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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms, wobei die Vorrichtung eine Magnetfeldsensoreinheit mit wenigstens einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement zur Erfassung je einer Magnetfeldstärke entlang einer Erfassungsrichtung aufweist, und wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den mittels des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements erfassten Magnetfeldstärken den Strom zu bestimmen.
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Dem Fachmann sind bereits entsprechende Vorrichtungen zur Bestimmung des durch einen Stromleiter fließenden Stroms bekannt. Bei diesen Vorrichtungen sind die Sensorelemente als vertikale Magnetfeldsensoren ausgestaltet und derartig auf gegenüberliegenden Seiten des Stromleiters angeordnet, dass das Magnetfeld in vertikaler Richtung zur Haupterstreckungsebene erfassbar ist. Das kreisförmig um den Stromleiter aufgrund des durch den Stromleiter fließenden Stroms erzeugte Magnetfeld wirkt hierbei auf die Sensorelemente durch ihre entsprechende Anordnung in entgegengesetzter Richtung, beispielweise bei dem ersten Sensorelement nach oben und bei dem zweiten Sensorelement nach unten. Dagegen wirken äußere Störfelder typischerweise auf beide Sensoren in die gleiche Richtung, da diese Störfelder eine gewisse Homogenität aufweisen. Diese Streufelder können dann durch eine differentielle Auswertung bei der eigentlichen Bestimmung des Stroms herausgerechnet werden. Der Differenzenquotient wird dabei als Gradient des Magnetfeldes verstanden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms, wobei die Vorrichtung eine Magnetfeldsensoreinheit mit wenigstens einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement zur Erfassung je einer Magnetfeldstärke entlang einer Erfassungsrichtung aufweist, und wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den mittels des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements erfassten Magnetfeldstärken den Strom zu bestimmen. Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass der Stromleiter quer zur Längsrichtung des Stromleiters eine Einschnürung aufweist, wobei die Magnetfeldsensoreinheit auf dem Stromleiter derartig angeordnet ist, dass das erste Sensorelement parallel zur Haupterstreckungsebene des Stromleiters versetzt und oberhalb von einem ersten Bereich des Stromleiters und dass das zweite Sensorelement parallel zur Haupterstreckungsebene des Stromleiters versetzt und oberhalb von einem zweiten Bereich des Stromleiters angeordnet ist, wobei der erste Bereich und der zweite Bereiche aufgrund der Einschnürung eine unterschiedliche Breite quer zur Längsrichtung zueinander aufweisen, und wobei das erste Sensorelemente und das zweite Sensorelement je eine planare Messmethode nutzen und je eine zur Haupterstreckungsebene des Stromleiters und zueinander parallele Erfassungsrichtung aufweisen.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Sensorelemente durch die entsprechende Anordnung der Sensorelemente und Ausgestaltung des Stromleiters eine planare Messmethode nutzen können, um eine differentielle Auswertung der Magnetfeldstärken zur Bestimmung des Stroms zu ermöglichen. Hierbei weist der Stromleiter durch seine entsprechende Ausgestaltung im Bereich der Einschnürung eine höhere Stromdichte auf als außerhalb der Einschnürung, wodurch ein entsprechender Magnetfeldgradient in Richtung der Haupterstreckungsebene des Stromleiters gebildet wird, welcher mittels der planare Messmethode der Sensorelemente erfasst und für die Bestimmung des Stroms herangezogen werden kann. Hierdurch können externe Störfelder bei der Bestimmung des Stroms herausgerechnet werden.
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Die planare Messmethode hat gegenüber der im Stand der Technik genutzten vertikalen Messmethode zudem den Vorteil eines verbesserten Signal-Rausch-Verhältnisses, einer erhöhten Genauigkeit, einer höheren Empfindlichkeit und einer größeren Brandbreite.
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Der Stromleiter kann beispielsweise als elektrisches Kabel oder auch als Stromschiene ausgestaltet sein. Ist der Stromleiter rund oder quadratisch ausgestaltet, kann die Haupterstreckungsebene unter Berücksichtigung der entsprechenden Geometrie beliebig definiert werden. Oberhalb von einem Bereich des Stromleiters angeordnet bedeutet in diesem Fall, dass das Sensorelement senkrecht beabstandet zur Haupterstreckungsebene an dem jeweiligen Bereich angeordnet ist.
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Der durch diesen Stromleiter fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, welches sich im Wesentlichen kreisförmig um den Stromleiter bildet.
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Unter Bestimmung des Stroms ist hierbei zu verstehen, dass die elektrische Stromstärke ermittelt wird, was der durch den Stromleiter fließenden Ladung entspricht.
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Unter Längsrichtung ist hierbei typischerweise die Richtung zu verstehen, entlang welcher der Strom im Wesentlichen fließt.
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Die Sensorelemente des Magnetfeldsensors können beispielweise als Hallsensor, als AMR-Sensor, als GMR-Sensor oder auch als TMR-Sensor ausgestaltet sein. In Abhängigkeit von den erfassten Magnetfeldstärken kann dann auf den durch den Stromleiter fließenden Strom geschlossen werden, da dieser fließende Strom ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt.
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Unter Einschnürung ist eine Ausnehmung des Stromleiters quer zur Längsrichtung des Stromleiters zu verstehen, welche die Querschnittsfläche des Stromleiters in Längsrichtung verringert. Eine solche Verringerung der Querschnittsfläche hat wiederum eine Erhöhung der Stromdichte in diesem Bereich zur Folge.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Einschnürung derartig stufenförmig ausgestaltet ist, dass der Stromleiter zusätzlich wenigstens einen weiteren Bereich mit einer gegenüber dem ersten Bereich und zweiten Bereich unterschiedlichen Breite quer zur Längsrichtung aufweist.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass der Skin-Effekt im Stromleiter reduziert werden kann. Dies hat wiederum eine erhöhte Frequenz-Stabilität bei der Bestimmung des Stroms zur Folge.
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Insbesondere hat der weitere Bereich eine größere Breite als der erste und zweite Bereich, auf welchem das erste Sensorelement bzw. zweite Sensorelement angeordnet sind.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Einschnürung derartig ausgestaltet ist, dass ein Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Querschnittsfläche des Stromleiters in Längsrichtung kleiner als zwei ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass der aufgrund der innerhalb der Einschnürung höheren Stromdichte erzeugte Wärmeverlust begrenzt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einschnürung von beiden Seiten quer zur Längsrichtung des Stromleiters her gebildet ist.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass eine symmetrische Ausgestaltung des Stromleiters möglich ist, welche die Messtoleranzen der Vorrichtungen verbessern, insbesondere die Anordnung der Magnetfeldsensoreinheit.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einschnürung von lediglich einer Seite quer zur Längsrichtung des Stromleiters her gebildet ist.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass solch eine einseitige Aussparung herstellungstechnisch besonders einfach umgesetzt werden kann, wodurch Kosten- und Zeitaufwand bei der Herstellung optimiert wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement derartig ausgerichtet sind, dass die jeweilige Erfassungsrichtung des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements parallel zur Längsrichtung des Stromleiters verläuft.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass in dieser Richtung ein besonders großer Gradient erreichbar ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement derartig ausgerichtet sind, dass die jeweilige Erfassungsrichtung des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements quer zur Längsrichtung des Stromleiters verläuft Vorteilhaft ist hierbei, dass auch das Magnetfeld in dieser Richtung verläuft.
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Die Erfindung betrifft zudem ein elektrisches System mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ein solch elektrisches System kann beispielsweise eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Synchronmaschine, mit einem Wechselrichter sein. Hierbei kann der Stromleiter zum Beispiel als eine Phase des Wechselrichters ausgestaltet sein, wodurch der entsprechende Phasenstrom messbar ist, welcher durch diese Phase fließt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht.
- 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms in einer perspektivischen Ansicht.
- 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms in einer perspektivischen Ansicht.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms nach dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung.
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Dargestellt ist eine Vorrichtung. Die Vorrichtung weist eine Magnetfeldsensoreinheit 20 auf, welche auf einem Stromleiter 100 angeordnet ist. Die Magnetfeldsensoreinheit 20 weist wiederum wenigstens ein erstes Sensorelement 21 und ein zweites Sensorelement 22 zur Erfassung je einer Magnetfeldstärke entlang einer Erfassungsrichtung 25 auf.
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Hierbei ist die Magnetfeldsensoreinheit 20 derartig auf einem Stromleiter 100 angeordnet, dass das erste Sensorelement 21 und das zweite Sensorelement 22 seitlich oberhalb der Haupterstreckungsebene des Stromleiters 100 auf gegenüberliegenden Seiten des Stromleiters 100 angeordnet sind und jeweils eine zur Haupterstreckungsebene vertikale Erfassungsrichtung 25 aufweisen. Das erste Sensorelement 21 und das zweite Sensorelement 22 nutzen entsprechend eine vertikale Messmethode.
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Fließt ein Strom in Längsrichtung 102 durch den Stromleiter 100 erzeugt dieser ein Magnetfeld, wobei die entsprechende Magnetfeldstärke beim ersten Sensorelement 21 nach oben und beim zweiten Sensorelement 22 nach unten gerichtet ist.
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Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, je eine Magnetfeldstärke mittels des ersten Sensorelements 21 und des zweiten Sensorelements 22 zu erfassen und in Abhängigkeit von den mittels des ersten Sensorelements 21 und des zweiten Sensorelements 22 erfassten Magnetfeldstärken den Strom zu bestimmen, welcher durch den Stromleiter 100 fließt.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms in einer perspektivischen Ansicht.
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Dargestellt ist eine Vorrichtung 10 zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter 100 fließenden Stroms, welche sich von der Vorrichtung nach 1 dadurch unterscheidet, dass der Stromleiter 100 quer zur Längsrichtung 102 des Stromleiters 100 eine Einschnürung 110 aufweist. Die Einschnürung 110 ist hierbei von beiden Seiten quer zur Längsrichtung 102 des Stromleiters 100 her gebildet.
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Zudem ist im Gegensatz zur Vorrichtung nach 1 bei der Vorrichtung 10 die Magnetfeldsensoreinheit 20 auf dem Stromleiter 100 derartig angeordnet, dass das erste Sensorelement 21 parallel zur Haupterstreckungsebene des Stromleiters 100 versetzt und oberhalb von einem ersten Bereich 121 des Stromleiters 100 und dass das zweite Sensorelement 22 parallel zur Haupterstreckungsebene des Stromleiters versetzt und oberhalb von einem zweiten Bereich 122 des Stromleiters 100 angeordnet ist, wobei der erste Bereich 121 und der zweite Bereiche 122 aufgrund der Einschnürung 110 eine unterschiedliche Breite 130 quer zur Längsrichtung 102 zueinander aufweisen. Des Weiteren nutzen das erste Sensorelemente 21 und das zweite Sensorelement 22 je eine planare Messmethode und weisen je eine zur Haupterstreckungsebene des Stromleiters 100 und zueinander parallele Erfassungsrichtung 25 auf. Hierbei sind das erste Sensorelement 21 und das zweite Sensorelement 22 derartig ausgerichtet sind, dass die jeweilige Erfassungsrichtung 25 des ersten Sensorelements 21 und des zweiten Sensorelements 22 quer zur Längsrichtung 102 des Stromleiters 100 verläuft, wobei in dieser Richtung auch das Magnetfeld verläuft, welches durch einen in Längsrichtung 102 fließenden Strom gebildet wird und welches durch die Einschnürung 100 mit der hierdurch veränderten Stromdichte innerhalb des Stromleiters 100 einen entsprechenden Gradienten aufweist.
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Die Einschnürung 110 ist hierbei derartig stufenförmig ausgestaltet, dass der Stromleiter 100 zusätzlich wenigstens einen weiteren Bereich 123 mit einer gegenüber dem ersten Bereich 121 und zweiten Bereich 122 unterschiedlichen Breite 130 quer zur Längsrichtung 102 aufweist.
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Des Weiteren ist die Einschnürung 110 derartig ausgestaltet, dass ein Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Querschnittsfläche des Stromleiters 100 in Längsrichtung 102 kleiner als zwei ist, sprich sich die Querschnittsfläche des Stromleiters 100 aufgrund der Einschnürung 110 maximal halbiert.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms in einer perspektivischen Ansicht.
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Dargestellt ist eine Vorrichtung 11 zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter 100 fließenden Stroms, wobei sich die Vorrichtung 11 von der Vorrichtung 10 nach 2 dadurch unterscheidet, dass die Einschnürung 110 von lediglich einer Seite quer zur Längsrichtung 102 des Stromleiters 100 her gebildet ist und zudem nur einstufig ausgestaltet ist, sodass lediglich ein erster Bereich 121 und ein zweiter Bereich 122 mit zueinander unterschiedlichen Breiten 130 gebildet sind, auf welchen das erste Sensorelement 21 beziehungsweise das zweite Sensorelement 22 angeordnet sind.
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Ein weiter Unterschied zur Vorrichtung 10 ist, dass bei der Vorrichtung 11 das erste Sensorelement 21 und das zweite Sensorelement 22 derartig ausgerichtet sind, dass die jeweilige Erfassungsrichtung 25 des ersten Sensorelements 21 und des zweiten Sensorelements 22 parallel zur Längsrichtung 102 des Stromleiters 100 verläuft, in welcher aufgrund der Einschnürung und des entsprechenden Stromflusses ebenfalls ein Gradietenfeld erfasst werden kann.
