DE202013010178U1

DE202013010178U1 - Stromerfassungsvorrichtung

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Publication number: DE202013010178U1
Application number: DE201320010178
Authority: DE
Original assignee: Seuffer GmbH and Co KG
Current assignee: Seuffer GmbH and Co KG
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-02-13
Anticipated expiration: 2023-11-12

Abstract

Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines durch einen Leiter (1) fließenden Stroms (Ig) durch Erfassen eines den Leiter umgebenden Magnetfelds, mit – einer Mehrzahl von auf einem Trägerteil (4) vorgesehenen Sensoren (31 bis 34) zur Erfassung des Magnetfelds, wobei – die Sensoren (31 bis 34) in einem vorbestimmten Bereich (S) des Leiters (1) in dessen Magnetfeld angeordnet sind, und wobei – die Mehrzahl der Sensoren zumindest vier Sensoren (31 bis 34) umfasst, die auf dem Trägerteil (4) in einer geraden Linie (L) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerfassungsvorrichtung, und insbesondere eine Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines in einem Leiter fließenden Stroms durch Erfassen des den Leiter umgebenen Magnetfelds mit einer verminderten Störungsempfindlichkeit.
Die Erfassung eines in einem Leiter fließenden Stroms kann in bekannter Weise mittels entsprechender Messeinrichtungen durchgeführt werden, wobei diese einen sogenannten Nebenschlusswiderstand (englisch: shunt) verwenden und die erfasste Spannung an diesem Widerstand ein Maß für den Strom bei einem bekannten Widerstandswert ist. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass für diese direkte Strommessung ein sehr genauer Widerstand eingesetzt werden muss, und dass eine galvanische Verbindung zwischen der Messeinrichtung und dem zu erfassenden Stromkreis besteht. Ferner treten an den Kontaktstellen des Nebenschlusswiderstands Übergangswiderstände auf, die infolge eines geringen Spannungsabfalls an dem niedrigen Widerstandwert des Nebenschlusswiderstands Messergebnisse verfälschen können.
Vorteilhaft ist demgegenüber die Anwendung einer berührungslosen und potentialfreien Messung mittels entsprechender für das Magnetfeld empfindlicher Sensoren, wie beispielsweise Hall-Sensoren. Gemäß dem bekannten Hall-Effekt tritt nach Anlegen einer Spannung in einem elektrischen Leiter ein Strom proportional zu einem auf den Sensor einwirkenden Magnetfeld (Feldintensität) auf. Es erfolgt somit eine Strommessung indirekt über die Erfassung der Stärke oder Intensität des Magnetfelds.
Die Druckschrift DE 102 43 645 A1 offenbart eine galvanisch getrennte und damit potenzialfreie Strommessung, wobei ein Hauptleiter in im Wesentlichen parallel angeordnete Leiterzweige aufgeteilt ist und in der Nähe der Leiterzweige ein oder mehrere Hall-Sensoren angebracht sind. Diese erfassen das Magnetfeld, das durch die Ströme in den Leiterzweigen hervorgerufen wird. Die Hall-Sensoren sind außerhalb der Leiterzweige und insbesondere oberhalb oder unterhalb der Leiterzweige angeordnet.
Des Weiteren offenbart die Druckschrift DE 197 41 417 ein Strommessgerät mit Hall-Sensoren, wobei in einer für mehrere Phasen eines Leistungsversorgungssystems an vorbestimmten Stellen in entsprechend geformten bandförmigen Leitern in einem gemeinsamen Gehäuse die Hall-Sensoren auf einer separaten Leiterplatte oder Platine angeordnet sind. Die Hall-Sensoren in Verbindung mit dieser Anordnung können das den jeweiligen Leiter umgebende Magnetfeld und somit den in dem jeweiligen leiterfließendem Strom nach einer entsprechenden Auswertung erfassen.
Schließlich offenbart die Druckschrift DE 10 2008 039 568 A1 eine Stromerfassungsvorrichtung, bei der eine Mehrzahl von magnetempfindlichen Sensoren (Sensorelemente) in der Nähe jeweiliger stromdurchflossener Leiter angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in 6 gezeigt.
Gemäß der Darstellung in 6 umfasst eine Leiteranordnung oder ein Leiter 1 in einem vorbestimmten Bereich zwei Leiterteile 11 und 12, wobei die Querschnittsfläche des Leiters 1 im einteiligen Bereich etwa der gesamten Querschnittsfläche der beiden Leiterteile 11 und 12 im aufgeteilten Bereich entspricht, sodass in dem Leiter 1 eine im Wesentlichen gleichmäßige Stromdichte bezüglich des Gesamtstroms Ig vorliegt. Der Gesamtstrom Ig teilt sich in die beiden Teilströme I1 und I2 auf, die infolge gleichartiger Querschnitte auch annähernd gleich sind.
In dem vorbestimmten Bereich der Ausbildung der beiden Leiterteile 11 und 12 wird ein Zwischenraum 2 gebildet, der vorzugsweise in Längsrichtung des Leiters 1 verläuft und mit einem annähernd gleichförmigen Abstand oder einer Höhe d ausgebildet ist. In den beiden Leiterteilen 11 und 12 des stromdurchflossenen Leiters 1 fließt somit der Strom in gleicher Richtung.
Zur Erfassung des Magnetfelds, das durch den Gesamtstrom Ig oder die beiden Teilströme I1 und I2 gebildet wird, sind im Bereich der beiden Leiterteile 11 und 12 zu beiden Seiten des Leiters 1 magnetfeldempfindliche Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren vorgesehen, die nachstehend als Sensorelemente 3 bezeichnet werden. In einer Schnittdarstellung gemäß 7 entsprechend der in 6 gezeigten Schnittlinie A-A ist die Anordnung der Sensorelemente 3 auf einem gemeinsamen Träger 4 veranschaulicht.
Ein durch die jeweiligen Teilströme I1 und I2 der beiden Leiterteile 11 und 12 hervorgerufenes Magnetfeld B (Induktion bzw. magnetische Flussdichte, vektorielle Größe) durchdringt die Sensorelemente 3 auf beiden Seiten der Leiterteile 11 und 12, sodass den Sensorelementen 3 entsprechend diesem Magnetfeld ein Ausgangssignal entnommen und verarbeitet werden kann. Die Sensorelemente 3 können mit dem gemeinsamen Träger 4 in den Zwischenraum 2 in einem Bereich S eingesetzt werden. Es können hierbei die Sensorelemente 3 auch auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat angeordnet sein, wobei entsprechende Anschlussleitungen der Sensorelemente 3 zu einer Auswertungseinrichtung zur Vereinfachung der Darstellung in den 6 und 7 weggelassen sind. Mit der beschriebenen Sensoranordnung sind diese gegenüber dem Potential des Leiters 1 oder der Leiterteile 11 und 12 isoliert. Es besteht daher keine galvanische Verbindung zu dem Leiter 1.
8 zeigt eine weitere Anordnung einer Stromerfassungsvorrichtung, bei der anstelle eines einfachen stabförmig ausgeführten Leiters 1 gemäß 6 der entsprechende Leiter 1 mehrfach gebogen ist, sodass er aus zwei U-förmigen Teilstücken mit einem gemeinsamen Leiterabschnitt besteht und jeweilige offene Seiten in entgegengesetzter Richtung entlang einer Längsausdehnung des Leiters (gestrichelte Linie R in 8) ausgerichtet sind. Es entstehen hierdurch zwei Leiterschleifen mit innerhalb der U-förmigen Teilstücke angeordneten Feldbereichen F. In den Feldbereichen F tritt ein verstärktes Magnetfeld auf infolge von Teilen des Leiters 1, die in entsprechender Weise von dem Gesamtstrom Ig durchflossen werden und in denen eine feldverstärkende Wirkung durch gleichsinnige Überlagerung der jeweiligen Magnetfelder der benachbarten Leiterteilstücke zum jeweiligen Feldbereich F. Gemäß 8 sind die jeweiligen Sensorelemente 3 in diesen Bereichen mit einem stärkeren Magnetfeld (d. h. mit größerer Induktion B) angeordnet.
Mit der gleichsinnigen Überlagerung der entsprechenden Magnetfelder der Ströme in den jeweils U-förmig ausgebildeten Leiterteilstücken tritt die verstärkende Wirkung des Magnetfelds in den Feldbereichen F auf, sodass mit der gewählten Anordnung auch kleinere Ströme mit schwächeren Magnetfeldern erfasst werden können.
Bei einer entsprechenden Auswertung der Ausgangssignale der beiden in 8 gezeigten Sensorelemente 3 ist grundsätzlich eine gute Stromerfassung möglich. Hierbei können in gleicher Weise wie in den 6 und 7 die Sensorelemente 3 auf den Träger 4 angeordnet sein, der seinerseits in den Zwischenraum 2 des Leiters 1 eingesetzt ist. Auch in 8 sind erforderliche Anschlussleitungen zu dem Träger 4 und den Sensorelementen 3 zu Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt.
Erfolgt mit den Anordnungen gemäß den 6 und 8 eine Erfassung des den betreffenden Leiter 1 umgebenden Magnetfelds zur Bestimmung des in dem Leiter 1 fließenden Storms, so kann das erfasste Magnetfeld infolge unvermeidbarer äußerer Einflüsse verändert werden, sodass in Verbindung mit von außen einwirkenden Magnetfeldern oder von außen bestehenden Störungen des Magnetfelds die Messung verfälscht werden kann. Insbesondere bei geringen Strömen können diese nicht mit der erforderlichen Genauigkeit und Verlässlichkeit gemessen werden.
9 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung die Einflüsse von außen einwirkender Störungen. Ein in der Nähe der Stromerfassungsvorrichtung (Messanordnung) vorbeiführender elektrischer Leiter L mit dem Storm I umfasst in bekannter Weise das durch die magnetische Induktion B dargestellte Magnetfeld, das in Abhängigkeit von den Abstandsbedingungen ebenfalls auf die Sensorelemente 3 der Stromerfassungsvorrichtung einwirken kann. Dies gilt in gleicher Weise für das Magnetfeld eines Permanentmagneten P oder auch eines in ähnlicher Weise aufgebauten Elektromagneten, der sich in der Nähe der Stromerfassungsvorrichtung und somit der Sensoren 3 befindet. Auch in diesem Fall können die Sensoren 3 in gleichartiger oder unterschiedlicher Weise in Abhängigkeit von den Abstandbedingungen von dem Magnetfeld beispielsweise des Permanentmagneten P durchdrungen werden, sodass auch dieses Magnetfeld die Messung beeinflussen kann.
Darüberhinaus besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass nicht-magnetisierte jedoch magnetische Materialien, wie beispielsweise Eisenwerkstoffe, in der Nähe der Stromerfassungsvorrichtung angeordnet sind, sodass diese mit dem Magnetfeld des Leiters 1 verkettet sind und dieses Magnetfeld beeinflussen. Das beeinflusste Magnetfeld kann zu einer ungenauen oder fehlerhafter Messung und damit einer ungenauen Erfassung des Stroms Ig führen.
Die schematische Darstellung in 9 dient lediglich zur Veranschaulichung der möglichen Einflüsse, wobei auch in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen der Messeinrichtung mehrere Einflüsse gleichzeitig und auch in wechselnder Stärke einwirken können. Auch können sich die verschiedenen Störquellen relativ zur Stromerfassungsvorrichtung bewegen, so dass auch wechselnde Störungen auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu Grunde, eine Stromerfassungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass magnetfeldempfindliche Sensoren auf einfache Weise ein um einen stromdurchflossenen Leiter gebildetes Magnetfeld erfassen können, wobei die Empfindlichkeit der Messanordnung gegenüber äußeren Störeinflüssen erheblich vermindert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Stromerfassungsvorrichtung mit den in den beigefügten Schutzansprüchen angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung betrifft eine Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden Stroms durch Erfassen eines den Leiter umgebenden Magnetfelds, mit einer Mehrzahl von auf einem Trägerteil vorgesehenen Sensoren zur Erfassung des Magnetfelds, wobei die Sensoren in einem vorbestimmten Bereich des Leiters in dessen Magnetfeld angeordnet sind, und wobei die Mehrzahl der Sensoren zumindest vier Sensoren umfasst, die auf dem Trägerteil in einer geraden Linie angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden Stroms durch Erfassen des den Leiter umgebenen Magnetfelds umfasst die Anordnung der Sensorelemente, sodass einerseits eine sehr genaue Stromerfassung gewährleistet ist und andererseits eine erheblich verminderte Empfindlichkeit bezüglich auf das Messergebnis einwirkender äußerer Magnetfelder oder weiterer Störungen besteht. In Verbindung mit der Auswertung kann der Einfluss äußerer Magnetfelder oder entsprechender Verzerrungen des Magnetfelds des zu überprüfenden Leiters kompensiert werden. Es ergibt sich somit ein genaueres Messergebnis insbesondere bei kleinen Strömen, sodass eine verlässliche und störungsarme Erfassung des Magnetfelds gewährleistet ist und daraus ein genauer Wert des durch den Leiter fließenden Stroms bestimmt werden kann. Aufwendige Abschirmungsmaßnahmen zur Vermeidung externen Felder oder einer externen Beeinflussung des Magnetfelds des stromdurchflossenen Leiters können entfallen, wodurch eine Vereinfachung und speziell eine Verkleinerung der gesamten Anordnung möglich ist.
Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Unteransprüchen angegeben.
Der Leiter kann in dem vorbestimmten Bereich mehrere Leiterteile aufweisen, die gleichsinnig von dem zu messenden Strom durchflossen und um einen vorbestimmten Abstand zueinander beabstandet sind und einen Zwischenraum bilden, und es kann das Trägerteil derart in den Zwischenraum eingesetzt werden, dass die zumindest vier Sensoren außerhalb des Zwischenraums benachbart zu diesem in dem Magnetfeld des Leiters angeordnet sind, und jeweils auf einer Seite des Leiters zwei der vier Sensoren angeordnet sind.
Das Trägerteil kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein, und jedes Trägerteil kann zumindest einen der vier Sensoren tragen. Es kann ferner das Trägerteil zweiteilig ausgeführt sein, und es können die jeweiligen Teile des Trägerteils auf unterschiedlichen Seiten des Leiters angeordnet sein und eine gleiche oder unterschiedliche Anzahl von Sensoren tragen.
Der Leiter kann eine Leiterachse in Richtung seiner Längsausdehnung aufweisen, und es kann die gerade Linie rechtwinklig auf der Leiterachse oder in einem vom rechten Winkel abweichenden Winkel zur Leiterachse angeordnet sein. Die Abstände der Sensoren zueinander entlang der geraden Linie können gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein.
Die Sensorvorrichtung kann eine Steuerungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist zur Bestimmung des durch den Leiter fließenden Stroms auf der Basis von jeweiligen Erfassungssignalen der Sensoren sowie der jeweiligen Position der Sensoren entlang der geraden Linie.
Die mehreren Leiterteile können in dem vorbestimmten Bereich zwei U-förmige Ausbildungen aufweisen mit drei im Wesentlichen parallelen Leiterteilstücken mit einem mittleren gemeinsamen Leiterteilstück, durch welche zumindest zwei Feldbereiche zwischen den Leiterteilstücken gebildet werden, deren offene Seiten jeweils in entgegengesetzter Richtung entlang der Leiterachse des Leiters ausgerichtet sind, und wobei in jedem Feldbereich zumindest ein Sensor angeordnet sein kann.
In jedem der Feldbereiche kann jeweils einer der Sensoren angeordnet sein, und es können die weiteren Sensoren entlang des Verlaufs der geraden Linie außerhalb des Leiters benachbart zu diesem angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1A eine perspektivische Darstellung eines Teilstücks einer Leiteranordnung mit zugehörigen Sensorelementen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und 1B die Schnittansicht dieser Leiteranordnung entlang einer Schnittlinie X-X,
2 eine perspektivische Ansicht auf eine Leiteranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3 eine Draufsicht auf die Leiteranordnung gemäß 2 in Verbindung mit einer Sensoranordnung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
4A eine Draufsicht auf die Leiteranordnung gemäß 1A, und 4B eine grafische Darstellung einer Kennlinie des Verlaufs des magnetischen Felds um den Leiter gemäß 4A in Verbindung mit der Sensoranordnung,
5A zeigt in einer schematischen Draufsicht eine weitere Anordnung der Sensorvorrichtung mit ungleichförmiger Sensoranordnung,
5B zeigt in einer schematischen Draufsicht eine weitere Anordnung der Sensorvorrichtung mit einer unsymmetrischen Sensoranordnung und einem geneigten mehrteiligen Trägerteil,
6 eine perspektivische Darstellung eines Teilstücks einer Leiteranordnung gemäß dem Stand der Technik mit zugehörigen Sensorelementen,
7 eine Schnittansicht der bekannten Leiteranordnung gemäß 6 entlang einer Schnittlinie A-A,
8 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Leiteranordnung mit zugehörigen Sensorelementen entsprechend einer weiteren bekannten Ausführung, und
9 eine Draufsicht auf die Leiteranordnung gemäß 8 mit schematisch angedeuteten äußeren Einflüssen des Magnetfelds des stromdurchflossenen Leiters oder durch fremde Magnetfelder.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Erstes Ausführungsbeispiel
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den 1A und 1B in Zusammenhang mit einer Leiteranordnung der Stromerfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
1A zeigt eine Leiteranordnung einer Stromerfassungsvorrichtung mit einem Leiter 1, in welchem entsprechend der Darstellung in 1A von rechts nach links ein Gesamtstrom bzw. Strom Ig fließt. Mit der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung soll die Größe des Stroms Ig als Gesamtstrom der Leiteranordnung bzw. des Leiters 1 erfasst werden.
Der Leiter 1 ist in einem vorbestimmten Abschnitt oder Bereich S zweiteilig ausgeführt, wobei ein erster Leiterteil 11 und ein zweiter Leiterteil 12 gebildet werden, die zueinander im Wesentlichen parallel geführt sind. Zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 befindet sich ein Spalt oder Zwischenraum 2, der vorzugsweise in Längsrichtung des Leiters 1 verläuft und eine gleichförmige Höhe d aufweist. Die beiden hierdurch gebildeten Leiterteile 11 und 12 nehmen jeweils Teilströme des gesamten Stroms Ig auf. Es können bei den beiden Leiterteilen 11 und 12 die stromdurchflossenen Querschnittsflächen gleich oder auch unterschiedlich sein. Bei der vorliegenden Darstellung wird zur Vereinfachung derselben von einer annähernd gleichen stromdurchflossenen Querschnittsfläche in beiden Leiterteilen 11 und 12 ausgegangen, sodass gebildete Teilströme I1 und I2 des jeweiligen ersten und zweiten Leiterteils 11 und 12 annähernd gleich sind. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung wird nicht beeinflusst, wenn die stromdurchflossenen Querschnittsflächen der beiden Leiterteile 11 und 12 nicht gleich groß sind und damit ungleiche Teilströme I1 und I2 gebildet werden.
1B zeigt eine Schnittdarstellung entsprechend der Schnittlinie X-X von 1A, wobei die beiden Teilströme I1 und I2 infolge der Leiteranordnung gleichsinnige Stromrichtung in den beiden Leiterteilen 11 und 12 aufweisen. In 1B ist das durch jeden der beiden Teilströme I1 und I2 hervorgerufene Magnetfeld durch den Teil einer Feldlinie der Induktion B (vektorielle Größe) schematisch angedeutet. Es wird somit im Einzelnen durch die Messung bzw. Erfassung der Stärke oder Intensität des Magnetfelds (Wirbelfeld) in der Auswertung des Erfassungsergebnisses ein dieses Magnetfeld hervorrufender Strom bestimmt.
Zur Erfassung des Magnetfelds (bzw. der Intensität des Magnetfelds) der beiden Teilströme I1 und I2 sind magnetempfindliche Sensorelemente, beispielsweise Hall-Sensoren vorgesehen, wobei mehrere als Sensoren bezeichnete Sensorelemente vorgesehen sind und in ihrer Gesamtheit als Sensoranordnung 3 bezeichnet werden. Gemäß den 1A und 1B sind beispielsweise vier einzelne Sensoren vorgesehen, sodass die Sensoranordnung 3 aus einem ersten Sensor 31, einen zweiten Sensor 32, einem dritten Sensor 33 und einem vierten Sensor 34 besteht. Die Sensoren 31 bis 34 bzw. die Sensoranordnung 3 ist auf einem gemeinsamen Trägerteil 4 ausgebildet, sodass die Möglichkeit besteht, die Sensoranordnung 3 in Verbindung mit dem Trägerteil 4 modular aufzubauen. Die gesamte Anordnung des Trägerteils 4 mit der Sensoranordnung 3 kann als eine Baugruppe in den Zwischenraum 2 zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 eingesetzt werden. Wird die gesamte Baugruppe in den Leiter 1 und insbesondere in den Zwischenraum 2 eingesetzt, dann ergibt sich der in den 1A und 1B dargestellte Aufbau der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel.
Das Trägerteil 4 dient einerseits zum Tragen und Befestigen der Sensoren 31 bis 34 und andererseits in Verbindung mit dem modularen Aufbau als Baugruppe zum exakten Positionieren der Sensoren 31 bis 34 in unmittelbarer Nähe zu den Leiterteilen 11 und 12 mit einer vorbestimmten Lage hierzu. Es kann die Höhe d des Zwischenraums 2 in dem Leiter 1 derart gewählt werden, dass sie nur geringfügig größer ist als die Dicke des Trägerteils 4 einschließlich der Sensoren 31 bis 34, sodass einerseits ein sicherer Sitz des Trägerteils 4 in dem Leiter 1 gewährleistet ist und andererseits die an dem Trägerteil 4 angeordneten Sensoren 31 bis 34 unmittelbar benachbart zu den jeweiligen Leiterteilen 11 und 12 angeordnet werden können. In der in den 1A und 1B gezeigten Anordnung sind die jeweiligen Sensoren 31 bis 34 außerhalb des Zwischenraums 2 zwischen den Leiterteilen 11 und 12 angeordnet.
Entsprechend dem Verlauf des magnetischen Felds außerhalb der Leiterteile 11 und 12 infolge der Teilströme I1 und I2 sind die Sensoren 31 bis 34 in einem Bereich eines starken Magnetfelds angeordnet, sodass auch bei einem kleinen Gesamtstrom Ig in dem Leiter 1 eine ausreichende und sichere Erfassung dieses Stroms durch die hohe Messempfindlichkeit der Anordnung gewährleistet ist. Aus dem gesamten Leiterquerschnitt (stromdurchflossener Querschnitt) des Leiters 1 wurden somit 2 vorzugsweise aber nicht zwingend gleich große Leiterteile 11 und 12 gebildet, sodass einerseits eine Aufteilung des Gesamtstroms Ig erreicht wird, und andererseits zwischen die mit einem Zwischenraum 2 im Abstand d beabstandeten Leiterteile 11 und 12 das Trägerteil 4 mit den Sensoren 31 bis 34 eingesetzt werden kann, wobei gleichzeitig eine genaue und optimierte Positionierung der Sensoren 31 bis 34 in dem gesamten Magnetfeld der Teilströme I1 und I2 gewährleistet ist.
Zur besseren Handhabung der Sensoren 31 bis 34 können diese gemeinsam auf einem Chip oder Substrat angeordnet sein, das seinerseits auf dem Trägerteil 4 angeordnet ist. Neben einer derartigen Anordnung der Sensoren 31 bis 34 auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat können auch weitere elektronische Bauelemente und Schaltungsteile angeordnet werden, mittels denen zumindest eine Vorbearbeitung der Ausgangssignale oder Erfassungssignale der Sensoren 31 bis 34 und damit eine erleichterte Auswertung erfolgen kann. Die Sensoren 31 bis 34 und die weiteren möglichen elektronischen Bauelemente und Schaltungsteile sind dabei auf dem Substrat integriert angeordnet. Die erforderlichen Verbindungsleitungen zu den einzelnen Sensoren der Sensoranordnung 3 sind zur Vereinfachung der Darstellung in den 1A und 1B sowie auch in den weiteren Figuren weggelassen. Es können die einzelnen Sensoren 31 bis 34 einzeln angesteuert werden, sodass individuelle Sensorausgangssignale als Erfassungssignale zeitlich unabhängig voneinander gewonnen werden können. Es können auch die Sensoren 31 bis 34 gleichzeitig oder in vorbestimmten Gruppen angesteuert werden, so dass mit einer vorbestimmten zeitlichen Abfolge die Ausgangs- oder Erfassungssignale erhalten werden. Ferner kann das Trägerteil 4 in den Zwischenraum 2 zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 derart eingesetzt werden, dass beispielsweise eine Längskante des Trägerteils mit einer Richtung der Längsausdehnung des Leiters 1 in einen vorbestimmten Winkel ausgerichtet ist. Dies wird nachstehend im Einzelnen noch beschrieben.
Die Sensoren 31 bis 34 auf dem Trägerteil 4 weisen somit bezüglich des Potenzials des Leiters 1 oder eines der Leiterteile 11 und 12 eine galvanische Trennung auf. Eine Verbindung zu den elektrischen Werten des Leiters 1 besteht lediglich in der Verkettung mit dem Magnetfeld des Gesamtstroms Ig oder den Teilströmen I1 und I2.
Wie es in den 1A und 1B erkennbar ist, sind die Sensoren 31 bis 34 der Sensoranordnung 3 auf dem Trägerteil 4 in einer Linie (zueinander fluchtend) angeordnet. Hierbei bedeutet die Anordnung in einer Linie, dass ein gedachter Mittelpunkt jedes Sensors 31 bis 34 auf einer Geraden liegt, und somit die einzelnen Sensoren 31 bis 34 entlang dieser Gerade angeordnet sind. Der gedachte Mittelpunkt eines Sensors 31 bis 34 sei ein gedachtes Zentrum der sensitiven Fläche des jeweiligen Sensors 31 bis 34. Die Sensoren 31 bis 34 weisen ebenfalls zueinander entlang der Geraden, die nachstehend auch als Sensorlinie L bezeichnet wird, einen vorbestimmten Abstand zueinander auf. Hierbei kann der Abstand zwischen den jeweiligen Sensorelementen gleich sein, oder er kann unterschiedlich ausgeführt sein. Die Sensorlinie L ist in den 1A und 1B angegeben.
Mit der Sensoranordnung 3 der Sensoren 31 bis 34 in einer Reihe bzw. entlang der Sensorlinie L besteht die Möglichkeit, eine zu einer fehlerhaften oder ungenauen Erfassung führende Beeinflussung des Magnetfelds des stromdurchflossenen Leiters 1 von außen sowie durch Magnetfelder weiterer stromdurchflossener Leiter oder von Permanentmagneten durch eine entsprechende Auswertung zu vermeiden oder derartige Einflüsse zumindest erheblich zu vermindern, sodass die gewünschte genaue Erfassung des Magnetfelds und damit des Stroms Ig im Leiter 1 gewährleistet ist. In Verbindung mit der speziellen geometrischen Anordnung der in den 1A und 1B gezeigten vier Sensoren 31 bis 34 in einer Anordnung entlang der Sensorlinie L können die unerwünschten äußeren Einflüsse auf die Magnetfelderfassung in Verbindung mit einer entsprechenden Auswertung mittels eines Algorithmus kompensiert werden.
In 1A nimmt das Trägerteil 4 zur Aufnahme der Sensoranordnung 3 (d. h. der einzelnen Sensoren 31 bis 34) nicht den gesamten durch den Zwischenraum 2 gebildeten Raum zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 ein. Das Trägerteil kann sich jedoch auch über den gesamten Zwischenraum 2 in dem vorbestimmten Bereich S erstrecken, und es kann somit der Zwischenraum 2 bezüglich des vorbestimmten Bereichs S (entsprechend der Länge des Zwischenraums 2 entlang der Ausdehnung des Leiters 1) an die Abmessungen des Trägerteils 4 angepasst werden.
Es ist ferner zu beachten, dass die Darstellung in den 1A und 1B lediglich vereinfacht und schematisch ist und dass die vorliegende Erfindung auf die dargestellten Abmessungen und Proportionen nicht beschränkt ist.
Zweites Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 wird nachstehend die Stromerfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gleiche oder gleichartige Teile in der Darstellung erhalten zur Vereinfachung gleiche Bezugszeichen, wie sie in den 1A und 1B verwendet werden.
2 zeigt in perspektivischer Ansicht und 3 in der Draufsicht einen Leiter 1 mit einer größeren Ausdehnung, wobei der Leiter 1 in dem lediglich dargestellten und interessierenden Bereich zur Magnetfeld- bzw. Stromerfassung eine Leiterschleife in vorbestimmter Weise bildet. Der zur Vereinfachung der Darstellung im wesentlichen stabförmige Leiter 1 ist in analoger Weise, wie es in 1A gezeigt ist, in einem vorbestimmten Bereich S zweiteilig ausgeführt, sodass ein Gesamtstrom Ig des Leiters 1 in zwei vorzugsweise aber nicht zwingend gleich große Ströme aufgeteilt wird. In dem vorbestimmten Bereich S wird der gesamte Leiter 1 aus einem ersten Leiterteil 11 und einem zweiten Leiterteil 12 gebildet, wobei zwischen beiden Leiterteilen 11 und 12 innerhalb des vorbestimmten Bereichs S ein Zwischenraum 2 gebildet wird. In dem vorbestimmten Bereich S der Schleife des Leiters 1 ist der Zwischenraum 2 zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 derart angeordnet, dass sich die Öffnung des Zwischenraums 2 in Breite und Höhe d durch sämtliche Leiterteile 11 und 12 erstreckt. In der Darstellung in 2 ist der erste Leiterteil 11 oberhalb des Zwischenraums 2 und der zweite Leiterteil 12 unterhalb des Zwischenraums 2 angeordnet.
Zur Bildung einer Leiterschleife ist die Anordnung des Leiters 1 insbesondere in dem vorbestimmten Bereich S derart ausgeführt, dass zwei große U-förmige Teilstücke mit einem gemeinsamen mittleren Leiterabschnitt entstehen und wobei deren offene Seiten jeweils in entgegengesetzter Richtung entlang einer Längsausdehnung des Leiters 1 in Form einer Leiterachse R ausgerichtet sind. Diese Anordnung ist ebenfalls in der Draufsicht der 3 erkennbar.
Entsprechend der Darstellung in den 2 und 3 geht in einer Anordnung von links nach rechts der zuerst einstückige Leiter 1 in die beiden Leiterteile 11 und 12 im vorbestimmten Bereich S über, wobei ein erstes Leiterteilstück 5 zusammen mit einem zweiten Leiterteilstück 6 in der Mitte der jeweiligen Darstellungen gebildet werden. Das zweite Leiterteilstück 6 stellt den gemeinsamen Schenkel dar, und das zweite U-förmige Teilstück der Leiterschleife wird durch das zweite Leiterteilstück 6 und ein drittes Leiterteilstück 7 auf der rechten Seite in den 2 und 3 in Verbindung mit dem ersten Leiterteil 11 (oben) und dem zweiten Leiterteil 12 (unten) gebildet. Die beiden Leiterteile 11 und 12 bilden somit übereinanderliegend in dem vorbestimmten Bereich S und um den Abstand d zueinander beabstandet die jeweiligen U-förmigen Teilstücke.
Wie es aus den 2 und 3 erkennbar ist, kann die Anordnung des Leiters 1 mit den beiden U-förmigen Teilstücken vorzugsweise im Wesentlichen punktsymmetrisch zu einer Mitte des zweiten (mittleren) Leiterteilstücks 6 ausgebildet und bezüglich des Zwischenraums 2 im vorbestimmten Bereich S spiegelbildlich ausgeführt sein, sodass in dem vorbestimmten Bereich S zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 der Zwischenraum 2 vollständig ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf die punktsymmetrische Anordnung der U-förmigen Teilstücke nicht beschränkt, vielmehr können die U-förmigen Teilstücke auch ungleich bzw. unsymmetrisch ausgebildet sein, da dies das Erfassungsergebnis allenfalls in vernachlässigbarer Weise beeinflusst.
Ferner sind die U-förmigen Teilstücke gemäß den 2 und 3 derart ausgebildet, dass die Leiterteilstücke 5 und 7 im Wesentlichen parallel geführt sind. Es kann dies eine bevorzugte (symmetrische) Anordnung des Leiters 1 sein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf diese Anordnung nicht beschränkt. Vielmehr können die Leiterteilstücke 5 und 7 mit dem (mittleren) Leiterteilstück 6 derart verbunden sein, dass sich keine parallelen Leiterteilstücke 5 und 7 ergeben, sondern eine unsymmetrische Anordnung mit vorbestimmten (auch ungleichen) Winkeln gebildet wird.
Innerhalb eines jeweiligen U-förmigen Teilstücks der in den 2 und 3 dargestellten Leiterschleife sind freie Räume ausgebildet, die auch als ein erster und zweiter Feldbereich 8 und 9 bezeichnet werden. Die Feldbereiche 8 und 9 sind in der Draufsicht von 3 erkennbar. In den jeweiligen Feldbereichen 8 und 9 besteht entsprechend dem Feldverlauf durch die jeweiligen Teilströme in den einzelnen Leiterleiten 11 und 12 sowie auch durch die U-förmige Ausbildung der Leiterschleife ein Raum mit einer erhöhten Intensität des Magnetfelds, sodass in diesem Bereich Sensorelemente zur Erfassung der Intensität des Magnetfeld angeordnet werden.
Im Einzelnen zeigt hierzu 3 die Anordnung eines Trägerteils 4, das in den Zwischenraum 2 im vorbestimmten Bereich S zwischen die beiden Leiterteile 11 und 12 eingesetzt ist. In gleichartiger Weise wie es in den 1A und 1B gezeigt ist, weist das Trägerteil 4 eine Sensoranordnung 3 auf, die aus beispielsweise 4 Sensoren 31 bis 34 besteht und wobei im vorliegenden Fall innerhalb der Feldbereiche 8 und 9 die Sensoren 32 und 31 (zweiter und erster Sensor) angeordnet sind. Mittels der beiden Sensoren 31 (Feldbereich 9) und 32 (Feldbereich 8) wird das Magnetfeld in diesem Raum erfasst.
Gemäß 3 sind zwei weitere Sensoren in Form eines dritten und eines vierten Sensors 33 und 34 vorgesehen, die ebenfalls vorzugsweise auf dem Trägerteil 4 angeordnet und zusammen mit dem ersten und zweiten Sensor 31 und 32 in einer Linie angeordnet sind. Somit sind die vier Sensoren 31 bis 34 mit einem gedachten Mittelpunkt Ihrer jeweiligen räumlichen Ausdehnung entlang der in 3 gezeigten Sensorlinie L angeordnet. Die Anordnung ist gemäß der Darstellung in 3 in der Weise gewählt, dass der erste und zweite Sensor 31 und 32 in den beiden Feldbereichen 8 und 9 mit einem verstärkten Magnetfeld liegen, und die beiden weiteren Sensoren 33 und 34 jeweils außerhalb der beiden U-förmigen Ausbildungen der Leiterteile 11 und 12 angeordnet sind. Es sollen des Weiteren bei der vorstehend angegebenen auch unsymmetrischen Anordnung mit nicht parallelen Leiterteilstücken 5 und 7 die Feldbereiche 8 und 9 zwischen den Leiterteilstücken derart ausgebildet sein, dass bei eingesetzter Sensoranordnung 3 entsprechende Sensoren (beispielsweise die Sensoren 31 und 32) in den Feldbereichen 8 und 9 angeordnet sind.
Mit der Ausbildung des Zwischenraums 2 in sämtlichen Teilen des Leiters 1 in dem vorbestimmten Bereich S kann der vorzugsweise gemeinsame Trägerteil 4 für die Sensoranordnung 3 in den Zwischenraum 2 eingesetzt und innerhalb des Zwischenraums 2 in entsprechender Weise ausgerichtet werden. In der beispielhaften Anordnung gemäß 3 weist die Sensorlinie L einen vorbestimmten Winkel zur Leiterachse R auf, der nicht 90° beträgt. Entsprechend einer Ausbildung der beiden Feldbereiche 8 und 9 innerhalb der beiden U-förmigen Ausbildungen der Leiterteile 11 und 12 ist es jedoch möglich, bei gleicher Wirkung der vorliegenden Erfindung das Trägerteil 4 mit der Sensoranordnung 3 derart in den Zwischenraum 2 einzusetzen, dass die Sensorlinie L und die Leiterachse R einen Winkel von etwa 90° bilden. Die Wirkung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht von einer derartigen Winkelanordnung abhängig. Vielmehr können weitere Winkel der Sensorlinie L zur Leiterachse R gewählt werden, sofern die Sensoranordnung die Sensoren entlang der Sensorlinie L aufweist. In jedem Fall besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit von den Dimensionen der U-förmigen Ausbildungen der Leiterteile 11 und 12 und somit auch der beiden Feldbereiche 8 und 9 eine optimierte Positionierung der Sensoranordnung 3 in Verbindung mit dem Positionieren des Trägerteils 4 vorzunehmen.
Die gesamte Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und der Darstellung in den 2 und 3 weist die gleichen Vorteile auf wie die Anordnung gemäß den 1A und 1B, wobei in Verbindung mit den beiden U-förmigen Ausbildungen der Leiterteile 11 und 12 und der Bildung von zwei entsprechenden Feldbereichen 8 und 9 Bereiche um den Leiter 1 gebildet werden mit einem erhöhten Magnetfeld, sodass auch bei einem geringen Wert des Stroms Ig eine zuverlässige Erfassung des Magnetfelds (Intensität) und damit des zu erfassenden Stroms gewährleistet ist.
Mit der linienförmigen Anordnung der Sensoren 31 bis 34 innerhalb des Magnetfelds des zu erfassenden Leiterstroms (Strom Ig) entlang der Sensorlinie L besteht ebenfalls die Möglichkeit, einerseits eine sehr genaue Messung durchzuführen und andererseits den Einfluss von nicht vermeidbaren äußeren Störungen oder Störfeldern zu vermeiden oder in erheblichem Umfang zu vermindern. In Verbindung mit einer Auswertung entsprechend eines vorbestimmten Algorithmus kann die Auswertung in der Weise erfolgen, dass der Einfluss von Störfeldern vermindert oder beseitigt wird.
Die Ausgestaltung der Stromerfassungsvorrichtung gemäß der Darstellung in 3 ist ferner optimiert im Hinblick auf einerseits die Feldkonzentration und Feldverstärkung des Magnetfelds in den Feldbereichen 8 und 9, sowie ferner im Hinblick auf die Stromtragfähigkeit der gesamten Anordnung des Leiters 1, und insbesondere im zweiten mittleren und bezüglich der zweifachen U-förmigen Ausgestaltung gemeinsamen Leiterteilstück 6 der jeweiligen ersten und zweiten Leiterteile 11 und 12. Das zweite Leiterteilstück 6 ist zur im wesentlichen Aufrechterhaltung der ursprünglichen Stromdichte der ersten und dritten Leiterteilstücke 5 und 7 in seiner Querschnittsfläche vergrößert, sodass die Stromtragfähigkeit verbessert und der Einfluss einer Widerstanderhöhung vermindert wird. In-folge der Ausbildung etwa gleichartiger Stromdichten in den verschiedenen Bereichen des Leiters 1 wird der Ausbildung eines Wärmepols im vorbestimmten Bereich S auch bei einer geringfügigen Erhöhung des Widerstands der Leiterteile 11 und 12 (in dem gemeinsamen Leiterteilstück 6) entgegengewirkt.
Weitere Aspekte der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die 4A und 4B werden weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4A zeigt eine zu der Anordnung gemäß den 1A und 1B gleichartige Anordnung, bei der in dem Leiter 1 der Zwischenraum 2 in dem vorbestimmten Bereich S gebildet ist. Auf dem Trägerteil 4 als gemeinsamer Träger ist die Sensoranordnung 3 in Verbindung mit den vier Sensoren 31 bis 34 vorgesehen, und es sind die Sensoren 31 bis 34 in einer geraden Linie entsprechend der Sensorlinie L angeordnet. Die Sensorlinie L ist nicht notwendigerweise symmetrisch zu der Ausbildung des Trägerteils 4, sondern es sind lediglich die einzelnen Sensoren 31 bis 34 entlang der Sensorlinie L und damit in einer Reihe angeordnet. Der Leiterteil 4 ist derart in den Zwischenraum 2 eingesetzt, dass der erste und zweite Sensor 31 und 32 jeweils außerhalb des Zwischenraums unmittelbar benachbart zu dem Leiter 1 angeordnet sind, und die weiteren Sensoren in Form des dritten und vierten Sensors 33 und 34 jeweils im wesentlichen symmetrisch zu dem Leiter 1 beabstandet sind. Hierbei kann die Sensorlinie L rechtwinklig zu der Leiterachse R angeordnet sein, oder auch einen anderen vorbestimmten und von 90° abweichenden Winkel (beispielsweise der Winkel α gemäß 5B) bilden. Die grundlegende Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung ist von dem Winkel zwischen der Sensorlinie L und der Leiterachse R unabhängig.
4B zeigt in Form einer Kennlinie K die um den Leiter 1 bestehende Feldverteilung, sowie im Hinblick auf die geometrische Anordnung der einzelnen Sensoren 31 bis 34 in der Kennlinie K die jeweilige Position der Sensoren. Das um den Leiter 1 gebildete und zu erfassende Magnetfeld ist von Strom Ig sowie von dem Abstand zum Leiter 1 abhängig. Es ist dabei erkennbar, dass die näher an dem Leiter 1 liegenden Sensoren 31 und 32 eine höhere Feldintensität (eine höhere Magnetische Induktion B) erfassen, während die bezüglich des Leiters 1 weiter beabstandete Sensoren 33 und 34 eine geringere Feldintensität erfassen. Jeweilige Erfassungssignale der Sensoren 31 bis 34 werden in einer Steuerungseinrichtung 20 unter weitere Berücksichtigung der vorliegenden geometrischen Bedingungen (Positionen der Sensoren entlang der Sensorlinie L relative zum Leiter 1) verarbeitet. Die jeweiligen Erfassungssignale stehen in Beziehung zur Position der entsprechenden Sensoren 31 bis 34, da die Sensoren an die an ihrer jeweiligen Position herrschende Magnetfeldstärke erfassen.
In 4A ist ein kartesisches Achsensystem mit einer x-Achse, einer y-Achse und einer z-Achse eingezeichnet, wobei der Leiter 1 zur Vereinfachung der Darstellung mit seiner Leiterachse R in Richtung der x-Achse verläuft, während die Sensoranordnung 3 mit den einzelnen Sensoren 31 bis 34 in Verbindung mit der Sensorlinie L entlang der x-Achse ausgerichtet ist. Hierzu senkrecht steht die z-Achse. Die Erfindung ist nicht darauf festgelegt, dass die Sensorlinie L und die Leiterachse R aufeinander senkrecht stehen.
Die interessierende Verteilung des Magnetfelds (Induktion B, vektorielle Größe) gemäß 4B verläuft entlang der x-Achse und damit gemäß der Darstellung in 4A entlang der Sensorachse L.
Mit der geometrischen Anordnung der vier Sensoren 31 bis 34 entlang der Sensorlinie L (ungeachtet eines Winkels der Sensorlinie L zur Leiterachse R abweichend von 90°) ist das verfügbare Nutzsignal der Gesamtheit der Sensoren 31 bis 34 zumindest eine Größenordnung (1 Grad) höher als äußere Störsignale, die durch die Sensoren erfasst werden, bedingt durch magnetisch wirksame Metalle, weitere stromführende Leiter oder (insbesondere bewegliche) Permanentmagneten in der Nähe der Sensoranordnung 3, wenn diese sich in einem eingesetztem Zustand in dem Zwischenraum 2 des Leiters 1 befindet. Hierbei wird als ein Störsignal die zusätzliche Beeinflussung des mittels der Sensoranordnung 3 zu erfassenden Magnetfelds des Leiters 1 (hervorgerufen durch den Strom Ig) betrachtet.
5A zeigt in einer schematischen Draufsicht eine weitere Anordnung der Sensorvorrichtung zur Erfassung eines durch einen Leiter 1 fließenden Stroms durch Erfassen eines den Leiter 1 umgebenden Magnetfelds. Gleiche oder gleichartige Teile in der Darstellung erhalten zur Vereinfachung gleiche Bezugszeichen, wie sie in den 1 bis 4 verwendet werden.
Gemäß 5A fließt durch den Leiter 1 (mit quadratischer, runder oder beliebiger Querschnittsfläche) der Strom I, der ein den Leiter 1 umgebendes Magnetfeld erzeugt. Mittels der Sensoren 31 bis 34 wird dieses Magnetfeld erfasst und auf der Basis entsprechender Erfassungssignale zur Bestimmung des Stroms I ausgewertet.
Während in den Darstellungen der 1B, 3 und 4A die Abstände zwischen den einzelnen Sensoren im Wesentlichen symmetrisch zum Leiter 1 und untereinander paarweise (unter Berücksichtigung von Toleranzen im Wesentlichen) gleich sind, sind in der Darstellung von 5A ungleichförmige Abstände zwischen den Sensoren 31 bis 34 vorgesehen. Die Erfindung ist somit nicht auf gleichförmige Abstände zwischen den Sensoren 31 bis 34 sowie auf eine symmetrische Anordnung der Sensoren 31 bis 34 relativ zum Leiter 1 festgelegt. Die in 5A gezeigte Sensoranordnung 3 umfasst beispielsweise einen zweiteiligen Trägerteil 4. An beiden Seiten des Leiters 1 ist ein Trägerteil angeordnet und weist jeweils zwei der Sensoren 31 bis 34 auf, wobei der Leiter 1 ohne einen Zwischenraum 2 in dem vorbestimmten Bereich S ausgebildet ist. Die beiden Trägerteile 4 sind vollständig außerhalb des Leiters 1 angeordnet. Somit sind anstelle einer Anordnung in dem Zwischenraum 2 wischen Leiterteilen des Leiters 1 die Trägerteile 4 der Sensoranordnung 3 in dem vorbestimmten Bereich S benachbart zu dem Leiter 1 angeordnet 5A und 5B). Der vorbestimmte Bereich S betrifft somit den Bereich oder Abschnitt des Leiters 1, an dem die Sensoranordnung 3 neben oder auch oberhalb oder unterhalb des Leiters 1 (in jedem Fall innerhalb des Magnetfelds) angeordnet ist. Somit kann der Trägerteil 4 symmetrisch oder unsymmetrisch zum Leiter 1 (zur Leiterachse R) oberhalb oder auch unterhalb des Leiters 1 angeordnet werden. Die Anordnung in einer geraden Linie bzw. der Sensorlinie L wird beibehalten.
In 5A stehen die Sensorlinie L und die Leiterachse R (unter Berücksichtigung von Toleranzen) im Wesentlichen senkrecht aufeinander. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht festgelegt, vielmehr können die Sensorlinie L und die Leiterachse R auch zueinander einen von 90° abweichenden Winkel bilden.
Eine derartige Anordnung ist in 5B gezeigt. Die Sensorlinie L und die Leiterachse R sind zueinander in einem von 90° abweichenden Winkel α geneigt. Es liegt ebenfalls ein zweiteiliger Trägerteil 4 vor, wobei jedoch im Vergleich zu der Anordnung gemäß 5A die Anordnung neben dem von 90° abweichenden Winkel α auch die Verteilung der Sensoren 31 bis 34 auf die Komponenten der Trägerteile 4 ungleichförmig ist. Die in 5B gezeigte rechte (d. h. rechts vom Leiter 1 angeordnete) Komponente des Trägerteils 4 weist drei Sensoren 31, 33 und 34 auf, während der die linke Komponente des Trägerteils 4 den Sensor 31 aufweist. Die Erfindung ist somit auf eine symmetrische Anordnung der Sensoren 31 bis 34 relativ zum Leiter 1 nicht festgelegt.
Mit den in den 1 bis 5 gezeigten Sensoranordnungen 3 werden grundsätzlich dieselben Vorteile erreicht, wie sie in Verbindung mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel im Einzelnen genannt sind.
Nachstehend wird in Verbindung mit den vorstehend angegebenen Ausführungsbeispielen und weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung die Wirkungsweise beschrieben.
Magnetfeldstärken nehmen mit dem Abstand zum Ursprung des Magnetfelds (hier: des Leiters 1) ab, wobei die mit linearen und nicht-linearen Anteilen erfolgt. Es gilt ferner für Magnetfelder das Prinzip der Überlagerung, gemäß dem bei einer Messung der Magnetfeldstärke (Intensität des Magnetfelds) eines stromdurchflossenen Leiters (bzw. in dessen naher Umgebung) sich Magnetfelder unterschiedlichen und unabhängigen Ursprungs überlagern. Es werden daher dem zu erfassenden Nutzfeld des stromdurchflossenen Leiters 1 störende Gleich- und Wechselstromfelder überlagert. Diese überlagerten Magnetfelder bilden eine das Erfassungsergebnis störende oder verfälschende Komponente des Erfassungssignals. Die aufgrund der angegebenen Umgebungsbedingungen in Verbindung mit magnetisch wirksamen Metallen oder weiteren magnetischen Störfeldern zu erwartenden Störsignale verhalten sich mit einer Abhängigkeit von einem Abstand r gemäß 1/r² zuzüglich einer entsprechenden Winkelabhängigkeit, da sich eine Störquelle in der Umgebung des zu erfassenden Leiters 1 auch hinsichtlich ihres Ortes und ihrer Lage verändern kann. Hieraus ergibt sich, dass eine Störfeldkompensation mit mindestens quadratischer Ordnung notwendig ist.
Gemäß der Darstellung in 4B ist die Verteilung des Magnetfelds (Verteilung der Magnetfeldstärke) durch die Gesamtanordnung gegeben Ferner müssen die Sensororte, d. h. die Positionen der Sensoren 31 bis 34 auf dem (ein- oder mehrteiligen) Trägerteil 4 und relativ zum Leiter 1 ungefähr bekannt sein. Mittels des vorbestimmten Algorithmus ist es möglich, bei den bekannten geometrischen Vorgaben gemäß den vorstehend beschriebenen 1 bis 5 Einflüsse durch magnetische Störfelder (Gleich- oder Wechselfelder) zu erfassen und relativ zum Nutzsignal zu eliminieren. Durch einen Vergleich der mit den einzelnen Sensoren 31 bis 34 gemessenen oder erfassten Magnetfeldstärken (am jeweiligen Ort des betreffenden Sensors) können die jeweiligen Anteile des Nutzsignals und der Störsignale voneinander getrennt werden. Homogene Störfelder, wie beispielsweise das Erdmagnetfeld können bereits mit differenziell messenden Sensoren und durch eine geeignete Auswertung zugunsten des Nutzsignals eliminiert werden.
Im Allgemeinen treten jedoch auch inhomogene Störfelder auf, wie beispielsweise von Elektromagneten, bewegten Permanentmagneten oder weiteren stromdurchflossenen Leitern. Je kleiner der räumliche Abstand zum Ursprung der magnetischen Störquellen, desto stärker weichen diese magnetischen Störeinflüsse an den Orten der Sensoren 31 bis 34 von einem homogenen Verlauf ab. Diese Einflüsse lassen sich näherungsweise durch die Annahme eines zumindest quadratischen Störfeldverlaufs in Verbindung mit dem Nutzsignalverlauf voneinander trennen (herausrechnen). Es kann dann der durch den Leiter 1 fließende Strom über ein von Störeinflüssen weitgehen befreites und erfasstes Magnetfeld bestimmt werden, so dass ein Stromwert weitgehend ohne Störeinflüsse erfassbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 3 und ihrer Positionierung relativ zu dem Leiter 1 kann eine Form des Erfassungssignals (Nutzsignalform, Kennlinie K) ähnlich einer Polynomfunktion dritter Ordnung gebildet werden, wobei hierbei die Anordnung der Sensoren 31 bis 34 entlang der Sensorlinie L vorgesehen ist. Mit der sich ergebenden Polynomfunktion dritter Ordnung können durch die mathematische Orthogonalität von Polynomfunktionen zweiter Ordnung durch je eine Messung an vier unterschiedlichen Orten Korrekturen vorgenommen werden. Eine Kompensation der inhomogenen Störfelder (quadratische inhomogene Störfelder) ist somit möglich. Die jeweiligen Messungen an den vier unterschiedlichen Orten (Positionen der Sensoren 31 bis 34 relativ zum Leiter 1) sind durchzuführen. Hierbei werden die vier Sensoren 31 bis 34 verwendet, die entlang der Sensorlinie L und damit an vier unterschiedlichen Orten relativ zu dem Leiter 1 angeordnet sind. Die in 4A dargestellte Steuerungseinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, die einzelnen Sensoren 31 bis 34 der Sensoranordnung 3 jeweils nacheinander in vorbestimmter Weise, in vorbestimmten Gruppen oder alle Sensoren 31 bis 34 gleichzeitig anzusteuern und jeweilige gemeinsame oder individuelle Erfassungssignale aufzunehmen. Hierzu ist die Sensoranordnung 3 bzw. das Trägerteil 4 über Leitungsverbindungen 21 mit der Steuerungseinrichtung 20 verbunden. Es kann der (ein- oder mehrteilige) Trägerteil 4 mit den darauf angeordneten Sensoren 31 bis 34 in Verbindung mit einem Kalibiervorgang hinsichtlich der Positionierung im Magnetfeld des Leiters 1 optimiert werden, wobei die Empfindlichkeit der Anordnung verbessert werden kann.
Im Hinblick auf die durchzuführenden Messungen gilt für ein Nutzsignal (Erfassungssignal) n-ter Ordnung, dass (n + 1) Messungen benötigt werden, wobei sich (n – 1) Korrekturmöglichkeiten ergeben. Es wird somit das Erfassungssignal der Sensoranordnung mit zumindest einer Ordnung höher erfasst als das Störfeld.
Die entsprechende Auswertung des Nutzsignals (Erfassungssignal) der Sensoranordnung 3 bzw. der einzelnen Sensoren 31 bis 34 erfolgt in Verbindung mit dem vorbestimmten mathematischen Algorithmus gemäß den vorstehend angegebenen Bedingungen, wenn die geometrischen Bedingungen hinsichtlich der Sensoranordnung 3 (d. h. ihre Positionen entlang der Sensorlinie L) relativ zum Leiter 1 bekannt sind. Es werden die Erfassungssignale sämtlicher Sensoren 31 bis 34 für eine umfassende Erfassung herangezogen und verarbeitet. Mit der Anordnung der erforderlichen Sensoren 31 bis 34 (der Sensoranordnung 3) entsprechend der Sensorlinie L (gerade Linie) kann die Auswertung in Verbindung mit der in 4B gezeigten Kennlinie K und dem mathematischen Algorithmus vereinfacht werden.
Für sämtliche der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele geltend ist es mit der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung möglich, die Vorteile einer sehr nahen Position der einzelnen Sensorelemente 31 bis 34 an dem Leiter 1 in einem Bereich eines sehr starken Magnetfelds zur Messung kleinster Ströme mit dem Vorteil einer einfachen Anordnung und einer erleichterten Handhabung zu verbinden. Die erleichterte Handhabung wird im Wesentlichen durch die Anordnung der vorzugsweise vier Sensoren 31 bis 34 oder einer größeren Anzahl der Sensoren auf dem gemeinsamen Trägerteil 4 und in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen auch vorzugsweise auf einem gemeinsamen Substrat unterstützt.
Die einzelnen Sensorelemente 31 bis 34 liegen in vorbestimmten Positionen in einem Bereich des starken Magnetfelds, das den zu erfassenden Leiter umgibt, so dass weitere Maßnahmen und Komponenten oder Elemente zur Verstärkung des Magnetfelds, wie beispielsweise Eisenmetall oder Ferrite entbehrlich sind. Es ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung kostengünstigere und in den Abmessungen kleine Anordnungen bei gleichzeitig hoher Messempfindlichkeit sowie einer verminderten Empfindlichkeit gegenüber inhomogenen Störfeldern.
Die erfindungsgemäße Stromerfassungsvorrichtung kann bei jeglicher Art von Leistungsversorgungseinrichtungen und zugehörigen Stromschienen oder Stromleitern angewendet werden. Dies betrifft insbesondere die Möglichkeit einer Anwendung in Kraftfahrzeugen im Hinblick auf die Stromversorgung (Ladung) von Batterien und insbesondere von Elektrofahrzeugen mit einem erhöhten Leistungsbedarf und damit auch einer notwendigen genauen Erfassung von Strömen in Leitern. Somit ist eine Anwendung in Hybridfahrzeugen mit einer Hochleistungsbatterie angezeigt. Der Ladezustand jeweiliger Batterien kann über die Erfassung der Ladeströme und der Entladeströme sowie der Klemmenspannung und der Batterietemperatur verlässlich und kontinuierlich bestimmt werden.
Neben der Ausbildung des Leiters als ein einzelner Stromleiter oder ein Leiterbündel ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auch zur Erfassung von Strömen ausgebildet, die auf Leiterbahnen in elektronischen Schaltungen oder auf Leiterplatten vorhanden sind. Es können an beliebigen Strombahnen in Geräten und Maschinen Erfassungen oder Messungen erfolgen. Es ist auf diese Weise möglich, eine Stromerfassung über eine Erfassung eines Magnetfelds in einer Vielzahl von Anwendungen auf einfache Weise durchzuführen, wobei Ströme unterschiedlicher Größe sicher erfasst werden können.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren beschrieben. Es ist jedoch für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann selbstverständlich, dass die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den vorstehend beschriebenen Figuren und die für die jeweiligen Bauteile und Komponenten verwendeten Bezugszeichen in den Figuren und der Beschreibung sowie die beispielhaften Angaben nicht einschränkend auszulegen sind. Auch sind die in den einzelnen Figuren angegebenen Proportionen nur beispielhaft und lediglich für ein besseres Verständnis schematisch dargestellt. Die Erfindung ist auf die angegebenen Formen und Proportionen nicht beschränkt. Vielmehr werden als zur Erfindung gehörig sämtliche Ausführungsformen und Varianten angesehen, die unter die beigefügten Schutzansprüche fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10243645 A1 [0004]
DE 19741417 [0005]
DE 102008039568 A1 [0006]

Claims

Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines durch einen Leiter (1) fließenden Stroms (Ig) durch Erfassen eines den Leiter umgebenden Magnetfelds, mit – einer Mehrzahl von auf einem Trägerteil (4) vorgesehenen Sensoren (31 bis 34) zur Erfassung des Magnetfelds, wobei – die Sensoren (31 bis 34) in einem vorbestimmten Bereich (S) des Leiters (1) in dessen Magnetfeld angeordnet sind, und wobei – die Mehrzahl der Sensoren zumindest vier Sensoren (31 bis 34) umfasst, die auf dem Trägerteil (4) in einer geraden Linie (L) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Leiter (1) in dem vorbestimmten Bereich (S) mehrere Leiterteile (11, 12) aufweist, die gleichsinnig von dem zu messenden Strom durchflossen sind, und um einen vorbestimmten Abstand (d) zueinander beabstandet sind und einen Zwischenraum (2) bilden, und das Trägerteil (4) derart in den Zwischenraum (2) eingesetzt ist, dass die zumindest vier Sensoren (31 bis 34) außerhalb des Zwischenraums (2) benachbart zu diesem in dem Magnetfeld des Leiters (1) angeordnet sind, und jeweils auf einer Seite des Leiters (1) zwei der vier Sensoren (31 bis 34) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägerteil (4) einteilig oder mehrteilig ausgeführt ist, und jedes Trägerteil (4) zumindest einen der vier Sensoren (31 bis 34) trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägerteil (2) zweiteilig ausgeführt ist und die jeweiligen Teile des Trägerteils (4) auf unterschiedlichen Seiten des Leiters (1) angeordnet sind und eine gleiche oder unterschiedliche Anzahl von Sensoren (31 bis 34) tragen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Leiter (1) eine Leiterachse (R) in Richtung seiner Längsausdehnung aufweist und die gerade Linie (L) rechtwinklig auf der Leiterachse (R) oder in einem vom rechten Winkel abweichenden Winkel (α) zur Leiterachse (R) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Abstände der Sensoren (31 bis 34) zueinander entlang der geraden Linie (L) gleich oder unterschiedlich ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Sensorvorrichtung eine Steuerungseinrichtung (20) aufweist, die ausgebildet ist zur Bestimmung des durch den Leiter (1) fließenden Stroms (Ig) auf der Basis von jeweiligen Erfassungssignalen der Sensoren sowie der jeweiligen Position der Sensoren entlang der geraden Linie (L).
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mehreren Leiterteile (11, 12) in dem vorbestimmten Bereich (S) zwei U-förmige Ausbildungen aufweisen mit drei im Wesentlichen parallelen Leiterteilstücken (5, 6, 7) mit einem mittleren gemeinsamen Leiterteilstück (6), durch welche zumindest zwei Feldbereiche (8, 9) zwischen den Leiterteilstücken gebildet werden, deren offene Seiten jeweils in entgegengesetzter Richtung entlang der Leiterachse (R) des Leiters (1) ausgerichtet sind, und wobei in jedem Feldbereich zumindest ein Sensor (31 bis 34) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei in jedem der Feldbereiche (8, 9) jeweils einer der Sensoren (31 bis 34) angeordnet ist, und die weiteren Sensoren entlang des Verlaufs der geraden Linie (L) außerhalb des Leiters (1) benachbart zu diesem angeordnet sind.