DE19819470A1

DE19819470A1 - Verfahren zum potentialfreien Messen von Strömen durch die Aufzeichnung des von ihnen verursachten Magnetfeldes sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19819470A1
Application number: DE19819470A
Authority: DE
Inventors: Jan Thorsten Dipl Phys Weber
Original assignee: Lust Antriebstechnik GmbH
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 1998-01-08
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-07-22
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: DE19819470B4

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum potentialfreien Messen von Strömen durch die Aufzeichnung des von den Strömen verursachten Magnetfeldes.

Stand

Gemäß dem Stand der Technik ist es bekannt, elektrische Ströme mit Hallwandlern zu messen (Proceedings PCIM Hong Kong, Oktober 1997, S. 129 ff). Aufgrund der relativ geringen Empfindlichkeit konventioneller Hallsensoren ist es hierbei notwendig, den magnetischen Fluß des Stromleiters durch Ferrit- oder Metallkerne zu führen. Diese Kerne umfassen dazu den elektrischen Leiter und machen so eine Ausführung der Meßgeräte in planarer Aufbautechnik, insbesondere auf Leiterplatten oder in mittlerweile oft standardisierten Leistungsendstufen elektronischer Antriebssysteme unmöglich.

In jüngster Zeit sind daher Hallwandler, deren magnetfeldempfindlicher Bereich zylindrisch aufgebaut ist und/oder die über direkt auf dem Siliziumsubstrat integrierte Flußkonzentratoren kleineren Volumens verfügen und/oder die eine dünnere magnetfeldempfindliche Schicht haben, entwickelt worden. Ein Teil dieser Wandler ist ebenfalls in der Lage, die Magnetfelder gebräuchlicher Ströme zu messen.

Darüber hinaus sind einige Verfahren bekannt, die auf andersartige, teilweise empfindlichere magnetfeldabhängige Effekte zur Strommessung zurückgreifen. Die (DE-PS 43 00 605 C2) beschreibt einen Sensorchip, der in der Lage ist, hinreichend kleine Magnetfeldgradienten völlig ohne eine Führung des magnetischen Flusses zu messen. Der in der (DE-PS 43 00 605 C2) beschriebene Sensorchip funktioniert auf der Grundlage des anisotropen magnetoresistiven Effektes (AMR) und erlaubt eine gegenüber konventionellen Hallwandlern etwa um den Faktor 20 empfindlichere Magnetfeldmessung. Zur Bestimmung von Strömen auf Leiterplatten werden jedoch auch andere, insbesondere als Single-Chip- oder Multi-Chip-Modul ausgeführte Magnetfeldmeßsysteme, die auf der Basis magnetfeldempfindlicher physikalischer Effekte - wie zum Beispiel auch des des gigantischen magnetoresistiven Effektes (GMR = Giant Magnetoresistive Effect,) - funktionieren, empfohlen (Phys. Bl. 54 (1998) Nr. 4 S. 339 ff).

Angesichts der Entdeckung immer weiterer magnetfeldempfindlicher Effekte in der jüngsten Zeit (z. B. der CMR = Colossal Magnetoresistive Effekt, Nature, VOL 390, S. 229 ff.) erscheint eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit solcher Magnetfeldmeßsysteme im Bereich des Möglichen.

Aufgabe

All diese Magnetfeldmeßanordnungen, die ohne voluminöse Eisen- oder Ferritkerne auskommen und daher in planarer Aufbautechnik insbesondere in Mikrosysteme integriert werden können, weisen jedoch eine Empfindlichkeit gegenüber äußeren magnetischen Feldern auf. Aufgrund des Trends zur Miniaturisierung technischer Vorrichtungen spielen in diesem Zusammenhang insbesondere Magnetfelder eine negative Rolle, die von Wirbelströmen hervorgerufen werden, die ihrerseits von dem Magnetfeld des zu messenden Stromes - im folgenden als Primärstrom bezeichnet - in den benachbarten Metallteilen induziert werden.

Die von dem Primärstrom induzierten Wirbelströme wirken gemäß der Lenzschen Regel ihrer Ursache entgegen, so daß das von ihnen hervorgerufene Magnetfeld in der Regel das Primärmagnetfeld schwächt und somit insbesondere bei höheren Wechsel- beziehungsweise Drehstromfrequenzen zu Meßfehlern führt.

Andere, ebenfalls frequenzabhängige Störeinflüsse auf die Messung des Stromes mit Hilfe von Magnetfeldmeßanordnungen, werden von den Stromverdrängungseffekten innerhalb des Primärleiters hervorgerufen: Bei massiven Stromleitern beeinflußt die Konzentration des Stroms in den Rändern des Primärleiters durch den Skineffekt das Primärmagnetfeld wesentlich. Bei steigenden Frequenzen und konstanten Strömen werden größere Primärmagnetfelder erzeugt und damit auch von den Magnetfeldmeßanordnungen gemessen. Bei mehreren Stromleitern kommt überdies der sogenannte Proximityeffekt zum Tragen. Dieser Effekt ist durch das Zusammenwirken des Skineffektes und der Lorenzkraft auf die bewegten Ladungsträger zu erklären. Er ruft bei benachbarten Stromleitern eine weitere Steigerung der Stromverdrängung hervor. Hierbei erfährt der zwischen den Stromleitern auftretende Magnetfeldgradient immer dann die maximale Verstärkung, wenn die beiden Leiterströme in entgegengesetzte Richtung fließen.

Diese beiden Stromverdrängungseffekte führen bei massiven Stromleitern und hohen Frequenzen in der beschriebenen Weise zu überhöhten Strommeßwerten.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die beschriebenen frequenzabhängigen Meßfehler zu minimieren, die in Strommeßvorrichtungen aller Art unerwünscht sind, aber insbesondere bei verschiedenen Meßverfahren auftreten, die einen planaren Aufbau des Meßsystems bei weitgehendem Verzicht auf eine Führung des magnetischen Flusses mit Metallen oder Ferriten ermöglichen. Hierbei kommt die Erfindung ohne die Verwendung aufwendiger elektronischer Signalauswertungssysteme aus.

Lösung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Querschnittsfläche und -form sowie die Materialauswahl der Primärleiter und ihr Abstand von geeigneten, gegebenenfalls speziell geformten, benachbarten Metallteilen und den verwendeten magnetfeldempfindlichen Meßgeräten, insbesondere Sensoren, so aufeinander abgestimmt sind, daß sich die Einflüsse verschiedener elektrodynamischer Effekte - insbesondere der Induktion von Wirbelströmen in den benachbarten Metallteilen und der Stromverdrängungseffekte in den Primärleitern - auf den magnetischen Fluß am Ort der Magnetfeldmessung, zumindest in einem für die jeweilige Anwendung geeigneten Frequenzbereich gegenseitig weitgehend kompensieren.

Offenbarung/Erklärung

Die vorliegende Erfindung macht sich vor allem zunutze, daß die Einflüsse der Stromverdrängungseffekte und der induzierten Wirbelströme in der Regel einander entgegengesetzten Einfluß auf die Höhe des zu messenden Magnetfeldes beziehungsweise die Größe des magnetischen Flusses in der Umgebung der Primärleiter haben.

Darüber hinaus weisen die angesprochenen elektrodynamischen Phänomene eine verwandte Frequenzabhängigkeit auf (Vergleiche G. Strassacker, Rotation, Divergenz und das Drumherum, Teubnerverlag, Stuttgart 1984, insbesondere S. 168 f.), so daß es möglich ist, die oben beschriebene Abstimmung so vorzunehmen, daß zumindest innerhalb eines für die jeweilige Anwendung hinreichend großen Frequenzbereichs lediglich minimale Meßfehler auftreten.

Bei der Abstimmung des Einflusses der verschiedenen Phänomene können insbesondere folgende Maßnahmen ergriffen werden:

Zur Variation des Einflusses des Magnetfeldes der Wirbelströme auf das resultierende Gesamtmagnetfeld ist in erster Linie die Festlegung des Abstandes zwischen den Primärleitern einerseits und den benachbarten Metallteilen andererseits erforderlich. Ein geringerer Abstand führt zu größeren Wirbelströmen. Der Abstand der Metallteile zu dem Magnetfeldmeßgerät - beziehungsweise den magnetfeldempfindlichen Bereichen derselben - spielt selbstverständlich aufgrund der Abstandsabhängigkeit elektromagnetischer Felder ebenfalls eine Rolle.

Die Auswahl des Metalls beziehungsweise der gewünschten spezifischen Leitfähigkeit desselben beeinflußt ebenfalls Stärke, Konzentration und Abklingverhalten der Wirbelströme erheblich: In der Regel werden Metalle mit hoher Leitfähigkeit größere Wirbelströme führen als solche mit geringerer Leitfähigkeit. Die Dämpfung des Primärmagnetfeldes durch die Wirbelströme ist bei Kupferteilen daher in der Regel größer als bei gleich beabstandeten und geformten Aluminiumteilen.

Der Skineffekt in den Primärleitern führt wie erwähnt im Allgemeinen zu einer Verstärkung des primären Magnetfeldes. Dieser Effekt kann ebenfalls durch die Auswahl von Leitermetallen hoher spezifischer Leitfähigkeit verstärkt werden (John David Jackson, Classical Electrodynamics, New York, 1975, insbesondere S. 298).

Desweiteren ist es möglich, den Skineffekt durch die Auswahl möglichst massiver Leiter oder Leiterbahnen in seiner Wirkung auf das Magnetfeld zu verstärken.

Auch die Form des Leiters hat maßgeblichen Einfluß auf die Stärke des Primärmagnetfeldes. Bei Leitern mit eckigem Querschnitt hat die Konzentration des Stromes in den Leiterkanten eine Steigerung des magnetischen Flusses zur Folge. Bei runden oder abgerundeten Leitern entfaltet der Skineffekt zwar auch seine Wirkung, es entfällt aber die oben beschriebene extreme Konzentration des Stromes in den Kanten.

Zunächst gelten für den Proximityeffekt die für den Skineffekt gemachten Aussagen in gleicher Weise. Desweiteren sind zur Steigerung des Einflusses des Proximityeffekts auf den magnetischen Fluß in dem Magnetfeldmeßgerät vor allem der Abstand der benachbarten Stromleiter zueinander und die Richtung der Leiterströme zueinander zu variieren.

Neben der Querschnittsfläche spielt - wie schon in Bezug auf den Skineffekt erwähnt - auch die runde - oder eckige Ausführung des Stromleiterquerschnitts eine Rolle. Bei rechteckigen Leitern gleicher Querschnittsfläche hat darüber hinaus das Längenverhältnis der beiden Kantenlängen zueinander Bedeutung für den Einfluß des Proximityeffektes auf die Stärke und auf die Führung des magnetischen Flusses. Ist beispielsweise die kurze Kante eines rechteckigen Stromleiters einem Stromleiter mit gegenläufiger Stromrichtung benachbart, so kommt es zu einer relativ starken Ladungsträgerkonzentration an dieser Kante. Ist die lange Kante einem Stromleiter mit gegenläufiger Stromdichte zugewandt, ist die Ladungsträgerkonzentration geringer, da sich die Ladungsträger auf eine größere Fläche verteilen können. Bei verundeten Stromleitern gilt dieselbe Feststellung in ähnlicher Weise. Bei ellipsenförmigen Leiterquerschnitten hat demnach das Verhältnis der beiden Halbachsen eine äquivalente Bedeutung.

Die magnetische Abschirmung der Stromleiter gegeneinander, die beispielsweise mit Ferriten vorgenommen werden kann, mindert die Konzentration der Ladungsträger in den Rändern der benachbarten Stromleiter und wirkt damit der Verstärkung des primären Magnetfelds entgegen.

In diesem Zusammenhang ist noch erwähnenswert, daß die Nutzung des Proximityeffektes durch die vorliegende Erfindung keineswegs nur bei der Messung mehrphasiger Ströme erfolgen kann. Beispielsweise kann man die Richtung eines einphasigen Stromes umkehren, indem man einen u-förmig ausgebildeten Primärleiter verwendet und das Magnetfeldmeßgerät insbesondere zwischen den Schenkeln des u-förmigen Leiters anordnet. Auf diese Weise kann man einen starken Magnetfeldgradienten messen, dessen Höhe maßgeblich von dem Proximityeffekt beeinflußt wird.

Die USA No. 08/543 194 beschreibt insbesondere in Fig. 3 bereits eine solche Anordnung, versäumt aber, den Proximityeffekt zu erwähnen oder gar seinen Einfluß auf eine exakte Messung zu kompensieren.

Bevorzugte Ausführungsformen/Haupteinsatzgebiet/Vorrichtungen

Ein Haupteinsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Strommessung in leistungselektronischen Systemen. Beispielsweise werden die Leistungsendstufen von Frequenzumrichtern oder Servoantrieben außerordentlich platzsparend und vor allem flach aufgebaut. Daher ist es nötig, diese Systeme unter anderem mit Metallkühlköpern, die in unmittelbarer Nähe zu der Leistungselektronik und der Strommeßvorrichtung angebracht sind, zu kühlen. Die in dem Metallkühlkörper oder anderen, beispielsweise zur Wärmespreizung oder als Gehäuse dienenden benachbarten Metallteilen induzierten Wirbelströme verfälschen in der oben beschriebenen Form die Strommessung.

Natürlich kommt es in den Primärleitern, die in leistungselektronischen Systemen oft als Leiterbahnen ausgeführt sind, auch zu Stromverdrängungseffekten.

Verwendet man als Aufbaumaterial für ein leistungselektronisches System eine Al₂O₃- oder AIN-Keramik mit einer Standardstärke von 0,63 mm und arbeitet mit Strömen von beispielsweise 10 A, dann überwiegt in der Umgebung der Leiterbahnen der Einfluß der Stromverdrängungseffekte, so daß bei hohen Frequenzen in der Regel ein zu hoher Strom gemessen wird.

Diesem Umstand kann man durch eine schmälere und verrundete Ausführung der Leiterbahnen, deren Querschnitt und Gestalt normalerweise ausschließlich von thermischen und fertigungstechnischen Überlegungen bestimmt wird und durch die Anbringung zusätzlicher geeigneter Metallteile in der Nähe der Meßvorrichtung entgegenwirken. Hierbei ist es möglich, diese Metallteile auf dem Keramiksubstrat und/oder darüber anzuordnen.

Mißt man auf diesem Substrat verschiedene Ströme, so ist zur weiteren Zurückdrängung des Einflusses der Stromverdrängungseffekte der Abstand zwischen den Stromleitern und die Stromrichtung der verschiedenen Ströme in geeigneter Weise aufeinander abzustimmen. Analoge Überlegungen gelten natürlich auch bei der Verwendung von Standardplatinen aus Kunststoff, da hier der Kühlkörper normalerweise noch weiter von der Strommeßvorrichtung entfernt ist.

Bei der Verwendung von sogenannten Insulated Metal Substrats (IMS-Substraten), stellt sich das Problem in anderer Weise:

Diese Substrate bestehen aus einer massiven Metallplatte (Stärke beispielsweise 1 mm), die zumindest auf einer Seite mit einer dünnen dielektrischen Schicht überzogen ist. Auf dieser dielektrischen Schicht befinden sich die Leiterbahnen und die zumeist in SMD - Bauweise (Surface Mounted Device) aufgebrachten Bauelemente.

Da die dielektrische Schicht deutlich dünner ist als das oben beschriebene Keramiksubstrat, sind die Einflüsse der Wirbelströme auf den magnetischen Fluß in der Leiterbahnebene auch sehr viel höher. Daher ist es in der Regel notwendig, den Einfluß der Stromverdrängungseffekte durch große Leiterbahnquerschnitte und die vorzugsweise eckige Gestaltung derselben zu steigern. Natürlich ist es im Falle mehrerer Ströme möglich, auch den Abstand und die verschiedenen Stromrichtungen aufeinander abzustimmen.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Leiterbahnen in der Umgebung der Strommessung u-förmig auszuführen, um einen Proximityeffekt bei einem Leiterstrom hervorzurufen.

Wie oben erwähnt, ist der Einfluß, den der Proximityeffekt auf das primäre Magnetfeld hat, auch von der Frage, ob benachbarte Stromleiter sich die längere oder kürzere Seite ihres rechteckigen, verrundeten oder ellipsenförmigen Leiterquerschnitts zuwenden, abhängig. Bei der Ausführung erfindungsgemäßer Vorrichtungen in planarer Aufbautechnik könnte daher unter anderem die Höhe und Breite benachbarter Leiterbahnen erfindungsgemäß aufeinander abgestimmt werden.

Aber auch außerhalb der Leistungselektronik kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Strommessung eingesetzt werden.

Bei Magnetfeldmeßanordnungen, die das Magnetfeld gerader Leiter (beispielsweise WO 96/101 86) oder den Magnetfeldgradienten zwischen den Schenkeln eines u-förmig ausgeführten Leiters ermitteln (USA No. 08/543 194), ohne daß sich als Träger, Kühlvorrichtung oder Gehäuse verwendete Metallteile in ihrer Umgebung befinden, überwiegen die Störeinflüsse der Stromverdrängungseffekte. Zu ihrer Reduktion können die bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen ergriffen werden.

Darüber hinaus können in die oft in Form von Mikrosystemen ausgeführten Strommeßgeräte zusätzlich geeignete, vorzugsweise nicht ferromagnetische Metallteile erfindungsgemäß integriert werden.

Vorteile

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in einem breiten Frequenzbereich eine verbesserte, insbesondere von den Störeinflüssen der Stromverdrängungseffekte und der Magnetfelder der Wirbelströme weitgehend bereinigte Strommessung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf die Verwendung aufwendiger elektronischer oder regelungstechnischer Maßnahmen zur Eliminierung der Störeinflüsse verzichtet werden.

Im folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem geraden Leiter auf einem Trägermaterial (auf das Trägermaterial kann verzichtet werden) mit erfindungsgemäß angeordneten Metallteilen.

Fig. 2 zeigt dieses Ausführungsbeispiel mit einem unterhalb des Trägermaterials angebrachten Kühlkörper.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem geraden Leiter und einem Magnetfeldmeßgerät, das aus zwei symmetrisch zum Leiter angeordneten Sensoren besteht und in dem zwei erfindungsgemäß angeordnete Metallteile zu sehen sind.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem u-förmig geformten Leiter.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem u-förmig geformten Leiter, bei dem zwischen den beiden Schenkeln des Leiters ein Bauteil vorhanden ist, das beispielsweise aus Ferrit gefertigt sein kann.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sich lediglich in dem Verhältnis der Höhe und Breite des u-förmigen Primärleiterquerschnitts von Fig. 5 unterscheidet.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei verschiedenen Stromleitern im Querschnitt, die den Magnetfeldgradienten zwischen zwei unterschiedlichen Leiterströmen aufzeichnet.

Fig. 8 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel in der Aufsicht.

Fig. 1 zeigt eine auf einem Trägersubstrat (7) aufgebrachte Leiterbahn (1), die einen Primärstrom führt. Die Leiterbahn ist zum Zwecke der Steigerung des Einflusses von Wirbelströmen auf das primäre Magnetfeld von zwei zusätzlich auf dem Trägersubstrat (7) aufgebrachten Metallteilen (4) umgeben. Unmittelbar über Leiterbahn und Metallteilen befindet sich eine zum Zwecke der galvanischen Trennung des Meßgeräts von dem Leiterstrom vorzugsweise aus dielektrischem Material bestehende Trägerplatte (2), auf der das Magnetfeldmeßgerät aufgebracht ist.

Fig. 2 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel mit einem unterhalb des zumindest teilweise dielektrischen Trägermaterials (7) angebrachten Kühlkörper. Der primäre Zweck des Kühlkörpers ist naturgemäß die Kühlung der Anordnung. Die in dem Kühlkörper induzierten Wirbelströme beeinflussen jedoch das primäre Magnetfeld, so daß es im Vergleich zu Fig. 1 notwendig wird, die Anordnung oberhalb des Trägermaterials (7) erfindungsgemäß anzupassen.

Fig. 3 zeigt einen geraden Leiter, dessen Magnetfeld von einem Magnetfeldmeßgerät (3) aufgezeichnet wird, das aus mehreren Sensoren besteht, die in diesem Fall symmetrisch zum Leiter angeordnet sind. Zur Beeinflussung des primären Magnetfeldes sind wieder zusätzliche Metallteile (4) vorhanden.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem u-förmig ausgeführten Leiter. Auf diesem Leiter ist wieder eine vorzugsweise dielektrische Platte (2) befestigt, die das Magnetfeldmeßgerät 3 trägt und für die galvanische Trennung sorgt.

Oberhalb und unterhalb der in Fig. 4 gezeigten Anordnung befinden sich Metallteile in erfindungsgemäßen Abstand.

Fig. 5 zeigt ebenfalls einen u-förmig ausgeführten Leiter. Allerdings ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Bauteil zwischen den Schenkeln des Stromleiters vorhanden, das beispielsweise aus Ferrit gefertigt sein kann. Durch diese Maßnahme werden die beiden Schenkel des u-förmig ausgeführten Stromleiters magnetisch gegeneinander abgeschirmt, so daß der Proximityeffekt im Stromleiter und sein Einfluß auf das primäre Magnetfeld abgeschwächt wird.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem u-förmig ausgeführten Stromleiter, bei dem sich lediglich die Form des Primärleiterquerschnitts von Fig. 5 unterscheidet. Die erhebliche Veränderung des Verhältnisses zwischen Höhe und Breite der Primärleiterquerschnittsfläche zwischen Fig. 6 und 7 verändert in erster Linie die durch den Proximityeffekt hervorgerufene Ladungsträgerkonzentration an der Innenkante des u-förmigen Primärleiters. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist die Stromdichte an dieser Stelle größer, da die Fläche, die den Ladungsträgern an den Innenkanten des u-förmigen Leiters zur Verfügung steht, geringer ist. . Das beispielsweise aus Ferrit gefertigte Bauteil (8) sollte bei einer Vorrichtung gemäß den Fig. 5 und 6 in der Nähe der dem Magnetfeldmeßgerät (3) zugewandten Innenkante des u-förmigen Primärleiters (1) angebracht sein, um den Einfluß des Proximityeffektes auf das primäre Magnetfeld möglichst effektiv zu begrenzen.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch eine Meßanordnung, die den Magnetfeldgradienten zwischen zwei Leiterströmen mißt. Zu diesem Zweck ist das Magnetfeldmeßgerät beziehungsweise der magnetfeldempfindliche Bereich desselben (6) in diesem Ausführungsbeispiel zu beiden Leitern (1) gleich beabstandet. Im übrigen entsprechen die Details dieses Ausführungsbeispiels der Fig. 1. Lediglich auf die Darstellung gemäß der Erfindung optional einzubringender Metallteile wurde bei Figur verzichtet.

Fig. 8 zeigt das schon in Fig. 7 gezeigte Ausführungsbeispiel in der Aufsicht. Auf diese Weise ist zu sehen, daß die Leiterbahnbreite am Ort der Magnetfeldmessung variiert wurde, um die Stromverdrängung innerhalb der Leiter zu beeinflussen.

Die Veringerung des Abstandes zwischen den beiden Leitern dient ebenfalls zur Variation des Einflusses des Proximityeffektes auf das primäre Magnetfeld.

Bei allen anhand der Zeichnungen erläuterten Ausführungsformen werden die verschiedenen Teile der Vorrichtungen und ihr Abstand zueinander erfindungsgemäß so aufeinander abgestimmt, daß die beschriebenen Störeinflüsse minimiert werden. Auf die Darstellung runder, elliptischer, teilweise verrundeter oder mit speziellen Kanten versehener Metallteile oder Leiterquerschnitte wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.

Bezugszeichenliste

1

Stromleiter

2

Trägerplatte des Magnetfeldmeßgerätes

3

Magnetfeldmeßgerät beziehungsweise seine Bestandteile

4

verschiedene Metallteile

5

Kühlkörper

6

magnetfeldempfindliche Bereiche des Magnetfeldmeßgeräts

7

Trägersubstrat für die Leiterbahn

8

Bauteil insbesondere aus Ferrit zur gegenseitigen magnetischen Abschirmung der Schenkel des Primärleiters
n Zahl der Stromleiter (natürliche Zahl)
I_prim

Strom im Primärleiter
I_prim1

Strom in einem Primärleiter
I_prim2

Strom in einem weiteren Primärleiter
i_n

Stromstärken in den n Leitern

Claims

1. Verfahren zum potentialfreien Messen von Strömen durch die Aufzeichnung des von ihnen verursachten Magnetfeldes in n Stromleitern, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche und -form sowie die Materialauswahl der Primärleiter und ihr Abstand von geeigneten, gegebenenfalls speziell geformten, benachbarten Metallteilen oder Ferriten und den verwendeten magnetfeldempfindlichen Meßgeräten, insbesondere Sensoren, so aufeinander abgestimmt sind, daß sich die Einflüsse verschiedener elektrodynamischer Effekte - insbesondere der Induktion von Wirbelströmen in den benachbarten Metallteilen und der Stromverdrängungseffekte in den Primärleitern - auf den magnetischen Fluß am Ort der Magnetfeldmessung, zumindest in einem für die jeweilige Anwendung geeigneten Frequenzbereich gegenseitig weitgehend kompensieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Variation der Einflüsse der verschiedenen elektrodynamischen Effekte in der Nähe der Magnetfeldmessung Metalle zur Primar- und Wirbelstromführung verwendet werden, deren spezifische Leitfähigkeit eine gegenseitige Kompensation der Einflüsse der Stromverdrängungseffekte und der Wirbelströme auf das Magnetfeld erlaubt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,

a) daß bei rechteckigen oder bei abgerundeten Stromleiterquerschnittsflächen das Längenverhältnis der der Stromflußrichtung des benachbarten Leiters parallelen Kante zu der orthogonal dazu verlaufenden Primärleiterkante oder
b) daß bei ellipsenförmigen Primärleiterquerschnittsflächen das Längen verhältnis der beiden Halbachsen zueinander oder
c) daß bei vieleckigen Stromleiterquerschnittsflächen die Länge der dem benachbarten Stromleiter zugewandten Kanten gegenüber der Länge der ihm angewandten Kanten

so variiert wird, daß die Stromdichte an den den benachbarten Leitern zugewandten Primärleiterseiten und damit der Einfluß insbesondere des Proximityeffektes auf das primäre Magnetfeld erfindungsgemäß einge stellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärken (i_n) der Ströme in den n Leitern bestimmt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Meßwerte zur Detektion von Überstrom und/oder Fehlerstrom verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Meßwerte zur Ermittlung von Spannung, Arbeit oder Leistung oder mehrerer dieser Größen verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere, zum mechanischen Aufbau der Meßvorrichtung nicht unbedingt notwendige Metallteile verwendet werden, deren Zweck allein darin besteht, Wirbelströme zu führen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der oder gar alle benachbarten Metallteile bestromt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromverdrängungseffekte zumindest in einem Teil der Leiter verstärkt werden, indem diese u-förmig ausgeführt werden und die Gradienten zwischen den beiden Schenkeln der u-förmigen Leiter gemessen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Leiterströme, die in einer Vorrichtung gemessen werden, die gleiche Richtung haben.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von mehreren Leiterströmen, die in einer Vorrichtung gemessen werden, mindestens einer eine den anderen Leiterströmen entgegengesetzte Richtung hat.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Strommessung in n Leitern die Magnetfelder der einzelnen Leiterströme ausgewertet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Strommessung in n Leitern die Magnetfeldgradienten zwischen jeweils zwei der n Leiterströme ausgewertet werden und damit insbesondere in nullsystemfreien Stromsystemen die Leiterströme ermittelt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der n Leiter wenigstens teilweise mit Ferrit umgeben oder durch Ferrit von mindestens einem Leiter magnetisch abgeschirmt ist, wobei der Leiter gegebenenfalls gegen das Ferritbauteil geeignet isoliert ist.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß Sensoren, die auf der Basis eines magnetoresistiven Effektes funktionieren oder
b) daß Hallwandler mit sehr dünnen magnetfeldempfindlichen Schichten und /oder einer zylindrischen magnetfeldempfindlichen Schicht und/oder mit direkt in Mikrosystemtechnik aufgebrachten Flußkonzentratoren kleinen Volumens

mit magnetischer Feldkompensation verwendet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß Sensoren, die auf der Basis eines magnetoresistiven Effektes funktionieren oder
b) daß Hallwandler mit sehr dünnen magnetfeldempfindlichen Schichten und/oder einer zylindrischen magnetfeldempfindlichen Schicht und/oder mit direkt in Mikrosystemtechnik aufgebrachten Flußkonzentratoren kleinen Volumens

ohne magnetische Feldkompensation verwendet werden.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Leiterströme für regelungstechnische Aufgaben und/oder zur Fehlererkennung in leistungselektronischen Stellgliedern für elektrische Antriebe verwendet wird.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die n Magnetfeldmeßgeräte, die auch aus mehreren vorzugsweise symmetrisch zum Leiter angeordneten Sensoren bestehen können, sich jeweils in einem erfindungsgemäßen Abstand zu jeweils einem der n Stromleiter befinden und so ausgelegt sind, daß sie jeweils den Leiterstrom dieses am Ort der Messung gerade ausgeführten Leiters ermitteln.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die n Leiter und die zugehörigen n Magnetfeldmeßgeräte sich in einem erfindungsgemäßen Abstand zu gegebenenfalls geeignet geformten, gegebenenfalls bestromten benachbarten Metallteilen befinden, die insbesondere dann erfindungsgemäß in der Nähe der Magnetfeldmessung angebracht sind, wenn sie keinen anderen mechanischen, thermodynamischen oder elektrotechnischen Zweck erfüllen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die n Stromleiterquerschnitte am Ort oder in der Nähe der Magnetfeldmessung zur Variation des Einflusses der Stromverdrängungseffekte auf das primäre Magnetfeld gegebenenfalls speziell geformt und in ihrer Größe speziell variiert sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der n Stromleiter am Ort oder in der Nähe der Magnetfeldmessung zur Variation des Einflusses der Stromverdrängungseffekte auf das primäre Magnetfeld gegebenenfalls aus speziellen Metallen gefertigt ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Stromleiter in unmittelbarer Nachbarschaft eines oder wenigstens teilweise in einem Bauteil aus Ferrit mit einer hinreichenden Isolierung gegenüber dem Ferrit und/oder in einem hinreichenden Abstand zu dem Ferrit angeordnet ist.

23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Stromleiter in der Nähe der Magnetfeldmessung zur Verstärkung der Stromverdrängungseffekte u-för mig ausgeführt ist und die Magnetfeldmeßgeräte dieser u-förmigigen Leiter, die auch aus mehreren vorzugsweise symmetrisch zum Leiter angeordneten Sensoren bestehen können, sich jeweils in einem erfindungsgemäßen, vorzugsweise gleichen Abstand zu den Schenkeln jeweils eines der u-för migen Stromleiter befinden und so ausgelegt sind, daß sie den Magnetfeldgradienten zwischen den Schenkeln dieses Leiters messen und damit seinen Leiterstrom ermitteln.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter und die zugehörigen Magnetfeldmeßgeräte sich in einem erfindungsgemäßen Abstand zu gegebenenfalls geeignet geformten, gegebenenfalls bestromten benachbarten Metallteilen befinden, die insbesondere dann erfindungsgemäß in der Nähe der Magnetfeldmessung angebracht sind, wenn sie keinen anderen mechanischen, thermodynamischen oder elektrotechnischen Zweck erfüllen.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiterquerschnitte am Ort oder in der Nähe der Magnetfeldmessung zur Variation des Einflusses der Stromverdrängungseffekte auf die primären Magnetfeldgradienten gegebenenfalls speziell geformt und in ihrer Größe speziell variiert sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter am Ort der Magnetfeldmessung zur Variation des Einflusses der Stromverdrängungseffekte auf das primäre Magnetfeld gegebenenfalls aus speziellen Metallen gefertigt sind.

27. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Stromleiter in unmittelbarer Nachbarschaft eines oder wenigstens teilweise in einem Bauteil aus Ferrit mit einer hinreichenden Isolierung gegenüber dem Ferrit und/oder in einem hinreichenden Abstand zu dem Ferrit angeordnet ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schenkeln zumindest eines der u-förmig ausgeführten Stromleiter ein Bauteil aus Ferrit vorgesehen ist, dessen Zweck insbesondere in der magnetischen Abschirmung der Schenkel voneinander und in der damit verbundenen Schwächung des Proximityeffektes besteht.

29. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Magnetfeldmeßgerät, das auch aus mehreren vorzugsweise symmetrisch zu den Leitern angeordneten Sensoren bestehen kann, den Magnetfeldgradienten zwischen jeweils zwei der n Stromleiter mißt und demzufolge in einem erfindungsgemäßen, vorzugsweise gleichen Abstand zu diesen beiden Leitern befindet und damit insbesondere bei nullsystemfreien Drehstromsystemen die Leiterströme ermittelt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter und die zugehörigen Magnetfeldmeßgeräte sich in einem erfindungsgemäßen Abstand zu gegebenenfalls geeignet geformten, gegebenenfalls bestromten benachbarten Metallteilen befinden, die insbesondere dann erfindungsgemäß in der Nähe der Magnetfeldmessung angebracht werden, wenn sie keinen anderen mechanischen, thermodynamischen oder elektrotechnischen Zweck erfüllen.

31. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiterquerschnitte am Ort der Magnetfeldmessung zur Variation des Einflusses der Stromverdrängungseffekte auf die primären Magnetfeldgradienten gegebenenfalls speziell geformt und in ihrer Größe speziell variiert sind.

32. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter am Ort der Magnetfeldmessung zur Variation des Einflusses der Stromverdrängungseffekte auf das primäre Magnetfeld gegebenenfalls aus speziellen Metallen gefertigt sind.

33. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Stromleiter in unmittelbarer Nachbarschaft eines oder wenigstens teilweise in einem Bauteil aus Ferrit mit einer hinreichenden Isolierung gegenüber dem Ferrit und/oder in einem hinreichenden Abstand zu dem Ferrit angeordnet ist.

34. Vorrichtungen nach den Ansprüchen 18, 23 und 29 dadurch gekennzeichnet,

a) daß bei rechteckigen oder bei abgerundeten Stromleiter querschnittsflächen das Längenverhältnis der der Stromflußrichtung des benachbarten Leiters parallelen Kante zu der orthogonal dazu verlaufenden Primärleiterkante zueinander oder
b) daß bei ellipsenförmigen Primärleiterquerschnittsflächen das Längenverhältnis der beiden Halbachsen zueinander oder
c) daß bei vieleckigen Stromleiterquerschnittsflächen die Länge der dem benachbarten Stromleiter zugewandten Kanten gegenüber der Länge der ihm zugewandten Kanten

am Ort oder in der Nähe der Magnetfeldmessung so variiert wird, daß die Stromdichte an den den benachbarten Leitern zugewandten Primärleiter seiten und damit der Einfluß insbesondere des Proximityeffektes auf das primäre Magnetfeld erfindungsgemäß eingestellt wird.