DE102018212192A1

DE102018212192A1 - Messvorrichtung zur Strommessung, Schaltungsanordnung, Filterelement und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018212192A1
Application number: DE102018212192.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Apelsmeier; Stephan BRÜSKE; Tobias Enzinger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-01-23

Abstract

Messvorrichtung (1) zur Strommessung an einem oder mehreren Phasenleitern (2), welche sich zumindest bereichsweise entlang einer Längsachse (7) erstrecken, wobei die Messvorrichtung (1) wenigstens ein dem oder wenigstens einem der Phasenleiter (2) zugeordnetes Strommessmittel (3) zur Messung des Stroms in dem Phasenleiter (2) aufweist, wobei die Messvorrichtung (1) ein Filterelement (9, 11, 15, 16) aufweist, welches den oder die Phasenleiter (2) in einem entlang der Längsachse (7) verlaufenden Umschließungsabschnitt (8) umschließt, wobei das Strommessmittel (3) in dem Umschließungsabschnitt (8) angeordnet und von dem Filterelement (9, 11, 15, 16) umschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Strommessung an einem oder mehreren Phasenleitern, welche sich zumindest bereichsweise entlang einer Längsachse erstrecken, wobei die Messvorrichtung wenigstens ein dem oder wenigstens einem der Phasenleiter zugeordnetes Strommessmittel zur Messung des Stroms in dem Phasenleiter aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung, ein Filterelement sowie ein Kraftfahrzeug.
Messvorrichtungen zur Bestimmung eines Stromes in einem Phasenleiter oder zur Bestimmung des jeweiligen Stromes in mehreren Phasenleitern haben im Bereich der Technik vielfältige Anwendungsgebiete. Beispielsweise kann bei einer Leistungselektronik zum Betrieb eines elektrischen Motors mit einer dreiphasigen Wechselspannung eine Strommessung an wenigstens zwei der Phasen zur Regelung des elektrischen Motors erforderlich sein. Insbesondere bei hohen Stromstärken und/oder bei Strömen, welche in schneller Folge bzw. mit steilen Schaltflanken an- und abgeschaltet werden, können sich dabei unerwünschte elektromagnetische Emissionen ergeben. In Bezug zu derartigen Emissionen stehen beispielsweise im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) gesetzliche Vorschriften, welche das Ausmaß bzw. die Stärke derartiger Emissionen regulieren. Neben der Einhaltung von gesetzlichen Vorschriften ist eine Reduktion von elektromagnetischen Emissionen auch aus technischer Sicht sinnvoll, da eine unerwünschte Beeinflussung weiterer elektrischer Schaltungen oder Komponenten im Umfeld durch eine Reduktion der elektromagnetischen Emissionen verringert oder verhindert werden kann. Es ist dazu bekannt, Filtermaßnahmen zu ergreifen, um das Entstehen und/oder die Ausbreitung derartiger elektromagnetischer Emissionen zu verhindern.
So beschreibt die Druckschrift US 2014/0 139 299 A1 einen elektromagnetischen Interferenzfilter, welcher als ein mehrere stromführende Schienen umgebender Ring ausgeführt ist.
Aus DE 11 2006 002 319 T5 ist ein über ein Paar Busschienen mit einem Verbindungssystem verbundenes Umrichtermodul bekannt. Zur Verringerung von durch das Umrichtermodul erzeugtem Schaltrauschen ist ein elektromagnetischer Interferenzkern vorgesehen, welcher um die Busschienen herum angeordnet ist.
In DE 103 92 694 B4 wird ein aktiver elektromagnetischer Interferenzfilter zum Reduzieren eines Gleichtakt-Rauschstroms in einem Schaltkreis beschrieben. Der aktive Filter umfasst dabei einen Stromtransformator, welcher mit einem Zweig des Schaltkreises gekoppelt ist, in dem das Gleichtaktrauschen auftritt. Über den Ausgang des Stromtransformators wird eine zwei Transistoren aufweisende Transistorstufe betrieben, welche über einen Kondensator mit einer Erdungsrückführungsleitung des Schaltkreises gekoppelt ist. Der Kondensator stellt bei der Erdungsrückführungsleitung über die Transistorstufe einen Auslöschstrom bereit, welcher den Gleichtaktstrom in der Erdungsrückführungsleitung im Wesentlichen auslöscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit verbesserte leistungselektronische Schaltung anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Messvorrichtung ein Filterelement aufweist, welches den oder die Phasenleiter in einem entlang der Längsachse verlaufenden Umschließungsabschnitt umschließt, wobei das Strommessmittel in dem Umschließungsabschnitt angeordnet und von dem Filterelement umschlossen ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die dem einen oder den mehreren der Phasenleitern zugeordneten Strommessmittel von dem Filterelement umschlossen werden. Dies ermöglicht eine Strommessung an einem Phasenleiter oder an mehreren bzw. an allen Phasenleitern, erlaubt jedoch gleichzeitig eine Reduktion von elektromagnetischen Emissionen durch die Phasenleiter. Weiterhin wird aufgrund der Anordnung, bei der sowohl die den Phasenleitern zugeordneten Strommessmittel als auch die Phasenleiter selbst von dem Filterelement umschlossen werden, eine kompakte Ausführung der Messvorrichtung erreicht. Dadurch, dass der oder die Phasenleiter zumindest bereichsweise entlang einer Längsachse verlaufen, ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der oder die Phasenleiter von dem Filterelement in einem Umschließungsabschnitt umschlossen werden. Durch die Anordnung des oder der Strommessmittel innerhalb des Umschließungsabschnitts derart, dass auch die Strommessmittel von dem Filterelement umschlossen werden, ergibt sich im Gegensatz zu einer separaten Anordnung von Strommessmitteln am Filterelement nur ein geringerer Bauplatzbedarf für Strommessungen sowie für eine Filterung von elektromagnetischen Emissionen. Weiterhin können durch die erfindungsgemäße Anordnung auch gegebenenfalls vom Strommessmittel selbst erzeugte Störungen bzw. elektromagnetische Emissionen von dem Filterelement gedämpft werden.
Es ist insbesondere möglich, dass die Messvorrichtung zur Strommessung an drei Phasenleitern ausgebildet ist, wobei die Strommessung an den drei Phasenleitern durch den jeweiligen Phasenleitern zugeordnete Strommessmittel erfolgt. Es ist auch möglich, dass nur einem Teil der von dem Filterelement umfassten Phasenleiter ein Strommessmittel zugeordnet ist, also dass eine Strommessung nur an einem Teil der von dem Filterelement umfassten Phasenleitern erfolgt oder dass ein Strommessmittel mehr als einer Phasenleitung zugeordnet ist.
Das Filterelement umschließt bzw. umgreift den oder die Phasenleiter vollständig und dient insbesondere zur Filterung von Gleichtaktstörungen. Das Filterelement kann dazu insbesondere aus einem ferromagnetischen Material wie Ferrit bestehen und insbesondere hochfrequente Störungen dämpfen sowie deren Ausbreitung abschwächen oder verhindern. Das Filterelement kann auch als Summenkern bzw. EMV-Summenkern bezeichnet werden. Der oder die Phasenleiter können beispielsweise Kabel oder Stromschienen sein und eine Stromquelle sowie eine Stromsenke miteinander verbinden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Strommessmittel einen Magnetflusssensor und einen Flusskonzentrator umfasst, wobei der Flusskonzentrator den Phasenleiter unter Ausbildung eines Luftspalts bereichsweise umgreift und der Magnetflusssensor innerhalb des Luftspaltes angeordnet ist.
Dabei kann insbesondere jedem Phasenleiter ein Flusskonzentrator zugeordnet werden. Der Flusskonzentrator kann insbesondere ringsegmentförmig sein und aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Der Flusskonzentrator umschließt den Phasenleiter mit Ausnahme des Luftspalts vollständig, so dass ein aufgrund des durch den Phasenleiter fließenden Stromes erzeugter magnetischer Fluss durch den Flusskonzentrator geführt wird. Durch den Magnetflusssensor, welcher innerhalb des Luftspaltes angeordnet ist, kann der magnetische Fluss bzw. das Magnetfeld innerhalb des Luftspaltes gemessen werden. Aus dem im Luftspalt gemessenen magnetischen Fluss kann der Strom im Phasenleiter bestimmt werden. Das oder die Strommessmittel, bzw. die jeweiligen Flusskonzentratoren und die jeweiligen Magnetflusssensoren, sind dabei innerhalb des Umschließungsabschnitts angeordnet und werden von dem Filterelement umfasst. Der oder die Flusskonzentratoren und das Filterelement können dabei als separate Bauteile, insbesondere als getrennte ferromagnetische Kerne ausgeführt sein, d.h. das Filterelement und die Flusskonzentratoren befinden sich nicht in einem direkten Kontakt zueinander.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Flusskonzentrator in das Filterelement integriert ist, wobei der Luftspalt als Erweiterung wenigstens einer Ausnehmung zur Aufnahme eines des wenigstens einen Phasenleiters in einem als Flusskonzentrator wirkenden Anteil des Filterelements ausgebildet ist.
Das Filterelement weist wenigstens eine Ausnehmung auf, in der der wenigstens eine Phasenleiter angeordnet werden kann. Die Ausnehmung kann das Filterelement dazu entlang der Längsachse durchdringen. Der Flusskonzentrator des der Phasenleitung zugeordneten Strommessmittels kann in das Filterelement integriert sein, wobei integriert in diesem Zusammenhang bedeutet, dass der Flusskonzentrator einstückig mit dem Filterelement ausgebildet ist bzw. dass ein Anteil des Filterelements als Flusskonzentrator für die Strommessung an dem Phasenleiter dient. Der als Flusskonzentrator wirkende Anteil des Filterelements erstreckt sich dabei um die Ausnehmung zur Aufnahme des Phasenleiters herum. Der als Flusskonzentrator wirkende Anteil des Filterelements wird durch den Luftspalt, welcher an die Ausnehmung anschließt, unterbrochen. Der aufgrund eines Stromflusses erzeugte magnetische Fluss um den Phasenleiter wird zu einem großen Anteil in dem als Flusskonzentrator wirkenden Anteil des Filterelements geführt. Wie bereits vorangehend beschrieben wurde, kann auch in diesem Fall eine Bestimmung des in dem in der Ausnehmung angeordneten Phasenleiter fließenden Stromes durch eine Messung des magnetischen Flusses im Luftspalt erfolgen. Durch die Integration des Flusskonzentrators in das Filterelement kann der Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung weiter vereinfacht werden. Vorteilhaft kann auf als separate Bauteile ausgeführte Flusskonzentratoren verzichtet werden. Weiterhin reduziert sich durch die Integration der Flusskonzentratoren in das Filterelement die Menge des für das Filterelement und die Flusskonzentratoren benötigten Materials. Außerdem kann die Menge an Befestigungsmaterialien wie Schrauben, Vergussmaterialien und/oder Isolationsmaterialien reduziert werden. Somit ergeben sich neben einem verringerten Montageaufwand auch reduzierte Gesamtkosten bei der Herstellung der Messvorrichtung.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Ausnehmung eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsfläche und der Luftspalt eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsfläche aufweisen, wobei der Luftspalt an den Umfang der wenigstens einen Ausnehmung anschließt. Die Querschnittsfläche der Ausnehmung bzw. die Querschnittsfläche des Luftspalts sind dabei im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Messvorrichtung orientiert. Die Querschnittsfläche beschreibt dabei die Querschnittsform der Ausnehmungen bzw. des Luftspaltes. Bevorzugt weist das Filterelement für jede Phasenleitung eine Ausnehmung mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Querschnittsfläche auf, wobei sich der Luftspalt mit seiner im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsfläche an den Umfang der kreisförmigen Ausnehmung anschließt. In der Ausnehmung oder den Ausnehmungen können der oder die Phasenleiter angeordnet werden, wobei zur Strommessung des durch die jeweiligen Phasenleiter fließenden Stromes ein Magnetflusssensor in dem oder den Luftspalten angeordnet ist. Es ist dabei möglich, dass zwei Ausnehmungen über einen Luftspalt verbunden sind oder dass an jeder Ausnehmung ein separater Luftspalt anschließt. Durch einen in einem Luftspalt angeordneten Magnetflusssensor kann der in dem als Flusskonzentrator wirkenden Anteil des Filterelements, welcher im Wesentlichen der an den Luftspalt anschließende, die Ausnehmung und somit auch den Phasenleiter umgebende kreissegmentbogenförmige Bereich ist, geführte magnetische Fluss gemessen werden. Aus diesem Magnetfluss kann anschließend der in dem Phasenleiter fließende Strom bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Filterelement drei beabstandet voneinander in einer Reihe angeordnete Ausnehmungen sowie zwei Luftspalte aufweist, wobei jeder Luftspalt zwei der Ausnehmungen miteinander verbindet, wobei die mittlere Ausnehmung über je einen Luftspalt mit einer randseitigen Ausnehmung verbunden ist. Dabei kann in jedem Luftspalt ein Magnetflusssensor angeordnet sein, wodurch eine Flussmessung an zwei Stellen ermöglicht wird. Der Strom in den einzelnen Phasenleitern kann z. B. bei Kenntnis des Gesamtstromes und/oder weiterer Größen, wie einer Taktrate oder einer Phasenlage der Ströme zueinander berechnet werden, beispielsweise durch eine mit den Magnetflusssensoren verbundene Recheneinrichtung der Messvorrichtung. Die drei Ausnehmungen, welche jeweils zur Aufnahme eines Phasenleiters dienen, sind über zwei Luftspalte miteinander verbunden und bilden mithin einen gemeinsamen Hohlraum innerhalb des Filterelements aus. Die drei Ausnehmungen zur Aufnahme der Phasenleiter können dabei das Filterelement im Wesentlichen parallel und entlang der Längsachse durchdringen, so dass das Filterelement in einfacher Weise die drei Phasenleiter umschließend angeordnet werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltung kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Filterelement drei beabstandet voneinander in einem Dreieck angeordnete Ausnehmungen sowie drei Luftspalte aufweist, wobei die Luftspalte jeweils an zwei Ausnehmungen anschließen, so dass jede Ausnehmung über jeweils einen Luftspalt mit den anderen beiden Ausnehmungen verbunden ist. Dabei kann in jedem Luftspalt ein Magnetflusssensor angeordnet sein, so dass die Phasenströme in den drei Phasenleitern jeweils aus den Messwerten der Magnetflusssensoren bestimmt werden können. Da an drei unterschiedlichen Positionen innerhalb des Filterelements jeweils ein magnetischer Fluss gemessen wird, ist es beispielsweise möglich, die einzelnen Phasenströme jeweils aus den Messwerten der Magnetflusssensoren zu bestimmen.
Für den oder die Luftspalte kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass er oder sie entlang der Längsachse der Messvorrichtung eine geringere Ausdehnung aufweisen als die Ausnehmung oder die Ausnehmungen. Dadurch können die Luftspalte an den Stirnseiten des Filterelements geschlossen sein bzw. die Luftspalte können derart angeordnet sein, dass sie vollständig innerhalb des Umschließungsbereichs liegen und von den jeweiligen Enden des Umschließungsbereichs bzw. von den jeweiligen Enden des Filterelements entlang der Längsachse beabstandet sind. Die Ausnehmungen sind dabei selbstverständlich Durchgangsöffnungen, also an den Stirnflächen des Filterelements offen, damit ein Phasenleiter innerhalb einer der Ausnehmungen angeordnet werden kann.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Filterelement aus einem ferromagnetischen Material besteht und/oder dass das Filterelement einen kreisförmigen, elliptischen oder ovalen Querschnitt hat und/oder dass der Magnetflusssensor ein Hallsensor ist. Durch die Verwendung eines ferromagnetischen Materials wird eine besonders gute Abschirmung von elektromagnetischen Störungen erreicht. Weiterhin kann auch bei einer Integration der Flusskonzentratoren innerhalb des Filterelements eine effiziente Flussführung des magnetischen Flusses, welcher von den in den Phasenleitern fließenden Strömen erzeugt wird, erfolgen. Das Filterelement kann einen kreisförmigen, elliptischen oder ovalen Querschnitt aufweisen, wobei die Querschnittsform beispielsweise abhängig von der Anordnung der Phasenleiter bzw. der gegebenenfalls vorhandenen, zur Aufnahme der Phasenleiter dienenden Ausnehmungen angepasst sein kann. Die Verwendung eines Hallsensors als Magnetflusssensor bietet den Vorteil, dass insbesondere auch sich zeitlich nicht ändernde Magnetfelder über einen Hallsensor erfasst werden können, wodurch auch eine Messung von zeitlich konstanten Strömen ermöglicht wird.
Für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass diese wenigstens einen Phasenleiter sowie eine erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst. Die Schaltungsanordnung kann dabei insbesondere Komponenten oder Bauteilgruppen umfassen, welche als eine Stromquelle eines über den wenigstens einen Phasenleiter fließenden Stromes dienen. Weiterhin ist es möglich, dass die Schaltungsanordnung eine Stromsenke umfasst oder zum Anschluss an eine solche Stromsenke ausgebildet ist. Es ist möglich, dass die Messvorrichtung zur Messung der über einen oder mehrere Phasenleiter fließenden Ströme eingesetzt und zur Regelung und Steuerung einer an die Schaltungsanordnung angeschlossene Komponente verwendet wird. Insbesondere ist es möglich, dass die Schaltungsanordnung Komponenten oder Bauteile umfasst, welche einen zeitlich veränderlichen Stromfluss über einen oder mehrere der Phasenleiter erzeugen. Insbesondere bei Einschalt- bzw. Ausschaltvorgängen ist eine effiziente Filterung von elektromagnetischen Emissionen notwendig, welche vorteilhaft durch das Filterelement der erfindungsgemäßen Messvorrichtung erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung ein Dreiphasen-Wechselrichter ist und drei Phasenleitungen umfasst, wobei die Schaltungsanordnung insbesondere wenigstens ein auf Siliziumcarbit basierendes Leistungshalbleiterbauteil umfasst. Der Dreiphasen-Wechselrichter kann dabei zum Betrieb einer Elektromaschine eingesetzt werden. Insbesondere kann es sich bei dem Dreiphasen-Wechselrichter um einen Traktionswechselrichter zum Betrieb einer Traktionselektromaschine eines Kraftfahrzeugs handeln. Durch die Verwendung von auf Siliziumcarbit basierenden Leistungshalbleitern kann eine entscheidende Verringerung der Verluste und somit eine Erhöhung der Leistungsdichte des Wechselrichters erzielt werden. Dies bringt jedoch eine deutliche Erhöhung der Steilheit der Schaltflanken mit sich, wodurch sich höhere elektromagnetische Emissionen während des Betriebes des Wechselrichters ergeben. Insbesondere beim Betrieb einer Elektromaschine können diese Störungen negative Auswirkungen auf ein Isolationssystem und/oder auf mechanische Lager der Elektromaschine haben. Durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung wird neben einer Messung der einzelnen Phasenströme, welche beispielsweise zu einer Regelung des Traktionsmotors verwendet werden kann, auch eine Filterung der elektromagnetischen Emissionen ermöglicht.
Für ein erfindungsgemäßes Filterelement ist vorgesehen, dass es für eine erfindungsgemäße Messvorrichtung verwendet werden kann.
Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße Messvorrichtung und/oder eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und/oder ein erfindungsgemäßes Filterelement umfasst. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ein Drei-Phasen-Wechselrichter ist, welcher als ein Traktionswechselrichter zum Betrieb eines elektrischen Traktionsmotors des Kraftfahrzeugs dient, bzw. dass die Messvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Filterelement einem Traktionswechselrichter des Kraftfahrzeuges zugeordnet sind.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine Schnittansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
2 eine Aufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
3 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
4 eine Aufsicht auf das zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
5 eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
6 eine Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, sowie
7 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.

Die Messvorrichtung 1 dient der Strommessung an drei Phasenleitern 2, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Stromschienen mit einem rechteckigen Querschnitt dargestellt sind. Selbstverständlich ist es möglich, dass die Messvorrichtung 1 auch zur Strommessung an einer, zwei oder als mehr als drei Phasenleitern ausgebildet ist und/oder dass die Phasenleiter als Kabel ausgeführt sind. Die Messvorrichtung 1 umfasst drei Strommessmittel 3, wobei jeweils ein Strommessmittel 3 einem der Phasenleiter 2 zugeordnet ist. Jedes Strommessmittel 3 umfasst einen aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Flusskonzentrator 4, welcher einen ringsegmentförmigen Querschnitt aufweist und einen Luftspalt 5 ausbildet. Innerhalb jedes Luftspaltes 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Magnetflusssensor 6 des jeweiligen Strommessmittels 3 angeordnet.
Die drei Phasenleiter 2 der Messvorrichtung 1 erstrecken sich entlang einer Längsachse 7, welche sich, wie das durch das gezeigte Pfeilende angedeutet wird, in die Zeichenebene von 1 hinein erstreckt. In einem entlang der Längsachse verlaufenden Umschließungsabschnitt 8 werden sowohl die Phasenleiter 2 als auch die den Phasenleitern 2 zugeordneten Strommessmittel 3 von einem aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Filterelement 9 umschlossen. Das Filterelement 9 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen ovalen Querschnitt auf und umfasst in seinem Inneren einen Hohlraum 10, in dem jeweils ein Abschnitt der Phasenleiter 2 sowie die den jeweiligen Phasenleitern 2 zugeordneten Strommessmittel 3 angeordnet sind.
In 2 ist eine Aufsicht auf das in 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt. Die Längsachse 7 verläuft in 2 von links nach rechts. Das Filterelement 9 umschließt die drei Phasenleiter 2 sowie die drei Flusskonzentratoren 4 in dem sich entlang der Längsachse 7 erstreckenden Umschließungsabschnitt 8. Das Filterelement 9 umschließt folglich sowohl die drei Phasenleiter 2 als auch die den jeweiligen Phasenleitern 2 zugeordneten Strommessmittel 3. Die Positionen der Flusskonzentratoren 4, der Luftspalte 5 sowie der innerhalb der Luftspalte 5 angeordneten Magnetflusssensoren 6 der Strommessmittel 3 sind gestrichelt dargestellt. Ersichtlich liegen die Strommessmittel 3 innerhalb des Umschließungsabschnitts 8. Dadurch, dass die Strommessmittel 3 innerhalb des Filterelements 9 angeordnet sind, wird ein platzsparender Aufbau der Messvorrichtung 1 erreicht. Das Filterelement 9 dient beispielsweise einer Filterung von Gleichtaktstörungen, welche bei einem Zu- bzw. Abschalten von Strömen auf den einzelnen Phasenleitern 2 entstehen können. Die Absorption von dadurch entstehenden elektromagnetischen Emissionen durch das Filterelement 9 verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit der Phasenleiter 2 bzw. einer die Phasenleiter 2 umfassenden Schaltungsanordnung. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 eine Strommessung der durch die einzelnen Phasenleiter 2 fließenden Ströme ermöglicht.
Ein durch einen Phasenleiter 2 fließender Strom erzeugt einen den jeweiligen Phasenleiter 2 umgebenden magnetischen Fluss. Dieser magnetische Fluss kann bereichsweise mithilfe des Flusskonzentrators 4 des Strommessmittels 3 konzentriert werden. Der in dem Flusskonzentrator 4 konzentrierte magnetische Fluss durchdringt auch den Luftspalt 5 und kann dort von dem Magnetflusssensor 6 gemessen werden. Der von dem Magnetflusssensor 6 gemessene Strom ist proportional zu der durch den Phasenleiter 2 fließenden Stromstärke, so dass durch einen Sensormesswert auf den in dem Phasenleiter 2 fließenden Strom zurückgeschlossen werden kann. Zur Bestimmung des Stromes oder der Ströme kann die Messvorrichtung 1 beispielsweise eine Recheneinrichtung umfassen oder mit einer Recheneinrichtung verbunden sein, welche den Strom bzw. die Ströme aus den Messwerten der Magnetflusssensoren 6 bestimmt.
Mithilfe der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 wird somit sowohl eine Abschirmung von von den Phasenleitern 2 ausgehenden elektromagnetischen Störungen als auch eine Messung der durch die jeweiligen Phasenleiter 2 fließenden Ströme ermöglicht. Sowohl das Filterelement 9 als auch die Flusskonzentratoren 4 bestehen aus einem ferromagnetischen Material, welches insbesondere sowohl zur Konzentration von magnetischen Flüssen als auch zur Abschirmung von elektromagnetischen Feldern geeignet ist. Die Flusskonzentratoren 4 und/oder das Filterelement 9 können beispielsweise aus Ferrit gefertigt sein.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 dargestellt. Die Messvorrichtung 1 dient erneut zum Messen von durch die drei Phasenleiter 2 fließenden Strömen. Die Messvorrichtung 1 umfasst ein Filterelement 11 mit drei Ausnehmungen 12, welche das Filterelement 11 jeweils entlang der Längsachse 7 durchdringen, so dass die Phasenleiter 2 in den Ausnehmungen 12 angeordnet werden können. Die Luftspalte 5 sind als Erweiterung jeweils einer einen Phasenleiter 2 aufnehmenden Ausnehmung 12 ausgebildet. Innerhalb der Luftspalte 5 sind die Magnetflusssensoren 6 der Strommessmittel 3 angeordnet. Die im ersten Ausführungsbeispiel separat ausgebildeten Flusskonzentratoren 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel in das Filterelement 11 integriert. Das Filterelement 11 weist folglich als Flusskonzentrator wirkende Anteile 13 (hier gestrichelt dargestellt) auf, welche an die Ausnehmungen 12 anschließen. Auch die als Flusskonzentrator wirkenden Anteile 13 weisen einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf und schließen jeweils an den Luftspalt 5 an. Die zur Strommessung notwendige Flusskonzentration des von einem durch einen der Phasenleiter 2 fließenden Stromes erzeugten magnetischen Flusses erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch die als Flusskonzentrator wirkenden Anteile 13 des Filterelements 11. Analog zu der vorherigen Beschreibung erfolgt eine Strombestimmung mithilfe der Magnetflusssensoren 6, welche innerhalb der Luftspalte 5 angeordnet sind.
Die Ausnehmungen 12 weisen eine im wesentlichen kreisförmige Querschnittsfläche auf. Die Luftspalte 5 weisen eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsfläche auf, welche jeweils an den Umfang einer Ausnehmung 12 anschließt.
In 4 ist eine Aufsicht auf das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 gezeigt. Der Übersicht halber ist lediglich ein Abschnitt des Filterelements 11 dargestellt. Die Ausnehmung 12 durchdringt das Filterelement 11 von der einen Stirnfläche 14 zur anderen, so dass sie zur Aufnahme eines Phasenleiters 2 geeignet ist. Der Luftspalt 5 weist entlang der Längsachse 7 eine geringere Ausdehnung auf, so dass der Luftspalt 5 von beiden Stirnflächen 14 des Filterelements 11 beabstandet ist. Der Magnetflusssensor 6 weist derartige Abmessungen auf, dass er innerhalb des Luftspaltes 5 angeordnet werden kann. Selbstverständlich ist es möglich, dass das Filterelement 11 weitere Aussparungen oder Löcher aufweist, über welche beispielsweise mit dem Magnetflusssensor 6 verbundene Kabel nach außen geführt werden können. Alternativ dazu ist es möglich, dass derartige mit dem Magnetflusssensor 6 verbundene Kabel auch durch die Ausnehmung 12 aus dem Filterelement 11 herausgeführt werden können.
In 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 dargestellt, welches sich hinsichtlich der Anordnung der Luftspalte 5 und von dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel unterscheidet. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel umfasst ein Filterelement 15, welches drei in einer Reihe angeordnete Ausnehmungen 12 aufweist. Die mittlere Ausnehmung 12 ist dabei mit den randseitigen Ausnehmungen 12 über jeweils einen Luftspalt 5 verbunden. Innerhalb der Luftspalte 5 ist jeweils ein Magnetflusssensor 6 angeordnet. Jeder der Magnetflusssensoren 6 bzw. jedes der Strommessmittel 3 ist hierbei zwei Phasenleitern 2 in den jeweils angrenzenden Ausnehmungen 12 zugeordnet. Ein Strom in den jeweiligen Phasenleitern 2 kann mithilfe der aus den Magnetflusssensoren 6 gewonnenen Messwerte sowie gegebenenfalls unter Berücksichtigung weiterer Größen wie Phasenlage der Stromflüsse in den einzelnen Phasenleitern, Taktfrequenz und/oder einer Gesamtstromstärke bestimmt werden. Analog zu der Darstellung in 4 kann es auch bei dem in 5 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass die Luftspalte 5 entlang der Längsachse 7 eine geringere Ausdehnung aufweisen als die Ausnehmungen 12.
6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 gezeigt. Die Messvorrichtung 1 umfasst ein Filterelement 16, welches drei in einem Dreieck angeordnete Ausnehmungen 12 sowie eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist. Jede Ausnehmung 12 ist über jeweils einen Luftspalt 5 mit jeder der anderen beiden Ausnehmungen 12 verbunden. In jedem der Luftspalte 5 ist jeweils ein Magnetflusssensor 6 angeordnet. Aus den durch die Magnetflusssensoren 6 erzeugten Messwerten kann auf die Ströme in den jeweiligen Phasenleitern 2 zurückgeschlossen werden. Selbstverständlich können auch in diesem Ausführungsbeispiel die Luftspalte 5 eine geringere Ausdehnung entlang der Längsachse 7 aufweisen als die Ausnehmungen 12.
In 7 ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 17 dargestellt. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 17 umfasst eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 18. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 18 ist ein Dreiphasen-Wechselrichter und umfasst eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 sowie eine Leistungselektronik 19 und drei Phasenleiter 2. Die Leistungselektronik 19 kann insbesondere wenigstens ein auf Siliziumcarbit basierendes Leistungshalbleiterbauteil umfassen. Durch ein derartiges Leistungshalbleiterbauteil lassen sich hohe Schaltgeschwindigkeiten erreichen, wobei die aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeit erzeugten elektromagnetischen Emissionen durch das Filterelement der Messvorrichtung 1 gedämpft werden. Weiterhin kann durch die Messvorrichtung 1 eine Strommessung des Stromes in den jeweiligen Phasen 2 erfolgen, so dass beispielsweise aufgrund der von der Messvorrichtung 1 erzeugten Messwerte eine Regelung eines elektrischen Traktionsmotors 20 erfolgen kann. Die Schaltungsanordnung 18 dient in diesem Beispiel dazu, eine von einer Batterie 21 des Kraftfahrzeuges 17 erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Betrieb des elektrischen Traktionsmotors 20 zu wandeln. Das Kraftfahrzeug 17 bzw. die Schaltungsanordnung 18 respektive die Messvorrichtung 1 kann dabei ein erfindungsgemäßes Filterelement 9, 11, 15, 16 gemäß der Darstellungen in den 1 bis 6 aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0139299 A1 [0003]
DE 112006002319 T5 [0004]
DE 10392694 B4 [0005]

Claims

Messvorrichtung (1) zur Strommessung an einem oder mehreren Phasenleitern (2), welche sich zumindest bereichsweise entlang einer Längsachse (7) erstrecken, wobei die Messvorrichtung (1) wenigstens ein dem oder wenigstens einem der Phasenleiter (2) zugeordnetes Strommessmittel (3) zur Messung des Stroms in dem Phasenleiter (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (1) ein Filterelement (9, 11, 15, 16) aufweist, welches den oder die Phasenleiter (2) in einem entlang der Längsachse (7) verlaufenden Umschließungsabschnitt (8) umschließt, wobei das Strommessmittel (3) in dem Umschließungsabschnitt (8) angeordnet und von dem Filterelement (9, 11, 15, 16) umschlossen ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strommessmittel (3) einen Magnetflusssensor (6) und einen Flusskonzentrator (4) umfasst, wobei der Flusskonzentrator (4) den Phasenleiter (2) unter Ausbildung eines Luftspaltes (5) bereichsweise umgreift und der Magnetflusssensor (6) innerhalb des Luftspaltes (5) angeordnet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flusskonzentrator (4) in das Filterelement (11, 15, 16) integriert ist, wobei der Luftspalt (5) als Erweiterung wenigstens einer Ausnehmung (12) zur Aufnahme eines des wenigstens einen Phasenleiters (2) in einem als Flusskonzentrator wirkenden Anteil (13) des Filterelements (11, 15, 16) ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ausnehmung (12) eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsfläche und der Luftspalt (5) eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsfläche aufweisen, wobei der Luftspalt (5) an den Umfang der wenigstens einen Ausnehmung (12) anschließt.
Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (15) drei beabstandet voneinander in einer Reihe angeordnete Ausnehmungen (12) sowie zwei Luftspalte (5) aufweist, wobei jeder Luftspalt (5) zwei der Ausnehmungen (12) miteinander verbindet, wobei die mittlere Ausnehmung (12) über je einen Luftspalt (5) mit einer randseitigen Ausnehmung (12) verbunden ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (16) drei beabstandet voneinander in einem Dreieck angeordnete Ausnehmungen (12) sowie drei Luftspalte (5) aufweist, wobei die Luftspalte (5) jeweils an zwei Ausnehmungen (12) anschließen, so dass jede Ausnehmung (12) über jeweils einen Luftspalt (5) mit den anderen beiden Ausnehmungen (12) verbunden ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Luftspalte (5) entlang der Längsachse (7) der Messvorrichtung eine geringere Ausdehnung aufweisen als der oder die Ausnehmungen (12).
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (9, 11, 15, 16) aus einem ferromagnetischen Material besteht und/oder dass das Filterelement (9, 11, 15, 16) einen kreisförmigen, elliptischen oder ovalen Querschnitt hat und/oder dass der Magnetflusssensor (6) ein Hallsensor ist.
Schaltungsanordnung (18), umfassend wenigstens einen Phasenleiter (2) sowie eine Messvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (18) ein Dreiphasen-Wechselrichter ist und drei Phasenleitungen (2) umfasst, wobei die Schaltungsanordnung (18) insbesondere wenigstens ein auf Siliziumcarbid basierendes Leistungshalbleiterbauteil umfasst.
Filterelement (9, 11, 15, 16) für eine Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftfahrzeug (17) umfassend eine Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eine Schaltungsanordnung (18) nach einem der Ansprüche 9 oder 10 oder ein Filterelement (9, 11, 15, 16) nach Anspruch 11.