DE4202296B4

DE4202296B4 - Magnetisch kompensierter Stromwandler

Info

Publication number: DE4202296B4
Application number: DE19924202296
Authority: DE
Inventors: Toshio Machida Naoi; Katsuhiko Nobeoka 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: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: DE4202296A1; GB2252419B; CH684504A5; GB9201809D0; GB2252419A

Abstract

Magnetisch kompensierter Stromwandler, mit
einem schleifenartigen Kern (2), der aus ferromagnetischem Material in der Form eines völlig geschlossenen magnetischen Kreises gebildet ist und mindestens zwei den Kern (2) nicht vollständig unterbrechende Spalte (3, 8) aufweist,
einem durch den Kern geführten, von einem zu messenden Primärstrom durchflossenen Primärleiter (1),
mindestens einem in mindestens einem der Spalte (3, 8) angeordneten Meßfühler (4), der ein dem magnetischen Fluß im Kern (2) entsprechendes elektrisches Ausgangssignal abgibt, und
mindestens zwei um den Kern (2) gewickelten Sekundärwicklungen (5), die von einem vom Ausgangssignal des Meßfühlers (4) abhängigen Sekundärstrom derart gespeist werden, daß der vom Primärstrom hervorgerufene magnetische Fluß kompensiert wird,
wobei der Kern eine Form aufweist, die sich in einer Ebene erstreckt, der magnetische Kreis in dieser Ebene befindlich ist, die Form des Kerns wenigstens eine Symmetrieachse (LV, LH) in dieser Ebene aufweist, und die Spalte (3, 8) symmetrisch zu der...

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetisch kompensierten Stromwandler nach dem Patentanspruch 1.
Das Arbeitsprinzip eines elektrischen Stromwandlers nach dem Prinzip der magnetischen Waage mit einem magnetelektrischen Wandler in Form etwa eines Hallelementes soll unter Bezug auf 2A beschrieben werden. Der in 2A gezeigten Anordnung wird ein magnetischer Fluß in einem schleifen- oder ringartigen Kern 2 aufgrund eines Primärstroms 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 Wandlers 4, etwa eines Hallelementes gemessen. Das Ausgangssignal des Wandlers 4 wird an einen Verstärker 6 angelegt, der als Stromquelle zur Speisung einer Sekundärwicklung 5 dient. Der Verstärker 6 liefert als Stomquelle also einen Sekundärstrom I₂ an die Sekundärwicklung 5, die um den Kern 2 gewickelt ist, und zwar so, daß die magnetische Flußdichte im Kern 2 aufgehoben wird und ein magnetischer Gleichgewichtszustand eintritt. Unter dem magnetischen Gleichgewichtszustand kann der Primärstrom _I1 dadurch gemessen werden, daß der Sekundärstrom I₂ mittels eines Amperemeters 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 Primärseite im magnetischen Gleichgewichtszustand gleich der auf der Sekundärseite ist.
Da mit diesem Stromwandler 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 Stromwandler dieser Art besitzt 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 elektrische Stromwandler für Gleichstrom und Wechselstrom benötigt, die gute Hochfrequenzeigenschaften aufweisen. Wenn beispielsweise bei einer Steuerung mit Pulsbreitenmodulation eine Rechteckwelle gemessen werden soll, dann tritt beim Sekundärstrom I₂ eine Ansprechverzögerung auf, wie sie aus 2b hervorgeht, und die Strommeßgenauigkeit wird aufgrund der Wellenformverzerrung oder eines Spitzenwertfehlers verschlechtert. Dies beruht auf den schlechteren Hochfrequenzeigenschaften des elektrischen Stromwandlers, 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 magnetischen Reluktanz durch den Spalt 3 des schleifen- oder ringartigen Kerns 2 herrührt. Die vorliegende Erfindung beruht auf dieser Erkenntnis.
Im Stand der Technik sind verschiedene Vorschläge zur Verbesserung eines elektrischen Stromwandlers bekannt. Diese Vorschläge haben aber bisher nicht zu einem Stromwandler ausreichender Leistungsfähigkeit geführt.
Die 3 bis 5 zeigen beispielsweise einen elektrischen Stromwandler, bei dem sich die magnetelektrischen Wandler 4 in entsprechenden Spalten 3 befinden, die verteilt in dem schleifen- oder ringartigen Kern angeordnet sind. Die Sekundärwicklungen 5, die auf Spulenkörpern 9 untergebracht sind, sind so angeordnet, daß sie diese Spalte jeweils umgeben. Dieser Stromwandler hat für Gleichstrom und niederfrequenten Wechselstrom eine verbesserte Meßgenauigkeit und vermeidet insbesondere einen Fehler, der auf einer Änderung einer Form oder Lage (z. B. der Mitte oder einer Ecke innerhalb des Kerns 2 oder ähnlichem) der Primärwicklung beruht. Dieser Stromwandler weist allerdings keine besseren Hochfrequenzeigenschaften auf.
Bei einem elektrischen Stromwandler, wie er in den 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 Stromwandler, der von einer magnetischen Kopplung zwischen der Primärwicklung und einem Kern ohne Spalt Gebrauch macht, oder einem elektrischen Stromwandler, wie er in 9 gezeigt ist, wo ein Joch oder eine Abschirmung 13 innerhalb der Sekundärwicklung 5 im Spulenkörper 9 vorgesehen ist, kann die Ansprechverzögerung verbessert werden. Wenn sich jedoch der Primärstrom stark und rasch ändert, tritt eine Dämpfungsschwingung (Schwingungsverzerrung) auf, wodurch die Einschwingdauer erhöht wird und demzufolge ein Wellenformverzerrungs- oder Spitzenwertfehler unerwartet zunimmt.

Aus der US 3,323,056 ist ein magnetisch kompensierter Stromwandler zur Messung hoher Gleichströme im Bereich von 1.000 bis 100.000 Ampere bekannt. Der bekannte Stromwandler weist einen Kern aus ferromagnetischem Material in der Form einer durch wenigstens zwei kleine Luftspalte unterbrochenen rechteckigen Schleife auf. Die wenigstens zwei Luftspalte befinden sich in gegenüberliegenden Schenkeln des Kerns, und jeder Luftspalt enthält ein Hallelement als Meßfühler. Durch die von der Kernschleife umschlossene Öffnung ist ein eine Primärwicklung darstellender, von einem zu messenden Primärstrom durchflossener Leiter gesteckt. Im Bereich jedes der Hallelemente trägt der entsprechende Schenkel des Kerns zu beiden Seiten des Luftspalts je eine Hälfte einer Kompensationswicklung. Die Kompensationswicklungen werden nach Maßgabe der Ausgangssignals des in ihrem Bereich angeordneten Meßfühlers mit einem Sekundärstrom gespeist, so daß der vom Primärstrom hervorgerufene magnetische Fluß im Kern kompensiert wird. Durch die gesonderte Steuerung der Kompensationswicklungen abhängig vom Ausgangssignal des jeweiligen Meßfühlers, soll eine gleichförmige Kompensation des vom Primärstrom hervorgerufenen magnetischen Flusses im Kern unabhängig von einer möglicherweise asymmetrischen Lage des die Primärwicklung darstellenden Leiters innerhalb des Kerns erreicht werden. Die Hallelemente befinden sich jeweils in Aufnahmen, die sich jeweils um den Luftspalt herum und über die angrenzenden Ränder des Kerns erstrecken.

Aus der DE 39 05 060 A1 ist eine Einrichtung zum berührungslosen Messen einen Gleichstroms bekannt, die einen Stromwandler mit einem kreisringförmigen, durch einen Luftspalt unterbrochenen Kern aufweist. In dem Luftspalt befindet sich als Meßfühler ein Hallelement. Durch die von dem Ringkern umschlossene Öffnung ist ein von einem zu messenden Primärstrom durchflossener Leiter gesteckt. Außerdem ist der Kern mit einer Kalibrierwicklung versehen. Bei dieser bekannten Einrichtung erfolgt die Messung des Primärgleichstroms in mehreren Stufen. Eine Steuer- und Auswerteschaltung erfaßt die auf einem Kalibrierstrom durch die Kalibrierwicklung beruhende Hallspannung des Hallelements. Dann wird der Kern des Stromwandlers mittels eines Impulses durch die Kalibrierwicklung in bestimmter Weise vormagnetisiert. Während dieser ersten beiden Stufen darf zur Erzielung eines unverfälschten Meßergebnisses kein Primärstrom fließen. Nach der Vormagnetisierung wird der Primärstrom eingeschaltet und die von ihm verursachte Hallspannung erfaßt. Der Primärstrom wird dann auf grund der beiden so ermittelten Hallspannungen errechnet. Diese bekannte Einrichtung dient dazu, eine relativ genaue Messung auch bei verhältnismäßig geringen Strömen von unter 50 Ampere zu messen, die mit einem einzigen, den Kern des Stromwandlers durchsetzenden Leiter im Kern des Stromwandlers kein hinreichend starkes Magnetfeld verursachen, um eine direkte Messung des Primärstroms über die von ihm verursachte Hallspannung zu erlauben.

Die DE 38 35 101 A1 offenbart einen magnetisch kompensierten Stromwandler mit einem Kern aus ferromagnetischem Material in der Form einer rechteckförmigen, einen vom zu messenden Primärstrom durchflossenen Primärleiter umgebenden Schleife, die durch zwei in gegenüberliegenden Schenkeln einander gegenüberliegend ausgebildete Luftspalte unterbrochen ist. In jedem der Luftspalte befindet sich ein Hallelement als Meßfühler. Jeder der beiden gegenüberliegenden, einen Luftspalt aufweisenden Schenkel des Kerns trägt eine sich über die Länge des Schenkels erstreckende Sekundärwicklung. Die Sekundärwicklungen werden von einem Sekundärstrom durchflossen, der nach Maßgabe des Ausgangssignals der Hallelemente bemessen ist, um den magnetischen Fluß in den Luftspalten, der von dem Primärleiter herrührt, zu kompensieren. Innerhalb der Sekundärwicklungen, sich über deren Länge erstreckend, ist jeder der einen Luftspalt aufweisenden Schenkel des Kerns von einem dünnen Blech aus einem Material sehr guter magnetischer Permeabilität als magnetischer Abschirmung umgeben. Diese Abschirmung, die gegenüber dem Kernmaterial magnetisch isoliert ist, soll die in den Luftspalten angeordneten Meßfühler gegenüber äußeren Magnetfeldern abschirmen. Durch diese Abschirmungen soll zugleich der Meßfehler bis zu Frequenzen von über 100 kHz des Primärstroms beträchtlich verringert werden.

Aus der Druckschrift GRAICHEN, G.: Die Feldplatte-Theorie, Kennwerte und Anwendung. In: radio fernsehen elektronik, 1981, Heft 10, Seite 663 ff. ist es bekannt, Feldplatten als Meßfühler für magnetische Größen einzusetzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetisch kompensierten Stromwandler zu schaffen, der bei einfachem Aufbau in der Lage ist, einen starken rechteckförmigen Impulsstrom, 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 Stromwandler gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Kern eine ringartige Form aufweist,
2a eine schematische Ansicht eines Beispiels des grundsätzlichen Aufbaus eine herkömmlichen elektrischen Stromwandlers,
2b Eingangs- und Ausgangssignalwellenformen des Stromwandlers von 2a,
3 eine Vorderansicht eines weiteren Beispiels eines bekannten Aufbaus eines Stromwandlers (Vergleichsbeispiel 1),
4 eine Querschnittsansicht der linken Seite der Anordnung von 3,
5 eine Querschnittsansicht der rechten Seite der Anordnung von 3,
6 eine Vorderansicht eines weiteren Beispiels eines bekannten Aufbaus (Vergleichsbeispiel 4),
7 eine Querschnittsansicht der linken Seite der Anordnung von 6,
8 eine Querschnittsansicht der rechten Seite der Anordnung von 6,
9 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines bekannten Aufbaus,
10 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines schleifenartigen Kerns, wie er bei dem elektrischen Strommeßfühler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,
11 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines schleifenartigen Kerns, wie er bei dem elektrischen Strommeßfühler gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,
12 eine Vorderansicht eines Beispiels 1 der vorliegenden Erfindung,
13 eine Querschnittsansicht der linken Seite des Beispiels 1 von 12,
14 eine Querschnittsansicht der rechten Seite des Beispiels 1 von 12,
15 eine Vorderansicht eines Beispiels 2 der Erfindung,
16 eine Querschnittsansicht der linken Seite des Beispiels 2 von 15,
17 eine Querschnittsansicht der rechten Seite des Beispiels 2 von 15,
18 eine Vorderansicht eines Beispiels 3 der Erfindung,
19 eine Querschnittsansicht der linken Seite des Beispiels 3 von 18,
20 eine Querschnittsansicht der rechten Seite des Beispiels 3 von 18,
21 eine Vorderansicht eines weiteren Beispiels eines bekannten Aufbaus (Vergleichsbeispiel 2),
22 eine Querschnittsansicht der linken Seite der Anordnung von 21,
23 eine Querschnittsansicht der rechten Seite der Anordnung Von 21,
24 eine Vorderansicht eines weiteren Beispiels eines bekannten Aufbaus (Vergleichsbeispiel 3),
25 eine Querschnittsansicht der linken Seite der Anordnung von 24,
26 eine Querschnittsansicht der rechten Seite der Anordnung Von 24,
27 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundärstroms beim Beispiel 1 der Erfindung,
28 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundärstroms beim Beispiel 2 der Erfindung,
29 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundärstroms beim Beispiel 3 der Erfindung,
30 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundärstroms beim Vergleichsbeispiel 1,
31 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundärstroms beim Vergleichsbeispiel 2,
32 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundärstroms beim Vergleichsbeispiel 3,
33 Wellenformen des elektrischen Primär- und Sekundärstroms beim Vergleichsbeispiel 4,
34 eine weitere Ausführungsform des schleifenartigen Kerns bei der vorliegenden Erfindung,
35, 36, 37 und 38 vier Ausführungsformen der vier Spalte bei der vorliegenden Erfindung und
39 eine weitere Ausführungsform, wo der schleifenartige 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 verringern. Da der Kern jedoch einen Luftspalt aufweisen muß, in den ein magnetelektrischer Wandler, etwa ein Hallelement, eingesetzt wird, ergibt sich unvermeidlich eine Erhöhung des magnetischen Widerstands.
Demzufolge ist ein Strommeßfühler gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, daß der magnetische Widerstand des schleifenartigen Kerns durch Bildung eines geschlossenen 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 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, sondern 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 Hochfrequenzansprechverhalten verbessert, Bei dieser Ausgestaltung mit einem Luftspalt in der Form eines nicht durchgehenden Einschnitts treten jedoch Dämpfungsschwingungen und transiente Störspitzen auf.
Zur Vermeidung des Problems der Dämpfungsschwingungen und transienten Störspitzen haben sich die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen als geeignet erwiesen. Wenn, in den 6 bis 8, die Lage der Primärwicklung zwischen einer Lage im mittleren Abschnitt des Kerns 2 und einer demgegenüber 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 Dämpfungsschwingung auftritt, wenn die Verteilung der effektiven Magnetflußdichte, die von der Primärwicklung und den Sekundär wicklungen herrührt, lokal unterschiedlich und nicht gleichförmig ist.
Der Grund für die ungleichförmige Verteilung des magnetischen 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 vorgesehen. Das heißt, konzentrierte Konstanten-Komponenten wie etwa wenigstens ein Paar von Spalten, ein Paar von Sekundärwicklungen oder ähnliches sind im geschlossen Magnetkreis symmetrisch in bezug auf den Mittelpunkt des geschlossenen Magnetkreises angeordnet, wie dies im Patenanspruch 1 angegeben ist.
Der Begriff "symmetrische Beziehung" ist in einem breiten Sinne zu verstehen und schließt jegliche radiale und diagonale 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 symmetrisch 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 gegenüberliegender Schenkel definiert ist. Alternativ kann der schleifenartige Kern eine ringförmige Gestalt zur Erzielung der Symmetrie aufweisen. Hier sind die Spalte und die Sekundärwicklungen in symmetrischer Beziehung, wie oben definiert, angeordnet.
10 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 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 Dickenrichtung liegt.
11 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Spalte 3 und 8 in der Form nicht durchgehender Einschnitte symmetrisch in bezug auf einen Mittelpunkt angeordnet sind, der als Kreuzungspunkt PC zwischen der vertikalen und der horizontalen Mittellinie LV und LH definiert ist. In den 10 und 11 bezeichnet die Bezugszahl 7 einen durchgehenden Abschnitt des schleifenartigen Kerns 2. Ferner ist in den 10 und 11 der Kern 2 so geformt, daß er in Bezug auf die vertikale oder die horizontale Mittellinie 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 durchgehenden Abschnitte 7 bestehen bleiben und der Kern 2 nicht vollständig unterbrochen wird. Der magnetelektrische Wandler 4 ist in wenigstens einen der Spalte 3 und 8 eingesetzt, 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 Material, beispielsweise geschichteten ferromagnetischen Blättern 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 geschichteten Bleche sind durch Walzen eines hochpermeablen Materials hergestellt.
Es ist eine gerade Anzahl von Spalten in der Form von Einschnitten vorgesehen. Jeweils zwei der Spalte sind in zwei gegenüberliegenden Schenkeln 2A und 2C bzw. 2B und 2D paarweise in einer symmetrischen Beziehung zueinander angeordnet.
Entsprechend ist eine gerade Anzahl von Sekundärwicklungen vorgesehen. Jeweils zwei der Sekundärwicklungen sind um die gegenüberliegenden Schenkel 2A und 2C bzw. 2B und 2D paarweise in einer symmetrischen Beziehung zueinander gewickelt.
Wenigstens ein magnetelektrischer Wandler, etwa in Form eines 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 denselben Durchmesser des Wicklungsdrahtes oder dieselbe Anzahl von Windungen im Fall der Sekundärwicklungen realisiert werden. Dies ist ein einfacher Weg zur Bestimmung der selben magnetoelektrischen Koeffizienten im allgemeinen. Im Hinblick auf die Symmetrie des Kerns 2, der Sekundärwicklungen 5 und der Spalte 3 und 8 bezieht sich Symmetrie je doch nicht nur auf die geometrischen Lagen und Formen, sondern auch auf die magnetelektrischen Koeffizienten.
Bei der vorliegenden Erfindung gemäß 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 unterbrochenen 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 aufeinandergeschichtet. Die Spalte 3 und 8 wurden durch Schichten von 8 Permalloyblechen und der durchgehende Abschnitt 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 schnelles 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 (maximal 4) Spulenkörpern 9 aufgenommen wurden. Die Windungszahl der Sekundärwicklung 5 betrug insgesamt 2500 pro Strommeßfühler. Die Sekundärwicklungen 5 können entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden.
Spezielle Ausführungsformen werden nachfolgend in Verbindung mit Vergleichsbeispielen unter Bezug auf die 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 günstig, wenn das Hallelement 4, das in den Einschnitt 8 des schleifenartigen Kerns 2 eingebettet wird, so nah wie möglich an einer Randfläche des Kerns 2 befestigt oder angeklebt wird.
In den 10 und 11 sowie 12 bis 26 ist die Primärwicklung bzw. -Leiter 1, der in den schleifenartigen Kern 2 eingeführt wird, zur Vereinfachung der Darstellung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung weggelassen.
Beispiel 1
Die 12 bis 14 zeigen ein Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel 1 sind die beiden Sekundärwicklungen 5 so gewickelt, daß die Spalte 3 und 8 von den Wicklungen 5 umgeben sind. Die Spalte 3 und 8 des schleifenartigen Kerns 2 sowie die beiden Wicklungen 5 sind symmetrisch 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 vorgesehen.
Beispiel 2
15 und 17 zeigen ein Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel 2 sind zwei Paare von Sekundärwicklungen 5A und 5B sowie 5C und 5D so auf vier Spulenkörpern 9 angeordnet, daß ein Paar mit den beiden Wicklungen 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 Wicklungen 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 schleifenartigen Kerns haben die gleiche Form, sind also ebenfalls an der horizontalen Mittellinie LH in einen vertikal oberen und einen vertikal unteren Teil unterteilt.
Die 18 bis 20 zeigen ein Beispiel 3 der Erfindung. Bei diesem Beispiel 3 umgeben die Sekundärwicklungen 5 anders als bei den Beispielen 1 und 2 die horizontalen Kernschenkel 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 dabei 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 = 100000 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 zusammen eine Dicke von 3 mm oder mehr.

2) Sekundärwicklung 5:

(1) Ein Leitungsdraht mit einer Isolierbeschichtung und einem Durchmesser von 0,1 mm oder mehr wird verwendet.
(2) Die Wicklungszahl der Sekundärwicklung 5 wird so festgelegt, 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 Sekundärwicklungen 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 Wandlers 4 ist gering, und es ist günstig, wenn diese beiden Flächen in enger Berührung mit einem Schutzfilm oder Gießharz 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 Querschnittsfläche des Kerns 2.

4) Magnetelektrischer Wandler 4:

(1) Ein Halbleiterhallelement oder ein magnetisches Widerstandselement mit einem ferromagnetischen oder halbleitenden Dünnfilm wird verwendet.
(2) Obwohl magnetelektrische Wandler 4 in den beiden Spalten 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 Vergleichsbeispiele die drei folgenden Strommeßfühler hergestellt, so daß ein Vergleich zwischen der Leistungsfähigkeit erfindungsgemäßer Strommeßfühler mit derjenigen von bekannten Strommeßfühlern bzw. den Strommeßfühlern der Vergleichsbeispiele möglich wird.
Vergleichsbeispiel 1
Die 3 bis 5 zeigen ein Vergleichsbeispiel 1 als Gegensatz zur Erfindung. Beim Vergleichsbeispiel 1 gibt es keinen einschnittartigen Spalt, bei dem ein durchgehender Abschnitt übrig bleibt, vielmehr sind alle Spalte im Gegensatz 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 12 bis 14.
Vergleichsbeispiel 2
Die 21 bis 23 zeigen ein Vergleichsbeispiel 2 im Gegensatz zur Erfindung. Beim Vergleichsbeispiel 2 gibt es keinen einschnittartigen Spalt, der einen durchgehenden Abschnitt stehen läßt, vielmehr sind im Gegensatz zum Beispiel 2 der Erfindung alle Spalte durchgehend. Der Aufbau des Vergleichsbeispiels 2 ist mit Ausnahme der Spalte 3 der gleiche wie beim Beispiel 2 der 15 bis 17.
Vergleichsbeispiel 3
Die 24 bis 26 zeigen ein Vergleichsbeispiel 3 im Gegensatz 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 18 bis 20.
Vergleichsbeispiel 4
Die 6 bis 8 zeigen ein Vergleichsbeispiel 4 im Gegensatz 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 Leistungsfähigkeit 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 27 bis 33 zeigen Wellenformen des Primärstroms I₁ und des Sekundärstroms I₂. Die Werte in der Tabelle 1 wurden von diesen Wellenformen abgeleitet. Die 27, 28 und 29 zeigen Beispiele der Wellenformen der Beispiele 1, 2 bzw. 3 gemäß der Erfindung.
Die 30, 31, 32 und 33 zeigen Beispiele der Wellenformen der der Erfindung gegenübergestellten Vergleichsbeispiele 1, 2, 3 bzw. 4. Bei diesen Darstellungen der Stromverläufe 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 Rechteckwelle mit einem Spitzenwert von 80 mA.
Aus den obigen experimentellen Ergebnissen lassen sich folgende 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 Genauigkeit messen läßt. Die Ansprechzeit ist in Folge einer Ansprechverzögerung 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 elektrischer Strommeßfühler gemäß der vorliegenden Erfindung ein gutes Frequenzansprechverhalten, so daß ein starker impulsartiger Strom mit hoher Geschwindigkeit und guter Genauigkeit festgestellt werden kann.
(3) Bei dem bekannten Strommeßfühler nach den 3 bis 5 (Vergleichsbeispiel 1) ist es erforderlich, daß eine Vielzahl 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 Erfindung reicht dagegen ein magnetelektrischer Wandler 4 zur Verbesserung des Frequenzansprechverhaltens aus, obwohl mehrere Wandler 4 in den jeweiligen Spalten 3 und 8 angeordnet werden könnten.
(4) Da der schleifenartige Kern 2 für die vorliegende Erfindung durch Aufeinanderschichten von Blechen aus ferromagnetischem Material, die alle gleiche Form aufweisen, beispielsweise gemäß dem Aufbau nach 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, dessen Spalt 3 den Kern oder seinen Magnetkreis unterbricht, die Scheinempfindlichkeit des magnetelektrischen Wandlers 4 aufgrund einer Zunahme des Spaltzwischenraumes nicht abnimmt oder der magnetelektrische Wandler 4 bei zu geringem Spaltzwischenraum nicht beeinträchtigt oder beschädigt wird, müssen gesondert zusätzliche Mittel zur Fixierung einer Kantenfläche des schleifenartigen Kerns am Spalt 3 vorgeshen 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 Einsatz der obigen Mittel nicht erforderlich ist, solange die geschichteten Bleche oder Blätter aus ferromagnetischem Material 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 fixieren, um so eine Fehlausrichtung der Mittelachse zu vermeiden. Anders ausgedrückt, wird eine Fehlausrichtung des Magnetkreises durch den durchgehenden Abschnitt 7 verhindert, 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 Leistungsfähigkeit wird für eine lange Zeit aufrechterhalten.
(6) Beim herkömmlichen Aufbau, wie er in 3 gezeigt ist, ist es nötig, die Leitungsanschlüsse des magnetelektrischen Wandlers 4 innerhalb der Sekundärwicklung 5 zu biegen, wenn sie nach außen geführt werden sollen. Im Gegensatz dazu ist es bei der Erfindung einfach, den magnetelektrischen Wandler 4 im Spalt 3 zu befestigen und die Leitungsdrähte des Wandlers 4 anzuschließen, wie in den 15 bis 20 gezeigt. Dies vermeidet Schwachstellen wie das Brechen der Leitungsdrähte, einen Kurzschluß zwischen den Leitungsanschlüssen oder ähnliches und trägt zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Strommeßfühlers bei.

Verschiedene Modifikationen der obigen Ausführungsbeispiele sind in den 34 bis 39 und 1 gezeigt.
Die 34 und 35 zeigen den Kern 2 in hexagonaler bzw. oktagonaler Form. In 34 ist ein Paar von Sekundärwicklungen 5 um zwei gegenüberliegende Schenkel gewickelt. In 35 sind zwei Paare von Sekundärwicklungen 5 um die zwei Paare gegenüberliegender Schenkel gewickelt.
Die 36 bis 38 zeigen Ausführungsformen mit zwei Paaren gegenüberliegend angeordneter Spalte 3 und 8. In 36 ist nur ein Paar von Sekundärwicklungen 5 um die gegenüberliegenden Kernschenkel mit den Spalten 3 und 8 gewickelt. In 37 sind zwei Paare von Sekundärwicklungen 5 um die zwei Paare gegenüberliegender Kernschenkel mit den Spalten 3 bzw. 8 gewickelt. In 38 ist jede der in 37 gezeigten 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 zwischen den jeweiligen Paaren von zwei Wicklungen 5A und 5B, 5C und 5D, 5E und 5F bzw. 5G und 5H angeordnet.
39 zeigt eine Ausführungsform mit drei Spalten 3, die radial und mit gleichen Winkelabständen längs einem kreisringsförmigen Kern 2 in bezug auf die Mitte des Kerns 2 angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Sekundärwicklungen 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.
1 zeigt eine Ausführungsform bei der der schleifenartige 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

Magnetisch kompensierter Stromwandler, mit einem schleifenartigen Kern (2), der aus ferromagnetischem Material in der Form eines völlig geschlossenen magnetischen Kreises gebildet ist und mindestens zwei den Kern (2) nicht vollständig unterbrechende Spalte (3, 8) aufweist, einem durch den Kern geführten, von einem zu messenden Primärstrom durchflossenen Primärleiter (1), mindestens einem in mindestens einem der Spalte (3, 8) angeordneten Meßfühler (4), der ein dem magnetischen Fluß im Kern (2) entsprechendes elektrisches Ausgangssignal abgibt, und mindestens zwei um den Kern (2) gewickelten Sekundärwicklungen (5), die von einem vom Ausgangssignal des Meßfühlers (4) abhängigen Sekundärstrom derart gespeist werden, daß der vom Primärstrom hervorgerufene magnetische Fluß kompensiert wird, wobei der Kern eine Form aufweist, die sich in einer Ebene erstreckt, der magnetische Kreis in dieser Ebene befindlich ist, die Form des Kerns wenigstens eine Symmetrieachse (LV, LH) in dieser Ebene aufweist, und die Spalte (3, 8) symmetrisch zu der Symmetrieachse (LV, LH) und die Sekundärwicklungen (5) symmetrisch zu der Symmetrieachse (LV, LH) angeordnet sind.
Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der schleifenartige Kern (2) eine Kreisringform aufweist.
Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der schleifenartige Kern die Form eines ovalen Rings hat.
Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) die Form eines Polygons mit wenigstens einem Paar gegenüberliegender Schenkel aufweist und die wenigstens zwei Spalte (3, 8) in und die wenigstens zwei Sekundärwicklungen (4) an den gegenüberliegenden Schenkeln ausgebildet sind.
Stromwandler nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der schleifenartige Kern (2) einen Schichtaufbau aus einer Vielzahl von aufeinandergeschichteten Blättern oder Blechen aus ferromagnetischem Material umfasst.
Stromwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polygon eine gerade Anzahl von Ecken aufweist.
Stromwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Polygon ein Rechteck ist.
Stromwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polygon ein Quadrat ist.
Stromwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Schenkel eine Sekundärwicklung (5) trägt.
Stromwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Schenkel wenigstens zwei Sekundärwicklungen (5A, 5B; 5C, 5D) trägt.
Stromwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßfühler (3) ein Hallelement ist.
Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßfühler (3) ein Magnetwiderstandselement ist.