DE102022111747A1

DE102022111747A1 - Differenzstromsensor für hohe Ströme

Info

Publication number: DE102022111747A1
Application number: DE102022111747.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kudimow; Daniel Jordan
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2022-05-11
Publication date: 2023-01-19
Also published as: CN115639390A; US20230021222A1

Abstract

Im Folgenden wird ein Magnetkern für einen Stromsensor beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Magnetkern einen ersten und einen zweiten Kernteil, die jeweils aus einen Stapel aus einer Vielzahl von Blechlagen gebildet sind. Der zweite Kernteil weist ein erstes Endstück auf, welches so strukturiert ist, dass einige der Blechlagen länger sind und die übrigen, kürzeren Blechlagen überragen. Der erste Kernteil weist ein zu dem ersten Endstück des zweiten Kernteils invers strukturiertes zweites Endstück auf. Der erste Kernteil und der zweite Kernteil sind an einer Verbindungsstelle so zusammengefügt, dass an der Verbindungsstelle die längeren Blechlagen des ersten Endstücks und des zweiten Endstücks (310) sich überlappen, wobei gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Struktur des ersten Endstücks und des zweiten Endstücks so gestaltet ist, dass die Überlappung an einer Anzahl an Grenzflächen stattfindet, die um mindestens zwei (insbesondere drei) kleiner ist als die Anzahl der Blechlagen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der Stromsensoren, insbesondere einen Differenzstromsensor für vergleichsweise hohe Ströme.
HINTERGRUND
Bei der berührungslosen Messung von Strömen werden vornehmlich Stromsensoren eingesetzt, bei denen das Magnetfeld, das von einem durch einen sogenannten Primärleiter fließenden, zu messenden Strom (Primärstrom) erzeugt wird, ausgewertet und daraus der tatsächlich in dem Primärleiter fließende Strom ermittelt wird. Berührungslos arbeitende, d. h. keinen galvanischen Kontakt zum Primärleiter aufweisende Stromsensoren kommen vor allem bei hohen Strömen zum Einsatz.
Stromsensoren können vielfältig ausgestaltet sein, insbesondere im Hinblick auf dort verwendete Magnetfeldsensoren und magnetische Module. Bei den Magnetfeldsensoren (auch als Magnetfeldsonden bezeichnet) handelt es sich hauptsächlich um induktiv arbeitende oder auf dem Hall-Effekt beruhende Sensortypen. Um das Magnetfeld zu bündeln oder zu leiten, werden weichmagnetische Elemente (z.B. ein Magnetkern aus weichmagnetischem Material) eingesetzt, die ein wesentlicher Bestandteil eines magnetischen Moduls sind.
Beispielsweise bei sogenannten Kompensationsstromsensoren, bei denen das durch den Primärstrom erzeugte Magnetfeld durch ein von einem Kompensationsstrom bekannter Stärke erzeugtes Magnetfeld zu Null kompensiert wird, kommt als weichmagnetisches Element ein Magnetkern mit geschlossener Struktur, wie beispielsweise eine kreisförmige oder eine rechteckige Ringstruktur zum Einsatz (Ringkern), wobei üblicherweise ein Luftspalt zur Aufnahme einer Magnetfeldsonde vorgesehen ist. Mittels der Magnetfeldsonde wird das Restmagnetfeld, das bei nicht vollständiger Kompensation verbleibt, gemessen und der Kompensationsstrom entsprechend nachgeregelt. Der Kompensationsstrom ist dabei ein Maß für den Primärstrom.
Derartige Stromsensoren können auch zur Differenzstrommessung verwendet werden. In diesem Fall sind üblicherweise zwei stromführende Primärleiter so durch den Magnetkern geführt, dass sich die von den jeweiligen Primärströmen verursachten Magnetfelder im Magnetkern destruktiv überlagern. Der resultierende magnetische Fluss im Magnetkern ist demnach proportional zu der Differenz der Primärströme in den beiden Leitern, und der Stromsensor misst folglich den Differenzstrom. Der Differenzstrom kann um mehrere Größenordnungen kleiner sein als der durch die beiden Primärleiter fließende Primärstrom. So sollen in manchen Anwendungen Differenzströme von einigen wenigen Milliampere (z.B. 10 mA) gemessen werden, während die Primärströme rund 500 Ampere betragen können. Das Verhältnis Differenzstrom zu Primärstrom ist in diesem Fall 1:50000.
Eine weiteres Problem von Differenzstromsensoren ist die unsymmetrische Anordnung der beiden Primärleiter (von denen die Stromdifferenz gemessen werden soll) in Bezug auf den Magnetkern, was lokale Sättigungen im Kern zur Folge haben kann.
Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, einen Differenzstromsensor breit zu stellen, der in der Lage ist, auch bei sehr hohen Leiterströmen sehr kleine Differenzströme mit hinreichender Genauigkeit zu messen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Magnetkern gemäß den Ansprüchen 1, 12 und 14. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Folgenden wird ein Magnetkern für einen Stromsensor beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Magnetkern einen ersten und einen zweiten Kernteil, die jeweils aus einen Stapel aus einer Vielzahl von Blechlagen gebildet sind. Der zweite Kernteil weist ein erstes Endstück auf, welches so strukturiert ist, dass einige der Blechlagen länger sind und die übrigen, kürzeren Blechlagen überragen. Der erste Kernteil weist ein zu dem ersten Endstück des zweiten Kernteils invers strukturiertes zweites Endstück auf. Der erste Kernteil und der zweite Kernteil sind an einer Verbindungsstelle so zusammengefügt, dass an der Verbindungsstelle die längeren Blechlagen des ersten Endstücks und des zweiten Endstücks (310) sich überlappen, wobei gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Struktur des ersten Endstücks und des zweiten Endstücks so gestaltet ist, dass die Überlappung an einer Anzahl an Grenzflächen stattfindet, die um mindestens zwei (insbesondere drei) kleiner ist als die Anzahl der Blechlagen. Der Kern eignet sich in besondere für Differenz- und Summenstromsensoren mit zwei oder mehr Primärleitern.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel bilden die Blechlagen im ersten Endstück und im zweiten Endstück jeweils eine unregelmäßige Kammstruktur. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel tragen die längeren Blechlagen des ersten Endstücks weniger als 40 Prozent zu der gesamten Querschnittsfläche aller Blechlagen bei.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Ausführungsbeispiele sind nicht nur auf die dargestellten Aspekte beschränkt. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:

1 illustriert anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiel eines Kompensationsstromsensors mit Flux-Gate-Sonde;
2 illustriert ein erstes Beispiel eines aus zwei Kernteilen zusammengefügten Magnetkerns.
3 illustriert ein zweites Beispiel eines aus zwei Kernteilen zusammengefügten Magnetkerns.
4 illustriert die Gestaltung eines Endstücks der Kernteile eines Standardkerns, um die Kernteile zusammenfügen zu können.
5 ist ein Diagramm zur Illustration der Empfindlichkeit verschiedener Differenzstromsensor-Designs.
6 und 7 illustriert zwei exemplarische Gestaltungen eines Endstücks der Kernteile eines modifizierten, für Differenzstromsensoren besser geeigneten Magnetkerns
8 illustriert ein Beispiel des anderen, invers strukturierten Endstücks der Kernteile.
9 illustriert den zusammengesetzten Differenzstromsensor mit Schirmung in einer Querschnittsdarstellung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen einen Magnetkern für Kompensationsstromsensoren. Bevor verschiedene Aspekte des Magnetkerns im Detail diskutiert werden, wird vorab die an sich bekannte Grundstruktur eines Kompensationsstromsensors kurz beschrieben. Ein Beispiel ist in 1 dargestellt.
Gemäß 1 umfasst der Stromsensor einen weichmagnetischen Kern 3, der mit zwei Primärwicklungen 5a und 5b, und einer Sekundärwicklung/Kompensationswicklung 4 magnetisch gekoppelt ist. Die Primärwicklung 5a führt den Primärstrom i_P1 und die Primärwicklung 5b führt den Primärstrom i_P2. Die Differenz i_P1-i_P2 ist der zu messende Differenzstrom. Die Kompensationswicklung 4 führt den Kompensationsstrom is (Sekundärstrom). Die von den Primärströmen i_P1 und i_P2 verursachten magnetischen Flusskomponenten überlagern sich in dem Kern 3 destruktiv, sodass nur der Differenzstrom i_P1-i_P2 und der Sekundärstrom i_S zum Gesamtmagnetfeld beitragen, wobei der resultierende magnetische Fluss im Kern 3 durch Einstellen des Sekundärstroms is auf null geregelt wird. Die Regelung erfolgt mit Hilfe des später noch beschriebenen Stromreglers für den Sekundärstrom.
Der verbleibende magnetische Fluss wird mittels einer Magnetfeldsonde 20 gemessen, die einen als „Sensorstreifen“ bezeichneten ferromagnetischen Metallstreifen 21 und eine den Sensorstreifen 21 umschließende Sensorspule 22 umfasst. Die Sensorspule 22 ist mit einer Auswerteschaltung 41 verbunden, die einen den magnetischen Fluss repräsentierenden Messwert B bereitstellt. Verschiedene geeignete Auswerteschaltungen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert.
Meist umfasst die Auswerteschaltung 41 einen Oszillator, der einen Erregerstrom i_M erzeugt, der in die Sensorspule 22 eingespeist wird und diese periodisch mit wechselnder Polarität bis zur Sättigung des Sensorstreifens 21 magnetisiert. Aufgrund der symmetrischen, idealerweise rechteckigen Hysteresekennlinie des Sensorstreifens 21, weist eine eventuell vorhandene Unsymmetrie beim abwechselnden Magnetisieren der Sensorspule 22 auf einen magnetischen Fluss im Kern 3 hin, der ungleich null ist. Diese Unsymmetrie kann ausgewertet werden. Die Auswerteschaltung ist mit dem Stromregler 42 gekoppelt, der den Sekundärstrom i_S so einstellt, dass die erwähnte Unsymmetrie verschwindet bzw. der Messwert B (idealerweise) null wird. Eine derartige Magnetfeldsonde wird auch als Flux-Gate-Sonde bezeichnet. Ein Beispiel ist unter anderem in der Publikation DE 10045194 A1 (entspricht US 2004/0204875 A1 ) beschrieben.
In diesem Zustand (Messwert B ist null) ist der Kompensationsstrom is proportional zu dem Differenzstrom i_P1-i_P2, wobei der Proportionalitätsfaktor von dem Verhältnis der Windungszahl der Primärwicklungen 5a und 5b und der Windungszahl der Kompensationswicklung 4 abhängt. Der geregelte Kompensationsstrom i_S kann sehr genau z.B. mittels eines Messwiderstandes R_S gemessen werden und der resultierende Messwert (z.B. die Ausgangsspannung V_O=R_S×i_S) repräsentiert aufgrund der erwähnten Proportionalität den Differenzstrom i_P1-i_P2. In der Praxis ist die Windungszahl der Primärwicklungen 5a, 5b häufig gleich 1 (d.h. die Primärleiter sind durch den Ringkern durchgesteckt).
Das oben beschriebene Konzept eignet sich auch für die Summenstrommessung in zwei oder mehr Primärleitern, beispielsweise für die Messung der Summe der Ströme in den drei Phasenleitern und dem Neutralleiter eines Drehstromanschlusses. Theoretisch sollte diese Summe null sein und ein Summenstrom größer Null wird daher auch als Fehlerstrom bezeichnet. Auch bei dem oben erwähnten Differenzstrom i_P1-i_P2 kann es sich um die Differenz der Stroms in einem Phasenleiter und einem zugehörigen Nullleiter handeln, was ebenfalls als Fehlerstrom bezeichnet werden kann. An dieser Stelle sei angemerkt, dass es auch Kompensationsstromsensoren gibt, die mit zwei Magnetfeldsonden arbeiten. Es können auch zwei oder mehrere Kompensationsspulen eingesetzt werden.
Eine weitere Klasse von Stromsensoren sind sogenannte Open-Loop-Stromsensoren, bei denen keine Kompensationswicklung 4 und folglich auch kein Stromregler 42 benötigt wird. In diesem Fall wird das Feld welches der Differenzstrom i_P1-i_P2 (oder ggf. ein Fehlerstrom) in dem Magnetkern 3 erzeugt in einem Luftspalt des Magnetkerns mit Hilfe der Sonde 20 direkt gemessen (und nicht indirekt über den Kompensationsstrom). Die hier beschriebenen Magnetkerne sind für beide Arten von Stromsensoren geeignet, haben aber bei Differenzstromsensoren gewissen Vorteile.
Der Kompensationsstromsensor ist in der Lage sowohl Gleichströme als auch Wechselströme zu messen, wobei für die Wechselstrommessung die transformatorische Kopplung zwischen den Primärleitern und dem Sekundärleiter relevant ist.
2, Diagramm (a), zeigt einen zweiteiligen Magnetkern 3 (beispielsweise zur Verwendung in einem magnetischen Modul eines Differenzstromsensors, insbesondere eines Kompensationsstromsensors) im noch nicht zusammengesetzten Zustand. Die beiden Teile des Magnetkerns 3 werden dabei durch zwei identisch ausgeführte, L-förmige Kernteile 31 und 32 (Schenkel) gebildet, von denen jeder beispielsweise einen rechteckförmigen Kernquerschnitt (in 2 nicht gezeigt) aufweisen kann. Im Wesentlichen handelt es sich bei den Kernteilen 31 und 32 um zwei jeweils um 90° gebogene Stabkerne. Die Biegestellen 33 und 34 können dabei exakt rechtwinklig mit spitzer Kante oder aber - wie in 1 dargestellt - in beliebiger Weise abgerundet oder abgeschrägt ausgeführt sein. An den Stirnseiten der Kernteile 31 und 32 sind in Längsrichtung L (strichpunktierte Linie) des jeweiligen Kernteils Ausnehmungen 6 und 7 vorgesehen, die im zusammengesetzten Zustand des Kerns 3 einen Raum zur Aufnahme von Magnetfeldsonden zur Verfügung stellen. Die Ausnehmungen 6 und 7 können dabei so ausgeführt sein, dass sie nach allen Seiten von Kernmaterial umschlossen sind mit Ausnahme einer kleinen Durchführung für Zuleitungen der Magnetfeldsensoren oder zu einer oder zwei Seiten hin offen sind.
2, Diagramm (b), zeigt den Magnetkern 3 im zusammengesetzten Zustand. Beim Zusammensetzen des Kerns 3 werden die beiden Schenkel 31 und 32 so aneinander angeordnet, dass die Ausnehmungen 6 und 7 der Schenkel 31 und 32 zusammen jeweils einen Aufnahmeraum für eine Magnetfeldsonde 20a und 20b bilden.
Im zusammengebauten Zustand ergibt sich eine Innenöffnung 8 zur Durchführung der zwei oder mehr Primärleiter (vgl. 1 Primärleiter 5a, 5b). In anderen Worten, die zusammengebauten Kernteile 31 und 32 bilden einen geschlossenen Ringkern 3. Die Fügestellen zwischen den Kernteilen 21 und 32 bilden dabei Luftspalte, die allerdings eine geringe Spaltbreite, beispielsweise kleiner 0,1 mm, aufweisen. Als Luftspalt wird gemeinhin der Raum zwischen zwei nahe gegenüberliegenden Flächen bezeichnet. Die Spaltbreite ist dabei der Abstand der beiden Flächen in senkrechter Linie voneinander (Normalabstand). Die effektive Spaltbreite ist der auf ebene Flächen umgerechnete Abstand von beabstandeten nicht ebenen Gebilden.
3, Diagramme (a) und (b), zeigt eine Modifikation des Beispiels aus 2, bei dem nur an jeweils einer Stirnseite der Kernteile 31 und 32 eine Ausnehmung 6 angeordnet ist, die im zusammengebauten Zustand jeweils Raum für die Sonden 20a bzw. 20b zur Verfügung stellt.
Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Kernteile 31 und 32 aus einem Material mit vergleichsweise kleiner Koerzitivfeldstärke Hc gefertigt (z.B. H_C<0,02 A/cm), um die Hysteresefehler möglichst klein zu halten. Hierfür kann insbesondere eine Nickel-Eisen-Legierung mit einem Nickelanteil von 72-83%, z.B. VACOPERM^® 100 (H_C ≈ 0,01 A/cm) zum Einsatz kommen, was allerdings den Nachteil einer geringeren Sättigungspolarisation mit sich bringt. In herkömmlichen Stromsensoren kommen häufig Nickel-Eisen-Legierungen mit höheren Sättigungspolarisationen und höheren Koerzitivfeldstärken zum Einsatz, insbesondere Nickel-Eisen-Legierungen mit einem Nickelanteil von 45-50% wie z.B. PERMENORM^® 5000 V5. Da sich bei Differenzstromsensoren, abgesehen von geometrisch bedingten Asymmetrien der Feldverläufe (z.B. aufgrund einer unsymmetrischen Anordnung der Stromschienen), die Felder aller den Sensor durchfließenden Primärströme sich inhärent vorkompensieren (Vektoraddition), muss das Kernmaterial nur einen Teil der sich überlagernden magnetischen Flüsse homogenisieren, um die tatsächlich auftretende Differenz (den Fehlerstrom) messbar zu machen. Die niedrigere Sättigungspolarisation spielt demnach bei Differenzstromsensoren eine untergeordnete Rolle.
Wie erwähnt kommen bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen an sich Flux-Gate-Sonden als Magnetfeldsensoren zum Einsatz (siehe 2 und 3, Sonden 20a-b). Derartige Sonden werden häufig bei Stromsensoren eingesetzt, die den Leiterstrom (und keinen Differenzstrom) messen. Für einen Differenzstromsensor sind allerdings bekannte Designs von Flux-Gate-Sonden in der Regel zu wenig empfindlich. Wie erwähnt besteht eine Magnetfeldsonde (neben der notwendigen Sensorelektronik) üblicherweise aus einem Metallstreifen aus magnetischem Material (häufig als Sensorstreifen bezeichnet) wie z.B. VITROVAC^®, um den eine Spule gewickelt ist. Das Material, aus dem der Sensorstreifen besteht, hat zwar eine nichtlineare Magnetisierungskennlinie, die jedoch eine sehr symmetrische Hysterese aufweist. Der Sensorstreifen ist aus einer relativ dünnen Folie mit einer Dicke von beispielsweise 20µm. Üblicherweise wird der Sensorstreifen auf einem Spulenträger montiert, und die Spule wird um den Spulenträger und folglich auch um den Sensorstreifen gewickelt. Um die Empfindlichkeit der Sonde zu erhöhen, kann die effektive Querschnittsfläche des Sensorstreifens größer dimensioniert werden als bei Sonden für herkömmliche Stromsensoren. Diese Vergrößerung der Querschnittsfläche wird entweder durch eine Vergrößerung der Dicke des Sensorstreifens (z.B. von 20 µm auf 40 µm oder mehr) oder durch die Verwendung eines Stapels von zwei oder mehr Sensorstreifen erreicht.
Die Erfinder haben festgestellt, dass eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Sonden 20a und 20b durch die Verwendung eines Sensorstreifens mit größerer Querschnittsfläche allein nicht ausreicht, d.h. nicht den gewünschten Effekt einer höheren Empfindlichkeit des Differenzstromsensors bringt. Zusätzlich wird gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen der in 2 oder 3 skizzierte Magnetkern 3 modifiziert, was im Folgenden diskutiert wird.
4 illustriert exemplarisch die Verbindung der Kernteile 31 und 32 zu einem ringförmigen Magnetkern 3 wie es beispielsweise in 3 dargestellt wist. Gemäß 4 sind die Kernteile 31 und 32 sind aus einer Vielzahl von gestapelten Blechlagen (stacked sheet metal layers) zusammengesetzt. In dem in 4, Diagramm (a), gezeigten Beispiel sind die Kernteile aus 16 gestapelten Blechlagen gebildet, wobei an einem Endstück 320 des Kernteils 32 jede zweite Lage um eine bestimmte Distanz länger ist als die anderen Lagen, sodass am Endstück 320 eine Art Kammstruktur gebildet wird, die in eine korrespondierende Kammstruktur am Endstück des Kernteils 21 eingesteckt werden kann. An den gegenüber liegenden Enden der Kernteile findet man die gleichen Kammstrukturen mit gleichmäßig abwechselnden „Zinken“. Im zusammengefügten Zustand überlappen sich an der Verbindungsstelle X (siehe 3, Diagramm (b), sowie 4, Diagramm (b)) die einzelnen Lagen der Blechstapel, aus denen die Kernteile 31 und 32 gebildet sind. Diese Art der Verbindung ähnelt in gewisser Weise einer Fingerzinkenverbindung (boxjoint), die z.B. in der Holzverarbeitung verwendet wird. Anders ausgedrückt, die geradzahligen Blechlagen des Kernteils 32 überlappen sich an der Verbindungsstelle X mit den ungeradzahligen Blechlagen des Kernteils 31. Bei einer geradzahligen Anzahl von Blechlagen überlappt die Hälfte der Blechlagen jeweils eine korrespondierende Blechlage des anderen Kernteils. Bei einer ungeradzahligen Anzahl von Blechlagen ist es eine Lage weniger als die Hälfte. Die kürzeren Blechlagen im Endbereich 320 liegen - im zusammengefügten Zustand mit ihrer Stirnseite an den Seitenflächen der benachbarten Blechlagen des Kernteils 31 an (siehe 4, Diagramm (b)).
Ein ringförmiger Kern aus zwei Kernteilen 31, 32, die wie in 4 dargestellt verbunden sind, wird im Folgenden als Standardkern bezeichnet. Die Ausnehmungen für die Sonden 20a und 20b (siehe 2 und 3) sind übrigens direkt benachbart zur Verbindungsstelle X (siehe 3, Diagramm (b)) oder ragen sogar in die Verbindungsstelle hinein (siehe 2, Diagramm (b)).
5 ist ein Diagramm zur Illustration von Messwerten, welche die Empfindlichkeit eines Differenzstromsensors zeigt. 5 enthält drei Kennlinien, welche einen Duty-Cycle eines modulierten Ausgangssignals des Stromsensors in Abhängigkeit des zu messenden Differenzstroms zeigt, wobei ein Duty-Cycle von 50% am Ausgang des Stromsensors einen Differenzstrom von 0 mA anzeigt. Die erste Kennlinie (durgezogene Linie) illustriert die Empfindlichkeit eines Stromsensors mit einem Standardkern und einer Standardsonde (Flux-Gate-Sonde mit einem Sensorstreifen). Die zweite Kennlinie (strichpunktierte Linie) illustriert die Empfindlichkeit eines Stromsensors mit einem Standardkern und einer modifizierten Sonde mit zwei übereinanderliegenden Sensorstreifen (verdoppelte Querschnittsfläche). Man sieht, dass sich die Empfindlichkeit des Stromsensors durch die beschriebene Modifikation der Magnetfeldsonde (Vergrößerung des effektiven Eisenquerschnitts des Sensorstreifens) nur wenig Effekt hat. Bei Strömen unter 200 mA ist in dem Diagramm praktisch kein Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Kennlinie zu erkennen.
Die dritte Kennlinie (strichlierte Linie) illustriert die Empfindlichkeit eines Stromsensors mit einem modifizierten Kern und der (wie oben beschrieben) modifizierten Sonde mit vergrößertem Eisenquerschnitt. Die Modifikation des Kerns betrifft im Wesentlichen die Art der Verbindung der beiden Kernteile 31 und 32. Verschiedene Ausführungsbeispiele sind in 6 und 7 dargestellt. Beiden Varianten gemeinsam ist, dass die Kammstruktur an einem Endstück 320 des Kernteils 32 so gestaltet ist, dass sich beim Zusammenfügen der Kernteile weniger Blechlagen überlappen als beim Standardkern gemäß 4, bei dem sich jede zweite Blechlage mit einer korrespondierenden Blechlage des anderen Kernteils überlappt. Der Großteil der Blechlagen (in 6 zehn von sechzehn (62,5%), in 7 zwölf von sechzehn (75%)) liegen jeweils - ohne Überlappung - mit ihrer schmalen Stirnfläche an einer Seitenfläche einer korrespondierenden Blechlage des jeweils anderen Kernteils an. Zwischen den an ihren Stirnflächen/Seitenflächen aneinander angrenzenden Blechlagen kann ein kleiner (im Bereich von 100µm) Luftspalt gebildet werden, wodurch der Streufluss erhöht wird.
In anderen Worten, in den Endstücken 320 der Kernteile 32 überragt nicht jede zweite Blechlage die kürzeren Blechlagen um eine Distanz a, sondern weniger als rund 40 Prozent der Blechlagen sind länger als die übrigen, kürzeren Blechlagen. In dem Beispiel aus 6 überragen sechs von sechzehn Blechlagen (also 37,5% der Querschnittsfläche) die übrigen, kürzeren Blechlagen. In dem Beispiel aus 7 sind es vier von sechzehn Blechlagen (also 25% der Querschnittsfläche). Bei einem Standardkern mit geradzahliger Anzahl von Blechlagen sind immer 50% der Blechlagen länger als die übrigen, kürzeren Blechlagen. Bei einem Standardkern mit ungeradzahliger Anzahl von Blechlagen ist es eine Lage weniger. Mit üblichen Blechdicken von beispielsweise 0,2 mm - 0,5 mm kann ein Magnetkern gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen beispielsweise aus acht oder mehr Blechlagen bestehen.
Aus den obigen Erläuterungen folgt auch, dass es bei einem Standardkern (regelmäßige Kammstruktur mit abwechselnd hervorstehenden Blechlagen) mit N Blechlagen immer N-1 Grenzflächen (interface areas) gibt, an denen eine Überlappung der Blechlagen der Kernteile 331 und 32 stattfindet. Bei einem modifizierten Kern sind es N-2 Grenzflächen oder weniger. Der theoretische Grenzfall wären dann N=3 Blechlagen mit einer Überlappung an genau einer (N-2) Grenzfläche (im Endstück 320 würde die erste oder die letzte Blechlage um eine Distanz a die anderen beiden überragen).Die Überlappung an einer einzigen Grenzfläche würde allerdings mechanisch nicht so stabil sein, wie eine mehrfache Überlappung. Bei einem Kern mit N=4 blechlagen wären an zwei Grenzflächen eine Überlappung möglich, wenn im Endstück 320 die äußeren beiden Blechlagen oder die inneren beiden Blechlagen um die Distanz a die anderen überragen (analog zu dem Beispiel aus 7). Bei einer regelmäßigen Kammstruktur (Standardkern) mit abwechselnd hervorstehenden Blechlagen würde die erste und dritte (oder die zweite und vierte) Blechlage im Endstück 320 hervorstehen.
Wie oben erwähnt kann es vorteilhaft sein, wenn die längeren Blechlagen im Abschnitt 320 höchstens 40 Prozent der gesamten Querschnittsfläche des Kerns ausmachen. Bei einem Kern mit N=5 Blechlagen und Überlappungen an N-2=3 Grenzflächen wird genau dieses Maximum von 40 Prozent erreicht (bei Blechlagen gleicher Dicke). Um eine unregelmäßige Kammstruktur zu erzielen sind in diesem Fall die erste und vierte (oder die zweite und fünfte) Blechlage länger als die übrigen. Eine regelmäßigen Kammstruktur liegt immer dann vor, wenn nicht abwechselnd jede zweite Blechlage die jeweils benachbarte überragt (vgl. 4, die eine regelmäßige Struktur zeigt), was gleichbedeutend ist, dass die längeren Blechlagen im Endstück 320 nicht äquidistant (also nicht in einem regelmäßigen Raster) angeordnet sind. In einem Beispiel ist N größer oder gleich 5 (vorzugsweise größer oder gleich 8) bei Überlappungen an sechs (N-2) oder weniger (z.B. N-4) Grenzflächen.
8 ist ein Foto des Endstücks 310 des Kernteils 31, welches mit dem Endstück 320 des Kernteils 32 aus 7 korrespondiert. Im zusammengefügten Zustand erhält man einen Kern wie in 2 dargestellt. Im dargestellten Beispiel existieren bei sechzehn Blechlagen nur acht Grenzflächen, an denen eine Überlappung stattfindet. Bei einem Standardkern mit gleicher Anzahl von Blechlagen wären es fünfzehn Grenzflächen.
9 ist eine Querschnittsdarstellung durch den zusammengebauten Differenzstromsensor mit einem Magnetkern 3, der aus den Teilen 31 und 32 wie oben beschrieben zusammengesetzt ist. Die Fügestelle, an der die Kernteile 31 und 32 zusammengesetzt sind, ist in 9 von der Schirmung (Teile 51-54) verdeckt (sie wäre in 9 rechts hinten). Innerhalb des Gehäuses und oberhalb des Kerns 3 ist eine Platine 55 angeordnet, auf der sich die Sensorelektronik befindet (Signalaufbereitung, Ansteuerung der Magnetfeldsonden, Analog/Digital-Wandler, Mikrocontroller, etc.). Verschiedene geeignete elektronische Schaltungen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert.
In 9 sind der Magnetkern 3 und die Kompensationsspule von einer Schirmung umgeben. Die Kompensationsspule ist in 9 nicht sichtbar, da von der Schirmung verdeckt. Die Schirmung erhöht die Immunität des Differenzstromsensors einerseits gegen externe Magnetfelder und andererseits gegen Asymmetrien, insbesondere gegen die asymmetrische Anordnung der Primärleiter. Letzteres ist bei Differenzstromsensoren zwangsläufig der Fall, weil ja zwei oder mehr Primärleiter gleichzeitig durch den Magnetkern 3 hindurchgeführt werden müssen, wohingegen bei „normalen“ Stromsensoren ein einziger Primärleiter symmetrisch in Bezug auf den Magnetkern 3 angeordnet werden kann.
In dem Ausführungsbeispiel aus 9 umfasst die Schirmung einen inneren Abschirmring 51, der entlang des Innenumfangs des Magnetkerns 3 angeordnet ist, einen äu-ßeren Abschirmring 52, der entlang des Außenumfangs des Magnetkerns 3 angeordnet ist, sowie eine obere Abschirmplatte 54 (Deckel-Abschirmung) und eine untere Abschirmplatte 53 (Boden-Abschirmung). Eine derartige allseitige Abschirmung des Magnetkerns und der Kompensationsspule(n) verringert die Sensitivität des Differenzstromsensors gegen externe (parasitäre) Magnetfelder. Um das Übertragungsverhalten im AC Bereich des Sensors nicht durch die Schirmung zu beeinträchtigen, ist ein umlaufender Luftspalt (Spaltweite x, siehe 9) zwischen innerem Abschirmring 51 und der Boden-Abschirmung 53 vorgesehen. Der Luftspalt verläuft folglich entlang des Innenumfangs des Magnetkerns 3. Alternativ kann der Luftspalt auch an einer anderen Stelle entlang des Innenumfangs des Magnetkerns 3 angeordnet werden, beispielsweise zwischen dem inneren Abschirmring 51 und der Deckel-Abschirmung 54, oder der innere Abschirmring ist zweigeteilt mit dazwischenliegendem umlaufenden Luftspalt.
Die Schirmung kann beispielsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung wie z.B. Mumetall^® oder VACOPERM^® 100 sein. Zusammen mit der oben beschriebenen modifizierten Magnetkern ermöglicht die Schirmung eine vergleichsweise genaue Differenzstrommessung. Die Schirmung kann beispielsweise an der Innenseite eines Kunststoffgehäuses angeordnet sein. Das Kunststoffgehäuse ist in den Abbildungen nicht dargestellt, umgibt in der Praxis die Schirmung (und damit, Magnetkern, Kompensationsspule(n), Elektronik-Platine, etc.) allseitig. Kunststoffgehäuse an sich sind bei derartigen Stromsensoren üblich und werden daher hier nicht weiter beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10045194 A1 [0015]
US 20040204875 A1 [0015]

Claims

Ein Magnetkern für einen Stromsensor, der folgendes umfasst: einen ersten und einen zweiten Kernteil (31, 32), die jeweils einen Stapel aus einer Vielzahl von Blechlagen umfassen; wobei das zweite Kernteil (32) ein erstes Endstück (320) aufweist, welches so strukturiert ist, dass einige der Blechlagen länger sind und die übrigen, kürzeren Blechlagen überragen, und wobei das erste Kernteil (31) ein zu dem ersten Endstück (320) des zweiten Kernteils (32) invers strukturiertes zweites Endstück (310) aufweist, wobei das erste Kernteil (31) und das zweite Kernteil (32) an einer Verbindungsstelle (X) so zusammengefügt sind, dass an der Verbindungsstelle (X) die längeren Blechlagen des ersten Endstücks (320) und des zweiten Endstücks (310) sich überlappen; und wobei die Struktur des ersten Endstücks (320) und des zweiten Endstücks (310) so gestaltet ist, dass die Überlappung an einer Anzahl an Grenzflächen stattfindet, die um mindestens zwei kleiner ist als die Anzahl der Blechlagen.
Der Magnetkern gemäß Anspruch 1, wobei die längeren Blechlagen an dem ersten Endstück (320) des zweite Kernteils (32) insgesamt eine Querschnittsfläche aufweisen, die weniger als 40% der Querschnittsfläche des zweiten Kernteils (32) ausmacht.
Der Magnetkern gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Stapel aus einer Vielzahl von Blechlagen aus mindestens fünf, vorzugsweise acht Blechlagen besteht.
Der Magnetkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Blechlagen aus einer weichmagnetischen Legierung bestehen, die eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 0,02 A/cm aufweist.
Der Magnetkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei benachbart zu der Verbindungsstelle (X) in dem zweiten Kernteil (32) eine Ausnehmung für eine Magnetfeldsonde angeordnet ist, die insbesondere in die Verbindungsstelle in die Überlappungen hineinragt.
Der Magnetkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste und der zweite Kernteil (31, 32) im Wesentlichen gleich konstruiert sind.
Der Magnetkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei erste und der zweite Kernteil (31, 32) an zwei Verbindungsstellen verbunden sind, die im Wesentlichen gleich gestaltet sind
Ein Stromsensor, der folgendes aufweist: einen Magnetkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kernteile (31, 32) an zwei Verbindungsstellen (X) zusammengefügt sind und der Magnetkern zwei Ausnehmungen aufweist, die benachbart zu den Verbindungsstellen angeordnet sind, zwei Magnetfeldsonden (20a, 20b), die in den Ausnehmungen in dem Magnetkern angeordnet sind; und zwei Kompensationswicklungen (4), die auf zwei gegenüber liegenden Bereichen des Magnetkerns angeordnet sind.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 8, der weiter aufweist, eine Schirmung, die den Magnetkern allseitig umgibt und auch die Kompensationswicklungen (4) umschließt.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 9, wobei die Schirmung einen entlang des Innenumfangs des Magnetkerns umlaufenden Luftspalt (x) aufweist.
Der Stromsensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Stromsensor ein Differenzstromsensor oder Summenstromsensor mit zwei oder mehr Primärleitern ist.
Ein Magnetkern für einen Stromsensor, der folgendes umfasst: einen ersten und einen zweiten Kernteil (31, 32), die jeweils einen Stapel aus einer Vielzahl von Blechlagen umfassen; wobei das zweite Kernteil (32) ein erstes Endstück (320) aufweist, welches so strukturiert ist, dass einige der Blechlagen länger sind und die übrigen, kürzeren Blechlagen überragen, und wobei das erste Kernteil (31) ein zu dem ersten Endstück (320) des zweiten Kernteils (32) invers strukturiertes zweites Endstück (310) aufweist, wobei das erste Kernteil (31) und das zweite Kernteil (32) an einer Verbindungsstelle (X) so zusammengefügt sind, dass an der Verbindungsstelle (X) die längeren Blechlagen des ersten Endstücks (320) und des zweiten Endstücks (310) sich überlappen; und wobei die längeren Blechlagen des ersten Endstücks (320) weniger als 40 Prozent zu der gesamten Querschnittsfläche aller Blechlagen beitragen.
Der Magnetkern gemäß Anspruch 12, wobei die Blechlagen in dem ersten Endstück (320) eine unregelmäßige Kammstruktur bilden.
Ein Magnetkern für einen Stromsensor, der folgendes umfasst: einen ersten und einen zweiten Kernteil (31, 32), die jeweils einen Stapel aus einer Vielzahl von Blechlagen umfassen; wobei das zweite Kernteil (32) ein erstes Endstück (320) aufweist, welches so strukturiert ist, dass einige der Blechlagen länger sind und die übrigen, kürzeren Blechlagen überragen, und wobei das erste Kernteil (31) ein zu dem ersten Endstück (320) des zweiten Kernteils (32) invers strukturiertes zweites Endstück (310) aufweist, wobei das erste Kernteil (31) und das zweite Kernteil (32) an einer Verbindungsstelle (X) so zusammengefügt sind, dass an der Verbindungsstelle (X) die längeren Blechlagen des ersten Endstücks (320) und des zweiten Endstücks (310) sich überlappen; und wobei die Blechlagen im ersten Endstücks (320) und im zweiten Endstück jeweils eine unregelmäßige Kammstruktur bilden.
Der Magnetkern gemäß Anspruch 14, wobei die längeren Blechlagen im ersten Endstück (320) nicht äquidistant angeordnet sind.