DE102022134015A1

DE102022134015A1 - Stromsensoranordnung

Info

Publication number: DE102022134015A1
Application number: DE102022134015.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brusius
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2022-12-20
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2024-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromsensoranordnung (10) umfassend zumindest zwei vorzugsweise als Gradientensensoren (26) ausgebildete magnetfeldsensitive Sensorelemente (12, 14) und zumindest einen Stromleiter (24) mit zumindest zwei strommessaktiven Leiterabschnitten (16a, 16b).Es wird vorgeschlagen, dass zur Erfassung eines von einem Strom in den strommessaktiven Leiterabschnitten (16a, 16b) erzeugten Magnetfelds mindestens ein erstes magnetfeldsensitives Sensorelement (12) für eine erste Magnetfeldempfindlichkeit dem ersten strommessaktiven Leiterabschnitt (16a) für einen ersten Strommessbereich und ein zweites magnetfeldsensitives Sensorelement (14) für eine zweite Magnetfeldempfindlichkeit dem zweiten strommessaktiven Leiterabschnitt (16b) für einen zweiten Strommessbereich zugeordnet ist, wobei der erste Strommessbereich und der zweite Strommessbereich verschieden sind.Daneben wird ein Stromsensor (60) umfassend eine vorgenannte Stromsensoranordnung (10) sowie ein Verfahren zur Strommessbereichsumschaltung vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromsensoranordnung umfassend zumindest zwei, vorzugsweise als Gradientensensoren ausgebildete, magnetfeldsensitive Sensorelemente und zumindest einen Stromleiter mit zumindest zwei strommessaktiven Leiterabschnitten. Daneben betrifft die Erfindung einen Stromsensor umfassend eine derartige Stromsensoranordnung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum gleichzeitigen Auswerten oder Umschalten von Strommessbereichen einer derartigen Stromsensoranordnung.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik sind Stromsensoranordnungen zur Durchführung von direkten und nicht galvanisch getrennten Messverfahren, wie z.B. Shuntstrommessungen, und indirekten, galvanisch getrennten, berührungsfreien Messungen von Strömen bekannt. Sie dienen in der Regel zum Erfassen eines elektrischen Stroms, um unterschiedliche Aufgaben, beispielsweise Überwachung eines bestimmungsgemäßen Betriebs, Ermittlung einer Leistung oder dergleichen, durchführen zu können.
Im Rahmen der Erfindung wird eine berührungsfreie Messung durch zumindest zwei magnetfeldsensitive Sensorelemente und zumindest einen Stromleiter betrachtet. Berührungsfreie messende Stromsensoren zur Erfassung einer Stromstärke durch zumindest einen Stromleiter auf Basis des, den Stromleiter umgebenden, Magnetfelds H entlang einer geschlossenen Kurve S, sind im Stand des Technik hinlänglich bekannt. Sie beruhen auf einem Rückschluss auf einen Gesamtstrom I, der durch eine Fläche A fließt, die durch eine Kurve S berandet wird, nach dem Ampereschen Gesetz: $I = \iint_{A} \vec{J} \cdot d \vec{A} = \oint_{A} \vec{H} \cdot d \vec{s}$
Hierdurch ist eine berührungslose Stromerfassung ohne Eingriff in den Betrieb einer elektrischen Schaltung, insbesondere ohne Unterbrechung oder galvanische Zwischenschaltung eines Messstromkreises möglich.
Derzeit werden in vielen Bereichen magnetfeldbasierte Stromsensoren in Closed-/Open-Loop-Hall- oder Fluxgate-Technologie und über Trennkoppler entkoppelte Messshunts sowie Feldgradiometer mit On-Chip-Kompensation und einem vorgegebenen Dimensionierungszielwert eingesetzt.
Derartige Stromsensoren werden beispielsweise in den Bereichen Batterie-Management in Elektrofahrzeugen und in den Anwendungen beim Antrieb mit besonderer Anforderung an Überlastfähigkeit für einen Anlauf- und Lastwechselbetrieb, sowie für eine Differenz- und Fehlerstromsensorik eingesetzt. Insbesondere im Bereich des Batterie-Managements wird ein großer Dynamikbereich der Strommessung gewünscht. Mit einem einzelnen Stromsensor soll ermöglicht werden, hohe Ströme von bis zu 1000 A im Stromsensor für Zeitbereiche von bis zu 1 Minute abzubilden und für einen Normalbetriebsbereich eines Dauerstroms von kleiner als 100 A eine Genauigkeit von 2% und eine Auflösung bis in einen mA-Bereich hinein bei kleinen Strömen von wenigen Ampere zu erreichen.
Nachteilig bei den vorgenannten Wandlerverfahren auf Closed/Open-Loop-Hall- oder Fluxgate-Basis ist ein hoher Dynamikbereich mit einer höheren Genauigkeit komplex und aufwendig zu kompensieren, so dass diese meist nur im Bereich von Laborprüftechnik eingesetzt werden können. Gerade im kostenkritischen Automotiv- und Antriebsbereich sind Kosten für einen Magnetkern, eine Sonderhäusung und ein erforderlichen Bauraumbedarf sowie zusätzlicher Leistungsbedarf für eine Kompensation unerwünschter Eigenschaften kaum abbildbar, so dass in diesen Bereichen Shuntstrommessungen und Eigenkonstruktionen mit einfachen Open-Loop-Hallsensoren dominieren. Ein großer Dynamikbereich kann insbesondere bei Anwendung von shuntbasierten Strommessungen, d.h. für eine Strommessung mit Hilfe eines Messwiderstands (Shunts), durch hochauflösende, auf einem extremen Signal-Rausch-Abstand und einer Linearität bei einem kleinen Spannungs-Eingangsbereich optimierte Analog-Digital-Wandler (ADCs) erreicht werden, wobei derartige ADCs in der Regel zusätzliche galvanische Trennkoppler zur Entkopplung des Leistungsschaltkreises vom Kleinsignalschaltkreis erforderlich machen. Ein Überlastschutz kann über Sicherungen vorgesehen sein, und die Genauigkeit bei geringen Verlustleistungen und Messfehlern kann über möglichst niederohmig präzisionsgetrimmte Speziallegierungen erreicht werden.
Jedoch weist eine Shuntstrommessung bei hohen Strömen einen kostenwirksamen Nachteil erheblicher Verlustleistung auf. Um diesem entgegenzutreten, können extrem niederohmige, teuer Präzisionsshunts, die Notwendigkeit einer aktiven Kühlung und hochgezüchtete Analog-Digital-Wandler mit hohem CMRR (Common Mode Rejection Ratio - Gleichtaktunterdrückungsfaktor) und kleinem Eingangsbereich bei hoher Auflösung und schnellen Wandlungs- und Übertragungsraten erforderlich werden. Weiterhin bekannte Problematiken bei den Shuntstrommessungen sind der Zusatzbeschaltungsaufwand wie z.B. die Notwendigkeit einer galvanisch getrennten Hilfsenergiequelle und Auswertungsaufwand, der in die Auswahl der verwendeten Prozessoren und Softwareaufwand einfließt, EMV (elektromagnetische Verträglichkeit)-Beständigkeit der Digitalwandlung und Trennkoppler-Übertragung.
Allerdings stoßen die vorgenannten Strommessungen bei den verschiedenen Anwendungen schnell an Grenzen. Daher wird in der Regel ein Kompromiss zwischen der Überlastfähigkeit des Stromsensors mit dem dazugehörigen Kompensationskreis, Strompfad und nutzbaren Messfeld eingegangen. Dabei definiert der Messbereich prozentuale Messfehler und eine untere Auflösungsgrenze der Messung. Diese Systeme weisen einen ungenügenden Dynamikbereich auf, wobei ein Wunsch zur Erhöhung des Strommess-Dynamikbereichs verbleibt.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Anordnungen bekannt, die mittels magnetfeldsensitiver Stromsensoren eine magnetische Feldstärkedifferenz in einer Messebene zwischen Leiterströmen benachbarter Stromleiter messen, oder die nach den Prinzip eines Durchsteckwandlers arbeiten. Als magnetfeldsensitive Sensorelemente werden in der Regel magnetoresistive Sensorelemente eingesetzt, die zum Beispiel nach dem AMR-, GMR- oder TMR-Effekt magnetoresistiv, nach dem Hall-Effekt magnetfeldsensitiv arbeiten, oder die als Feldplatte (MDR-Magnetic Dependent Resistor) ausgebildet sein können. Dazu gehören aber auch Sensoren, die eine magnetfeldabhängige Spannung bereitstellen, wie z.B. Hall-Sensoren, oder anderweitig ein Sensorsignal in Abhängigkeit von Stärken des Magnetfelds bereitstellen. Beispielhaft und nicht abschließend wird weiter auf SQUID-basierte Sensoren (Superconducting Quantum Interference Device) oder auf ein Fluxgate-Magnetometer verwiesen.
Im Bereich magnetfeldsensitiver Stromsensoren ist es bekannt, Sensorelemente in einem Bereich eines strommessaktiven Leiterabschnitts so anzuordnen, dass das Magnetfeld eines strommessaktiven Leiterabschnitts eine hohe Sensorwertveränderung hervorruft und das Magnetfeld eines strommessverfälschenden Leiterabschnitts aufgrund einer räumlichen Ausrichtung des Sensorelements gegenüber dem strommessaktiven Leiterabschnitt und / oder durch Feldkompensationseffekte weiterer stromführender Elemente geringe, im Wesentlichen keine Sensorwertveränderungen hervorruft.
Ein gattungsgemäßer Stromsensor ist in der DE 10 2009 054 892 B4 beschrieben. Der Stromsensor ist mit einer zweischleifigen, parallelen Stromleiterführung bereitgestellt. Hierzu ist vorgesehen, dass zumindest drei Hall-Sensoren linear und wohl gleichmäßig beabstandet angeordnet sind. An keiner Stelle wird darauf hingewiesen, dass durch die verschiedenen Sensoren unterschiedliche Messbereiche erfasst werden können.
Die WO 00/11482 A1 betrifft einen Stromsensor mit einer Stromschiene mit verschieden großen Ausnehmungen, in denen verschiedene Magnetfeldgradienten messbar sind. Die eingesetzte Stromschiene wird allerdings in jeweils gleicher Richtung von Strom durchflossen, auch wird kein Hinweis auf verschieden große Messbereiche oder einzusetzende Gradientensensoren gegeben.
In der WO 2019/072421 A1 ist eine Strommessanordnung mit einem magnetoresistiven Gradientensensor, der zwischen zwei Leiterabschnitten eines Stromleiters angeordnet ist, dargestellt. Die Leiterabschnitte teilen einen Strom auf und der aufgeteilte Strom wird in dieselbe Richtung bezüglich der Anordnung des magnetoresistiven Gradientensensors geführt. Die Leiterabschnitte sind bezüglich einer Messebene des magnetoresistiven Gradientensensors höhenversetzt. Verschiedene Messbereiche lassen sich nicht mit gleichbleibend hoher Messgenauigkeit erfassen.
Aus den bisherigen Lösungen zur Strommessung mit magnetfeldsensitiven Sensorelementen ergibt sich das Problem, dass bei verschiedenen Strommessbereichen ein unterschiedlicher Signal-Rausch-Abstand bzw. SNR-Verhältnis auch bei Verwendung verschiedener Halbleitertechnologien und Versorgungsspannungen in der Signalverarbeitung entstehen kann. Um eine zuverlässige Messung zu ermöglichen, muss sich ein Signal deutlich und ausreichend von Hintergrundrauschen abheben. Weiterhin kann eine thermische Überlastung von Treiberstufen, Strompfaden und Kompensationsstrukturen in Überlastsituationen mit einem hohen Strom bei einem zu klein gewählten Nominalwert eintreten. Wird der Nominalwert zugunsten der Überlastfähigkeit groß gewählt, treten inakzeptabel große Messfehler für kleine Ströme I auf, da sich Fehlereinflüsse wie z.B. Offset, Offsetdrift, Nichtlinearität, Kalibrierauflösung prozentual auf den Nominalwert beziehen. Daneben können Zusatzkosten für hochauflösende Analog-Digital-Wandler (ADCs) in Endkunden-Anwendungen entstehen. Um dies zu lösen, sind Bypass-Lösungen mit N Stromleitern und N>2 häufig verwendet, wobei der Strom dadurch aufgeteilt und portionsweise mit mehreren Sensorelementen gemessen wird. Diese Bypass-Lösungen lösen allerdings nur ein Überlastproblem und scheitern häufig aufgrund von frequenzabhängigen Stromdichtenverteilungseffekten.
Dabei hat jedes Einzelsensorelement zwar geringere Fehler bei seiner individuellen Messung, aber der Vorteil hebt sich wieder auf, da nur ein (ungleichmäßig verteilter) Bruchteil des Gesamtstroms von jedem der N-Einzelsensorelementen gemessen wird und die Messfehler der Einzelsensorelemente wieder addiert werden müssen. Somit entstehen Zusatzkosten für N Sensoren und N ADC-Messkanäle.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorgenannten Probleme zu lösen, und vorbekannte magnetkernlose Strommessanordnungen mit magnetfeldsensitiven Sensorelementen dahin gehend zu verbessern, dass sowohl hohe Stromstärken von mehreren hundert Ampere als auch niedrige Stromstärken von wenigen Ampere mit einem kostengünstigen Aufbau und einer hohen Genauigkeit sowie hohen Auflösungen bis in den mA-Bereich gemessen werden können. Mit anderen Worten ist eine Stromsensoranordnung mit verschiedenen bzw. umschaltbaren Strommessbereichen vorzuschlagen, die durch ein Umschalten oder Abschalten von Strommessbereichen weiterhin Schutz vor Überlast sowie verbesserte Genauigkeit bereitstellt.
Diese Aufgabe wird durch eine Stromsensoranordnung und ein Verfahren zum Umschalten von Strommessbereichen einer Stromsensoranordnung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung geht aus von einer Stromsensoranordnung umfassend zwei, vorzugsweise als Gradientensensoren ausgebildete, magnetfeldsensitive Sensorelemente und zumindest einen Stromleiter mit zumindest zwei strommessaktiven Leiterabschnitten.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zur Erfassung eines von einem Strom in den strommessaktiven Leiterabschnitten erzeugten Magnetfelds mindestens ein erstens magnetfeldsensitives Sensorelement für eine erste Magnetfeldsensorkonfiguration dem ersten strommessaktiven Leiterabschnitt für einen ersten Strommessbereich und ein zweites magnetfeldsensitives Sensorelement für eine zweite Magnetfeldsensorkonfiguration dem zweiten strommessaktiven Leiterabschnitt für einen zweiten Strommessbereich zugeordnet ist, wobei der erste Strommessbereich und der zweite Strommessbereich verschieden sind, so dass der Strom durch den Stromleiter in jedem Strommessbereich gleichzeitig erfassbar, oder umschaltbar durch zumindest einen der beiden Sensorelemente erfassbar ist.
Mit anderen Worten wird eine neue Stromsensoranordnung mit zumindest zwei Messbereichen dadurch ermöglicht, dass der Stromleiter zumindest zwei strommessaktive Leiterabschnitte umfasst, wobei jedem Leiterabschnitt ein Sensorelement zugeordnet ist. Damit umfasst die Anordnung zumindest ein Sensorelement für jeden Leiterabschnitt. Vorteilhafterweise unterscheidet sich der erste Strommessbereich von dem zweiten Strommessbereich durch verschiedene Magnetfeldsensorkonfigurationen. Zur Bestimmung eines Stromwertes können Strommesssignale der Sensorelemente entweder umgeschaltet werden, oder beispielsweise in der Nähe einer Umschaltschwelle zwischen der Strommessbereiche gemeinsam ausgewertet bzw. gemittelt werden.
Die Magnetfeldsensorkonfiguration ist in diesem Zusammenhang als Zuordnung eines Sensorelements zu einem Leiterabschnitt zu verstehen, während eine Magnetfeldsensitivität eine intrinsische Eigenschaft eines Sensorelements ist, die eine Zuordnung der Stärke des zu messenden Magnetfeldes im Erfassungsbereich des Sensorelements zu einem Sensorsignalgröße des Sensorelements bezeichnet. Die unterschiedlichen Magnetfeldsensorkonfigurationen der Strommessbereiche können insbesondere über geometrische Eigenschaften der Zuordnung der Sensorelemente zu den Leiterabschnitten bzw. unterschiedliche geometrische und/oder elektrische Eigenschaften der Leiterabschnitte eingestellt sein. In diesem Zusammenhang ist eine Magnetfeldsensorkonfigurationen als eine Definition einer Strommessempfindlichkeit zu verstehen, die vornehmlich durch die Geometrie eingestellt wird, d.h. die relative Anordnung des Sensorelements zum zugeordneten Leiterabschnitt und die spezifische geometrische und strukturelle Ausformung des Leiterabschnitts, um ein Strommessbereich-angepasstes Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu erzeugen. Dahingegen ist die Magnetfeldsensitivität eine sensorelementbezogene Eigenschaft, die auf Chipebene des Sensorelements eingestellt wird. Verschiedene Magnetfeldsensorkonfigurationen können Sensorelemente gleicher oder unterschiedlicher Magnetfeldsensitivitäten umfassen.
Die Sensorelemente verschiedener Magnetfeldsensorkonfigurationen können vorzugsweise identische Magnetfeldsensitivitäten aufweisen, so dass lediglich die geometrische Eigenschaften der Zuordnung der Sensorelemente zu den Leiterabschnitten bzw. unterschiedliche geometrische und/oder elektrische Eigenschaften der Leiterabschnitte die verschiedenen Magnetfeldsensorkonfigurationen der unterschiedlichen Strommessbereiche begründen. So kann auf Basis der geometrischen Positionierung der identischen Sensorelemente zu dem oder den Leiterabschnitten ein Sensorelement durch denselben Strom eine hohe magnetische Feldstärke und ein Sensorelement eine niedrige magnetische Feldstärke mit einer hohen Messgenauigkeit erfassen. Dies hat den Vorteil, dass identische Sensorelemente einsetzbar sind.
Daneben können auch unterschiedlich sensitive Sensorelemente, d.h. Sensorelemente mit unterschiedlichen Magnetfeldsensitivitäten vorgesehen sein, wobei ggf. auch identische geometrische Eigenschaften der Zuordnung der Sensorelemente zu den Leiterabschnitten bzw. identische geometrische und/oder elektrische Eigenschaften der Leiterabschnitte vorgesehen werden können. Es ist natürlich auch denkbar, dass sich sowohl die Geometrie, und/oder elektrische Eigenschaft der Leiterabschnitte, als auch die Magnetfeldsensitivität der Sensorelemente zur Bereitstellung verschiedener Strommessbereiche unterscheiden.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Strommessbereiche basierend auf Stromstärken umschaltbar bzw. einzeln auswertbar sind, insbesondere dass ein Strommessbereich für niedrigere Stromstärken zur Verhinderung eines Überlastfalles deaktivierbar ist. Fließt im Stromleiter ein Strom mit einer Stromstärke, die in den ersten Strommessbereich fällt, wird das erste Sensorelement ausgewertet. Überschreitet die Stromstärke des fließenden Stroms eine erste Messgrenze des ersten Strommessbereichs, wird das zweite Sensorelement mit einem höheren Strommessbereich, vorzugsweise automatisch ausgewertet bzw. dessen Sensorelemente zur Stromstärkenerfassung herangezogen. Vorteilhaft und optional kann bei einer zweiten Strommessgrenze, die als Überlastgrenze dient, das erste Sensorelement für den ersten Strommessbereich mit niedrigerem Messbereich zum Überlastschutz ganz abgeschaltet werden. Hierdurch ergibt sich zumindest eine Übergabeschaltschwelle zwischen dem ersten und dem zweiten Strommessbereich.
In der Nähe der Messgrenze bzw. einer Übergabeschaltschwelle können Strommesssignale zweier oder mehrerer Sensorelemente auch vorteilhaft gleichzeitig ausgewertet und beispielsweise zur Ermittlung eines Stromsensorwertes gemittelt werden, so dass eine erhöhte Genauigkeit im Bereich der Übergabeschaltschwelle erreicht werden kann. Daneben können auch außerhalb der Übergabeschwelle eine gleichzeitige Auswertung bzw. Verrechnung zweier oder mehrerer Strommesssignale zur Redundanzerhöhung und zur Verbesserung der Funktionalen Sicherheit vorgenommen werden.
Der Stromleiter ist in der Regel als Stromschiene ausgebildet, meist als bandförmiges Stangenprofil, das in der Regel einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, und typischerweise aus einem Kupfer- oder Aluminiumprofil besteht. Der Stromleiter kann als Stanzteil kostengünstig hergestellt werden. Alternativ kann das Bandmaterial über ein spannendes bzw. materialabtragenden Verfahren wie beispielsweise Laser- oder Wasserstrahlschneiden seine Kontur bekommen. Auch ein Kalt- oder Warmumformverfahren wie z.B. ein Biegeverfahren ist denkbar.
Grundsätzlich kann als Sensorelement jede Art von Magnetfeldsensor herangezogen werden, dessen Sensorsignal in Abhängigkeit eines zu messenden Magnetfelds variiert. Insofern in einem Strommessbereich ein Strom durch einen Einzelleiter erfasst werden soll, so eignet sich ein Magnetfeldsensor mit einer Vorzugsrichtung, der für eine Vektorrichtung des Magnetfelds besonders sensitiv ist. Vorzugsweise sind die magnetfeldsensitiven Sensorelemente als Gradientensensoren ausgebildet. Gradientensensoren bieten sich insbesondere an, wenn diese zwischen einer Mehrzahl, insbesondere zwei oder vier, Stromleiterabschnitten angeordnet werden können, so dass ein differentielles Magnetfeld zwischen den Stromleiterabschnitten erfasst werden kann. Die Gradientensensoren können vorzugsweise aus Hall-Elementen oder xMR-Elementen, insbesondere AMR-, GMR- oder TMR-Elementen aufgebaut sein. Der Gradientensensor kann auch aus einer Gradientenschaltung von magnetoresistiven Widerstandselementen einer einzelnen Sensoranordnung ausgebildet sein. So können beispielsweise zwei Halbbrücken mit magnetsensitiven Widerständen in getrennten Chipkonfigurationen an unterschiedlichen Orten des Stromleiters zu einer Wheatstonebrücke für eine Magnetfeldgradientenmessung verschaltet werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Anordnung besteht darin, dass der Strom, dessen Stromstärke im ersten oder zweiten Strommessbereich liegt, genauer und präziser im relevanten Strommessbereich gemessen werden kann. Des Weiteren weist die Anordnung eine Überlastfähigkeit auf, da eine Abschaltung eines Stromsensors über Unter- oder Überschreiten seines Strommessbereichs erfolgen kann.
Vorteilhafterweise kann die Strommessbereichsumschaltung für kernlos magnetisch messende Gradiometer auf Komponentenebene bei einem Einbau in Endgeräten realisiert werden. Dadurch kann eine genaue Strommessung mit günstigen Analog-Digital-Wandlern (ADCs) bereitgestellt werden und das Messsignal mit günstigen Signalprozessoren auch bei einer niedrigeren Rechenleistung verarbeitet werden. Daneben wird vorteilhaft erreicht, eine Strompfadgeometrie effizienter und mit weniger Verschnitt zu fertigen, so dass die Herstellung kostengünstig erfolgen kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest ein strommessaktiver Leiterabschnitt als U-förmiger Stromschenkel ausgebildet sein, wobei der U-förmige Stromschenkel zwei im Wesentlichen rechtwinklig zu Längsachse des Stromleiters ausgerichtete Querschenkel und einen im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Stromleiters ausgerichteten Längsschenkel umfasst, und kann das erste und / oder zweite magnetfeldsensitive Sensorelement zwischen den Querschenkeln als strommessaktiver Leiterabschnitt angeordnet sein, wobei bevorzugt die Abstände zwischen zugehörigen Querschenkeln verschiedener strommessaktiver Leiterabschnitte unterschiedlich sind, und / oder die Sensorelemente verschiedene Abstände zu den Querschenkeln aufweisen. Dazu kann ein Strom durch den U-förmigen Stromschenkel zunächst in einem strommessaktiven Leiterabschnitt geführt und in einem zweiten Leiterabschnitt rückgeführt werden. Die beiden parallelen angeordneten Querschenkel des Stromschenkels bilden den strommessaktiven Leiterabschnitt. Zwischen den beiden Querschenkeln kann zumindest ein magnetfeldsensitives Sensorelement, bevorzugt ein Gradientensensor angeordnet sein. Die Messebene des Sensorelements ist eine Ebene, in der durch magnetfeldsensitive Widerstände des Sensorelements ein Gradientenfeld gemessen werden kann. Das Gradientenfeld liegt hierbei parallel zur Messebene. Die beiden Querschenkel können den Strom in entgegengesetzten Richtungen bezüglich des Sensorelements führen, um durch die antiparallelen Magnetfeldkomponenten das Gradientenfeld, das sich proportional zum Stromfluß verhält, bereitzustellen: Der Strom im ersten und zweiten Querschenkel kann jeweils ein Magnetfeld erzeugen. Beide hervorgerufene Magnetfelder umgeben den Leiterabschnitt in dieselbe Richtung gemäß der Rechten-Hand-Regel. Bezüglich der Messebene sind hierzu normal ausgerichtete Komponenten der Magnetfelder in dieselbe Richtung ausgerichtet, und in der Messebene liegende Tangentialkomponenten der Magnetfelder entgegengesetzt ausgerichtet. Hiermit kann ein Gradientenfeld der Tangentialkomponenten in der Messebene gebildet und das Gradientenfeld vom Gradientensensor erfasst werden.
Ist mehr als ein als U-förmiger Stromschenkel ausgebildeter strommessaktiver Leiterabschnitt vorgesehen, können die Abstände zwischen den zugehörigen Querschenkeln der U-förmigen Stromschenkel zur Einstellung verschiedener Strommessbereiche unterschiedlich sein. Je näher die Querschenkel zueinander angeordnet sind, desto kleinere Stromstärken können erfasst werden, da das Magnetfeld, das von einem Strom mit einer niedrigen Stromstärke beispielsweise von wenigen Ampere in den Querschenkeln erzeugt wird, durch die nähere Anordnung der beiden Querschenkel vorteilhaft verstärkt erfassbar ist. Um verschiedene Strommessbereiche bereitzustellen, können weiterhin Gradientensensoren in verschiedenen Abständen zu den Querschenkeln angeordnet werden. Weiterhin können durch Änderung der relativen Abstände zwischen den Gradientensensoren und den Querschenkeln in ähnlicher Weise eine Einstellung verschiedener Strommessbereiche vorgenommen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest ein strommessaktiver Leiterabschnitt als parallel zu einer durch den Stromfluss definierten Längsachse des Stromleiters ausgerichteter Längsschenkel ausgebildet sein, und das erste und / oder zweite magnetfeldsensitive Sensorelement quer zur Längsachse des Stromleiters gegenüber dem Längsschenkel versetzt sein, wobei bevorzugt Abstände der Querversetzung des Sensorelements zu dem einen oder zu verschiedenen strommessaktiven Leiterabschnitten zur Festlegung eines Strommessbereichs unterschiedlich ausfallen können. In dieser Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass ein parallel zur Stromführung ausgerichteter Längsschenkel als strommessaktiver Leiterabschnitt ausgebildet ist. Durch diese Anordnung kann ein Strom mit einer Stromstärke beispielsweise von bis zu 1000 A gemessen werden. Je nach der Stromstärke kann das Sensorelement in Querrichtung entweder näher am Längsschenkel oder weiter weg davon angeordnet sein. Durch Anordnen mehrerer Sensorelemente, die verschiedene Abstände zu dem oder den Längsschenkeln aufweisen, kann der Strommessbereich in verschiedenen Stufen unterteilt werden. Grundsätzlich können mit dieser Ausführungsform höhere Stromstärken als mit der Konfiguration U-förmiger Stromschenkel erfasst werden, während diese für die Erfassung niedrigerer Stromstärken geeignet ist. In dieser Anordnung kann vorzugsweise ein Sensorelement mit einer Magnetfeldvorzugsrichtung eingesetzt werden. Es kann, muss aber kein Gradientensensor als Sensorelement eingesetzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Gradientenrichtung der als Gradientensensor ausgebildete Sensorelemente rechtwinklig zur Stromrichtung durch die strommessaktiven Leiterabschnitte ausgerichtet sein, und bevorzugt die Messempfindlichkeiten der beiden Sensorelemente bei bevorzugt gleichen oder alternativ auch unterschiedlichen Sensorsensitivitäten der Sensorelemente unterschiedlich sein, und weiterhin bevorzugt die Gradientenrichtung des ersten und zweiten Sensorelements abgewinkelt, insbesondere rechtwinklig zueinander sein. Es ist vorteilhaft, dass der dem Längsschenkel zugeordnete Gradientensensor eine senkrecht zur Stromrichtung durch den Längsschenkel ausgerichtete Gradientenrichtung aufweisen und der den U-förmigen Stromschenkel zugeordnete Gradientensensor quer zur Stromrichtung durch den, die beiden Querschenkeln verbindenden Längsschenkel ausgerichtete Gradientenrichtung aufweisen kann. Es ist weiterhin möglich, dass zwei oder mehr Gradientensensoren in einem gleichen Abstand zu dem oder zu verschiedenen strommessaktiven Leiterabschnitten angeordnet sind und sich in einer gleichen aber auch verschiedenen räumlichen Position bezüglich der Leiterabschnitte befinden, und gleiche oder unterschiedliche Messsensitivitäten aufweisen können. Dies kann auch durch eine Geometrieänderung der strommessaktiven Leiterabschnitte ermöglicht werden, beispielsweise dadurch, dass Abstände der Querschenkel der U-förmigen Stromschenkel verschiedenen zueinander sind. Weiterhin kann die Messempfindlichkeit der Strommessbereiche dadurch geändert werden, dass Gradientensensoren in verschiedenen Abständen zu den Querschenkeln angeordnet sind. Die Messempfindlichkeit ist weiterhin durch Änderung eines Gradientenwinkels zwischen der Gradientenrichtung und der Stromrichtung einstellbar, während die Gradientensensoren in gleichem oder unterschiedlichem Abstand zu den Querschenkeln angeordnet sind und I oder die U-förmigen Stromschenkel dieselbe oder eine geänderte geometrische Gestaltung aufweisen und / oder sich die Gradientensensoren in der gleichen oder in verschiedenen räumlichen Position befinden. Dabei kann die Messebene des Gradientensensors derart abgewinkelt angeordnet sein, dass Tangentialkomponenten zur Erfassung eines gewünschten Stromstärkebereichs mit einem Magnetfelderfassungsbereich des Gradientensensors angepasst sind.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann der Stromleiter zumindest drei oder mehrere strommessaktive Leiterabschnitte mit jeweils zugeordneten Sensorelementen zur Erfassung zumindest dreier oder mehrerer unterschiedlicher Strommessbereiche umfassen. Es kann vorteilhaft erreicht werden, dass der Gesamtstrommessbereich in verschiedenen Stufen mit sich teilweise überdeckenden oder nahtlos aneinander anschließenden Strommessbereichen unterteilt werden kann. Bei überdeckenden Strommessbereichen kann im Überlappungsbereich eine Mitteilung von Strommesswerten zweier oder mehrerer Strommesssensoren vorgenommen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest ein strommessaktiver Leiterabschnitt des Stromleiters Einschnürungen, Prägungen und / oder Flusskonzentrationselemente zur Beeinflussung einer Magnetfeldkonzentration am Ort des Sensorelements aufweisen. Dazu können ferromagnetische Flusskonzentrationselemente eingesetzt werden und aus Eisen, Kobalt, Nickel bestehen, insbesondere weichmagnetische Werkstoffe wie weichmagnetische Metalle, ferromagnetischen Legierungen, oder keramische Werkstoffe sein, wie z.B. Mumetall, keramische Ferrite, kristalline, amorphe oder nanokristalline Legierungen. Durch Anordnung der Messebene eines Sensorelements in räumlicher Nähe zu einem Flusskonzentrationselement kann eine Magnetfeldsensitivität bezüglich einer Änderung des Magnetfelds, insbesondere einer Änderung des Stromverlaufs innerhalb des Leiterabschnitts, oder des magnetischen Feldverlaufs bzw. der magnetischen Feldkonzentration am Ort des Sensorelements beeinflusst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung können magnetfeldsensitive Sensorelemente derart den strommessaktiven Leiterabschnitten zugeordnet sein, dass zumindest das erste magnetfeldsensitive Sensorelement zwischen den Querschenkeln des ersten Leiterabschnitts angeordnet ist, und zumindest ein zweites, drittes oder viertes magnetfeldsensitives Sensorelement parallelversetzt zum Längsschenkel des zweiten, dritten oder vierten Leiterabschnitts angeordnet sind. In dieser Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Stromsensoranordnung zumindest einen Leiterabschnitt als U-förmigen Stromschenkel und zumindest einen Leiterabschnitt als Längsschenkel umfasst, wobei jedem Leiterabschnitt zumindest ein Sensorelement zugeordnet ist. Das dem U-förmigen Stromschenkel zugeordnete Sensorelement erfasst einen Stromstärkebereich mit geringeren Stromstärken als das dem Längsschenkel zugeordnete Sensorelement.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Stromsensoranordnung zumindest zwei parallel geschaltete und geometrisch identische Stromleiter mit gemeinsame Längsachse umfassen, wobei die Stromleiter an der Längsachse gespiegelt zueinander angeordnet sind, wobei jeder Stromleiter zumindest einen ersten Leiterabschnitt und einen zweiten Leiterabschnitt aufweist und die magnetfeldsensitiven Sensorelemente sandwichartig zwischen den beiden Stromleitern angeordnet sind. Damit können vorteilhaft jeweils ein erster Leiterabschnitt und ein zweiter Leiterabschnitt für die beiden Stromleiter gebildet werden. Weiterhin ist zumindest ein magnetfeldsensitives Sensorelement an den Leiterabschnitten sandwichartig zwischen den beiden Stromleitern anzuordnen. Durch eine an der Längsachse gespiegelte Anordnung des Stromleiters kann zumindest eine Verdoppelung der Messempfindlichkeit der Magnetfelderfassung erreicht werden. Die vorgenannte längsaxial spiegelsymmetrische Anordnung zweier Stromleiter meint, dass an jeder Längsachsenposition eine Punktspiegelung der Querschnittsform des Stromleiters an dem durch die Längsachse definierten Spiegelpunkt vorliegt. In der Praxis sind die beiden Stromleiter identisch ausgebildet und entlang der Längsachse gegenüberliegend und um 180° um die Längsachse gedreht angeordnet und parallel geschaltet.
Mittels der gespiegelten Anordnung der beiden geometrisch gleichen Stromleiter und deren elektrische Verbindung auf den beiden Seiten kann sich ein Gesamtstrom bevorzugt gleich auf beiden Stromleiter aufteilen und können gewünschte Feldvektoren am jeweiligen Sensorort erzeugt werden, so dass die Strombelastbarkeit erhöht werden kann. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass durch jeden Stromleiter nur der halbe Strom fließen kann. Die Induktivität kann herabgesetzt werden, so dass Spannungsspitzen verringert werden können. Weiterhin können höhere Ströme mit einer geringeren Stromdichte geführt werden. Gegenüber der Stromsensoranordnung mit nur einem Stromleiter kann die Stromdichte um ca. 50% reduziert werden. Auch kann ein mechanisch stabiler Aufbau und eine verbesserte Störfeldabschirmung erreicht werden. So können vorteilhaft U-förmig geformte Leiterabschnitte der beiden Stromleiter vorgesehen sein. Durch jeden Längsschenkel des „U“s wird ein für das Sensor Sensorelement Magnetfeld erzeugt, die sich gegenseitig kompensieren bzw. ein Gradientenfeld ausbilden können. Durch die jeweils beiden Querschenkel, wobei jeweils einer über und einer unter dem Sensorelement geführt werden kann, werden Felder erzeugt, die sich ebenfalls am Ort des Sensorelements aufheben bzw. ein Gradientenfeld ausbilden können. Externe Störfelder können beispielsweise durch eine weichmagnetische Schirmung um den Bereich des Leiterabschnitts und des Sensorelements abgeschirmt werden.
Bei hochfrequenten Stromanteilen tritt ein Skin-Effekt auf, der eine Stromdichtekonzentration nahe an der Leiteroberfläche zu Folge hat. Daneben bewirkt ein Proximity-Effekt, dass ein Stromfluss an Innen- oder Außenseiten eines Leiters bezüglich eines benachbarten Leiters auftritt. Fließen in eng benachbarten Leitern Ströme in gleicher Richtung, wird der Stromfluss in Richtung Außenseite verdrängt, fließen die Ströme benachbarter Leiter in entgegengesetzter Richtung, werden Ströme an die Innenseiten gezogen. Dies kann durch diese Ausführungsform mit längsaxial spiegelsymmetrischen Stromleitern deutlich verringert werden, so dass sich der Einsatz sowohl bei hohen Stromstärken als auch bei hohen Frequenzanteilen anbieten kann. Insbesondere bei einem Mehrfach-Umrichterbetrieb, bei dem ein Umrichter mit einer höheren Schaltfrequenz betrieben wird, kann dies vorteilhaft sein. Daneben kann mittels dieser Ausführungsform ein exakteres Messergebnis des Stroms bei Stromüberwachungsaufgaben hinsichtlich einer Kurzschlussdetektion oder einer Überlastung aufgrund einer höheren Flankensteilheit, da reduzierte Induktivität, erreicht werden, und somit auch eine höhere Zuverlässigkeit der Stromüberwachung bereitgestellt werden. Zur weiteren Unterdrückung des Proximity-Effekts kann eine Anordnung von metallischen Korrekturelementen, die ein Korrekturmagnetfeld durch Induktion von Wirbelströmen erzeugen können, vorteilhaft sein. Diese können weiterhin vorteilhaft durch nicht-stromdurchflossene Bereiche der benachbarten Stromleiter bereitgestellt werden. So können beispielsweise Schlitzanordnungen in den benachbarten Stromleitern zur Ausbildung derartiger Kompensationselemente eingebracht werden. Dies hat den weiteren Vorteil, dass eine thermische Abstrahlung als Kühlelemente erreicht werden kann, so dass eine verbesserte Kühlwirkung erreicht wird.
Weiterhin kann vorteilhafterweise eine geringe Stromdichte in den Innenbereichen beider Stromleiter auftreten. Somit können in den Innenbereichen der beiden Stromleiter, insbesondere der beiden Leiterabschnitte schwächere Magnetfelder hervorgerufen werden. Durch Halbierung des Gradientenfeldes beim gleichen Strom kann der Messbereich des Sensorelements verdoppelt werden, so dass die Stromsensoranordnung sowohl bei hohen Stromstärken als auch bei hohen Frequenzbereichen eingesetzt werden kann. Insbesondere kann die Stromsensoranordnung in einem Mehrfach-Umrichterbetrieb eingesetzt werden. Da der Gesamtstrom sich in zwei Stromleiter in zwei Teilströme aufteilt, sind die Leiterabschnitte im Querschnitt als im Stand der Technik verringert. Somit ist ein kompakteres Design möglich und es kann eine kompakte Bauform erreicht werden.
Ausgehend von der vorigen Ausführungsform kann in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung das erste magnetfeldsensitive Sensorelement zwischen den ersten Leiterabschnitten der beiden Stromleiter und das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement zwischen den zweiten Leiterabschnitten der beiden Stromleiter angeordnet sein, wobei bevorzugt die ersten Leiterabschnitte als U-förmige Stromschenkel ausgebildet sind und die zweiten Leiterabschnitte als Längsschenkel ausgebildet sind. Vorteilhafterweise können die ersten Leiterabschnitte als Anordnung mit 4 × I/2 und die zweiten Leiterabschnitte als Anordnung mit 2 × I/2 ausgebildet sein, wobei die Anordnungen 4 × I/2 und 2 × I/2/2 durch Einstellung der Leitergeometrie und der Abstände zwischen den Sensorelementen und Leiterabschnitten erreicht werden können. Der Multiplikator „4x“ bzw. „2x“ bezieht sich auf die Anzahl der strommessaktiven Leiterabschnitte, die jedes Sensorelement „sieht“, die Aufteilung des Stromes auf die beiden Stromleiter bewirkt eine Halbierung des Stromes auf „112“. Somit kann mit der sandwichartigen Anordnung der beiden längsaxial spiegelsymmetrisch geformten Stromleiter eine Verdoppelung der Strommessempfindlichkeit gegenüber einem einzelnen Stromleiter mit U-Stromschleifen und eine Vervierfachung gegenüber einem gerade ausgebildeten Stromleiter ohne U-förmiger Stromschleife erreicht werden.
Vorteilhafterweise können die zweiten Leiterabschnitte der Stromleiter gegenüber der Messebene des zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelements querversetzt werden. Dadurch, dass der Gesamtstrom in zwei Stromanteile aufgeteilt wird, kann die Induktivität herabgesetzt werden, so dass Spannungsspritzen verringert werden können. Weiterhin kann der Feldgradient halbiert werden, so dass der Dynamikbereich bzw. Messbereich des zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelements verringert werden kann. Durch diese Ausführungsform können der Skin-Effekt und der Proximity-Effekt durch Anordnung der beiden Stromleiter deutlich verringert werden, wobei durch die Stromleiter die beiden Teilströme in dieselbe Richtung bezüglich der Messebene fließen. Vorteilhafterweise kann eine geringe Stromdichte in den Innenbereichen der zweiten Leiterabschnitte auftreten. Somit können in den Innenbereichen schwächere Magnetfelder hervorgerufen werden. Durch Halbierung des Gradientenfeldes kann der Messbereich der Stromsensoranordnung beim Einschalten des zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelements verdoppelt werden, so dass die Sensoranordnung sowohl bei hohen Stromstärken als auch bei hohen Frequenzbereichen eingesetzt werden kann.
Im inneren Sensoraufbau des Sensorelements ist in der Regel ein konstantes Magnetfeld eingeprägt, das der Einstellung eines linearen Messbereichs dient. Durch die Geometrie der Stromsensoranordnung ist ein Einfluss, der durch ein parasitäres Magnetfeld auf dieses Biasfeld generiert wird, meist vernachlässigbar. Bei der vorgenannt beschrieben Ausführungsform mit der Anordnung von zwei um 180° gespiegelten, d.h. längsaxial gespiegelten Stromleitern kann durch die gegenseitige Kompensation der Magnetfelder bzw. Gradientenfeldbildung im Bereich der strommessaktiven ersten Leiterabschnitte, insbesondere im Bereich der U-förmigen Stromschleifen, das parasitäre Magnetfeld praktisch aufgehoben werden. Auch ist im Bereich der zweiten Leiterabschnitte, in der die sensoraktiven Leiterabschnitte durch zwei diagonale Längsschenkeln ausgebildet sind, wird ein parasitäres Feld praktisch vollständig unterdrückt. Denn so wie die Gradientenrichtungen der beiden Sensorelemente um 90° gedreht sein können, ist auch die Feldrichtung für das parasitäre Feld gedreht.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass diese Ausführungsform eine schnelle Step-Response aufweisen kann, d.h. einen schnellen Messsignalanstieg bei Einschalten des Stroms erfassen kann, so dass plötzliche Stromänderungen feststellbar sind, wobei Höchstströme bis 1000 A betrachtet werden können. Daher kann die Ausführungsform auch für eine Kurzschlussdetektion oder Stromüberwachung hervorragend eingesetzt werden und kann eine Sensoraufgabe als elektronische Sicherung übernehmen.
Vorteilhafterweise kann für das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement eine Verdopplung des Feldgradienten beim gleichen Gesamtstrom ermöglicht werden, so dass eine Verbesserung bezüglich einer Auflösung bei einem Nominalstrom und somit die Überlastfähigkeit um etwa Faktor 4 im Vergleich zu einem einfachen Stromleiter mit einem U-förmigen Stromschenkel erreicht werden kann.
Dadurch, dass ein Feldgradient beim ersten magnetfeldsensitiven Sensorelement durch die Anordnung 4 × I und ein Feldgradient beim zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelement durch die Anordnung 2 × I/2 erzeugt werden kann, kann der Dynamikbereich bzw. Messbereich ohne Gefahr einer thermischen Überlastung im Strompfad im Vergleich zu einer Stromsensoranordnung umfassend ein einzelnes Sensorelement um Faktor 4 erweitert werden. Einer Überlastung der Elektronik beim ersten magnetfeldsensitiven Sensorelement kann entgegengewirkt werden, indem beispielsweise abhängig von Messsignalen des zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelements eine Versorgungsspannung des ersten magnetfeldsensitiven Sensorelements über eine Komparatorschaltung in einer Überlastsituation reduziert, bzw. ganz abgeschaltet wird. Alternativ ist es möglich, die Dynamikbereichserweiterung mit kleineren Faktoren durch die einzelnen ersten Leiterabschnitte zu erreichen, in denen auf verschiedenen Höhen des U-förmigen Schenkelbereichs unterschiedlich hohe Feldgradienten über unterschiedliche Querschenkelabstände erzeugt werden können. Damit kann vorteilhaft erreicht werden, dass der Umsetzungsaufwand hierbei geringer ist. Vorteilhafterweise können Maßnahmen wie z.B. Flusskonzentration, Einschnürungen oder Prägungen zur Verbesserung der Erreichbarkeit der gewünschten Messbereiche eingesetzt werden.
Da parasitäre Querfelder in dieser Anwendung unterdrückt werden, können gerade bei Hochstromanwendungen auf Flusskonzentratorbleche weitgehend verzichtet werden. Redundanz und Orthogonalität der Sensorelemente können genutzt werden, um aus Vergleich der Messsignale eine zusätzliche Kontrollinstanz gegen Störfeldeinfluss zu erhalten. Reicht eine Detektion eines Störfeldes kritischer Größenordnung aus, kann aus Kostengründen auf eine alternativ erforderliche Schirmung verzichtet werden. Eine Plausibilitätsprüfung der Einzelmessung ist somit möglich.
Da der Überlastbereich des ersten magnetfeldsensitiven Sensorelements nicht berücksichtigt werden muss, brauchen keine Reserven bezüglich einer Längsfeldlimitierung vorgesehen werden. Der U-förmige Stromschenkel kann im Vergleich zu einer üblichen Implementierung mit Überlastfunktionalität deutlich kürzer ausgebildet sein. Somit kann eine günstigere Herstellung als bei der Bereitstellung einer einfachen U-Form eines Leiterabschnitts erreicht werden, wobei durch eine verkleinerte Geometrie auch Verschnitt und Material eingespart werden können.
Dabei steigt eine Leistungsaufnahme der Stromsensoranordnung nur unwesentlich, da das erste magnetfeldsensitive Sensorelement im Bereich einer höheren Aussteuerung vom zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelement ersetzt und vorzugsweise zum Überlastschutz deaktiviert werden kann. Dieser kann wiederum im Arbeitsbereich des ersten magnetfeldsensitiven Sensorelements nur sehr kleine Kompensationsströme ziehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein weiterer Sensor, insbesondere ein Temperatursensor, zur dynamischen Anpassung einer Übergabeschaltschwelle, und I oder Erfassung geometrischer Veränderungen des Stromleiters umfasst sein. Damit kann vorteilhaft der nutzbare Messbereich des ersten magnetfeldsensitiven Sensorelements dynamisch angepasst werden. Somit können thermische Vorbelastungen basierend auf vorangegangenen Lastzyklen und der Umgebungstemperatur berücksichtigt werden und temperaturabhängige systematische Fehler wie. z.B. Gainänderung durch thermische Ausdehnung der geometrischen Anordnung korrigiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann der Strom von den zumindest zwei Stromleitern in vorbestimmbare Stromanteile, insbesondere in gleiche Stromanteile, aufteilbar sein. Im Vergleich zur bisherigen U-Schenkellösung kann das Gradientenfeld halbiert werden und damit der Dynamikbereich bzw. Messbereich erweitert werden.
In einem nebengeordneten Aspekt wird ein Stromsensor umfassend eine vorbeschriebene Stromsensoranordnung und eine Auswerteeinheit vorgeschlagen, wobei die Auswerteeinheit zum Empfang von Strommesssignalen der Sensorelemente eingerichtet ist, und auf Basis der Größe der Strommesssignale eine gleichzeitige Auswertung oder eine Umschaltung von Strommessbereichen, bevorzugt eine Aktivierung und/oder Deaktivierung von Sensorelementen, vornimmt und eine Bestimmung eines Strommesswertes vornimmt. Gegen Überstrom kann die Stromsensoranordnung mit einer Überstromerkennung vorgesehen sein, so dass die Stromsensoranordnung bei Überstrom automatisch abschaltet. Ergibt sich eine hohe Stromdichte in den Stromleitern, folgen daraus sehr starke Magnetfelder um die Stromleiter. Aus diesem Grund erreicht das magnetfeldsensitive Sensorelement schnell eine Sättigung, beispielsweise bei hochfrequenten Wechselströmen, oder bei steilen Stromtransienten oder Stromrampen, die durch Lastsprünge wie bei einer starken Beschleunigung eines Antriebs ausgelöst werden können. Durch Erkennung der Sättigung kann eine automatische Abschaltung bzw. Umschaltung der Sensorelemente erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest ein weiteres Messsignal eines Sensors, insbesondere ein Temperaturmesssignal eines Temperatursensors, zur dynamischen Anpassung einer Übergabeschaltschwelle zwischen den Sensorelemente und / oder Korrektur des Strommesswertes von der Auswerteeinheit empfangen werden. Aufgrund Eigenerwärmung oder auch durch Erwärmung des Stromleiters aufgrund von ohmschen Verlusten wird das magnetfeldsensitive Sensorelement beim Messen ungenau. Um diesen Einfluss zu unterdrücken, kann eine feste Schaltschwelle, beispielsweise durch einen festgelegten Umschaltwert, oder auf Basis eines Temperatursensors, vorgesehen sein. Dadurch, dass ein Temperaturmesssignal bei Bestimmung des Strommesswertes berücksichtigt werden kann, kann eine Übergabeschaltschwelle der Strommessbereiche an einen tatsächlichen Überlastungsgrad angepasst und die Erfassung des Strommesswerts korrigiert werden. Der Temperatursensor ermöglicht, Dauer der Überlastsituation und somit eine Erwärmung zu berücksichtigen. So kann beispielsweise ein Spannungsteiler für eine Umschaltschwelle einen temperaturabhängigen Widerstand, z.B. einen NTC- oder PTC-Widerstand umfassen, dessen Spannungsteilerausgang gegenüber der Größe eines Strommesssignals vergleichen werden kann, so dass bei einer bestimmten Temperaturschwelle ein Sensorelement an- bzw. abgeschaltet und somit geschützt werden kann. Alternativ kann ein fester Spannungsteiler einen Umschaltwert festlegen, gegenüber dem eine Größe eines Strommesssignals, vorzugsweise des kleineren Strommessbereichs, verglichen werden kann. Als Vergleichseinheit kann beispielsweise ein Schmitt-Trigger, ein Überstromkomparator (OCD - Over Current Detector) oder ein Überspannungskomparator (OVC - Over Voltage Comperator), wie er in vielen Sensorbauelementen (Sensor-ASICs) inzwischen vorhanden ist, vorgesehen sein. Dieser kann mit einem Trennschalter, vorzugsweise ein Halbleiterschalter, wie z.B. ein N-MOS Transistor, zur selbstständigen Aktivierung und/oder Deaktivierung eines Sensorelements, vorzugsweise dessen Versorgungsspannung, verbunden sein, so dass sich als weiterer Vorteil ergibt, dass keine übergeordnete Steuerung notwendig wird.
In einem weiteren nebengeordneten Aspekt wird ein Verfahren zum Umschalten von Strommessbereichen einer Stromsensoranordnung vorgeschlagen, wobei zur Bestimmung eines Strommesswertes auf Basis zumindest einer Übergabeschaltschwelle Strommessbereiche entweder durch Deaktivieren zumindest eines magnetfeldsensitiven Sensorelements und/oder durch Aktivieren zumindest eines anderen magnetfeldsensitiven Sensorelementen für die Auswahl eines Strommesssignals umgeschaltet werden, oder durch Mittelung von Strommesssignalen (S₁, S₂) der magnetfeldsensitiven Sensorelements (12, 14, 34, 36), gemeinsam ausgewertet werden. Es ist besonders vorteilhaft, dass die Stromsensoranordnung einen Messübergangsbereich aufweisen kann, für den die beiden magnetfeldsensitiven Sensorelemente eingeschaltet bleiben können, wobei Strommesssignale beispielsweise gewichtet gemittelt werden können. Der Messübergangsbereich ist insbesondere für einen zu messenden Strom mit einer solchen Stromstärke eingerichtet, die an einer Obergrenze des Messbereichs des den kleinen Messbereich aufweisenden magnetfeldsensitiven Sensorelements und an einer Untergrenze des Messbereichs des den großen Messbereich aufweisenden magnetfeldsensitiven Sensorelements liegt. Erreicht das magnetfeldsensitive Sensorelement mit dem kleinen Messbereich eine Sättigung, erwärmt sich das Sensorelement schnell und es können Messfehler entstehen. Durch Einrichtung des Messübergangsbereichs können Messergebnisse der beiden Sensorelemente berücksichtigt, insb. miteinander verrechnet und somit Messfehler kompensiert werden. Vorteilhaft braucht für einen höheren Strommessbereich eine Aktivierung bzw. Deaktivierung nicht notwendig sein, sondern zumindest eine Deaktivierung nur für den niedrigeren Strommessbereich als Überlastschutz.
In der Regel kann eine fixe Übergabeschaltschwelle für eine Umschaltung oder Mittelung zwischen den Sensorelementen vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise durch einen Vergleichsspannungsvorgabe, die von einem Spannungsteiler bereitgestellt werden kann, und die über einen Komparator mit einem Ausgangssignal eines oder mehrerer Sensorelemente vergleichen werden kann, erfolgen. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann zur dynamischen Anpassung einer Übergabeschaltschwelle und / oder Korrektur eines Strommesssignals oder des Strommesswertes ein Signal eines weiteren Sensors, insbesondere eines Temperatursignals eines Temperatursensors, berücksichtigt werden. Dazu kann beispielsweise ein PTC (Positive Temperature Coefficient) -Widerstand in einem Spannungsteiler zur Komparator-Schaltschwellenvorgabe verwendet werden. Der PTC-Widerstand steigt linear mit der Temperatur an. Somit lässt sich durch Messen der Temperatur des PTC-Widerstands die ungefähre Stromstärke feststellen. Überschreitet die Temperatur eine Übergabeschaltschwelle, kann das einen kleinen Messbereich aufweisende magnetfeldsensitive Sensorelement ausgeschaltet und das magnetfeldsensitive Sensorelement mit einem großen Messbereich eingeschaltet werden. Dadurch kann die Messbereichsumschaltung oder in einem Messbereichsfenster der Übergabeschaltschwelle eine Mittelung von Strommesssignalen erfolgen, wobei darüber bzw. darunter ein jeweiliger Strommessbereich zu- bzw. abgeschaltet werden kann.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus den vorliegenden Zeichnungsbeschreibungen. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine Anordnung mit U-förmigem Stromleiter gemäß dem Stand der Technik;
2a eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung;
2b eine perspektivische Darstellung der Ausführungsform nach 2a;
2c eine schematische Darstellung einer Strommessung gemäß der ersten Ausführungsform in einem ersten Leiterabschnitt;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung;
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung;
6a eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung;
6b eine weitere perspektivische Darstellung der Ausführungsform nach 6b;
7a eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung;
7b eine Teildraufsicht auf einen Stromleiter der Ausführungsform der 7a;
8a eine schematische Darstellung im Querschnitt durch die Ausführungsform nach 7b;
8b eine schematische Darstellung einer Strommessung gemäß der Ausführungsform nach 8a;
9a eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch die Ausführungsform nach 7b;
9b eine schematische Darstellung einer Strommessung gemäß der Ausführungsform nach 9a;
10a eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung;
10b eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung;
10c eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung;
11 eine schematische Blockschaltbild-Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensor;
12 eine schematische Blockschaltbild-Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensor.

In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
In der 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Strommessanordnung 100 dargestellt. Die Strommessanordnung 100 weist ein Sensorelement 110 und ein U-förmiges Leiterstück 102 auf, bei dem der strommessaktive Schenkel 106 rechtwinklig zu einem strommessparasitären Verbindungssteg 104 und einer Anschlussleitung 108 zurückversetzt sind, so dass parasitäre Magnetfeldkomponenten im Wesentlichen rechtwinklig eine Messebene der Sensorstruktur des Sensorelements 110 durchdringen. In dem Leiterstück 102 ist ein Primärstrom / geführt. Durch die in z-Richtung versetzte Anordnung der Schenkel 106 gegenüber den Anschlussleitungen 108 und dem Verbindungssteg 104 wird erreicht, dass die dort erzeugten parasitäre Magnetfeldkomponenten unterdrückt bzw. lediglich durch die Messebene rechtwinklig treten, während die zu erfassenden strommessaktiven Magnetfeldkomponenten der Schenkel 106 in der Messebene des Sensorelements 110 verlaufen. Die Stromsensoranordnung stellt einen einzelnen Strommessbereich bereit, wobei bei Unter- oder Überschreiten dieses Messbereichs der Signalwert ungenau und unbrauchbar wird.
In den 2a und 2b ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung 10.1 gezeigt. Die Stromsensoranordnung 10.1 umfasst zwei als Gradientensensoren 26 ausgebildete magnetfeldsensitive Sensorelemente 12, 14 und einen Stromleiter 24.1. Der Stromleiter 24.1 umfasst zwei strommessaktiven Leiterabschnitten 16a, 16b, wobei der erste Leiterabschnitt 16a als U-förmiger Stromschenkel 28 und der zweite Leiterabschnitt 16b als Längsschenkel 32 ausgebildet ist. Der U-förmige Stromschenkel 28 besteht aus zwei Querschenkeln 30, die senkrecht zu einer Längsachse x des Stromleiters 24.1 und entlang einer Querachse y des Stromleiters ausgerichtet sind. Der Längsschenkel 32 ist parallel zur Längsachse x ausgerichtet. In dem Stromleiter 24.1 ist ein Strom 18 geführt. Das erste magnetfeldsensitive Sensorelement 12 aufweisend eine erste Gradientenrichtung g_x ist symmetrisch zwischen den Querschenkeln 30 angeordnet, wobei die erste Gradientenrichtung g_x quer zur Längserstreckung der Querschenkel 30 ausgerichtet ist. Das Sensorelement 12 ist weiterhin ebenenversetzt zu den Querschenkel 30, d.h. eine Ebene darüber angeordnet. Das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement 14 ist mit einer zweiten Gradientenrichtung g_y, die senkrecht zur ersten Gradientenrichtung g_x des ersten magnetsensitiven Sensorelements 12 ausgerichtet ist, vorgesehen und dem zweiten strommessaktiven Leiterabschnitt 16b zugeordnet. Die zweite Gradientenrichtung g_y ist rechtwinklig zur Längserstreckung des Längsschenkels 32 ausgerichtet. Die Sensorelemente 12, 14 in dieser Ausführungsform müssen nicht zwangsweise als Gradientensensoren 26 ausgebildet sein, insbesondere das Sensorelement 14 des zweiten strommessaktiven Leiterabschnitt 16b, das dem Längsschenkel 32 zugeordnet ist, kann als Feldsensor, mit einer Vorzugsrichtung ausgeführt sein.
In der 2c ist ein zur 2a entsprechendes schematisches Prinzip einer Strommessung gemäß der ersten Ausführungsform in dem ersten Leiterabschnitt 16a, d.h. im U-förmigen Stromschenkel 28 gezeigt. In den beiden strommessaktiven Querschenkeln 30 fließt derselbe Strom 18 in Gegenrichtung bezüglich des als Gradientensensor ausgebildeten ersten magnetfeldsensitiven Sensorelements 12, 26, wobei in einem Querschenkel 30 der Stromanteil 18a in Richtung 20a und im anderen Querschenkel 30 derselbe Stromanteil 18b in Richtung 20b fließt. Es findet keine Stromaufteilung wie beispielsweise in der Ausführungsform nach 7a, 7b statt. In dem U-förmigen Stromschenkel 28 werden Magnetfelder 38a, 38b hervorgerufen, wobei die Magnetfelder 38a, 38b den U-förmigen Stromschenkel 28 umgeben. In der Messebene 22, in dem das erste magnetfeldsensitive Sensorelement 12 liegt, schneiden sich die Magnetfelder 38a und 38b. Jedes Magnetfeld 38a, 38b kann bezüglich der Messebene 22 in zwei Komponenten zerlegt werden, wobei eine erste Komponente, die Tangentialkomponente zur Messebene 22, in der Messebene 22 liegt und vom ersten magnetfeldsensitiven Sensorelement 12 gemessen werden kann, und eine zweite Komponente, die Normalkomponente zur Messebene 22 senkrecht steht und nicht vom Sensorelement 12 erfasst werden kann. Die Tangentialkomponenten der beiden Magnetfelder 38a, 38b bilden ein Gradientenfeld in der Messebene 22. Sie sind bevorzugt gleichgroß und entgegengesetzt ausgerichtet. Das erste magnetfeldsensitive Sensorelement 12 misst den Unterschied (Gradienten) der in der Messebene 22 liegenden Tangentialkomponenten als Gradientenbetrag.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform kann im ersten Leiterabschnitt 16a einen ersten Strommessbereich für niedrige Strombeträge und im zweiten Leiterabschnitt 16b einen zweiten Strommessbereich für höhere Strombeträge bereitstellen. Eine Umschaltung bzw. in einem Überlappungsbereich gemeinsame Verarbeitung bzw. Mittelung der Messsignale der beiden Stromsensoren 12, 14 kann auf Basis einer erfassten Strombetragsgröße erfolgen.
Die 3 stellt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung 10.2 dar. Im Wesentlichen ist diese mit dem Ausführungsbeispiel nach der 2a identisch. Allerdings unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel dadurch, dass zwei zweite magnetfeldsensitive Sensorelemente 14 dem zweiten strommessaktiven Leiterabschnitt 16b zugeordnet sind. Die beiden zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelemente 14 sind entlang der Querachse y parallel zueinander angeordnet und weisen verschiedene Abstände zum Längsschenkel 32 auf. Die beiden zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelemente 14 weisen jeweils eine Gradientenrichtung g_y auf, die senkrecht zur Gradientenrichtung g_x des ersten magnetsensitiven Sensorelements 12 ausgerichtet ist. Beispielhaft kann auch eine Gradientenrichtung g_α in einem Winkel ungleich 90° gegenüber der Richtung des Stromflusses 18 durch den Längsschenkel 32 abgewinkelt sein.
In der 4 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung 10.3 gezeigt, die drei als Gradientensensoren 26 ausgebildete magnetfeldsensitive Sensorelemente 12, 14, 34 und einen Stromleiter 24.3 umfasst. Der Stromleiter 24.3 weist drei strommessaktive Leiterabschnitte 16a, 16b, 16c auf. Der erste Leiterabschnitt 16a ist als U-förmiger Stromschenkel 28 und der zweite und dritte Leiterabschnitt 16b, 16c als Längsschenkel 32 ausgebildet. Zwischen beiden Querschenkeln 30 des U-förmigen Stromschenkels 28 ist der erste magnetfeldsensitive Stromsensor 12 mit einer Gradientenrichtung g_x, die parallel zu einer Längsachse x des Stromleiters 24.3 ausgerichtet ist, angeordnet. Der zweite und dritte Längsschenkel 32 sind parallel zur Längsachse x angeordnet und können verschiedene Längen und Querschnitte entlang der Längsachse x aufweisen. Das zweite und dritte magnetfeldsensitive Sensorelement 14, 34 sind quer zur Längsachse x gegenüber dem Längsschenkel 32 versetzt, wobei die Abstände der Querversetzung der Sensorelemente 14, 34 zu dem zweiten und dritten strommessaktiven Leiterabschnitten 16b, 16c unterschiedlich sein können. Das zweite und dritte magnetfeldsensitive Sensorelement 14, 34 weisen weiterhin jeweils eine Gradientenrichtung g_y, die parallel zur Querachse y ausgerichtet ist, auf. Diese Ausführungsform kann drei verschiedene Strommessbereiche weiterhin dadurch bereitstellen, dass die Sensorelemente 12, 14, 34 verschiedene Magnetfeldsensorkonfigurationen aufweisen. Wird ein Strom 18 mit einer kleinen Stromstärke in dem Stromleiter 24.3 geführt, ist das erste magnetfeldsensitive Sensorelement 12 einzuschalten. Weist der Strom 18 eine Stromstärke, die in den Strommessbereich des zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelements 14 fällt, ist das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement umzuschalten. Für einen hohen Strom 18 ist das dritte magnetfeldsensitive Sensorelement 34 umzuschalten.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung 10.4, die vier magnetfeldsensitive Sensorelemente 12, 14, 34, 36 und einen Stromleiter 24.4 mit zwei als U-förmige Stromschenkel 28 ausgebildete strommessaktive Leiterabschnitte 16a, 16b, und zwei als Längsschenkel 32 ausgebildete strommessaktive Leiterabschnitte 16c, 16d aufweist. Jeder U-förmige Stromschenkel 28 umfasst zwei rechtwinklig zu einer Längsachse x des Stromleiters 24.4 ausgerichtete Querschenkel 30 und einen parallel zur Längsachse x ausgerichteten Längsschenkel 32. Die Abstände zwischen den Querschenkeln 30 der verschiedenen strommessaktiven Leiterabschnitte 16a, 16b können unterschiedlich sein. Das ersten und zweiten magnetfeldsensitive Sensorelement 12, 14 sind entsprechend zwischen den Querschenkeln 30 des ersten und zweiten U-förmigen Stromschenkels 28 zum Erfassen des im ersten und zweiten strommessaktiven Leiterabschnitt 16a, 16b fließenden Stroms 18 angeordnet. Und das dritte und vierte magnetfeldsensitive Sensorelement 34, 36 sind jeweils an dem Längsschenkel 32 des dritten und vierten strommessaktiven Leiterabschnitts 16c, 16d angeordnet. Die Gradientenrichtungen g_y der beiden Sensorelemente 34, 36 sind quer zur Längsachse x gegenüber dem Längsschenkel 32 ausgerichtet, wobei die Abstände der Querversetzung der Sensorelemente 34, 36 zu den strommessaktiven Leiterabschnitten 16c, 16d unterschiedlich sind, so dass verschiedene Magnetfeldsensorkonfigurationen bereitgestellt werden können. Eine Gradientenrichtung g_x des ersten und zweiten magnetfeldsensitiven Sensorelements 12, 14 ist parallel zur Längsachse x und senkrecht zu einer Gradientenrichtung g_y des dritten und vierten magnetfeldsensitiven Sensorelements 34, 36 ausgerichtet. Mit der Stromsensoranordnung 10.4 sind vier Strommessbereiche bereitstellbar. Ferner ist ein Temperatursensor 44 angeordnet. Damit kann ein Temperatursignal T des Stromleiters 24.4 beim Feststellen eines Strommesswerts I_m und beim Umschalten bzw. Mitteln der Strommessbereiche berücksichtigt.
In den 6a und 6b sind perspektivisch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung 10.5 dargestellt. In der Stromsensoranordnung 10.5 sind zumindest zwei geometrisch identische Stromleiter 24.5 und zwei magnetfeldsensitive Sensorelemente 12, 14, die als Gradientensensoren 26 ausgebildet sind, umfasst. Die beiden Stromleiter 24.5 sind parallel geschaltet und an einer Längsachse x der Stromleiter 24.5 gespiegelt zueinander angeordnet. Jeder Stromleiter 24.5 weist einen ersten und einen zweiten strommessaktiven Leiterabschnitt 16a, 16b auf. Die magnetfeldsensitiven Sensorelemente 12, 14 sind sandwichartig zwischen den beiden Stromleitern 24.5 angeordnet, wobei das ersten magnetfeldsensitive Sensorelement 12 zwischen den ersten strommessaktiven Leiterabschnitten 16a und das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement 14 zwischen den zweiten strommessaktiven Leiterabschnitten 16b liegt. Die beiden Stromleiter 24.5 sind identisch ausgeformt und liegen um 180° gegenüber der Längsachse der Stromführung gedreht, d.h. Querschnitts-Spiegelsymmetrisch gegenüber jedes Querschnittspunkts der Längsachse zueinander, sind parallel geschaltet, und können aus demselben Material z.B. Kupfer bestehen und beispielsweise als Stanzteile ausgeführt sein. Ein Strom 18 teilt sich gleich auf beiden Stromleiter 24.5 auf, wobei ein Feldgradient halbiert werden kann. Der Einsatz von Gradientensensoren 26 ist bei einer derartigen Sandwichanordnung der beiden Stromleiter 24.5 sinnvoll, da sich aufgrund der Symmetrie der Stromleiteranordnungen 24.5 ein Gradientenfeld zwischen den Stromleiteranordnungen ergibt. Durch Aufteilung des Stroms 18 in zwei Stromanteile 18a, 18b kann der Einfluss der Induktivität herabgesetzt werden. Die Leiterabschnitte 16a sind als U-förmige Stromschenkel 28 ausgebildet und bestehen jeweils aus einem Längsschenkel 32 und zwei Querschenkeln 30, wobei die Querschenkel 30 rechtwinklig zum Längsschenkel 32 angeordnet sind. Der Längsschenkel 32 des Leiterabschnitts 16b ist parallel zur Längsachse x und senkrecht zu einer Querachse y der Stromleiter 24.5 ausgerichtet. Weiterhin weisen das erste und zweite magnetfeldsensitive Sensorelement 12, 14 jeweils eine Gradientenrichtung g_x, g_y auf, wobei die Gradientenrichtungen g_x, g_y senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
In der 7a ist die geometrische Konfiguration des Leiterabschnitts 16b entlang der Schnittebene A-A nach der 6b dargestellt. In den Längsschenkeln 32 fließt jeweils der Stromanteil 18a und Stromanteil 18b mit einer gleichen Stromflussrichtung. Zwischen den beiden Längsschenkeln 32 ist das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement 14 auf einen Träger 42 platziert, wobei das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement 14 einen Gradientensensor 26 umfasst, der eine Magnetfeldstärkedifferenz von Tangentialkomponenten der Magnetfelder in einer Messebene 22 misst. Hierbei ist die Messebene 22 so definiert, dass in ihr magnetoresistive Widerstände des Gradientensensors 26 liegen, die bzgl. Vektorkomponenten des Magnetfelds, die parallel in der Messebene 22 liegen (Tangentialkomponenten) empfindlich sind. Weiterhin sind die beiden Längsschenkel 32 bezüglich der Messebene 22 höhenversetzt.
In der 7b ist schematisch die Prinzipvariante für eine Strommessung des zweiten Leiterabschnitts 16b nach der 7a dargestellt. Das als Gradientensensor 26 ausgebildete zweite magnetfeldsensitive Sensorelement 14 definiert die Messebene 22. Der Stromanteil 18a, 18b fließt in die gleiche Richtung. Die von den Stromanteilen 18a, 18b erzeugten Magnetfelder 38a, 38b schneiden sich in der Messebene 22 in gegenläufigen Richtungen. Das vom Stromanteil 18a hervorgerufene Magnetfeld 38a weist eine Magnetfeldrichtung 40a auf und das vom Stromanteil 18b hervorgerufene Magnetfeld 38b weist eine Magnetfeldrichtung 40b auf. Jedes Magnetfeld 38a, 38b kann in zwei Komponenten zerlegt werden. Die in der Messebene 22 liegenden Tangentialkomponenten können vom Gradientensensor 26 gemessen werden. Dagegen lösen sich die Normalkomponenten auf, die rechtwinklig zur Messebene 22 liegen. Durch Messen des Gradientenfeldes kann der elektrische Strom bestimmt werden, wobei das Gradientenfeld vom Unterschied beider in der Messebene 22 liegenden tangentialen Magnetfeldkomponenten bereitgestellt ist.
In der 8a ist die geometrische Konfiguration des Leiterabschnitts 16a entlang der Schnittebene B-B nach der 6b dargestellt. Bezüglich der Messebene 22 fließt der Stromanteil 18b in den oberen Querschenkeln 30 des ersten strommessaktiven Leiterabschnitts 16a eines Stromleiters 24.5 und fließt der Stromanteil 18a in den unteren Querschenkeln 30 des ersten strommessaktiven Leiterabschnitts 16a des anderen Stromleiters 24.5. Die beiden ersten strommessaktiven Leiterabschnitte 16a sind als U-förmige Stromschenkel 28 ausgebildet. In den Querschenkeln 30 fließt der Stromanteil 18a, 18b in Gegenrichtung. Zwischen den beiden U-förmigen Stromschenkeln 28 ist das erste magnetfeldsensitive Sensorelement 12 auf einen Träger 42 platziert, wobei das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement 12 einen Gradientensensor 26 umfasst, der eine Magnetfeldstärkedifferenz einer Tangentialkomponenten des Magnetfelds in einer Messebene 22 misst.
In der 8b ist schematisch eine Prinzipvariante für eine Strommessung für eine Strommessung des ersten Leiterabschnitts 16a nach der 8a dargestellt. Das als Gradientensensor 26 ausgebildete erste magnetfeldsensitive Sensorelement 12 definiert die Messebene 22. Die von den Stromanteilen 18a, 18b erzeugten Magnetfelder 38a, 38b schneiden sich in der Messebene 22 in gegenläufigen Richtungen. Das vom Stromanteil 18a hervorgerufene Magnetfeld 38a weist eine Magnetfeldrichtung 40a auf und das vom Stromanteil 18b hervorgerufene Magnetfeld 38b weist eine Magnetfeldrichtung 40b auf. Jedes Magnetfeld 38a, 38b kann in zwei Komponenten zerlegt werden. Die in der Messebene 22 liegenden Tangentialkomponenten können vom Gradientensensor 26 gemessen werden. Dagegen lösen sich die Normalkomponenten auf, die rechtwinklig zur Messebene 22 liegen. Durch Messen des Gradientenfeldes kann der Strom bestimmt werden, wobei sich das Gradientenfeld vom Unterschied beider in der Messebene 22 liegenden tangentialen Magnetfeldkomponenten ergibt.
Die 9a, 9b zeigen alternativ zu den 6a, 6b eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung 10.6 in einer perspektivischen Teilansicht in 9a und als Draufsicht auf einen der beiden spiegelsymmetrischen zur Achsenrichtung angeordneten Stromleitern 24.6 in 9b. Die Stromsensoranordnung 10.6 umfasst ebenfalls zwei als Gradientensensoren 26 ausgebildete magnetfeldsensitive Sensorelemente 12, 14 und zwei Stromleiter 24.6 in einer Sandwichanordnung, die identisch ausgebildet sind, und um die x-Achse um 180° gedreht zueinander angeordnet, d.h. spiegelsymmetrisch zur Längsachse angeordnet und miteinander parallel geschaltet sind. 9b zeigt die Draufsicht auf einen der beiden Stromleiter 24.6 mit der Anordnung der Gradientensensoren 26. Jeder Stromleiter 24.6 umfasst zwei strommessaktive Leiterabschnitten 16a, 16b, wobei der erste Leiterabschnitt 16a als U-förmiger Stromschenkel 28 und der zweite Leiterabschnitt 16b als Längsschenkel 32 ausgebildet ist. Dabei entspricht die Stromsensoranordnung des Stromleiters 24.6 grundsätzlich der Ausführungsform der Anordnung 10.1, so dass auf die vorstehende Beschreibung der 2a Bezug genommen wird. Allerdings weicht diese in der Ausformung des Längsschenkels 32 ab. Im Gegensatz zur Ausführungsform 10.1 ist der Längsschenkel 32 mittels einer L-förmigen Ausnehmung mit einem in X-Richtung ausgerichteten Schlitzabschnitt ausgeführt. Der Längsschenkel 32 wird hierbei durch den stromdurchflossenen Bereich des, den in X-Richtung ausgerichteten Schlitzabschnitts begrenzenden, Stromleiterabschnitts 16b ausgebildet. Das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement 14 ist mit einer zweiten Gradientenrichtung g_y, die senkrecht zur ersten Gradientenrichtung g_x des ersten magnetsensitiven Sensorelements 12 ausgerichtet ist, vorgesehen und dem zweiten strommessaktiven Leiterabschnitt 16b zugeordnet. Die zweite Gradientenrichtung g_y ist rechtwinklig zur Längserstreckung des Längsschenkels 32 ausgerichtet. Durch die L-förmige Ausnehmung ist der Längsschenkel 32 mit einem benachbarten, leitfähigen aber nicht von Storm durchflossen Materialschenkel begrenzt. Hierdurch lassen sich zuvor besprochene, frequenzabhängige Sensorfehler, insbesondere von durch Skin- und Proximity-Effekte hervorgerufene Signalverfälschungen unterdrücken, und dadurch eine Abhilfe von durch induzierten Wirbelströme erzeugte frequenzabhängige Fehleranteile erreichen. Denn induzierte Wirbelströme im stromdurchflossenen Leiterabschnitt bewirken zunächst einen Skineffekt, d.h. eine Stromflußverdrängung an die Leiteroberfläche. Induzierte Wirbelströme in dem nicht von Storm durchflossen Materialschenkel können wiederum die durch den Skineffekt bewirkte Stromverdrängung abschwächen und weiterhin selbst ein Messmagnetfeldanteil hervorrufen und somit die frequenzabhängigen unerwünschten Effekte kompensieren. Dies Weiterhin weist diese Ausführungsform 10.6 im Gegensatz zur Ausführungsform 10.1 einen geringeren Materialverschnitt bei der Ausbildung des Stromleiters 24. 6, eine verbesserte thermische Abstrahlkapazität, somit eine verbesserte Kühlwirkung und erhöhte thermische Belastbarkeit bei einem kompakteren Design, eine höhere mechanische Stabilität z.B. in einer vergossenen Bauweise und erweiterte mechanische Einsatzmöglichkeit auf. Wird die Geometrie des Stromleiters 24.6 in der in 9a gezeigten sandwichartigen, längsaxial-spiegelsymmetrischen Konfiguration, analog wie in 6a, b, eingesetzt, sind beide Sensorelemente 12 einem Gradientenfeld bei Nutzung der vorgenannten Vorteile ausgesetzt, wobei eine reduzierte Frequenzabhängigkeit erreichbar ist.
Die 10a zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromsensoranordnung 10.7. Ein Stromleiter 24.7 besteht grundsätzlich aus einem U-förmigen Stromschenkel 28, wobei der Stromschenkel 28 zwei strommessaktive Leiterabschnitte 16a, 16b aufweist. Jeder strommessaktive Leiterabschnitt 16a, 16b ist durch zwei Querschenkel 30 und einen Längsschenkel 32 gebildet, wobei der Querschenkel 30 senkrecht zu einer Längsachse x des Stromleiters 24.7 und der Längsschenkel 32 rechtwinklig zu einer Querachse y des Stromleiters 24.7 ausgerichtet ist. Der Abstand zwischen den Querschenkeln 30 des strommessaktiven Leiterabschnitts 16a ist größer als der Abstand zwischen den Querschenkeln 30 des strommessaktiven Leiterabschnitts 16b ausgebildet. Ein erstes magnetfeldsensitives Sensorelement 12 ist dem ersten strommessaktiven Leiterabschnitt 16a und ein zweites magnetfeldsensitives Sensorelement 14 dem zweiten strommessaktiven Leiterabschnitt 16b zugeordnet, wobei die beiden Sensorelemente 12, 14 als Gradientensensoren 26 mit einer Gradientenrichtung g_x parallel zur Längsachse x ausgebildet und zum Messen der die Querschenkel 30 umgebenden Magnetfelder angeordnet sind.
Die 10b und 10c stellen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Stromsensoranordnungen 10.8, 10.9 dar. In den gezeigten Ausführungsformen weisen Stromleiter 24.8, 249 im Unterschied zur in der 10a gezeigten Ausführungsform andere Grundformen auf. Der Stromleiter 24.8 in der 10b umfasst einen trapezförmigen Stromschenkel 28, der aus einem Längsschenkel 32 und zwei Querschenkeln 30 besteht. Der Stromleiter 24.8 weist zwei strommessaktive Leiterabschnitte 16a, 16b auf. In der Mitte des Stromschenkels 28 sind ein erstes und zweites magnetfeldsensitives Sensorelement 12, 14 symmetrisch angeordnet, wobei die beiden Sensorelemente 12, 14 als Gradientensensoren 26 ausgebildet sind. Das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement 14 weist im Vergleich zum ersten magnetfeldsensitiven Sensorelement 12 einen größeren Abstand zum Längsschenkel 32 auf. Die beiden Sensorelemente 12, 14 können die die Querschenkel 30 umgebenden Magnetfelder messen. Durch Anordnen der magnetfeldsensitiven Sensorelemente 12, 14 an verschiedener Position zwischen den Querschenkeln 30 können verschiedene Strommessbereiche der Stromsensoranordnung 10.8 bereitgestellt sein. Die beiden Gradientensensoren 26 weisen eine Gradientenrichtung g_x auf, die parallel zu einer Längsachse x des Stromleiters 10.8 ausgerichtet ist. Die Stromsensoranordnung 10.9 in der 10c ist im Wesentlichen mit dem in der 10b dargestellten Ausführungsbeispiel identisch. Allerdings unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel dadurch, dass jeder Querschenkel 28 des Stromleiters 24.9 wellenförmig ausgebildet ist.
In der 11 ist eine Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors 60 gezeigt. Im Stromsensor 60 ist eine Auswerteeinheit 52 zum Empfang von Strommesssignalen S₁, S₂ von Sensorelementen 12, 14 eingerichtet, wobei die Sensorelemente 12, 14 als Gradientensensoren 26 ausgebildet sind. Ferner ist ein Temperatursensor 44 angeordnet. Ein Temperaturmesssignal 7 kann von der Auswerteeinheit 52 zur dynamischen Anpassung einer Übergabeschaltschwelle zwischen den Sensorelementen 12, 14 und / oder Korrektur des Strommesswertes I_m empfangen werden. Auf Basis der Größe der Strommesssignale S₁, S₂ und der Temperaturmesssignale 7 ist eine Umschaltung von Strommessbereichen der Sensorelemente 12, 14 und eine Bestimmung des Strommesswertes I_m vorzunehmen.
12 stellt eine weitere, spezifischere Ausführung eines Stromsensors 62 als Blockschaltbild gegenüber der Ausführungsform nach 11 dar. Der Stromsensor 62 entspricht in seiner Funktionsweise grundsätzlich dem in 11 dargestellten Stromsensor 60 mit zwei angeschlossenen Sensorelementen 12, 14 für einen ersten und zweiten Leiterabschnitt 16a, 16b einer Stromsensoranordnung 10.1, wie sie beispielsweise in den 2a, 2b dargestellt ist. Das Strommesssignal S₁ des Sensorelements 12, beispielsweise für die Messung kleinerer Ströme, und das Strommesssignal S₂ des Sensorelements 14, beispielsweise für die Messung größerer Ströme, wird einer Auswertungseinheit 52 zugeführt, die basierend auf der Signalgröße ein Stromausgangssignal I_m ausgibt. Das Stromausgangssignal I_m kann beispielsweise durch eine, ggf. gewichtete, Mittelung der Strommesssignale S₁, S₂ erfolgen, oder kann bis zu einem Schwellwert auf dem Stromausgangssignal S₁ beruhen, und darüber hinaus auf dem Stromausgangssignal S₂ beruhen. Weitere Möglichkeiten zur adaptiven Ermittlung des Stromausgangssignal I_m aus den Strommesssignale S₁, S₂ sind denkbar. Eine temperaturbasierte Überlastschutzschaltung schaltet die Betriebsspannung, in diesem Fall den Masseanschluss, des Stromsensors 12 zur Erfassung kleiner Strombereiche ab, sobald ein über einem Grenzwert liegender Strom I nur durch das Sensorelement 14 erfasst wird. Der Grenzwert wird durch einen Komparator K ausgewertet, der eine Höhe eines Ausgangssignals S₂ des Sensorelements 14 für höhere Strommessbereiche gegenüber einer temperaturabhängigen Spannungssignals vergleicht. Das temperaturabhängige Spannungssignal ΔU_ϑ wird aus einer Messbrücke, die einen temperaturabhängigen Widerstand R_ϑ umfasst, bereitgestellt. Der temperaturabhängige Widerstand (PTC- oder NTC-Widerstand) ist in der Nähe des Stromleiters 24.1 angeordnet und verändert seinen Widerstand in Abhängigkeit einer Erwärmung des Stromleiters 24.1.
Alternativ und gestrichelt eingezeichnet kann statt dem temperaturabhängigen Widerstand R_ϑ ein ohmscher Widerstand in der Messbrücke einen festen Schwellwert gegenüber dem Strommesssignal S₂ definieren, so dass auf in der Regel in gattungstypischen Sensorelementen verfügbare Komparatoren und Widerstandsanordnungen zurückgegriffen werden kann. Beispielsweise kann ein in einem Sensorelement integrierter Überstromkomparator (OVC, OCD oder FAULT bezeichnet) zur Schwellwerterkennung eingesetzt werden, dessen Schaltschwelle voreingestellt oder konfigurierbar mittels eines fixen Spannungsteilers eingestellt werden kann, um in gleicher oder ähnlicher Weise wie im Falle einer vorstehend dargestellten temperaturbasierten Überlastschutzschaltung ein Sensorelement zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Hierdurch kann ein zusätzlicher Temperatursensor eingespart werden. Selbstredend kann die Schaltschwelle auch fest vorgegeben bzw. eingespeist werden, so dass weiterhin auf einen Spannungsteiler verzichtet werden kann.
Somit kann zum Überlastschutz und zur Abschaltung des für kleine Ströme vorgesehenen Sensorelements 12 sowohl die Stromsignalhöhe S₂ als auch die Temperatur 9 oder ein festgelegter Schwellwert des Stromleiters 24.1 berücksichtigt werden, wodurch auch eine Auswahl des Strommesssignal S₂ im thermischen und/oder strombasierenden Überlastfall festgelegt wird.
Bezugszeichenliste

10.1 - 10.9: Stromsensoranordnung
12: Erstes magnetfeldsensitives Sensorelement
14: Zweites magnetfeldsensitives Sensorelement
16a: Erster Leiterabschnitt
16b: Zweiter Leiterabschnitt
16c: Dritter Leiterabschnitt
16d: Vierter Leiterabschnitt
18: Strom
18a: Stromanteil a
18b: Stromanteil b
20a: Richtung a
20b: Richtung b
22: Messebene
24.1-24.9: Stromleiter
26: Gradientensensor
28: U-förmiger Stromschenkel
30: Querschenkel
32: Längsschenkel
34: Drittes magnetfeldsensitives Sensorelement
36: Viertes magnetfeldsensitives Sensorelement
38a: Magnetfeld a
38b: Magnetfeld b
40a: Magnetfeldrichtung a
40b: Magnetfeldrichtung b
42: Träger
44: Temperatursensor
46: Gestufter Stromschenkel
48: Verjüngender Stromschenkel
50: Gekrümmter Stromschenkel
52: Auswertungseinheit
60: Stromsensor
62: Stromsensor
100: Strommessanordnung
102: Leiterstück
104: Verbindungssteg
106: Schenkel
108: Anschlussleitung
110: Sensorelement
x: Längsachse
y: Querachse
gx, gy: Gradientenrichtungen in x- und y-Richtung
I: Primärstrom
Im: Strommesswert
K: Komparator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009054892 B4 [0012]
WO 0011482 A1 [0013]
WO 2019072421 A1 [0014]

Claims

Stromsensoranordnung (10) umfassend zumindest zwei, vorzugsweise als Gradientensensoren (26) ausgebildete, magnetfeldsensitive Sensorelemente (12, 14) und zumindest einen Stromleiter (24) mit zumindest zwei strommessaktiven Leiterabschnitten (16a, 16b), dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung eines von einem Strom in den strommessaktiven Leiterabschnitten (16a, 16b) erzeugten Magnetfelds mindestens ein erstes magnetfeldsensitives Sensorelement (12) für eine erste Magnetfeldsensorkonfiguration dem ersten strommessaktiven Leiterabschnitt (16a) für einen ersten Strommessbereich und ein zweites magnetfeldsensitives Sensorelement (14) für eine zweite Magnetfeldsensorkonfiguration dem zweiten strommessaktiven Leiterabschnitt (16b) für einen zweiten Strommessbereich zugeordnet ist, wobei der erste Strommessbereich und der zweite Strommessbereich verschieden sind, so dass der Strom durch den Stromleiter (24) in jedem Strommessbereich gleichzeitig erfassbar, oder umschaltbar durch zumindest einen der beiden Sensorelemente (12, 14), erfassbar ist.
Stromsensoranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein strommessaktiver Leiterabschnitt (16a, 16b) als U-förmiger Stromschenkel (28) ausgebildet ist, wobei der U-förmige Stromschenkel (28) zwei im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse (x) des Stromleiters (24) ausgerichtete Querschenkel (30) und einen im Wesentlichen parallel zur Längsachse (x) des Stromleiters (24) ausgerichteten Längsschenkel (32) umfasst, und das erste und/oder zweite magnetfeldsensitive Sensorelement (12, 14) zwischen den als strommessaktiver Leiterabschnitt (16a, 16b, 16c, 16d) ausgebildeten Querschenkeln (30) angeordnet ist, wobei bevorzugt die Abstände zwischen zugehörigen Querschenkeln (30) verschiedener strommessaktiver Leiterabschnitte (16a, 16b) unterschiedlich sind, und/oder die Sensorelemente (12, 14) verschiedene Abstände zu den Querschenkeln (30) aufweisen.
Stromsensoranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein strommessaktiver Leiterabschnitt (16a, 16b) parallel zu einer durch den Stromfluss definierten, Längsachse (x) des Stromleiters (24) ausgerichteter Längsschenkel (32) ausgebildet ist, und das erste und/oder zweite magnetfeldsensitive Sensorelement (12, 14) quer zur Längsachse (x) des Stromleiters (24) gegenüber dem Längsschenkel (32) versetzt ist, wobei bevorzugt die Abstände der Querversetzung der Sensorelemente (12,14) zu dem einen oder zu verschiedenen strommessaktiven Leiterabschnitten (16a, 16b) unterschiedlich sind.
Stromsensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenrichtung der als Gradientensensor (26) ausgebildete Sensorelemente (12, 14) rechtwinklig zur Stromrichtung durch die strommessaktiven Leiterabschnitte (16a, 16b) ausgerichtet ist, und bevorzugt die Messempfindlichkeiten der beiden Sensorelemente (12,14) unterschiedlich sind, und weiterhin bevorzugt die Gradientenrichtung des ersten und zweiten Sensorelementes (12, 14) rechtwinklig zueinander ist.
Stromsensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleiter (24) zumindest drei oder mehrere strommessaktive Leiterabschnitte (16a, 16b, 16c, 16d) mit jeweils zugeordneten Sensorelementen (12, 14, 34, 36) zur Erfassung zumindest dreier oder mehrerer unterschiedlicher Strommessbereiche umfasst.
Stromsensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein strommessaktiver Leiterabschnitt (16a, 16b, 16c, 16d) des Stromleiters (24) Einschnürungen, Prägungen und/oder Flusskonzentrationselemente zur Beeinflussung einer Magnetfeldkonzentration am Ort des Sensorelements (12, 14, 34, 36) aufweist.
Stromsensoranordnung (10) nach Anspruch 2 und 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfeldsensitiven Sensorelemente (12, 14, 34, 36) derart den strommessaktiven Leiterabschnitten (16a, 16b, 16c, 16d) zugeordnet sind, dass zumindest das erste magnetfeldsensitive Sensorelement (12) zwischen den Querschenkeln (30) des ersten Leiterabschnitts (16a) angeordnet ist, und zumindest ein zweites, drittes oder viertes magnetfeldsensitives Sensorelement (14, 34, 36) parallelversetzt zum Längsschenkel (32) des zweiten, dritten oder vierten Leiterabschnitts (16b, 16c, 16d) angeordnet ist.
Stromsensoranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsensoranordnung (10) zumindest zwei parallel geschaltete und geometrisch identische Stromleiter (24) mit gemeinsamer Längsachse (x) umfasst, wobei die Stromleiter (24) an der Längsachse (x) gespiegelt zueinander angeordnet sind, wobei jeder Stromleiter (24) zumindest einen ersten Leiterabschnitt (16a) und einen zweiten Leiterabschnitt (16b) aufweist und die magnetfeldsensitiven Sensorelemente (12, 14) sandwichartig zwischen den beiden Stromleitern (24) angeordnet sind.
Stromsensoranordnung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste magnetfeldsensitive Sensorelement (12) zwischen den ersten Leiterabschnitten (16a) der beiden Stromleiter (24) und das zweite magnetfeldsensitive Sensorelement (14) zwischen den zweiten Leiterabschnitten (16b) der beiden Stromleiter (24) angeordnet ist, wobei bevorzugt die ersten Leiterabschnitte (16a) als U-förmige Stromschenkel (28) ausgebildet sind und die zweiten Leiterabschnitte (16b) als Längsschenkel (32) ausgebildet sind.
Stromsensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Sensor, insbesondere ein Temperatursensor (44), zur dynamischen Anpassung einer Übergabeschaltschwelle, und/oder Erfassung geometrischer Veränderungen des Stromleiters (24) umfasst ist.
Stromsensoranordnung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom von den zumindest zwei Stromleitern (24) in vorbestimmbare Stromanteile (18a, 18b), insbesondere in gleiche Stromanteile, aufteilbar ist.
Stromsensor (60) umfassend eine Stromsensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und eine Auswerteeinheit (52), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (52) zum Empfang von Strommesssignalen (S₁, S₂) der Sensorelemente (12, 14, 34, 36) eingerichtet ist, und auf Basis der Größe der Strommesssignale (S₁, S₂) eine gleichzeitige Auswertung oder eine Umschaltung von Strommessbereichen, bevorzugt eine Aktivierung und Deaktivierung von Sensorelementen (12, 14, 34, 36), vornimmt und eine Bestimmung eines Strommesswertes (I) vornimmt.
Stromsensor (60) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres Messsignal eines Sensors, insbesondere ein Temperaturmesssignal (T) eines Temperatursensors (44), zur dynamischen Anpassung einer Übergabeschaltschwelle zwischen den Sensorelemente (12, 14, 34, 36) und/oder Korrektur des Strommesswertes (I) von der Auswerteeinheit (52) empfangen wird.
Verfahren zum Umschalten von Strommessbereichen einer Stromsensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines Strommesswertes (1) auf Basis zumindest einer Übergabeschaltschwelle Strommessbereiche entweder durch Deaktivieren zumindest eines magnetfeldsensitiven Sensorelements (12, 14, 34, 36) und/oder durch Aktivieren zumindest eines anderen magnetfeldsensitiven Sensorelementen (12, 14, 34, 36) für die Auswahl eines Strommesssignals (S₁, S₂) umgeschaltet werden, oder durch Mittelung von Strommesssignalen (S₁, S₂) der magnetfeldsensitiven Sensorelements (12, 14, 34, 36), gemeinsam ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur dynamischen Anpassung einer Übergabeschaltschwelle und/oder Korrektur eines Strommesssignals (S₁, S₂) oder des Strommesswertes (I) ein Signal eines weiteren Sensors, insbesondere eines Temperatursignals (7) eines Temperatursensors (44), berücksichtigt wird.