DE69737466T2

DE69737466T2 - Paketkern in Form einer 8 für Leistungsmesser

Info

Publication number: DE69737466T2
Application number: DE69737466T
Authority: DE
Inventors: Wendell R. Dunwoody Goodwin; David N. Seneca Makinson; Richard Seneca Timko
Original assignee: Itron Inc
Current assignee: Itron Inc
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2017-03-29
Also published as: EP0803732A2; ES2284179T3; EP0803732A3; US5694103A; DE69737466D1; EP0803732B8; EP0803732B1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Messgeräte zur Messung des elektrischen Energieverbrauchs und spezieller ferromagnetische Kerne, die in solchen Messgeräten benutzt werden, um den elektrischen Strom in einen proportionalen elektrischen Fluss zur Erkennung und Messung mit einem Hall-Effekt-Sensor umzuwandeln.
Messgeräte zur Messung des elektrischen Energieverbrauchs sind lange ein integraler Bestandteil von elektrischen Energieversorgungsnetzen gewesen. Üblicherweise sind solche Messgeräte an dem Punkt in den elektrischen Schaltkreis eingefügt, wo die elektrische Energie in einen Haushalt oder eine Firma gelangt, um die vom Verbraucher verbrauchte Gesamtenergie zu messen und anzuzeigen, normalerweise in Kilowattstunden.
Obwohl Elektrizitätszähler sich in Design und Betrieb beträchtlich voneinander unterscheiden, muss jeder die Anforderung erfüllen, den elektrischen Strom zu messen, der in einen Haushalt oder eine Firma gelangt. Ein Verfahren zur Messung von Strom ist es, einen ferromagnetischen Ringkern mit einem Luftspalt bereitzustellen, der an einem ausgewählten Ort des Umfangs des Kerns gebildet wird. Die elektrische Versorgungsleitung oder die elektrischen Versorgungsleitungen sind so angeordnet, dass sie durch die Mitte des Kerns verlaufen. Wenn Strom durch die Leiter fließt, wird um die Leiter ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt, das proportional zur Größe des Stromes ist. Dieses Feld wiederum induziert einen magnetischen Fluss im ferromagnetischen Kern und über den im Kern gebildeten Luftspalt. In dem Luftspalt befindet sich ein Hall-Effekt-Sensor und erzeugt eine messbare Hall-Spannung, die proportional zur magnetischen Flussdichte im Luftspalt und zum an den Sensor gelieferten Vorstrom ist. Wenn der Vorstrom propor tional zum Momentanwert der Netzspannung gemacht wird, ist das Ausgangssignal des Hall-Sensors ein Maß für die Leistung.
Obwohl Ringkerne mit Luftspalt des gerade beschriebenen Typs zweckmäßig sind, weisen sie trotzdem bestimmte inhärente Probleme und Nachteile auf. Zum Beispiel zeigen solche Kerne die Tendenz, bei relativ kleinen Pegeln des Flusses in die magnetische Sättigung zu gehen, teilweise wegen der nicht gleichmäßigen Verteilung der Flussdichte im Kern, was zu lokalen Sättigungszonen führt. Wenn Sättigung auftritt, ist die magnetische Flussdichte im Luftspalt nicht mehr proportional zum Strom, der in dem Stromversorgungs-Leiter fließt, und die Genauigkeit des Messgerätes verschlechtert sich. Als Folge davon müssen größere und voluminösere Kerne verwendet werden, was aus mehreren Gründen nicht wünschenswert ist.
Es wurden dreischenklige so genannte ferromagnetische "Ziffer 8"-Messgeräte-Kerne entwickelt. Ein solcher Kern wird in US-Patent Nr. 4,742,296 von Petr, et al. gezeigt. Ziffer-8-Kerne sind aus ferromagnetischem Material geformt und haben grob die Form der Ziffer 8 mit drei Schenkeln, zwei End-Schenkeln und einem Mitten-Schenkel. Im Mitten-Schenkel wird ein Luftspalt gebildet. Diese Kerne kann man sich als zwei Ringkerne vorstellen, die entlang einem gemeinsamen Schenkel miteinander verbunden sind und in diesem Schenkel einen gemeinsamen Luftspalt haben. In dem Luftspalt befindet sich ein Hall-Effekt-Sensor, um die magnetische Flussdichte darin zu messen. Ein elektrischer Stromversorgungs-Leiter, der den zu messenden Strom führt, wird zuerst durch eine der Öffnungen des Kerns und dann zurück durch die andere Öffnung geführt. Wenn ein elektrischer Strom durch den Leiter fließt, wird in den Flügeln des Kerns ein entgegengerichteter magnetischer Fluss erzeugt. Der Fluss jedes Flügels mischt sich mit dem Fluss des anderen Flügels im gemeinsamen mittleren Schenkel des Kerns, und der gemeinsame Fluss durchläuft den im gemeinsamen Schenkel gebildeten Luftspalt. Der Hall-Effekt-Sensor misst dann den magnetischen Fluss im Luftspalt als Angabe des Stroms, der im Stromversorgungs-Leiter fließt.
Ziffer-8-Messgeräte-Kerne haben den Vorteil, dass sie einen größeren magnetischen Gesamt-Fluss aufnehmen, bevor sie in die Sättigung gehen. Somit hat die in Petr, et al. gezeigte Konfiguration einen inhärent größeren Dynamikbereich als einfache Ringkerne ähnlicher Größe. Trotzdem hat sich bei Ziffer-8-Kernen nach dem bisherigen Stand der Technik auch erwiesen, dass sie ihre eigenen Nachteile haben, durch die ihr Dynamikbereich und somit ihre Genauigkeit begrenzt werden können. Zum Beispiel kann die im Allgemeinen eckige oder quadratische Konfiguration von Kernen nach dem bisherigen Stand der Technik, wie z.B. die in Petr et al. gezeigte, zu einer vorzeitigen magnetischen Sättigung führen. Der Grund dafür ist, dass die magnetische Flussdichte dazu tendiert, sich in den Ecken und Kurven des Kerns zu erhöhen. Somit erreichen diese Bereiche ihre Sättigungspunkte eher als andere Abschnitte des Kerns, wodurch der ganze Kern in die Sättigung geht, auch wenn der mittlere magnetische Fluss unter dem natürlichen Sättigungspunkt des ferromagnetischen Materials liegt.
Eine andere Quelle der vorzeitigen Sättigung in Ziffer-8-Kernen nach dem bisherigen Stand der Technik sind magnetische Wirbelströme, die durch den magnetischen Fluss im Kern erzeugt werden. Diese kleinen Wirbelströme zirkulieren im Kernmaterial in einer Richtung, die quer zur Richtung des Primärflusses verläuft. Die Folge ist ähnlich einer Turbulenz in einer Flüssigkeit und hat die Wirkung, dass die Sättigungsgrenze des Kerns verringert wird. Somit wird der Dynamikbereich des Messgeräte-Kerns durch die Erzeugung dieser magnetischen Wirbelströme verringert.
Ein weiteres Problem bei Kernen nach dem bisherigen Stand der Technik ergibt sich aus der Tatsache, dass ihre mittleren Schenkel üblicherweise dieselben oder ähnliche Abmessungen wie der Rest des Körpers des Kerns haben. Zusätzlich dazu sind die Stirnflächen des im Schenkel gebildeten Luftspaltes, in dem sich der Hall-Effekt-Sensor befindet, eben und scharfkantig. Die kombinierten Folgen sind vielfältig. Erstens kann, da der mittlere Schenkel im Allgemeinen den doppelten magnetischen Fluss aufnehmen muss wie der Rest des Kerns, er offensichtlich eher als der Körper in die magnetische Sättigung gehen. Wieder bedeutet die Sättigung an einer beliebigen Stelle des Kerns die Sättigung des gesamten Kerns und die Verschlechterung der resultierenden Messungen. Vielleicht noch kritischer ist die Tatsache, dass die magnetische Flussdichte im Luftspalt bei Kernen nach dem bisherigen Stand der Technik nicht gleichmäßig ist. Diese Ungleichmäßigkeit ist die Folge von Randeffekten am Rand des Luftspaltes, wo sich die magnetischen Flusslinien vom Luftspalt weg nach außen wölben. Weiterhin kann durch ein Phänomen, das als Umgehung (Bypassing) bekannt ist, sich die Gleichmäßigkeit der Flussdichte im Luftspalt noch weiter verschlechtern. Umgehung bezeichnet die Situation, in der magnetische Flusslinien aus den Rändern der Stirnflächen des Luftspaltes austreten und an einer anderen Stelle wieder in das Kernmaterial eintreten, zum Beispiel weiter oben im mittleren Schenkel. Durch jedes dieser Phänomene kann sich die Vollständigkeit des magnetischen Flusses im Luftspalt verringern und entsprechend die Genauigkeit der mit dem Kern durchgeführten Messungen reduzieren.
In EP 459 570 A1 wird eine Induktivitäts- oder Transformator-Vorrichtung, insbesondere für ein Schaltnetzteil, offen gelegt. Diese Vorrichtung dient nicht zur Bereitstellung eines ferromagnetischen Kerns für Elektrizitätszähler. Wie in EP 459 570 A1 beschrieben, kann ein Doppelring einen Luftspalt in einem End-Schenkel oder in beiden End-Schenkeln haben, um einen ähnlichen Leitfähigkeits-Verlauf zu haben wie ein einzelner Ring mit einem stufenförmigen Luftspalt.
EP 012 629 A1 beschreibt eine elektrische Drosselspule, die in der Lage ist, die Ableitung von Störungen zu verhindern, die in einer thyristor-gesteuerten reversiblen Dreiphasen-Zweiweggleichrichter-Brücke zum Zeitpunkt der Kommutierung erzeugt werden. Die magnetischen Flüsse der verschiedenen elektrischen Drosselspulen, die in dieser Referenz offen gelegt werden, nutzen ein Umgehungs-Element über verschiedene Luftspalte, um einen magnetischen Umgebungs-Pfad um einen solchen Luftspalt zu bilden. Es wird jedoch kein Hinweis gegeben, wie ein Elektrizitätszähler-Kern mit den oben angegebenen Nachteilen optimiert werden kann.
Somit besteht ein anhaltender und bisher nicht befriedigter Bedarf an einem verbesserten Ziffer-8-Elektrizitätszähler-Kern, der die Probleme und Nachteile des bisherigen Standes der Technik behandelt und löst und zu einem Zähler mit einem höheren Dynamikbereich führt und die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit verbessert. Ein solcher Kern muss so konfiguriert sein, dass er eine gleichmäßigere Flussdichte in dem ferromagnetischen Material des Kerns sicherstellt, um lokale Sättigungszonen zu vermeiden. Weiterhin muss der mittlere, den Luftspalt aufweisende Schenkel so konfiguriert sein, dass er einen höheren magnetischen Fluss aufnehmen kann, so dass der Sättigungspunkt des Schenkels zum Rest des Kerns passt. Die Stirnflächen des Luftspaltes müssen so konfiguriert sein, dass sie die Rand- und Umgehungs-Effekte auf ein Minimum reduzieren und sicherstellen, dass der magnetische Fluss in dem Bereich, in dem sich der Hall-Effekt-Sensor befindet, so gleichmäßig wie möglich ist. Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Elektrizitätszähler-Kerns, der diese Zwecke erfüllt.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen ferromagnetischen Kern für Elektrizitätszähler bereitzustellen, der einen hohen Sättigungspunkt und somit einen weiteren Dynamikbereich als Kerne nach dem bisherigen Stand der Technik hat.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen ferromagnetischen Kern für Elektrizitätszähler bereitzustellen, bei dem Rand- und Umgehungs-Effekte am Luftspalt verringert sind, um einen gleichmäßigeren Fluss im Luftspalt bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen ferromagnetischen Kern für Elektrizitätszähler bereitzustellen, bei dem magnetische Wirbelströme im Kernmaterial reduziert sind.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrizitätszähler-Kern-Konfiguration bereitzustellen, in der der Stromverbrauch in einem Zweiphasen-Stromversorgungsnetz genauer gemessen werden kann.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten ferromagnetischen Kern für Elektrizitätszähler bereitzustellen, der wirtschaftlich herzustellen ist und der dennoch gegenüber Kern-Konfigurationen nach dem bisherigen Stand der Technik eine verbesserte Leistungsfähigkeit zeigt.
Kurz beschrieben umfasst die vorliegende Erfindung einen ferromagnetischen Ziffer-8-Kern für Elektrizitätszähler, dessen Körper zwei voneinander getrennte Öffnungen hat, durch die elektrische Stromversorgungs-Leiter durchgeschleift werden können. Die Kern-Öffnungen haben anstelle von eckigen Übergängen ein gekrümmtes oder weiches Profil, um die lokale Sättigung zu verringern, die bei Kernen nach dem bisherigen Stand der Technik häufig auftrat. Zwischen den beiden Öffnungen wird ein mittlerer Schenkel definiert, und im mittleren Schenkel wird ein Luftspalt gebildet. Im Betrieb wird ein Hall-Effekt-Sensor oder ein anderer Sensor für den magnetischen Fluss im Luftspalt angeordnet, um im Betrieb des Kerns den magnetischen Fluss im Luftspalt zu erkennen und zu messen.
Der Körper des Kerns hat einen geschichteten Aufbau, wobei eine Vielzahl von ferromagnetischen Platten, welche die Ziffer-8-Form des Kerns haben, bezogen aufeinander jeweils nebeneinander zusammengepackt ist. Es hat sich gezeigt, dass diese Konfiguration den magnetischen Widerstand des Kerns bezogen auf den magnetischen Widerstand in der Ebene des Kerns in Querrichtung beträchtlich erhöht. Das Ergebnis ist eine beträchtliche Verringerung der magnetischen Wirbelströme im Kernmaterial und ein entsprechender Anstieg der Gleichmäßigkeit des Flusses, des Dynamikbereichs und der Genauigkeit. Die Platten des geschichteten Kerns werden durch ein System von Verriegelungsvorsprüngen zusammengehalten, um Schweißverbindungen oder Nieten zu vermeiden, die einen Quer-Pfad für den magneti schen Fluss bereitstellen können und den Zweck der geschichteten Konstruktion zunichte machen können.
Der mittlere Schenkel des Kerns ist so konfiguriert, dass er ungefähr die doppelte Querschnittsfläche wie die anderen Schenkel im Kern hat. Auf diese Weise geht der mittlere Schenkel, der den kombinierten magnetischen Fluss von beiden Seiten des Kerns aufnehmen muss, nicht vor anderen Teilen des Kerns in die magnetische Sättigung und begrenzt somit nicht den Dynamikbereich des Kerns. Zusätzlich dazu kann der Hall-Effekt-Sensor im zentralen Teil des Luftspaltes entfernt von jeder Seite angeordnet werden. Auf diese Weise wird der Sensor einem magnetischen Fluss ausgesetzt, der gleichmäßiger ist und weniger durch Randeffekte und andere Effekte beeinflusst wird, die an den Enden des Luftspaltes auftreten können. Dies führt zu einer genaueren Erkennung und Messung des Flusses.
Die Ränder jeder Fläche des Luftspaltes werden in einer abgeschrägten oder abgerundeten Konfiguration geformt. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch magnetische Randeffekte und Umgehungseffekte an den Enden des Luftspaltes verringert werden und folglich die Gleichmäßigkeit und Konsistenz des magnetischen Flusses im Luftspalt erhöht wird. Dies wiederum erhöht die Zuverlässigkeit des Messgerätes.
Eine weitere neuartige Eigenschaft der Erfindung ist die Konfiguration der Stromversorgungs-Leiterschleifen, die sich durch die Öffnungen des Kerns erstrecken. Für Zweiphasen-Stromversorgungsnetze in den USA ist der Leiter für eine Seite der Stromversorgung mit einer U-förmigen Biegung geformt, die in einer ersten Richtung durch eine Öffnung und dann zurück durch die andere geführt wird. Der Leiter für die andere Seite der Stromversorgung ist mit einer gleichen U-förmigen Biegung geformt und wird in entgegengesetzter Richtung durch die Kern-Öffnungen geführt. Weiterhin sind die beiden Schleifen so positioniert, dass ihre entsprechenden Schenkel im Kern bezogen aufeinander eine Darüber-Darunter-Konfiguration bilden. Das heißt, in einer Öffnung des Kerns ist einer der Leiter unter dem anderen positioniert, während in der anderen Öffnung der andere unter dem einen positioniert ist. Es hat sich gezeigt, dass diese Konfiguration eine gleichmäßigere Flussdichte im Kern erzeugt, die proportional zur Summe der elektrischen Ströme ist, die durch jeden Stromversorgungs-Leiter fließen. Wieder ist das Gesamtergebnis eine Verbesserung des Dynamikbereichs und der Zuverlässigkeit des Kerns.
Somit kann man sehen, dass nun ein verbesserter ferromagnetischer Elektrizitätszähler-Kern bereitgestellt wird, der die Probleme des bisherigen Standes der Technik erfolgreich löst. Der Kern hat einen größeren Dynamikbereich, weil durch die Konfiguration des Kerns die lokale magnetische Sättigung beträchtlich verringert wird. Ferner werden durch die geschichtete Struktur des Kerns Wirbelströme verringert und der Wirkungsgrad des Kerns somit erhöht. Der Luftspalt im mittleren Schenkel des Kerns ist so dimensioniert, dass er einen Hall-Effekt-Sensor in einem Bereich eines gleichmäßigeren Flusses aufnehmen kann und dass die Stirnflächen des Luftspaltes so geformt sind, dass Randeffekte und Umgehungseffekte, die den Kern-Wirkungsgrad verringern können, reduziert werden. Die Darüber-Darunter-Konfiguration der Stromversorgungs-Leiterschleifen des Kerns erhöht die Gleichmäßigkeit der Flussdichte im Kern noch weiter und trägt somit zum größeren Dynamikbereich und Wirkungsgrad des Kerns bei.
Diese und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile werden deutlicher, wenn man die unten angegebene detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
1 ist eine Vorderansicht eines üblichen Zähler-Kerns nach dem bisherigen Stand der Technik, die einige seiner Nachteile zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration eines ferromagnetischen Elektrizitätszähler-Kerns, der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten Form enthält.
2a ist eine schematische Darstellung eines Zweiphasen-Stromversorgungsnetzes.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer der Stirnflächen des Luftspaltes, die seine einzigartige Konstruktion des Randes zeigt.
4 ist eine Vorderansicht des Luftspalt-Teils des Kerns des Patentanmelders, die eine bevorzugte Anordnung eines Hall-Effekt-Sensors in dem Luftspalt zeigt.
5 ist eine Explosionszeichnung des Kerns des Patentanmelders, die dessen geschichtete Konstruktion zeigt.
6 zeigt einen Querschnitt eines Abschnitts der Schichten des Kerns des Patentanmelders, und zeigt ein Verfahren zur Verbindung der Kern-Schichten miteinander, um quergerichtete Fluss-Pfade im Kern zu vermeiden.
7 ist eine Ansicht von oben auf die Stirnflächen des Luftspaltes, die zeigt, wie die Schichten geformt sind, um die abgeschrägten Ränder der Luftspalt-Stirnfläche festzulegen.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die den abgeflachten U-förmigen Leiter der Erfindung zeigt.
Bezieht man sich nun detaillierter auf die Zeichnungen, in denen gleiche Ziffern in den verschiedenen Ansichten gleiche Teile bezeichnen, zeigt 1 eine Vorderansicht eines üblichen Ziffer-8-Elektrizitätszähler-Kerns nach dem bisherigen Stand der Technik. Ein solcher Kern wird in US-Patent Nr. 4,742,296 von Petr, et al. gezeigt und erläutert. Im Allgemeinen wird der Kern 11 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt und hat einen ersten Schenkel 12, einen zweiten Schenkel 13 und einen dritten Schenkel 14. Die Schenkel 12, 13 und 14 sind durch die Schenkel 16 und 17 verbunden, um die fertige rechteckige Ziffer-8-Form zu bilden. Im Allgemeinen wird der Kern 11 aus einem einzigen Stück ferromagnetischen Material gestanzt oder anderweitig geformt.
Der Kern 11 definiert eine erste im Allgemeinen rechteckige Öffnung 18 zwischen den Schenkeln 12 und 13 und eine zweite im Allgemeinen rechteckige Öffnung 19 zwischen den Schenkeln 13 und 14. Die Öffnungen 18 und 19 nehmen einen oder mehrere elektrische Leiter 21 auf, die typischerweise in Form eines "U" geformt sind und durch eine der Öffnungen im Kern und zurück durch die andere Öffnung durchgeschleift werden. Der Leiter 21 führt den zu messenden elektrischen Strom. In 1 ist die Richtung des Stromflusses so angezeigt, dass er auf der rechten Seite der Figur aus dem Blatt und auf der linken Seite der Figur in das Blatt fließt. Diese allgemeine Konfiguration eines Elektrizitätszählers nach dem bisherigen Stand der Technik wird umfangreich in US-Patent Nr. 4,742,296 von Petr, et al. gezeigt. Der mittlere Schenkel 13 des Kerns 11 ist in der Mitte unterbrochen, um einen Luftspalt 22 zu definieren. Ein Hall-Effekt-Sensor für den magnetischen Fluss 23 befindet sich im Luftspalt, um den magnetischen Fluss zu erkennen und zu messen.
Im Betrieb erzeugt ein positiver Strom, der durch den Leiter 21 fließt, einen ersten magnetischen Fluss, der durch die Pfeile 24 im rechten Flügel des Kerns angezeigt wird, und einen zweiten magnetischen Fluss, der durch den Pfeil 26 im linken Flügel des Kerns angezeigt wird. Die magnetischen Flüsse 24 und 26 durchlaufen ihre entsprechenden Flügel des Kerns entsprechend der Rechte-Hand-Regel in die Richtungen, die durch die Pfeile angezeigt werden. Im mittleren Schenkel 13 des Kerns 11 werden die Flüsse 24 und 26 zusammengefasst, um einen zusammengefassten magnetischen Fluss zu bilden, der den mittleren Schenkel durchläuft. Dieser zusammengefasste magnetische Fluss muss auch den Luftspalt 22 durchlaufen, der im mittleren Schenkel gebildet wird, wie durch die Feldlinien in und um den Luftspalt angezeigt wird. Da der magnetische Fluss im Kern proportional zum elektrischen Strom im Leiter 21 ist, misst der Hall-Effekt-Sensor 23 effektiv den Strom im Leiter, indem er die Flussdichte im Luftspalt 22 misst.
Wie im oben stehenden Abschnitt erläutert, weist die in 1 dargestellte Elektrizitätszähler-Kern-Konfiguration nach dem bisherigen Stand der Technik einige inhärente Nachteile auf. Zum Beispiel können sich Bereiche mit hoher magnetischer Flussdichte im Kern-Material an den rechteckigen diskontinuierlichen Ecken des Kerns bilden. Zusätzlich dazu können lokale Sättigungsbereiche entstehen, wenn die Kern-Flussdichte im ferromagnetischen Material des Kerns nicht gleichmäßig verteilt ist. Als Folge davon kann der Kern als ganzes wegen dieser lokalen Sättigungsbereiche bei einem Bruchteil der erwarteten Flussdichte Sättigungseffekte zeigen.
Ein weiteres Problem bei Kernen nach dem bisherigen Stand der Technik, wie dem in 1 gezeigten, betrifft die Konfiguration des Luftspaltes 22 in solchen Kernen. Traditionell hat der mittlere Schenkel von Kernen nach dem bisherigen Stand der Technik dieselben oder ähnliche Abmessungen wie die beiden äußeren Schenkel. Dies kann bedeuten, dass der mittlere Schenkel vorzeitig in die Sättigung geht, weil er den magnetischen Fluss von beiden Flügeln des Kerns führen muss. Somit ist die Flussdichte in einem solchen mittleren Schenkel größer als die mittlere Flussdichte in den restlichen Teilen des Kerns. Als Folge davon kann eine lokale Sättigung auftreten, die Sättigung im Kern als ganzes hervorruft.
Weiterhin waren die Stirnflächen im mittleren Schenkel von Kernen nach dem bisherigen Stand der Technik traditionell rechteckig mit scharfen diskontinuierlichen Ecken. Eine solche Stirnflächen-Konfiguration kann dazu führen, dass sich der magnetische Fluss am Rand des Luftspaltes aufweitet, wie durch 27 in 1 gezeigt. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Flussdichte im Luftspalt, wodurch die Genauigkeit des Hall-Effekt-Sensors 23 beeinträchtigt werden kann. Zusätzlich dazu tendieren die Ecken der Stirnflächen des Luftspaltes dazu, zu verursachen, dass der magnetische Fluss den Luftspalt insgesamt umgeht. Dieser Umgehungseffekt, der in 28 in 1 gezeigt wird, kann auftreten, wenn ein Teil des magnetischen Flusses aus den Ecken der Pol-Stirnflächen wie gezeigt austritt. Auch eine solche Umgehung beeinträchtigt die Gleichmäßigkeit der magnetischen Flussdichte im Luftspalt und kann die Genauigkeit des Messgerätes als ganzes beeinträchtigen.
Folglich kann man sehen, dass Elektrizitätszähler-Kerne des in 1 gezeigten Typs beträchtliche Nachteile haben.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer verbesserten Anordnung eines ferromagnetischen Kerns für Elektrizitätszähler, der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten Form enthält. Die in 2 gezeigte Anordnung umfasst die Platzierung und die Orientierung der stromführenden Leiter, und eine solche Platzierung und Orientierung bildet auch einen Teil der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung in 2 umfasst einen ferromagnetischen Kern 31, der allgemein in der Form einer Ziffer 8 hergestellt wird, und der einen rechten Flügel und einen linken Flügel hat, die rechte, bzw. linke Öffnungen definieren. Der Kern 31 wird vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität hergestellt, so dass er dem magnetischen Fluss, der das Kernmaterial durchläuft, einen geringen Widerstand entgegensetzt. Ein Beispiel für ferromagnetische Materialien mit einer hohen Permeabilität sind verschiedene NiFe-Legierungen mit mehr als 50% Nickel. Andere geeignete Materialien können auch verwendet werden, und solche Materialien sind einem Fachmann bekannt. Diese Materialien zeigen hohe magnetische Permeabilitäten und somit einen geringen magnetischen Widerstand für den magnetischen Fluss.
Der Kern 31 wird mit einem rechten Schenkel 32, einem linken Schenkel 33 und einem mittleren Schenkel 34 hergestellt. Der mittlere Schenkel 34 ist unterbrochen, um einen Luftspalt zu definieren, in dem ein Hall-Effekt-Sensor für die magnetische Flussdichte 36 positioniert werden kann. Wie in den 2 und 4 gezeigt, beträgt die Querschnittsfläche des mittleren Schenkels 34 des Kerns 31 ungefähr das Doppelte der Querschnittsfläche der anderen beiden Schenkel des Kerns. Diese Konfiguration hat mindestens zwei vorteilhafte Konsequenzen. Erstens kann der mittlere Schenkel wegen seiner größeren Querschnittsfläche eine größere Flussdichte aufnehmen, bevor er die Sättigung erreicht. Somit kann der kombinierte oder zusammengesetzte magnetische Fluss von jedem Flügel des Kerns, der den mittleren Schenkel durchlaufen muss, ohne lokale Sättigung aufgenommen werden. Zusätzlich dazu erlaubt es die größere Querschnittsfläche des mittleren Schenkels, dass der Hall-Effekt-Sensor 36 an einer Position angeordnet werden kann, die von den Seiten des Luftspaltes entfernt ist. Auf diese Weise kann der Hall-Effekt-Sensor weg von jedem Randeffekt und jeder Umgehung des magnetischen Flusses positioniert werden, die am Rand des Luftspaltes auftreten können, so dass der Sensor einer gleichmäßigeren und homogenen magnetischen Flussdichte ausgesetzt ist, was die Zuverlässigkeit der Messung erhöht.
Die Form des Kerns 31 ist insgesamt abgerundet oder weich, um scharfe oder diskontinuierliche Ecken zu vermeiden. In der gezeigten Ausführung sind sowohl die inneren als auch die äußeren Umrisse des Kerns abgerundet. Es ist jedoch möglich, dass nur die inneren Umrisse abgerundet oder gebogen sind, während das äußere Profil des Kerns rechteckig ist. Die gebogenen inneren Umrisse und ihre räumliche Ausrichtung zu den Leitern, die durch die Öffnungen durchgeschleift sind, bieten einen beträchtlichen Vorteil, weil eine gleichmäßigere Flussdichte im Kernmaterial sichergestellt wird. In der bevorzugten Ausführung sind die Öffnungen in den linken und rechten Flügeln des Kerns vorzugsweise kreisförmig oder oval, um diskontinuierliche innere Ecken zu vermeiden, und die Schenkel 32, 33 und 34 sind ebenfalls abgerundet und ohne diskontinuierliche Ecken. Diese Konfiguration hilft dabei, die lokale Sättigung zu verringern, die bei Konfigurationen nach dem bisherigen Stand der Technik an diskontinuierlichen Ecken auftreten kann.
Der Kern 31 ist vorzugsweise aus einer Vielzahl geschichteter Platten 37, 37 hergestellt, die die Form der Ziffer 8 haben und die nebeneinander angeordnet sind und eng zusammengehalten werden, um den kompletten Kern zu bilden. Wie weiter unten vollständiger beschrieben wird, sind die Platten 37, 37 mit einem System von Verriegelungsvorsprüngen verbunden und nicht mit herkömmlichen Laser-Schweißnähten oder Nieten, um zu verhindern, dass sich ein quer laufender magnetischer Pfad im Kern bildet.
Die Konfiguration der geschichteten Platten des Kerns 31 bietet deutliche Vorteile bei der Verringerung magnetischer Wirbelströme im Kern, die den Wirkungsgrad des Kerns verringern können. Der Grund ist, dass die magnetische Permeabilität in der Ebene jeder Platte wesentlich höher ist als die magnetische Permeabilität in Querrichtung des Kerns von einer Platte zur benachbarten Platte. Dies ist die Folge eines Oberflächen-Molekular-Phänomens, wobei die molekulare Diskontinuität zwischen den Oberflächen benachbarter Platten für einen hohen magnetischen Widerstand über die Diskontinuität sorgt. Folglich werden Wirbelströme, die bezogen auf den Kern in Querrichtung fließen, verhindert, während der magnetische Fluss in der Ebene des Kerns nicht eingeschränkt wird. Die Folge ist eine Verringerung der Wirbelströme und somit eine größere magnetische Gesamt-Permeabilität, was den Sättigungspunkt des Kerns erhöht und dazu beiträgt, einen homogeneren Fluss im Kern sicherzustellen.
Die Konfiguration von 2 ist für den Einsatz zur Messung des elektrischen Energieverbrauchs in Zweiphasen-Energieversorgungsnetzen der USA ge dacht. Ein solches Energieversorgungssystem ist schematisch in 2A gezeigt. In einem solchen System können die Ströme i1 und i2 abhängig von der Verteilung der Lasten R_L unterschiedlich sein und sind es normalerweise auch. In einem solchen System wird bezweckt, die Summe von i1 und i2 zu messen, um den Gesamt-Energieverbrauch eines Kunden zu bestimmen. Durch die Konfiguration von 2 wird dieses Ziel erreicht.
Der Leiter 38, der den Strom i1 führt, ist konfiguriert, durch die linke Öffnung des Kerns 31 und dann zurück durch die rechte Öffnung geschleift zu werden. Auf ähnliche Weise wird der Leiter 39 in entgegengesetzte Richtung durch die linke Öffnung des Kerns und dann zurück durch die rechte Öffnung des Kerns geschleift. Auf diese Weise durchlaufen die Ströme i1 und i2 jede Kern-Öffnung in dieselbe Richtung, um einen magnetischen Fluss im Kern zu erzeugen, der proportional zur Summe der Ströme i1 und i2 ist. Weiterhin kann man in 2 sehen, dass die Leiter 38 und 39 den Kern 31 in einer Darüber-Darunter-Beziehung zueinander durchlaufen. Das heißt, in der im rechten Flügel des Kerns 31 gebildeten Öffnung liegt der Leiter 38 über dem Leiter 39. Umgekehrt liegt in der im linken Flügel des Kerns gebildeten Öffnung der Leiter 39 über dem Leiter 38. Es hat sich herausgestellt, dass diese Konfiguration einen magnetischen Fluss im Kern erzeugt, der homogener und weniger abhängig von der Positionierung oder Anordnung der Leiter in den entsprechenden Öffnungen ist.
3 zeigt eine bevorzugte Konfiguration einer der Luftspalt-Stirnflächen des in 2 gezeigten Kerns 31. Wie oben erläutert, wird der Kern aus einer Vielzahl von ferromagnetischen Platten hergestellt, die eine geschichtete Konfiguration des Kerns bilden, wie in 3 gezeigt. Die Luftspalt-Stirnfläche 41 selbst ist in 3 als ungefähr zweimal so lang wie breit gezeigt, um ungefähr die doppelte Querschnittsfläche der anderen beiden Schenkel des Kerns bereitzustellen. Weiterhin sind die gegenüberliegenden Ränder 42 und 43 der Luftspalt-Stirnfläche 41 nicht scharf und diskontinuierlich, wie nach dem bisherigen Stand der Technik, sondern abgeschrägt oder abgerundet, um einen kontinuierlicheren anstelle eines diskontinuierlichen Randes aufzuweisen. Es hat sich herausgestellt, dass hierdurch die Randeffekte an der Peripherie des Luftspaltes beträchtlich verringert werden können, und das Phänomen der Umgehung beträchtlich verringert werden kann, durch das der magnetische Fluss dem Luftspalt insgesamt ausweicht.
4 zeigt eine bevorzugte Anordnung des Hall-Effekt-Sensors 36 im Luftspalt des mittleren Schenkels 34 des Kerns 31. In 4 sind die abgeschrägten oder abgerundeten Kanten 42 und 43 der Luftspalt-Stirnflächen 41 gezeigt. Die magnetischen Kraftlinien 44 sind schematisch in 4 gezeigt, um die als Folge der Konfiguration der Luftspalt-Stirnflächen verringerten Randeffekte und die verringerte Umgehung am Rand des Luftspaltes zu zeigen. Wegen der vergrößerten Querschnittsfläche der Luftspalt-Stirnflächen 41, wie in der vergrößerten Luftspalt-Länge in der bevorzugten Ausführung verkörpert, kann der Hall-Effekt-Sensor 36 innerhalb der Ränder des Luftspaltes angeordnet werden. Dies erlaubt es, den Hall-Effekt-Sensor in einem Bereich des Luftspaltes anzuordnen, in dem die magnetische Flussdichte gleichmäßiger, homogener und weniger empfindlich gegen Änderungen durch Randeffekte und Umgehung ist. Das Gesamt-Ergebnis ist eine größere Zuverlässigkeit der Messung. Es sind mit dem Hall-Effekt-Sensor 36 gekoppelte Leitungen 46 gezeigt, um den Sensor mit seinem erforderlichen Vorstrom zu versorgen. Die Leitungen 47 werden bereitgestellt, um die Hall-Spannung, die sich aus dem magnetischen Fluss 44 ergibt, zu einem elektronischen Schaltkreis zu leiten, wie z.B. der in Petr, et al. gezeigte, um die Hall-Spannung in ein Signal umzuwandeln, das die Flussdichte im Luftspalt und somit den elektrischen Energieverbrauch anzeigt.
Die 5 bis 7 zeigen ein bevorzugtes Verfahren zum Zusammenfügen der einzelnen ferromagnetischen Platten des Kerns 31, um den kompletten Kern zu bilden. Beim Zusammenfügen der Platten muss unbedingt verhindert werden, dass ein Pfad für den magnetischen Fluss in einer Richtung erzeugt wird, die quer zur Ebene des Kerns liegt. Wird ein solcher Pfad erzeugt, kön nen sich Wirbelströme entlang des Pfades entwickeln und den Zweck des geschichteten Kerns zunichte machen. Somit sind Laser-Schweißverbindungen und andere Arten des Schweißens, sowie Bolzen und Nieten als Mittel zum Zusammenfügen der einzelnen Platten 37 ausgeschlossen.
In 5 werden drei Platten 37 in einer Explosionsansicht gezeigt. Es ist offensichtlich, dass ein fertiger Kern eine Vielzahl von Platten umfassen kann. Zur Verdeutlichung sind jedoch in 5 drei Platten gezeigt. Die Platten 37 sind alle in der allgemeinen Form des fertigen Kerns geformt, einschließlich der abgeschrägten Kanten 42 und 43 der Luftspalt-Stirnflächen. Jede der Platten 37 hat auf einer Seite eine Anordnung von Vorsprüngen 48. Wie in 6 gezeigt, können die Vorsprünge 48 eine leichte Haken-Konfiguration haben. Eine Anordnung von Aussparungen 49 zur Aufnahme der Vorsprünge wird auf den entgegengesetzten Seiten der Platten 37 gebildet und so positioniert, dass sie zu den Vorsprüngen 48 auf der benachbarten Platte ausgerichtet sind. Die Aussparungen 49 zur Aufnahme der Vorsprünge haben eine Form, komplementär zur Form der Vorsprünge 48 und sind so positioniert, dass sie die Vorsprünge verriegelnd aufnehmen, wenn zwei Platten übereinander gelegt und zusammengedrückt werden.
Mit dieser Konfiguration können die Platten 37 des Kerns aneinandergelegt zusammengefügt werden und so gedrückt werden, dass die Vorsprünge 48 in die Aussparungen 49 zur Aufnahme der Vorsprünge greifen und dort verriegelt werden. Auf diese Weise wird die Oberflächen-Diskontinuität zwischen jeder Platte über ihre gesamte Ausdehnung aufrechterhalten, während gleichzeitig die Platten durch die Verriegelungs-Vorsprünge 48 und die Aussparungen 49 zur Aufnahme der Vorsprünge sicher und eng zusammengehalten werden. Die resultierenden mehrfachen Oberflächen-Diskontinuitäten in Querrichtung des Kerns 31 führen zu einer beträchtlichen Verringerung der magnetischen Wirbelströme im Kern 31 und erhöhen so den Dynamikbereich und die Effizienz des Kerns.
7 ist eine Ansicht von oben auf eine der Luftspalt-Stirnflächen 41. In dieser Ansicht wird die größere Länge der Luftspalt-Stirnfläche deutlich gezeigt, wie auch die abgeschrägten oder abgerundeten Luftspalt-Stirnflächen-Ränder 42 und 43. Die geschichtete Struktur des Kerns ist in 7 ebenfalls deutlich gezeigt.
8 zeigt eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei der Schleifen-Abschnitt 61 des U-förmigen Leiters 62 abgeflacht ist, damit es möglich ist, beim Zusammenbau den Leiter leicht zwischen die Pol-Flächen 63 des Kerns 64 einzufügen. Die Abflachung des Schleifen-Abschnitts in einen flachen knopfförmigen Abschnitt 66 erlaubt einen leichten Zusammenbau und einen Kern mit einem Luftspalt, der schmaler ist als der Durchmesser des im Elektrizitätszähler verwendeten Leiters. Der Abflachungs-Prozess selbst kann auf eine Vielzahl von Arten durchgeführt werden, vorzugsweise wird die Abflachung jedoch durch eine hydraulische Presse erzeugt, die den Leiter abflacht, wenn er in seine U-Form gebracht wird.
Die Erfindung wurde hier in Form von bevorzugten Ausführungen beschrieben. Ein Fachmann wird erkennen, dass jedoch verschiedene Änderungen und Erweiterungen der Ausführungen durchgeführt werden können, die alle im Umfang der Erfindung liegen. Zum Beispiel können die in 6 gezeigten Verriegelungs-Vorsprünge 48 und die Aussparungen 49 zur Aufnahme der Vorsprünge durch jedes andere System ersetzt werden, mit dem die Platten des Kerns miteinander verbunden werden, ohne die Oberflächen-Diskontinuität in Querrichtung des Kerns zu unterbrechen. Somit werden alle Mittel, um die Platten auf diese Weise zu verbinden, durch die vorliegende Erfindung in Erwägung gezogen. Weiterhin wurde die Erfindung bezüglich der Messung der elektrischen Energie eines Zweiphasennetzes erläutert, wie es in den USA üblich ist. Auf anderen Kontinenten, wie z.B. in Europa, sind Einphasen-Stromversorgungen üblich. Offensichtlich ist die vorliegende Erfindung ebenso auf solche Einphasensysteme anwendbar, und in solchen Fällen kann anstelle der beiden in 2 gezeigten Leiter ein einzelner Leiter durch die Öff nung des Kerns durchgeschleift werden. Schließlich versteht es sich von selbst, dass die hier offen gelegten und in den begleitenden Zeichnungen dargestellten Prinzipien in physikalischen Strukturen unterschiedlicher Konfigurationen und Aufmachungen realisiert werden können. Diese und weitere Ergänzungen, Weglassungen und Änderungen können gut an den hier gezeigten bevorzugten Ausführungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie in den Ansprüchen dargelegt.

Claims

Elektrizitätszähler-Kern (31), der einen Körper aus ferromagnetischem Material hat, der in Gestalt einer Ziffer 8 geformt ist und einen ersten Flügel hat, der eine erste Öffnung definiert, und einen zweiten Flügel, der eine zweite Öffnung definiert, die von der ersten Öffnung entfernt ist, wobei die erste Öffnung von der zweiten Öffnung durch einen mittleren Schenkel (34) des Kerns (31) getrennt ist, wobei der mittlere Schenkel (34) unterbrochen ist, um einen Luftspalt zwischen erster und zweiter Luftspalt-Stirnfläche (41) des mittleren Schenkels (34) zu bilden, um in dem Luftspalt einen Sensor für den magnetischen Fluss (36) aufzunehmen, wobei der erste und zweite Flügel erste und zweite Schenkel (32, 33) an entgegengesetzten Seiten der Kerns (31) definieren, wobei der erste und der zweite Schenkel (32, 33) Querschnittsflächen haben, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flügel die erste Öffnung als eine bogenförmige Öffnung definiert, der zweite Flügel die zweite Öffnung als eine bogenförmige Öffnung definiert, und der mittlere Schenkel (34) eine Querschnittsfläche hat, die größer als die Querschnittsfläche des ersten und des zweiten Schenkels (32, 33) ist.
Elektrizitätszähler-Kern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des zentralen Schenkels (34) ungefähr das Doppelte der Querschnittsfläche des ersten und des zweiten Schenkels (32, 33) beträgt.
Elektrizitätszähler-Kern gemäß einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Luftspalt- Stirnflächen (41) im wesentlichen rechteckig ist, wobei deren Breite der Dicke des Kerns (31) entspricht und deren Länge größer als die Dicke des Kerns (31) ist.
Elektrizitätszähler-Kern gemäß einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge jeder der Luftspalt-Stirnflächen (41) ungefähr das Doppelte der Dicke des Kerns (31) beträgt.
Elektrizitätszähler-Kern gemäß einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Luftspalt-Stirnflächen (41) einen Rand (42, 43) aufweist, von dem mindestens ein Teil derart geformt ist, dass magnetische Randeffekte und Umgehungen verringert werden.
Elektrizitätszähler-Kern gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (42, 43) der Luftspalt-Stirnflächen (41) abgeschrägt sind.
Elektrizitätszähler-Kern gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (42, 43) der Luftspalt-Stirnflächen (41) abgerundet sind.
Elektrizitätszähler-Kern gemäß einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper des Kerns aus einer Vielzahl von geschichteten ferromagnetischen Platten (37) geformt ist, die nebeneinander angeordnet sind, um eine geschichtete Struktur des Kerns (31) zu bilden.
Elektrizitätszähler-Kern gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel (48, 49) umfasst, um die ferromagnetischen Platten (37) miteinander zu verriegeln, während die Oberflächen- Diskontinuität zwischen aufeinanderfolgenden Platten (37) aufrecht erhalten wird.
Elektrizitätszähler-Kern gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (48, 49) zur Verriegelung der ferromagnetischen Platten eine Anordnung von Vorsprüngen (48) und Aussparungen (49) zur Aufnahme der Vorsprünge umfasst, die in den Platten (37) ausgebildet sind, wobei die Aussparungen (49) zur Aufnahme der Vorsprünge jeder Platte (37) so konfiguriert und positioniert werden, dass sie mit den Vorsprüngen (48) auf einer benachbarten Platte (37) ausgerichtet sind, um die Platten (37) miteinander zu verriegeln, um den geschichteten Kern (31) zu bilden.
Anordnung für einen Elektrizitätszähler, der einen Elektrizitätszähler-Kern gemäß einem beliebigen der vorherigen Ansprüche enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper des Kerns gegenüberliegende Seiten hat, und die Anordnung weiterhin einen ersten Leiter (38) enthält, der eine darin gebildete U-förmige Biegung hat, wobei die U-förmige Biegung des ersten Leiters (38) einen ersten und einen zweiten Schenkel und einen Schleifen-Abschnitt hat und so positioniert ist, dass der erste Schenkel sich durch eine der Öffnungen in dem Körper und der zweite Schenkel durch die andere Öffnung in dem Körper erstreckt, wobei der Schleifen-Abschnitt der U-förmigen Biegung des ersten Leiters (38) sich an einer Seite des Körpers des Kerns befindet, und einen zweiten Leiter (39), der eine darin gebildete U-förmige Biegung hat, wobei die U-förmige Biegung des zweiten Leiters (39) einen ersten und einen zweiten Schenkel und einen Schleifen-Abschnitt hat und so positioniert ist, dass der erste Schenkel sich durch eine der Öffnungen in dem Körper und der zweite Schenkel sich durch die andere Öffnung in dem Körper erstreckt, wobei der Schleifen-Abschnitt der U-förmigen Biegung des zweiten Leiters (39) sich an der gegenüber liegenden Seite des Körpers des Kerns befindet, so dass hierdurch der Strom, der im ersten und zweiten Leiter (38, 39) in entgegengesetzte Richtungen fließt, jede der Öffnungen in der gleichen Richtung durchfließt, um einen magnetischen Fluss (44) in dem Kern zu induzieren, der proportional zur Summe der Ströme in den Leitern (38, 39) ist.
Anordnung für einen Elektrizitätszähler, der einen Elektrizitätszähler-Kern gemäß Anspruch 11 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Schenkel einer der Leiter (38) in einer der Öffnungen über dem Schenkel des anderen Leiters (39) verläuft und der Schenkel des anderen Leiters (39) in der anderen der Öffnungen über dem Schenkel des einen Leiters (38) verläuft, um einen homogeneren magnetischen Fluss in dem Kern (31) zu induzieren.
Anordnung für einen Elektrizitätszähler, der einen Elektrizitätszähler-Kern gemäß Anspruch 11 oder 12 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Leiters (62) abgeflacht ist, um beim Zusammenbau des Elektrizitätszähler-Kerns (64) durch den Luftspalt eingesetzt zu werden.