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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung sowie ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Sensoranordnung zum kontaktfreien Messen eines Phasenstroms zwischen einem Umrichter und einem Elektromotor.
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Stand der Technik
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Zwischen Umrichter und Elektromotor wird der Phasenstrom kontaktfrei gemessen. Die Bestimmung vorteilhafter Leitergeometrien ist von hoher Bedeutung und daher Objekt jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung. Die Herausforderung besteht darin, eine Leiterführung bereitzustellen, welche sowohl die Beeinflussung des geführten Stroms durch den Skin-Effekt sowie den Proximity-Effekt reduziert und somit die Messung hoher Frequenzen ermöglicht als auch die Beeinflussung ausgehend von benachbarten Leitungen signifikant unterdrückt.
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Verschiedene Leitergeometrien mit Löchern, Einschneidungen, willkürlicher Leiterführung sowie Maßnahmen zur Abschirmung sind bekannt.
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Aus der
CN 102016606 A ist eine elektronische Schaltung zum Erfassen eines Stroms bekannt. Eine Leiterplatte umfasst einander gegenüberliegende Hauptflächen und einen Stromleiter zum Führen des Stroms. Der Stromleiter enthält eine Leiterbahn, die auf der Leiterplatte angeordnet ist.
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Die
US 8395382 B2 betrifft nichtlineare Sensoren, z.B. solche, die eine im Wesentlichen lineare Beziehung zwischen dem Sensorsignal und dem Logarithmus der vom Sensor gemessenen Eigenschaft aufweisen.
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Die
US 10161971 B2 betrifft einen Stromsensor, der den Wert eines Stroms misst, indem er ein Magnetfeld erfasst, das durch den Strom entsteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung sowie ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Sensoranordnung mit einem planaren elektrischen Leiter und einer Magnetfeldsensoreinrichtung. Der planare elektrische Leiter erstreckt sich entlang einer ersten Richtung von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite. Durch den elektrischen Leiter fließt ein Strom, welcher gemessen werden soll. Der elektrische Leiter weist in einem eingangsseitigen Abschnitt eine Verjüngung des Querschnitts des Leiters in einer zweiten Richtung zur Mitte des Leiters hin auf. Die zweite Richtung liegt hierbei in einer Ebene des Leiters und ist zur ersten Richtung im Wesentlichen senkrecht, d.h. quer zur ersten Richtung. Der Leiter weist in einem mittleren Abschnitt eine Ausstanzung auf. Die Magnetfeldsensoreinrichtung weist mindestens ein im Bereich der Ausstanzung angeordnetes Messelement auf. Die Magnetfeldsensoreinrichtung berechnet anhand von Messsignalen des mindestens einen Messelements eine Komponente des Stroms entlang der ersten Richtung.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Messen eines Stroms, wobei der Strom durch einen planaren elektrischen Leiter fließt. Der Leiter erstreckt sich entlang einer ersten Richtung von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite, wobei der elektrische Leiter in einem eingangsseitigen Abschnitt eine Verjüngung des Querschnitts des Leiters in einer zweiten Richtung zur Mitte des Leiters hin aufweist. Die zweite Richtung liegt in einer Ebene des Leiters und ist zur ersten Richtung im Wesentlichen senkrecht, wobei der Leiter in einem mittleren Abschnitt eine Ausstanzung aufweist.
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Messsignale werden durch mindestens ein im Bereich der Ausstanzung angeordnetes Messelement erzeugt. Eine Komponente des Stroms entlang der ersten Richtung wird anhand der erzeugten Messsignale berechnet.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ermöglicht eine kontaktfreie Phasenstrommessung bei minimalem Bauraumbedarf, wobei die Bandbreite hinsichtlich der Frequenz des durch den planaren elektrischen Leiter fließenden Stroms signifikant erhöht werden kann. Die Messelemente der Magnetfeldsensoreinrichtung sind hierbei über einem mit einer Ausstanzung und mindestens einer Verjüngung versehenen planaren elektrischen Leiter angeordnet. Der Einsatz von Ferritringen oder Schirmblechen zur Feldschirmung und Feldformung ist nicht notwendig, sodass ein besonders geringer Bauraumbedarf ermöglicht wird.
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Zum geringen Bauraumbedarf trägt bei, dass insbesondere der Platzbedarf in Stromflussrichtung, d. h. entlang der ersten Richtung, gering ausfällt. Modifikationen der Geometrie des Leiters, d. h. die Verjüngungen und Ausstanzungen verlaufen im Wesentlichen entlang der zweiten Richtung.
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Die Zunahme des elektrischen Widerstands aufgrund der zusätzlichen Strukturen ist durch die Größe und Form der Strukturen, d. h. insbesondere die Kantenabschnitte der Verjüngungen, einstellbar.
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Die Sensoranordnung ist weitestgehend unempfindlich gegenüber Übersprechen, ermöglicht eine hohe Messbandbreite bei kleiner elektrischer Verlustleistung und erlaubt bei entsprechender Sensorverschaltung und Sensorplatzierung eine Störfeldimmunität gegenüber sowohl homogenen als auch gradientenbehafteten externen Störfeldern.
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Indem das mindestens eine Messelement entlang einer zu dem planaren elektrischen Leiter senkrechten dritten Richtung, welche zur ersten Richtung und zweiten Richtung im Wesentlichen senkrecht steht, versetzt oberhalb der Ausstanzung angeordnet ist, treten direkt unterhalb des mindestens einen Messelements keine Wirbelströme auf, da kein leitfähiges Material vorhanden ist. Der Einfluss von benachbarten Leitern, welche induktiv auf den Leiter einwirken, kann dadurch reduziert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensoranordnung sind die relative Lage und die Form der Verjüngung und der Ausstanzung derart gewählt, dass sich ein Bereich höchster Stromdichte von einem in Querschnittsrichtung äußeren Bereich des Leiters bei der Verjüngung zu einem in Querschnittsrichtung inneren Bereich des Leiters bei der Ausstanzung erstreckt. Der Ausdruck „relative Lage und Form der Verjüngung und der Ausstanzung“ kann insbesondere den Abstand der Verjüngung zur Ausstanzung umfassen. Zusätzlich oder alternativ können auch die Dicke, Breite und/oder Höhe des Leiters derart angepasst werden, dass sich ein Bereich höchster Stromdichte von einem in Querschnittsrichtung äußeren Bereich des Leiters bei der Verjüngung zu einem in Querschnittsrichtung inneren Bereich des Leiters bei der Ausstanzung erstreckt.
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Vorteilhafterweise kann die Ausgestaltung des planaren elektrischen Leiters derart gewählt werden, dass 3-db-Bandbreiten größer als 100 kHz erreicht werden, welche es ermöglichen, Regelalgorithmen zu bedienen, welche Oberwellen im Motorstrom regeln.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensoranordnung weist der elektrische Leiter in einem ausgangsseitigen Abschnitt eine weitere Verjüngung des Querschnitts des Leiters zur Mitte des Leiters hin auf.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensoranordnung umfasst das mindestens eine Messelement der Magnetfeldsensoreinrichtung mindestens eine Wheatstone-Vollbrücke, welche aus magnetfeldsensitiven Widerständen besteht, z.B. Tunnelmagnetwiderständen (TMR). Durch Messen von Widerstandsänderungen können das Magnetfeld und dadurch der Strom bestimmt werden.
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Die Vollbrücke kann derart aufgebaut werden, dass zwei magnetfeldsensitive Widerstände in jeweils einem entgegengesetzten Feldbereich liegen und zusätzlich paarweise über umgekehrte Sensitivität verfügen. Hierdurch wird eine Streufeldimmunität gegenüber homogenen Magnetfeldern erreicht und das Ausgangssignal verdoppelt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensoranordnung umfassen die Messelemente der Magnetfeldsensoreinrichtung zwei Wheatstone-Vollbrücken, deren Positionen in der ersten Richtung gleich sind und sich in der zweiten Richtung voneinander unterscheiden. Dadurch können gradientenbehaftete Störfelder entlang der zweiten Richtung kompensiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensoranordnung umfassen die Messelemente der Magnetfeldsensoreinrichtung zwei Wheatstone-Vollbrücken, deren Positionen in der zweiten Richtung gleich sind und sich in der ersten Richtung voneinander unterscheiden. Dadurch können gradientenbehaftete Störfelder entlang der ersten Richtung kompensiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensoranordnung umfasst die Magnetfeldsensoreinrichtung vier Messelemente. Indem der Strom die Ausstanzung umfließt, entsteht ein Magnetfeld mit einem hohen Quadrupol-Anteil in Stromflussrichtung. Eine Kompensation von gradientenbehafteten externen Störfeldern ist dadurch mittels vier Messelementen möglich. Bevorzugt sind die vier Messelemente Wheatstone-Vollbrücken.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensoranordnung ist die Magnetfeldsensoreinrichtung dazu ausgebildet, beim Berechnen der Komponente des Stroms entlang der ersten Richtung anhand eines Vergleichs der Messsignale der Wheatstone-Vollbrücken einen Einfluss gradientenbehafteter magnetischer Störfelder zu eliminieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Sensoranordnung ein Leitelement zum Leiten elektromagnetischer Felder auf, welches im Bereich der Ausstanzung und in einer zur ersten Richtung und zweiten Richtung senkrechten dritten Richtung versetzt angeordnet ist, wobei das Leitelement eine Vielzahl ferromagnetischer Strukturen umfasst, welche sich entlang der zweiten Richtung erstrecken und entlang der ersten Richtung voneinander beabstandet sind. Bei hohen elektrischen Strömen erreicht die Hauptkomponente, welche senkrecht zu der zu messenden Magnetfeldkomponente entlang der zweiten Richtung, d. h. senkrecht zur Stromflussrichtung verläuft, hohe Amplituden. Durch Anordnen des Leitelements über und/oder unterhalb der Sensorelemente können diese das Feld in Richtung der Hauptfeldkomponente gut leiten, aufgrund der Unterbrechungen jedoch nicht in der Messrichtung, d. h. der ersten Richtung. Das Verhältnis der Magnetfeldstärke in Hauptfeldrichtung zur Magnetfeldstärke in Messrichtung kann dadurch reduziert werden. Die Messung des Magnetfelds entlang der Messrichtung wird dadurch vereinfacht. Das Leitelement kann insbesondere laminierte Streifen aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Sensoranordnung kann das Leitelement in einem Abscheideverfahren direkt über den Messeelementen abgeschieden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensoranordnung kann die Umleitung der Hauptfeldkomponente entlang der ersten Richtung mithilfe eines laminierten Blechpaketes erfolgen, welches den planaren elektrischen Leiter vollständig oder teilweise umschließt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensoranordnung weist der Leiter im Bereich der Verjüngung des Querschnitts des Leiters abgerundete Kanten auf.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Schrägansicht eines planaren elektrischen Leiters zur Verwendung in einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Schrägansicht eines planaren elektrischen Leiters mit einem Leitelement zur Verwendung in einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 schematische Draufsichten auf einen Stromdurchfluss durch einen planaren elektrischen Leiter zur Verwendung in einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei einer ersten Frequenz des Stroms bzw. bei einer zweiten Frequenz des Stroms;
- 4 eine schematische Draufsicht auf eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Messen eines Stroms gemäß einer Ausdrucksform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine schematische Schrägansicht eines planaren elektrischen Leiters 2 zur Verwendung in einer Sensoranordnung. Eine erste Richtung x entspricht der Stromflussrichtung durch den planaren elektrischen Leiter 2 von einer Eingangsseite 11 zu einer Ausgangsseite 12. Senkrecht dazu in der Leiterebene erstreckt sich eine zweite Richtung y. Senkrecht auf der Leiterebene steht die dritte Richtung z.
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Der planare elektrische Leiter 2 weist an drei Stellen einen reduzierten Leiterquerschnitt auf. Hierbei weist der planare elektrische Leiter 2 in einem mittleren Abschnitt eine Ausstanzung 4 auf. Weiter weist der planaren elektrischen Leiter 2 in einem eingangsseitigen Abschnitt eine erste Verjüngung 3 des Querschnitts des Leiters 2 sowie in einem ausgangsseitigen Abschnitt eine weitere Verjüngung 5 des Querschnitts des Leiters 2 zur Mitte des Leiters 2 hin auf.
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Vorzugsweise sind die Verjüngungen 3, 5 jeweils achsensymmetrisch zu einer zentral entlang der ersten Richtung X durch den Leiter 2 verlaufenden ersten Achse A1. Der Durchschnitt des Leiters 2 verjüngt sich somit jeweils vom Rand her zur Mitte des Leiters 2 hin.
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Weiter sind vorzugsweise auch die Verjüngungen 3 und 5 zueinander symmetrisch relativ zu der Ausstanzung 4 angeordnet. Der planare elektrische Leiter 2 ist somit vorzugsweise achsensymmetrisch zu einer durch die Ausstanzung 4 entlang der zweiten Richtung y verlaufenden zweiten Achse A2.
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Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann der Leiter 2 auch zumindest hinsichtlich einer der Achsen A1, A2 eine asymmetrische Form aufweisen.
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Die Ausstanzung 4 kann kreisförmig oder im wesentlichen ovalförmig ausgestaltet sein.
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Insbesondere bei einer geringeren Anforderung an die Meßbandbreite kann auf die ausgangsseitige Verjüngung 5 verzichtet werden, wodurch der erforderliche Bauraum zusätzlich reduziert werden kann.
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Der planare elektrische Leiter 2 kann beispielweise eine Geometrie mit einer Breite von 5 Millimetern, einer Höhe von 0,5 Millimetern und einer Länge von 8 Millimetern aufweisen. Vorzugsweise sind die Kanten im Bereich der Aussparungen 3, 5 sowie der Ausstanzung 4 abgerundet.
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2 zeigt eine schematische Schrägansicht eines planaren elektrischen Leiters 2 mit einem Leitelement 13 zur Verwendung in einer Sensoranordnung. Das Leitelement 13 ist als Stanzgitter ausgestaltet und erstreckt sich zumindest oberhalb der Ausstanzung 4 und ist in der dritten Richtung z versetzt zu dem planaren elektrischen Leiter 2 angeordnet. Das Leitelement 13 umfasst eine Vielzahl von ferromagnetische Strukturen, d. h. etwa laminierten Streifen, welche sich entlang der zweiten Richtung y erstrecken und entlang der ersten Richtung x voneinander beabstandet sind. Das Leitelement 13 ist dadurch entlang der ersten Richtung x unterbrochen.
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3 zeigt schematische Draufsichten auf einen Stromdurchfluss durch einen planaren elektrischen Leiter 2 zur Verwendung in einer Sensoranordnung. Auf der linken Seite ist der Stromfluss für eine Frequenz von 1 kHz gezeigt und auf der rechten Seite für eine Frequenz von 100 kHz.
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Wie zu sehen ist, kann durch geeignete Wahl der relativen Lage und Form der Verjüngungen 3, 5 und der Ausstanzung 4 erreicht werden, dass sich ein Bereich höchster Stromdichte von einem in Querschnittsrichtung äußeren Bereich des Leiters 2 bei der Verjüngung 3 (Bereich A) zu einem in Querschnittsrichtung inneren Bereich des Leiters 2 bei der Ausstanzung 4 (Bereich B) erstreckt. Der Bereich C gibt den für die Sensierung maßgeblichen Bereich an.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Sensoranordnung 1. Die Sensoranordnung 1 kann insbesondere in Frequenzumrichtern zur Messung eines Phasenstroms vorgesehen sein.
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Die Sensoranordnung 1 umfasst neben dem oben beschriebenen planaren elektrischen Leiter 2 eine Magnetfeldsensoreinrichtung 6.
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Die Magnetfeldsensoreinrichtung 6 umfasst vier Wheatstone-Vollbrücken 7, 8, 9, 10. Zwei der Wheatstone-Vollbrücken 9, 10 haben identische Koordinaten entlang der zweiten Richtung y, sind jedoch entlang der ersten Richtung x zueinander versetzt. Die verbleibenden zwei Wheatstone-Vollbrücken 7, 8 haben identische Koordinaten entlang der ersten Richtung x, sind jedoch entlang der zweiten Richtung y zueinander versetzt.
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Die Wheatstone-Vollbrücken 7, 8, 9, 10 sind jeweils Magnetfeldsensoren, welche parallel zur Leiteroberfläche auf die senkrecht zur Hauptfeldkomponente (entlang der zweiten Richtung y) stehende Feldkomponente (entlang der ersten Richtung x) sensitiv sind. Die magnetfeldsensitiven Messelemente 7, 8, 9, 10 sind über einem nicht-leitfähigen Abschnitt des planaren elektrischen Leiters 2, d. h. oberhalb der Ausstanzung 4 platziert. Die Wheatstone-Vollbrücken 7, 8, 9, 10 umfassen vorteilhafterweise magnetoresistive Elemente. Die Empfindlichkeit der Elemente ist vorzugsweise paarweise invertiert. Die Elemente sind derart über dem Leiter angeordnet, dass diese einen hohen Signalpegel erreichen und andererseits gegenüber homogenen Streufeldern immun sind. Die Wheatstone-Vollbrücken 7, 8, 9, 10 sind vorzugsweise jeweils um 90 Grad zueinander gedreht über dem planaren elektrischen Leiter 2 angeordnet, wie in 4 illustriert. Dadurch kann eine Immunität gegenüber gradientenbehafteten Störfeldern erreicht werden, indem mittels Signalverarbeitung durch die Magnetfeldsensoreinrichtung 6 jeweils Differenzen sowie Summen der Messsignale berechnet werden. Die Differenzen bzw. Summen entsprechen den Störfeldern sowie zu messenden Feldern.
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Die Wheatstone-Vollbrücken 7, 8, 9, 10 können so angeordnet sein, dass zwei magnetfeldsensitive Widerstände in jeweils einem entgegengesetzten Feldbereich liegen und zusätzlich paarweise über eine umgekehrte Sensitivität verfügen.
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Die Sensoranordnung 1 kann weiter mindestens ein in 2 gezeigtes Leitelement 13 aufweisen.
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5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Messen eines Stroms durch einen planaren elektrischen Leiter 2. Das Verfahren kann hierbei mittels einer oben beschriebenen Sensoranordnung 1 durchgeführt werden. Insbesondere ist der Leiter 2 derart ausgestaltet, dass in einem eingangsseitigen Abschnitt eine erste Verjüngung 3 des Querschnitts des Leiters 2 entlang der zweiten Richtung y vorgesehen ist. In einem mittleren Abschnitt ist eine Ausstanzung 4 vorgesehen. In einem ausgangsseitigen Abschnitt kann eine weitere Verjüngung 5 des Querschnitts des Leiters entlang der zweiten Richtung y vorgesehen sein.
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In einem ersten Schritt S1 werden durch mindestens ein im Bereich der Ausstanzung 4 angeordnetes Messelement 7-10 Messsignale erzeugt.
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In einem zweiten Schritt S2 wird anhand der erzeugten Messsignale eine Komponente des Stroms entlang der ersten Richtung x berechnet. Insbesondere kann hierzu eine Sensoranordnung 1 verwendet werden, wobei vier Wheatstone-Vollbrücken 7, 8, 9, 10 oberhalb der Ausstanzung 4 angeordnet sind und jeweils um 90 Grad zueinander versetzt sind. Durch Verarbeiten der Messsignale der vier Wheatstone-Vollbrücken 7, 8, 9, 10 können gradientenbehaftete magnetische Störfelder eliminiert werden.
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Weiter kann die verwendete Sensoranordnung ein Leitelement 13 aufweisen, welches im Bereich der Ausstanzung 4 und in der dritten Richtung z versetzt angeordnet ist, wobei das Leitelement 13 eine Vielzahl ferromagnetischer Strukturen umfasst, welche sich entlang der zweiten Richtung y erstrecken und entlang der ersten Richtung x voneinander beabstandet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 102016606 A [0004]
- US 8395382 B2 [0005]
- US 10161971 B2 [0006]
