DE102020117557A1

DE102020117557A1 - Stromsensor zur Messung des elektrischen Stroms einer Stromschiene

Info

Publication number: DE102020117557A1
Application number: DE102020117557.4A
Authority: DE
Inventors: Linbo Tang; Aurélien Zint
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2040-07-04
Also published as: US20230333146A1; CN115702356A; WO2022002293A1; DE102020117557B4

Abstract

Es ist ein Stromsensor (1) zur Messung eins elektrischen Stroms einer Stromschiene (4) offenbart. Die Stromschiene (4) führt durch einen ferromagnetischen Kern (10). Der ferromagnetische Kern (10) hat einen ersten Luftspalt (12) mit einer Breite (B12) und einen zweiten Luftspalt (13) mit einer Breite (B13) ausgebildet. Eine Platine (15) mit einem einzigen Sensorchip (14) oder zwei räumlich getrennten Sensorchips (14) ist in Bezug auf den ersten Luftspalt (12) und den zweiten Luftspalt (13) positioniert. Der einzige Sensorchip (14) umfasst zwei räumlich getrennte magnetische Erfassungspunkte (16). Die zwei Sensorchips (14) umfassen je einen magnetischen Erfassungspunkt (16). Die magnetischen Erfassungspunkte (16) sind im ersten Luftspalt (12) und im zweiten Luftspalt (13) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor zur Messung eines elektrischen Stroms einer Stromschiene. Der Stromsensor weist einen ferromagnetischen Kern auf, der einen ersten Luftspalt und einen zweiten Luftspalt ausgebildet hat. Die Stromschiene führt durch den ferromagnetischen Kern.
Die internationale Patentanmeldung WO 2016/006410 A1 offenbart einen Stromsensor mit einer ersten und einer zweiten magnetischen Erfassungseinheit. Die beiden Erfassungseinheiten sind an Positionen angeordnet, an denen ein S/N-Verhältnis vorliegt, so dass ein Verhältnis zwischen der Stärke eines Magnetfelds, das durch einen zu messenden Strom erzeugt wird, der durch einen Strompfad fließt, und der Stärke eines externen Magnetfelds das Gleiche ist. Eine Verarbeitungseinheit bestimmt einen normalen Betriebszustand in einem Fall, in dem das Erfassungssignal der ersten magnetischen Erfassungseinheit und das Erfassungssignal der zweiten magnetischen Erfassungseinheit ungefähr miteinander übereinstimmen. Die Verarbeitungseinheit stellt fest, dass eine der ersten und zweiten magnetischen Erfassungseinheiten in einem Fall ausgefallen ist, in dem die Erfassungssignale nicht miteinander übereinstimmen.
Die internationale Patentanmeldung WO 2016/148022 A1 offenbart drei Magnetsensoren, die auf einer ersten virtuellen Linie positioniert sind, die mit zwei magnetischen Abschirmungen versehen sind, so dass ein vom Magnetsensor erfasster Wert weniger wahrscheinlich vom Feld eines externen Magneten beeinflusst wird. Die Magnetsensoren sind von einem Leiter durch einen bestimmten Abstand getrennt.
Die internationale Patentanmeldung WO 2008/107773 A1 offenbart einen elektrischen Stromsensor mit offenem Regelkreis zum Messen des in einem Primärleiter fließenden elektrischen Stroms. Der Stromsensor umfasst einen Magnetkreis mit einem Luftspalt und eine Magnetfelderfassungseinrichtung, die im Luftspalt positioniert ist. Die Magnetfelderfassungseinrichtung umfasst eine Leiterplatte, einen ersten Magnetfelddetektor, der auf der Leiterplatte montiert ist, und einen zweiten Magnetfelddetektor. Der zweite Magnetfelddetektor umfasst eine auf der Leiterplatte ausgebildete leitende Spule, wobei die Ausgangssignale des ersten Magnetfelddetektors und des zweiten Magnetfelddetektors zum Anschluss an eine Signalverarbeitungsschaltung angepasst sind, die ein für die Primärseite repräsentatives Ausgangssignal (elektrischen Strom) erzeugt.
Stromsensoren werden in vielen Anwendungen zur Messung von Gleich- und Wechselstrom verwendet. Die Anwendung in der Elektromobilität, wie beispielsweise zur Batterieüberwachung im Batteriesystem oder zur Motorsteuerung im Wechselrichter, wird immer wichtiger.
Es gibt zwei Hauptmerkmale für die Stromerfassung mit einem Stromsensor: eines ist die Kompaktheit des Stromsensors und das andere ist die Genauigkeit. Dies sind zwei entgegengesetzte Anforderungen. Hohe Genauigkeit bedeutet komplexeres Design und beansprucht normalerweise mehr Designraum. Andererseits verlieren kleinere Sensordesigns normalerweise an Genauigkeit, da bestimmte Komponenten, wie beispielsweise die ferromagnetische Abschirmung oder ein zu kleiner Erfassungsbereich, fehlen.
In Einheiten der Leistungselektronik werden Stromsensoren verwendet. Ein Stromsensor dient zur Messung des Gleichstroms und normalerweise werden drei Stromsensoren zur Messung des Wechselstroms verwendet. Die drei Wechselstromsensoren können auch durch einen einzigen Wechselstromsensor ersetzt werden, der drei Messpositionen ausgebildet hat. In Einheiten der Leistungselektronik ist normalerweise nur sehr wenig Platz vorhanden, da der bereitstehende Designraum aufgrund der Kundenanforderungen begrenzt ist.
Aus dem neuesten Stand der Technik sind Sensorkonstruktionen mit einem Sensorchip und einem ferromagnetischen Flusskonzentrator als C-förmiger Kern oder als U-förmige Abschirmung bekannt. Diese ferromagnetischen Flusskonzentratoren können den aus dem Primärstrom (Messgröße) erzeugten Magnetfluss an der Position des Sensorchips konzentrieren und das Streufeld von außen abschirmen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen genauen und kompakten Stromsensor bereitzustellen, um die Genauigkeit zu erhöhen und dabei gleichzeitig die Kosten und den benötigten Bauraum des Stromsensors zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stromsensor zur Messung eines elektrischen Stroms einer Stromschiene, der die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
In einer Ausführungsform umfasst ein Stromsensor zur Messung des elektrischen Stroms einer Stromschiene einen ferromagnetischen Kern, der einen ersten Luftspalt und einen zweiten Luftspalt ausgebildet hat. In einer Ausführungsform verläuft die Stromschiene, deren elektrischer Strom gemessen wird, durch eine Freisparung des ferromagnetischen Kerns. In einer Ausführungsform weist der erste Luftspalt eine Breite auf und der zweite Luftspalt weist eine Breite auf, wobei die Breite des ersten Luftspalts größer als die Breite des zweiten Luftspalts ist. Eine Platine des Stromsensors kann einen einzigen Sensorchip oder zwei räumlich getrennte Sensorchips tragen. Über die Platine werden die Sensorchips in Bezug auf den ersten Luftspalt und den zweiten Luftspalt positioniert. In dem Fall, dass ein einziger Sensorchip vorgesehen ist, besitzt der einzige Sensorchip zwei räumlich getrennte magnetische Erfassungspunkte. In dem anderen Fall, dass zwei Sensorchips vorgesehen sind, weisen die zwei Sensorchips je einem magnetischen Erfassungspunkt auf. Die magnetischen Erfassungspunkte sind im ersten Luftspalt und im zweiten Luftspalt des ferromagnetischen Kerns angeordnet.
Es muss nicht zwangsläufig der Fall sein, dass die Breite des ersten Luftspalts größer als die Breite des zweiten Luftspalts ist. Je nach gewünschter Output-Kennlinie, kann das Verhältnis der Breiten der Luftspalte variiert werden. Hauptsache ist, dass sich die beiden gemessenen Signale des durch den magnetischen Fluss erzeugten Stroms deutlich voneinander unterscheiden.
Der Vorteil des Stromsensors ist, dass man bei der Messung des Stroms der Stromschiene eine höhere Genauigkeit erreicht, der Stromsensor weniger Bauraum erfordert und die Herstellungskosten des Stromsensors reduziert sind.
Der Stromsensor kann ein Gehäuse für die Aufnahme des ferromagnetischen Kerns und der Platine aufweisen. Das Gehäuse kann zwei gegenüberliegende Stirnseiten besitzen, die jeweils eine Freisparung ausgebildet haben, durch die hindurch die Stromschiene verläuft.
Das Gehäuse hat den Vorteil, dass der ferromagnetische Kern und die Platine durch das Gehäuse geschützt sind und das Gehäuse eine Führung der Stromschiene und auch eine Halterung des Stromsensors an der Stromschiene bereitstellt.
In einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse des Stromsensors ferner die elektrischen Ein-/Ausgänge des Stromsensors. Diese Ein-/Ausgänge können aus Steckern oder lediglich aus Stiften bestehen. Die Positionen der Stecker beziehungsweise der Stifte am Gehäuse können je nach Anwendungsdesign variieren. In einer Ausführungsform befindet sich im Sensorgehäuse ein Schlitz (Freisparung) zum Einsetzen der Stromschiene, in der der zu messende Primärstrom fließt. Innerhalb des Gehäuses sind die Stifte mit der Leiterplatte (Platine) verbunden. Die Platine kann mit zusätzlichen elektrischen Komponenten versehen sein, die für die elektronische Signalverarbeitung der Signalausgabe des Sensorchips oder der Sensorchips verantwortlich sind.
Gemäß einer Ausführungsform des Stromsensors ist die Breite des ersten Luftspalts doppelt so groß wie die Breite des zweiten Luftspalts. Der Vorteil der unterschiedlichen Breiten der beiden parallel zueinander angeordneten Luftspalte ist, dass man dadurch im ferromagnetischen Kern zwei unterschiedliche Magnetflüsse erhält, und der magnetische Fluss muss sich zwischen den Luftspalten deutlich voneinander unterscheiden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die räumlich getrennten Sensorchips vom gleichen Typ und besitzen den gleichen Bereich für eine Ausgangsspannung. Der Bereich für die Ausgangsspannung Volt sollte für eine höhere Auflösung zwischen 0,5 bis 4,5 Volt liegen, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Die Genauigkeit des Stromsensors kann aufgrund der höheren Auflösung aus zwei Bereichen (dem ersten Luftspalt und dem zweiten Luftspalt erhöht werden.
Das Design des ferromagnetischen Kerns kann variieren. Am wichtigsten ist ein Flusskonzentrator, der sich in zwei Luftspalte mit zwei unterschiedlichen Magnetflüssen trennt. Der magnetische Fluss im ersten Luftspalt muss sich deutlich von dem magnetischen Fluss in zweiten Luftspalt unterscheiden
Gemäß einer Ausführungsform des Stromsensors ist der ferromagnetische Kern einstückig ausgebildet. Der ferromagnetische Kern hat eine Freisparung ausgebildet, beispielsweise im unteren Bereich, der auf den zweiten Luftspalt folgt. Dies bedeutet, dass der Abschnitt des ferromagnetischen Kerns, der auch einen Teil der Freisparung definiert, den zweiten Luftspalt umfasst. Entsprechend umschließt die Freisparung des ferromagnetischen Kerns die Stromschiene bis auf den zweiten Luftspalt. Der Vorteil des einstückigen ferromagnetischen Kerns ist, dass damit die Montage des Stromsensors erleichtert ist. Hinzu kommt, dass beim einstückigen ferromagnetischen Kern gegenüber dem Stand der Technik die Intensität der konzentrierten Flussdichte erhöht ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der ferromagnetische Kern des Stromsensors zweistückig ausgebildet. Der ferromagnetische Kern besteht aus einem ersten E-förmigen Kern und einem zweiten E-förmigen Kern, die derart zueinander angeordnet sind, dass der erste Luftspalt und der zweite Luftspalt festgelegt sind. Gemäß einer Ausführungsform weist der aus dem ersten E-förmigen Kern und dem zweiten E-förmigen Kern bestehende ferromagnetische Kern gegenüber dem zweiten Luftspalt ebenfalls eine Freisparung auf. Die Freisparung des ferromagnetischen Kerns dient zur Aufnahme der Stromschiene, wobei die Freisparung räumlich gegenüber dem zweiten Luftspalt einen Abstand ausbildet, der kleiner als eine Breite der Stromschiene ist.
Die zwei E-förmigen Kerne führen zwar zu einem geringeren Flusskonzentrationsverhältnis als beim einstückigen Kern, was zu einer geringeren Flussdichte innerhalb der beiden Luftspalte führt. Der Vorteil des derart gestalteten Stromsensors mit den zwei E-förmigen Kernen ist jedoch, dass man einen geringeren Hystereseeffekt sieht und die Kosten und das Gewicht des Stromsensors reduziert sind. Zusätzlich wird der Einbau des Stromsensors erleichtert. Ohne den geschlossenen Kern kann der Stromsensor auf der Stromschiene aufgesteckt und muss nicht mehr durch den Schlitz beziehungsweise die geschlossene Freisparung eingefädelt werden.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform besteht der ferromagnetische Kern aus einem ersten F-förmigen Kern und einem zweiten F-förmigen Kern, die derart zueinander angeordnet sind, dass der erste Luftspalt und der zweite Luftspalt definiert werden. Gemäß einer Ausführungsform weist der aus dem ersten F-förmigen Kern und dem zweiten F-förmigen Kern bestehende ferromagnetische Kern gegenüber dem zweiten Luftspalt ebenfalls eine Freisparung auf, die zur Aufnahme der Stromschiene dient. Die Freisparung des ferromagnetischen Kerns ist räumlich gegenüber dem zweiten Luftspalt vorgesehen und definiert einen Abstand, der größer als eine Breite der Stromschiene ist.
Ebenso resultiert mit den zwei F-förmigen Kernen ein geringeres Flusskonzentrationsverhältnis, was zu einem geringeren Magnetfeld innerhalb der beiden Luftspalte führt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung mit den zwei F-förmigen Kernen ist jedoch, dass ebenfalls ein geringerer Hystereseeffekt vorliegt. Hinzu kommt, dass Kosten und Gewicht des Stromsensors reduziert sind.
Ein weiterer Vorteil ist, da im unteren Bereich des ferromagnetischen Kerns kein horizontales Kernelement existent ist, dass der Stromsensor direkt an der Stromschiene befestigt werden kann. Die Stromschiene muss also nicht umständlich durch den Sensor eingeführt werden.
Unter dem Begriff Stromsensor ist ein Sensormodul zu verstehen, das ein Gehäuse, den ferromagnetischen Kern, mindestens einen Sensorchip etc. umfasst. Der magnetische Erfassungspunkt ist ein Sensorelement, das im Sensorchip eine magnetische Maßeinheit integriert hat.
Durch der ersten Luftspalt und den zweiten Luftspalt im ferromagnetischen Kern resultiert ein Stromsensor mit zwei Messbereichen. Ein magnetischer Erfassungspunkt (Messpunkt) dient für einen niedrigen Strombereich und ein anderer magnetischer Erfassungspunkt (Messpunkt) für einen hohen Strombereich. Beide Strombereiche können den Bereich der Ausgangsspannung von 0,5 bis 4,5 V voll ausnutzen. Die elektronische Verarbeitungslogik, welche beispielsweise auf der Platine des Stromsensors vorgesehen ist, muss während der Strommessung über einen hohen oder niedrigen Strombereich entscheiden. Die Kombination beider Ausgangssignale kann insgesamt eine höhere Genauigkeit ergeben.
Der ferromagnetische Kern ist in zwei Luftspalte aufgeteilt, die unterschiedliche Abstände aufweisen. Einer der magnetischen Erfassungspunkte befindet sich in der Nähe des ersten Luftspalts, und der andere magnetische Erfassungspunkt befindet sich in der Nähe des zweiten Luftspalts. Die genaue Position dieser magnetischen Erfassungspunkte kann abhängig von der Sensorchip-Technologie variieren. Die magnetischen Erfassungspunkte werden durch magnetische Sensorelemente bestimmt. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Sensorchip mit zwei magnetischen Erfassungspunkten (magnetischen Sensorelementen) oder zwei Sensorchips mit je einem magnetischen Erfassungspunkt (magnetischen Sensorelement) verwendet. Die Position der magnetischen Erfassungspunkte im ersten beziehungsweise zweiten Luftspalt hängt auch von den verwendeten Sensortypen ab. Die Sensorchip-Technologie kann beispielsweise auf den Hall-Effekt, dem Magnetwiderstand oder einer ähnlichen Technologie basieren.
Für den Fall der Verwendung von zwei Sensorchips ist es am wichtigsten, dass zwei identische Sensorchips mit unterschiedlichen programmierten Verstärkungsfaktoren verwendet werden.
Die magnetische Flussdichte im zweiten Luftspalt muss höher als die magnetische Flussdichte in ersten Luftspalt sein. Daher muss der zweite Luftspalt kürzer oder mindestens gleich dem ersten Luftspalt sein, da der magnetische Widerstand mit der Länge des Luftspalts abnimmt. Der horizontale Abstand zwischen den beiden Luftspalten hat Einfluss auf die Erfassungspunkte. Er muss größer als 4 mm sein, um sicherzustellen, dass die gemessenen Signale voneinander unterschieden werden können. Die Dicke der beiden Luftspalte muss hoch genug sein, um sicherzustellen, dass die Positionierung des Sensorchips beziehungsweise der magnetischen Erfassungspunkte innerhalb des jeweiligen Luftspalts in den erforderlichen Toleranzen enthalten ist. Der Querschnitt des ferromagnetischen Kerns im Bereich der beiden Luftspalte muss größer sein als der Sensorchip, der in die Luftspalte eingeführt wird. Innerhalb der beiden Luftspalte des ferromagnetischen Kerns können die Sensorchips beziehungsweise die magnetischen Erfassungspunkte innerhalb der Mitte der Luftspalte platziert werden. Die Platzierungen können jedoch je nach Anwendungsdesign variieren.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun die Erfindung und ihre Vorteile durch Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dadurch die Erfindung auf das gezeigte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stromsensors zur Messung des elektrischen Stroms in einer Stromschiene.
2 zeigt eine Seitenansicht des Stromsensors aus 1.
3 zeigt eine Frontansicht des inneren Aufbaus des Stromsensors ohne das schützende Gehäuse.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht des inneren Aufbaus des Stromsensors aus 3.
5 zeigt eine Seitenansicht des inneren Aufbaus des Stromsensors aus 3.
6 zeigt eine Darstellung der Abmessungen des Gehäuses für den Stromsensor.
7 zeigt eine Darstellung der Abmessungen des ferromagnetischen Kerns des Stromsensors zur Konzentration des magnetischen Flusses.
8 zeigt eine Darstellung der Abmessungen der Positionierung der Sensorchips im ferromagnetischen Kern des Stromsensors.
9 zeigt eine Darstellung des Ergebnisses der Simulation des Magnetfeldverteilung des Flusses im ferromagnetischen Kern.
10 zeigt die Geometrie des ferromagnetischen Kerns für die FEM Simulation.
11 zeigt die Flussdichte als Funktion des Abstands zu der Stromschiene bei 1000 A.
12 zeigt die Flussdichte als Funktion des Primärstroms bei einem maximalen Strom vom 1000 A.
13 zeigt eine mögliche Ausführungsform des inneren Aufbaus des Stromsensors.
14 zeigt ein weitere mögliche Ausführungsform des inneren Aufbaus des Stromsensors.
15 zeigt Ausgangsspannungen für jeden Messbereich als Funktion des Primärstroms.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stromsensors 1 zur Messung des elektrischen Stroms I_P in einer Stromschiene 4. Der elektrische Strom I_P verläuft in der hier gezeigten Darstellung in Z-Richtung Z. Der Stromsensor 1 umfasst ein Gehäuse 2, an dem eine Steckverbindung 3 für Ein- und Ausgänge des Stromsensors 1 angebracht ist. Die Steckverbindung 3 umfasst beispielsweise mehrere Pins 5. Die Position der Steckverbindung 3 und die Anzahl der Pins 5 kann je nach Anwendungsdesign des Stromsensors 1 variieren. Das Gehäuse 2 des Stromsensors 1 hat an beiden sich gegenüberliegenden Stirnseiten 7 jeweils eine Freisparung 6 (angedeutet durch die gestrichelte Linie) ausgebildet, durch die hindurch die Stromschiene 4 und somit durch das Gehäuse 2 verläuft. In der Stromschiene 4 fließt der zu messende elektrische Strom I_P. Die Form der Freisparung 6 des Gehäuses 2 entspricht im Wesentlichen der Querschnittsform 8 der Stromschiene 4.
2 zeigt eine Seitenansicht des Stromsensors 1 aus 1. Aus der Seitenansicht ist deutlich zu erkennen, dass die Stromschiene 4 sich durch das Gehäuse 2 hindurch erstreckt. Das Gehäuse 2 besitzt eine Tiefe T2, und die Stromschiene 4 besitzt eine Tiefe T4. Die Tiefe T4 der Stromschiene 4 ist größer als die Tiefe T2 des Gehäuses 2. Folglich greift die Stromschiene 4 durch die beiden gegenüberliegenden Stirnseiten 7 des Gehäuses 2 hindurch. Die Steckverbindung 3 mit den Pins 5 ist auf einer Oberseite 9O des Gehäuses 2 vorgesehen.
3 zeigt eine Frontansicht des inneren Aufbaus des Stromsensors 1, und 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des inneren Aufbaus des Stromsensors 1 ohne das schützende Gehäuse 2 gemäß einer Ausführungsform des Stromsensors 1. Der innere Aufbau des Stromsensors 1 umfasst einen ferromagnetischen Kern 10, der als Magnetflusskonzentrator wirkt, um die Flussdichte zu verbessern, die durch den durch die Stromschiene 4 fließenden Strom I_P erzeugt wird. Der ferromagnetische Kern 10 hat eine Freisparung 11 ausgebildet, durch die die Stromschiene 4 verläuft. Die Stromschiene 4 ist dabei gemäß der hier gezeigten Ausführungsform von der Freisparung 11 beabstandet. Ferner hat der ferromagnetische Kern 10 einen ersten Luftspalt 12 und einen zweiten Luftspalt 13 ausgebildet. In den ersten Luftspalt 12 und den zweiten Luftspalt 13 ragt jeweils ein Sensorchip 14. Wie aus der Darstellung der 4 zu entnehmen ist, sind die Sensorchips 14 derart auf einer Platine 15 angebracht, dass sich die beiden Sensorchips 14 bei der Positionierung der Platine 15 in Bezug auf den ferromagnetischen Kern 10 im ersten Luftspalt 12 beziehungsweise im zweiten Luftspalt 13 des ferromagnetischen Kerns 10 befinden. Die Platine 15 stützt sich auf der Stromschiene 4 ab. Ferner umfasst die Platine 15 die mehreren Pins 5, die einen Bestandteil der in 1 dargestellten Steckverbindung 3 auf der Oberseite 9O des Gehäuses 2 bilden, um eine elektrische Verbindung nach außerhalb des Gehäuses 2 bereitzustellen.
Wie der Darstellung der 3 zu entnehmen ist, ist um die Stromschiene 4 der ferromagnetische Kern 10 (beispielsweise Fe-Kern) angebracht, um den magnetischen Fluss zu konzentrieren. Der erste Luftspalt 12 besitzt eine Breite B12. Der zweite Luftspalt 13 besitzt eine Breite B13. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist die Breite B12 des ersten Luftspalts 12 größer als die Breite B13 des zweiten Luftspalts 13. Wie aus den 3 und 4 zu sehen ist, ist im ersten Luftspalt 12 und im zweiten Luftspalt der jeweilige Sensorchip 14 (magnetisches Sensorelement) angeordnet, um das Magnetfeld zu messen. Das zu messende Magnetfeld ist proportional zum elektrischen Strom I_P (Primärstrom) in der Stromschiene 4. Folglich misst der Sensorchip 14 im ersten Luftspalt 12 im niedrigen Strombereich, und der Sensorchip 14 im zweiten Luftspalt 13 misst einen hohen Strombereich. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass das Design des ferromagnetischen Kerns 10 variieren kann. Die in den 3 und 4 dargestellte Ausgestaltung des ferromagnetischen Kerns 10 dient lediglich der Beschreibung und soll nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Am wichtigsten ist, dass der ferromagnetische Kern 10 (Flusskonzentrator) mittels des ersten Luftspalts 12 und des zweiten Luftspalts 13 zwei unterschiedliche Magnetflüsse erzeugt, die sich deutlich voneinander unterscheiden.
Zur Messung des Magnetflusses ist der Sensorchip 14 derart im ersten Luftspalt 12 angeordnet, dass sich ein magnetischer Erfassungspunkt 16 des Sensorchips 14 im ersten Luftspalt 12 befindet. Der Erfassungspunkt 16 definiert die physikalische Position, an der der Sensorchip 14 oder die Sensorchips 14 platziert werden sollen. Ebenso befindet sich ein magnetischer Erfassungspunkt 16 des anderen Sensorchips 14 im zweiten Luftspalt 13. Die genaue Position dieser magnetischen Erfassungspunkte 16 kann abhängig von der Sensorchip-Technologie variieren. Als mögliche Ausgestaltungen sind an den Erfassungspunkten 16 ein Sensorchip 14 mit zwei magnetischen Sensorelementen oder mindestens zwei Sensorchips 14 zu verwenden. Die Sensorchip-Technologie kann beispielsweise auf dem Hall-Effekt, dem Magnetwiderstand oder ähnlichen Technologien basieren.
5 zeigt eine Seitenansicht gemäß einer Ausführungsform des inneren Aufbaus des Stromsensors 1 aus 3. Das übliche Gehäuse 2 des Stromsensors 1 ist gestrichelt dargestellt, um den inneren Aufbau des Stromsensors 1 zu verdeutlichen. Die Stromschiene 4 greift durch die Freisparung 11 des ferromagnetischen Kerns 10 hindurch. Die Platine 15 ist mit entsprechenden Pins 17 mit dem einen Sensorchip 14 oder den zwei Sensorchips 14 verbunden. Der eine Sensorchip 14 mit den zwei magnetischen Erfassungspunkten 16 (siehe 3) oder die zwei Sensorchips 14 mit je einem Erfassungspunkt 16 sind im ferromagnetischen Kern 10 positioniert. Die Platine 15 sitzt auf der Stromschiene 4 auf und ist vom ferromagnetischen Kern 10 unter einem Abstand 18 angeordnet. Die Platine 15 umfasst ferner die Pins 5 für die elektrische
Verbindung nach außerhalb des Gehäuses 2. Die Platine 15 mit gegebenenfalls zusätzlichen elektrischen Komponenten (nicht dargestellt) ist für die elektronische Signalverarbeitung nach der Signalausgabe des beziehungsweise der Sensorchips 14 verantwortlich.
6 zeigt die Abmessungen der Stromschiene 4 und des Gehäuses 2 des Stromsensors 1 gemäß einer Ausführungsform. Da die Stromschiene 4 durch die Freisparung 6 (Schlitz) in das Gehäuse 2 eingeführt werden muss, muss die Freisparung 6 des Gehäuses 2 größer als die Stromschiene 4 sein. Die Freisparung 6 des Gehäuses 2 besitzt eine Breite B6 und eine Höhe H6. Die Stromschiene 4 besitzt eine Breite B4 und eine Höhe H4. Wie aus der 6 zu erkennen ist, ist die Breite B4 und die Höhe H4 der Stromschiene 4 jeweils kleiner als die Breite B6 und die Höhe H6 der Freisparung 6 des Gehäuses 2. Die Oberseite 9O und die Unterseite 9U des Gehäuses 2 sind voneinander durch die Höhe H2 beabstandet. Die erste Seitenwand 2₁ und die zweite Seitenwand 2₂ des Gehäuses 2 sind voneinander durch die Breite B2 beabstandet. Die in das Gehäuse 2 eingesetzte Stromschiene 4 ist von der ersten Seitenwand 2₁ durch den Abstand A2₁ und von der zweiten Seitenwand 2₂ durch den Abstand A2₂ beabstandet. Ferner ist die Stromschiene 4 von der Oberseite 9O des Gehäuses 2 durch den Abstand A9O und von der Unterseite 9U des Gehäuses 2 durch den Abstand A9U beabstandet.
7 zeigt eine Darstellung der Abmessungen des ferromagnetischen Kerns 10 des Stromsensors 1 zur Konzentration des magnetischen Flusses gemäß einer Ausführungsform. Der ferromagnetische Kern 10 besitzt eine Höhe H10, eine Breite B10 und eine Tiefe T10. Die Höhe H10, die Breite B10 und die Tiefe T10 des ferromagnetischen Kerns 10 sind jeweils kleiner als die Höhe H2, die Breite B2 und die Tiefe T2 des Gehäuses 2 (nicht dargestellt in 7). Die Stromschiene 4 erstreckt sich mit einem Abstand A durch den ferromagnetischen Kern 10. Der erste Luftspalt 12 besitzt eine Breite B12 und der zweite Luftspalt 13 besitzt eine Breite B13. Die Breite B12 des ersten Luftspalts 12 ist größer als die Breite B13 des zweiten Luftspalts 13.
Die Flussdichte bei jedem der magnetischen Erfassungspunkte 16 (siehe 3) ist abhängig von der Breite B12 des ersten Luftspalts 12 beziehungsweise der Breite B13 des zweiten Luftspalts 13. In Anbetracht dessen kann im ersten Luftspalt 12 ein niedriger Strombereich und im zweiten Luftspalt 13 ein hoher Strombereich gemessen werden. Die Flussdichte im ersten Luftspalt 12 muss niedriger als die Flussdichte im zweiten Luftspalt 13 sein. Daher muss der erste Luftspalt 12 breiter oder mindestens gleich der Breite B13 des zweiten Luftspalts 13 sein, da der magnetische Widerstand mit der Breite des Luftspalts abnimmt.
8 zeigt eine Darstellung der Abmessungen der Positionierung der Sensorchips 14 im ferromagnetischen Kern 10 des Stromsensors 1 gemäß einer Ausführungsform. Im ersten Luftspalt 12 hat der dort positionierte Sensorchip 14 jeweils einen beidseitigen Abstand A12 zum ferromagnetischen Kern 10. Im zweiten Luftspalt 13 hat der dort positionierte Sensorchip 14 jeweils einen beidseitigen Abstand A13 zum ferromagnetischen Kern 10. Die Sensorchips 14 sollten bevorzugt in der Mitte des ersten Luftspalts 12 beziehungsweise des zweiten Luftspalts 13 platziert werden. Die Platzierung der Sensorchips 14 kann jedoch je nach Anwendungsdesign von der Mittenplatzierung abweichen.
Der horizontale Abstand A12 beziehungsweise A13 zwischen dem ersten Luftspalt 12 beziehungsweise dem zweiten Luftspalt 13 und dem beziehungsweise den jeweils dort positionierten Sensorchip(s) 14 hat Einfluss auf die Erfassungspunkte 16 (siehe 3). Der horizontale Abstand A12 beziehungsweise A13 muss größer als 4 mm sein, um sicherzustellen, dass die gemessenen Signale voneinander unterschieden werden können. Die Höhe H12 des ersten Luftspalts 12 beziehungsweise die Höhe H13 des zweiten Luftspalts 13 (siehe 7) des ferromagnetischen Kerns 10 muss hoch genug sein, um sicherzustellen, dass die Positionierung der Sensorchips 14 innerhalb der Luftspalte 12 beziehungsweise 13 in den erforderlichen Toleranzen möglich ist. Die Tiefe T10 des ferromagnetischen Kerns 10 muss größer als eine Bautiefe (nicht dargestellt) des Sensorchips 14 sein.
9 zeigt eine Darstellung des Ergebnisses der 2D-FEM Simulation des Flusses im ferromagnetischen Kern 10. Bei dieser Simulation des Stromsensors (hier nicht dargestellt) wird ein elektrischer Strom I_P (Primärstrom) von 1000 A angenommen. In dieser Simulation ist die Länge des zweiten Luftspalts 13 zweimal kürzer als die des ersten Luftspalts 12. Die Flussdichte im ersten Luftspalt 12 und im zweiten Luftspalt 13 ist homogen. Die Flussdichte in zweiten Luftspalt 13 ist höher als die Flussdichte im ersten Luftspalt 12. Insbesondere ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel des ferromagnetischen Kerns 10 die Flussdichte im zweiten Luftspalt 13 zweimal höher als im ersten Luftspalt 12.
10 zeigt die Geometrie des ferromagnetischen Kerns 10 für die FEM Simulation gemäß einer Ausführungsform. Die magnetischen Erfassungspunkte 16 sind in der Mitte des ersten Luftspalts 12 beziehungsweise des zweiten Luftspalts 13 angeordnet. Der erste Luftspalt 12 besitzt eine Höhe H12. Der zweite Luftspalt 13 besitzt eine Höhe H13. Weiterhin ist auch der Abstand A₁₂-₁₃ zwischen den beiden Luftspalten 12 und 13 dargestellt. Die vorgenannten Parameter haben Einfluss auf die Positioniertoleranz (messbare Positionen) der Sensorchips 14 innerhalb der Luftspalte 12 beziehungsweise 13. Der Pfeil P zeigt die Richtung der Y-Richtung Y und zwar von der Ursprungsposition (Stromschiene 4) bis zu den Grenzen des ferromagnetischen Kerns 10. Der Pfeil P steht für die Entfernung zur Stromschiene 4.
11 zeigt die Flussdichte (Tesla) als Funktion des Abstands (mm) zu der Stromschiene 4 (gekennzeichnet durch den Pfeil P). Durch die Stromschiene 4 fließt einen konstanter Primärstrom I_P von 1000 A. Die Flussdichte für den Erfassungspunkt 16 im zweiten Luftspalt 13 mit der Höhe H13 ist zweimal größer als die Flussdichte für den Erfassungspunkt 16 im ersten Luftspalt 12 mit der Höhe H12. Innerhalb der Luftspalte 12 und 13 ist die Flussdichte homogen. Große Höhen H12 beziehungsweise H13 der Luftspalt 12 bzw 13 und ein größerer horizontaler Abstand A₁₂-₁₃ können ein stabiles Sensorsignal liefern.
12 zeigt die Flussdichte als Funktion des Primärstroms I_P bis zu einem maximalen Strom vom 1000 A. Die Flussdichte (Tesla) ist als Funktion des Primärstroms (Ampere) dargestellt. Die Flussdichte wird an den Erfassungspunkten 16 im ersten Luftspalt 12 beziehungsweise im zweiten Luftspalt 13 gemessen beziehungsweise simuliert (siehe 10).
Bei der dieser Simulation ist der zweite Luftspalt 13 zweimal kürzer als der erste Luftspalt 12. Infolgedessen ist die Flussdichte im zweiten Luftspalt 13 doppelt so hoch wie die Flussdichte im ersten Luftspalt 12.
Wenn der zweite Luftspalt 13 xmal kürzer als der erste Luftspalt 12 ist, ist die Flussdichte im zweiten Luftspalt 13 im Allgemeinen x-mal höher als die Flussdichte im ersten Luftspalt 12.
Wie aus der 12 zu entnehmen ist, ist die Beziehung zwischen dem Primärstrom Ip und der Flussdichte nahezu linear und weist nur geringe Hysteresefehler auf. Die beiden Kurven haben die gleiche Form, aber eine unterschiedliche Verstärkung beziehungsweise Empfindlichkeit: Die Empfindlichkeit am Erfassungspunkt 16 im zweiten Luftspalt 13 ist etwa doppelt so hoch wie die am Erfassungspunkt 16 im ersten Luftspalt 12. Auf der einen Seite führt dies zu einer besseren Empfindlichkeit für den niedrigen Strombereich im Vergleich zum hohen Strom-Bereich. Andererseits könnte aufgrund der höheren Empfindlichkeit der Erfassungspunkt 16 im zweiten Luftspalt 13 für den niedrigen Strombereich früher in der Sättigung sein, wenn der niedrige Strombereich überschritten wird. Die elektronische Signalverarbeitung des Stromsensors sollte die Sättigung erfassen und auf den Sensorchip 14 im ersten Luftspalt 12 umschalten, um den Hochstrombereich zu messen.
13 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Aufbaus des ferromagnetischen Kerns 10, der im Gehäuse 2 (hier nicht dargestellt) des Stromsensors 1 angeordnet ist. Der ferromagnetische Kern 10 besteht aus einem ersten E-förmigen Kern 10_1E und einem zweiten E-förmigen Kern 10_2E. Der erste E-förmige Kern 10_1E und der zweite E-förmige Kern 10_2E sind derart zueinander angeordnet, dass der erste Luftspalt 12 beziehungsweise der zweite Luftspalt 13 gebildet werden. Ebenso wird eine Freisparung 11 des ferromagnetischen Kerns 10 gebildet, die die Stromschiene 4 aufnimmt. Die Freisparung 11 definiert gegenüber dem zweiten Luftspalt 13 einen Abstand A11, der kleiner ist als die Breite B4 (siehe auch 6) der Stromschiene 4.
Diese Gestaltung des ferromagnetischen Kerns 10 bietet ein geringeres Flusskonzentrationsverhältnis als der gesamte ferromagnetische Kern 10, wie in den 3 und 4 dargestellt. Dieses hier beschriebene Ausführungsbeispiel führt folglich zu einer geringeren Flussdichte innerhalb des ersten Luftspalts 12 beziehungsweise des zweiten Luftspalts 13. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist ein geringerer Hystereseeffekt und eine Reduzierung von Kosten und Gewicht.
14 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform des inneren Aufbaus des Stromsensors 1. Diese Ausführungsform des ferromagnetischen Kerns 10 umfasst einen ersten F-förmigen Kern 10_1F und einen zweiten F-förmigen Kern 10_2F. Der erste F-förmige Kern 10_1F und der zweite F-förmige Kern 10_2F sind derart zueinander angeordnet, dass der erste Luftspalt 12 beziehungsweise der zweite Luftspalt 13 gebildet werden. Ebenso wird eine Freisparung 11 des ferromagnetischen Kerns 10 gebildet, die die Stromschiene 4 aufnimmt. Die Freisparung 11 definiert gegenüber dem zweiten Luftspalt 13 einen Abstand A11, der größer ist als die Breite B4 (siehe 6 oder 13) der Stromschiene 4.
Aus dem ersten F-förmigen Kern 10_1F und dem zweiten F-förmigen Kern 10_2F resultiert somit ebenfalls, wie bereits in der Beschreibung zu 13 erwähnt, gegenüber dem ferromagnetischen Kern 10 der 3 und 4 ein geringeres Flusskonzentrationsverhältnis. Die gegenwärtige Ausführungsform führt zu einem geringeren Magnetfeld innerhalb des ersten Luftspalts 12 beziehungsweise des zweiten Luftspalts 13. Der Sensorchip 14 beziehungsweise die Sensorchips 14 mit den magnetischen Erfassungspunkten 16 zur Registrierung des Magnetfelds müssen empfindlicher sein. Wie bereits in der Beschreibung zu 13 erwähnt, hat diese Ausführungsform einen geringeren Hystereseeffekt. Ferner sind die Kosten und das Gewicht reduziert. Da der erste F-förmige Kern 10_1F und der zweite F-förmige Kern 10_2F kein horizontales Kernelement besitzen, ist es außerdem möglich, den Stromsensor 1 direkt an der Stromschiene 4 zu befestigen. Die Stromschiene 4 braucht somit nicht mehr umständlich durch den Stromsensor 1 geführt werden, was die Montage erleichtert.
15 zeigt Ausgangsspannungen für jeden Messbereich als Funktion des Primärstroms I_P. Es werden die Ausgangsspannungen Vout für jeden Messbereich (der als der gleiche Bereich V_out = 0,5, ..., 4,5 V angesehen wird) als Funktion des Primärstroms I_P dargestellt. Die beiden Sensorchips 14 sind vom gleichen Typ, jedoch mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren. Der Verstärkungsfaktor zwischen den beiden Sensorchips 14 ist positiv. Dieser Verstärkungsfaktor ist nach den gewünschten Messbereichen, aber auch nach dem Faktor, der das Breitenverhältnis zwischen dem zweiten Luftspalt 13 und dem ersten Luftspalt 12 darstellt, zu wählen. Da die Ausgangsspannungsbereiche gleich sind, müssen auch die maximalen Ausgangsspannungen gleich sein. Wenn man mit dem Sensorchip 14 im ersten Luftspalt 12 Ströme bis zu einem Strom I_Pmax messen kann, kann man mit dem Sensorchip 14 im zweiten Luftspalt 13 Ströme bis zu einem Strom I_Pmax / x messen. x steht dabei für das Breitenverhältnis zwischen dem ersten Luftspalt 12 und dem zweiten Luftspalt 13. Die Sensorchips 14 sind vom gleichem Typ. Dies bedeutet, dass der gesamte Full-Scale-Fehler gleich sein sollte. Da die Empfindlichkeit jedoch unterschiedlich ist, wird die Genauigkeit der Messung im zweiten Luftspalt 13 erhöht. Die Erhöhung der Genauigkeit ist daher proportional zum Breitenverhältnis zwischen dem zweiten Luftspalt 13 und dem ersten Luftspalt 12.
Es wird angenommen, dass die vorliegende Offenbarung und viele der darin erwähnten Vorteile durch die vorhergehende Beschreibung verständlich werden. Es ist offensichtlich, dass verschiedene Änderungen in Form, Konstruktion und Anordnung der Bauteile durchgeführt werden können, ohne von dem offenbarten Gegenstand abzuweichen. Die beschriebene Form ist lediglich erklärend, und es ist die Absicht der beigefügten Ansprüche, solche Änderungen zu umfassen und einzuschließen. Dementsprechend sollte der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.
Bezugszeichenliste

1: Stromsensor
2: Gehäuse
21: Erste Seitenwand
22: Zweite Seitenwand
3: Steckverbindung
4: Stromschiene
5: Pin
6: Freisparung der Stirnseiten des Gehäuses
7: Stirnseite
8: Querschnittsform
9O: Oberseite
9U: Unterseite
10: Ferromagnetischer Kern
101E: Erster E-förmiger Kern
102E: Zweiter E-förmiger Kern
101F: Erster F-förmiger Kern
102F: Zweiter F-förmiger Kern
11: Freisparung des ferromagnetischen Kerns
12: Erster Luftspalt
13: Zweiter Luftspalt
14: Sensorchip
15: Platine
16: Magnetischer Erfassungspunkt
17: Pin
18: Abstand
A: Abstand
A21: Abstand
A22: Abstand
A9O: Abstand
A9U: Abstand
A11: Abstand
A12: Abstand
A13: Abstand
A12-13: Abstand
B2: Breite
B4: Breite
B6: Breite
B10: Breite
B12: Breite
B13: Breite
H2: Höhe
H4: Höhe
H6: Höhe
H10: Höhe
H12: Höhe
H13: Höhe
IP: Elektrischer Strom
P: Pfeil
T2: Tiefe
T4: Tiefe
T10: Tiefe
X: X-Richtung
Y: Y-Richtung
Z: Z-Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2016/006410 A1 [0002]
WO 2016/148022 A1 [0003]
WO 2008/107773 A1 [0004]

Claims

Ein Stromsensor (1) zur Messung eines elektrischen Stroms einer Stromschiene (4) umfasst: einen ferromagnetischen Kern (10), der einen ersten Luftspalt (12) und einen zweiten Luftspalt (13) ausgebildet hat, wobei die Stromschiene (4) durch den ferromagnetischen Kern (10) führt; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Luftspalt (12) eine Breite (B12) und der zweite Luftspalt (13) eine Breite (B13) aufweist, wobei die Breite (B12) größer als die Breite (B13) ist; dass eine Platine (15), die einen einzigen Sensorchip (14) oder zwei räumlich getrennte Sensorchips (14) trägt, den Sensorchip (14) beziehungsweise die Sensorchips (14) in Bezug auf den ersten Luftspalt (12) und den zweiten Luftspalt (13) positioniert; dass der einzige Sensorchip (14) zwei räumlich getrennte magnetische Erfassungspunkte (16) oder die zwei Sensorchips (14) je einen magnetischen Erfassungspunkt (16) aufweisen und die magnetischen Erfassungspunkte (16) im ersten Luftspalt (12) und im zweiten Luftspalt (13) angeordnet sind.
Stromsensor (1) nach Anspruch 1, wobei der Stromsensor (1) ein Gehäuse (2) aufweist, das zwei gegenüberliegende Stirnseiten (7) besitzt, die den ferromagnetischen Kern (10) und die Platine (15) aufnehmen.
Stromsensor (1) nach Anspruch 2, wobei die gegenüberliegenden Stirnseiten (7) jeweils eine Freisparung (6) ausgebildet haben, durch die hindurch die Stromschiene (4) verläuft.
Stromsensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Breite (B12) des ersten Luftspalts (12) doppelt so groß wie die Breite (B13) des zweiten Luftspalts (13) ist.
Stromsensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die räumlich getrennten Sensorchips (14) vom gleichen Typ sind und den gleichen Bereich für eine Ausgangsspannung besitzen.
Stromsensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der ferromagnetische Kern (10) einstückig ist und eine Freisparung (11) ausgebildet hat, die die Stromschiene (4), bis auf den zweiten Luftspalt (13), umschließt.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der ferromagnetische Kern (10) zweistückig ist und aus einem ersten E-förmigen Kern (10_1E) und einem zweiten E-förmigen Kern (10_2E) besteht, die derart zueinander angeordnet sind, dass der erste Luftspalt (12) und der zweite Luftspalt (13) festgelegt sind.
Stromsensor (1) nach Anspruch 7, wobei der aus dem ersten E-förmigen Kern (10_1E) und dem zweiten E-förmigen Kern (10_2E) bestehende ferromagnetische Kern (10) gegenüber dem zweiten Luftspalt (13) eine Freisparung (11) zur Aufnahme der Stromschiene (4) definiert, wobei die Freisparung (11) gegenüber dem zweiten Luftspalt (13) einen Abstand (A11) ausbildet, der kleiner als eine Breite (B4) der Stromschiene (4) ist.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der ferromagnetische Kern (10) zweistückig ist und aus einem ersten F-förmigen Kern (10_1F) und einem zweiten F-förmigen Kern (10_2F) besteht, die derart zueinander angeordnet sind, dass der erste Luftspalt (12) und der zweite Luftspalt (13) festgelegt sind.
Stromsensor (1) nach Anspruch 9, wobei der aus dem ersten F-förmigen Kern (10_1F) und dem zweiten F-förmigen Kern (10_2F) bestehende ferromagnetische Kern (10) gegenüber dem zweiten Luftspalt (13) eine Freisparung (11) zur Aufnahme der Stromschiene (4) definiert, wobei die Freisparung (11) gegenüber dem zweiten Luftspalt (13) einen Abstand (A11) ausbildet, der größer als eine Breite (B4) der Stromschiene (4) ist.