DE102022101970A1 - Magnetkernfreies Stromsensormodul - Google Patents

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Abstract

Magnetkernfreies Stromsensormodul (100) zum Messen eines in einem Busbar (102) fließenden elektrischen Stroms, wobei das Stromsensormodul (100) eine zum Messen des Stroms ausgebildete elektronische Komponente (104), eine elektrisch isolierende Verkapselung (106), in der die elektronische Komponente (104) zumindest teilweise verkapselt ist, wobei die elektrisch isolierende Verkapselung (106) mindestens ein Verbindungsloch (108) zum Verbinden mit dem Busbar (102) aufweist, und mindestens ein Einpresselement (112) zum Verbinden der Verkapselung (106) mit dem Busbar (102) mittels Einführens des mindestens einen Einpresselements (112) in das mindestens eine Verbindungsloch (108) der elektrisch isolierenden Verkapselung (106) und in mindestens ein weiteres Verbindungsloch (110) des Busbar (102) aufweist.

Description

  • Hintergrund
  • Technisches Gebiet
  • Verschiedene Ausführungsformen betreffen allgemein Stromsensormodule zum Messen eines in einem Busbar fließenden elektrischen Stroms, elektronische Vorrichtungen, eine Verwendung eines Stromsensormoduls oder einer elektronischen Vorrichtung, und ein Verfahren zum Nachrüsten eines Busbar mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Beispielsweise zur Fahrzeugsteuerung werden Stromsensoren für die Überwachung von elektrischen Schaltkreiselementen benötigt, die den in Leitern fließenden elektrischen Strom detektieren und erfasste Signale an eine Auswerteeinrichtung übermitteln.
  • Herkömmlich werden hierfür Stromsensoren verwendet, die einen stromdurchflossenen Leiter (zum Beispiel einen Busbar) umschließen, um mittels eines Magnetkerns das ihn umgebende Magnetfeld zu bündeln und aus einer Magnetfeldmessung auf die Stärke des elektrischen Stromes durch den Leiter zu schließen.
  • Weiter ist vorgeschlagen worden, einen Stromsensor ohne Magnetkern an einem Busbar zu verschrauben.
  • Zusammenfassung
  • Es könnte ein Bedürfnis geben, ein kompaktes Stromsensormodul mit hoher Leistungsfähigkeit bereitzustellen.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel eines ersten Aspekts ist ein magnetkernfreies Stromsensormodul zum Messen eines in einem Busbar fließenden elektrischen Stroms geschaffen, wobei das Stromsensormodul eine zum Messen des Stroms ausgebildete elektronische Komponente, eine elektrisch isolierende Verkapselung, in der die elektronische Komponente zumindest teilweise verkapselt ist, wobei die elektrisch isolierende Verkapselung mindestens ein Verbindungsloch zum Verbinden mit dem Busbar aufweist, und mindestens ein Einpresselement zum Verbinden der Verkapselung mit dem Busbar mittels Einführens des mindestens einen Einpresselements in das mindestens eine Verbindungsloch der elektrisch isolierenden Verkapselung und in mindestens ein weiteres Verbindungsloch des Busbar aufweist.
  • Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts ist eine elektronische Vorrichtung geschaffen, die ein magnetkernfreies Stromsensormodul mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Messen eines in einem Busbar fließenden elektrischen Stroms, und den Busbar mit dem mindestens einen weiteren Verbindungsloch zum Verbinden mit dem Stromsensormodul aufweist, wobei die Verkapselung mit dem Busbar mittels Einführens des mindestens einen mechanischen Einpresselements in das mindestens eine Verbindungsloch der elektrisch isolierenden Verkapselung und in das mindestens eine weitere Verbindungsloch des Busbar verbunden oder verbindbar ist.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel eines zweiten Aspekts ist ein magnetkernfreies Stromsensormodul zum Messen eines in einem Busbar fließenden elektrischen Stroms bereitgestellt, wobei das Stromsensormodul eine zum Messen des Stroms ausgebildete elektronische Komponente, eine elektrisch isolierende Verkapselung, in der die elektronische Komponente zumindest teilweise verkapselt ist, wobei die elektrisch isolierende Verkapselung zum Verbinden mit dem Busbar ausgebildet ist, und mindestens eine gegenüber der Verkapselung freigelegte elektromechanische Anschlusseinrichtung zum Vermitteln eines von der elektronischen Komponente erfassten Sensorsignals aufweist.
  • Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts ist eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die ein magnetkernfreies Stromsensormodul mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Messen eines in einem Busbar fließenden elektrischen Stroms, wobei mindestens ein elektromechanisches Verbindungselement in die mindestens eine elektromechanische Anschlusseinrichtung eingesteckt oder einsteckbar ist, und den Busbar aufweist, der mit dem Stromsensormodul verbunden oder verbindbar ist.
  • Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel wird ein Stromsensormodul gemäß dem ersten Aspekt oder gemäß dem zweiten Aspekt oder eine elektronische Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt oder gemäß dem zweiten Aspekts für eine Anwendung aus einer Gruppe verwendet, die besteht aus einer Automobil-Anwendung, einer Schienenfahrzeug-Anwendung und einer Industrie-Anwendung.
  • Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Nachrüsten eines Busbar mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Bereitstellen eines magnetkernfreien Stromsensormoduls gemäß dem ersten Aspekts, und ein Verbinden der Verkapselung mit dem Busbar mittels Einführens des mindestens einen mechanischen Einpresselements in das mindestens eine Verbindungsloch der Verkapselung und in das mindestens eine weitere Verbindungsloch in dem Busbar aufweist.
  • Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel gemäß dem ersten Aspekt hat den Vorteil, dass aufgrund seiner magnetkernfreien Konfiguration das Stromsensormodul mit geringem Herstellungsaufwand kompakt und leichtgewichtig ausgebildet werden kann. Dadurch kann Bauraum gewonnen werden. Dies ermöglicht die Nutzung von Leistungsreserven herkömmlicher Ansätze. Außerdem kann das beschriebene magnetkernfreie Stromsensormodul universell zum Nachrüsten eines Busbar mit einer Strommessfunktion eingesetzt werden, ohne dass eine applikationsspezifische Anpassung erforderlich wäre. Insbesondere kann ein solches Nachrüsten auch für unterschiedliche Dicken und Größen von Busbars ermöglicht werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich in diesem Zusammenhang erwiesen, zum Verbinden einer verkapselten elektronischen Strommess-Komponente mit einem Busbar ein oder mehrere Einpresselemente zu verwenden, das bzw. die in korrespondierende Verbindungslöcher in Busbar und Verkapselung eingepresst bzw. eingeführt werden. Anders als bei herkömmlich eingesetzten Verbindungsmitteln in Form von Schrauben kann es beim Einpressen eines Einpresselements in Verbindungslöcher von Busbar und Verkapselung nicht zu einem unerwünschten Abrieb von metallischen Partikeln kommen, welche die magnetische Strommessung erheblich stören können. Was noch schwerer wiegt, der Einsatz mindestens eines Einpresselements zum Verbinden von Busbar und Verkapselung mittels Einpressens stellt sicher, dass die Verbindung aus Busbar und Verkapselung selbst unter rauen Umgebungsbedingungen im Langzeitbetrieb vor einem unerwünschten Lockern zuverlässig geschützt ist. Nach Einpressen eines Einpresselements in Verbindungslöcher von Busbar und Verkapselung kann also der räumliche Bezug zwischen Busbar und Verkapselung langfristig konstant gehalten werden, sodass sich keine nennenswerte Veränderung der Sensorcharakteristik mit der Zeit ergibt. Dies macht ein magnetkernfreies Stromsensormodul gemäß dem ersten Aspekt besonders gut geeignet für Anwendungen, in denen in rauer Umgebung ein fehlerrobuster und wartungsfreier Betrieb über eine lange Zeit hinweg sichergestellt werden muss. Dies ist beispielsweise bei Automotive-Anwendungen eine Anforderung. Außerdem eignen sich Einpresselemente gut für eine Fertigung mit hohem Durchsatz, da diese beispielsweise aus einem Gurt oder einem Spender ausgestoßen werden können.
  • Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel gemäß dem zweiten Aspekt hat ebenfalls den Vorteil, dass aufgrund der magnetkernfreien Konfiguration das Stromsensormodul mit geringem Herstellungsaufwand kompakt und leichtgewichtig und daher bauraumsparend gefertigt werden kann und als universeller Nachrüstsatz eingesetzt werden kann. Darüber hinaus kann es die sich ausgehend von der Verkapselung erstreckende elektromechanische Anschlusseinrichtung ermöglichen, mittels der elektronischen Komponente erfasste messstrombezogene Sensorsignale einer elektronischen Peripherie zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. An der elektromechanischen Anschlusseinrichtung können somit die Sensorsignale abgenommen und weiter kommuniziert werden. Hierbei kann durch Ausbilden einer mechanischen Verbindung mit der Anschlusseinrichtung simultan eine elektrische Kopplung bewerkstelligt werden, mittels welcher die Sensorsignale weitervermittelt werden können. Beispielsweise, aber nicht zwingend, kann die elektromechanische Anschlusseinrichtung mindestens eine Anschlusshülse aufweisen, in die Anschlusselemente zum Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit der Anschlusshülse eingeführt werden können. Dadurch kann ein Toleranzausgleich vorgenommen werden. Eine elektromechanische Anschlusseinrichtung kann ferner von einem Benutzer intuitiv gehandhabt werden, um die Sensorsignale einer Weiterverarbeitung oder Auswertung zu unterziehen.
  • Gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen können der erste Aspekt und der zweite Aspekt separat voneinander implementiert werden oder miteinander kombiniert werden.
  • Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff „magnetkernfreies Stromsensormodul“ insbesondere verstanden werden, dass das Stromsensormodul ohne magnetischen Flusskonzentrator ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann das Stromsensormodul von einem Magnetkern frei sein, der ein von dem durch den Busbar fließenden elektrischen Strom erzeugtes Magnetfeld im Bereich einer elektronischen Strommess-Komponente bündelt. Stattdessen kann bei einem magnetkernfreien Stromsensormodul das von einem durch den Busbar fließenden elektrischen Strom generierte Magnetfeld direkt von der elektronischen Komponente zum Messen des Stroms erfasst werden.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff „Busbar“ insbesondere eine Stromschiene verstanden werden, die im Betrieb von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Beispielsweise kann ein Busbar als Metallstreifen ausgebildet werden, der beispielsweise strukturiert sein kann. Mittels einer solchen Strukturierung kann der Metallstreifen beispielsweise mit einem oder mehreren Verbindungslöchern versehen werden und/oder zum Verfeinern der Strommessung lokal gedünnt werden. Bevorzugt kann der Busbar aus einem metallischen Material gebildet sein, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Eisen. Insbesondere kann ein Busbar eine Sammelschiene sein, die als Anordnung von elektrischen Leitern als zentraler Verteiler elektrischer Energie fungieren kann. Beispielsweise können an eine solche Sammelschiene ankommende und abgehende Leitungen angeschlossen sein.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff „elektronische Komponente zum Messen von Strom“ insbesondere ein elektronisches Bauteil verstanden werden, das für einen elektrischen Strom in einem benachbarten Busbar indikative Sensorsignale generieren kann. Insbesondere kann die elektronische Komponente ein Hall-Sensor sein, der in Anwesenheit eines von dem zu messenden elektrischen Strom erzeugten Magnetfelds eine Hall-Spannung erfassen kann, die ein Maß für die elektrische Stromstärke ist. Insbesondere kann das elektronische Bauteil als Halbleiterbauteil ausgebildet sein, weiter insbesondere als Halbleiterchip. Hall-Sensoren können zum Beispiel aus kristallinen dotierten Halbleiter-Schichten gebildet sein, die Elektroden aufweisen können. Durch zwei gegenüberliegende Elektroden kann ein Hilfsstrom eingespeist werden, wohingegen zwei weitere orthogonal dazu liegende Elektroden zur Abnahme der Hall-Spannung eingesetzt werden können. Wird ein solcher Hall-Sensor von einem senkrecht zur Schicht verlaufenden Magnetfeld durchsetzt, das durch den elektrischen Strom in dem Busbar erzeugt wird, liefert der Hall-Sensor eine Ausgangsspannung, die einen Rückschluss auf den Strom in dem Busbar erlaubt. Insbesondere kann die elektronische Komponente zum Messen von Strom den elektrischen Strom in dem Busbar galvanisch getrennt oder berührungslos erfassen. Ein Sensormodul gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann auch mit differenziellen Hall-Sensoren verwendet werden, was die Robustheit gegenüber magnetischen Störfeldern erhöht. Alternativ zu einem Hall-Sensor sind andere elektronische Komponenten zum Messen von Strom möglich, zum Beispiel Stromsensoren unter Verwendung magnetoresistiver Effekte, etwa giant magnetoresistiver Effekt GMR, anisotroper magnetoresistiver Effekt AMR, oder Tunnel magnetoresistiver Effekt TMR.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff „Verkapselung“ insbesondere ein die elektronische Komponente zumindest teilweise umgebendes Material verstanden werden, das elektrisch isolierend und vorzugsweise wärmeleitfähig sein kann. Bei der Verkapselung kann es sich beispielsweise um ein beliebiges Vergussmaterial handeln. Zum Beispiel kann die Verkapselung ein Mold-Material sein. Alternativ kann die Verkapselungsmittel eine durch Vergießen gebildete Vergussmasse sein.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff „Verbindungsloch“ insbesondere eine Einführöffnung in der Verkapselung bzw. in dem Busbar verstanden werden, die zum Einführen eines korrespondierenden Einpresselements ausgebildet sein kann. Ein solches Verbindungsloch kann beispielsweise ein Blindloch oder ein Durchgangsloch sein. Ein Innendurchmesser des Verbindungslochs kann vor dem Einpressen kleiner als ein Außendurchmesser des Einpresselements sein, um eine Press- oder Klemm-Verbindung zu ermöglichen.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff „Einpresselement“ insbesondere ein Verbindungselement zum Verbinden der Verkapselung mit dem Busbar verstanden werden, das durch Einpressen in Verbindungslöcher von Verkapselung und/oder Busbar besagte Verbindung ausbildet. Somit kann das Ausbilden der Verbindung zwischen Verkapselung und Busbar durch das Einpresselement mittels einer Einpresstechnik bewerkstelligt werden, bei der zum Beispiel ein Kontaktstift in eine Sacklochkontaktierung oder in eine Durchkontaktierung von Verkapselung bzw. Busbar gedrückt wird. Durch das Einpressen einer Stiftfläche oder durch das Einschneiden von Stiftkanten in die Verkapselung bzw. den Busbar entsteht eine zuverlässige und langlebige mechanische Verbindung. Insbesondere kann mittels eines Einpresselements eine Pressverbindung mit Verkapselung und Busbar ausgebildet werden. Eine solche Pressverbindung kann als reibschlüssige Verbindung des Einpresselements mit Verkapselung bzw. Busbar bezeichnet werden. Diese kann zum Beispiel durch mechanisches Verklemmen eines elastisch oder plastisch deformierbaren Einpresselements ausgebildet werden. Es ist auch möglich, bei der Verbindung eines Einpresselements mit Verkapselung bzw. Busbar das Phänomen der thermischen Ausdehnung auszunützen. So können zum Beispiel Busbar, Verkapselung und Einpresselement im gekühlten Zustand zusammengesetzt werden und dann nach Erwärmen auf Raumtemperatur fest durch Kaltdehnen zusammenhängen, da sie sich durch das Ausdehnen fest verkeilt bzw. verpresst haben. Wird im Gegensatz dazu mindestens eines der genannten Teile erhitzt, bevor es mit den anderen zusammengesetzt wird, erfolgt die Pressverbindung durch Aufschrumpfen.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff „elektromechanische Anschlusseinrichtung zum Vermitteln eines Sensorsignals“ insbesondere eine Einrichtung verstanden werden, die zum Anschließen eines elektromechanischen Verbindungselements als Gegenstück derart ausgebildet ist, dass durch das Anschließen gleichzeitig eine mechanische und eine elektrische Verbindung zwischen der elektromechanischen Anschlusseinrichtung und dem elektromechanischen Verbindungselement ausgebildet wird. Zum Beispiel kann die elektromechanische Anschlusseinrichtung mindestens eine vorzugsweise trichterförmige Anschlusshülse aufweisen, in die als elektromechanisches Verbindungselement ein jeweiliger Anschlusspin eingeführt werden kann. Allerdings sind andere elektromechanische Anschlusseinrichtungen möglich. Durch das Anschließen der elektromechanischen Anschlusseinrichtung an ein elektromechanisches Verbindungselement kann am elektromechanischen Verbindungselement ein Sensorsignal abgenommen werden.
  • Im Weiteren werden zusätzliche exemplarische Ausführungsbeispiele der Stromsensormodule, der elektronischen Vorrichtungen, der Verwendung und des Verfahrens beschrieben.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die elektrisch isolierende Verkapselung zwei Verbindungslöcher zum Verbinden mit dem Busbar und das Stromsensormodul zwei Einpresselemente zum Einführen in die Verbindungslöcher von Verkapselung und Busbar zum Verbinden der Verkapselung mit dem Busbar aufweisen. Durch Ausbilden einer Mehrfachverbindung zwischen Busbar und Stromsensormodul unter Verwendung von zwei oder mehr Einpresselementen kann die langfristige Zuverlässigkeit der Verbindung und daher die Genauigkeit der Stromerfassung weiter verbessert werden. Zum Beispiel können genau zwei Einpresselemente zur Verbindung eines Busbar mit einem Stromsensormodul eingesetzt werden, was zu einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Verbindungsaufwand und Zuverlässigkeit der Verbindung führt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine Einpresselement aus einer Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus mindestens einem Niet, mindestens einem Einstemmkontakt, mindestens einem heiß verstemmtem Kunststoffdom und mindestens einem Pressfitelement. Unter einem Niet kann ein plastisch verformbares, beispielsweise zylindrisches Verbindungselement verstanden werden. Bei einem Pressfitelement kann eine größere Ausdehnung seiner Einpresszone im Vergleich zum jeweiligen Verbindungsloch ausgenutzt werden. Durch den Einpressprozess kann ein Anschlussstift des Pressfitelements plastisch verformt werden und dadurch ein Kontakt mit hohen Haltekräften erreicht werden. Bei einem Einstemmkontakt kann die Verbindung mittels Einstemmens ausgebildet werden, zum Beispiel unter Verwendung eines Stemmeisens. Ein heiß verstemmter Kunststoffdom kann bei erhöhter Temperatur eingestemmt werden, was zu einer Verformung des Kunststoffdoms und dadurch zur Ausbildung einer festen Verbindung mit Verkapselung und/oder Busbar führt. Heißverstemmen erlaubt somit das Ausbilden von dauerhaften formschlüssigen und kraftschlüssigen (sowie optional zusätzlich stoffschlüssigen) Verbindungen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine Pressfitelement einen deformierbaren Abschnitt aufweisen, der zum Verbinden des Busbar mit der Verkapselung in mindestens einem weiteren Verbindungsloch des Busbar quer zu einer Einführrichtung des mindestens einen Pressfitelements komprimierbar ist. Beispielsweise kann der deformierbare Abschnitt ösenförmig sein und in seitlicher Richtung (insbesondere plastisch oder elastisch) deformierbar sein. Ein solches Pressfitelement kombiniert eine geringe Setzkraft mit einer hohen Haltekraft.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Stromsensormodul einen Träger aufweisen, auf dem die elektronische Komponente montiert ist. Zum Beispiel kann der Träger eine Leiterplatte (PCB, printed circuit board), ein IC (integrated circuit) Substrat und/oder eine Leiterrahmenstruktur sein. Auf diese Weise kann das Stromsensormodul vor seiner Verkapselung in definierter Weise montiert und optional auch elektrisch kontaktiert werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Träger teilweise in der Verkapselung verkapselt und zumindest an einer Unterseite gegenüber der Verkapselung freigelegt ist. Beispielsweise kann mindestens ein elektrischer Kontakt des Trägers, der mit der elektronischen Komponente elektrisch leitfähig gekoppelt ist, gegenüber der Verkapselung freigelegt sein, um elektrische Sensorsignale der elektronischen Komponente vorzugsweise über eine elektromechanische Anschlusseinrichtung des Stromsensormoduls weiter zu vermitteln.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Stromsensormodul eine Leiterplatte aufweisen, die mit der elektronischen Komponente elektrisch leitfähig gekoppelt oder koppelbar ist. Besagte Leiterplatte kann insbesondere zusätzlich zu dem zuvor angesprochenen Träger bereitgestellt werden und vollständig außerhalb der Verkapselung angeordnet sein. Zum Beispiel kann die besagte Leiterplatte ein PCB sein. Die Leiterplatte kann mit einem oder mehreren weiteren elektronischen Komponenten bestückt sein, die beispielsweise zur Weiterverarbeitung der übermittelten Sensorsignale ausgebildet sein können.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Stromsensormodul eine Stecker-und/oder-Buchse-Einrichtung aufweisen, die mittels eines Verbindungskabels zum elektrisch leitfähigen Koppeln der Leiterplatte und der elektronischen Komponente ausgebildet ist. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 14 dargestellt. Zum Beispiel kann an der Leiterplatte ein Stecker oder eine Buchse montiert sein, der oder die mit Leiterbahnen und/oder elektronischen Komponenten der Leiterplatte elektrisch leitfähig gekoppelt sein kann. Alternativ oder ergänzend kann an der Verkapselung und/oder an dem Träger der elektronischen Komponente ein Stecker oder eine Buchse montiert sein, der oder die mit der zumindest teilweise verkapselten elektronischen Komponente zur Strommessung gekoppelt sein kann. Die mindestens eine Buchse und/oder der mindestens eine Stecker an Leiterplatte und/oder Komponente können über ein elektrisches Verbindungskabel miteinander verbunden sein. Zu diesem Zweck kann das elektrische Verbindungskabel ebenfalls mit mindestens einem Gegenstecker und/oder mit mindestens einer Gegenbuchse versehen sein. Auf diese Weise kann aufgrund eines flexiblen elektrischen Verbindungskabels die Leiterplatte strukturell getrennt von elektronischer Komponente, Verkapselung und Busbar angeordnet sein. Dadurch wird die Möglichkeit eines freien Designs gefördert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Verkapselung an oder über der Leiterplatte befestigt sein. Ein solches Ausführungsbeispiel ist zum Beispiel in 1 dargestellt. Leiterplatte und Verkapselung können mittels mindestens eines Verbindungselements beispielsweise eines Abstandshalters miteinander starr verbunden sein und eine strukturelle Einheit bilden. Das Stromsensormodul kann dann einstückig handhabbar sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Stromsensormodul einen Abstandshalter zum Beabstanden der Leiterplatte gegenüber der Verkapselung aufweisen. Dieser Abstandshalter kann gleichzeitig das zuvor angesprochene mindestens eine Verbindungselement bilden. Durch definiertes Beabstanden des Busbar und der elektronischen Komponente einerseits von der Leiterplatte anderseits kann eine unerwünschte elektromagnetische Wechselwirkung zwischen einem Stromfluss der Leiterplatte und der elektronischen Komponente vermieden werden, welche die Genauigkeit der Messung des elektrischen Stroms des Busbar durch die elektronische Komponente beeinträchtigen könnte. Auf diese Weise kann eine hochgenaue Strommessung gefördert werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Stromsensormodul mindestens eine gegenüber der Verkapselung freigelegte elektromechanische Anschlusseinrichtung zum Vermitteln eines von der elektronischen Komponente erfassten Sensorsignals aufweisen. Eine solche elektromechanische Anschlusseinrichtung kann es ermöglichen, mittels der elektronischen Komponente erfasste messstrombezogene Sensorsignale einer elektronischen Peripherie zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Bevorzugt kann die elektromechanische Anschlusseinrichtung mindestens eine Anschlusshülse aufweisen, in die mindestens ein korrespondierender Anschlussstift eines elektromagnetischen Verbindungselements selbstzentriert eingeführt werden kann. Andere Arten von elektromechanischen Anschlusseinrichtungen sind ebenfalls möglich, beispielsweise ein Stecker oder eine Buchse.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine elektromechanische Anschlusseinrichtung (zum Beispiel Anschlusshülse) mindestens einen trichterförmigen oder kegelförmigen Aufnahmekanal zum Aufnehmen eines elektromechanischen Verbindungselements aufweisen. Ein trichterförmiger Aufnahmekanal zum Aufnehmen eines Anschlussstifts oder eines anderen elektromechanischen Verbindungselements erlaubt eine Selbstzentrierung von Anschlusshülse und Anschlussstift zueinander und erlaubt auch einen Höhenausgleich. Vorteilhaft können dadurch Toleranzen ausgeglichen werden. Führt ein Benutzer einen Anschlussstift in Längsrichtung in eine Anschlusshülse ein, wird der Anschlussstift selbsttätig in Querrichtung ausgerichtet und in Längsrichtung bis zu einer gewünschten Position in der Anschlusshülse aufgenommen. Ferner kann simultan eine mechanische und eine elektrische Verbindung ausgebildet werden. Diese Konfiguration ist einfach und fehlerrobust.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Stromsensormodul das mindestens eine elektromechanische Verbindungselement zum elektromechanischen Verbinden mit der mindestens einen elektromechanischen Anschlusseinrichtung aufweisen. Bevorzugt können mehrere solche elektromechanischen Verbindungselemente miteinander zu einem einzigen, gemeinsam zu handhabenden Verbindungskörper zusammengefasst werden, der als Ganzes in eine korrespondierende Anordnung elektromechanischer Anschlusshülsen oder dergleichen eingeführt werden kann. Dies erhöht den Benutzerkomfort beim Installieren des Stromsensormoduls.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine elektromechanische Verbindungselement ein elektromechanisches Einpresselement, insbesondere ein Pressfitelement, sein. Besagtes Einpresselement des elektromechanischen Verbindungselements kann zum Beispiel ausgebildet sein wie oben für das mindestens eine Einpresselement zum Verbinden von Busbar und Verkapselung beschrieben. Vorteilhaft kann ein jeweiliges elektromechanisches Verbindungselement in eine jeweilige metallisierte Durchgangskontaktierung der Leiterplatte eingepresst werden, um simultan eine elektrische und eine mechanische Verbindung mit der Leiterplatte zu bilden. Auf diese Weise können die Sensorsignale der elektronischen Komponente zum Messen des Stroms im Busbar einfach und zuverlässig an die Leiterplatte übermittelt werden. Dort können diese Stromsignale beispielsweise ausgewertet oder weiterverarbeitet werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine elektromechanische Pressfitelement einen deformierbaren Abschnitt aufweisen, der in mindestens eine
  • Verbindungsdurchführung einer Leiterplatte quer zu einer Einführrichtung des Pressfitelements komprimierbar ist. Beispielsweise kann der deformierbare Abschnitt ösenförmig sein und in seitlicher Richtung (insbesondere plastisch oder elastisch) deformierbar sein. Ein solches Pressfitelement kombiniert eine geringe Setzkraft mit einer hohen Haltekraft.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine elektromechanische Pressfitelement an einem dem deformierbaren Abschnitt gegenüberliegenden anderen Abschnitt einen Kontaktstift aufweisen, der in die elektromechanische Anschlusseinrichtung eingeführt oder einführbar ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine elektromechanische Verbindungselement in mindestens eine Verbindungsdurchführung in der Leiterplatte eingeführt oder einführbar sein. Dies wird bevorzugt durch den oben beschriebenen deformierbaren Abschnitt bewerkstelligt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das elektromechanische Verbindungselement zum Übertragen eines von der elektronischen Komponente erfassten Sensorsignals von der mindestens einen elektrischen Anschlusseinrichtung an die mindestens eine Verbindungsdurchführung der Leiterplatte ausgebildet sein. Somit kann ein Sensorsignal von der elektronischen Komponente optional über einen Träger der elektronischen Komponente und über die elektromechanische Anschlusseinrichtung sowie das zugehörige elektromechanische Verbindungselement bis in die Leiterplatte übertragen werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Stromsensormodul an einer Verengung des Busbars angeordnet sein. Anschaulich kann durch eine laterale Einschnürung des Busbar im Bereich der Anbringung des Stromsensormoduls der entlang des Busbar fließende elektrische Strom an der Verengung konzentriert und das dadurch generierte Magnetfeld räumlich am Ort des Stromsensormoduls fokussiert werden. Dadurch kann eine hohe Messgenauigkeit des elektrischen Stroms durch das Stromsensormodul erreicht werden, ohne dass ein flusskonzentrierender Magnetfeldkern benötigt wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Haupterstreckungsrichtung des Stromsensormoduls entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Busbar ausgerichtet sein. Anders ausgedrückt kann eine Haupterstreckungsrichtung des Busbar mit einer Haupterstreckungsrichtung des Stromsensormoduls fluchten. Hierbei kann eine Haupterstreckungsrichtung einer Dimension größter Ausdehnung des Busbar bzw. des Stromsensormoduls entsprechen. Bei einem solchen, zum Beispiel in 2 dargestellten, Ausführungsbeispiel kann ein besonders kompaktes Stromsensormodul erhalten werden.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Haupterstreckungsrichtung des Stromsensormoduls gegenüber einer Haupterstreckungsrichtung des Busbar verdreht angeordnet sein (siehe zum Beispiel 4). Auch in diesem Fall kann eine Haupterstreckungsrichtung einer Dimension größter Ausdehnung des Busbar bzw. des Stromsensormoduls entsprechen. Anschaulich kann bei der beschriebenen Ausgestaltung eine Haupterstreckungsrichtung des Stromsensormoduls mit einer Haupterstreckungsrichtung des Busbar einen von Null verschiedenen Winkel, insbesondere spitzen Winkel, einschließen. Zum Beispiel kann ein Verdrehwinkel nicht größer als 45° sein. Bei einer verdrehten Anordnung zwischen Stromsensormodul und Busbar kann es vorteilhaft möglich sein, ein unerwünschtes Übersprechen (Crosstalk) zumindest teilweise zu kompensieren. Dadurch kann die Messgenauigkeit des elektrischen Stroms im Busbar weiter verbessert werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die elektronische Vorrichtung einen Inverter-Schaltkreis aufweisen, mit dem der Busbar elektrisch gekoppelt ist. Ein Inverter oder Wechselrichter kann ein Schaltkreis sein, der Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Ein solcher Inverter-Schaltkreis (oder ein Umrichter-Schaltkreis) kann zum Beispiel in einer Motorsteuerung eines Fahrzeugs zum Einsatz kommen. Somit kann ein Inverter-Schaltkreis insbesondere für Automotive-Anwendungen vorteilhaft sein.
  • Bei einem Dreiphasenbetrieb einer Motorsteuerung oder Motorregelung kann insbesondere für jede Phase ein separates magnetkernfreies Stromsensormodul mit den oben beschriebenen Merkmalen an einem Busbar vorgesehen werden. Dann kann für jede Phase separat der Strom durch den Busbar erfasst werden und das Messergebnis zur Motorsteuerung oder Motorregelung eingesetzt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Verbindung der Verkapselung mit dem Busbar, insbesondere die gesamte elektronische Vorrichtung, schraubenfrei sein, d.h. ohne Verbindungsschrauben auskommen. Wenn keinerlei Schrauben zur Verbindung von Verkapselung und Busbar eingesetzt werden, kann ein unerwünschter metallischer Abrieb von Schrauben vermieden werden, der die Magnetfeld-basierte Strommessung durch die elektronische Komponente unerwünscht beeinflussen könnte. Außerdem kann bei Verbindung von Verkapselung mit Busbar ausschließlich unter Verwendung von einem oder mehreren Einpresselementen ein unerwünschtes Lockern dieser Verbindung mit der Zeit vermieden werden, wie es beim Einsatz von Schrauben vorkommen kann. Durch das Vermeiden des Lockerns der Verbindung zwischen Verkapselung und Busbar kann mit Vorteil sichergestellt werden, dass die Sensorcharakteristik über die Zeit hinweg konstant bleibt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Stromsensormodul nur an einer von zwei gegenüberliegenden Hauptflächen des Busbar angeordnet sein und die Verkapselung von der anderen der zwei Hauptflächen aus mittels des mindestens einen Einpresselements mit dem Busbar verbunden oder verbindbar sein. Unter Hauptflächen können in diesem Zusammenhang zwei einander gegenüberliegende größte Flächen des zum Beispiel streifenförmigen oder plattenförmigen Busbar verstanden werden. Wenn das gesamte Stromsensormodul nur einseitig an dem Busbar angebracht ist, erleichtert dies die Montage und verringert dies den erforderlichen Bauraum. Die gegenüberliegende Hauptfläche des Busbar kann dann frei bleiben. Dadurch ist eine einfache Montage ermöglicht und ist ein Nachrüsten erleichtert.
  • Ein differentielles Sensorschema bietet eine ausgeprägte intrinsische Streufeldrobustheit für die Sensorimplementierung.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Querschnittsansicht einer elektronischen Vorrichtung mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul und einem Busbar gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 2 eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul und einem Busbar gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 3 eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Vorrichtung mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul und einem Busbar gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 4 eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul und einem Busbar gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 5 ein Busbar für eine elektronische Vorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 6 ein Busbar für eine elektronische Vorrichtung gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 7 ein als Pressfitelement ausgebildetes Einpresselement für ein magnetkernfreies Stromsensormodul gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 8 ein als Niet ausgebildetes Einpresselement für ein magnetkernfreies Stromsensormodul gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 9 bis 11 unterschiedliche Querschnittsansichten während des Montierens einer elektronischen Vorrichtung mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul und einem Busbar gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 12 eine Querschnittsansicht einer elektronischen Vorrichtung gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel, das sich von 11 hinsichtlich einer Bauhöhe unterscheidet.
    • 13 einen Schaltplan einer elektronischen Vorrichtung mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul und Busbars sowie mit einem Inverter-Schaltkreis gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 14 eine Querschnittsansicht einer elektronischen Vorrichtung mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul und einem Busbar gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 15 eine zweidimensionale Anordnung von Pressfitelementen für ein magnetkernfreies Stromsensormodul gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 16 einen als Montagehilfe für elektromechanische Verbindungselemente dienenden Abstandshalter für ein magnetkernfreies Stromsensormodul gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 17 den Abstandshalter gemäß 16 mit daran angebrachten elektromechanischen Verbindungselementen.
    • 18 den mit elektromechanischen Verbindungselementen verbundenen Abstandshalter gemäß 16 und 17 mit weiteren Elementen des magnetkernfreien Stromsensormoduls.
    • 19 das magnetkernfreie Stromsensormodul gemäß 18 mit daran montierter Leiterplatte.
    • 20 eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul und einem Busbar gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
    • 21 eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul und einem Busbar gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel.
  • Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen noch einige allgemeine Überlegungen erläutert werden, auf deren Basis exemplarische Ausführungsbeispiele entwickelt wurden:
    • Strommessung ist ein wichtiges Anwendungsgebiet für viele technische Applikationen. Dies gilt besonders im Hinblick auf die Elektrifizierung von Automobilantrieben, einschließlich Anwendungen wie Roller, Zweiradfahrzeuge und Vierradfahrzeuge.
  • Insbesondere kommen Stromsensoren in Batterieüberwachungssystemen, Stromverteilungssystemen, Batterietrennschaltern, elektrischen Sicherungen, Leistungsinvertern, etc., zum Einsatz.
  • Für Hochstromanwendungen und/oder Anwendungen, die eine galvanische Trennung zwischen einem einen Prüfstrom führenden Leiter und einem Stromsensorausgang erfordern, werden magnetische Stromsensoren eingesetzt. Diese Geräte erfassen den Prüfstrom indirekt, indem sie die durch den Prüfstrom erzeugte magnetische Flussdichte messen. Herkömmliche Implementierungen von magnetischen Stromsensoren verwenden einen Eisenkern als Feldkonzentrator, der um den den Prüfstrom führenden Leiter herumgeführt ist. Die Flussdichte im Feldkonzentrator hängt vom Prüfstrom ab. Die relative Permeabilität des Eisenkerns bewirkt hierbei eine Verstärkung der Flussdichte. Ein linearer Messfühler (zum Beispiel ein linearer Hall-Sensor) misst den durch den Prüfstrom erzeugten magnetischen Fluss und liefert somit ein galvanisch getrenntes Ausgangssignal, das den Prüfstrom abbildet. Andere Implementierungen magnetkernbasierter Sensoren kompensieren die durch den Prüfstrom erzeugte Flussdichte über eine Kompensationswicklung. In diesem Fall regelt die Messsonde die resultierende Flussdichte auf einen konstanten Wert (zum Beispiel Null), während der Kompensationsstrom proportional zum Prüfstrom ist.
  • Während der grundlegende Aufbau von magnetkernbasierten Sensoren relativ einfach ist, haben diese Implementierungen Nachteile: Hierzu gehören die erhebliche Größe und das erhebliche Gewicht des Magnetkerns. Zudem können Nichtlinearitätsfehler auftreten, die durch Sättigungseffekte verursacht sein können. Überdies können Offset-Fehler auftreten, die zum Beispiel durch Remanenzeffekte des Magnetkerns verursacht werden können.
  • Magnetkernlose oder magnetkernfreie Stromsensoren arbeiten ohne den Einsatz von Feldkonzentratoren, d.h. ohne Magnetkern. Im Gegensatz zu magnetkernbasierten Implementierungen messen diese Sensoren direkt die durch den Teststrom erzeugte Flussdichte. Durch die Vermeidung eines Eisenkerns können die zuvor aufgeführten Nachteile abgemildert werden oder sogar ganz entfallen. Allerdings wird die verfügbare Flussdichte an den sensorischen Elementen reduziert. Daher sollten die sensorischen Elemente so nah wie möglich am Leiter platziert werden. Da Stromsensoren häufig in einer EMI (elektromagnetische Interferenz)-kritischen Umgebung (insbesondere in einer Leistungselektronik) betrieben werden, ist es vorteilhaft, ein differentielles Sensorkonzept zu implementieren, das intrinsische Streufeld-Immunität in Bezug auf Störfelder bereitstellt, die von benachbarten Elementen (zum Beispiel Halbleitern, Kondensatoren, Induktivitäten, elektrischen Leitern) erzeugt werden.
  • Typische kernlose Implementierungen umfassen daher eine Sensorstruktur zur Erzeugung eines differentiellen magnetischen Flusses. Ferner kann eine dünne Isolationsschicht zwischen den sensorischen Elementen und dem Primärleiter vorgesehen werden.
  • Magnetkernlose Stromsensorlösungen können auf verschiedene Arten implementiert werden:
    • Integrated Current Rail (iCR) Lösungen mit integrierter Stromschiene beruhen auf einer Kombination aus Primärleiter, galvanischer Trennung sowie Feldsensor in einem Gehäuse. Diese Implementierungen erfordern, dass der Strom in das Sensorpaket eingespeist wird, daher wird die maximale Stromkapazität durch die Stromverarbeitungsfähigkeit des Gehäuses sowie die maximal zulässige Stromdichte im Leistungsverdrahtungssystem (zum Beispiel eine Leiterplatte) begrenzt, das zum Anschließen des Stromsensors an den Stromkreis verwendet wird.
  • Bei einer external Current Rail (eCR) Implementierung kann der Teststrom im Routing-System (PCB, Power Inlay, Busbar, etc.) verbleiben. Der Leiter wird so modifiziert, dass ein geeignetes Erfassungsfeld erzeugt wird, das von der (insbesondere differentiellen) Feldsonde erfasst werden kann. Abhängig vom Routing-System und der Methode der Sensorintegration ist es möglich, Sensorlösungen mit Skalenbereichen von 100 A bis zu mehreren kA zu implementieren.
  • Externe Stromschienenimplementierungen, die auf differenziellen Feldsonden basieren, bieten hochgenaue Strommesslösungen in Kombination mit geringer Verlustleistung. Nachteile sind ein komplexer Konstruktions- und Fertigungsprozess beim Endnutzer (zum Beispiel FEM (Finite Elemente Methode)-Simulationen für das Design, Ausrichtung von Sensor in Bezug auf Verdrahtungssystem, Isolationskoordination, Sensorkalibrierung). Daher sind eCR-Lösungen attraktiv für großvolumige Anwendungen (zum Beispiel Automobil-Anwendungen), die eine effiziente Fertigung erfordern. Für Anwendungen mit geringerem Volumen bzw. für diversifizierte Anwendungen werden Sensorimplementierungen mit vorgeprüften und kalibrierten Sensoren aufgrund der Benutzerfreundlichkeit und der vereinfachten Montageanforderungen bevorzugt.
  • Wünschenswert wäre ein magnetkernloses Nachrüstmodul für den Austausch magnetkernbasierter Sensoren in Hinblick auf den begrenzten Montageraum. Wünschenswert ist daher ein Sensormodul, das mit herkömmlichen Sammelschienenkonstruktionen kompatibel ist und das universell einsetzbar ist.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird ein universelles magnetkernloses Stromsensormodul geschaffen, das für verschiedenartige herkömmliche Konstruktionen und Formen von Sammelschienen oder Busbars adaptierbar ist. Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel ist in 1 dargestellt und wird unten näher beschrieben. Ein solches Ausführungsbeispiel schafft ein universelles magnetkernloses Stromsensormodul, das zu vielen verschiedenartigen Gestaltungen von Busbars passt, die herkömmlich verwendet werden.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein (insbesondere auf einer Magnetfeldmessung beruhendes) Stromsensormodul an einen Hochstrom-Busbar angeschlossen werden, um den in dem Busbar im Betrieb fließenden Strom mit hoher Genauigkeit und geringem Aufwand zu messen. Mit Vorteil kann ein solches Stromsensormodul magnetkernfrei und daher kompakt ausgebildet werden. Durch das Anbringen des Stromsensormoduls an nur einer Hauptfläche des Busbar ist eine einfache Montage ermöglicht. Ein solches Stromsensormodul kann universell an Busbars unterschiedlicher Geometrien angebracht werden und eignet sich auch besonders gut zum Nachrüsten bestehender Busbars mit einer Strommessfunktion. Vorteilhaft kann die Montage des Busbar am Stromsensormodul unter Verwendung eines Einpresselements erfolgen, wodurch eine abriebfreie Montage und daher artefaktfreie Strommessung sichergestellt werden kann. Die durch Abrieb erzeugten Partikel sind oft magnetisch oder magnetisierbar und können deshalb das am Sensorelement gemessene Magnetfeld beeinflussen und verfälschen. Außerdem kann durch Ausbilden einer Pressfit-Verbindung zwischen Stromsensormodul und Busbar eine dauerhaft gleichbleibende räumliche Beziehung zwischen Stromsensormodul und Busbar sichergestellt werden, was Positionstoleranzen reduziert und eine hochgenaue Strommessung über einen langen Zeitraum sicherstellt. Daher eignet sich ein magnetkernfreies Stromsensormodul gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel auch besonders gut für Automotive-Anwendungen, die eine exzellente Zuverlässigkeit erfordern. Ferner vorteilhaft ist das Zugänglichmachen eines Sensorsignals des Stromsensormoduls an einer elektromechanischen Anschlusseinrichtung. An dieser kann das Sensorsignal zur Weiterverarbeitung oder Auswertung in einfacher Weise abgenommen werden. Bevorzugt, aber nicht zwingend, kann eine solche elektromechanische Anschlusseinrichtung als eine oder mehrere Anschlusshülsen ausgebildet sein, die vorteilhaft trichterförmig realisiert werden können.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann daher ein magnetkernfreies Stromsensormodul bereitgestellt werden, das zum Austausch von magnetkernbasierten Stromsensoren einsetzbar ist und sich besonders gut zum Nachrüsten eignet. Ein Stromsensormodul gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen hat den Vorteil eines geringen Fertigungsaufwands mit gleichzeitig adaptivem Design (IC, PCB, Pressfit-Pins, Formgehäuse). Exemplarische Ausführungsbeispiele bieten daher eine höhere Flexibilität als magnetkernbasierte Stromsensoren. Dies beruht auf der universellen Möglichkeit der Integration verschiedenartiger Sammelschienendesigns in die Architektur eines Stromsensormoduls gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel. Ein solches magnetkernfreies Stromsensormodul ist einfach zu montieren, indem beispielsweise zwei Pressfit-Kontakte zur Sammelschiene und sechs Pressfit-Kontakte zur Leiterplatte eingesetzt werden. Mit Vorteil können daher zur Montage des Stromsensormoduls gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel Schrauben entbehrlich sein.
  • Das Design eines Stromsensormoduls gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist kompatibel mit unterschiedlichen Sammelschienenformen und Stanzkonfigurationen: Zum Beispiel kann bei einer exemplarischen Designregel die Größe eines Verbindungslochs in der Sammelschiene nicht kleiner sein als die maximale Dicke der Sammelschiene (was auf einer Stanzregel für Kupfer beruhen kann, die gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel beachtet werden soll). Das Material des Einpresselements sollte bevorzugt nicht magnetisch sein. Ferner ist bevorzugt, wenn das mindestens eine Einpresselement einen ausreichend niedrigen Setzwiderstand bewirkt. Optional kann im montierten Zustand das Stromsensormodul relativ zum Busbar um bis zu 45° verdreht angeordnet werden, um Übersprechen (d.h. eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen auf unterschiedlichen Leitern oder Busbars übermittelten Signalen und/oder Strömen) ganz oder teilweise zu reduzieren. Diese Reduktion ist etwa interessant, wenn einzelne Phasen eines Motors benachbart geführt werden, wie etwa in 13 gezeigt. Es kann dann vorkommen, dass ein Stromsensor Magnetfelder mehrerer Phasen gleichzeitig misst. In diesem Fall spricht man von einem Übersprechen des Magnetfelds einer ersten Phase auf einen Stromsensor einer zweiten Phase. Eine permanente Verbindung zwischen Busbar (auch als Sammelschiene bezeichnet) und dem magnetkernfreien Stromsensormodul kann zum Beispiel über Einpresskontakte oder Nieten (zum Beispiel aus Kupfer) erfolgen.
  • Eine Verbindung des Stromsensormoduls gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel und einer Leiterplatte einschließlich eine Abstandsanpassung von Sammelschiene zu Leiterplatte kann vorteilhaft über Pressfit-Kontakte und trichterförmige Anschlusshülsen (oder andere elektromechanische Anschlusseinrichtungen) bewerkstelligt werden, die bei der Montage auch eine ausgeprägte Toleranzkompensation in einer, zwei oder allen drei Raumrichtungen bieten können.
  • Zur Höhenanpassung können beispielsweise Pressfit-Kontakte mit unterschiedlicher Länge verwendet werden. Pressfit-Kontakte sind mit geringem Aufwand bereitstellbar, einfach zu montieren, und ermöglichen einen Toleranzausgleich über eine lange Betriebszeit hinweg.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist eine intelligente Implementierung eines magnetkernlosen Stromsensors als Nachrüstsatz bereitgestellt. Die Gestaltung eines magnetkernfreien Stromsensormoduls gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel passt zu vielen herkömmlichen Formen und Größen von Stromschienen. Das Verkapseln einer elektronischen Sensor-Komponente mit einer Verkapselung ermöglicht zuverlässige elektrische Isolationseigenschaften.
  • Insbesondere kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ein Pressfit-Steckverbinder an die Sammelschiene und eine Gate-Treiberplatine angeschlossen werden, um Montage- und Abstandstoleranzen zwischen dem Modul und der Gate-Treiberplatine auszugleichen.
  • Insbesondere können magnetkernfreie Stromsensormodule gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen in Leistungsinvertern mit Busbar zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind Haupt-Inverter für die Automobilindustrie, Industrie-Inverter und Inverter für Züge oder andere Schienenfahrzeuge.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektronischen Vorrichtung 130 mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul 100 und einem Busbar 102 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
  • Das magnetkernfreies Stromsensormodul 100 der elektronischen Vorrichtung 130 gemäß 1 dient zum Messen eines in einem Busbar 102 fließenden elektrischen Stroms und ist von einem magnetischen Flusskonzentrator frei. Daher kann das Stromsensormodul 100 kompakt ausgebildet werden. Ferner bildet der Busbar 102 einen Abschnitt der elektronischen Vorrichtung 130 und ist an dem Stromsensormodul 100 montiert. Beispielsweise kann der Busbar 102, der auch als Stromschiene bezeichnet werden kann, als gestanzte ebene Metallplatte ausgebildet sein, beispielsweise aus Kupfer.
  • 1 zeigt, dass eine Verkapselung 106 des Stromsensormoduls 100 mit Verbindungslöchern 108 versehen ist, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Sacklöcher ausgebildet sind. Beispielsweise kann die Verkapselung 106 eine beliebige Vergussmasse sein, insbesondere ein Mold Compound. In entsprechender Weise ist der Busbar 102 mit weiteren Verbindungslöchern 110 versehen, die zum Verbinden mit dem Stromsensormodul 100 konfiguriert sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die weiteren Verbindungslöcher 110 Durchgangslöcher, die sich durch die gesamte Dicke des Busbar 102 hindurch erstrecken.
  • Mit Vorteil sind die Verkapselung 106 des Stromsensormoduls 100 und der Busbar 102 mittels Einführens mechanischer Einpresselemente 112 in die Verbindungslöcher 108 der elektrisch isolierenden Verkapselung 106 und in die weiteren Verbindungslöcher 110 des Busbar 102 miteinander verbunden. Bevorzugt, aber nicht zwingend, sind die Einpresselemente 112 aus demselben Material (zum Beispiel Kupfer) gebildet wie der Busbar 102, um das Material des Busbar 102 bestmöglich zu emulieren. Anders ausgedrückt können durch die beschriebene Maßnahme die Eigenschaften eines von weiteren Verbindungslöchern freien Busbars hinsichtlich elektrischer und/oder mechanischer Eigenschaften nachgebildet werden. Mit Vorteil lassen sich so mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten reduzieren oder sogar vermeiden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Einpresselemente 112 Pressfitelemente. Zum Verbinden wird das im Weiteren näher beschriebene Stromsensormodul 100 an nur einer Hauptoberfläche des Busbar 102 so angeordnet, dass jeweils eines der Verbindungslöcher 108 mit einem jeweiligen anderen der weiteren Verbindungslöcher 110 ausgerichtet ist bzw. fluchtet. Ein jeweiliges Einpresselement 112 kann in ein Paar von zueinander ausgerichteten Verbindungslöchern 108, 110 eingeführt werden und dadurch eine Pressverbindung zwischen Busbar 102 und Stromsensormodul 100 geschaffen werden. Die Verbindung zwischen Busbar 102 und Stromsensormodul 100 kann also vorteilhaft durch Pressfit-Verbindungen ausgebildet werden.
  • Darüber hinaus erstrecken sich ausgehend von einer Unterseite der Verkapselung 106 mehrere zueinander parallel angeordnete elektromechanische Anschlusseinrichtungen 114 nach unten. Die elektromechanischen Anschlusseinrichtungen 114 sind mittels eines Trägers 156 mit der elektronischen Komponente 104 elektrisch gekoppelt. Vorteilhaft sind gemäß 1 die elektromechanischen Anschlusseinrichtungen 114 als nach unten offene und sich nach unten trichterförmig erweiternde Anschlusshülsen ausgebildet. In jede der trichterförmigen Anschlusshülsen kann ein jeweiliges elektromechanisches Verbindungselement 126 eingesteckt werden, um die Anschlusshülsen mit einer Leiterplatte 120 zu verbinden. Die elektromechanischen Verbindungselemente 126 haben an einem Ende Pins, die in die Anschlusshülsen eingesteckt werden. Am gegenüberliegenden anderen Ende haben die elektromechanischen Verbindungselemente 126 einen deformierbaren Abschnitt 118, der in metallisierte Verbindungsdurchführungen 136 der Leiterplatte 120 eingepresst wird. Dadurch kommt es zwischen den Verbindungselementen 126 und der Leiterplatte 120 zum Ausbilden einer Pressfit-Verbindung. Besagte Verbindung koppelt die Verbindungselemente 126 mit der Leiterplatte 120 mechanisch und elektrisch.
  • Die elektromechanischen Verbindungselemente 126 können somit als Pressfitelemente ausgebildete elektromechanische Einpresselemente sein. Ein solches Einpresselement weist den deformierbaren Abschnitt 118 auf, der in eine zugeordnete Verbindungsdurchführung 136 der Leiterplatte 120 komprimierbar ist, wobei der deformierbare Abschnitt 118 quer zu einer Einführrichtung des Pressfitelements komprimierbar ist. Abgesehen von seiner mechanischen Verbindungsfunktion dient das elektromechanische Verbindungselement 126 auch zum Übertragen eines von der elektronischen Komponente 104 erfassten elektrischen Sensorsignals von der elektrischen Anschlusseinrichtung 114 an die jeweilige Verbindungsdurchführung 136 der Leiterplatte 120.
  • Das Stromsensormodul 100 enthält die zum Messen des Stroms in dem Busbar 102 ausgebildete elektronische Komponente 104. Die elektronische Komponente 104 ist auf dem Träger 156 montiert, beispielsweise ein Leiterplattensubstrat oder eine Leiterrahmenstruktur. Die elektronische Komponente 104 kann ein Hall-Sensor sein. Vorteilhaft kann die elektronische Komponente 104 als Halbleiterchip ausgebildet sein. Anschaulich bildet der elektrische Strom in dem Busbar 102 im Umgebungsbereich des Busbar 102 ein Magnetfeld, das charakteristisch für den besagten elektrischen Strom ist. Dieses Magnetfeld kann mittels der elektronischen Komponente 104 gemessen werden. Das Messsignal der elektronischen Komponente 104 ist daher für den elektrischen Strom in dem Busbar 102 indikativ.
  • Wie in 1 dargestellt, ist die elektronische Komponente 104 vollständig in der elektrisch isolierenden Verkapselung 106 eingebettet, der Träger 156 hingegen nur teilweise. Dadurch ist die elektronische Komponente 104 elektrisch von der Umgebung isoliert und vor mechanischer Beschädigung geschützt. Um die elektronische Komponente 104 in die Nähe des Busbar 102 zu bringen, ist die elektrisch isolierende Verkapselung 106 mit den oben beschriebenen Verbindungslöchern 108 zum Verbinden mit dem Busbar 102 versehen. Je mehr die elektronische Komponente 104 in räumlicher Nähe zum Busbar 102 angeordnet ist, desto höher ist deren Empfindlichkeit zum Messen des elektrischen Stroms in dem Busbar 102.
  • Die als Pressfit-Elemente ausgebildeten Einpresselemente 112 dienen, wie oben beschrieben, zum Verbinden der Verkapselung 106 mit dem Busbar 102 mittels Einführens der Einpresselemente 112 in die Verbindungslöcher 108 der elektrisch isolierenden Verkapselung 106 und in die weiteren Verbindungslöcher 110 des Busbar 102. Vorteilhaft vermeidet die beschriebene Einpress-Verbindung den Einsatz von Schrauben. Dadurch kann ein höchst unerwünschtes Bilden von Metallspänen oder dergleichen vermieden werden, welches die Genauigkeit der Strommessung beeinflussen könnte. Durch Abrieb erzeugte metallische Partikel können aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften das Magnetfeld am Ort der zur Strommessung eingesetzten elektronischen Komponente in unerwünschter Weise beeinflussen, was zu Artefakten bei der Strommessung führen kann. Besonders vorteilhaft ist, dass die beschriebene Einpress-Verbindung zwischen Verkapselung 106 und Busbar 102 auch im Langzeitbetrieb des Stromsensormoduls 100 eine streng konstant bleibende räumliche Beziehung zwischen Busbar 102 und Stromsensormodul 100 sicherstellt, was für eine hochgenaue Strommessung sorgt. Eine vergleichbare Zuverlässigkeit über die Lebensdauer des Stromsensormoduls 100 lässt sich mit einer Schraubenverbindung typischerweise nicht erreichen.
  • Die Ausgestaltung der elektromechanischen Anschlusseinrichtung 114 als trichterförmige Anschlusshülsen, die aus der Verkapselung 106 herausragen, erlaubt ein einfaches Vermitteln eines von der elektronischen Komponente 104 erfassten elektrischen Sensorsignals. Mit anderen Worten sind die Sensorsignale an den trichterförmigen Anschlusshülsen abgreifbar und über die elektrisch leitfähigen elektromechanischen Verbindungselemente 126 der Leiterplatte 120 zur Weiterverarbeitung zuführbar. Die Leiterplatte 120 ist also mit der elektronischen Komponente 104 elektrisch leitfähig gekoppelt.
  • 1 zeigt ferner, dass die Verkapselung 106 über der Leiterplatte 120 befestigt ist. Zu diesem Zweck ist mindestens ein Abstandshalter 150 einerseits mit der Leiterplatte 120 und andererseits mit der Verkapselung 106 verbunden. Beispielsweise kann der Abstandshalter 150 ein Abstandshalterring sein oder eine Anordnung von Abstandshaltersäulen. Mittels des Abstandshalters 150 kann ein Soll-Abstand zwischen Leiterplatte 120 und elektronischer Komponente 104 aufrechterhalten werden. Der Abstandhalter 150 dient dazu, die deformierbaren Abschnitte 118 zuverlässig in den beispielsweise als Bohrungen ausgebildeten Verbindungsdurchführungen 136 quer zur Einführrichtung zu positionieren. In Folge davon ergibt sich aus Abstandhalter 150 gemeinsam mit einer planparallelen Verkapselung 106 eine definierte Festlegung der elektronischen Komponente 104 relativ zu der Busbar 102, was zusätzliche Fehler im Sensorsignal auf Grund von sonst möglichen Einbautoleranzen reduziert.
  • Mit Vorteil ist das in 1 dargestellte Stromsensormodul 100 nur an einer von zwei gegenüberliegenden Hauptflächen 152, 154, nämlich an Hauptfläche 152, des Busbar 102 angeordnet. Dies hält den erforderlichen Bauraum gering und fördert eine einfache Nachrüstbarkeit eines Busbar 102 mit einem Stromsensormodul 100.
  • Zum Beispiel kann das Stromsensormodul 100 an die untere Hauptfläche 152 des Busbar 102 so angelegt werden, dass ein jeweiliges Verbindungsloch 108 mit einem jeweiligen Verbindungsloch 110 axial ausgerichtet ist. Ein jeweiliges Einpresselement 112 kann in die gestufte Anordnung der zwei ausgerichteten Verbindungslöcher 108, 110 eingepresst sein oder werden. Dadurch sind Busbar 102 und Stromsensormodul 100 miteinander verbunden. Entsprechend der stufenförmigen Anordnung von zwei zueinander ausgerichteten Verbindungslöchern 108, 110 kann auch das Einpresselement 112 gestuft ausgebildet werden. Zum Montieren ist es auch möglich, die Einpresselemente 112 zunächst in die Verbindungslöcher 108 der Verkapselung 106 einzuführen, sodass der deformierbare Abschnitt 116 aus der Verkapselung 106 nach oben übersteht. Nachfolgend kann der Busbar 102 über die hervorstehenden deformierbaren Abschnitte 116 übergestülpt werden, sodass die deformierbaren Abschnitte 116 in die weiteren Durchgangslöcher 110 des Busbar 102 eingepresst werden.
  • Vorteilhaft kann das beschriebene Stromsensormodul 100 bzw. die beschriebene elektronische Vorrichtung 130 aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit und ihrer hohen Messgenauigkeit insbesondere für eine Automotive-Anwendung eingesetzt werden. Außerdem eignet sich das beschriebene magnetkernfreie Stromsensormodul 100 besonders gut zum Nachrüsten eines Busbar 102 mit Ersterem.
  • Die in 1 dargestellte elektronische Vorrichtung 130 ist kompakt ausgebildet. Eine Höhe H des
  • Stromsensormoduls 100 oberhalb der Leiterplatte 120 kann zum Beispiel in einem Bereich von 3 mm bis 18 mm sein. Eine Länge L des Stromsensormoduls 100 kann zum Beispiel 24 mm betragen. Von dem Busbar 102 ist in 1 nur ein Ausschnitt dargestellt.
  • 2 zeigt eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung 130 mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul 100 und einem Busbar 102 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
  • Das Stromsensormodul 100 gemäß 2 kann ausgebildet sein, wie bezugnehmend auf 1 beschrieben. Eine Breite des Stromsensormoduls 100 ist mit B bezeichnet.
  • Ferner ist in 2 dargestellt, dass das Stromsensormodul 100 an einer Verengung 131 des Busbars 102 angeordnet ist. Der Busbar 102 kann anschaulich als im Wesentlichen rechteckiger Metallstreifen ausgebildet sein, der an einer Montageposition des Stromsensormoduls 100 an beiden einander gegenüberliegenden Langseiten mit einem Querschlitz 132 versehen ist, um die Verengung 131 auszubilden. Durch das Ausbilden der Verengung 131 wird der in Längsrichtung des Busbar 102 fließende elektrische Strom an der Verengung 131 lokal eingeschnürt, sodass im Bereich der Verengung 131 ein erzeugtes Magnetfeld besonders groß ist. Dies verbessert die Genauigkeit der Strommessung durch den magnetischen Hall-Sensor in Form der elektronischen Komponente 104, welche direkt oberhalb oder unterhalb der Verengung 131 angeordnet sein kann.
  • Ferner ist in 2 gezeigt, dass das rechteckige Stromsensormodul 100 mit seiner Haupterstreckungsrichtung entlang einer Haupterstreckungsrichtung des rechteckigen Busbar 102 ausgerichtet ist. Anders ausgedrückt fallen gemäß 2 die Haupterstreckungsrichtungen des Stromsensormoduls 100 und des Busbar 102 zusammen.
  • 3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Vorrichtung 130 mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul 100 und einem Busbar 102 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel. Eine Fließrichtung des elektrischen Stroms durch den Busbar 102 ist in 3 mit Bezugszeichen 160 dargestellt.
  • 4 zeigt eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung 130 mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul 100 und einem Busbar 102 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 insbesondere dadurch, dass gemäß 4 eine Haupterstreckungsrichtung des rechteckigen Stromsensormoduls 100 mit einer Haupterstreckungsrichtung des rechteckigen Busbar 102 einen von Null verschiedenen Winkel β einschließt. Beispielsweise kann der besagte Winkel β zwischen 10° und 45° betragen. Somit ist gemäß 4 die Haupterstreckungsrichtung des Stromsensormoduls 100 gegenüber der Haupterstreckungsrichtung des Busbar 102 verdreht angeordnet. Um die Verengung 131 direkt oberhalb oder direkt unterhalb der elektronischen Komponente 104 des Stromsensormoduls 100 zu positionieren, sind die Querschlitze 132 im Busbar 102 gemäß 4 zueinander seitlich versetzt. Bei der verdrehten Anordnung gemäß 4 kann vorteilhaft eine Kompensation von unerwünschten Übersprech-Phänomenen erfolgen, was die Messgenauigkeit des elektrischen Stroms durch den Busbar 102 erhöht. Durch die verdrehte Anordnung kann eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen auf unterschiedlichen Leitern oder Busbars übermittelten Signalen und/oder Strömen ganz oder teilweise vermieden werden.
  • 5 zeigt ein Busbar 102 für eine elektronische Vorrichtung 130 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel. 6 zeigt ein Busbar 102 für eine elektronische Vorrichtung 130 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel. Anhand von 5 und 6 ist erkennbar, dass für unterschiedliche Geometrien von Busbar 102 die gleiche Art von Stromsensormodul 100 universell einsetzbar ist. Zur Anpassung auf eine bestimmte Busbar-Geometrie kann eine passende Dimensionierung des Stromsensormoduls 100 und insbesondere eine passende Anordnung der Verbindungslöcher 108 (nicht zu sehen in 5 und 6) und der zugehörigen Einpresselemente 112 ausreichend sein. 5 und 6 zeigen zudem, dass die weiteren Verbindungslöcher 110 und die Verengung 131 so aufeinander abgestimmt werden können, dass trotz unterschiedlicher Busbargeometrie ein identisches Stromsensormodul 100 bzw. eine ansonsten identische Vorrichtung 130 verwendet werden kann. Dies kann den Aufwand in der Herstellung reduzieren, weil größere Stückzahlen erreicht werden und die Anpassung auf die Busbar 102 beschränkt bleibt.
  • Die Geometrie des Busbar 102 gemäß 5 ist ähnlich zu jener gemäß 4, wobei gemäß 5 die Querschlitze 132 an ihrer Innenseite abgerundet sind. Die Geometrie des Busbar 102 gemäß 6 ist ähnlich zu jener gemäß 2, wobei gemäß 6 die Querschlitze 132 an ihrer Innenseite abgerundet sind. Während gemäß 5 die Querschlitze 132 seitlich zueinander versetzt sind, fluchten die Querschlitze 132 gemäß 6 miteinander bzw. sind axial zueinander ausgerichtet. Zwischen den Querschlitzen 132 ist gemäß 5 und gemäß 6 ein etwa gleich großer Abstand für den Stromfluss gebildet. Daher sind gemäß 5 und 6 die Einschnürung des Stromflusses an der im Bereich der Verengung 131 anzuordnenden elektronischen Komponente 104 (nicht gezeigt in 5 und 6) und somit Sensoren mit ähnlichen Eigenschaften verwendbar.
  • 7 zeigt ein als Pressfitelement ausgebildetes Einpresselement 112 für ein magnetkernfreies Stromsensormodul 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
  • Das in 7 dargestellte Pressfit-Einpresselement 112 kann zum Beispiel aus Bronze (CuSn4) ausgebildet sein. Ein solches Einpresselement 112 stört weder Stromfluss noch Magnetfeld in nennenswerter Weise. Das aus Bronze gebildete Pressfitelement weist einen deformierbaren Abschnitt 116 auf, der zum Verbinden des Busbar 102 mit der Verkapselung 106 in mindestens einem weiteren Verbindungsloch 110 des Busbar 102 quer zu einer Einführrichtung des mindestens einen Pressfitelements komprimierbar ist. Dies ist mit Bezugszeichen 162 dargestellt.
  • 8 zeigt ein als Niet ausgebildetes Einpresselement 112 für ein magnetkernfreies Stromsensormodul 100 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel. Beim Setzen des Niet erfolgt eine plastische Verformung, wodurch ein Hinterschnitt gebildet wird, der für hohe Haltekräfte der eingefügten Struktur sorgt.
  • 9 bis 11 zeigen unterschiedliche Querschnittsansichten während des Montierens einer elektronischen Vorrichtung 130 mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul 100 und einem Busbar 102 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
  • Bezugnehmend auf 9 wird mittels der Einpresselemente 112 zunächst die Verkapselung 106 mit der Busbar 102 verbunden.
  • Bezugnehmend auf 10 wird danach die Leiterplatte 120 mittels der optionaler Abstandshalter 150 in einem vorgebbaren Abstand zu der Verkapselung 106 und den gegenüber der Unterseite der Verkapselung 106 nach unten überstehenden elektromechanischen Anschlusseinrichtungen 114 angebracht. Sodann können, wie in 10 mit Bezugszeichen 164 dargestellt, die metallischen elektromechanischen Verbindungselemente 126 durch die Verbindungsdurchführungen 136 der Leiterplatte 120 hindurch geführt werden. Hierbei werden die freien vorderseitigen stiftförmigen Abschnitte der elektromechanischen Verbindungselemente 126 zunächst durch die Verbindungsdurchführungen 136 durchgeführt. Die hinterseitigen hülsenförmigen deformierbaren Abschnitte 118 der Verbindungselemente 126 verbleiben zunächst unterhalb der Leiterplatte 120.
  • Bezugnehmend auf 11 werden ausgehend von 10 die elektromechanischen Verbindungselemente 126 weiter durch die Leiterplatte 120 nach oben gedrückt, bis die freien Enden der stiftförmigen Abschnitte der elektromechanischen Verbindungselemente 126 in die trichterförmigen und sich nach oben hin verjüngenden Aufnahmeöffnungen der als Anschlusshülsen ausgebildeten elektromechanischen Anschlusseinrichtungen 114 eingeführt werden. Die trichterförmigen Einführkanäle der Anschlusseinrichtungen 114 sorgen für eine Selbstzentrierung der Verbindungselemente 126 und bewerkstelligen auch einen Höhen- und/oder Toleranzausgleich, zum Beispiel in Hinblick auf unterschiedlich hohe Abstandshalter 150 bzw. im Falle von Bauteiltoleranzen. Auf diese Weise kann durch Zusammenwirken der Anschlusseinrichtungen 114 und der Verbindungselemente 126 ein Höhen- bzw. Toleranzausgleich stattfinden wie auch im Zusammenhang mit 12 erläutert wird.
  • Der Montageprozess endet, wenn die deformierbaren Abschnitte 118 der Verbindungselemente 126 in den metallisierten Verbindungsdurchführungen 136 der Leiterplatte 120 eingepresst sind. Dadurch ist die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Konstituenten der elektronischen Vorrichtung 130 vollendet.
  • 12 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektronischen Vorrichtung 130 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel, das sich von 11 hinsichtlich einer Bauhöhe unterscheidet. In 12 wird also eine alternative elektronische Vorrichtung 130 dargestellt, in welcher der Abstandshalter 150 kürzer ausgebildet ist als gemäß 11. Den dadurch erforderlichen Höhenausgleich bewerkstelligen die Anschlusshülsen der Anschlusseinrichtungen 114, die gemäß 12 einen längeren Abschnitt der Verbindungselemente 126 aufnehmen als gemäß 11.
  • 13 zeigt einen Schaltplan einer elektronischen Vorrichtung 130 mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul 100 und Busbars 102 sowie mit einem Inverter-Schaltkreis 134 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
  • Der Schaltplan gemäß 13 zeigt einen aus Transistoren gebildeten Inverter-Schaltkreis 134, der über mehrere Busbars 102a, 102b, 102c mit einem Motor 174 (als individuelle Phasen des Motors) gekoppelt ist. Stromsensormodule 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung können für einzelne der Busbars 102a, 102b, 102c einen jeweiligen elektrischen Wechselstrom messen und einer Steuereinrichtung 170 übermitteln. Ausgehend von der damit verbundenen Phaseninformation der drei Stromsignale kann eine Treiberstufe 172 zum Treiben der Transistoren des Inverters 134, wie dem Fachmann bekannt, angesteuert werden.
  • Ebenso können Stromsensormodule 100 der vorliegenden Offenbarung auch eingangsseitig am Inverter-Schaltkreis 134 verwendet werden.
  • 14 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektronischen Vorrichtung 130 mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul 100 und einem Busbar 102 gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied zu der Kontaktierung gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist in 14 eine Stecker-und-Buchse-Einrichtung 122 vorgesehen, die mittels eines elektrischen Verbindungskabels 124 zum elektrisch leitfähigen Koppeln der Leiterplatte 120 und der elektronischen Komponente 104 ausgebildet ist.
  • Ein Stecker 184 ist direkt auf die Leiterplatte 120 aufgesteckt. Der Stecker 184 bildet ein Ende der Stecker-und-Buchse-Einrichtung 122. Ein gegenüberliegendes Ende der Stecker-und-Buchse-Einrichtung 122 ist mit einem buchsenartigen (oder einem steckerartigen) Anschlussstück 198 ausgerüstet, das an dem Träger 156 angebracht wird.
  • Gemäß 14 kann also die Leiterplatte 120 zum Beispiel um 90° gegenüber dem Busbar 102 gedreht werden. Das Verbindungskabel 124 kann zum Beispiel im Inneren der Verkapselung 106 am Anschlussstück 198 verlötet und verkapselt werden.
  • Es ist auch möglich, die Stecker- und Buchse-Einrichtung 122 mit einer jeweiligen Kombination von einem Stecker und einer Buchse zum Koppeln mit dem Träger 156 einerseits und zum Koppeln mit der Leiterplatte 120 andererseits auszubilden (nicht gezeigt). Dann können also zwei Stecker-Buchse-Kombinationen vorgesehen sein.
  • 15 zeigt exemplarisch eine zweidimensionale Anordnung von als Pressfitelemente ausgebildeten Einpresselementen 112 für ein magnetkernfreies Stromsensormodul 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel. Mit den in einem gemeinsamen Körper integrierten Einpresselementen 112 gemäß 15 kann in besonders einfacher Weise eine Pressfit-Verbindung zwischen einem Busbar 102 und einer Verkapselung 106 eines Stromsensormoduls 100 ausgebildet werden. Der Fachmann wird erkennen, dass sich ein solches Einpresselement 112 auch als einzelnes Element einsetzen lässt und nicht zwingend als Array von Einpresselementen 112 auszuführen ist.
  • 16 zeigt einen als Montagehilfe für elektromechanische Verbindungselemente 126 dienenden Abstandshalter 150 für ein magnetkernfreies Stromsensormodul 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
  • Gemäß 17 sind an dem Abstandshalter 150 gemäß 16 elektromechanische Verbindungselemente 126 angebracht. Die als Pressfit-Pins ausgebildeten Verbindungselemente 126 können beispielsweise in den als Kunststoffrahmen ausgebildeten Abstandshalter 150 eingeschossen werden.
  • 18 zeigt den mit elektromechanischen Verbindungselementen 126 verbundenen Abstandshalter 150 gemäß 17 nach Ausbilden einer Verbindung mit weiteren Elementen des magnetkernfreien Stromsensormoduls 100. Der Abstandhalter 150 ist nun mit der Verkapselung 106 verbunden, zum Beispiel durch Einführen und gegebenenfalls Verkleben von Verbindungspins 192 des Abstandhalters 150 in weitere Verbindungslöcher der Verkapselung 106. Die als Anschlusshülsen ausgebildeten elektromechanischen Anschlusseinrichtungen 114 stellen sicher, dass die Pin-Enden der Verbindungselemente 126 zentriert werden.
  • 19 zeigt das magnetkernfreie Stromsensormodul 100 gemäß 18 mit daran montierter Leiterplatte 120. Um die elektronische Vorrichtung 130 gemäß 19 zu erhalten, wird die Leiterplatte 120 auf den Abstandhalter 150 aufgesetzt, indem Überstände 194 des Abstandhalters 150 durch zusätzliche Verbindungslöcher in der Leiterplatte 120 durchgeführt werden, bis Anschläge 196 des Abstandhalters 150 an der Leiterplatte 120 anschlagen.
  • Gemäß 16 bis 19 können also der Busbar 102 und das Stromsensormodul 100 in einem Pressfit-Vorgang verbunden werden. Bohrungen in der Leiterplatte 120 können größer als zugehörige Pins ausgebildet werden, um einen maximalen Versatz zwischen Leiterplatte 120 und dem restlichen Stromsensormodul 100 einzuschränken. Dies sorgt dafür, dass die Pressfit-Pins innerhalb ihrer Toleranz verwendet werden können. Anschläge 196, optional im Zusammenspiel mit den Verbindungspins 192, verhindern ein Überpressen der Pressfit-Pins 126.
  • 20 zeigt eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung 130 mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul 100 und einem Busbar 102 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel. 20 zeigt, dass die elektronische Komponente 104 zum Messen des Stroms im Busbar 102 im Bereich einer Verengung zwischen Schlitzen 131 angeordnet werden kann, wie bereits im Zusammenhang mit 1 bis 6 erläutert.
  • 21 zeigt eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung 130 mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul 100 und einem Busbar 102 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel. 21 unterscheidet sich von 4 insbesondere dadurch, dass gemäß 21 nicht das gesamte Stromsensormodul 100 gegenüber dem Busbar 120 verdreht ist. Stattdessen ist gemäß 21 eine Haupterstreckungsrichtung des Busbar 102 parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung des Stromsensormoduls 100. Allerdings ist die elektronische Komponente 104 innerhalb des Stromsensormoduls 100 gegenüber der Haupterstreckungsrichtung des Busbar 102 um einen Winkel β verdreht, um Übersprechen zu reduzieren.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims (25)

  1. Magnetkernfreies Stromsensormodul (100) zum Messen eines in einem Busbar (102) fließenden elektrischen Stroms, wobei das Stromsensormodul (100) aufweist: • eine zum Messen des Stroms ausgebildete elektronische Komponente (104); • eine elektrisch isolierende Verkapselung (106), in der die elektronische Komponente (104) zumindest teilweise verkapselt ist, wobei die elektrisch isolierende Verkapselung (106) mindestens ein Verbindungsloch (108) zum Verbinden mit dem Busbar (102) aufweist; und • mindestens ein Einpresselement (112) zum Verbinden der Verkapselung (106) mit dem Busbar (102) mittels Einführens des mindestens einen Einpresselements (112) in das mindestens eine Verbindungsloch (108) der elektrisch isolierenden Verkapselung (106) und in mindestens ein weiteres Verbindungsloch (110) des Busbar (102) .
  2. Magnetkernfreies Stromsensormodul (100) zum Messen eines in einem Busbar (102) fließenden elektrischen Stroms, wobei das Stromsensormodul (100) aufweist: • eine zum Messen des Stroms ausgebildete elektronische Komponente (104); • eine elektrisch isolierende Verkapselung (106), in der die elektronische Komponente (104) zumindest teilweise verkapselt ist, wobei die elektrisch isolierende Verkapselung (106) zum Verbinden mit dem Busbar (102) ausgebildet ist; und • mindestens eine gegenüber der Verkapselung (106) freigelegte elektromechanische Anschlusseinrichtung (114) zum Vermitteln eines von der elektronischen Komponente (104) erfassten Sensorsignals.
  3. Stromsensormodul (100) gemäß Anspruch 1, wobei die elektrisch isolierende Verkapselung (106) zwei Verbindungslöcher (108) zum Verbinden mit dem Busbar (102) und das Stromsensormodul (100) zwei Einpresselemente (112) zum Einführen in die Verbindungslöcher (108) zum Verbinden der Verkapselung (106) mit dem Busbar (102) aufweist.
  4. Stromsensormodul (100) gemäß Anspruch 1 oder 3, wobei das mindestens eine Einpresselement (112) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus mindestens einem Pressfitelement, mindestens einem Einstemmkontakt, mindestens einem heiß verstemmtem Kunststoffdom und mindestens einem Niet.
  5. Stromsensormodul (100) gemäß Anspruch 4, wobei das mindestens eine Pressfitelement einen deformierbaren Abschnitt (116) aufweist, der zum Verbinden des Busbar (102) mit der Verkapselung (106) in dem mindestens einen weiteren Verbindungsloch (110) des Busbar (102) quer zu einer Einführrichtung des mindestens einen Pressfitelements komprimierbar ist.
  6. Stromsensormodul (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend eine Leiterplatte (120), die mit der elektronischen Komponente (104) elektrisch leitfähig gekoppelt oder koppelbar ist.
  7. Stromsensormodul (100) gemäß Anspruch 6, aufweisend eine Stecker-und/oder-Buchse-Einrichtung (122), die mittels eines Verbindungskabels (124) zum elektrisch leitfähigen Koppeln der Leiterplatte (120) und der elektronischen Komponente (104) ausgebildet ist.
  8. Stromsensormodul (100) gemäß Anspruch 6, wobei die Verkapselung (106) an oder über der Leiterplatte (120) befestigt ist, insbesondere mittels mindestens eines Abstandshalters (150) zwischen der Verkapselung (106) und der Leiterplatte (120).
  9. Stromsensormodul (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 8, aufweisend mindestens eine gegenüber der Verkapselung (106) freigelegte elektromechanische Anschlusseinrichtung (114) zum Vermitteln eines von der elektronischen Komponente (104) erfassten Sensorsignals.
  10. Stromsensormodul (100) gemäß Anspruch 2 oder 9, wobei die mindestens eine elektromechanische Anschlusseinrichtung (114) mindestens einen, insbesondere zumindest abschnittsweise trichterförmigen, Aufnahmekanal zum Aufnehmen eines elektromechanischen Verbindungselements (126) aufweist.
  11. Stromsensormodul (100) gemäß Anspruch 10, aufweisend das mindestens eine elektromechanische Verbindungselement (126) zum elektromechanischen Verbinden mit der mindestens einen elektromechanischen Anschlusseinrichtung (114).
  12. Stromsensormodul (100) gemäß Anspruch 11, wobei das mindestens eine elektromechanische Verbindungselement (126) ein elektromechanisches Einpresselement, insbesondere ein Pressfitelement, ist.
  13. Stromsensormodul (100) gemäß Anspruch 12, wobei das mindestens eine elektromechanische Pressfitelement einen deformierbaren Abschnitt (118) aufweist, der in mindestens eine, insbesondere metallisierte, Verbindungsdurchführung (136) einer Leiterplatte (120) quer zu einer Einführrichtung des Pressfitelements komprimierbar ist.
  14. Stromsensormodul (100) gemäß Ansprüchen 6 und 11, wobei das mindestens eine elektromechanische Verbindungselement (126) in mindestens eine, insbesondere metallisierte, Verbindungsdurchführung (136) in der Leiterplatte (120) eingeführt oder einführbar ist.
  15. Stromsensormodul (100) gemäß Anspruch 14, wobei das elektromechanische Verbindungselement (126) zum Übertragen eines von der elektronischen Komponente (104) erfassten Sensorsignals von der mindestens einen elektrischen Anschlusseinrichtung (114) an die mindestens eine Verbindungsdurchführung (136) der Leiterplatte (120) ausgebildet ist.
  16. Elektronische Vorrichtung (130), aufweisend: • ein magnetkernfreies Stromsensormodul (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 15 zum Messen eines in einem Busbar (102) fließenden elektrischen Stroms; und • den Busbar (102) mit dem mindestens einen weiteren Verbindungsloch (110) zum Verbinden mit dem Stromsensormodul (100); • wobei die Verkapselung (106) mit dem Busbar (102) mittels Einführens des mindestens einen mechanischen Einpresselements (112) in das mindestens eine Verbindungsloch (108) der elektrisch isolierenden Verkapselung (106) und in das mindestens eine weitere Verbindungsloch (110) des Busbar (102) verbunden oder verbindbar ist.
  17. Elektronische Vorrichtung (130), aufweisend: • ein magnetkernfreies Stromsensormodul (100) gemäß einem der Ansprüche 2 oder 6 bis 15 zum Messen eines in einem Busbar (102) fließenden elektrischen Stroms, wobei mindestens ein elektromechanisches Verbindungselement (126) in die mindestens eine elektromechanische Anschlusseinrichtung (114) eingesteckt oder einsteckbar ist; und • den Busbar (102), der mit dem Stromsensormodul (100) verbunden oder verbindbar ist.
  18. Elektronische Vorrichtung (130) gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei das Stromsensormodul (100) an einer Verengung (131) des Busbar (102) angeordnet ist.
  19. Elektronische Vorrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Stromsensormodul (100) entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Busbar (102) ausgerichtet ist.
  20. Elektronische Vorrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei eine Haupterstreckungsrichtung des Stromsensormoduls (100) oder eine Haupterstreckungsrichtung nur der elektronischen Komponente (104) des Stromsensormoduls (100) mit einer Haupterstreckungsrichtung des Busbar (102) einen von Null verschiedenen Winkel (β) einschließt, insbesondere einen Winkel (β) von nicht mehr als 45°.
  21. Elektronische Vorrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, aufweisend einen Inverter-Schaltkreis (134), mit dem der Busbar (102) elektrisch gekoppelt ist.
  22. Elektronische Vorrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei eine Verbindung der Verkapselung (106) mit dem Busbar (102), insbesondere die gesamte elektronische Vorrichtung (130), schraubenfrei ist.
  23. Elektronische Vorrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 16 oder 18 bis 22, wobei das Stromsensormodul (100) nur an einer von zwei gegenüberliegenden Hauptflächen (152, 154) des Busbar (102) angeordnet ist und die Verkapselung (106) von der anderen der zwei Hauptflächen (154, 152) aus mittels des mindestens einen Einpresselements (112) mit dem Busbar (102) verbunden oder verbindbar ist.
  24. Verwendung eines Stromsensormoduls (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 oder einer elektronischen Vorrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 23 für eine Anwendung aus einer Gruppe, die besteht aus einer Automobil-Anwendung, einer Schienenfahrzeug-Anwendung und einer Industrie-Anwendung.
  25. Verfahren zum Nachrüsten eines Busbar (102) mit einem magnetkernfreien Stromsensormodul (100), wobei das Verfahren aufweist: • Bereitstellen eines magnetkernfreien Stromsensormoduls (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 15; und • Verbinden der Verkapselung (106) mit dem Busbar (102) mittels Einführens des mindestens einen mechanischen Einpresselements (112) in das mindestens eine Verbindungsloch (108) der Verkapselung (106) und in das mindestens eine weitere Verbindungsloch (110) in dem Busbar (102).
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