DE4202296A1

DE4202296A1 - Elektrischer strommessfuehler

Info

Publication number: DE4202296A1
Application number: DE19924202296
Authority: DE
Inventors: Toshio Naoi; Katsuhiko Tajika
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 1991-01-29
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1992-08-06
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: GB2252419A; CH684504A5; GB2252419B; DE4202296B4; GB9201809D0

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Strommeßfühler mit einem magnetelektrischen Wandler, und genauer einen elektrischen Strommeßfühler, der nach dem Prinzip der mag netischen Waage arbeitet und einen magnetelektrischen Wand ler in Form etwa eines Hallelementes verwendet.

Das Arbeitsprinzip eines elektrischen Strommeßfühlers nach dem Prinzip der magnetischen Waage mit einem magnetelektri schen Wandler in Form etwa eines Hallelementes soll unter Bezug auf Fig. 2A beschrieben werden. Der in Fig. 2A ge zeigten Anordnung wird ein magnetischer Fluß in einem schleifen- oder ringartigen Kern 2 aufgrund eines Primär stroms I₁ erzeugt, der durch eine Primärwicklung oder einen Leiter 1 fließt. Die magnetische Flußdichte in einem Spalt 3 des Kerns 1 wird mit Hilfe eines magnetelektrischen Wand lers 4, etwa eines Hallelementes gemessen. Das Ausgangssig nal des Wandlers 4 wird an einen Verstärker 6 angelegt, der als Stromquelle zur Speisung einer Sekundärwicklung 5 dient. Der Verstärker 6 liefert als Stromquelle also einen Sekundärstrom I₂ an die Sekundärwicklung 5, die um den Kern 2 gewickelt ist, und zwar so, daß die magnetische Fluß dichte im Kern 2 aufgehoben wird und ein magnetischer Gleichgewichtszustand eintritt. Unter dem magnetischen Gleichgewichtszustand kann der Primärstrom I₁ dadurch ge messen werden, daß der Sekundärstrom I₂ mittels eines Am peremeters 12 gemessen wird, das im Strompfad zwischen dem Verstärker 6 und der Sekundärwicklung 5 angeordnet ist. Die Messung beruht auf dem Prinzip gleicher Amperewindungen, wonach die Stärke der magnetmotorischen Kraft auf der Pri märseite im magnetischen Gleichgewichtszustand gleich der auf der Sekundärseite ist.

Da mit diesem Strommeßfühler sowohl ein Gleichstrom als auch ein Wechselstrom kontaktfrei, d. h. ohne galvanische Verbindung, mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann, hat man ihn häufig beispielsweise bei Wechselrichtersteuerungen eingesetzt. Der herkömmliche Strommeßfühler dieser Art be sitzt jedoch ein schlechtes Hochfrequenzverhalten. Das heißt, die Meßgenauigkeit wird bei hohen Frequenzen schlechter.

Insbesondere bei neueren Wechselrichtersteuerungen arbeitet man mit hohen Schaltgeschwindigkeiten, so daß man elektri sche Strommeßfühler für Gleichstrom und Wechselstrom benö tigt, die gute Hochfrequenzeigenschaften aufweisen. Wenn beispielsweise bei einer Steuerung mit Pulsbreitenmodula tion eine Rechteckwelle gemessen werden soll, dann tritt beim Sekundärstrom I₂ eine Ansprechverzögerung auf, wie sie aus Fig. 2b hervorgeht, und die Strommeßgenauigkeit wird aufgrund der Wellenformverzerrung oder eines Spitzenwert fehlers verschlechtert. Dies beruht auf den schlechteren Hochfrequenzeigenschaften des elektrischen Strommeßfühlers, die dazu führen, daß die Anteile höherer Harmonischer, die in der Rechteckwelle des Primärstroms I₁ enthalten sind, im Sekundärstrom I₂ nicht auftauchen.

Bei einer Untersuchung dieser Ansprechverzögerung hat sich nun gezeigt, daß sie auf einen vergrößerten magnetischen Leckfluß zurückzuführen ist, der von einer vergrößerten ma gnetischen Reluktanz durch den Spalt 3 des schleifen- oder ringartigen Kerns 2 herrührt. Die vorliegende Erfindung be ruht auf dieser Erkenntnis.

Im Stand der Technik sind verschiedene Vorschläge zur Ver besserung eines elektrischen Strommeßfühlers bekannt. Diese Vorschläge haben aber bisher nicht zu einem Strommeßfühler ausreichender Leistungsfähigkeit geführt.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen beispielsweise einen elektrischen Strommeßfühler, bei dem sich die magnetelektrischen Wandler 4 in entsprechenden Spalten 3 befinden, die verteilt in dem schleifen- oder ringartigen Kern angeordnet sind. Die Se kundärwicklungen 5, die auf Spulenkörpern 9 untergebracht sind, sind so angeordnet, daß sie diese Spalte jeweils um geben. Dieser Strommeßfühler hat für Gleichstrom und nie derfrequenten Wechselstrom eine verbesserte Meßgenauigkeit und vermeidet insbesondere einen Fehler, der auf einer Än derung einer Form oder Lage (z. B. der Mitte oder einer Ecke innerhalb des Kerns 2 oder ähnlichem) der Primärwick lung beruht. Dieser Strommeßfühler weist allerdings keine besseren Hochfrequenzeigenschaften auf.

Bei einem elektrischen Strommeßfühler, wie er in den Fig. 6 bis 8 gezeigt ist, wo der magnetelektrische Wandler 4 in den Spalt 3, der in einem Teil des Kerns 2 angeordnet ist, eingebettet ist, bei einem elektrischen Strommeßfühler, der von einer magnetischen Kopplung zwischen der Primärwicklung und einem Kern ohne Spalt Gebrauch macht, oder einem elek trischen Strommeßfühler, wie er in Fig. 9 gezeigt ist, wo ein Joch oder eine Abschirmung 13 innerhalb der Sekundär wicklung 5 im Spulenkörper 9 vorgesehen ist, kann die An sprechverzögerung verbessert werden. Wenn sich jedoch der Primärstrom stark und rasch ändert, tritt eine Dämpfungs schwingung (Schwingungsverzerrung) auf, wodurch die Ein schwingdauer erhöht wird und demzufolge ein Wellenformver zerrungs- oder Spitzenwertfehler unerwartet zunimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Strommeß fühler nach dem Prinzip der magnetischen Waage zu schaffen, der in der Lage ist, einen starken rechteckförmigen Impuls strom, der durch eine Primärwicklung fließt, schnell und mit hoher Genauigkeit zu messen. In weiterer Ausgestaltung soll dies auch für Ströme von beispielsweise 100 Ampere oder mehr möglich sein.

Dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Strommeß fühler gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 5 gelöst. Vorteil hafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Kern eine ringartige Form aufweist,

Fig. 2a eine schematische Ansicht eines Beispiels des grundsätzlichen Aufbaus eine herkömmlichen elektri schen Strommeßfühlers,

Fig. 2b Eingangs- und Ausgangssignalwellenformen des Strom meßfühlers von Fig. 2a,

Fig. 3 eine Vorderansicht eines weiteren Beispiels eines bekannten Aufbaus eines Strommeßfühlers (Ver gleichsbeispiel 1),

Fig. 4 eine Querschnittsansicht der linken Seite der An ordnung von Fig. 3,

Fig. 5 eine Querschnittsansicht der rechten Seite der An ordnung von Fig. 3,

Fig. 6 eine Vorderansicht eines weiteren Beispiels eines bekannten Aufbaus (Vergleichsbeispiel 4),

Fig. 7 eine Querschnittsansicht der linken Seite der An ordnung von Fig. 6,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht der rechten Seite der An ordnung von Fig. 6,

Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines bekannten Aufbaus,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines schleifenartigen Kerns, wie er bei dem elek trischen Strommeßfühler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausfüh rungsform eines schleifenartigen Kerns, wie er bei dem elektrischen Strommeßfühler gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,

Fig. 12 eine Vorderansicht eines Beispiels 1 der vorliegen den Erfindung,

Fig. 13 eine Querschnittsansicht der linken Seite des Bei spiels 1 von Fig. 12,

Fig. 14 eine Querschnittsansicht der rechten Seite des Bei spiels 1 von Fig. 12,

Fig. 15 eine Vorderansicht eines Beispiels 2 der Erfindung,

Fig. 16 eine Querschnittsansicht der linken Seite des Bei spiels 2 von Fig. 15,

Fig. 17 eine Querschnittsansicht der rechten Seite des Bei spiels 2 von Fig. 15,

Fig. 18 eine Vorderansicht eines Beispiels 3 der Erfindung,

Fig. 19 eine Querschnittsansicht der linken Seite des Bei spiels 3 von Fig. 18,

Fig. 20 eine Querschnittsansicht der rechten Seite des Bei spiels 3 von Fig. 18,

Fig. 21 eine Vorderansicht eines weiteren Beispiels eines bekannten Aufbaus (Vergleichsbeispiel 2),

Fig. 22 eine Querschnittsansicht der linken Seite der An ordnung von Fig. 21,

Fig. 23 eine Querschnittsansicht der rechten Seite der An ordnung von Fig. 21,

Fig. 24 eine Vorderansicht eines weiteren Beispiels eines bekannten Aufbaus (Vergleichsbeispiel 3),

Fig. 25 eine Querschnittsansicht der linken Seite der An ordnung von Fig. 24,

Fig. 26 eine Querschnittsansicht der rechten Seite der An ordnung von Fig. 24,

Fig. 27 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundär stroms beim Beispiel 1 der Erfindung,

Fig. 28 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundär stroms beim Beispiel 2 der Erfindung,

Fig. 29 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundär stroms beim Beispiel 3 der Erfindung,

Fig. 30 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundär stroms beim Vergleichsbeispiel 1,

Fig. 31 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundär stroms beim Vergleichsbeispiel 2,

Fig. 32 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundär stroms beim Vergleichsbeispiel 3,

Fig. 33 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundär stroms beim Vergleichsbeispiel 4,

Fig. 34 eine weitere Ausführungsform des schleifenartigen Kerns bei der vorliegenden Erfindung,

Fig. 35, 36, 37 und 38 vier Ausführungsformen der vier Spalte bei der vorliegenden Erfindung und

Fig. 39 eine weitere Ausführungsform, wo der schleifenar tige Kern eine ringartige Form aufweist.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß ein magnetischer Leckfluß die Hochfrequenzeigenschaften deutlich verschlechtert und die Ansprechgeschwindigkeit verringert, wurde versucht, den magnetischen Widerstand des schleifenartigen Kerns zu ver ringern. Da der Kern jedoch einen Luftspalt aufweisen muß, in den ein magnetelektrischer Wandler, etwa ein Hallele ment, eingesetzt wird, ergibt sich unvermeidlich eine Erhö hung des magnetischen Widerstands.

Demzufolge ist ein Strommeßfühler gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, daß der magnetische Widerstand des schleifenartigen Kerns durch Bildung eines geschlosse nen magnetischen Kreises nicht erhöht wird, selbst wenn ein magnetelektrischer Wandler in einen Teil oder einen Spalt des Kerns eingesetzt wird.

Anders als bei einem herkömmlichen Strommeßfühler gemäß Fig. 8 ist bei einem elektrischen Strommeßfühler gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Spalten 3 und 8 vorgesehen, die den schleifenartigen Kern 2 nicht völlig unterbrechen, son dern als Einschnitt ausgebildet sind, so daß durchgehende Abschnitte 7 im Kern verbleiben. Bei dieser Ausgestaltung wird die Ansprechgeschwindigkeit d. h. die Zeitdauer, die vergeht, bis der Sekundärstrom I₂ 90% eines vorbestimmten Werts erreicht, verkürzt und das Hochfrequenzansprechver halten verbessert. Bei dieser Ausgestaltung mit einem Luft spalt in der Form eines nicht durchgehenden Einschnitts treten jedoch Dämpfungsschwingungen und transiente Stör spitzen auf.

Zur Vermeidung des Problems der Dämpfungsschwingungen und transienten Störspitzen haben sich die nachfolgend be schriebenen Maßnahmen als geeignet erwiesen. Wenn, in den Fig. 6 bis 8, die Lage der Primärwicklung zwischen einer Lage im mittleren Abschnitt des Kerns 2 und einer demge genüber verschiedenen Lage verändert wird, dann zeigt sich, daß die Abklingdauer einer Dämpfungsschwingung oder die Zeitdauer, die erforderlich ist, damit der Sekundärstrom I₂ 95% oder 105% eines vorbestimmten Werts erreicht, sich mit dieser Lage ändert. Es ergab sich, daß die Dämpfungsschwin gung auftritt, wenn die Verteilung der effektiven Magnet flußdichte, die von der Primärwicklung und den Sekundär wicklungen herrührt, lokal unterschiedlich und nicht gleichförmig ist.

Der Grund für die ungleichförmige Verteilung des magneti schen Flusses in dem schleifenartigen Kern rührt von einem lokalen Leckfluß her. Im Hinblick darauf ist zusätzlich zur Ausbildung des Kerns als eines geschlossenen magnetischen Kreises zur Lösung der Aufgabe eine zweite Maßnahme vorge sehen. Das heißt, konzentrierte Konstanten-Komponenten wie etwa wenigstens ein Paar von Spalten, ein Paar von Sekun därwicklungen oder ähnliches sind im geschlossen Magnet kreis symmetrisch in bezug auf den Mittelpunkt des ge schlossenen Magnetkreises angeordnet, wie dies im Patenan spruch 1 angegeben ist.

Der Begriff "symmetrische Beziehung" ist in einem breiten Sinne zu verstehen und schließt jegliche radiale und diago nale Anordnung der Spalte sowie der Sekundärwicklungen ein.

Der Begriff "Symmetrie" meint eine Symmetrie im Hinblick auf die magnetelektrischen Koeffizienten des Magnetkreises. Beispielsweise sind konzentrierte Konstanten-Komponenten wie etwa Spalte, Sekundärwicklungen und ähnliches symme trisch in bezug auf eine Linie angeordnet, die auf einer Ebene liegt, welche die Mittelpunkte der Dicke aller der Schenkel des Kerns einschließt, oder einen Mittelpunkt, der als Kreuzungspunkt zwischen zwei Linien definiert ist, von denen jede als eine Mittellinie eines Paares gegenüberlie gender Schenkel definiert ist. Alternativ kann der schlei fenartige Kern eine ringförmige Gestalt zur Erzielung der Symmetrie aufweisen. Hier sind die Spalte und die Sekundär wicklungen in symmetrischer Beziehung, wie oben definiert, angeordnet.

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung, in der Spalte 3 und 8 symmetrisch in bezug auf eine horizontale oder eine vertikale Linie LV oder LH angeordnet sind, die in einer Ebene liegen, die in der Mitte der vier Schenkel 2A, 2B, 2C und 2D des Kerns 2 in dessen Dicken richtung liegt.

Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Spalte 3 und 8 in der Form nicht durchgehender Ein schnitte symmetrisch in bezug auf einen Mittelpunkt ange ordnet sind, der als Kreuzungspunkt PC zwischen der verti kalen und der horizontalen Mittellinie LV und LH definiert ist. In den Fig. 10 und 11 bezeichnet die Bezugszahl 7 einen durchgehenden Abschnitt des schleifenartigen Kerns 2. Ferner ist in den Fig. 10 und 11 der Kern 2 so geformt, daß er in Bezug auf die vertikale oder die horizontale Mit tellinie LV oder LH oder dem Mittelpunkt PC symmetrisch ist.

Gemäß der Erfindung sind die Spalte 3 und 8 so in dem Kern 2 ausgebildet bzw. in ihn eingeschnitten, daß die durch gehenden Abschnitte 7 bestehen bleiben und der Kern 2 nicht vollständig unterbrochen wird. Der magnetelektrische Wand ler 4 ist in wenigstens einen der Spalte 3 und 8 einge setzt, wobei zugleich die Bedingung besteht, daß der andere Spalt 8, der zum Spalt 3 symmetrisch angeordnet ist, die gleichen magnetelektrischen Koeffizienten konzentrierter Konstanten aufweist.

Der schleifenartige Kern ist aus ferromagnetischem Mate rial, beispielsweise geschichteten ferromagnetischen Blät tern oder Blechen hergestellt und weist wenigstens zwei Paare von Schenkeln 2A und 2C sowie 2B und 2D auf, von denen jedes Paar zwei gegenüberliegende Schenkel 2A und 2C bzw. 2B und 2D umfaßt. Der Primärleiter kann in eine von den wenigstens zwei Paaren von Schenkeln 2A und 2C sowie 2B und 2D gebildete Schleife eingeführt werden. Diese Schleife kann quadratisch oder rechteckförmig sein. Die geschichte ten Bleche sind durch Walzen eines hochpermeablen Materials hergestellt.

Es ist eine gerade Anzahl von Spalten in der Form von Ein schnitten vorgesehen. Jeweils zwei der Spalte sind in zwei gegenüberliegenden Schenkeln 2A und 2C bzw. 2B und 2D paar weise in einer symmetrischen Beziehung zueinander angeord net.

Entsprechend ist eine gerade Anzahl von Sekundärwicklungen vorgesehen. Jeweils zwei der Sekundärwicklungen sind um die gegenüberliegenden Schenkel 2A und 2C bzw. 2B und 2D paar weise in einer symmetrischen Beziehung zueinander ge wickelt.

Wenigstens ein magnetelektrischer Wandler, etwa in Form ei nes Hallelementes oder eines magnetoresistiven Elements, ist zur Erfassung des Magnetfeldes in dem Spalt, in dem er untergebracht ist, vorgesehen.

Im vorliegenden Fall beherbergt der Spalt 3 den Wandler 4, während im Spalt 8 kein Wandler angeordnet ist. Es können aber Wandler 4 in allen Spalten 3 und 8 vorgesehen werden.

Dieselben magnetoelektrischen Koeffizienten können durch gleiche Dimensionen oder Formen im Fall der Spalte und den selben Durchmesser des Wicklungsdrahtes oder dieselbe An zahl von Windungen im Fall der Sekundärwicklungen reali siert werden. Dies ist ein einfacher Weg zur Bestimmung der selben magnetoelektrischen Koeffizienten im allgemeinen. Im Hinblick auf die Symmetrie des Kerns 2, der Sekundärwick lungen 5 und der Spalte 3 und 8 bezieht sich Symmetrie je doch nicht nur auf die geometrischen Lagen und Formen, son dern auch auf die magnetelektrischen Koeffizienten.

Bei der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 10 und 11 ist der schleifenartige Kern 2 durch rechteckförmiges Schichten von zwei oder drei Teilen von im wesentlichen rechteckförmigen Kernblechen mit ganz geschlossenen oder teilweise unterbro chenen Schenkeln und Kernblechen, von denen jedes einen Schenkel aufweist, gebildet, der ein Fragment eines solchen rechteckförmigen Kernbleches darstellt, und zwar in einer solchen Weise, daß die Spalte 3 und 8 und der durchgehende Abschnitt 7 entstehen. Bei einem speziellen Beispiel wurden 15 Bleche aus Permalloy, je 0,2 mm dick und mit einer Schenkelbreite von 3 oder 5 mm zur Bildung des Kerns 2 auf einandergeschichtet. Die Spalte 3 und 8 wurden durch Schichten von 8 Permalloyblechen und der durchgehende Ab schnitt 7 durch Schichten von 7 Permalloyblechen gebildet. Wenn das Permalloyblech die obigen Abmessungen, d. h. die obige Dicke und die Breite aufwies, ergab sich ein schnel les Ansprechen, sofern der durchgehende Abschnitt 7 drei oder mehr Permalloybleche umfaßte.

Die Sekundärwicklungen 5 waren symmetrisch verteilt um den schleifenartigen Kern 2 in einer solchen Weise angeordnet, daß die Sekundärwicklungen 5 von einer Vielzahl von (maxi mal 4) Spulenkörpern 9 aufgenommen wurden. Die Windungszahl der Sekundärwicklung 5 betrug insgesamt 2500 pro Strommeß fühler. Die Sekundärwicklungen 5 können entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden.

Spezielle Ausführungsformen werden nachfolgend in Verbin dung mit Vergleichsbeispielen unter Bezug auf die Fig. 12 bis 26 erläutert, in denen eine Stromversorgungsquelle nicht dargestellt ist. Bei diesen Ausführungsformen wurde ein Hallelement aus einem Verbindungshalbleiter wie InSb als der magnetelektrische Wandler 4 hingesetzt. Es ist gün stig, wenn das Hallelement 4, das in den Einschnitt 8 des schleifenartigen Kerns 2 eingebettet wird, so nah wie mög lich an einer Randfläche des Kerns 2 befestigt oder ange klebt wird.

In den Fig. 10 und 11 sowie 12 bis 26 ist die Primärwick lung bzw. -Leiter 1, der in den schleifenartigen Kern 2 eingeführt wird, zur Vereinfachung der Darstellung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung weggelassen.

Beispiel 1

Die Fig. 12 bis 14 zeigen ein Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel 1 sind die beiden Sekundär wicklungen 5 so gewickelt, daß die Spalte 3 und 8 von den Wicklungen 5 umgeben sind. Die Spalte 3 und 8 des schlei fenartigen Kerns 2 sowie die beiden Wicklungen 5 sind sym metrisch zueinander in bezug auf die vertikale Mittellinie LV angeordnet. Anders ausgedrückt, die Spalte 3 und 8 und die entsprechenden Wicklungen sind gegenüberliegend an den gegenüberliegenden Schenkeln des polygonalen Kerns 2 vorge sehen.

Beispiel 2

Fig. 15 und 17 zeigen ein Beispiel 2 der vorliegenden Er findung. Bei diesem Beispiel 2 sind zwei Paare von Sekun därwicklungen 5A und 5B sowie 5C und 5D so auf vier Spu lenkörpern 9 angeordnet, daß ein Paar mit den beiden Wick lungen 5A und 5B einen Spalt 3 und das andere Paar mit den beiden Wicklungen 5C und 5D den Spalt 8 umgibt. Die Spalte 3 und 8 des schleifenartigen Kerns 2 und die vier Wicklun gen 5A bis 5D sind symmetrisch in bezug auf die vertikale Mittellinie LV angeordnet. Da die Spulenkörper 9 an der horizontalen Mittellinie LH in zwei Teile unterteilt sind, nämlich einen vertikal oberen und einen vertikal unteren Teil, können die Leitungsanschlüsse des Hallelementes 4 leicht mit einer Stromversorgung verbunden werden. Die beiden Spulenkörper auf der anderen Seite des schleifenar tigen Kerns haben die gleiche Form, sind also ebenfalls an der horizontalen Mittellinie LH in einen vertikal oberen und einen vertikal unteren Teil unterteilt.

Die Fig. 18 bis 20 zeigen ein Beispiel 3 der Erfindung. Bei diesem Beispiel 3 umgeben die Sekundärwicklungen 5 an ders als bei den Beispielen 1 und 2 die horizontalen Kern schenkel anstelle der vertikalen und sind in bezug auf die horizontale Mittellinie LH symmetrisch angeordnet, während die Spalte 3 und 8 in bezug auf die vertikale Mittellinie LV symmetrisch angeordnet sind. Die Spalte 3 und 8 sind da bei also nicht von den Wicklungen 5 umgeben.

Spezielle Werte für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend angegeben.

1) Ferromagnetischer schleifenartiger Kern 2

1) Permalloy oder ähnliches mit einer Permeabilität von µ=100 000 oder mehr unter der Dicke von 0,5 mm oder weniger wird verwendet.
2) Der geschichtete Kern hat eine Breite von 3 mm oder mehr, und alle aufgeschichteten Bleche des Kerns haben zu sammen eine Dicke von 3 mm oder mehr.

2) Sekundärwicklung 5

1) Ein Leitungsdraht mit einer Isolierbeschichtung und ei nem Durchmesser von 0,1 mm oder mehr wird verwendet.
2) Die Wicklungszahl der Sekundärwicklung 5 wird so fest gelegt, daß der Sekundärstrom, der dem Primärnennstrom I₁ entspricht, 200 mA oder weniger beträgt.
3) Beim Beispiel 2 ist der Abstand zwischen den beiden Wicklungen 5A und 5B sowie 5C und 5D gleich oder geringer als die maximale Abmessung des Querschnitts des Kerns 2.
4) Das Induktivitätsverhältnis zwischen den beiden Sekun därwicklungen 5, die einander gegenüberliegend um den Kern 2 angeordnet sind, beträgt typischerweise 0,9 bis 1,1.

3) Spalte 3 und 8

1) Der Abstand zwischen der Kantenfläche des Spalts 3 oder 8 im Kern 2 und einer Fläche des magnetelektrischen Wand lers 4 ist gering, und es ist günstig, wenn diese beiden Flächen in enger Berührung mit einem Schutzfilm oder Gieß harz liegen.
2) Beim Spalt 3, in welchem der magnetelektrische Wandler 4 angeordnet ist, beträgt die gesamte Spaltlänge des nicht magnetischen Spalts oder Einschnitts 0,5 mm oder weniger.
3) Die Querschnittsfläche des durchgehenden Abschnitts 7 neben dem Spalt 3 oder 8 beträgt 20-80% der gesamten Quer schnittsfläche des Kerns 2.

4) Magnetelektrischer Wandler 4

1) Ein Halbleiterhallelement oder ein magnetisches Wider standselement mit einem ferromagnetischen oder halbleiten den Dünnfilm wird verwendet.
2) Obwohl magnetelektrische Wandler 4 in den beiden Spal ten 3 und 8 des Kerns angeordnet werden können, reicht es aus, einen magnetelektrischen Wandler 4 in einem der beiden Spalte 3 und 8 vorzusehen.

Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit des Strommeßfühlers gemäß den obigen drei Beispielen wurden als Vergleichsbei spiele die drei folgenden Strommeßfühler hergestellt, so daß ein Vergleich zwischen der Leistungsfähigkeit erfin dungsgemäßer Strommeßfühler mit derjenigen von bekannten Strommeßfühlern bzw. den Strommeßfühlern der Vergleichsbei spiele möglich wird.

Vergleichsbeispiel 1

Die Fig. 3 bis 5 zeigen ein Vergleichsbeispiel 1 als Ge gensatz zur Erfindung. Beim Vergleichsbeispiel 1 gibt es keinen einschnittartigen Spalt, bei dem ein durchgehender Abschnitt übrig bleibt, vielmehr sind alle Spalte im Gegen satz zum Beispiel 1 der Erfindung durchgehend. Der Aufbau des Vergleichsbeispieles 1 ist abgesehen von den Spalten 3 der gleiche wie beim Beispiel 1 nach den Fig. 12 bis 14.

Vergleichsbeispiel 2

Die Fig. 21 bis 23 zeigen ein Vergleichsbeispiel 2 im Ge gensatz zur Erfindung. Beim Vergleichsbeispiel 2 gibt es keinen einschnittartigen Spalt, der einen durchgehenden Ab schnitt stehen läßt, vielmehr sind im Gegensatz zum Bei spiel 2 der Erfindung alle Spalte durchgehend. Der Aufbau des Vergleichsbeispiels 2 ist mit Ausnahme der Spalte 3 der gleiche wie beim Beispiel 2 der Fig. 15 bis 17.

Vergleichsbeispiel 3

Die Fig. 24 bis 26 zeigen ein Vergleichsbeispiel 3 im Ge gensatz zur Erfindung. Beim Vergleichsbeispiel 3 gibt es keinen einschnittartigen Spalt, der einen durchgehenden Ab schnitt stehen läßt, vielmehr sind alle Spalte im Gegensatz zum Beispiel 3 der Erfindung durchgehend. Der Aufbau des Vergleichsbeispiels 2 ist mit Ausnahme der Spalte 3 der gleiche wie beim Beispiel 3 der Fig. 18 bis 20.

Vergleichsbeispiel 4

Die Fig. 6 bis 8 zeigen ein Vergleichsbeispiel 4 im Gegen satz zur Erfindung. Beim Vergleichsbeispiel 4 ist der Spalt 3, der den Wandler 4 aufnimmt, so ausgebildet, daß ein durchgehender Abschnitt verbleibt und der schleifenartige Kern 2 nicht unterbrochen wird. Es gibt allerdings nur einen Spalt 3 und keinen hierzu symmetrisch angeordneten weiteren. Darüber hinaus ist die Sekundärwicklung 5 nur an einer Stelle vorgesehen, und eine weitere dazu symmetrische Sekundärwicklung fehlt.

Die nachfolgende Tabelle zeigt im Vergleich die Leistungs fähigkeit der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung einerseits und der Vergleichsbeispiele andererseits:

Tabelle 1

Für einen Rechteckwellenpuls mit einem Gleichstromwert von 200 A als Primärstrom I₁ wurde der Sekundärstrom I₂ mittels eines Zweikanaloszillokops gemessen.

Die Fig. 27 bis 33 zeigen Wellenformen des Primärstroms I₁ und des Sekundärstroms I₂. Die Werte in der Tabelle 1 wur den von diesen Wellenformen abgeleitet. Die Fig. 27, 28 und 29 zeigen Beispiele der Wellenformen der Beispiele 1, 2 bzw. 3 gemäß der Erfindung.

Die Fig. 30, 31, 32 und 33 zeigen Beispiele der Wellenfor men der der Erfindung gegenübergestellten Vergleichsbei spiele 1, 2, 3 bzw. 4. Bei diesen Darstellungen der Strom verläufe ist auf der Abszisse die Zeit aufgetragen, wobei eine Teilung des Maßstabs 5 µs entspricht.

Wenn die Wicklungszahl der Primärwicklung N₁ und diejenige Sekundärwicklung N₂ ist, dann ergibt sich aus dem Gesetz gleicher Amperewindungen I₁·N₁ = I₂·N₂, I₂ = (N₁/N₂)· I₁. Für den Fall N₁ = 1, N₂ = 2500 und I₁ = 200A erhält man I₂ = 80 mA. Das heißt, der Sekundärstrom I₂ ist eine Recht eckwelle mit einem Spitzenwert von 80 mA.

Aus den obigen experimentellen Ergebnissen lassen sich fol gende Schlüsse ziehen:

1) Die Ergebnisse der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 zeigen, daß sich mit bekannten Strommeßfühlern ein starker Strom, der in Form eines Rechteckimpulses durch die Primärwicklung fließt, nicht mit hoher Geschwindigkeit und guter Genauig keit messen läßt. Die Ansprechzeit ist in Folge einer An sprechverzögerung verlängert. Die Abklingdauer ist infolge der Dämpfungsschwingung verlängert. Der Spitzenwert wird aufgrund einer transiennten Störspitze übermäßig klein oder übermäßig groß.
2) Wie die Beispiele 1 bis 3 zeigen, besitzt ein elektri scher Strommeßfühler gemäß der vorliegenden Erfindung ein gutes Frequenzansprechverhalten, so daß ein starker im pulsartiger Strom mit hoher Geschwindigkeit und guter Ge nauigkeit festgestellt werden kann.
3) Bei dem bekannten Strommeßfühler nach den Fig. 3 bis 5 (Vergleichsbeispiel 1) ist es erforderlich, daß eine Viel zahl von Spalten 3 und eine Vielzahl von magnetelektrischen Wandlern 4 an dem schleifenartigen Kern 2 vorgesehen wird, damit ein Fehler aufgrund einer Änderung in Lage und Form der Primärwicklung vermieden wird. Der vorliegenden Erfin dung reicht dagegen ein magnetelektrischer Wandler 4 zur Verbesserung des Frequenzansprechverhaltens aus, obwohl mehrere Wandler 4 in den jeweiligen Spalten 3 und 8 ange ordnet werden könnten.
4) Da der schleifenartige Kern 2 für die vorliegende Er findung durch Aufeinanderschichten von Blechen aus ferro magnetischem Material, die alle gleiche Form aufweisen, beispielsweise gemäß dem Aufbau nach Fig. 11, hergestellt werden kann, ergibt sich der Vorteil, daß der Kern leicht zusammengefügt werden kann und die Anzahl gesonderter Teile gering ist.
5) Damit beim herkömmlichen schleifenartigen Kern 2, des sen Spalt 3 den Kern oder seinen Magnetkreis unterbricht, die Scheinempfindlichkeit des magnetelektrischen Wandlers 4 aufgrund einer Zunahme des Spaltzwischenraumes nicht ab nimmt oder der magnetelektrische Wandler 4 bei zu geringem Spaltzwischenraum nicht beeinträchtigt oder beschädigt wird, müssen gesondert zusätzliche Mittel zur Fixierung ei ner Kantenfläche des schleifenartigen Kerns am Spalt 3 vor gesehen werden. Im Gegensatz dazu ist der schleifenartige Kern 2 der vorliegenden Erfindung bei den Spalten 3 und 8 mit dem durchgehenden Abschnitt 7 versehen, so daß der Ein satz der obigen Mittel nicht erforderlich ist, solange die geschichteten Bleche oder Blätter aus ferromagnetischem Ma terial durch Kleben oder Schweißen aneinander befestigt sind. Auf diese Weise vermeidet die Erfindung die obigen Probleme.

Der durchgehende Abschnitt 7 des schleifenarigen Kerns 2 der vorliegenden Erfindung dient auch dazu, die Mittelachse des Magnetkreises des Kerns 2 an den Spalten 3 und 8 zu fi xieren, um so eine Fehlausrichtung der Mittelachse zu ver meiden. Anders ausgedrückt, wird eine Fehlausrichtung des Magnetkreises durch den durchgehenden Abschnitt 7 verhin dert, der als Fixiereinrichtung dient, wenn die Bleche aus ferromagnetischem Material aufeinandergeschichtet werden. Als Folge davon hat der elektrische Strommeßfühler gemäß der Erfindung eine hohe Zuverlässigkeit, d. h. die hohe Lei stungsfähigkeit wird für eine lange Zeit aufrechterhalten.

16) Beim herkömmlichen Aufbau, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, ist es nötig, die Leitungsanschlüsse des magnetelek trischen Wandlers 4 innerhalb der Sekundärwicklung 5 zu biegen, wenn sie nach außen geführt werden sollen. Im Ge gensatz dazu ist es bei der Erfindung einfach, den mag netelektrischen Wandler 4 im Spalt 3 zu befestigen und die Leitungsdrähte des Wandlers 4 anzuschließen, wie in den Fig. 15 bis 20 gezeigt. Dies vermeidet Schwachstellen wie das Brechen der Leitungsdrähte, einen Kurzschluß zwischen den Leitungsanschlüssen oder ähnliches und trägt zur Ver besserung der Zuverlässigkeit des Strommeßfühlers bei.

Verschiedene Modifikationen der obigen Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 34 bis 39 und 1 gezeigt.

Die Fig. 34 und 35 zeigen den Kern 2 in hexagonaler bzw. oktagonaler Form. In Fig. 34 ist ein Paar von Sekundärwick lungen 5 um zwei gegenüberliegende Schenkel gewickelt. In Fig. 35 sind zwei Paare von Sekundärwicklungen 5 um die zwei Paare gegenüberliegender Schenkel gewickelt.

Die Fig. 36 bis 38 zeigen Ausführungsformen mit zwei Paaren gegenüberliegend angeordneter Spalte 3 und 8. In Fig. 36 ist nur ein Paar von Sekundärwicklungen 5 um die gegenüber liegenden Kernschenkel mit den Spalten 3 und 8 gewickelt. In Fig. 37 sind zwei Paare von Sekundärwicklungen 5 um die zwei Paare gegenüberliegender Kernschenkel mit den Spalten 3 bzw. 8 gewickelt. In Fig. 38 ist jede der in Fig. 37 ge zeigten Sekundärwicklungen in zwei Wicklungen 5A und 5B, 5C und 5D, 5E und 5F bzw. 5G und 5H unterteilt, so daß vier Wicklungspaare entstehen, und die Spalte 3 und 8 sind zwi schen den jeweiligen Paaren von zwei Wicklungen 5A und 5B, 5C und 5D, 5E und 5F bzw. 5G und 5H angeordnet.

Fig. 39 zeigt eine Ausführungsform mit drei Spalten 3, die radial und mit gleichen Winkelabständen längs einem kreis ringsförmigen Kern 2 in bezug auf die Mitte des Kerns 2 an geordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Sekun därwicklungen 5 um die jeweiligen Spalte 3 gewickelt. Im Fall eines kreisringförmigen Kerns 2 kann eine gerade oder eine ungerade Anzahl von Spalten und Sekundärwicklungen 5 vorgesehen werden.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform bei der der schleifenar tige Kern 2 die Form eines ovalen Rings aufweist. Zwei Spalte 3 sind gegenüberliegend angeordnet und ebenso die Spalte 8. Die Sekundärwicklungen sind um die Spalte 3 und 8 gewickelt.

Claims

1. Elektrischer Strommeßfühler, umfassend,
einen schleifenartigen Kern (2) aus ferromagnetischem Material,
eine Primärwicklung (1), die in den schleifenartigen Kern (2) eingesetzt ist,
eine Vielzahl von Spalten (3,8) in der Form nicht un terbrechender Einschnitte, die alle in symmetrischer Bezie hung zueinander angeordnet sind und den schleifenartigen Kern nicht unterbrechen,
eine Vielzahl von Sekundärwicklungen (5), die alle in symmetrischer Beziehung zueinander um den schleifenartigen Kern (2) gewickelt sind, und
wenigstens einen magnetelektrischen Wandler (4), der in wenigstens einem der Spalte (3) zur Erfassung eines ma gnetischen Feldes in dem wenigstens einen Spalt angeordnet ist.

2. Strommeßfühler nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der schleifenartige Kern (2) eine Kreisringform aufweist.

3. Strommeßfühler nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der schleifenartige Kern die Form eines ovalen Rings hat.

4. Elektrischer Strommeßfühler, umfassend,
einen schleifenartigen Kern (2) aus ferromagnetischem Material, der wenigstens zwei Paare von Schenkeln, je mit zwei gegenüberliegenden Schenkeln aufweist, so daß eine Primärwicklung (1) in eine von den wenigstens zwei Schen keln gebildete Schleifenform einsetzbar ist,
eine gerade Anzahl von Spalten (3, 8) in der Form nicht unterbrechender Einschnitte, von denen jeweils zwei in zwei gegenüberliegenden Schenkeln in symmetrischer Be ziehung zueinander angeordnet sind, wobei der schleifenar tige Kern (2) von ihnen nicht unterbrochen wird,
eine gerade Anzahl von Sekundärwicklungen (5), von denen jeweils zwei um zwei gegenüberliegende Schenkel in symmetrischer Beziehung zueinander gewickelt sind, und
wenigstens einen magnetelektrischen Wandler (4), der in wenigstens einem der Spalte angeordnet ist, um ein mag netisches Feld in dem wenigstens einen Spalt zu erfassen.

5. Strommeßfühler nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der schleifenartige Kern (2) einen Schichtaufbau aus einer Vielzahl von aufeinander geschichteten Blättern oder Blechen aus ferromagnetischem Material umfaßt.

6. Strommeßfühler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der schleifenartige Kern (2) in Form einer Polygonschleife mit einer geraden Anzahl von Ecken ausgebildet ist.

7. Strommeßfühler nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der schleifenartige Kern (2) eine quadratische Schleife bildet.

8. Strommeßfühler nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Polygonschleife eine Rechteckschleife ist.

9. Strommeßfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schenkel eine Sekundärwicklung (5) trägt.

10. Strommeßfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schenkel wenigstens zwei Sekundärwicklungen (5A, 5B; 5C, 5D) trägt.

11. Strommeßfühler nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnet elektrische Wandler (4) ein Hallelement ist.

12. Strommeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetelektri sche Wandler (4) ein Magnetwiderstandselement ist.