von Sensorelementen (214a; 214b; 314a; 314b) umfasst, die auf einem Halbleiterchip (220; 320) in dem Sensorgehäuse voneinander beabstandet sind, und wobei das Fehlerstrom-Sensorsystem ferner eine Schaltungsanordnung umfasst, die ausgestaltet ist, um mindestens eines aus der Vielzahl von Sensorelementen auszuwählen, das nach der Herstellung des Sensorsystems zur betriebsgemäßen Verwendung eine optimale Position mit Bezug auf den Spalt (208; 308) aufweist, und um Informationen zu speichern, die sich auf das mindestens eine aus der Vielzahl von Sensorelementen ausgewählte Sensorelement beziehen.
System nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine aus der Vielzahl von Sensorelementen (214a; 214b; 314a; 314b), das nach der Herstellung des Sensorsystems eine optimale Position mit Bezug auf den Spalt (208; 308) hat, ein Sensorelement in der Vielzahl umfasst, das am nächsten an einer Mittelachse des Spaltes positioniert ist, wobei die Mittelachse des Spaltes senkrecht zu der Breite des Spaltes verläuft.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorgehäuse (112) ein Gehäuse für eine oberflächenmontierte Vorrichtung (SMD, Surface Mount Device) umfasst und/oder wobei das mindestens eine Sensorelement (114) mindestens entweder ein Hall-Effekt-Sensorelement, ein vertikales Hall-Effekt-Sensorelement, ein Riesen-Magnetoimpedanzelement oder ein magnetoresistives Sensorelement umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorgehäuse (112; 312) eine weichmagnetische Schicht (322) umfasst, die parallel zu einem Halbleiterchip (320) in dem Sensorgehäuse (312) angeordnet ist, und wobei ein Abstand zwischen der weichmagnetischen Schicht (322) und dem Magnetkern (302) größer ist als ein Abstand zwischen dem mindestens einen Sensorelement (314) und dem Magnetkern.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetkern (402) einen ersten Abschnitt (402a) und einen zweiten Abschnitt (402b) umfasst, wobei die gegenüberliegenden Kanten eine Kante des ersten Abschnitts und eine Kante des zweiten Abschnitts umfassen.
System nach Anspruch 11, wobei das Sensorgehäuse (412) ferner einen Rippenabschnitt (413) umfasst und wobei das Sensorgehäuse (412) mit dem Magnetkern (402) gekoppelt ist, so dass der Rippenabschnitt (413) mindestens teilweise in dem Spalt (408) zwischen den gegenüberliegenden Kanten angeordnet ist.
System nach Anspruch 11 oder 12, wobei das mindestens eine Sensorelement (414) ein erstes Hall-Sensorelement und ein zweites Hall-Sensorelement umfasst, die voneinander mit einem Abstand beabstandet sind, der mindestens gleich einer halben Breite des Spaltes (408) ist und ausgestaltet ist, um als Differentialsensor oder als gradiometrischer Sensor verwendet zu werden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner einen Magnethülsenabschnitt (324) umfassend, der mindestens teilweise den Magnetkern (302) und das Sensorgehäuse (312) umschließt.
System nach Anspruch 14, ferner eine gedruckte Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) (310) umfassend, die mit dem Sensorgehäuse (312) durch mindestens eine Leitung (318) gekoppelt ist, wobei die PCB (310) innerhalb der Öffnung (306) des Magnetkerns zwischen dem Sensorgehäuse und der Vielzahl von Leitern angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner einen Prüfleiter, der in der Mittelöffnung (408) angeordnet ist, und eine Schaltungsanordnung umfassend, die ausgestaltet ist, um eine Selbstprüfung des Fehlerstrom-Messsystems dadurch zu erleichtern, dass dem Prüfleiter ein bekannter Prüfstrom bereitgestellt und bestimmt wird, ob der bekannte Prüfstrom durch das mindestens eine Sensorelement (414) gemessen wird.
Verfahren zum Erfassen eines Fehlerstroms, umfassend: Bereitstellen eines Fehlerstrom-Messsystems (100; 200; 300; 400), einen Magnetkern (102), der einen Spalt (108) darin umfasst, und ein Sensorgehäuse (112) umfassend, das neben dem Spalt und über ihn hinweg angeordnet ist; und Messen, durch mindestens ein Sensorelement (114), das in dem Sensorgehäuse (112) angeordnet ist, eines Stromes, der durch Stromfluss in mindestens einem in dem Magnetkern angeordneten Leiter in den Magnetkern induziert wird.