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Diese Erfindung bezieht sich auf
einen elektrischen Stromfühler,
insbesondere zur Messung eines zeitlich veränderlichen elektrischen Stromes
in einem Leiter.
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Ein bekanntes Mittel der Messung
eines durch einen Primärleiter
fliessenden elektrischen Stromes besteht in der Messung des erzeugten
Magnetfeldes mit einem magnetischen Feldfühler, der um den Primärleiter
oder in dessen Nähe
angeordnet ist. Zeitlich veränderliche
elektrische Ströme
werden gewöhnlich
mit einer als Rogowski-Spule bekannten Spule gemessen, die um den
Primärleiter
herumgebogen wird. Das variable magnetische Feld induziert eine
Spannung zwischen Enden des Spulenleiters, die der Veränderungsgeschwindigkeit
des Stromes (di/dt) im Primärleiter
proportional ist. Das Ausgangssignal der Rogowski-Spule in herkömmlichen
Auslegungen wird daher integriert, um eine Ablesung für den Primärstrom zu
erhalten. Es gibt verschiedene, bekannte Möglichkeiten, Rogowski-Spulen
bereitzustellen, zum Beispiel in Gestalt von gewundenen Luftspulen
oder von Spulen, die durch Leiterbahnen auf einer Leiterplatte gebildet
werden. Beispiele von Rogowski-Spulen des Standes der Technik werden von
Murgatroyd, P. N., Making a Rogowski coil (Herstellung einer Rogowski-Spule),
Sci. Technol. 2 (1991) Seiten 1218– 1219; von Ray, W. F., und
Murray, K. D., The use of Rogowski coils for current wave-form measurement
in power electronic circuits (Einsatz von Rogowski-Spulen für die Messung
von Strom-Wellenformen in Schaltkreisen der Leistungselektronik),
EPE (1991), Seiten 3379–3383;
von Heumann, K., Magnetischer Spannungsmesser hoher Präzision,
Elektrotechnische Zeitschrift, A83 (1962), Seiten 349–356; oder
in den US-Patenten Nr. 5 442 280 und 5 414 400 beschrieben.
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Herkömmliche Rogowski-Spulenstromfühler haben
typischerweise Spulen mit einer grossen Anzahl von Windungen, zum
Beispiel ist die in der US-Patentschrift 5 414 400 beschriebene
Rogowski-Spule mit etwa 250 Windungen versehen, um die Empfindlichkeit
für Magnetfelder
zu erhöhen
und die Auswirkungen eines nicht zentrischen Primärleiters
zu verringern. Solche Fühler
arbeiten ziemlich gut innerhalb eines kleinen, definierten Frequenzbandes,
wenn sie einen verhältnismässig grossen Abstand
von anderen Leitern haben, die magnetische Störfelder erzeugen. Des Weiteren
sind solche bekannte Rogow ski-Spulenfühler auf die Messung zeitlich
veränderlicher
elektrischer Ströme
begrenzt, die Frequenzen bis hinauf zu einer Grössenordnung von 103–106 Hz haben. Diese Merkmale herkömmlicher
Stromfühler
sind bis zur vorliegenden Erfindung als technische Grenzen der Strommessung
mit Rogowski-Spulen akzeptiert worden.
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Bestimmte Vorrichtungen und insbesondere elektrische
Leistungsumformer und Stromrichter können im Zeitbereich grosse
Unstetigkeiten in der Stromsteigung erzeugen, die von den Schaltvorgängen herrühren, die
Frequenzen im Frequenzbereich bis hinauf zu etwa 108 Hz
verursachen. Herkömmliche
Stromfühler
vom Typ der Rogowski-Spulen sind nicht in der Lage, solche schnellen
Stromveränderungen
genau und zuverlässig
zu messen. Des Weiteren sind herkömmliche Stromfühler des
vorerwähnten
Typs gegen magnetische Störfelder
empfindlich, die wegen der Nähe
von Leitern in heutigen Leistungsschaltern, bei deren Konstruktion
die Messung des Stromes oft nicht von primärer Bedeutung ist, oft sehr
schwer zu vermeiden sind.
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Im Dokument: Patent Abstracts of
Japan, Band 007, Nr. 075 (P-187), 29. März 1983 (1983-03-29), sowie
JP 58 005 668 A (Fujitsu
K. K.), 13. Januar 1983 (1983-01-13) wird eine Rogowski-Spule beschrieben,
die eine spiralförmige Drahtspule
sowie eine Spule einer Windung mit der gleichen Fläche in der
Richtung des zu messenden Stromes besitzt, so dass Geräuschkomponenten
in der Stromrichtung sich ausheben.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, einen vielseitigen, jedoch genauen Fühler für die Messung von in einem
Leiter fliessenden, zeitlich veränderlichen
elektrischen Strömen
zur Verfügung
zu stellen.
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Es ist besonders vorteilhaft, einen
Fühler
für Messungen über einen
weiten Frequenzbereich zur Verfügung
zu stellen, insbesondere einen Frequenzbereich, der sich in den
Bereich von 106 bis 108 Hz
hinein erstreckt.
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Es ist weiter besonders vorteilhaft,
einen Stromfühler
mit einer verringerten Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern
zur Verfügung zu
stellen.
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Es ist weiter von Vorteil, einen
Stromfühler zur
Verfügung
zu stellen, der kompakt und preiswert ist und ohne Unterbrechung
des Primärleiters
implementiert werden kann.
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Es ist weiter von Vorteil, einen
preiswerten Stromfühler
mit einer hohen Empfindlichkeite gegenüber dem zu messenden Feld und
mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis zur Verfügung zu
stellen.
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Ziele dieser Erfindung sind erreicht
worden, indem der Fühler
gemäss
Anspruch 1 zur Verfügung gestellt
wurde.
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Vorteilhafterweise wird die Wirkung
von magnetischen Störfeldern,
insbesondere von Fremdleitern in der Nähe des Fühlers, aufgehoben oder auf ein
Minimum verringert, indem die vom Fühlerleiter umschlossene Fläche verringert
wird, die den Wirkungen von magnetischen Störfeldern und insbesondere der
magnetischen Feldkomponente orthogonal zur Mittelebene ausgesetzt
ist.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der
Erfindung werden in den Ansprüchen
dargelegt oder aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen
offensichtlich werden.
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Ausführungsformen der Erfindung
werden nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben
werden, in denen
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1 eine
perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Spulensensors ist;
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2 ist
eine Draufsicht eines Abschnitts einer herkömmlichen Rogowski-Spule;
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3 ist
eine Ansicht einer ersten Ausführungsform
eines Fühlers;
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4 ist
eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Fühlers;
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5 ist
eine Ansicht einer dritten Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Fühlers;
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6 zeigt
Bode-Diagramme (Absolutwert und Phase der Impedanz) gegen die Frequenz
für einen
Fühler,
der ähnlich
wie die Ausführungsform
der 5 ausgelegt ist;
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7 ist
eine Ansicht einer vierten Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Fühlers;
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8 ist
eine Ansicht einer fünften
Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Fühlers;
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9 ist
eine Ansicht einer sechsten Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Fühlers;
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10 ist
eine auseinandergezogene Detailansicht eines Teiles eines erfindungsgemässen Fühlers;
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11a ist
eine Ansicht einer siebenten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
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11b ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 11b-11b der 11a;
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12a ist
eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines Teiles eines
Fühlers
gemäss
einer achten Ausführungsform;
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12b und 12c sind schematische, perspektivische
Diagramme, die die Verdrahtung der Ausführungsform von 12a zeigen;
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12d ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 12d-12d der
Ausführungsform
von 12a;
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13a ist
eine Ansicht einer neunten Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Fühlers;
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13b ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 13b-13b des
montierten Fühlers
nach 13a;
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14 ist
eine Ansicht einer zehnten Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Fühlers;
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15 ist
eine Ansicht einer elften Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Fühlers;
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16 ist
eine Ansicht einer zwölften
Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Fühlers;
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17a ist
eine Ansicht einer dreizehnten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
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17b ist
eine Ansicht in Richtung des Pfeils 17b der 17a; und
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18 ist
eine perspektivische Ansicht eines Fühlers, der Fühlerelemente
gemäss
der Ausführungsform
der 17a und 17b enthält.
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Zuerst auf 1 Bezug nehmend, besteht ein herkömmlicher
Fühler
zur Messung des Stromes Im in einem Primärleiter 1 aus
einem Leiter 2' mit Enden 3', 4' zum
Anschluss an eine Signalverarbeitungsvorrichtung sowie N Windungen 5',
die einen Spulenabschnitt 6' bilden, der einen Hohlraumabschnitt 7' umgibt,
durch den sich ein Teil des Primärleiters
erstreckt. Jede Windung 5' definiert eine projizierte Messfläche Am in einer Ebene, die orthogonal zum Magnetfeld
Hm ist, das vom Primärleiter Im erzeugt
wird.
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In einer Ebene orthogonal zum Primärleiterabschnitt 1,
d.h. parallel zu einer Mittelebene durch die Mittelpunkte 8' der
Windungen 5', kreist der Leiter 2' eine projizierte
Fläche
As ein, die magnetischen Störfeldern
unterliegt und im Falle der 1 fast ebenso
goss wie die Fläche
des Kreises ist, der vom kreisförmigen
Aussenumfang 10' des Leiters 2' begrenzt wird.
Ein magnetisches Störfeld
Hs und insbesondere die zur Fläche As orthogonale Komponente induziert eine Spannung
im Fühlerleiter
und verfälscht
somit die Messung des Primärleiterstromes. Das
magnetische Störfeld
Hs kann zum Beispiel durch einen Fremdleiter 9 erzeugt
werden, der einen Strom Is führt und
nahe dem Fühler
angeordnet ist.
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In bestimmten herkömmlichen
Rogowski-Spulenfühlervorrichtungen
wird der Leiter in Windungen zurückgeführt, die
eine zweite Spule bilden, was ebenfalls die Anzahl N von Windungen
des Fühlers
und somit die Empfindlichkeit gegenüber den zu messenden Magnetfeldern
erhöht.
Die vom Leiter eines bekannten Fühlers
dieses Typs umschlossene, projizierte Fläche As ist
kreuzweise schraffiert in 2 gezeigt.
Die Fläche
As wird vom Leiter 2'' völlig umschlossen
und unterliegt daher der Wirkung von magnetischen Störfeldern
Hs. Der erste Spulenabschnitt 6'' ist
am Punkt 14'' mit dem zweiten Spulenabschnitt 11'' verbunden.
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Der nachteilige Einfluss der den
Wirkungen von magnetischen Störfeldern
Hs ausgesetzten Fläche As wird
in herkömmlichen
Vorrichtungen teilweise verringert, indem eine grosse Anzahl von
Windungen vorhanden ist, so dass die Summe der Messflächen der
Windungen (N × Am) verhältnismässig gross
oder zumindest grösser
als die Fläche
As ist. Die grosse Anzahl von Windungen
hat aber nachteilige Auswirkungen auf die Leistung der Spule, indem
die Bandbreite und insbesondere die obere Frequenzgrenze herabgesetzt
wird, die durch die erste Resonanzfrequenz des Fühlerkreises bestimmt wird.
Es wird angenommen, dass das hauptsächlich wegen der vergrösserten
Länge des
Leiters erfolgt, die die Selbstinduktivität erhöht und kapazitive Kopplung
zwischen dessen Abschnitten herbeiführt.
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Die Impedanz-Übertragungsfunktion einer Luftspule
kann durch die folgende Gleichung angenähert werden:
die nur bis einschliesslich
der ersten Resonanzfrequenz gültig
ist und worin s der Laplace-Operator,
L und R die Reihen-Selbstinduktivität und der Reihenwiderstand
und C die Parallelkapazität
der Spule sind. Aus dieser Gleichung kann man somit ableiten, dass
die Resonanzfrequenz mit einer Vergrösserung des Gliedes s
2LC abnimmt, also mit einer Vergrösserung
der Selbstinduktivität
und der Kapazität
der Spule.
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In bestimmten Anwendungen wie Leistungsumformern
und Stromwandlern können
sehr hohe Ströme
raschen Veränderungen
unterliegen, die in der Grössenordnung
einiger tausend Ampere pro Mikrosekunde (kA/μs) liegen, was Frequenzkomponenten
bis ungefähr
108 Hz entspricht, die wegen der begrenzten
Bandbreite von herkömmlichen
Fühlern vom
Typ einer Rogowski-Spule nicht gemessen werden können.
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In einer herkömmlichen Rogowski-Spule des in 2 gezeigten Typs ist die
den magnetischen Störfeldern
Hs ausgesetzte Fläche As 100
bis 200 Mal grösser
als die Messfläche
Am einer Windung. Da aber 200 oder mehr
Windungen vorhanden sein können,
kann die gesamte Messfläche
geringfügig
grösser
als die den Störfeldern
ausgesetzte Fläche
sein, wodurch ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht wird.
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Die vorerwähnte Beschränkung von herkömmlichen
Fühlern
und die damit zusammenhängenden
Probleme sind, soweit bekannt, nicht angesprochen worden. In Fühlern gemäss der vorliegenden
Erfindung ist die den magnetischen Störfeldern ausgesetzte Fläche As gegenüber
herkömmlichen Vorrichtungen
signifikant herabgeetzt worden bzw. der Rückleiter kreuzt, wie in der
Ausführungsform
der 4, den ersten Spulenabschnitt,
so dass den Störfeldern
ausgesetzte, benachbarte Flächen
einen Stromfluss in entgegengesetzten Richtungen haben, der sich
gegenseitig aufhebt. Bevorzugt werden wie in der Ausführungsform
der 4 beide Massnahmen
in den erfindungsgemässen
Fühler
eingeführt. Die
Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf 3 bis 17 in
grösseren
Einzelheiten beschrieben werden.
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Auf 3 Bezug
nehmend, enthält
ein Stromfühler
einen Fühlerleiter 2 mit
Enden 3, 4 zur Verbindung mit einem Signalverarbeitungskreis
sowie einer Mehrzahl von Windungen 5, die einen ersten
Spulenabschnitt 6 bilden, der um eine Öffnung 7 herum angeordnet
ist, die einen Abschnitt 1 eines Primärleiters 1 aufzunehmen
bestimmt ist, in dem ein Strom Im fliesst,
der ein Magnetfeld Hm um den Leiter herum
erzeugt. Der erste Spulenabschnitt 6 ist am ersten seiner
Enden 12 mit dem ersten Fühlerleiterende 3 und
am zweiten Ende 13 mit einem zweiten Leiterabschnitt 11 am
Verbindungspunkt 14 verbunden, während der zweite Leiterabschnitt 11 an
seinem anderen Ende mit dem Fühlerleiterende 4 verbunden
ist. In
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3 stellen
die durchgezogenen Linien des Leiters Leiterbahnen oder Verdrahtung
auf einer Oberseite einer Leiterplatte 15 dar, die gestrichtelten Linien
stellen Leiterbahnen oder Verdrahtung auf einer Unterseite der Leiterplatte
dar. Die die Windungen 5 bildenden leitenden Bahnen sind
im Wesentlichen in Ebenen (radialen Ebenen) parallel zum Primärleiterabschnitt 1 angeordnet,
so dass die projizierte Fläche
jeder Windung in einer zum Primärleiterabschnitt
orthogonalen Ebene null oder nahezu null ist. Des Weiteren ist der
zweite Leiterabschnitt 11, der vom zweiten Ende des ersten
Spulenabschnitts zu dessen ersten Ende zurückführt, so nahe wie praktisch
möglich
am Aussenumfang 16 des ersten Spulenabschnitts ausgelegt,
so dass die von den Fühlerleiterabschnitten 11, 16 umschlossene
Fläche 17 in
ihrer Projektion auf eine zum Primärleiterabschnitt orthogonalen
Ebene so klein wie praktisch möglich
ist. Der Abstand des zweiten Leiterabschnitts 11 vom Aussenumfang 16 ist
von Herstellungstoleranzen sowie der Notwendigkeit bestimmt, einen
bestimmten isolierenden Abstand zwischen den Leiterabschnitten zu
wahren, um Kurzschlüsse oder
einen Durchschlag des Dielektrikums zu vermeiden.
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Der Einfluss von zum Primärleiterabschnitt 1 im
Wesentlichen parallelen magnetischen Störfeldkomponenten Hs ist
somit gegenüber
herkömmlichen Fühlern in
der vorliegenden Erfindung signifikant verringert. Da die Beziehung
zwischen der Messfläche Am einer Windung, d. h. der projizierten Fläche einer Windung
in einer zu dem zu messenden, erzeugten magnetischen Feld Hm orthogonalen Ebene, wesentlich grösser als
die projizierte Störfeldfläche As ist, die den Fühler in Gegenwart von Störfeldern
nachteilig beeinflussen kann, ist der vorliegende Fühler gegenüber herkömmlichen
Fühlern
stark verbessert, und die Anzahl N der Windungen kann verringert
werden, so dass sich auch die Bandbreite des Fühlers wegen der erhöhten Resonanzfrequenz
verbessert. Die Resonanzfrequenz wird insbesondere wegen der kürzeren Leiterlänge, die
die Selbstinduktivität
verringert, sowie des grösseren
Abstandes zwischen den Windungen, der die kapazitiven Effekte zwischen
den Windungen verringert, erhöht.
Es sei bemerkt, dass die Abhängigkeit
der Strommessung von der Platzierung des Primärleiters in der Mitte der Öffnung 7 oder an
einer anderen Position, für
die der Fühler
kalibriert wird, nicht vernachlässigt
werden kann, wenn zu wenige Windungen vorgesehen sind, und daher
wird eine optimale Anzahl von Windungen benötigt, die einen Kompromiss
zwischen dem Positionierfehler des Fühlers relativ zu einem Leiter,
der den zu messenden Strom führt,
und der Bandbreite, insbesondere der oberen Frequenzgrenze, darstellt.
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Um die Resonanzeigenschaften zu verbessern,
kann die Dielektrizitätskonstante
zwischen Windungen der Wicklung durch Anbringen von Einschnitten 18 oder
Einbringen von Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten
zwischen die Windungen angepasst werden.
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In Ausführungsformen der Erfindung
ist gefunden worden, dass für
einen Fühler
mit einem Aussendurchmesser Do von 65 mm
und einem Innendurchmesser Di von 23 mm
40 Windungen genügen, um
genaue Messungen ausführen
zu können,
während
die Auswirkungen der Positionierung des Primärleiters innerhalb der mittleren Öffnung vernachlässigbar
sind. Es sei bemerkt, dass die optimale Anzahl von Windungen vom
Aussen- und Innendurchmesser, Do und Di, des Fühlers
abhängt.
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Der Fühlerleiter 2 kann
in Gestalt von Leiterbahnen in oder auf einer Leiterplatte oder
in Gestalt von Draht vorliegen, der um eine Platte oder einen anderen
Träger
herumgewickelt ist, er kann auch mit verschiedenen anderen herkömmlichen
Verfahren der Spulenherstellung gefertigt werden.
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Auf 4 Bezug
nehmend, wird hier eine Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Fühlers gezeigt.
Im Folgenden werden sehr ähnliche
oder identische Konstruktionsmerkmale mit den gleichen Bezugszahlen
wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen bezeichnet und
daher nicht weiter beschrieben.
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In der Ausführungsform gemäss 4 kreuzt der zweite Leiterabschnitt 111,
der sich entlang des Aussenumfangs 16 des ersten Leiterabschnitts 6 erstreckt,
zwischen benachbarten Windungen 5 den ersten Leiterabschnitt,
so dass der zweite Leiterabschnitt und der Aussenumfang 16 des
ersten Leiterabschnitts umeinandergeschlungen sind. Die Leiterbahnen
auf der Unterseite der Leiterplatte 15 können mit
Bahnen auf der Oberseite der Leiterplatte zum Beispiel durch Durchgangslöcher oder
Durchkontaktierungen 19 verbunden sein, wie es zum Beispiel
von herkömmlichen
Konstruktionen her bekannt ist. Die Verschlingung der peripheren
Abschnitte des ersten und zweiten Leiterabschnitts erzeugt erste und
zweite, benachbarte Störfeldflächen 20, 21 in
der Projektion auf eine zum Primärleiterabschnitt
orthogonalen Ebene, die von Abschnitten 22, 23 des
Leiters 2 umschlossen werden, die kreisende Abschnitte des
Störfeldstromes
definieren. Die Leiter haben eine effektive Verschlingung, die so
wirkt, dass Spannungen, die in einem Teil induziert werden, exakt
durch Spannungen in angrenzenden Teilen kompensiert werden können. In
der Praxis kann dies durch Betrachtung eines fiktiven Stromes und
seiner Drehrichtung um die kompensierenden Flächen bewiesen werden. Ein durch
ein zu den Störfeldflächen 20, 21 orthogonales
Magnetfeld Hs induzierter elektrischer Strom
fliesst in entgegengesetzten Richtungen; zum Beispiel fliesst ein
im kreisenden Abschnitt 23 induzierter Strom im Gegenuhrzeigersinn,
währen
der im kreisenden Abschnitt 22 induzierte Strom im Uhrzeigersinn
fliesst. Wenn die Flächen 20, 21 von
im Wesentlichen der gleichen Grösse
sind, werden Spannungen gleicher Grösse, aber umgekehrten Vorzeichens
durch das magnetische Störfeld
Hs in den kreisenden Abschnitten induziert,
wodurch die Wirkung des magnetischen Störfelds aufgehoben wird. Die Fläche 17 der
Ausführungsform
der 3, die einer nichtkompensierten
Störfeldfläche entspricht,
die zwischen dem ersten und zweiten Leiterabschnitt gebildet wird,
ist somit in der Ausführungsform
der 4 im Wesentlichen
durch Kompensation beseitigt, und zwar mit Ausnahme der Eckflächen 24, 25 an
den Enden 12, 13 des ersten Spulenabschnitts 6, die
nicht kompensiert sind.
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In Fühlern gemäss dieser Erfindung wird bevorzugt,
die Leiterenden 3, 4 an eine sehr hohe Impedanz
im Bereich von 103 Ω anzuschliessen, um einen sehr
kleinen induzierten Strom zu erhalten, während die Signalmessung der
zwischen den Leiterenden 3, 4 induzierten Spannung
entspricht.
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Um die kapazitiven Effekte zwischen
den Durchkontaktierungen 19 nahe dem Innenumfang zu verringern,
kann ein leitender Abschirmring 26 mit sich radial erstreckenden
Abschirmbahnen 27, die zwischen benachbarten Windungen 5 angeordnet sind,
vorgesehen werden. Der Abschirmring kann elektrisch mit dem ersten
oder zweiten Leiterabschnitt verbunden werden.
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Auf 5 Bezug
nehmend, wird hier eine weitere Ausführungsform gezeigt, die sich
von der Ausführungsform
der 4 im Wesentlichen
dadurch unterscheidet, dass der zweite Leiterabschnitt 211 in
Gestalt eines zweiten Spulenabschnitts vorliegt, der den ersten
Spulenabschnitt 206 durchschiesst. Wie in 5 zu sehen, sind die Aussenumfangsabschnitte 216 des
ersten Spulenabschnitts 206 auf der Oberseite der Leiterplatte 15 angeordnet, die
Aussenumfangsabschnitte 216' des zweiten Spulenabschnitts 211 sind
auf der Oberseite, und sie überlappen
einander, um in der Projektion auf eine zum Primärleiterabschnitt orthogonalen
Ebene eine Mehrzahl von im Gegenuhrzeigersinn kreisenden Abschnitten 222 des
Störfeldes
sowie eine Mehrzahl von im Uhrzeigersinn kreisenden Abschnitten 223 des
Störfeldes
zu erzeugen, die die induzierte Spannung eines magnetischen Störfeldes
Hs ausheben. Des Weiteren werden für die aushebende
Wirkung die Störfeldflächen 220, 221,
die in die kreisenden Abschnitte 222, 223 eingeschlossen
sind, so klein wie praktisch möglich
gemacht, ohne eine kapazitive Kopplung zum Beispiel zwischen Durchkontaktierungen
und angrenzenden Leitern zu bewirken, die die Resonanzfrequenz des
Fühlers
verringern könnte.
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Auf 6 Bezug
nehmend, die Bode-Auftragungen der Impedanz gegen die Frequenz für einen Fühler ählicher
Konstruktion wie der Ausführungsform
der 5 zeigt, wo der
Innendurchmesser Di 23 mm, der Aussendurchmesser
Do 65 mm und die Gesamtzahl N von Windungen
des ersten und zweiten Spulenabschnitts 45 beträgt. Die
Bode-Auftragungen der 6 zeigen,
dass die erste Resonanzfrequenz des Fühlers gerade über 34 MHz
liegt, was signifikant höher
als die Resonanzfrequenz herkömmlicher
Fühler
ist, die, soweit bekannt, wenige MHz nicht übersteigt. Des Weiteren entspricht
die nichtkompensierte Störmessfläche der
Fühler-Ausführungsform
der 5 den projizierten
Flächen 224, 225,
die in ihrer Grösse
vergleichbar (d. h. weniger als zehnmal so gross wie) oder kleiner
als die Messfläche
Am einer Windung sind, während
in einer herkömmlichen
Konstruktion die Störfeldfläche, wie
schon erwähnt,
etwa 100 bis 200 Mal grösser
als die Messfläche
einer Windung sein kann.
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In einem Fühler gemäss 7 hat der erste Leiterabschnitt Windungen 305,
die am Rückverbindungspunkt 14 mit
dem zweiten Leiterabschnitt 311 verbunden sind, der sich
nur auf der Unterseite der Platte 15 erstreckt. Der überlappende
erste und zweite Leiter abschnitt bildet im Gegenuhrzeigersinn kreisende
Störfeldabschnitte 322 und
im Uhrzeigersinn kreisende Störfeldabschnitte 323,
die jeweils Störfeldflächen 320 bzw. 321 von ähnlicher
Grösse
einschliessen, so dass die durch ein magnetisches Störfeld Hs induzierte Spannung im Wesentlichen aufgehoben
wird. Es sei bemerkt, dass die Flächen 320, 321 in
dieser Ausführungsform
nicht identisch sind, da sie unterschiedliche mittlere Abstände vom
Rand 26 der Platte 15 haben, wobei sich die Wirkung
eines magnetischen Störfeldes
Hs, das durch einen Störstrom Is in
einem Leiter 9 erzeugt wird, wie 1/r verringert, wo r der
radiale Abstand von der Mitte des Leiters 9 ist.
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In einem Fühler gemäss 8, der mit einem ersten Leiterabschnitt 406 mit
Windungen 405 versehen ist, die am Rückverbindungspunkt 14 mit einem
zweiten Leiterabschnitt 411 verbunden sind, der konzentrisch
um den Innenumfang nahe einer mittleren Position zwischen dem Innen-
und Aussenumfang des ersten Spulenabschnitts auf einer Oberseite
der Platte 15 zum Leiterende 4 zurückkehrt.
Die Leiterabschnitte der Windungen 405 auf der Oberseite
werden durch Lücken 27 unterbrochen,
neben denen Oberflächen-Anschlusspunkte 28 für den Anschluss
von Impedanzen über
die Lücken,
zum Beispiel von auf die Oberfläche
aufgesetzten Widerständen,
liegen. Die Impedanzen können
so gewählt
werden, dass die Leistung des Fühlers
verbessert wird, zum Beispiel durch Dämpfung der ersten Resonanzfrequenz.
Wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen der 4 bis 7 haben im Uhrzeigersinne und im Gegenuhrzeigersinne
kreisende Störfeldabschnitte 422, 423 eine
aufhebende Wirkung. Die kreisenden Abschnitte 422 auf der
radial gesehen inneren Seite des zweiten Leiterabschnitts 411 haben
aus den bereits erwähnten
Gründen
eine grössere
projizierte Fläche 420 als
die Fläche 421 des kreisenden
Störfeldabschnitts 423 auf
der radial gesehen äusseren
Seite des zweiten Leiterabschnitts 411, d. h. um die unterschiedlichen
Abstände
von einem ein magnetisches Störfeld
erzeugenden Leiter in Rechnung zu ziehen.
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Im Fühler gemäss 9 hat sowohl der erste Leiterabschnitt 506 als
auch der zweite Leiterabschnitt 511 Windungen, die durch
Lücken 27, 29 unterbrochen
werden, neben denen sich Oberflächen-Anschlusspunkte 28, 30 befinden,
wo die Windungen sich durch die Lücken 27, 29 hindurch überkreuzen.
Wie in der vorangehenden Ausführungsform überbrücken Impedanzen
die Anschlusspunkte 28, 30. Benachbarte kreisende
Störfeld abschnitte 522, 523 haben
einander entgegengesetzte Kreisrichtungen, wodurch die Wirkung der
magnetischen Störfelder
Hs aufgehoben wird.
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Auf 10 Bezug
nehmend, können,
während
die vorher angeführten
Ausführungsformen Spulenabschnitte
in Gestalt von Luftspulen aufwiesen, die Spulenabschnitte auch mit
einem Kern 31 versehen sein, der eine magnetische Durchlässigkeit von
mehr als 1 besitzt, um das magnetische Feld in den Spulenabschnitten
und somit die Grösse
des Ausgangssignals zu erhöhen,
obwohl die durch Hysterese des Kerns eingeführte Nichtlinearität in Betracht
gezogen werden muss. Der Kern 31 kann zum Beispiel aus
Ferrit bestehen und in einer Schicht 32 einer Mehrschichtenplatte
oder eines Stapels von Platten untergebracht sein, wobei die obere
und untere Schicht 33, 34 mit den Leiterbahnen 35, 36 der Windungen
versehen ist, die zum Beispiel durch Durchkontaktierungen 37 miteinander
verbunden sind. Schichten oder Platten können auch gestapelt werden,
um die Messfläche
Am der Windungen und somit die Grösse des Ausgangssignals zu
erhöhen.
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In einem Fühler gemäss 11a und 11b, der
eine Mehrschichtenplatte oder gestapelte Platten 615 mit
zumindest drei Schichten 633, 632, 634 umfasst,
sind die Windungen 605 des ersten Leiterabschnitts 606 auf
der Ober- und Unterseite der oberen bzw. unteren Schicht 633, 634 angebracht,
während die
Windung 605' des zweiten Leiterabschnitts 611 auf
der Ober- und Unterseite der Innenschicht 632 angebracht
ist, die zwischen der oberen und unteren Schicht 633, 634 angeordnet
ist. Der überlappende erste
bzw. zweite Spulenabschnitt 606, 611 definiert aneinander
angrenzende, im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn kreisende
Störfeldabschnitte 622, 623 von
im Wesentlichen der gleichen Fläche 620, 621,
wodurch die durch ein magnetisches Störfeld Hs induzierte
Spannung aufgehoben wird.
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Auf die Ausführungsform der 12a bis 12d Bezug
nehmend, die eine Zweischichtenplatte bzw. gestapelte Platten mit
den Schichten 733, 734 mit einer dazwischenliegenden
isolierenden Schicht 732 zeigt. Die Windungen 705 des
ersten Leiterabschnitts 706 sind auf der oberen Schicht 733,
die Windungen 705' des zweiten Leiterabschnitts 711 sind
auf der unteren Schicht 734 angeordnet. Die Windungen sind
so angeordnet, dass die Leiterbahnen der entsprechenden Abschnitte
der Windungen direkt darüber
bzw. darunter und miteinander ausgerichtet positioniert sind, wie
am besten in den schematischen Zeichnungen der 12b und 12c zu
sehen. So definieren der obere Zweig 38 und der untere Zweig 39 sowie
die orthogonalen Endzweige 41, 42, 43, 44 zusammen
eine Messwindung mit einer Messfläche Am,
während
der untere Zweig der oberen Windung und der obere Zweig der unteren
Windung, 45 bzw. 46, in denen Strom in entgegengesetzten
Richtungen fliesst, einander ausheben. Durch diesen Ausbau werden
Flächen
orthogonal zur Richtung des zu messenden primären Stromes, die der Wirkung von
magnetischen Störfeldern
unterliegen, ausgeschaltet, ausgenommen die Fläche 724 an der Verbindung
der Leiterenden 3, 4 mit dem ersten bzw. zweiten
Leiterabschnitt 706, 711.
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In 12c sind
der erste und zweite Leiterabschnitt am Rückverbindungspunkt 714 an
den Durchkontaktierungs-Grenzflächen 714', 714'' der oberen
bzw. unteren Schicht 733, 734 miteinander verbunden.
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In der Ausführungsform der 13a ist der Fühler mit zwei getrennten Fühlerleitern 802, 802' versehen,
die Leiterenden 804, 803 bzw. 804', 803' für einen
Anschluss an einen Signalverarbeitungskreis besitzen. Die zwei getrennten
Leiter 802, 802', die auf trennbaren Plattenhälften 815, 815' angebracht
sind, ermöglichen
die Positionierung um den Primärleiter 1 herum.
Die Windungen des ersten und zweiten Leiterabschnitts können im
Wesentlichen die gleichen wie die der anderen Ausführungsformen sein,
zum Beispiel wie die der Ausführungsform
der 5, ausser dass der
Rückverbindungspunkt 814, 814' ungefähr halb
herum gelegen ist, d. h. 180° von den
Leiterenden 803, 804 bzw. 803', 804'.
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Wie in 13b gezeigt,
können
die Platten 815, 815' überlappend sein, wobei die
Verschiebung einer Platte relativ zur anderen in der Richtung des Stromflusses
eine vernachlässigbare
Wirkung hat.
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Im Wesentlichen das gleiche Prinzip
wird in der Ausführungsform
gemäss 16 wiederholt, wo die beiden
Hälften 915, 915' um
einen Angelpunkt 47 offen geschwenkt werden können, indem
die Fingergriffe 48 zusammengedrückt werden, die von einer Feder 49 auseinandergehalten
werden.
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Wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform
sind die ersten und zweiten Leiterabschnitte 906, 911, 906', 911' an
den Rückverbindungspunkten 914 bzw. 914' verbunden.
Es kann bei der Ausführungsform
der 16 bemerkt werden, dass
der Fühler Öffnungen
verschiedener Gestalt haben kann, zum Beispiel die längliche Öffnung 907, um
die rechteckigen Primärleiter 1' aufnehmen
zu können,
wie sie typischerweise in Starkstromleitungen mit hoher Amperezahl
verwendet werden.
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Die ersten Spulenabschnitte 906, 906' der beiden
Hälften 915, 915' sind
am Angelpunkt 47 miteinander verbunden, so dass die beiden
Enden 903, 904 der zweiten Leiterabschnitte 911' bzw.
911 die Leiterenden für
den Anschluss des Signalverarbeitungskreises bilden.
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In der Ausführungsform der 16 werden die zweiten Leiterabschnitte 911, 911' von
den peripheren Abschnitten 916 der entsprechenden ersten Spulenabschnitte
gekreuzt, so dass aneinander angrenzende, im Uhrzeigersinn und im
Gegenuhrzeigersinn kreisende Störfeldabschnitte 922, 923 gebildet
werden, die wie in vorher beschriebenen Ausführungsformen die Wirkungen
der magnetischen Störfelder
Hs ausheben.
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15 zeigt
eine Ausführungsform,
die in ihrem Ausbau der Ausführungsform
von 16 sehr ähnlich ist,
ausser dass der Fühler
mit einem offenen Ende 50 versehen ist und daher den Primärleiter 1' nicht
völlig
umgibt, weshalb diese Ausführungsform nicht
auseinanderklappbar sein oder anderweit getrennt werden muss. Jedoch
muss die Gegeninduktivität
zwischen dem Primärleiter
und den Fühlerspulenabschnitten
bestimmt werden, da die Spule den Primärleiter nicht völlig umgibt.
Es sei bemerkt, dass in anderen hier beschriebenen Ausführungsformen der
Träger
bzw. die Platte 15 biegsam sein kann, so dass er/sie aus
seiner/ihrer Ebene herausgebogen werden kann, um einen Schlitz 57 zwischen
den Enden 12, 13 der Spulenabschnitte zu öffnen (siehe 3) und den Fühler um
den Primärleiter
zu positionieren.
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Auf 17a und 17b Bezug nehmend, wird hier
ein Fühler
nach einer anderen Ausführungsform der
Erfindung zur Messung von zeitlich variablen Strömen zwischen einem entsprechenden
Paar von Primärleitern 1', 1'' in
Gestalt von flachen Starkstromleitern oder Blechsammelschienen gezeigt.
Der Fühler
umfasst einen Leiter 1002 zum Beispiel in Gestalt von Leiterbahnen
auf einer Leiterplatte 1015, wobei der Leiter aus einem
ersten Leiterabschnitt 1006 mit einer Mehrzahl von Windungen 1005 besteht,
der an seinem zweiten Ende 1013 beim Verbindungspunkt 1014 mit
einem zweiten Leiterabschnitt 1011 verbunden ist, der den
Leiter zum ersten Ende 1012 des ersten Spulenabschnitts
zurückführt, sowie
das Verbindungsende 4 zum Anschluss an einen Signalverarbeitungskreis.
Eine Isolierschicht 51 ist auf beiden Seiten der Platte 1015 vorgesehen,
um den Fühler bezüglich der
Primärleiter 1', 1'' zu
isolieren. Das zu messende Magnetfeld Hm,
das von den Primärströmen Im und -Im erzeugt
wird und zwischen den Leitern kreist, ist gut definiert und im Wesentlichen
konstant über
die Länge
und Höhe
des Fühlers,
so dass der zu messende Strom präzise
bestimmt werden kann. Ein bedeutender Vorteil dieser Ausführungsform
ist ihre Kompaktheit und die Möglichkeit,
sie leicht zwischen Paaren von Starkstromleitern zu positionieren,
und zwar an vielen verschiedenen Positionen entlang dieser Leiter,
in überfüllten Umgebungen
oder wo Leiter schwer zugänglich
sind.
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Der Fühler der 17a und 17b kann
aber auch ein Element einer Kette von Fühlerelementen, zum Beispiel
in Gestalt eines Gürtels
sein, der um einen der Starkstromleiter herumgeklemmt werden kann,
wodurch das Messprinzip eines Rogowski-Spulenfühlers verwendet wird. Der erste
bzw. zweite Leiterabschnitt 1006, 1011 hat eine
Auslegung, die den entsprechenden Abschnitten der Ausführungsform
der 15 oder 16 ähnlich ist, wodurch kreisende
Leiterabschnitte, die magnetischen Störfeldern ausgesetzt sind, auf
ein praktisches Minimum verringert (wobei der erforderliche dielektrische Abstand
und die Herstellungstoleranzen in Rechnung gezogen werden) und mit
kreisenden Abschnitten 1022, 1023 versehen werden,
die sich gegenseitig kompensieren.
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Zu 14 zurückkehrend,
ist hier eine Fühler-Ausführungsform
gezeigt, die der von 5 ähnlich ist,
ausser dass die Windungen 205 des ersten und zweiten Spulenabschnitts
als durch Zwischenräume 53 getrennte
Pakete 52 zur Verfügung
gestellt werden, um die Resonanzfrequenz zu erhöhen, und zwar aus ähnlichen
Gründen
wie die Bereitstellung von Windungspaketen in Transformatoren.