DE102021101520A1 - Current sensor, cable and use of the current sensor - Google Patents
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Abstract
Stromsensor zum Messen von elektrischen Strömen, umfassend einen Flusskonzentrator (1) und einen Sensor (2), die signalleitend miteinander verbunden sind. Der Flusskonzentrator (1) besteht aus einem weichmagnetischen und flexiblen Werkstoff.Current sensor for measuring electrical currents, comprising a flux concentrator (1) and a sensor (2) which are connected to one another in a signal-conducting manner. The flux concentrator (1) consists of a soft magnetic and flexible material.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft einen Stromsensor zum Messen von elektrischen Strömen, ein Kabel und eine Verwendung des Stromsensors. Der Stromsensor umfasst einen Flusskonzentrator und einen Sensor, die signalleitend miteinander verbunden sind.The invention relates to a current sensor for measuring electrical currents, a cable and a use of the current sensor. The current sensor comprises a flux concentrator and a sensor which are connected to one another in a signal-conducting manner.
Stand der TechnikState of the art
Ein solcher Stromsensor und dessen Verwendung sind allgemein bekannt. Ein Stromsensor gelangt zum Beispiel in einer Strommesszange zur Anwendung. Die Strommesszange wird zum berührungslosen Messen von elektrischen Strömen eingesetzt. Dabei dienen starre Eisenkerne als Flusskonzentratoren, die ein Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, in sich konzentrieren. Das Magnetfeld wird als Kenngröße zur Strommessung genutzt und ist proportional zum Stromfluss. Das Magnetfeld wird üblicherweise mittels einer Spule oder eines Hall-Sensors gemessen.
Im Gegensatz zu einer direkten Messung elektrischer Ströme, bei der der Stromkreis aufgetrennt werden muss, um das Strommessgerät in den elektrischen Leiter zu schalten, ist dies bei der Messung elektrischer Ströme mittels einer Strommesszange nicht erforderlich.
Durch die Flusskonzentratoren in Form starrer Eisenkerne ist die Messung elektrischer Ströme mittels Strommesszange an beliebig geformten und/oder flexiblen elektrischen Leitern wenig zufriedenstellend. Solche beliebig geformten und/oder flexiblen Leiter müssen zum Messen von elektrischen Strömen dann oftmals unerwünscht, zum Beispiel in eine gerade Form, verformt werden.
Die elektrischen Leiter können als Kabel ausgebildet sein.Such a current sensor and its use are well known. A current sensor is used, for example, in a clamp meter. The current measuring clamp is used for non-contact measurement of electrical currents. Rigid iron cores serve as flux concentrators, which concentrate a magnetic field generated by the current. The magnetic field is used as a parameter for current measurement and is proportional to the current flow. The magnetic field is usually measured using a coil or a Hall sensor.
In contrast to a direct measurement of electrical currents, in which the circuit has to be broken in order to connect the ammeter to the electrical conductor, this is not necessary when measuring electrical currents using a clamp meter.
Due to the flux concentrators in the form of rigid iron cores, the measurement of electrical currents using ammeter clamps on arbitrarily shaped and/or flexible electrical conductors is not very satisfactory. Such arbitrarily shaped and/or flexible conductors then often have to be undesirably deformed, for example into a straight shape, in order to measure electrical currents.
The electrical conductors can be designed as cables.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromsensor der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Messung von elektrischen Strömen an beliebig geformten und/oder flexiblen stromführenden elektrischen Leitern, insbesondere Kabeln, einfach und exakt vorgenommen werden kann, ohne die beliebig geformten und/oder flexiblen Leiter für die Messung der Stromstärke verformen zu müssen. Außerdem soll eine Verwendung eines solchen Stromsensors gezeigt werden.The invention is based on the object of further developing a current sensor of the type mentioned at the outset in such a way that the measurement of electric currents on arbitrarily shaped and/or flexible current-carrying electrical conductors, in particular cables, can be carried out simply and precisely without the arbitrarily shaped and/or having to deform the flexible conductor to measure the current. In addition, a use of such a current sensor is to be shown.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1, Anspruch 11 und Anspruch 12 gelöst. Auf eine vorteilhafte Ausgestaltung des Stromsensors nehmen die auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche Bezug.This object is achieved according to the invention with the features of
Zur Lösung der Aufgabe ist es vorgesehen, dass der Flusskonzentrator aus einem weichmagnetischen und flexiblen Werkstoff besteht. Dadurch, dass der Flusskonzentrator aus einem weichmagnetischen und flexiblen Werkstoff besteht, kann er zur Messung der Stromstärke an die Geometrie beliebig geformter und/oder flexibler stromführender Leiter angepasst werden. Die Messung der Stromstärke speziell an solchen Leitern ist dadurch wesentlich vereinfacht. Durch den erfindungsgemäßen Stromsensor ist es nicht mehr erforderlich, nicht gerade, beliebig geformte Leiter in eine gerade verlaufende Gestalt zu verformen, um elektrische Ströme mit der eingangs genannten Strommesszange messen zu können. Im Gegensatz zu mehrteilig ausgebildeten Flusskonzentratoren mit starrem Eisenkern ist nur ein flexibler Flusskonzentrator ausreichend, um elektrische Ströme einfach und genau messen zu können. Außerdem kann der flexible Flusskonzentrator auch in beengten Bauräumen zur Anwendung gelangen. Der Bedarf an Bauraum für den Stromsensor ist minimal.
Die Messung von elektrischen Strömen in gekrümmten elektrischen Leitern ist problemlos möglich, und auch die Messgenauigkeit ist sehr gut, weil die Messung von elektrischen Strömen durch den flexiblen Flusskonzentrator berührungslos und in unmittelbarer Nähe des elektrischen Leiters erfolgt. Undefinierte Abstände vom Flusskonzentrator zum elektrischen Leiter, die die Genauigkeit der Messung nachteilig beeinflussen würden, gibt es nicht. Zusätzlich ist von Vorteil, dass der flexible Flusskonzentrator durch seine Flexibilität gegen eventuelle Vibrationen des elektrischen Leiters während seiner bestimmungsgemäßen Verwendung unempfindlich ist.In order to solve the task, it is provided that the flux concentrator consists of a soft-magnetic and flexible material. Due to the fact that the flux concentrator consists of a soft-magnetic and flexible material, it can be adapted to the geometry of arbitrarily shaped and/or flexible current-carrying conductors for measuring the current intensity. This considerably simplifies the measurement of the current strength, especially on such conductors. Due to the current sensor according to the invention, it is no longer necessary to deform non-straight, arbitrarily shaped conductors into a straight shape in order to be able to measure electrical currents with the ammeter clamp mentioned at the outset. In contrast to multi-part flux concentrators with a rigid iron core, only one flexible flux concentrator is sufficient to be able to easily and accurately measure electrical currents. In addition, the flexible flux concentrator can also be used in confined spaces. The space required for the current sensor is minimal.
The measurement of electrical currents in curved electrical conductors is possible without any problems, and the measurement accuracy is also very good because the measurement of electrical currents through the flexible flux concentrator takes place without contact and in the immediate vicinity of the electrical conductor. There are no undefined distances from the flux concentrator to the electrical conductor that would adversely affect the accuracy of the measurement. In addition, it is advantageous that the flexible flux concentrator is insensitive to possible vibrations of the electrical conductor during its intended use due to its flexibility.
Der Flusskonzentrator und der Sensor können eine vormontierbare Einheit bilden. Die Handhabung des Stromsensors, insbesondere dessen Montage auf und dessen Demontage von dem elektrischen Leiter, ist dadurch vereinfacht.The flux concentrator and the sensor can form a pre-assembled unit. This simplifies the handling of the current sensor, in particular its assembly on and its disassembly from the electrical conductor.
Bevorzugt besteht der flexible Flusskonzentrator aus einem flexiblen Kunststoff. Der flexible Kunststoff kann zum Beispiel durch einen HNBR-Werkstoff gebildet sein.
Ein solcher weichmagnetischer Werkstoff weist eine hohe magnetische Permeabilität auf. Je größer die magnetische Permeabilität ist, desto besser wird das Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, auf den Sensor konzentriert.The flexible flux concentrator preferably consists of a flexible plastic. The flexible plastic can be formed by an HNBR material, for example.
Such a soft magnetic material has a high magnetic permeability. The greater the magnetic permeability, the better the magnetic field generated by the current is concentrated on the sensor.
Der Flusskonzentrator kann klammerförmig ausgebildet und auf einen elektrischen Leiter aufklipsbar sein, zum Messen elektrischer Ströme. Durch seine klammerförmige Ausbildung kann der Flusskonzentrator direkt auf einen elektrischen Leiter aufklipsbar sein.
Der aufgeklipste flexible Flusskonzentrator hat eine Gestalt, die der Gestalt des beliebig geformten und/oder flexiblen stromführenden Leiters entspricht und umschließt diesen bevorzugt im Wesentlichen vollständig. Dadurch ergeben sich eine bessere Konzentration des Magnetfelds auf den Sensor und ein verbessertes Signal. Außerdem ist von Vorteil, dass der erfindungsgemäße Stromsensor im Gebrauch platzsparender als die eingangs erwähnte Strommesszange ist.
Der elektrische Leiter kann einen runden oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.The flux concentrator can be in the form of a clamp and can be clipped onto an electrical conductor for measuring electrical currents. Due to its clamp-like design, the flux concentrator can be clipped directly onto an electrical conductor.
The clip-on flexible flux concentrator has a Shape that corresponds to the shape of the arbitrarily shaped and / or flexible current-carrying conductor and encloses this preferably substantially completely. This results in a better concentration of the magnetic field on the sensor and an improved signal. Another advantage is that the current sensor according to the invention takes up less space when in use than the current measuring clamp mentioned at the outset.
The electrical conductor can have a round or rectangular cross-section.
Der Flusskonzentrator kann im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet sein und an einer Umfangsstelle einen sich in Längsrichtung erstreckenden, durchgängigen Längsschlitz aufweisen. Durch den durchgängigen Längsschlitz besteht die Möglichkeit, den Flusskonzentrator auch dann um einen beliebig geformten und/oder flexiblen elektrischen Leiter anzuordnen, wenn die Stirnseiten des elektrischen Leiters nicht frei zugänglich sind und der Flusskonzentrator deshalb nicht von einer der Stirnseiten auf den elektrischen Leiter montiert werden kann.The flux concentrator can be designed essentially in the form of a hollow cylinder and have a continuous longitudinal slot extending in the longitudinal direction at one circumferential point. The continuous longitudinal slot makes it possible to arrange the flux concentrator around any shaped and/or flexible electrical conductor even if the end faces of the electrical conductor are not freely accessible and the flux concentrator therefore cannot be mounted on the electrical conductor from one of the end faces .
Der Flusskonzentrator kann durch Aufweiten des Längsschlitzes um einen elektrischen Leiter herumführbar und auf diesen aufklipsbar sein. Die Aufweitung erfolgt bevorzugt elastisch. Eines Gelenks, wie zum Beispiel bei einer Strommesszange, bedarf es dabei nicht. Der flexible Werkstoff weist eine ausreichend große Nachgiebigkeit auf.
Der erfindungsgemäße Stromsensor hat einen sehr einfachen und teilarmen Aufbau und ist dadurch einfach und kostengünstig herstellbar.By widening the longitudinal slot, the flux concentrator can be guided around an electrical conductor and clipped onto it. The widening preferably takes place elastically. A joint, such as with a current measuring clamp, is not required. The flexible material has a sufficiently high resilience.
The current sensor according to the invention has a very simple structure with few parts and can therefore be produced easily and inexpensively.
Der Sensor ist bevorzugt in einer der einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Begrenzungen des Längsschlitzes angeordnet. Dadurch ist der Sensor für den Benutzer sichtbar und kann einfach und genau, bezogen auf den elektrischen Leiter, positioniert werden.The sensor is preferably arranged in one of the opposite delimitations of the longitudinal slot in the circumferential direction. As a result, the sensor is visible to the user and can be easily and accurately positioned in relation to the electrical conductor.
Der Flusskonzentrator kann als Ummantelung für einen elektrischen Leiter ausgebildet sein. Häufig sind elektrische Leiter, wie zum Beispiel Kabel, durch eine Ummantelung isoliert. Gelangt ein Flusskonzentrator als Ummantelung zur Anwendung, ist einerseits eine Isolierung des elektrischen Leiters sichergestellt, andererseits können elektrische Ströme durch den Leiter mittels der Ummantelung gemessen werden. Die Messung elektrischer Ströme ist dadurch besonders einfach und kostengünstig.The flux concentrator can be designed as a sheath for an electrical conductor. Electrical conductors, such as cables, are often insulated by a sheath. If a flux concentrator is used as a sheath, insulation of the electrical conductor is ensured on the one hand, and electrical currents through the conductor can be measured using the sheath on the other. The measurement of electrical currents is therefore particularly simple and inexpensive.
Der Sensor ist bevorzugt als Magnetfeldsensor ausgebildet.
Ein Magnetfeldsensor zur berührungslosen Messung elektrischer Ströme ist von Vorteil, weil die Messwerte dadurch nicht verfälscht werden. Die Messwerte sind besonders genau.
Außerdem ist von Vorteil, dass der Sensor einen Bestandteil eines Kabels bilden kann. Zur Messung elektrischer Ströme ist nur ein solches Kabel erforderlich. Separat herzustellender Bauteile, die separat montiert/demontiert werden müssten, bedarf es nicht.The sensor is preferably designed as a magnetic field sensor.
A magnetic field sensor for non-contact measurement of electrical currents is advantageous because the measured values are not falsified. The readings are particularly accurate.
Another advantage is that the sensor can form part of a cable. Only one such cable is required to measure electrical currents. There is no need for components that have to be produced separately and assembled/disassembled separately.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Kabel, umfassend einen Stromsensor, wie zuvor beschrieben, wobei der Stromsensor einen integralen Bestandteil des Kabels bildet.The invention also relates to a cable comprising a current sensor as described above, the current sensor forming an integral part of the cable.
Die Messung von Strömen im Kabel ist dadurch besonders einfach und genau möglich. Für die Messung ist kein separates Bauteil, wie zum Beispiel eine Strommesszange, erforderlich.This makes it particularly easy and accurate to measure currents in the cable. No separate component, such as a clamp meter, is required for the measurement.
Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines Stromsensors wie zuvor beschrieben.
Besonders einfach, insbesondere dann, wenn der Bauraum nur sehr kompakte Abmessungen aufweist, ist die Messung von elektrischen Strömen dann, wenn der Stromsensor als integraler Bestandteil einer Kabelummantelung eines elektrisch leitenden Kabels, das den elektrischen Leiter bildet, zur Anwendung gelangt. Ein größerer zusätzlicher Bauraum allein wegen des Stromsensors wird nicht benötigt.The invention also relates to the use of a current sensor as described above.
The measurement of electric currents is particularly simple, especially when the installation space has only very compact dimensions, when the current sensor is used as an integral part of a cable sheathing of an electrically conductive cable that forms the electrical conductor. A larger additional installation space is not required just because of the current sensor.
In gleichem Maße kann der Stromsensor als integraler Bestandteil einer Stromschienen/Busbar-Ummantelung einer elektrisch leitenden Stromschiene/Busbar, die den elektrischen Leiter bildet, zur Anwendung kommen.To the same extent, the current sensor can be used as an integral part of a busbar/busbar sheathing of an electrically conductive busbar/busbar, which forms the electrical conductor.
Insbesondere im Zusammenhang mit E-Mobilität kommt der einfachen und kostengünstigen Strommessung immer größere Bedeutung zu. Eine Strommessung muss immer häufiger an beliebig geformten und/oder flexiblen stromführenden Strukturen vorgenommen werden. Dafür ist der erfindungsgemäße Stromsensor mit seinem Flusskonzentrator aus weichmagnetischem und flexiblem Werkstoff besonders gut geeignet. Strommessungen können dadurch bevorzugt an einer Elektromotorsteuerung von Autos, E-Bikes, und Haushaltselektrogeräten vorgenommen werden.In connection with e-mobility in particular, simple and inexpensive current measurement is becoming increasingly important. A current measurement has to be carried out more and more frequently on arbitrarily shaped and/or flexible current-carrying structures. The current sensor according to the invention with its flux concentrator made of soft magnetic and flexible material is particularly well suited for this. As a result, current measurements can preferably be carried out on an electric motor control of cars, e-bikes and household electrical appliances.
Figurenlistecharacter list
Drei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Stromsensors werden nachfolgend anhand der
Die
-
1 einen erfindungsgemäßen Stromsensor, vor seiner Montage auf einen elektrischen Leiter, -
2 den auf den elektrischen Leitermontierten Stromsensor aus 1 , -
3 einen Längsschnitt durch einen auf einen elektrischen Leiter montierten Stromsensor, -
4 einen Querschnitt durch ein rundes Kabel mit einer in sich geschlossenen Ummantelung, die den Stromsensor umfasst, -
5 einen Querschnitt durch ein rechteckiges Kabel bzw. Stromschiene/Busbar mit einer in sich geschlossen Ummantelung, die den Stromsensor umfasst.
-
1 a current sensor according to the invention, before it is mounted on an electrical conductor, -
2 the current sensor mounted on theelectrical conductor 1 , -
3 a longitudinal section through a current sensor mounted on an electrical conductor, -
4 a cross-section through a round cable with a self-contained sheath enclosing the current sensor, -
5 a cross section through a rectangular cable or power rail / busbar with a self-contained sheath that includes the current sensor.
Ausführung der Erfindungimplementation of the invention
In den
In
Der Stromsensor umfasst den Flusskonzentrator 1, der aus einem weichmagnetischen und flexiblen Werkstoff, hier aus einem Elastomer, besteht. Der Flusskonzentrator 1 ist klammerförmig ausgebildet. Die klammerförmige Ausbildung ergibt sich durch die im Wesentlichen hohlzylinderförmige Gestalt des Flusskonzentrators 1, der an einer Umfangsstelle 4 einen sich in Längsrichtung 5 erstreckenden, durchgängigen Längsschlitz 6 aufweist.
Der Flusskonzentrator 1 ist in
The current sensor includes the
The
In
In
Um diesen beliebig geformten und/oder flexiblen stromführenden Leiter 3 ist der Stromsensor mit seinem Flusskonzentrator 1 und dem Sensor 2 herumgelegt. Der Stromsensor bildet die Geometrie des elektrischen Leiters 3 durch den flexiblen Werkstoff, aus dem der Flusskonzentrator 1 besteht, exakt nach.In
The current sensor with its
In den
Das Kabel in
Der elektrische Leiter in
Die Kabelummantelung 11 ist jeweils in sich geschlossen ausgebildet und umfasst einen Stromsensor mit einem Flusskonzentrator 1 und einem Sensor 2, die signalleitend verbunden sind. Der Flusskonzentrator 1 besteht aus einem weichmagnetischen und flexiblen Werkstoff.The
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