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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 einen Magnetfeldsensor und einen Magnetfeldkonzentrator aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, wobei der Magnetfeldkonzentrator derartig u-förmig oder ringförmig ausgebildet ist, dass ein Luftspalt und eine Öffnung gebildet sind, wobei der Magnetfeldsensor innerhalb des Luftspalts angeordnet ist, und wobei der Stromleiter entlang einer Durchführrichtung durch die vom Magnetfeldkonzentrator gebildete Öffnung durchführbar ist.
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Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 102005018637 A1 offenbart. Hierbei ist ein ringförmiger Stromsensor gezeigt, dessen Magnetfeldkonzentrator senkrecht zur Durchführrichtung des Stromleiters angeordnete und in Durchführrichtung des Stromleiters gestapelte Blechelemente aufweist, welche sich derartig bereichsweise überlappen, dass eine senkrecht zu der Umfangsrichtung des Magnetfeldkonzentrators gelegene Querschnittsfläche des Magnetfeldkonzentrators vom Luftspalt weg zunimmt.
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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 einen Magnetfeldsensor und einen Magnetfeldkonzentrator aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, wobei der Magnetfeldkonzentrator derartig u-förmig oder ringförmig ausgebildet ist, dass ein Luftspalt und eine Öffnung gebildet sind, wobei der Magnetfeldsensor innerhalb des Luftspalts angeordnet ist, und wobei der Stromleiter entlang einer Durchführrichtung durch die vom Magnetfeldkonzentrator gebildete Öffnung durchführbar ist.
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Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass der Magnetfeldkonzentrator wenigstens ein erstes, ferromagnetisches Blechelement und ein zweites, ferromagnetisches Blechelement umfasst, welche derartig ausgestaltet und angeordnet sind, dass das erste Blechelement und das zweite Blechelement parallel zur Durchführrichtung des Stromleiters radial gestapelt sind.
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Insbesondere bei zeitlich veränderlichen Strömen im elektrischen Stromleiter hat das magnetische Wechselfeld, das durch den Strom im elektrischen Stromleiter hervorgerufen wird, Wirbelströme im Magnetfeldkonzentrator zur Folge, die wiederum eine Frequenz- und Amplitudenabhängigkeit bedingen.
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Bei Nutzung eines Hall-Sensors führt dies beispielsweise zu einer Dämpfung der gemessenen Hall-Spannung und zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom im Stromleiter und der im Sensor umgesetzten Hall-Spannung. Wird der zu messende Strom durch den Amplituden- und Phasengang der Messkette fehlerhaft erfasst, funktioniert beispielsweise eine nachgeschaltete Regelung z.B. eines Antriebssystems nicht mehr zuverlässig und Sicherheits- bzw. Genauigkeitsanforderungen können nicht eingehalten werden.
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Vorteilhaft ist erfindungsgemäß hierbei, dass durch die entsprechend geschichtete Anordnung der Blechelemente des Magnetfeldkonzentrators Wirbelströme, die durch vom Stromfluss erzeugte Magnetfelder entstehen, verringert oder gar komplett unterdrückt werden können. Aufgrund der entsprechenden Anordnung grenzen die Blechelemente über eine besonders große Fläche aneinander, weswegen sich die Wirbelströme gegenseitig besonders gut aufheben.
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Die Unterdrückung der Wirbelströme führt zu einem verbesserten Amplituden- und Phasengang der Messkette, sodass der zu messende Strom mit vernachlässigbaren Abweichungen in Amplitude und Phase erfasst werden kann.
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Zieht man als Beispiel eine Strommessung eines Stroms mit einer Stromspitze von 500A und einer Frequenz von 2kHz heran, so sinkt die Dämpfung des Amplitudengangs von 16% auf 3% und die Verschiebung des Phasengangs von 9° auf 2,3° durch Nutzung des erfindungsgemäßen des Magnetfeldkonzentrators im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik nicht entsprechend geschichteten Magnetfeldkonzentrator.
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Als Magnetfeldkonzentrator ist ein Bauteil zu verstehen, welches ein Magnetfeld bündeln und führen kann. Zudem dient der Magnetfeldkonzentrator zur Homogenisierung der Flussdichte und schirmt den Magnetfeldsensor gleichzeitig gegenüber störenden Fremdfeldern ab.
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Die Blechelemente des erfindungsgemäßen Magnetfeldkonzentrators können beispielsweise gestanzt, anschließend gestapelt und gegebenenfalls verklebt werden und daraufhin entsprechend gebogen werden, um eine Art Laminat zu erzeugen. Zudem können die Blechelemente beispielsweise aus einer ferromagnetischen Metalllegierung, zum Beispiel NiFe oder auch SiFe gebildet sein.
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Hierbei sind die Blechelemente jeweils parallel zur Stromrichtung des Stromleiters angeordnet und zudem radial zur Umlaufrichtung des Magnetfeldkonzentrators übereinandergestapelt.
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Aufgrund der u-förmigen oder ringförmigen Ausgestaltung des Magnetfeldkonzentrators bildet dieser eine Öffnung, durch welche ein Stromleiter entlang einer Durchführrichtung geführt werden kann, wobei der Magnetfeldkonzentrator folglich wenigstens auf einem Umfangsabschnitt um den Stromleiter geführt ist, wenn der Stromleiter durch die Öffnung des Magnetfeldkonzentrators geführt ist.
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Insbesondere ist es hierbei auch denkbar, dass der Magnetfeldkonzentrator mehr als zwei ferromagnetische Blechelemente umfasst.
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Der Magnetfeldsensor kann beispielweise als Hallsensor, als AMR-Sensor, als GMR-Sensor oder auch als TMR-Sensor ausgestaltet sein.
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Der Sensor ist bei einem u-förmigen Magnetfeldkonzentrator insbesondere derartig im Luftspalt des Magnetfeldkonzentrators angeordnet, dass mittels des Sensors bevorzugt ein Magnetfeld parallel zur Haupterstreckungsebene des Mittelteils des Magnetfeldkonzentrators, sprich von einem Schenkel zum anderen Schenkel, erfassbar ist.
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Bei einem ringförmigen Magnetfeldkonzentrator ist der Magnetfeldsensor insbesondere derartig angeordnet, dass dieser ein Magnetfeld erfassen kann, welches senkrecht zur radialen Richtung bezogen auf die Durchführrichtung des Stromleiters und zudem senkrecht zur Durchführrichtung selbst verläuft. In Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke kann dann auf den durch den Stromleiter fließenden Strom geschlossen werden, da dieser fließende Strom das entsprechendes Magnetfeld erzeugt.
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Der Stromleiter kann beispielsweise als elektrisches Kabel oder auch als Stromschiene ausgestaltet sein.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwischen dem ersten Blechelement und dem zweiten Blechelement eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Wirbelströme weiter verringert werden können, da durch die Isolationsschicht ein Übersprechen der Wirbelströme zwischen den Blechelementen möglichst gut verhindert werden kann.
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Als elektrische Isolationsschicht ist hierbei eine Schicht zu verstehen, welche den Stromfluss zwischen zwei benachbarten Blechelementen verhindert oder zumindest stark einschränkt.
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Umfasst der Magnetfeldkonzentrator mehr als zwei Blechelemente, ist insbesondere zwischen jedem der aufeinander gestapelten Blechelement-Paare eine entsprechende elektrische Isolationsschicht angeordnet.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste Blechelement und das zweite Blechelement unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweisen, welche derartig gewählt sind, dass die magnetische Leitfähigkeit des zweiten Blechelements größer als die magnetische Leitfähigkeit des ersten Blechelements ist, wobei das zweite Blechelement gegenüber dem ersten Blechelement radial zur Durchführrichtung des Stromleiters außenliegend angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die magnetischen Weglängen der einzelnen Blechelemente aneinander angepasst werden können, wodurch sich ein besseres Messergebnis erzielen lässt.
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Hierbei hängt die magnetische Weglänge von der tatsächlichen physischen Weglänge des Blechelements und dessen magnetischer Leitfähigkeit ab. So weist das außenliegende von zwei benachbarten Blechelementen eine größere physische Weglänge auf, welche durch die erhöhte magnetische Leitfähigkeit ausgeglichen werden kann, um eine im Wesentlichen identische magnetische Weglänge beider Blechelemente zu erzielen.
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Bei mehr als zwei Blechelementen ist insbesondere die Materialzusammensetzung derartig gewählt, dass die magnetische Leitfähigkeit eines in radialer Richtung zur Durchführrichtung des Stromleiters außenliegenden Blechelements jeweils gegenüber einem in radialer Richtung innenliegenden Blechelement größer ist.
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Unter außenliegend ist hierbei zu verstehen, dass das entsprechende Blechelement weiter vom Stromleiter bzw. der Öffnung, durch welche der Stromleiter durchgeführt werden kann, entfernt ist gegenüber einem anderen, innenliegenden Blechelement.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Blechelement und/oder das zweite Blechelement eine Dicke aufweist, welche größer als 0,2mm und kleiner als 1mm ist.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass Blechelement mit einer entsprechenden Dicke besonders einfach herzustellen und zu verarbeiten ist. Zudem sind solche Blechdicken auf dem Markt standardmäßig verfügbar und müssen nicht gesondert für den Anwendungsfall produziert werden. Hierdurch können die Kosten der Vorrichtung gering gehalten werden.
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Die Erfindung betrifft zudem ein elektrisches System mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das elektrische System einen Stromleiter aufweist, wobei der Stromleiter des elektrischen Systems entlang einer Durchführrichtung durch die vom Magnetfeldkonzentrator gebildete Öffnung der Vorrichtung durchgeführt ist.
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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 eine Phase des Wechselrichters sein, wodurch der entsprechende Phasenstrom messbar ist.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms in einer Schnittdarstellung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms in einer Schnittdarstellung.
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Dargestellt ist eine Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist einen Magnetfeldsensor 20 und einen Magnetfeldkonzentrator 30 auf und ist dazu eingerichtet, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors 20 zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, welcher durch einen Stromleiter 100 fließt. Hierbei ist der Magnetfeldkonzentrator 30 derartig u-förmig ausgebildet, dass ein Luftspalt 36 und eine Öffnung 37 zwischen den beiden Schenkeln des Magnetfeldkonzentrators 30 gebildet sind. Der Magnetfeldsensor 20 ist in dem gebildeten Luftspalt 36 angeordnet und der Stromleiter 100 ist entlang einer Durchführrichtung 110 durch die vom Magnetfeldsensor 37 gebildete Öffnung 37 durch die Vorrichtung 10 durchgeführt. Die Durchführrichtung 110 ist hierbei senkrecht in die Zeichenebene dargestellt.
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Des Weiteren umfasst der Magnetfeldkonzentrator 30 ein erstes, ferromagnetisches Blechelement 31, ein zweites, ferromagnetisches Blechelement 32 und ein drittes, ferromagnetisches Blechelement 33, welche derartig ausgestaltet und angeordnet sind, dass das erste Blechelement 31, das zweite Blechelement 32 und das dritte Blechelement parallel zur Durchführrichtung 110 des Stromleiters 100 angeordnet und in radialer Richtung zur Durchführrichtung 110 von innen nach außen gestapelt sind. Hierbei ist das erste Blechelement 31 radial zur Durchführrichtung 110 gesehen innenliegend angeordnet. Das zweite Blechelement 32 ist des Weiteren gegenüber dem ersten Blechelement 31 außenliegend angeordnet. Das Dritte Blechelement 33 ist gegenüber dem ersten Blechelement 31 und dem zweiten Blechelement 32 außenliegend angeordnet.
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Das erste Blechelement 31, das zweite Blechelement 32 und das dritte Blechelement 33 weisen jeweils eine Dicke D auf, welche größer als 0,2mm und kleiner als 0,5mm ist.
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Des Weiteren weisen das erste Blechelement 31, das zweite Blechelement 32 und das dritte Blechelement 33 jeweils unterschiedliche Materialzusammensetzungen auf, welche derartig gewählt sind, dass die magnetische Leitfähigkeit des dritten Blechelements 33 größer als die magnetische Leitfähigkeit des zweiten Blechelements 32 und diese wiederum größer als die magnetische Leitfähigkeit des ersten Blechelements 31 ist. Dies bedeutet, dass die magnetische Leitfähigkeit von außenliegenden Blechelementen gegenüber innenliegenden Blechelementen größer ist.
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Zudem ist jeweils zwischen zwei aufeinander gestapelten Blechelementen 31, 32, 33 eine elektrische Isolationsschicht 35 angeordnet, welche die jeweiligen Blechelement-Paare voneinander isoliert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005018637 A1 [0002]
