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VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der
US-Patentanmeldung Nr. 13/432,228 , eingereicht am 28. März 2012, deren gesamte Offenbarung hier durch Verweis einbezogen wird.
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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf genaue, kostengünstige Rogowski-Spule-Stromsensoren und ein Herstellungsverfahren für sie. Genauer ist eine Ausführungsform auf eine Struktur und ein Verfahren zur Ausrichtung der freien und begrenzten Enden des Sensors gerichtet, um die Sensorschleife zu schließen.
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HINTERGRUND
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Wechselströme können induktiv mittels der schwingenden Magnetfelder gemessen werden, die sie erzeugen. 1 veranschaulicht als Beispiel das Magnetfeld eines geraden stromführenden Drahts 100, das durch kreisförmige Magnetfeldlinien 102 in einer Ebene lotrecht zum Draht 100 gekennzeichnet ist. Wenn die Magnetfeldstärke aufgrund von Schwankungen im Basisstrom variiert, kann sie mit einer die Feldlinien 102 umgebenden Induktionsspule 104 gemessen werden. Allgemein sprechen Magnetsensoren aber nicht nur auf das Magnetfeld des betreffenden Drahts (nachfolgend als „Primärleiter“ bezeichnet), sondern auch auf lokale Störmagnetfelder an, was zu falschen Stromablesungen führen kann. Außerdem leiden viele traditionelle, auf Induktion basierende Stromsensoren, wie zum Beispiel Eisenkernwandler, an Starrheit und/oder Sperrigkeit, was ihren Einbau auf engem Raum behindern und somit praktische Grenzen für ihre Verwendung für verschiedene Anwendungen darstellen kann.
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Rogowski-Spulensensoren können viele der mit anderen Strommesstechnologien verbundene Probleme überwinden. 1 zeigt die Basisstruktur eines typischen Rogowski-Spulensensors 110 und veranschaulicht sein Betriebsprinzip. Der Sensor 110 enthält einen Messkopf, der eine Spiralspule 112 um einen typischen Nichteisenkern (z.B. im einfachsten Fall Luft) gewunden aufweist, mit einem Rückpfad 114, der vom Ende 116 der Spule zurück zum Anfang 118 geführt wird. Das Ende, wo die Spule 112 in den Rückpfad 114 übergeht, wird üblicherweise als das „freie Ende“ des Messkopfs oder Sensors bezeichnet; das andere Ende, wo der Anfang 118 der Spule 112 und das Ende des Rückpfads 114 sich befinden, wird „begrenztes Ende“ genannt. Der Messkopf ist in einen im Wesentlichen geschlossenen Pfad (oder „Schleife“) um den Primärleiter 100 gebogen. (Der Begriff „im Wesentlichen geschlossen,“ wie er hier verwendet wird, erlaubt eine kleine Lücke oder Überlagerung zwischen dem freien und dem begrenzten Ende des Messkopfs, die in der Praxis im Allgemeinen nicht ganz vermieden werden können, aber die Messungen um nicht mehr als 5% beeinträchtigen). Um eine bequeme Verwendung und Wiederverwendung des Sensors 110 zu erleichtern, und um die Notwendigkeit des Trennens des Verbinders zu vermeiden, um das Einsetzen des Sensors zu erleichtern, kann der Messkopf biegsam genug sein, um das wiederholte Öffnen und Schließen der Schleife zu erlauben.
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Schwankungen im von den Windungen der Spule 112 umgebenen Magnetfeld - d.h. dem Magnetfeld des Primärleiters 100 - induzieren eine Spannung zwischen den Anschlüssen 120, 122 des Messkopfs (d.h. dem Anfang der Spule 112 und dem Ende des Rückdrahts 114). Der Rückpfad 114 dient dazu, mögliche zusätzliche Spannungen herauszurechnen, die zwischen den Enden 116, 118 der Spule 112 aufgrund von von der Spulenschleife umgebenen Magnetfeldern 130 induziert werden könnten. Daher erlaubt der Messkopf die Messung von Strömen im Primärleiter 100, während er unerwünschte Signale von Störmagnetfeldern abweist. Typischerweise verläuft der Rückpfad 114 entlang einer Mittelachse der Spule 112. Es können aber auch alternative Anordnungen, wie eine über der ersten Schicht von Spulenwindungen gewundene Rückspule, verwendet werden. Um die Messgenauigkeit zu verbessern, enthalten die meisten Rogowski-Spulensensoren 110 außerdem eine Integratorschaltung 124, die zwischen den Anschlüssen 120, 122 des Messkopfs verbunden ist. Die Integratorschaltung 124 integriert die induzierte Spannung in der Zeit, wodurch die ursprüngliche Wellenform des gemessenen Wechselstroms wiederhergestellt wird.
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Zum Liefern genauer Stromablesungen hat der Rogowski-Spulensensor 110 vorzugsweise eine Spule 112 mit gleichmäßigem Querschnitt und konstanter Windungsdichte, d.h. einem gleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Windungen. Es treten jedoch typischerweise Ungleichmäßigkeiten im Schließbereich der Spulenschleife auf, entweder aufgrund einer Lücke oder einer Überlagerung zwischen dem freien Ende und dem begrenzten Ende. Während eine kompensatorische Elektronik im Prinzip die Auswirkung dieser Ungleichmäßigkeiten reduzieren kann, erhöht sie die Kosten des Sensors und erfordert, dass jeder Sensor einzeln kalibriert und abgestimmt wird. Daher leiden im Handel erhältliche Sensoren allgemein an einem Kompromiss zwischen Messgenauigkeit und Preis. Bei tragbaren Messanwendungen, bei denen der Sensor möglicherweise nach jedem Einbau um einen neuen Leiter neu abgestimmt werden muss (was nicht notwendig ist, wenn der Sensor permanent um einen Primärleiter montiert ist), wird das Problem verschlimmert. Daher besteht ein Bedarf für kostengünstige, biegsame und tragbare Rogowski-Spulensensoren, die zuverlässig genaue Strommesswerte für verschiedene Leiter liefern.
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In der
US 6,614,218 B1 wird beispielsweise ein Strommessgerät mit einer Rogowski-Spule mit einem flexiblen kreisförmigen Plastikwickelkörper und einer spiralförmigen Spulenwicklung offenbart.
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Die
US 8,896,305 B2 bezieht sich auf einen Magnetfeldzirkulations-Sensor mit einer Übertragungsbaugruppe und einer per Kabel verbundenen Elektronik.
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Die Druckschrift
US 20110012589 A1 bezieht sich auf ein Klemm-Universalmessgerät zum Bestimmen des Stromflusses in einem elektrischen Leiter.
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Die
US 20060082356 A1 bezieht sich auf ein Verfahren und einen Sensor für die Strommessung in einem elektrischen Leiter.
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KURZFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung liefert Rogowski-Spulensensoren, die preiswert herstellbar und leicht einsetzbar sind, während sie einen zuverlässigen Mechanismus zur präzisen Ausrichtung des freien und des begrenzten Endes der Spule nahe beieinander liefern und dadurch eine hohe Messgenauigkeit der Sensorschleife erreichen. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Spule um einen biegsamen, gurtähnlichen Träger gewunden (der zum Beispiel aus Kunststoff-Spritzguss besteht), in den ein Rückpfad-Leiter eingelassen ist. Der Träger kann sich an einem oder beiden Enden über die Länge der Spule hinaus erstrecken, was es dem freien Ende der Spulenverdrahtung ermöglicht, in Umfangsrichtung an das begrenzte Ende anzuschließen (so dass die zwei Enden der Spule mit einer Ebene lotrecht zur Spulenachse ausgerichtet und bündig sind), während die zwei Endabschnitte des Trägers sich überlagern. Eine Kombination aus Kappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus kann sich an einem Ende des Trägers befinden, um einen Hohlraum im Träger zu bedecken, die Ausrichtung der Trägerenden zu unterstützen, wenn der Sensor in eine Schleife um einen Primärleiter gebogen wird, bzw. die Enden des Träger aneinander zu befestigen. Die Führungsklemme kann einen rechtwinkligen Querschnitt mit einem hohen Seitenverhältnis (z.B. einem Breite-Höhe-Verhältnis von mindestens 2:1) haben, was zu natürlich ausgerichteten, ebenen Kanten führt.
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Um eine relative Bewegung zwischen dem freien und dem begrenzten Ende zu beschränken und sie in einer geschlossenen Konfiguration zu verriegeln, kann der Verriegelungsmechanismus einen Steckschließmechanismus (ähnlich einem Gürtelschloss) oder, alternativ, einen Schließmechanismus ähnlich dem eines Kabelbinders mit Paralleleingang enthalten. Die Führungsklemme, die sich an einem Ende des Trägers befindet, empfängt das andere Ende des Trägers, um die Enden seitlich (d.h. in einer Richtung lotrecht zur Achse der Spule und somit dem Umfang der Sensorschleife) auszurichten. Der Verriegelungsmechanismus kann konfiguriert sein, einen festgelegten, vorbestimmten Durchmesser der Sensorschleife zu liefern. Dieser vorbestimmte Durchmesser kann dadurch erreicht werden, dass Träger und folglich Spulenkörper einer spezifischen Länge hergestellt werden. Ein solcher Träger hat nur eine geschlossene Stellung, die zu einer Bildung einer Schleife vorbestimmten Umfangs führt. Diese Schleifen sind vorbestimmt, wiederholbar, und sind entweder durch die Länge des Trägers oder durch die seitliche Stellung von geformten Ansätzen auf dem Träger selbst festgelegt. Der Spulenkörper kann so gestaltet sein, dass er eine exakte geschlossene Schleife bildet, wenn sein Träger geschlossen ist.
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Gemäß einem Merkmal enthält ein Rogowski-Spulensensor einen biegsamen Träger, der ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, und eine leitende Verdrahtungsanordnung, die eine um den Träger gewundene Spule und einen Rückpfad-Leiter aufweist. Eine kombinierte Einheit, die sich am ersten Ende des Trägers befindet, ist konfiguriert, (i) das zweite Ende des Trägers durch sie gleitend aufzunehmen, und (ii) das erste Ende am zweiten Ende zu befestigen, um den Sensor in einer Konfiguration einer geschlossenen Schleife zu verriegeln. In der Konfiguration einer geschlossenen Schleife, ist das erste Ende des biegsamen Trägers von dem zweiten Ende des Trägers entlang einer zu einer Achse der Spule transversalen Richtung versetzt, und ein freies Ende der Spule ist mit einem begrenzten Ende der Spule in einer Ebene lotrecht zur Achse der Spule bündig
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Die kombinierte Einheit kann weiter konfiguriert sein, einen Hohlraum innerhalb des ersten Endes des Trägers hermetisch zu verschließen, und kann eine Führungsklemme für die gleitende Aufnahme des zweiten Endes des Trägers, einen Verriegelungsmechanismus zur Befestigung des ersten Endes am zweiten Ende und eine Kappe enthalten, die geformte Positionierstifte zum hermetischen Verschließen des Hohlraums hat. Der Verriegelungsmechanismus kann eine Raste enthalten, und das zweite Ende des Trägers kann einen Schlitz zum Eingriff mit der Raste enthalten (wobei die Raste und der Schlitz zusammen eine Sperrklinke formen). Der Verriegelungsmechanismus kann auch oder stattdessen einen Verriegelungsbolzen enthalten, und das zweite Ende des Trägers kann auch oder stattdessen ein Führungsloch enthalten. Der Träger kann ein Polymermaterial und/oder eine elektronische Schaltungsanordnung enthalten. Der Träger und der Hohlraum können eine Polymerstruktur bilden, die in einem Stück spritzgegossen wird.
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Die kombinierte Einheit kann eine Struktur enthalten, die vom Träger getrennt und daran befestigbar ist, und/oder kann ortsfest am ersten Ende des Trägers angeordnet sein. Der Träger kann eine Spiralnut um seine Oberfläche für den Rückhalt des Rückpfad-Leiters darin aufweisen. Der Rückpfad-Leiter kann koaxial durch die Spule rückgeleitet oder in den Träger eingelassen sein. Ein Querschnitt des Trägers kann rechtwinklig sein und kann ein Seitenverhältnis von mindestens 2:1 haben. Die kombinierte Einheit kann die relative Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende entlang der Achse der Spule und/oder die radiale Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende entlang eines radialen Pfads beschränken. In der Konfiguration als geschlossene Schleife kann ein freies Ende der Spule mit einem begrenzten Ende der Spule in einer Ebene lotrecht zur Achse der Spule bündig sein, und/oder eine Windungsdichte der Spule kann über die ganze Schleife im Wesentlichen konstant sein.
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Gemäß einem weiteren Merkmal verwendet ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms in einem Kabel einen Rogowski-Sensor, der einen biegsamen Träger, eine leitende Verdrahtungsanordnung, die eine um den Träger gewundene Spule aufweist, und einen in den Träger eingelassenen Rückpfad-Leiter aufweist. Der Sensor ist um das Kabel in eine Konfiguration als geschlossene Schleife mit einer gewünschten geschlossenen Länge gewickelt. Ein zweites Ende des Trägers ist in eine kombinierte Einheit eingeführt, die an einem ersten Ende des Trägers angeordnet ist, um das zweite Ende des Trägers durch sie gleitend aufzunehmen, um das erste Ende mit dem zweiten Ende entlang einer Achse der Spule auszurichten und das erste Ende am zweiten Ende zu befestigen, um den Sensor in einer Konfiguration als geschlossene Schleife zu verriegeln. Der Sensor wird in der Konfiguration als geschlossene Schleife befestigt, und eine elektrische Verbindung wird zwischen der Spule und dem Rückpfad aufgebaut.
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Diese und andere Gegenstände, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen der hier offenbarten vorliegenden Erfindung, werden durch Bezug auf die nachfolgende Beschreibung, die beiliegenden Zeichnungen und die Ansprüche ersichtlicher. Weiter versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Vertauschungen existieren können. Wenn hier nicht anders definiert, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“ ±10% (z.B. in der Länge), und in manchen Ausführungsformen ±5%.
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Figurenliste
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Die obige Beschreibung wird besser verstanden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung, insbesondere in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen:
- 1 schematisch die Struktur und das Betriebsprinzip eines beispielhaften Rogowski-Spulensensors veranschaulicht;
- 2 eine schematische Perspektivansicht eines Trägers eines Rogowski-Spulensensors gemäß einer Ausführungsform ist;
- 3 eine schematische Schnittansicht einer Kombination aus Hohlraumkappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus für einen Rogowski-Spulensensor gemäß einer Ausführungsform ist;
- 4 eine Endansicht der Kombination aus Hohlraumkappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus gemäß einer Ausführungsform ist;
- 5 eine schematische Perspektivansicht der Kombination aus Hohlraumkappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus ist, die mit dem Träger gemäß einer Ausführungsform zusammengesetzt wird;
- 6 eine schematische Schnittansicht des Rogowski-Spulensensors der 5 ist, die das freie Ende des Träger und die geformten gegenüberliegenden Ansätze gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht;
- 7 eine schematische Ansicht von Schlitzen im Träger für den Eingriff mit dem Verriegelungsmechanismus in der Kombination aus Kappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus gemäß einer Ausführungsform ist;
- 8 ein Längsquerschnitt der Kombination aus Kappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus ist, der einen Rastenmechanismus ähnlich demjenigen eines Kabelbinder-Sperrklinkenmechanismus gemäß einer Ausführungsform zeigt;
- 9 eine schematische Schnittansicht einer anderen Art von Verriegelungsmechanismus für den Rogowski-Spulensensor der 2 ist, die eine Kombination aus Kappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus gemäß einer Ausführungsform zeigt;
- 10 eine Endansicht der Kombination aus Kappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus ist, die den zentralen Verriegelungsbolzen und die Positionierstifte zur Positionierung der Kombination aus Kappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus auf der Trägerstruktur der 2 gemäß einer Ausführungsform zeigt;
- 11 eine schematische Schnittansicht des Rogowski-Spulensensors der 2 zusammengesetzt mit der Kombination aus Kappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus der 9 ist, die das freie Ende des Trägers in seiner Endstellung durch den Verriegelungsbolzen gemäß einer Ausführungsform verriegelt veranschaulicht;
- 12 ein Querschnitt durch den Träger und den Rückpfad-Leiter des Rogowski-Spulensensors der 2 gemäß einer Ausführungsform ist; und
- 13 ein schematischer Querschnitt des Rogowski-Spulensensors ist, der den Einbau vor Ort um einen zentralen Leiter gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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2 veranschaulicht einen Rogowski-Spulensensor 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor 200 enthält einen gurtähnlichen Träger 202, der in drei Abschnitte strukturiert ist: einen Mittelabschnitt 204 (oder „Spulenkörper“), um den eine Spule 206 gewunden ist, einen ersten Endabschnitt 208, der dem begrenzten Ende des Sensors 200 entspricht und ein Kopfmodul 210 enthält, das eine Sensorelektronik umfasst, und einen zweiten Endabschnitt 212, der dem freien Ende entspricht und einen Bereich 214 enthält, der einen Verriegelungsmechanismus hat (wie ein Führungsloch für einen Verriegelungsstift, Schlitze für den Eingriff mit einer Raste, oder ein beliebiger anderer solcher Mechanismus, wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird).
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Wie gezeigt, hat der Träger 202 einen rechtwinkligen Querschnitt und eine Breite w, die größer ist als seine Dicke d, z.B. in einem Verhältnis von mindestens 2: 1. Solche hohen Seitenverhältnisse, zusammen mit den ebenen Ober- und Unterseiten des Trägers 202, unterstützen die Ausrichtung des freien und des begrenzten Endes während des Schließens der Schleife. Mehrere Vorteile der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen können aber in Konfigurationen beibehalten werden, bei denen der Trägerquerschnitt ein niedriges Seitenverhältnis hat oder von einer rechtwinkligen Form abweicht; zum Beispiel kann der Träger einen quadratischen, allgemein polygonalen (z.B. sechseckigen) oder runden (z.B. kreisförmigen oder elliptischen) Querschnitt haben.
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Der Träger 202 kann aus einem biegsamen Material, wie z.B. einem weichen Kunststoff, hergestellt werden, so dass er um einen Primärleiter gefaltet oder gebogen werden kann. Ein erstes Ende 218 der Spule 206 windet sich um den Träger 202 zum Ende 212 und kehrt über einen zentralen Schlitz 220 zurück. Zugang zu diesem zentralen Schlitz kann über eine Öffnung 220A erhalten werden, die von der Außenseite des Spulenkörpers zum zentralen Schlitz führt. Die Rückwicklung wird dem Kopfmodul 210 über ein zweites Ende 222 der Spule 206 zur Verfügung gestellt. Ein Formteil 224 unter dem Kopfmodul 210 kann Verbinderstifte umfassen, um eine Kommunikation zwischen der Sensorelektronik innerhalb des Kopfmoduls 210 und z.B. einem externen Messgerät zu erlauben. Führungslöcher 226 im ersten Endabschnitt 208 des Trägers 202 können für den Zusammenbau mit einer Kappeneinheit verwendet werden, wie nachfolgend ausführlicher unter Bezug auf 3 beschrieben wird.
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3 veranschaulicht eine Ausführungsform einer kombinierten Einheit 300, die eine Kappe, eine Führungsklemme und einen Verriegelungsmechanismus enthält. Eine Unterseite 302 der kombinierten Einheit 300 wird mit den Führungslöchern 226 im ersten Ende 208 des Trägers 202 gekuppelt, um dadurch die Sensorelektronik im Kopfmodul 210 zu bedecken und hermetisch zu verschließen. Das zweite Ende 212 des Trägers 202 umgibt einen zu messenden Leiter oder mehrere zu messende Leiter und wird in einer Öffnung 304 in der kombinierten Einheit 300 aufgenommen. Eine Seitenwand 306 der kombinierten Einheit 300 gewährleistet die korrekte Ausrichtung zwischen dem Anfang und dem Ende der Spule 206, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Die kombinierte Einheit 300 kann eine geformte Raste oder einen Verriegelungsstift (nicht gezeigt) umfassen, um mit dem zweiten Ende 212 des Trägers 202 in Eingriff zu kommen.
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Ein Querschnitt einer Ausführungsform 400 der kombinierten Einheit 300 (siehe 3) und der Seitenwände 306 ist in 4 gezeigt. Auch gezeigt sind Stifte 402 an der Unterseite 302 zum Kuppeln mit den Führungslöchern 226. In dieser Ausführungsform wird eine Verriegelungssperrklinke 404, die an einem oberen Abschnitt 406 der Einheit 300 befestigt ist, für die Verbindung mit dem zweiten Ende 212 des Trägers 202 verwendet. Die Sperrklinke 404 kann eine geformte Raste enthalten, wie nachfolgend unter Bezug auf 8 ausführlicher erläutert wird. 5 veranschaulicht, wie die kombinierte Einheit 400 an den Löchern 226 im ersten Ende 208 des Trägers 202 befestigt werden kann.
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Die kombinierte Einheit 400, das erste Ende 208 des Trägers 202, und das zweite Ende 212 des Trägers 202 sind in 6 in Seitenansicht gezeigt; die kombinierte Einheit 400 ist am ersten Ende 208 befestigt, und das zweite Ende 212 ist nach seiner Rückkehr von um den Leiter herum und an der kombinierten Einheit 400 befestigt gezeigt. Ein geformter Ansatz 602 kann als Endanschlag für den Verriegelungsmechanismus des Trägers dienen, wodurch gewährleistet wird, dass die zwei Enden 604, 606 der Spule 206 in der gleichen Ebene begrenzt sind (durch eine gestrichelte Linie 608 dargestellt. Es ist anzumerken, dass die erste Windung der Spulenwicklung am begrenzten Ende sich einen Schritt weg von der Ebene von 608 befindet). Ein geformter Ansatz 602 ist gezeigt; ein weiterer Ansatz 602 kann auf der gegenüberliegenden Seite des zweiten Endes 212 des Trägers 202 verwendet werden. 6 veranschaulicht auch Verankerungen 610 für die zwei Enden 218, 222 der Wicklungen der Spule 206 und die Sensorelektronik 612 (z.B. ein Signalaufbereitungschip). Auch gezeigt sind Positionierstifte 402, die verwendet werden, um die kombinierte Einheit 400 am Träger 202 zu befestigen.
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Ein Teil des in dieser Ausführungsform verwendeten Verriegelungsmechanismus ist ausführlicher in 7 gezeigt. Der Träger 202 ist mit dem geformten Ansatz 602 wie oben beschrieben gezeigt. Auch gezeigt sind Schlitze 702, die verwendet werden können, um in eine Raste in der kombinierten Einheit 400 einzugreifen. Die Raste greift in die Schlitze 702 im Träger 202 ein, wie im Querschnitt in 8 gezeigt ist, zusammen mit einer gepunkteten Darstellung 804 der niedrigen Führungswände, die den Träger korrekt positionieren. Auch einer der hinteren Positionierstifte 402 ist gezeigt. Im Betrieb wird der Träger 202 um einen Leiter 100 gewickelt, und das erste Ende 208 (mit der daran befestigten kombinierten Einheit 400) wird in die Nähe des zweiten Endes 212 gebracht. Das zweite Ende 212 wird in die Öffnung 304 in der kombinierten Einheit 400 eingeführt und durch diese geschoben, bis die Schlitze 702 in die Raste 802 eingreifen. Wie ein Fachmann verstehen wird, sind die Raste 802 und die Schlitze 702 so konfiguriert, dass das zweite Ende 212 sich nur in einer Richtung durch die Öffnung 304 bewegen kann; die Raste 802 greift in einen der Schlitze 702 ein und hindert das zweite Ende 212 daran, sich zurückzuziehen. Das zweite Ende 212 kann durch die Öffnung 304 gezogen werden, bis die geformten Ansätze 602 eine Fläche der kombinierten Einheit 400 kontaktieren, wodurch eine weitere Einführung des zweiten Endes 212 verhindert wird.
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In einer anderen Ausführungsform, veranschaulicht in 9, werden ein Verriegelungsbolzen 902 und ein Führungsloch 904 verwendet, um den Träger 202 an Ort und Stelle zu verriegeln. In dieser Ausführungsform enthält die Kombination aus Kappe, Führungsklemme und Verriegelungseinheit 906 den Verriegelungsbolzen 902, Seitenwände 908 zur Gewährleistung der korrekten Ausrichtung des Trägers 202 und Positionierstifte 402 (nicht in 9 gezeigt) zum Kuppeln mit Löchern 910 im Träger 202. Die ganze Länge des Trägers 202 ist in 9 nicht gezeigt; das zweite Ende 212 wickelt sich so herum, dass das Führungsloch 904 mit dem Führungsbolzen 902 in Eingriff kommt. Das Führungsloch 904 kann alleine oder in Kombination mit der Öffnung 220A verwendet werden, die einen Zugang zum zentralen Schlitz 220 liefert, wie oben unter Bezug auf 2 beschrieben. 10 veranschaulicht eine Frontansicht der kombinierten Einheit 906, die wieder den Verriegelungsbolzen 902, Seitenwände 908 und Positionierstifts 402 zeigt. Zur Verwendung dieser Ausführungsform wickelt ein Benutzer den Träger 202 um einen Leiter 100, und das erste Ende 208 (mit der daran befestigten kombinierten Einheit 400) wird in die Nähe des zweiten Endes 212 gebracht, wie oben beschrieben. Das zweite Ende 212 wird innerhalb der Seitenwände 908 der kombinierten Einheit 400 angeordnet, und das zweite Ende 212 wird so positioniert, dass das Führungsloch 904 mit dem Verriegelungsbolzen 902 gekuppelt wird. Wenn sie gekuppelt sind, hält die von der Kraft des um den Leiter 100 gewickelten Trägers 202 ausgeübte Spannung das zweite Ende 212 an der kombinierten Einheit 400 befestigt.
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In 11 ist die kombinierte Einheit 906 mit dem Träger 202 gekuppelt gezeigt, und der Verriegelungsbolzen 902 ist in Eingriff mit dem Führungsloch 904 gezeigt. Es ist auch möglich, dass der Bolzen 902 eine geformte Lippe enthalten kann, um eine spätere radiale Bewegung zu verhindern, wenn das freie Ende des Trägers auf den Bolzen gepresst ist. Wie oben unter Bezug auf 6 beschrieben, können Verankerungen 610 verwendet werden, um die Spule 206 zu befestigen, die elektrisch mit der Sensorelektronik 612 verbunden sein kann. Ein Formteil 224 kann Verbinderstifte enthalten, um eine externe Kommunikation zu erlauben.
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12 veranschaulicht eine Schnittansicht des Trägers 202, die den zentralen Schlitz 220 enthält. Wie gezeigt und oben beschrieben, ist der Rückpfad der Spule 206 im zentralen Schlitz 220 angeordnet. Der Leiter kann nur im zentralen Schlitz 220 angeordnet sein, wenn das den Träger 202 enthaltende Material nichtleitend ist, da der Rückpfad der Spule 206 physikalisch durch den nach außen gehenden, gespulten Abschnitt der Spule 206 mittels der Tiefe des zentralen Schlitzes 220 getrennt ist. In anderen Ausführungsformen ist der Rückpfad der Spule 206 mit einem Isoliermaterial bedeckt oder beschichtet.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in 13 um einen zu messenden stromführenden Leiter 1302 herum angeordnet gezeigt. Der Verriegelungsbolzen 902 und das Führungsloch 904 sind im Querschnitt gezeigt, und die Drähte 1304 sind mit dem Formteil 224 verbunden gezeigt, um eine Verbindung mit einer externen Vorrichtung (z.B. einem Messgerät) zu liefern. Der Abschnitt des Trägers 202 und der Spule 206, der den Leiter 1302 umgibt, ist durch eine gekrümmte Linie 1306 dargestellt. Wie oben beschrieben, kann ein Benutzer den Träger 202 um den Leiter 1302 wickeln und das erste 208 und das zweite Ende 212 des Trägers 202 unter Verwendung der kombinierten Einheit 400 befestigen.
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Wie (zum Beispiel) in 6 veranschaulicht, ist die Windungsdichte der Spule typischerweise über die Länge der Wicklung im Wesentlichen konstant. In bestimmten Ausführungsformen wird die Kombination aus Kappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus absichtlich so angeordnet, dass das freie Ende der Spulenwicklung in der geschlossenen Konfiguration des Sensors axial bündig mit dem begrenzten Ende ist (wie durch die gestrichelte Line 608 in 6 gezeigt), oder, in anderen Worten, derart, dass die letzte Windung der Spulenwicklung am freien Ende in Umfangsrichtung von der ersten Windung der Spulenwicklung am begrenzten Ende durch einen Schritt getrennt ist, d.h. durch die Entfernung zwischen zwei benachbarten Spulenwindungen entlang der Wicklung (innerhalb einer akzeptablen Fehlerspanne, z.B. ±10% oder, in manchen Ausführungsformen, ±5%). Als Ergebnis ist die Windungsdichte über die Sensorschleife im Wesentlichen konstant, was allgemein die Messgenauigkeit des Sensors erhöht und die Notwendigkeit einer kompensierenden elektronischen Schaltungsanordnung beseitigen kann. Der Abstand zwischen der ersten und der letzten Spulenwindung kann, falls notwendig, angepasst werden, um jeden Messfehler zu kompensieren, der durch die radiale (oder „senkrechte“) Entfernung zwischen dem freien und dem begrenzten Ende eingeführt wird, die sich aus der Überlagerung der Trägerenden in der Schleifenkonfiguration ergibt. Vorteilhafterweise hält das vorzugsweise hohe Seitenverhältnis des Trägers die radiale Entfernung und jede verzerrende Wirkung, die sie haben kann, klein.
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In den in den 9-11 veranschaulichten Ausführungsformen des Sensors hat die Sensorschleife eine spezifische, vorbestimmte Umfangslänge in der geschlossenen Konfiguration (und daher hat die Schleife, wenn sie kreisförmig ist, einen festgelegten, vorbestimmten Durchmesser), die durch die Stellung des Führungsstifts bestimmt wird, der in dem freien Ende des Trägers geformt ist. Die 2-8 veranschaulichen schematisch einen alternativen Sensor, bei dem die Länge der Schleife durch die seitliche Stellung gegenüberliegender geformter Anschlagansätze bestimmt wird, die sich am freien Ende des Trägers befinden. Das freie Ende des Sensors wird in die Kombination aus Kappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus eingeführt, bis die gegenüberliegenden, geformten Anschlagansätze, die vom Träger vorstehen, auf die Wand der Verankerung treffen, wodurch jedes weitere Anziehen der Schleife verhindert wird; die Anschlagansätze legen so einen Mindestdurchmesser der Sensorschleife fest. Verschiedene Sensorumfänge können durch Anordnen der geformten Anschlagansätze in verschiedenen seitlichen Stellungen entlang des freien Endes des Trägers erzeugt werden.
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Wie oben beschriebene Rogowski-Spulensensoren können in verschiedenen Größen und mit relativen Abmessungen hergestellt werden, die von der jeweiligen Anwendung abhängen. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt die Gesamtlänge des Sensors etwa 300 mm, einschließlich einer 260 mm langen Spulenwicklung mit 260 Windungen und einem Schritt von 1 mm. Wenn die Spule um den Träger gewunden ist, kann sie eine Querschnittsabmessung von etwa 2,5 mm x 7 mm haben; ein typischer Rückpfad-Leiter kann 1,5 mm breit und 0,1 mm dick sein. Wenn die Enden der Spule verbunden sind, kann der Innendurchmesser der Sensorschleife zwischen etwa 7 cm und etwa 9 cm liegen.
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Der Träger kann unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Techniken in einer flachen Gestaltung spritzgegossen werden. Kurz gesagt, flüssiges Polymer wird in einen Formhohlraum gegossen (wobei die Form zum Beispiel aus einem Metall besteht), gehärtet und dann entfernt, um das vervollständigte Kunststoffteil zu erhalten. Der Spulenkörper (d.h. der Trägerteil, um den die Spule gewunden wird) und Endabschnitte des Trägers, in die der Kopfhohlraum/das Modul integriert sein kann, sind in verschiedenen Ausführungsformen in einem Stück geformt. Desgleichen ist die Kombination aus Hohlraumkappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus aus (z.B.) 9 gleichermaßen so gestaltet, dass sie in einem Stück ohne Nebenaktion hergestellt werden kann. Desgleichen kann die Kombination aus Hohlraumkappe, Führungsklemme und Verriegelungsmechanismus der 3 in einem Stück geformt werden, möglicherweise aber eine Nebenaktion erfordern.
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Der Rückpfad, der aus jedem geeigneten Leitermaterial (z.B. Kupfer) bestehen kann, kann in den Träger umspritzt werden, d.h. während des Formprozesses innerhalb der Form positioniert sein, so dass das Polymer mit dem bereits an Ort und Stelle befindlichen Rückpfad-Leiter härtet. Alternativ kann der Träger mit einem geeignet bemessenen Hohlraum oder Schlitz hergestellt werden, der in Längsrichtung im Träger erzeugt wird, in dem der Rückpfad-Leiter nach der Herstellung des Kunststoffteils aufgenommen wird. In noch einer anderen Ausführungsform kann der Träger aus vielen Teilen gebildet werden, die mit dem Rückpfad-Leiter zusammengebaut werden, und dann gebondet oder auf andere Art aneinander befestigt werden, um eine einzige Struktur zu bilden. In bestimmten Ausführungsformen wird der Träger aus einem ummantelten Standard-Leiter erzeugt. In noch einer anderen Ausführungsform können der Rückpfadträger und die Spulenwicklung mit einem einzigen durchgehenden elektrischen Leiter gebildet werden; der Rückpfad wird erst mit dem Leiter gefüllt und durch geeignete Mittel an Ort und Stelle gehalten, und dann wird der Leiter zur Außenseite des Spulenkörpers gebracht und spiralförmig zurück entlang des Spulenkörpers zum begrenzten Ende gewunden.
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Um die Spulenwicklung unterzubringen, kann eine Spiralspur in den Spulenkörper geformt werden, die zu genauen und konsistenten einzelnen Windungen und Windung-zu-Windung-Abstand führt. Ein Leiterdraht (der aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann) wird dann in die Spur gewunden. Vorzugsweise ist die Wicklung durchgehend, d.h. enthält keine Unterbrechungen, die die Messgenauigkeit reduzieren könnten. In manchen Ausführungsformen wird der Draht um einen Träger gewickelt, der eine glatte Oberfläche ohne Rillen hat. Der Draht kann von seiner Umgebung mit einer dünnen Hülle isoliert sein, wie zum Beispiel einer Polymerumspritzung, einem Schrumpfrohr (d.h. einer Hülle typischerweise aus Nylon oder Polyolefin, die bei Erwärmung schrumpft) oder extrudiertem Rohr, oder einer Kleberbeschichtung.
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Wenn die Spule und der Rückpfad-Leiter mit dem Träger zusammengefügt wurden, können sie elektrisch an dem freien Ende verbunden werden, z.B. durch Löten. Alternativ kann eine leitende Verbindung mittels des Formprozesses gebildet werden. Am begrenzten Ende kann eine vorgefertigte elektronische Schaltung zwischen der Spule und dem Rückpfad verbunden sein. Schließlich können beliebige getrennt hergestellte Bauteile, wie z.B. der Halteclip, an den Träger angefügt werden, um zum endgültigen Sensorprodukt zu führen.
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In Gebrauch kann der Rogowski-Spulensensor um ein unter Beobachtung stehendes elektrisches Kabel gewickelt werden, geschlossen werden, um eine Schleife zu bilden, und fest angezogen werden. Typischerweise wird der Sensor in eine einzige, im Wesentlichen kreisförmige oder ovale Schleife gebogen. Biegsame Sensoren, wie sie hier beschrieben werden, können aber in jede beliebige Form gebogen werden (z.B. eine Doppelkreisform). So können sie ohne Schwierigkeiten in engen Räumen verwendet werden. Der begrenzte Endabschnitt des Trägers, der typischerweise das Kopfmodul enthält, kann steifer sein als der Spulenkörperabschnitt, und kann als Ergebnis im Vergleich mit dem Rest der Sensorschleife relativ flach bleiben (so dass die Schleife von einer perfekten Kreisform abweicht). Vorteilhafterweise reduziert ein geraderer Endabschnitt die Belastung der elektronischen Schaltungsanordnung und verlängert so die Lebensdauer des Sensors. Wie oben veranschaulicht, sind bestimmte Ausführungsformen des Sensors für einen bestimmten Durchmesser konfiguriert. Diese Art von Sensor kann bei Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen eine wiederholbare Schleifengröße, und somit eine wiederholbare Sensorempfindlichkeit für die Messfühlfunktion erforderlich ist.
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Ein vorteilhaftes Merkmal von Rogowski-Spulensensoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der genaue und zuverlässige Schließmechanismus, der zu einer engeren Betriebsbandbreite führt, und der den Einbau des Sensors um ein Kabel ohne Trennen des Kabels vereinfacht. Das Rückanpassen von Stromsensoren ohne Interferieren mit der vorhandenen Verdrahtung oder Verkabelung ist bei vielen Strommessanwendungen wichtig, einschließlich, zum Beispiel, Stromüberwachung bei Sicherungskästen von Wohn- oder anderen Gebäuden. Ein typischer Haus-Sicherungskasten hat zehn oder mehr Kabel, die Strom zu verschiedenen Schaltungen im Haus transportieren. Um „Smarthäuser“ zu ermöglichen, muss die Stromnutzung allgemein für jede Schaltungsanordnung getrennt überwacht werden. Diese Überwachung kann durch Verwendung von wie hier beschriebenen biegsamen Rogowski-Spulensensoren ohne weiteres erreicht werden, die um die Kabel herum eingebaut werden können, ohne irgendeine Notwendigkeit der Neuanordnung der vorhandenen Verdrahtung. Weiter führt die hohe Schließintegrität des Sensor-Verriegelungsmechanismus, die die Empfindlichkeit des Sensors für magnetische Interferenz, Übersprechen und Auffangen eines unerwünschten Signals minimiert oder im Wesentlichen entfernt, zu genauen Strommessungen. Wie es einem Fachmann ohne weiteres klar wird, können wie hier beschriebene Rogowski-Spulensensoren auch vorteilhaft in vielen anderen Zusammenhängen verwendet werden.
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Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind oben beschrieben. Es wird aber ausdrücklich angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr sind verschiedene Zusätze und Abänderungen, sowie Kombinationen verschiedener hier beschriebener Merkmale auch im Rahmen der Erfindung enthalten. Zum Beispiel können Spulenschließmechanismen allgemein jede geeignete Kombination von einer oder mehreren Ausrichtungs-, Rückhalte- oder Verankerungsstrukturen enthalten, und solche Strukturen können von den spezifischen oben beschriebenen Strukturen abweichen, ohne ihre relevanten Funktionen zu verlieren (z.B. kann eine Durchdrückstruktur durch eine Klettverschluss-Struktur ersetzt werden). Abhängig von der beabsichtigten Anwendung können die Ausrichtungs-, Rückhalte- und Verankerungsstrukturen lösbar sein oder nicht. Weiter, während in der vorhergehenden Beschreibung der (z.B.) 6 das freie Spulenende an der Außenfläche der Schleife befestigt ist, kann der Schließmechanismus direkt zur Befestigung des freien Endes an der Innenfläche der Schleife angepasst sein, wie (z.B.) in 13 gezeigt. Die Ausrichtungs- und/oder Rückhaltestrukturen können sich auch am freien anstelle des begrenzten Endes befinden. Zusätzlich können Schließmechanismen wie hier beschrieben bei steifen oder halbbiegsamen Sensoren oder Sensoren mit nicht rechtwinkligen Querschnitten verwendet werden, und umgekehrt können verschiedene Vorteile von Sensoren, die biegsam sind und/oder rechtwinklige Querschnitte haben, in Kombination mit anderen Schließmechanismen als den hier beschriebenen beibehalten werden. Insbesondere können wie hier beschriebene Fertigungstechniken an alternative Sensorgestaltungenangewendet werden. Viele Veränderungen, Abänderungen und andere Umsetzungen, die sich nicht vom Rahmen der Erfindung entfernen, werden einem Fachmann einfallen.
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Daher ist nicht beabsichtigt, obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezifischer Einzelheiten beschrieben wurde, dass solche Einzelheiten als Einschränkungen des Rahmens der Erfindung angesehen werden, außer und in dem Umfang, in dem sie in den beiliegenden Ansprüchen enthalten sind.
