EP3695234A1 - Stromsensoranordnung - Google Patents

Stromsensoranordnung

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Publication number
EP3695234A1
EP3695234A1 EP18713594.2A EP18713594A EP3695234A1 EP 3695234 A1 EP3695234 A1 EP 3695234A1 EP 18713594 A EP18713594 A EP 18713594A EP 3695234 A1 EP3695234 A1 EP 3695234A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
conductor
sensor
conductor sections
sensor arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18713594.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias BRUSIUS
Claudia Glenske
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sensitec GmbH
Original Assignee
Sensitec GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sensitec GmbH filed Critical Sensitec GmbH
Publication of EP3695234A1 publication Critical patent/EP3695234A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/205—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using magneto-resistance devices, e.g. field plates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/207—Constructional details independent of the type of device used
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0092—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only

Definitions

  • the present invention relates to a current sensor arrangement for measuring a current through a conductor based on the magnetic field surrounding the conductor.
  • the invention relates to a magnetic field sensor device for measuring the strength of a current through one or more conductors based on the magnetic field surrounding the conductor.
  • Magnetic field sensor devices for measuring the magnitude of a current through one or more conductors based on the conductor surrounding magnetic field H along a closed curve S, are well known in the art. They are based on the fact that a conclusion on the total current /, which is bounded by the area A, which is bounded by the curve S, according to the Amperes law: is possible. As a result, a contactless current detection without interference in the operation of an electrical circuit, in particular without interruption or interposition of an electrical circuit possible.
  • magnetoresistive sensor elements are usually used, which work for example after the Hall, AMR effect or GMR effect or TMR effect.
  • magnetoresistive gradient sensors can be used as two magnetic field sensors, for example on an xMR technology such as AMR, TMR or GMR, wherein the respective magnetic field sensors detect the magnetic field caused by each current part and the magnetic field sensors determine a gradient value internally or externally therefrom.
  • TMR and GMR sensors are based on the TMR or GMR effect and consist of various thin layers of a few nanometers of soft magnetic, nonmagnetic, metallic and hard magnetic material. The alignment between the soft and hard magnetic layer is critical to the resistance, which varies with the change in the angle of the magnetic field.
  • the sensor can be made robust against external interference fields by a differential evaluation of the sensor signals.
  • the difference quotient is understood as a gradient of the magnetic field.
  • the sensor element is arranged in the region of the current measuring active conductor section such that the magnetic field of the current measuring active conductor section causes a high change in the sensor value, in particular a high resistance change, and the magnetic field of the current measuring parasitic conductor section due to the spatial orientation of the sensor element with respect to the current measuring parasitic conductor section and / or further current-carrying through field compensation effects Elements little, essentially no sensor value changes causes.
  • the gradient sensor in the sense of the invention can be formed from a gradient connection of magnetoresistive resistance elements of a single sensor arrangement, two magnetic field sensors can also be provided within the meaning of the invention, each detecting the magnetic field of a conductor section, and are charged externally to a gradient value.
  • a disadvantage of the prior art in the field of current measurement in gradiometer arrangement is that the inductance formed by the U-shaped current leg can lead to voltage peaks, in particular at higher frequencies, which is caused by a switched-on power semiconductor electronics, e.g. is designed for a converter operation, must be compensated. This must therefore be designed for such higher voltage spikes.
  • spurious field components e.g. by currents in the connecting web between the legs of the U-conductor assume a size that leads to a change in the magnetization of the magnetic field-sensitive layers of the xMR sensor.
  • a skin effect occurs when a high-frequency alternating current flows through a conductor, and the current density is lower by a current-displacement effect in the inner regions of the conductor than in the outer regions. This means that the alternating current as a function of the frequency eddy currents and electric fields are generated, which displace the charge carriers to the surface of the conductor.
  • the proximity effect is a phenomenon of current displacement, this being Frequency-dependent phenomenon is limited to eddy currents between closely spaced conductors in which alternating currents flow in opposite directions, as is the case with the previously known current measuring sensors with U-shaped conductor elements. After the proximity effect, which is particularly pronounced at higher frequencies, high-frequency currents tend to flow in close proximity to each other. The current flow concentrates on the area where the two conductors are close together.
  • a generic U-shaped arrangement for magnetic-field-based measurement of electrical currents comprises at least one current measuring active conductor section and at least one current measuring parasitic conductor section.
  • the stromommessparasitäre conductor section corresponds to the supply line or the current bar.
  • parasitic magnetic fields are caused by the current measuring parasitic conductor sections.
  • the induced parasitic magnetic fields have an influence on the measured values of the magnetic-field-sensitive sensor element.
  • the current solutions for measuring current in Gradiometeran extract based on U-shaped busbars have the following disadvantages: It is considered in both legs of the U-conductor portion current, wherein the flowing into a leg and flowing out in the adjacent leg current superpositioned total magnetic field between forms the legs, the field gradient is detected in a measurement plane. Naturally, the same amount of electricity flows in both legs.
  • the inductance formed by the U-shaped current leg results in voltage spikes resulting from a switched-on power semiconductor electronics, e.g. is designed for a converter operation, must be compensated. This must therefore be designed for higher voltage peaks.
  • the entire current flows through the legs, which must have a high current carrying capacity.
  • a current sensor which serves for potential-free current measurement in the region of higher frequencies.
  • Limitations on the frequency independence of the magnetic fields arise when in the vicinity of the circular conductor highly conductive materials are present in any geometric shape.
  • By an induction of eddy currents in these materials and their reaction results in a non-circularly symmetric current distribution in the conductor and thus a frequency dependence of the magnetic field at the location of the sensor, which can lead to measurement errors in the current determination, and by a so-called Skin Effect and Proximity Effect can appear.
  • the current sensor is composed of one or more electrically parallel or series-connected current conductors and magnetic field sensors or magnetic field gradient sensors.
  • the magnetic field surrounding a current conductor or a plurality of conductors can be measured by magnetic field sensors or magnetic field gradient sensors, wherein currents in each case overflow the current sensor in opposite directions.
  • the output signal of the respective sensor is frequency-independent in the intended range.
  • the current conductors are formed in such a way that a magnetic field change occurring at the location of the respective sensor suppresses the formation of eddy currents. This should be measurable with low measurement errors with the current sensor, the potential-free current in the higher frequency range.
  • WO 2014/001473 A1 a further arrangement for current measurement is shown.
  • the arrangement is proposed for magnetic-field-based measurement of electric currents by means of at least one magnetic field-sensitive sensor element in an angled, in particular U-shaped conductor element which comprises at least one current measuring active conductor section and at least one current measuring parasitic conductor section.
  • the sensor element has at least one sensitivity direction in which magnetic field components effect a high sensor value change, wherein the sensor element is aligned in the region of the current measuring active conductor section, in particular rotated, tilted and / or offset in height relative to the current measuring parasitic conductor section, so that the magnetic field of a current measuring active conductor section of the U-shaped conductor element substantially in the direction of sensitivity and the magnetic field of a current measuring parasitic conductor portion of the U-shaped conductor element is substantially not aligned in the direction of sensitivity, in particular perpendicular to the direction of sensitivity.
  • a current sensor arrangement which comprises a magnetoresistive gradient sensor, wherein the magnetoresistive gradient sensor is arranged between two conductor sections of a current conductor.
  • the conductor sections divide the current and lead in the same direction with respect to the arrangement of the magnetoresistive gradient sensor, and that the conductor sections are offset in height relative to a measuring plane of the magnetoresistive gradient sensor.
  • the conductor is offset without cross paths of conductor sections in two planes relative to the measurement plane.
  • the measuring plane of the magnetoresistive gradient sensor is the plane in which a gradient field is measured by magnetoresistive resistors of the sensor arrangement.
  • the gradient field is parallel to the measurement plane.
  • the two conductor sections of the same conductor, which is practically separated, are offset in height relative to the measuring plane of the magnetoresistive gradient sensor. Both conductor sections conduct current in the same direction with respect to the magnetoresistive gradient sensor.
  • the current component in the first conductor section generates a magnetic field.
  • the current in the second conductor section generates a different magnetic field.
  • Both magnetic fields surround the conductor sections in the same direction according to the right-hand rule.
  • normally aligned components of the magnetic field are oppositely oriented in each of the two conductor sections, and the tangential component of the magnetic field lying in the measurement plane is also oppositely oriented in each of the two conductor sections. This forms a gradient field of the tangential components in the measurement plane, which can be measured by the gradient sensor.
  • a skin effect occurs which results in a current density concentration close to the conductor surface.
  • a proximity effect causes current to flow on the insides of a conductor with respect to an adjacent conductor, with a U-shaped conductor loop superimposing both effects, resulting in a high current density in the inner regions of the legs and especially in the bending edges.
  • This is significantly reduced by the inventive design of the conductor sections, so that the use is offered both at high currents and at high frequency components.
  • this can be advantageous.
  • a sensor according to the invention can provide a more accurate measurement result and achieve higher accuracy.
  • the field gradient is halved compared to the previous U-leg solution, so that the dynamic range or measuring range of the gradient sensor can be reduced.
  • a bias field that serves to set a linear measurement range in the gradient sensor can be used to advantage, whereas in the prior U-leg solution, the magnetic field that occurs interferes with the bias field / bias field, i. strengthened or weakened.
  • the magnetoresistive gradient sensor may in this case be formed from a gradient circuit of magnetoresistive resistance elements of a single sensor arrangement.
  • the proposed configuration significantly reduces the skin effect and proximity effect by dividing the conductor, with the two partial currents flowing in the same direction with respect to the measuring plane.
  • a previous U-shaped conductor loop results in a very high current density in the inner legs. This results in very strong magnetic fields around the inner thighs. For this reason, the magnetoresistive gradient sensor quickly reaches saturation, especially in high-frequency alternating currents.
  • a low current density occurs in the inner regions of both conductor sections. Thus, weaker magnetic fields are caused in the inner regions of both conductor sections.
  • the measuring range of the magnetoresistive gradient sensor of the present invention current sensor arrangement is doubled, so that the current sensor arrangement according to the invention can be used both at high currents and at high frequency ranges.
  • the current sensor arrangement according to the invention can be used in a multi-converter operation, wherein a converter is operated at a higher switching frequency than another inverter, as already proposed, for example, in a two-sided energization of a three-phase motor or a mains supply transformer.
  • the gradient field can be set to the same value as a U-shaped conductor loop by means of a corresponding geometry of the divided current conductor with the same current intensity.
  • the current sensor arrangement according to the invention has a high step response, ie a rapid settling when the current is turned on, until sudden changes in current can be detected, with maximum currents of up to 600 amps. Rated current and about 1000A. Peak were considered. Therefore, the inventive Current sensor arrangement can also be used excellently for a short-circuit detection or current monitoring and can take over a sensor task of an electronic fuse.
  • the conductor sections can be reduced in cross-section than in the prior art, since a U-shaped current loop leads the total current.
  • Shielding against capacitive couplings by means of a Faraday cage is easy to carry out.
  • the conductor geometry can be used as a mechanical support of the sensor arrangement, which is applied for example on a Polyimide Starr Flex PCB carrier. Due to the reduced current components on both conductor sections, Poyimide's insulation thicknesses and creepage characteristics can also be used for higher currents.
  • a conductor section can be guided below and a conductor section above the measurement plane.
  • a primary current is fed into the feed conductor.
  • the conductor sections divide the current according to their cross-sectional ratios and conductances and guide them in the same direction with respect to the arrangement of the magnetoresistive gradient sensor.
  • Both current components each cause a magnetic field surrounding the conductor section, the magnetic fields meeting at the measurement plane at the location of the gradient sensor.
  • Each magnetic field can be split into two components, with a tangential component in the measurement plane and the normal component perpendicular to the measurement plane.
  • the tangential component lying in the measuring plane is detected by the magnetoresistive gradient sensor.
  • the magnetic field components of both magnetic fields lying perpendicular to the measuring plane are opposite and at least partially cancel each other out.
  • the magnetoresistive gradient sensor is subject only to the tangential components lying in the measurement plane and is unaffected by parasitic magnetic field components.
  • the two conductor sections can have the same current component and the same relative distance to the measurement plane and to the magnetoresistive gradient sensor.
  • the current conductor is divided into two conductor sections and when current is passed, the current is divided into two equal current components, wherein each component of current is guided in the same direction with respect to the measurement plane through the conductor section.
  • a magnetoresistive gradient sensor arranged on a circuit board is provided, which measures the magnetic fields which run in the opposite direction relative to the magnetoresistive gradient sensor.
  • the gradient sensor is arranged substantially in the middle of a diagonally connecting path between the current density center of the two conductor sections, and its measurement plane is angled to the connecting path such that the tangential components for detecting a desired current intensity range with a magnetic field detection range of the gradient fits.
  • angles between 0 ° to 90 ° to the connecting distance in particular an angle range between 30 ° to 60 °, preferably 45 °.
  • each conductor section with respect to the magnetoresistive gradient, in particular the measurement plane is arranged at an equal distance.
  • the two magnetic fields can each be decomposed into two magnetic components, wherein the two lying in the measurement plane tangential components form a gradient field, which are measured by the magnetoresistive gradient sensor, and split the two perpendicular to the measurement plane normal components.
  • the two components lying perpendicular to the measuring plane have no influence on the current measurement.
  • the two conductor sections may have an unequal current component and / or an unequal relative distance to the measurement plane and to the magnetoresistive gradient sensor, either compensating for the unequal current component and / or the unequal distance, or for correction by means of a correction factor or a correction characteristic of the measured current value can be compensated.
  • both conductor sections are formed with different conductances. The current conducted in the primary conductor is thus divided into two different current components. As a result of the current or magnetic field asymmetry, a spatial asymmetry is required, so that the tangential components at the location of the gradient sensor have approximately equal amounts.
  • the unequal current components can be compensated by a spatial arrangement asymmetry, in particular by unequal distances between the two conductor sections.
  • the gradient sensor arrangement can be embodied as a "piggy-back" arrangement, ie, the gradient sensor, which is regularly integrated in an IC housing, is placed over the head.
  • both conductor sections have an uneven current component and a same relative distance to the magnetoresistive gradient sensor.
  • a correction factor or a correction characteristic may be used. This makes it possible to compensate a spatial asymmetry or a current asymmetry by a correction characteristic or a correction factor, which can be selected in particular current-dependent. An integration under structurally difficult conditions and a subsequent calibration of the current measurement are thus particularly easy to implement.
  • the magnetoresistive gradient sensor can be arranged on a flexible PCB film.
  • the PCB film is formed as a substrate or circuit carrier of the current sensor arrangement.
  • a PCB film is thermally and chemically stable, flame retardant, electrically nonconductive, superhydrophobic and flexible in shape. It allows that in a current measurement with a compact space-saving design of the conductor arrangement of the gradient sensor is spatially arranged between the conductors variable.
  • the magnetoresistive gradient sensor can be flexible in the slot of the conductor be introduced and aligned. It is furthermore advantageous that the current conductor arrangement has small dimensions, so that the current conductor arrangement can be produced and assembled inexpensively with the compact construction.
  • both conductor sections can be offset in height symmetrically with respect to a measuring plane of the magnetoresistive gradient sensor, with a conductor section running below and a conductor section above the measuring plane.
  • both conductor sections are offset in height relative to the measurement plane of the magnetoresistive gradient sensor and have the same relative distance to the measurement plane.
  • the two conductor sections are provided with equal resistances, i. Conductors provided.
  • the resistances of both conductor sections can be formed unequal, so that two unequal current components are formed in both conductor sections.
  • both conductor sections can be asymmetrically offset in height relative to a measuring plane of the magnetoresistive gradient sensor, with a conductor section running below and a conductor section above the measuring plane.
  • both conductor sections are furthermore advantageous to offset both conductor sections asymmetrically with respect to the measurement plane of the magnetoresistive gradient sensor, wherein a conductor section extends below and a conductor section runs above the measurement plane. Both conductor sections are thus arranged below and above the measuring plane and have an unequal relative distance to the measuring plane.
  • the magnetoresistive gradient sensor is arranged closer to the conductor section, which leads to the lower current component, ie the relative distance between the measuring plane and the conductor section with a smaller proportion of current is smaller than the distance between the measuring plane and the conductor section with a larger one Current portion.
  • What is essential here is the distance to the geometric center of the current density distribution of the conductor sections, whereby the spatial configuration of the conductor section can be replaced by a linear conductor with radius 0, which generates a substantially identical magnetic field.
  • the unequal current components can be compensated.
  • the gradient field produced by both current components can be measured accurately.
  • both conductor sections can lie in a common conductor plane and the magnetoresistive gradient sensor can be arranged at an angle ⁇ between 0 ° to 90 °, in particular at an angle ⁇ between 30 ° to 60 °, in particular of 45 ° to the conductor plane in which both conductor sections lie.
  • the conductor level is the plane which is spanned by the two parallel conductor sections and a right-angled connecting line between the geometric centers of the current densities of the conductor sections.
  • both conductor sections and the magnetoresistive gradient sensor are not arranged parallel to one another, but are tilted relative to one another, preferably tilted at 45 ° to one another. Both conductor sections may have the same or different current components.
  • both conductor sections are preferably arranged symmetrically with respect to the measurement plane of the magnetoresistive gradient sensor, wherein the magnetoresistive gradient sensor is arranged at an angle ⁇ to the conductor plane.
  • both conductor sections may have an uneven current component.
  • the magnetoresistive gradient sensor is at an angle ⁇ to the conductor plane and both conductor sections are arranged asymmetrically with respect to the measurement plane of the magnetoresistive gradient sensor, the magnetoresistive gradient sensor being closer to the conductor section, which leads to the lower current component.
  • both conductor sections may be formed by at least one wire bow and a busbar, wherein the wire bracket is electrically contacted with the busbar.
  • the single bus bar can be considered, which has a wire bracket or a plurality of wire brackets for bridging, so that both conductor sections are formed by the wire bracket and the busbar.
  • the wire hanger is electrically contacted with the busbar, wherein the wire hanger is designed as a bypass.
  • the busbar can be arranged on a PCB film or a PCB conductor track.
  • the wire bracket may consist of a conductor or bonding wire bundle.
  • the conductor section of the busbar bypassed by the wire clip may be reduced in cross-section and will regularly lead a smaller current share than the busbar, so that an asymmetrical position of the gradient sensor is closer to the wire clip than to the busbar, and / or a correction by a (nonlinear) Weighting by means of correction factor or correction characteristic or characteristic map offers.
  • the aforementioned busbar may have a recess for attaching the wire bracket or a region of reduced electrical conductivity, whereby an adjustable current asymmetry and a magnetic field asymmetry arise.
  • a spatial asymmetry of the current sensor arrangement is advantageous, wherein the magnetoresistive gradient sensor can be arranged closer to the conductor section, in which the lower current component flows, so that the current asymmetry is compensated.
  • Current differences below 10%, preferably below 5%, in particular below 1.5%, can also be tolerated.
  • the conductor sections may be formed as a stamped and bent part, which has a slot in which the magnetoresistive gradient sensor is arranged.
  • the split conductor can be made in one piece from a stamped and bent part having a slot for defining the conductor sections.
  • the slot sections extend as conductor sections in each case downwardly and upwardly from the conductor plane bent parallel to the conductor plane, alternatively, the Gradientens tilted be arranged between the conductor sections. Between the slot sections, the magnetoresistive gradient sensor can be placed on a flexible PCB film. Thus, the magnetoresistive gradient sensor can be spatially variably introduced into the slot of the stamped and bent part.
  • the conductor sections can also be designed in several parts, for example, as two identical stampings.
  • the two identical stampings can be connected to each other by two spacers, for example, soldered, riveted or welded, wherein the second stamped part can be rotated by 180 ° to the first stamped part. It is also conceivable to form such conductor sections such that a straight rail has a corresponding milling and thus the conductor sections can be provided.
  • both conductor sections can be formed by two bundles of usually flexible conductor slots, these consisting of thin individual wires and thus form an easy to bend electrical conductor.
  • a split stranded conductor is considered, with two bundles of strands defining the two split current paths as conductor sections.
  • the magnetoresistive gradient sensor may be placed on a PCB film, and thus the gradient sensor may be slid between the split current paths. Both current paths can be formed as two strand bundles with a same resistance. This allows two equal current components to be routed in both conductor sections.
  • the magnetoresistive gradient sensor may be offset in height with respect to both conductor sections with respect to the measurement plane.
  • this current sensor arrangement may comprise two conductor sections with unequal resistances, ie unequal fine wire quantity per strand bundle. During current conduction through this conductor, an unequal current share results in both conductor sections.
  • the current asymmetry can be canceled out by a spatial current sensor arrangement asymmetry, wherein between the magnetoresistive gradient sensor and the conductor section with less Stromanteil, a corresponding smaller distance is provided.
  • the Stromasymmet e can be compensated by a correction factor or a correction characteristic.
  • the conductor sections can be formed as a parallel slotted tube with two slots, wherein the magnetoresistive gradient sensor can be arranged preferably angled to the slots.
  • a common conductor plane is formed perpendicular to the conductor slots. It is advantageous to tilt the gradient sensor to the slotted tube, so that a gradient field can be measured.
  • the slotted tube is arranged symmetrically with respect to the measuring plane of the gradient sensor.
  • the gradient sensor is arranged on a PCB film.
  • the gradient sensor can move flexibly in slots depending on the measured magnetic field position.
  • a magnetic shield can be provided, wherein the magnetic shield substantially completely encloses the conductor sections and preferably the magnetic shield is designed as two semicircular or angled iron or steel tube halves.
  • This magnetic shield shields the magnetoresistive gradient sensor against external influences such as interference fields or a nearby further line in a multi-phase arrangement, so that there is little influence on the gradient sensor included in the interior.
  • the magnetic shielding is based on a high permeability of ferromagnetic substances. The field lines of an external magnetic field easily enter bodies of ferromagnetic material and then continue to propagate within that body, leaving the area encompassed by the shield practically field-free.
  • the magnetic shield Due to the hollow magnetic shield, no magnetic field line enters the interior of the magnetic shield, the magnetic shield being formed as two semicircular or rectangular iron tube halves. If magnetic field sensitive components in the immediate vicinity of Strommess admitted are arranged, are present through the shield outside only small fields.
  • each current phase is divided into two conductor sections, each extending above and below the board, wherein preferably the conductor sections of each current phase lie in a common conductor level, and the conductor planes of different current phases offset in height and laterally offset from each other, and in particular the board angled between the Conductor sections of the conductor levels is performed. Due to the tilted current sensor arrangement, a compact arrangement and space-saving measurement of all phases can be carried out.
  • three or more magnetoresistive gradient sensors may be arranged alternately on the front and rear sides of a common board instead of on one side.
  • a design of three or more front and back side magnetoresistive gradient sensors of the common board a smaller and more compact current sensor arrangement for the three or more phase system can be provided.
  • Such a construction of the current sensor arrangement, wherein three or more magnetoresistive gradient sensors are arranged alternately on the front and rear side of the common board can improve the quality of the measurement since the same spatial dimension of the current sensor arrangement in which the three or more magnetoresistive gradient sensors are arranged on one side of the common board, the signal to noise ratio to the adjacent phases is higher.
  • the conductor portions of the three current conductors may be closer together and eliminate into common mode fields.
  • FIG. 2a Schematic representation of a current measurement according to the prior art
  • FIG. 2b Schematic representation of a first variant of a current measurement according to the invention
  • FIG. 2c Schematic representation of a current measurement according to a second
  • FIG. 3 Schematic first embodiment of a current sensor arrangement
  • FIG. 4a Schematic second embodiment of a current sensor arrangement
  • FIG. 4b further illustration of a current measurement according to the second
  • FIG. 5a Schematic third embodiment of a current sensor arrangement
  • FIG. 5b further illustration of a current measurement according to the third
  • FIG. 6 shows a perspective fourth embodiment of a current sensor arrangement
  • FIG. 7 Schematic fifth embodiment of a current sensor arrangement
  • 8a shows a schematic sixth embodiment of a current sensor arrangement
  • FIG. 8b Schematic seventh embodiment of a current sensor arrangement
  • FIG. 9 Schematic eighth embodiment of a current sensor arrangement
  • FIG. 10 Schematic ninth embodiment of a
  • Fig. 12 Schematic eleventh embodiment of a current sensor arrangement.
  • FIG. 1 shows a current measuring arrangement 100 known from the prior art.
  • the current measuring arrangement 100 has a sensor element 107 and a U-shaped conductor piece 101, in which the current measuring active leg 104 are set back in a z-direction relative to the current measuring parasitic connecting web 102 and the connecting line 105, so that parasitic agnetfeldkomponenten substantially perpendicular to a magnetic field neutral alignment plane of Sensor structure of the sensor element 107 penetrate.
  • the offset in the z direction arrangement of the legs 104 relative to the connecting lines 105 and the connecting web 102 is achieved that parasitic magnetic field components suppressed or only pass through a magnetic field neutral alignment plane, while the current-active magnetic field components to be detected by the magnetic field-sensitive alignment plane of the sensor element 107 occur.
  • FIG. 1 shows a current measuring arrangement 100 known from the prior art.
  • the current measuring arrangement 100 has a sensor element 107 and a U-shaped conductor piece 101, in which the current measuring active leg 104 are set back in a z-dire
  • FIG. 2 a shows a schematic principle of a current measurement of the prior art corresponding to FIG. 1.
  • the corresponding current measuring arrangement consists of a lying in yz plane U-shaped conductor loop and arranged in the plane parallel to the conductor loop sensor element, wherein the conductor loop connecting lines, the legs and the connecting web has.
  • a current flows in the opposite direction with respect to a gradient sensor 12, wherein in one leg the current 16a flows in the direction 17a and in the other leg of the current 16b in the direction 17b.
  • Magnetic fields 60a, 60b are caused in the current legs 104, with the magnetic fields 60a, 60b surrounding the legs 104. In the measuring plane 20 in which the sensor element is located, the magnetic fields 60a and 60b intersect.
  • Each magnetic field 60a, 60b can be decomposed into two components, wherein a tangential component lies in the measurement plane 20 and can be measured by the sensor element, and the other normal component is perpendicular to the measurement plane 20.
  • the normal components of the two magnetic fields lying perpendicular to the measuring plane 20 add up and point in the same direction.
  • the sensor element merely measures the difference between the two tangential components lying in the measurement plane 20, wherein the components lying in the measurement plane are oriented oppositely and thus form a gradient field.
  • FIG. 2b a first variant of the invention for a current measurement is shown schematically.
  • the current sensor arrangement according to the invention comprises a magnetoresistive gradient sensor 12, which measures a gradient field produced in two conductor sections through which current flows in parallel, and the two conductor sections, which are offset in height from the measurement plane 20.
  • the magnetoresistive gradient sensor 12 defines a measurement plane 20.
  • the current component 16a, 16b flows in the same direction.
  • the magnetic fields generated by the current components 16a, 16b intersect in the measuring plane 20 in opposite directions.
  • the magnetic field 60a caused by the conductor portion with direction 17 has a magnetic field direction 62a
  • the magnetic field 60b caused by the conductor portion in the direction 17b has a magnetic field direction 62b.
  • Each magnetic field 62a, 62b can in two Components are decomposed.
  • the tangential components lying in the measurement plane 20 can be measured by the magnetoresistive gradient sensor.
  • the normal components which are at right angles to the measuring plane 20 dissolve.
  • the electric current can be determined, the gradient field being provided by the difference between both tangential magnetic field components lying in the measurement plane 20.
  • FIG. 2c shows a second principle variant of a current measurement according to the invention.
  • both conductor sections are arranged in a common conductor plane.
  • the magnetoresistive gradient sensor is tilted with respect to the conductor plane at an angle, wherein an equal distance between the magnetoresistive gradient sensor 12 and the two conductor sections is formed.
  • the current components 16a, 16b have the same size.
  • the magnetic fields 60a, 60b are generated, each having the magnetic field direction 62a and 62b.
  • the magnetoresistive gradient sensor 12 is arranged in the measurement plane 20, the magnetic fields 60 a and 60 b meeting in the measurement plane 20 and being measured by the magnetoresistive gradient sensor 12.
  • the tangential components of both magnetic fields 60a and 60b extend in the opposite direction with respect to the measurement plane 20 and can each be split into two components, wherein a tangential component in the measurement plane 20 and the other normal component is at right angles to the measurement plane 20. Both at right angles to the measuring plane 20 lying tangential components dissolve and the magnetoresistive gradient sensor 12 measures the lying in the measurement plane 20 components. Thus, the size and frequency of the guided current can be determined.
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a current sensor arrangement 10.
  • a current conductor 56 is divided into two conductor sections 14a, 14b, wherein in the conductor sections 14a, 14b a corresponding current component 16a and current component 16b flows with a same current flow direction.
  • the sensor element 1 1 comprises a magnetoresistive gradient sensor 12 which measures a magnetic field strength difference of a tangential component of the magnetic field in a measurement plane 20.
  • the measuring plane 20 is defined such that magnetoresistive resistances of the gradient sensor 12 are located in it which are sensitive with respect to vector components of the magnetic field which lie parallel in the measuring plane 20 (tangential components).
  • both conductor sections 14a, 14b are offset in height with respect to the measuring plane 20 in anti-parallel.
  • FIG. 4 a shows a second embodiment of a current sensor arrangement 38, which comprises two conductor sections 14 a, 14 b and a sensor element 1 1, wherein the sensor element 1 1 is arranged on a PCB film 18.
  • a current sensor arrangement 38 which comprises two conductor sections 14 a, 14 b and a sensor element 1 1, wherein the sensor element 1 1 is arranged on a PCB film 18.
  • an unequal current component 16a and current component 16b flows.
  • a spatial asymmetry is advantageous for current measurement, the spatial asymmetry being selected by a so-called “piggy-back" arrangement of the IC package of the sensor element 11, in which an IC substrate of the gradient sensor 12 hidden therein is selected
  • the "piggy-back" arrangement is constructed in such a way that the IC package of the sensor element 11 is placed over the head, the magnetoresistive gradient sensor 12 having the measurement plane 20 being arranged asymmetrically in the IC package. This shifts the relative height of the measuring plane 20 to the surface of the PCB 18.
  • an asymmetrical arrangement of the measuring plane 20 between the conductor sections 14a, 14b can be achieved.
  • FIG. 4b a current measurement is illustrated with respect to the second embodiment of a current sensor arrangement 38 from FIG. 4a. Both conductor sections have unequal current components 16a, 16b, which are guided in the same current flow direction.
  • the measuring plane 20 is defined by the arrangement and orientation of the magnetoresistive gradient sensor 12.
  • the current in the respective conductor section 14a and conductor section 14b generates a magnetic field 60a and magnetic field 60b, which run in opposite directions.
  • the distance in x-direction dx1 which is the distance between the magnetoresistive gradient sensor 12 and conductor portion 14a in the x-direction, is less than the distance formed in the x-direction dx2, which corresponds to the distance between the magnetoresistive gradient sensor 12 and conductor portion 14b in the x-direction.
  • the distance in y-direction dy1 is less than the distance in y-direction dy2, wherein the distance in y-direction dy1 corresponds to the distance between the magnetoresistive gradient sensor 12 and conductor section 14a in the y-direction, and the distance in y-direction dy2 corresponds to the distance between the magnetoresistive gradient sensor 12 and conductor portion 14b in the y-direction.
  • a tangential component lies in the measurement plane 20 and the normal component is perpendicular to the measurement plane 20. Both perpendicular to the measurement plane 20 normal components can compensate, while a gradient between two lying in the measurement plane 20 tangential components are measured by the magnetoresistive gradient sensor 12.
  • FIG. 5 a shows a third embodiment of a current sensor arrangement 40.
  • the current conductor 56 is divided into two conductor sections 14a, 14b which lie in a common conductor plane 22. In both conductor sections 14a, 14b, the corresponding current component is guided, which has a same direction and an unequal size.
  • the arranged on the PCB film 18 sensor element 1 1 is arranged at an angle ß 36 to the conductor plane 22, that is, the magnetoresistive gradient sensor 12 is tilted to the conductor plane 22.
  • the angle ⁇ 36 is selected in a range of 30 ° to 60 °, preferably 45 °.
  • both conductor sections 14a, 14b can be arranged asymmetrically with respect to the measurement plane 20.
  • the distance between the measurement plane 20 and the conductor portion 14 a can be formed smaller than the distance between the measurement plane 20 and the conductor portion 14 b, whereby the Magnetic field strength difference from the magnetoresistive gradient sensor 12 can be measured accurately.
  • FIG. 5 b shows a current measurement relating to the third embodiment of a current sensor arrangement 40.
  • Both conductor sections 14, 14b are arranged in a common conductor plane, wherein the conductor sections 14a, 14b have the current component 16a and current component 16b, which have an unequal current size, and are guided in an identical current flow direction.
  • the measuring plane 20 is tilted to both conductor sections 14a, 14b by an angle ß, wherein due to the current asymmetry both conductor sections 14a, 14b are arranged asymmetrically with respect to the measuring plane 20.
  • the distance d1 between the conductor portion 14a and the conductor plane 20 is made smaller than the distance d2 between the conductor portion 14b and the conductor plane 20.
  • Both induced magnetic fields 60a, 60b intersect at the measuring plane 20.
  • the magnetoresistive gradient sensor the difference of both magnetic fields can be measured.
  • Optimal asymmetrical alignment and the different distances to the conductor sections can already be determined in the design preliminary field by means of a computer-aided field simulation or empirically by a mechanical calibration for a desired current measuring range.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of a current sensor arrangement 42.
  • the conductor sections are formed by three parallel wire brackets 24 and a solid bus bar 26.
  • the sensor element 1 1 is arranged on a PCB film 18 or a rigid PCB.
  • the sensor element 1 1 comprises the magnetoresistive gradient sensor 12 with the measurement plane 20, wherein in this measurement plane 20 of the magnetoresistive gradient sensor 12, the magnetic field strength difference can be measured.
  • the current component 16a flows in the wire clamps 24 and the current component 16b in the busbar 26, wherein the current component 16a and current component 16b are equal, so that both conductor sections are symmetrically offset in height relative to the measurement plane 20, so that an equal distance between the measurement plane 20 and two conductor sections is provided.
  • FIG. 1 shows a fourth embodiment of a current sensor arrangement 42.
  • the conductor sections are formed by three parallel wire brackets 24 and a solid bus bar 26.
  • the sensor element 1 1 is arranged on a PCB film 18 or a rigid PCB.
  • FIG. 7 shows a fifth embodiment of a current sensor arrangement 44.
  • the conductor sections are formed by bundles 30a, 30b of conductor strands 28.
  • the current component 16a flows, which has the same current flow direction as the current flow direction of the current component 16b in the bundling 30b.
  • the sensor element 1 1 is arranged, which includes the magnetoresistive gradient sensor 12, so that the magnetic fields generated by the Aufbündelungen 30a, 30b can be detected by the magnetoresistive gradient sensor 12 in the measurement plane 20.
  • the distance between the magnetoresistive gradient sensor 12 and the two bundles 30a, 30b can be variably defined depending on the current component. With a same proportion of current in both bundles 30a, 30b, the bundles 30a, 30b are arranged symmetrically with respect to the measuring plane 20, in particular the magnetoresistive gradient sensor 12, i. a spatial symmetry of the current sensor arrangement is provided. In contrast, both Aufbündelungen 30a, 30b with respect to the measuring plane 20, in particular the magnetoresistive gradient sensor 12 in an unequal current feedthrough asymmetrically offset in height, with a greater distance between the measurement plane 20 and bundling, which has a greater proportion of current, is provided.
  • FIG. 8 a shows a sixth embodiment of a current sensor arrangement 46 with respect to a three-phase system.
  • Three sensor elements 1 1 are arranged on a common board 64 on an upper side, wherein each sensor element 1 1 comprises the magnetoresistive gradient sensor 12.
  • each current phase U, V, W is divided into two conductor sections 14a, 14b, which each extend above and below the circuit board 64.
  • the conductor sections 14a, 14b of each current phase U, V, W lie in a common conductor plane, while the conductor planes of different current phases U, V, W are offset in height and arranged laterally offset.
  • the circuit board 64 is angled between the conductor sections 14a, 14b of the conductor planes so that each gradient sensor 12 is equidistant from its associated one Conductor portions 14a, 14b has its current phase.
  • three magnetoresistive gradient sensors 12 are arranged on one side of the common board 64. Due to this compact design, it is possible to measure the multiphase system so that it can be scaled accordingly for several phases, eg a six-phase system.
  • FIG. 8b A seventh embodiment of a current sensor arrangement 48 is shown in FIG. 8b.
  • This current sensor arrangement also relates to a three-phase system.
  • Three sensor elements 1 1 are arranged on the common board 64, wherein three sensor elements 1 1 each comprise the magnetoresistive gradient sensor 12.
  • Each current phase U, V, W is divided into two conductor sections 14a, 14b, which run above and below the board 64, respectively.
  • the circuit board 64 is tilted to the conductor sections 14a, 14b of different current phase U, V, W.
  • three magnetoresistive gradient sensors 12 are alternately arranged on the front and back of the common board 64, resulting in a more compact design of the overall system. It is advantageous that with the embodiments in FIGS. 9a and 9b, a very space-saving current measurement of all three phases U, V, W can be performed.
  • FIG. 9 shows an eighth embodiment of a current sensor arrangement 50.
  • This current sensor arrangement comprises two conductor sections 14a, 14b and a sensor element 1 1, wherein both conductor sections 14a, 14b are formed as a parallel slotted tube with two diagonally opposite slots 32. Both conductor sections 14a, 14b are thus arranged in a common radial plane, with an equal current component flowing in both conductor sections 14a, 14b.
  • the sensor element 1 1 comprises the magnetoresistive gradient sensor 12 and is arranged on a PCB film 18.
  • the magnetoresistive gradient sensor 12 can move within the tube and be arranged in the correct position, nevertheless, an arrangement on a rigid PCB is possible.
  • the magnetoresistive gradient sensor 12 is arranged at an angle to both conductor sections 14a, 14b.
  • the current component 16a and current component 16b each generate a magnetic field.
  • the difference of the induced magnetic fields can be measured.
  • an enveloping magnetic shield 34 is provided, which is formed as two semicircular steel tube halves 54. This magnetic shield 34 shields the magnetoresistive gradient sensor 12 against external influences, so that little influence is exerted on the magnetoresistive gradient sensor 12 included in the interior, and stray magnetic fields of the conductor which also occur are shielded from an external circuit.
  • FIG. 10 shows a ninth embodiment of a current sensor arrangement 52.
  • This current sensor arrangement comprises two conductor sections 14a, 14b and a sensor element 11. Between the two conductor sections 14a, 14b, the sensor element 1 1 is arranged, in which the magnetoresistive gradient sensor 12 detects the gradient field and is arranged on the PCB film 18. Both conductor sections 14a, 14b are symmetrically antiparallel with respect to the measuring plane 20 offset in height, in which the magnetic field strength difference is measured. The current portion 16a and current portion 16b flow in the conductor portions 14a, 14b in the same direction.
  • two rectangular steel tube halves 54 are designed as magnetic shields 34, which have two slots 32, and which screen parasitic currents as shown in FIG.
  • the current conductor 56 is formed as an integral stamped bent part which is divided into two parts and has the slot 32 in which the sensor element 1 1 is arranged on the PCB film 18.
  • the slot sections are designed as conductor sections 14a, 14b.
  • I a primary current I, which is divided into two current components 16a, 16b of the conductor portions 14a, 14b and guided in the same direction with respect to the magnetoresistive gradient sensor 12.
  • the magnetoresistive gradient sensor 12 can be spatially variably introduced into the slot 32 of the current conductor 56.
  • FIG. 11 b shows an eleventh embodiment of a current sensor arrangement 70.
  • the current conductor as two together formed stamped and bent parts formed.
  • the stamped and bent part 72a and the stamped and bent part 72b are soldered together, riveted or welded, so that both stamped and bent parts can be connected to each other, and possibly spaced by spacers, which defines a spatial distance to the measuring plane 20, spaced.
  • the stamped and bent parts can be provided as two conductor sections. Both stamped and bent parts are formed antiparallel to each other, if necessary, the magnetoresistive gradient sensor 12 can be tilted to both stamped and bent parts, preferably arranged at 45 ° to both stamped and bent parts to adapt the measurement plane to the magnetic field.
  • the primary current can be measured.
  • FIG. 12 shows a twelfth embodiment of a current sensor arrangement 59.
  • Both conductor sections are formed as two Aufbündelungen 30a, 30b, which are formed by conductor strands 28a, 28b.
  • the current component 16a flowing in the bundling 30a generates a magnetic field which is detected in the measuring plane 20 by means of the magnetoresistive gradient sensor 12 of the sensor element 11.
  • the magnetic field generated by the current component 30b is simultaneously measured in the measurement plane 20 by means of the magnetoresistive gradient sensor 12.
  • a magnetic shield is provided which is formed as two semicircular steel tube halves 54. Since the sensor element 1 1 is arranged on the PCB film, the sensor element 1 1 and the magnetoresistive gradient sensor 12 can be arranged spatially variable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52) umfassend einen magnetoresistiven Gradientensensor (12), der zwischen zwei Leiterabschnitten (14) eines Stromleiters (56) angeordnet ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Leiterabschnitte (14) den Strom aufteilen und in dieselbe Richtung bezüglich der Anordnung des magnetoresistiven Gradientensensors (12) führen, und dass die Leiterabschnitte (14) bezüglich einer Messebene (20) des magnetoresistiven Gradientensensors (12) höhenversetzt sind.

Description

Stromsensoranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromsensoranordnung zur Messung eines Stroms durch einen Leiter auf Basis des den Leiters umgebenden Magnetfelds.
STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensorvorrichtung zur Messung der Stärke eines Stromes durch einen oder mehrere Leiter auf Basis des Leiters umgebenden Magnetfeldes.
Magnetfeldsensorvorrichtungen zur Messung der Stärke eines Stromes durch einen oder mehrere Leiter auf Basis des Leiters umgebenden Magnetfeldes H entlang einer geschlossenen Kurve S, sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie beruhen darauf, dass ein Rückschluss auf den Gesamtstrom /, der durch die Fläche A, die durch die Kurve S berandet wird, nach dem Ampereschen Gesetz: ermöglicht wird. Hierdurch ist eine berührungslose Stromerfassung ohne Eingriff in den Betrieb einer elektrischen Schaltung, insbesondere ohne Unterbrechung oder Zwischenschaltung eines elektrischen Stromkreises möglich.
Aus dem Stand der Technik sind Anordnungen bekannt, die mittels magnetoresistiven Gradientensensoren eine magnetische Feldstärkedifferenz in einer Messebene zwischen Leiterströmen benachbarter Stromleiter messen.
Als magnetfeldempfindliche Sensorelemente werden in der Regel magnetoresistive Sensorelemente eingesetzt, die zum Beispiel nach dem Hall, AMR-Effekt oder GMR-Effekt oder TMR-Effekt arbeiten.
So können derartige magnetoresistive Gradientensensoren als zwei Magnetfeldsensoren beispielweise auf einer xMR-Technologie wie AMR, TMR oder GMR beruhen, wobei die jeweiligen Magnetfeldsensoren das von jedem Stromteil verursachte Magnetfeld erfassen und die Magnetfeldsensoren hieraus intern oder extern einen Gradientenwert bestimmen. TMR- und GMR-Sensoren basieren auf dem TMR- bzw. GMR-Effekt und bestehen aus verschiedenen dünnen Schichten von wenigen Nanometern aus weichmagnetischem, unmagnetischem, metallischem und hartmagnetischem Material. Die Ausrichtung zwischen der weich- und hartmagnetischen Schicht ist entscheidend für den Widerstandswert, der sich mit der Winkeländerung des magnetischen Feldes ändert.
Werden zwei Sensorelemente in einem Abstand nebeneinander platziert, so kann durch eine differentielle Auswertung der Sensorsignale der Sensor robust gegenüber externen Störfeldern gemacht werden. Der Differenzenquotient wird als Gradient des Magnetfeldes verstanden. Diese Gradientensensoren eignen sich besonders gut für beispielsweise Positionsmesssysteme und Stromsensoren.
Das Sensorelement ist derart im Bereich des strommessaktiven Leiterabschnitts angeordnet, dass das Magnetfeld des strommessaktiven Leiterabschnitts eine hohe Sensorwertveränderung, insbesondere eine hohe Widerstandsveränderung hervorruft, und das Magnetfeld des strommessparasitären Leiterabschnitts aufgrund der räumlichen Ausrichtung des Sensorelements gegenüber dem strommessparasitären Leiterabschnitt und/oder durch Feldkompensationseffekte weiterer stromführender Elemente geringe, im Wesentlichen keine Sensorwertveränderungen hervorruft.
Der Gradientensensor im Sinne der Erfindung kann aus einer Gradientenverschaltung von magnetoresistiven Widerstandselementen einer einzelnen Sensoranordnung ausgebildet sein, es können auch im Sinne der Erfindung zwei Magnetfeldsensoren vorgesehen sein, die jeweils das Magnetfeld eines Stromleiterabschnittes erfassen, und die extern zu einem Gradientenwert verrechnet werden.
Bisherige Lösungen zur Strommessung in Gradiometeranordnung basieren in der Regel auf U-förmigen Stromschienen zur Erzeugung eines primärstromabhängigen Feldgradienten. Hierzu wird ein in beiden Schenkeln des U-Leiterabschnitts fließender Strom betrachtet, wobei der in einen Schenkel hinein- und im benachbarten Schenkel herausfließende Strom ein superpositioniertes Gesamtmagnetfeld zwischen den Schenkeln ausbildet, dessen Feldgradient in einer Messebene erfasst wird. Naturgemäß fliest in beiden Schenkeln die identische Strommenge, allerdings in gegenläufigen Richtungen.
Nachteilig am Stand der Technik im Bereich der Strommessung in Gradiometeranordnung ist, dass die durch den U-förmigen Stromschenkel gebildete Induktivität insbesondere bei höheren Frequenzen zu Spannungsspitzen führen kann, die von einer eingeschalteten Leistungshalbleiterelektronik, die z.B. für einen Umrichterbetrieb ausgelegt ist, kompensiert werden muss. Diese muss somit für derartig höhere Spannungsspitzen ausgelegt sein.
Weiterhin können mit einer zunehmenden Miniaturisierung eines derartigen Stromsensors Störfeldanteile, z.B. durch Ströme in dem Verbindungssteg zwischen den Schenkeln des U-Leiters eine Größe annehmen, die zu einer Veränderung der Magnetisierung der magnetfeldempfindlichen Schichten des xMR-Sensors führt.
Darüber hinaus trifft bei der Fertigung von U-förmigen Leiterschenkeln ein höherer Fertigungsaufwand und Materialverschnitt auf. Weiterhin fließt der gesamte Strom durch die Schenkel bei Hochstromanordnungen, so dass die Schenkel eine hohe Strombelastbarkeit aufweisen müssen.
Des Weiteren tritt ein Skin-Effekt auf, wenn ein hochfrequenter Wechselstrom durch einen Leiter fließt, wobei die Stromdichte durch einen Stromverdrängungseffekt in den Innenbereichen des Leiters niedriger als in den Außenbereichen ist. Das heißt, dass beim Wechselstrom in Abhängigkeit der Frequenz Wirbelströme und elektrische Felder erzeugt werden, die die Ladungsträger an die Oberfläche des Leiters verdrängen.
Daneben wirkt ein Proximity-Effekt zwischen zwei eng benachbarten Leitern. Der Proximity-Effekt ist ein Phänomen der Stromverdrängung, wobei sich dieses frequenzabhängige Phänomen auf Wirbelströme zwischen eng beieinander liegenden Leitern beschränkt, in denen Wechselströme in entgegengesetzte Richtungen fließen, wie dies bei den vorbekannten Strommesssensoren mit U- förmigen Leiterelementen der Fall ist. Nach dem Proximity-Effekt, der bei höheren Frequenzen besonders ausgeprägt ist, tendieren hochfrequente Ströme dazu, in möglichst enger Nähe zueinander zu fließen. Der Stromfluss konzentriert sich auf den Bereich, bei denen die beiden Leiter dicht nebeneinander liegen.
Infolge einer Überlagerung der beiden vorgenannten Effekte wird bei der U- förmigen Leiterschleife eine hohe Stromdichte in den Innenbereichen der Schenkel, insbesondere in den Kanten, hervorgerufen. Somit werden hochfrequente Ströme deutlich dichter geführt und es erhöht sich der Feldgradient im Bereich des Sensors. Insofern sind die vorbekannten U-förmigen Stromsensoren in ihrer Messqualität von der Stromfrequenz abhängig.
Schließlich tritt ein nachteilig parasitärer Effekt von Zuführleitung und Strombügel auf. Eine gattungsmäßige U-förmige Anordnung zur magnetfeldbasierten Messung von elektrischen Strömen umfasst zumindest einen strommessaktiven Leiterabschnitt und zumindest einen strommessparasitären Leiterabschnitt. Der strommessparasitäre Leiterabschnitt entspricht der Zuführleitung bzw. dem Strombügel. Bei Stromdurchführung werden parasitäre Magnetfelder durch die strommessparasitären Leiterabschnitte hervorgerufen. Die hervorgerufenen parasitären Magnetfelder haben einen Einfluss auf die Messwerte des magnetfeldempfindlichen Sensorelements.
Zusammenfassend haben die bisherigen Lösungen zur Strommessung in Gradiometeranordnung auf Basis von U-förmigen Stromschienen folgende Nachteile: Es wird ein in beiden Schenkel des U-Leiterabschnitts fließender Strom betrachtet, wobei der in einen Schenkel hinein- und im benachbarten Schenkel herausfließende Strom ein superpositioniertes Gesamtmagnetfeld zwischen den Schenkeln ausbildet, dessen Feldgradient in einer Messebene erfasst wird. Naturgemäß fließt in beiden Schenkeln die identische Strommenge.
Hieraus resultieren folgende Nachteile: - Großer effektiver Querschnitt und schwierige thermische Dimensionierung
- Störfelder aufgrund der Umlenkung/Rückführung
- Hohe Streuinduktivität (nachteilig für Schaltverhalten bei Leistungshalbleitern)
- Großer Bauraum
- Starke Frequenzabhängigkeit durch Skin- und Proximity-Effekt
- Ungünstige Anordnung für kapazitive und induktive Störungseinkopplung
- Bei herkömmlichen Fertigungsverfahren viel Verschnitt an Stromschienenmaterial
Die Induktivität, die durch den U-förmigen Stromschenkel gebildet wird, führt zu Spannungsspitzen, die von einer eingeschalteten Leistungshalbleiterelektronik, die z.B. für einen Umrichterbetrieb ausgelegt ist, kompensiert werden muss. Diese muss daher für höhere Spannungsspitzen ausgelegt sein.
Auch treten bei der Fertigung von U-Förmigen Leiterschenkeln ein höherer Fertigungsaufwand und Materialverschnitt auf.
Gerade bei Hochstromanordnungen fließt der gesamte Strom durch die Schenkel, die eine hohe Strombelastbarkeit aufweisen müssen.
Gemäß der DE 101 10 254 A1 ist ein Stromsensor bekannt, der einer potentialfreien Strommessung im Bereich höherer Frequenzen dient. Einschränkungen bezüglich der Frequenzunabhängigkeit der Magnetfelder ergeben sich, wenn in der Nähe des kreisrunden Stromleiters gut leitfähige Materialien in irgendeiner geometrischen Form vorhanden sind. Durch eine Induktion von Wirbelströmen in diesen Materialien und deren Rückwirkung ergibt sich eine nicht kreissymmetrische Stromverteilung im Stromleiter und damit eine Frequenzabhängigkeit des Magnetfeldes am Ort des Sensors, die zu Messfehlern bei der Strombestimmung führen kann, und die durch einen sogenannten Skineffekt und Proximity Effekt in Erscheinung treten können. In dieser Druckschrift ist der Stromsensor aus einem oder mehreren elektrisch parallel oder in Reihe geschalteten Stromleitern und Magnetfeldsensoren bzw. Magnetfeldgradientensensoren aufgebaut. Bei Stromdurchfluss ist das einen Stromleiter bzw. eine Mehrzahl von Leitern umgebende Magnetfeld durch Magnetfeldsensoren bzw. Magnetfeldgradientensensoren messbar, wobei Ströme jeweils gegenläufig den Stromsensor überströmen. Das Ausgangssignal des jeweiligen Sensors ist im vorgesehenen Bereich frequenzunabhängig. Die Stromleiter sind derart ausgeformt, dass eine am Ort des jeweiligen Sensors auftretende Magnetfeldveränderung eine Ausbildung von Wirbelströmen unterdrückt. Hierdurch soll mit dem Stromsensor der potentialfreie Strom im Bereich höherer Frequenz mit geringen Messfehlern messbar werden.
In der WO 2014/001473 A1 ist eine weitere Anordnung zur Strommessung dargestellt. Die Anordnung wird zur magnetfeldbasierten Messung von elektrischen Strömen mittels mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement in einem abgewinkelten, insbesondere U-förmigen Leiterelement vorgeschlagen, das zumindest einen strommessaktiven Leiterabschnitt und zumindest einen strommessparasitären Leiterabschnitt umfasst. Das Sensorelement weist zumindest eine Empfindlichkeitsrichtung auf, in der Magnetfeldkomponenten eine hohen Sensorwertveränderung bewirken, wobei das Sensorelement derart im Bereich des strommessaktiven Leiterabschnitts ausgerichtet ist, insbesondere gegenüber dem strommessparasitären Leiterabschnitt verdreht, verkippt und/oder höhenversetzt ist, so dass das Magnetfeld eines strommessaktiven Leiterabschnitts des U-förmigen Leiterelements im Wesentlichen in Empfindlichkeitsrichtung und das Magnetfeld eines strommessparasitären Leiterabschnitts des U-förmigen Leiterelements im Wesentlichen nicht in Empfindlichkeitsrichtung, insbesondere rechtwinklig zur Empfindlichkeitsrichtung ausgerichtet ist.
Ausgehend vom dem oben genannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu verringern. Die oben genannten Nachteile werden durch eine Anordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Stromsensoranordnung vorgeschlagen, die einen magnetoresistiven Gradientensensor umfasst, wobei zwischen zwei Leiterabschnitten eines Stromleiters der magnetoresistive Gradientensensor angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Leiterabschnitte den Strom aufteilen und in dieselbe Richtung bezüglich der Anordnung des magnetoresistiven Gradientensensors führen, und dass die Leiterabschnitte bezüglich einer Messebene des magnetoresistiven Gradientensensors höhenversetzt sind. Mit anderen Worten wird der Stromleiter ohne Querpfade von Leiterabschnitten in zwei Ebenen relativ zur Messebene versetzt. Die Messebene des magnetoresistiven Gradientensensors ist die Ebene, in der durch magnetoresistive Widerstände der Sensoranordnung ein Gradientenfeld gemessen wird. Das Gradientenfeld liegt hierbei parallel zur Messebene. Die zwei Leiterabschnitte desselben Stromleiters, der praktisch aufgetrennt ist, sind gegenüber der Messebene des magnetoresistiven Gradientensensors höhenversetzt. Beide Leiterabschnitte führen Strom in dieselbe Richtung bezüglich des magnetoresistiven Gradientensensors. Der Stromanteil im ersten Leiterabschnitt erzeugt ein Magnetfeld. Gleichermaßen erzeugt der Strom im zweiten Leiterabschnitt ein anderes Magnetfeld. Beide Magnetfelder umgeben die Leiterabschnitte in dieselbe Richtung gemäß der Rechten-Hand-Regel. Bezüglich der Messebene sind hierzu normal ausgerichtete Komponenten des Magnetfelds in jeder der beiden Leiterabschnitte entgegengesetzt ausgerichtet, und in der Messebene liegende Tangentialkomponente des Magnetfelds ist in jeder der beiden Leiterabschnitte ebenfalls entgegengesetzt ausgerichtet. Hiermit wird ein Gradientenfeld der Tangentialkomponenten in der Messebene gebildet, das vom Gradientensensor messbar ist.
Mit anderen Worten wird eine neue Anordnung vorgeschlagen, bei der der Primärleiter ohne Querpfade von Leiterabschnitten in zwei Ebenen versetzt über und unter dem Sensorelement des Gradientensensors aufgeteilt wird. Dies bietet wesentliche Vorteile im Vergleich zur U-förmigen Anordnung. So fließt durch jeden Leiterabschnitt nur der halbe Strom gegenüber der U-förmigen Leiterschleife. Die Induktivität wird herabgesetzt, so dass Spannungsspitzen verringert werden. Hohe Ströme können mit einer geringeren Stromdichte geführt werden. Gegenüber einer U-förmigen Stromschleife kann die Stromdichte um ca. 50% reduziert werden.
Bei hochfrequenten Stromanteilen tritt ein Skineffekt auf, der eine Stromdichtekonzentration nahe an der Leiteroberfläche zu Folge hat. Daneben bewirkt ein Proximityeffekt, dass ein Stromfluss an den Innenseiten eines Leiters bezüglich eines benachbarten Leiters auftritt, wobei es bei einer U-förmigen Leiterschleife zu einer Überlagerung beider Effekte, die zu einer hohen Stromdichte in den Innenbereichen der Schenkeln und besonders in den Biegekanten kommt. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Leiterabschnitte deutlich verringert, so dass sich der Einsatz sowohl bei hohen Stromstärken als auch bei hohen Frequenzanteilen anbietet. Insbesondere bei einem Mehrfach-Umrichterbetrieb, bei dem ein Umrichter mit einer höheren Schaltfrequenz betrieben wird, kann dies vorteilhaft sein. Auch kann bei Stromüberwachungsaufgaben hinsichtlich Kurzschluss oder Überlastung aufgrund der hohen Flankensteilheit des Stroms ein erfindungsgemäßer Sensor ein exakteres Messergebnis liefern und eine höhere Genauigkeit erreichen. Auch wird der Feldgradient erfindungsgemäß halbiert gegenüber der bisherigen U- Schenkellösung, so dass der Dynamikbereich bzw. Messbereich des Gradientensensors verringert werden kann. Letztlich kann ein Vormagnetisierungsfeld, dass im Gradientensensor einer Einstellung eines linearen Messbereichs dient, vorteilhaft eingesetzt werden, während bei der bisherigen U-Schenkellösung das auftretende Magnetfeld das Vormagnetisierungsfeld / Biasfeld gestört, d.h. verstärkt oder geschwächt hat.
Der magnetoresistive Gradientensensor kann hierbei aus einer Gradientenschaltung von magnetoresistiven Widerstandselementen einer einzelnen Sensoranordnung ausgebildet sein. Durch die vorgeschlagene Konfiguration werden Skin-Effekt und Proximity-Effekt durch die Teilung des Stromleiters, wobei die beiden Teilströme in derselben Richtung bezüglich der Messebene fließen, deutlich verringert. Bei einer bisherigen U-förmigen Leiterschleife ergibt sich eine sehr hohe Stromdichte in den Innenschenkeln. Daraus folgen sehr starke Magnetfelder um die Innenschenkel. Aus diesem Grund erreicht der magnetoresistive Gradientensensor schnell eine Sättigung, insbesondere bei hochfrequenten Wechselströmen. Im Gegensatz dazu tritt erfindungsgemäß eine geringe Stromdichte in den Innenbereichen beider Leiterabschnitte auf. Somit werden in den Innenbereichen beider Leiterabschnitte schwächere Magnetfelder hervorgerufen. Durch Halbierung des Gradientenfeldes beim gleichen Primärstrom wird der Messbereich des magnetoresistiven Gradientensensors der erfindungsmäßigen Stromsensoranordnung verdoppelt, so dass die erfindungsgemäße Stromsensoranordnung sowohl bei hohen Stromstärken als auch bei hohen Frequenzbereichen eingesetzt werden kann. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Stromsensoranordnung in einem Mehrfach-Umrichterbetrieb eingesetzt werden, wobei ein Umrichter mit einer höheren Schaltfrequenz als ein weiterer Umrichter betrieben wird, wie dies z.B. bei einer beidseitigen Bestromung eines Drehstrommotors oder eines Netzeinspeisetransformators bereits vorgeschlagen ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Gradientenfeld über eine entsprechende Geometrie des aufgeteilten Stromleiters bei gleicher Stromstärke auf den gleichen Wert wie bei einer U-förmigen Leiterschleife eingestellt werden kann. Im Sensoraufbau existiert dabei ein konstantes Magnetfeld, das der Einstellung eines linearen Messbereichs dient, wohingegen bei der bisherigen U-Schenkellösung ein auftretendes parasitäres Magnetfeld dieses Biasfeld gestört, d.h. das Biasfeld ungewollt verstärkt oder geschwächt hat. Durch die Geometrie der erfindungsmäßigen Stromsensoranordnung ist diese Beeinflussung meist vernachlässigbar. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Stromsensoranordnung eine hohe Step-Response aufweist, d.h. ein schnelles Einschwingen bei Einschalten des Stroms, bis plötzliche Stromänderungen feststellbar sind, wobei Höchstströme bis 600Amp. Nennstrom und ca. 1000A. Peak betrachtet wurden. Daher kann die erfindungsgemäße Stromsensoranordnung auch für eine Kurzschlussdetektion oder Stromüberwachung hervorragend eingesetzt werden und kann eine Sensoraufgabe einer elektronischen Sicherung übernehmen.
Da der Gesamtstrom sich in zwei Pfade, durch die Leiterabschnitte in zwei Teilströme aufteilt, und ein Stromrichtungswechsel stattfindet, können die Leiterabschnitte im Querschnitt verringert als im Stand der Technik sein, da ein U- förmiger Strombügel den Gesamtstrom führt. Somit ist ein kompakteres Design möglich und eine kompakte Bauform kann erreicht werden. Eine Abschirmung gegen kapazitive Einkopplungen mittels eines Faraday'schen Käfigs ist einfach durchführbar. Bei Strömen über 300 A kann die Stromleitergeometrie als mechanischer Träger der Sensoranordnung, die beispielsweise auf einem Polyimide Starr Flex-PCB-Träger aufgebracht ist, genutzt werden. Aufgrund der verkleinerten Stromanteile auf beiden Leiterabschnitten können die Isolationsdicken und die Kriechstrombildungseigenschaft von Poyimide auch für höhere Ströme eingesetzt werden.
Da parasitäre Querfelder in dieser Anwendung unterdrückt werden, können gerade bei Hochstromanwendungen auf Flusskonzentratorblechen, die zur Verbesserung der Kennlinienlinearität bei U-Schienen eingesetzt werden, weitgehend verzichtet werden, und die deutlich verringerte Streuinduktivität führt zu höheren Reaktionszeiten und zu geringeren Schaltverlusten in der Anwendung. Eine induktive Einkopplung von Störungen von Sensorsignalen bei transienten Stromänderungen kann stark reduziert werden, da gegenüber einer U-förmigen Anordnung auf eine Leiterschleife verzichtet werden kann. Die Aufteilung und Zusammenführung der beiden Leiterschleifen kann dabei abrupt abgewinkelt, aber auch verrundet homogen erfolgen. Auch werden Störfelder des Sensors, die z.B. in metallische Lagen wie Kühlkörper, Gehäusebleiche oder Abschirmungen Kreisströme induzieren, verringert werden, und so die Bandbreite und Messauflösung in einem hohen Bereich auch frequenzunabhängig beibehalten werden kann.
Letztlich kann durch die einfache geometrische Gestaltung eine günstigere mechanische Herstellung als bei der Bereitstellung einer U-Form des Leiterabschnitts erreicht werden, wobei durch eine verkleinerte Geometrie auch Verschnitt und Material eingespart werden kann. Auch ist das Temperaturverhalten verbessert, da geringere Substratdicken eingesetzt und die Abstände vergrößert werden können. Auch kann eine Stromasymmetrie leicht kontrolliert und kompensiert werden. Es hat sich gezeigt, dass sich hierbei eine Gleichtackt-Arbeitspunktverschiebung von etwa 1/3 einer AMR-Kennlinie als akzeptabel erweist, wobei durch unterschädliche Abstände des Sensors zu den beiden Leiterabschnitten oder einem lateralen Versatz auf dem Substrat diese Arbeitspunktverschiebung baulich kompensiert, oder in der weiteren Signalverarbeitung rechnerisch kompensiert werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann ein Leiterabschnitt unterhalb und ein Leiterabschnitt oberhalb der Messebene geführt werden. Ein Primärstrom wird in den Zuführungsleiter geführt. Die Leiterabschnitte teilen den Strom entsprechend ihren Querschnittsverhältnissen und Leitwerten auf und führen diesen in dieselbe Richtung bezüglich der Anordnung des magnetoresistiven Gradientensensors. Beide Stromanteile rufen jeweils ein den Leiterabschnitt umgebendes Magnetfeld hervor, wobei sich die Magnetfelder an der Messebene am Ort des Gradientensensors begegnen. Jedes Magnetfeld kann in zwei Komponenten zerlegt werden, wobei eine Tangentialkomponente in der Messebene und die Normalkomponente senkrecht zur Messebene liegt. Die in der Messebene liegende Tangentialkomponente wird vom magnetoresistiven Gradientensensor erfasst. Die senkrecht zur Messebene liegenden Magnetfeldkomponenten beider Magnetfelder sind gegenläufig und heben sich zumindest teilweise auf. Somit unterliegt der magnetoresistive Gradientensensor nur den Tangentialkomponenten, die in der Messebene liegen und ist von parasitären Magnetfeldkomponenten unbeeinflusst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können beiden Leiterabschnitte einen gleichen Stromanteil und einen gleichen relativen Abstand zur Messebene und zum magnetoresistiven Gradientensensor haben. In dieser Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Stromleiter in zwei Leiterabschnitte aufgetrennt ist und bei Stromführung der Strom in zwei gleiche Stromanteile aufgeteilt wird, wobei jeder Stromanteil in dieselbe Richtung bezüglich der Messebene durch den Leiterabschnitt geführt wird. Zwischen den Leiterabschnitten ist ein auf einer Platine angeordneter magnetoresistiver Gradientensensor vorgesehen, der die bezüglich des magnetoresistiven Gradientensensors in Gegenrichtung verlaufenden Magnetfelder misst. Der Gradientensensor ist dabei im Wesentlichen in der Mitte einer diagonal verbindenden Strecke zwischen dem Stromdichtemittelpunkt der beiden Leiterabschnitte angeordnet, und dessen Messebene ist derart zur verbindenden Strecke abgewinkelt angeordnet, dass die Tangentialkomponenten zur Erfassung eines gewünschten Stromstärkebereichs mit einem Magnetfelderfassungsbereich des Gradientensensors passt. Hierzu bieten sich Winkel zwischen 0° bis 90° zur verbindenden Strecke an, insbesondere ein Winkelbereich zwischen 30° bis 60°, bevorzugt 45°. Somit ist jeder Leiterabschnitt bezüglich des magnetoresistiven Gradientensensors, insbesondere der Messebene mit einem gleichen Abstand angeordnet. Die zwei Magnetfelder können jeweils in zwei Magnetkomponenten zerlegen werden, wobei die zwei in der Messebene liegenden Tangentialkomponenten ein Gradientenfeld ausbilden, das vom magnetoresistiven Gradientensensor gemessen werden, und sich die zwei senkrecht zur Messebene liegenden Normalkomponenten aufteilen. Dabei haben die zwei senkrecht zur Messebene liegenden Komponenten keinen Einfluss auf die Strommessung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die beiden Leiterabschnitte einen ungleichen Stromanteil und / oder einen ungleichen relativen Abstand zur Messebene und zum magnetoresistiven Gradientensensor haben, wobei sich entweder der ungleiche Stromanteil und/oder der ungleiche Abstand derart kompensieren oder mittels eines Korrekturfaktors oder einer Korrekturkennlinie eine Korrektur des Strommesswertes kompensieren lassen. In dieser Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass beide Leiterabschnitte mit unterschiedlichen Leitwerten ausgebildet sind. Der in dem Primärleiter geführte Strom wird somit in zwei unterschiedliche Stromanteile aufgeteilt. Infolge der Strom- bzw. Magnetfeldasymmetrie ist eine räumliche Asymmetrie gefordert, so dass die Tangentialkomponenten am Ort des Gradientensensors in etwa gleiche Beträge aufweist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Abstand zwischen dem magnetoresistiven Gradientensensor und dem Leiterabschnitt mit geringerem Stromanteil kleiner als der Abstand zwischen dem magnetoresistiven Gradientensensor und dem Leiterabschnitt mit größerem Stromanteil ist. Somit können die ungleichen Stromanteile durch eine räumliche Anordnungs- Asymmetrie, insbesondere durch ungleiche Abstände zwischen beiden Leiterabschnitten kompensiert werden. Des Weiteren kann die Gradientensensoranordnung als „Piggy-Back" Anordnung ausgebildet sein, d.h. der Gradientensensor, der regelmäßig in einem IC-Gehäuse integriert ist, über Kopf eingebracht ist. Damit wird eine räumliche Asymmetrie der Gradientensensoranordnung erreicht, wobei die Lage der Messebene bezüglich der Stromleiteranordnung und einer Trägerplatine / Trägerfolie verändert werden kann. Durch die räumliche Asymmetrie der Gradientensensoranordnung kann die Stromasymmetrie im Wesentlichen kompensiert werden.
Alternativ ist denkbar, dass beide Leiterabschnitte einen ungleichen Stromanteil und einen gleichen relativen Abstand zum magnetoresistiven Gradientensensor aufweisen. Zum Korrigieren des Strommesswertes, d.h. einer ungleichen Größe der Tangentialkomponente, kann ein Korrekturfaktor oder eine Korrekturkennlinie verwendet werden. Hiermit ist es möglich, eine räumliche Asymmetrie oder eine Stromasymmetrie durch eine Korrekturkennlinie oder einen Korrekturfaktor zu kompensieren, die insbesondere stromstärkenabhängig gewählt werden kann. Eine Integration unter baulich schwierigen Verhältnissen und eine nachträgliche Eichung der Strommessung sind hierdurch besonders einfach realisierbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der magnetoresistive Gradientensensor auf einer flexiblen PCB-Folie angeordnet sein. In dieser Ausführungsform ist die PCB-Folie als Substrat bzw. Schaltungsträger der Stromsensoranordnung ausgebildet. Eine PCB-Folie ist thermisch und chemisch stabil, schwer entflammbar, elektrisch nicht leitend, superhydrophob und flexibel geformt. Sie ermöglicht, dass bei einer Strommessung mit einem kompakten platzsparenden Aufbau der Stromleiteranordnung der Gradientensensor räumlich zwischen den Stromleitern variabel anordenbar ist. Somit kann der magnetoresistive Gradientensensor in den Schlitz des Stromleiters flexibel eingebracht und ausgerichtet werden. Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Stromleiteranordnung geringe Abmessungen aufweist, so dass mit dem kompakten Aufbau die Stromleiteranordnung kostengünstig herstellbar und montierbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können beide Leiterabschnitte gegenüber einer Messebene des magnetoresistiven Gradientensensors symmetrisch höhenversetzt werden, wobei ein Leiterabschnitt unterhalb und ein Leiterabschnitt oberhalb der Messebene verläuft. In dieser Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass beide Leiterabschnitte gegenüber der Messebene des magnetoresistiven Gradientensensors höhenversetzt werden und dabei einen gleichen relativen Abstand zur Messebene aufweisen. Vorzugsweise sind die zwei Leiterabschnitte mit gleichen Widerständen, d.h. Leitwerten vorgesehen. In einer alternativen Variante können die Widerstände von beiden Leiterabschnitten ungleich ausgebildet werden, so dass zwei ungleiche Stromanteile in beiden Leiterabschnitten gebildet werden. Durch einen Korrekturfaktor oder eine Korrekturkennlinie kann eine Korrektur von Strom messwerten vornehmbar werden, wobei die Stromasymmetrie kompensiert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können beide Leiterabschnitte gegenüber einer Messebene des magnetoresistiven Gradientensensors asymmetrisch höhenversetzt sein, wobei ein Leiterabschnitt unterhalb und ein Leiterabschnitt oberhalb der Messebene verläuft. Bei einer ungleichen Stromführung in beiden Leiterabschnitten ist es weiterhin vorteilhaft, beide Leiterabschnitte gegenüber der Messebene des magnetoresistiven Gradientensensors asymmetrisch höhen zu versetzen, wobei ein Leiterabschnitt unterhalb und ein Leiterabschnitt oberhalb der Messebene verläuft. Beide Leiterabschnitte sind somit unterhalb und oberhalb der Messebene angeordnet und weisen einen ungleichen relativen Abstand zu der Messebene auf. Hiermit ist der magnetoresistive Gradientensensor näher am Leiterabschnitt angeordnet, der den geringeren Stromanteil führt, d.h. der relative Abstand zwischen der Messebene und dem Leiterabschnitt mit geringerem Stromanteil ist kleiner als der Abstand zwischen der Messebene und dem Leiterabschnitt mit größerem Stromanteil. Wesentlich ist dabei der Abstand zum geometrischen Mittelpunkt der Stromdichteverteilung der Leiterabschnitte, wobei vereinfacht die räumliche Konfiguration des Leiterabschnitts durch einen linienförmigen Leiter mit Radius 0 ersetzt werden kann, der ein im Wesentlichen gleiches Magnetfeld erzeugt. Dadurch können die ungleichen Stromanteile kompensiert werden. Das von beiden Stromanteilen hervorgerufene Gradientenfeld kann genau gemessen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können beide Leiterabschnitte in einer gemeinsamen Leiterebene liegen und der magnetoresistive Gradientensensor kann in einem Winkel ß zwischen 0° bis 90°, insbesondere in einem Winkel ß zwischen 30° bis 60°, insbesondere von 45° zu der Leiterebene angeordnet sein, in der beide Leiterabschnitte liegen. Hierzu ist die Leiterebene die Ebene, die durch die beiden parallel geführten Leiterabschnitte und einer rechtwinkligen Verbindungslinie zwischen den geometrischen Mittelpunkten der Stromdichten der Leiterabschnitte aufgespannt wird. In dieser Ausführungsform sind beide Leiterabschnitte und der magnetoresistive Gradientensensor nicht parallel zueinander angeordnet, sondern zueinander gekippt, vorzugsweise um 45° zueinander verkippt angeordnet. Beide Leiterabschnitte können einen gleichen oder auch unterschiedliche Stromanteile aufweisen. Bei gleichen Stromanteilen sind beide Leiterabschnitte vorzugsweise gegenüber der Messebene des magnetoresistiven Gradientensensors symmetrisch angeordnet, wobei der magnetoresistive Gradientensensor in einem Winkel ß zu der Leiterebene angeordnet ist. Alternativ können beide Leiterabschnitte einen ungleichen Stromanteil aufweisen. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der magnetoresistive Gradientensensor in einem Winkel ß zu der Leiterebene liegt und beide Leiterabschnitte gegenüber der Messebene des magnetoresistiven Gradientensensors asymmetrisch angeordnet sind, wobei der magnetoresistive Gradientensensor näher am Leiterabschnitt liegt, der den geringeren Stromanteil führt. Durch Variation des Winkels ß kann ein zu messender Stromstärkebereich mit dem Magnetfeld-Messbereich des Gradientensensors abgeglichen werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können beide Leiterabschnitte durch mindestens einen Drahtbügel und eine Stromschiene gebildet sein, wobei der Drahtbügel elektrisch mit der Stromschiene kontaktiert ist. In dieser Ausführungsform kann die einzelne Stromschiene betrachtet werden, die zur Überbrückung einen Drahtbügel oder mehrere Drahtbügel aufweist, so dass beide Leiterabschnitte durch den Drahtbügel und die Stromschiene gebildet sind. Hierbei ist der Drahtbügel elektrisch mit der Stromschiene kontaktiert, wobei der Drahtbügel als Bypass ausgebildet ist. Die Stromschiene kann auf einer PCB-Folie bzw. einer PCB-Leiterbahn angeordnet sein. Des Weiteren kann der Drahtbügel aus einem Leiter- oder Bonddrahtbündel bestehen. Der vom Drahtbügel umgangene Leiterabschnitt der Stromschiene kann im Querschnitt verringert sein, und wird regelmäßig einen geringeren Stromanteil als die Stromschiene führen, so dass sich eine asymmetrische Lage des Gradientensensors näher zum Drahtbügel als zur Stromschiene anbietet, und/oder eine Korrektur durch eine (nichtlineare) Gewichtung mittels Korrekturfaktor oder Korrekturkennlinie oder Kennfeld anbietet. Weiterhin kann die vorgenannte Stromschiene eine Ausnehmung zum Befestigen des Drahtbügels oder einen Bereich einer verringerten elektrischen Leitfähigkeit aufweisen, wodurch eine einstellbare Stromasymmetrie und eine Magnetfeldasymmetrie entstehen. Zum Aufheben der Stromasymmetrie und Magnetfeldasymmetrie ist eine räumliche Asymmetrie der Stromsensoranordnung vorteilhaft, wobei der magnetoresistive Gradientensensor näher am Leiterabschnitt angeordnet werden kann, in dem der geringere Stromanteil fließt, so dass die Stromasymmetrie kompensiert wird. Dabei können auch Stromunterschiede unter 10%, bevorzugt unter 5%, insbesondere unter 1 ,5% toleriert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Leiterabschnitte als Stanzbiegeteil ausgebildet sein, der einen Schlitz aufweist, in dem der magnetoresistive Gradientensensor angeordnet ist. In dieser Ausführungsform kann der aufgeteilte Leiter einstückig aus einem Stanzbiegeteil hergestellt werden, das einen Schlitz zur Definition der Leiterabschnitte aufweist. Dabei verlaufen die Schlitzabschnitte als Leiterabschnitte jeweils nach unten und oben von der Leiterebene gebogen parallel zur Leiterebene, alternativ kann der Gradientensensor gekippt zwischen den Leiterabschnitten angeordnet sein. Zwischen den Schlitzabschnitten kann der magnetoresistive Gradientensensor auf einer flexiblen PCB-Folie angeordnet werden. Somit kann der magnetoresistive Gradientensensor räumlich variabel in den Schlitz des Stanzbiegeteils eingebracht werden. Alternativ zur vorgenannten Ausführungsform können die Leiterabschnitte auch mehrteilig z.B. als zwei identische Stanzteile ausgebildet sein. Die zwei identischen Stanzteile können durch zwei Distanzstücke miteinander verbunden, beispielsweise verlötet, vernietet oder verschweißt sein, wobei das zweite Stanzteil um 180° zum ersten Stanzteil gedreht sein kann. Auch ist es denkbar, derartige Leiterabschnitte derart auszubilden, dass eine gerade Schiene eine entsprechende Fräsung aufweist und damit die Leiterabschnitte bereitgestellt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können beide Leiterabschnitte durch zwei Aufbündelungen von in der Regel flexiblen Leiterschlitzen gebildet werden, wobei diese aus dünnen Einzeldrähten bestehen und somit einen leicht zu biegenden elektrischen Leiter ausformen. In dieser Ausführungsform wird ein aufgeteilter Litzenleiter betrachtet, wobei zwei Litzenbündel die beiden aufgeteilten Strompfade als Leiterabschnitte definieren. Der magnetoresistive Gradientensensor kann beispielsweise auf einer PCB-Folie angeordnet werden und somit kann der Gradientensensor zwischen die aufgeteilten Strompfade geschoben werden. Beide Strompfade können als zwei Litzenbündel mit einem gleichen Widerstand ausgebildet werden. Damit können zwei gleiche Stromanteile in beiden Leiterabschnitten geführt werden. Der magnetoresistive Gradientensensor kann symmetrisch zu beiden Leiterabschnitten bezüglich der Messebene höhenversetzt sein.
Alternativ kann diese Stromsensoranordnung zwei Leiterabschnitte mit ungleichen Widerständen, d.h. ungleiche Feindrahtmenge pro Litzenbündel umfassen. Bei der Stromführung durch diesen Stromleiter ergibt sich ein ungleicher Stromanteil in beiden Leiterabschnitten. Hierbei kann die Stromasymmetrie durch eine räumliche Stromsensoranordnungsasymmetrie aufgehoben werden, wobei zwischen dem magnetoresistiven Gradientensensor und dem Leiterabschnitt mit geringerem Stromanteil, ein entsprechender kleinerer Abstand vorgesehen ist. Hierzu ist denkbar, dass die Stromasymmet e durch einen Korrekturfaktor oder eine Korrekturkennlinie kompensiert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Leiterabschnitte als parallel geschlitztes Rohr mit zwei Schlitzen ausgebildet werden, wobei der magnetoresistive Gradientensensor vorzugsweise abgewinkelt zu den Schlitzen angeordnet werden kann. In dieser Ausführungsform ist eine gemeinsame Leiterebene rechtwinklig zu den Leiterschlitzen gebildet. Dabei ist es vorteilhaft, den Gradientensensor zum geschlitzten Rohr zu verkippen, so dass ein Gradientenfeld gemessen werden kann. Dabei ist das geschlitzte Rohr gegenüber der Messebene des Gradientensensors symmetrisch angeordnet. Vorzugsweise kann angedacht werden, dass der Gradientensensor auf einer PCB-Folie angeordnet ist. Somit kann sich der Gradientensensor je nach der gemessenen Magnetfeldposition flexibel im Schlitzen bewegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine magnetische Abschirmung vorgesehen sein, wobei die magnetische Abschirmung die Leiterabschnitte im Wesentlichen vollständig umschließt und vorzugsweise die magnetische Abschirmung als zwei halbkreisförmige bzw. abgewinkelte Eisenoder Stahlrohrhälften ausgebildet ist. Diese magnetische Abschirmung schirmt den magnetoresistiven Gradientensensor gegen äußere Einflüsse beispielweise Störfeldern oder einer naheliegenden weiteren Leitung in einer mehrphasigen Anordnung ab, so dass sich ein geringer Einfluss auf den im Inneren umfassten Gradientensensor ergibt. Die magnetische Abschirmung beruht auf einer hohen Permeabilität von ferromagnetischen Stoffen. Die Feldlinien eines äußeren Magnetfeldes treten leicht in Körpern aus ferromagnetischen Stoffen ein und laufen dann innerhalb dieses Körpers bis zum Austritt weiter, wobei der von der Abschirmung umfasste Bereich praktisch feldfrei bleibt. Infolge der hohlen magnetischen Abschirmung gelangt keine magnetische Feldlinie in das Innere der magnetischen Abschirmung, wobei die magnetische Abschirmung als zwei halbkreisförmige oder rechteckige Eisenrohrhälften ausgebildet ist. Sofern magnetfeldempfindliche Komponenten in direkter Nachbarschaft zum Strommessaufbau angeordnet sind, liegen durch die Abschirmung außerhalb nur kleine Felder vor.
Schließlich wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass bezüglich eines Drei- oder Mehrphasensystems drei bzw. mehrere magnetoresistive Gradientensensoren auf einer gemeinsamen Platine, bevorzugt einer PCB-Folie angeordnet werden können. Dabei ist jede Stromphase in zwei Leiterabschnitte aufgeteilt, die jeweils oberhalb und unterhalb der Platine verlaufen, wobei bevorzugt die Leiterabschnitte jeder Stromphase in einer gemeinsamen Leiterebene liegen, und die Leiterebenen verschiedener Stromphasen höhenversetzt und seitlich versetzt zueinander angeordnet sind, und insbesondere die Platine abgewinkelt zwischen den Leiterabschnitten der Leiterebenen geführt wird. Durch die gekippte Stromsensoranordnung kann eine kompakte Anordnung und platzsparende Messung aller Phasen durchgeführt werden.
Weiterhin kann als Weiterentwicklung zur vorgenannten Ausführungsform bezüglich des Drei- oder Mehrphasensystems, drei oder mehrere magnetoresistive Gradientensensoren statt auf einer Seite alternierend auf Vorder- und Rückseite einer gemeinsamen Platine angeordnet sein. Mit einem Aufbau von drei oder mehreren magnetoresistiven Gradientensensoren auf Vorder- und Rückseite der gemeinsamen Platine, kann eine kleinere und kompaktere Stromsensoranordnung für das Drei- oder Mehrphasensystem bereitgestellt werden. Durch einen derartigen Aufbau der Stromsensoranordnung, wobei drei oder mehrere magnetoresistive Gradientensensoren alternierend auf Vorder- und Rückseite der gemeinsamen Platine angeordnet sind, kann die Qualität der Messung verbessert werden, da bei einer gleichen räumlichen Abmessung der Stromsensoranordnung, bei der die drei oder mehreren magnetoresistiven Gradientensensoren auf einer Seite der gemeinsamen Platine angeordnet sind, der Störabstand zu den benachbarten Phasen höher ist. Somit können die Leiterabschnitte der drei Stromleiter näher zusammenrücken und sich zu Gleichtaktfeldern eliminieren. ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus den vorliegenden Zeichnungsbeschreibungen. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 Anordnung mit U-förmigem Stromleiter gemäß dem Stand der
Technik;
Fig. 2a Schematische Darstellung einer Strommessung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2b Schematische Darstellung einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Strommessung;
Fig. 2c Schematische Darstellung einer Strommessung gemäß einer zweiten
Variante einer erfindungsgemäßen Strommessung;
Fig. 3 Schematische erste Ausführungsform einer Stromsensoranordnung;
Fig. 4a Schematische zweite Ausführungsform einer Stromsensoranordnung;
Fig. 4b weitere Darstellung einer Strommessung gemäß der zweiten
Ausführungsform;
Fig. 5a Schematische dritte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung;
Fig. 5b weitere Darstellung einer Strommessung gemäß der dritten
Ausführungsform;
Fig. 6 perspektivische vierte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung;
Fig. 7 Schematische fünfte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung; Fig. 8a Schematische sechste Ausführungsform einer Stromsensoranordnung;
Fig. 8b Schematische siebte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung;
Fig. 9 Schematische achte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung;
Fig. 10 Schematische neunte Ausführungsform einer
Stromsensoranordnung;
Fig. 11a Schematische erste Variante einer zehnten Ausführungsform einer
Stromsensoranordnung;
Fig. 11 b Schematische zweite Variante einer zehnten Ausführungsform einer
Stromsensoranordnung;
Fig. 12 Schematische elfte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung.
In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
In der Fig. 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Strommessanordnung 100 dargestellt. Die Strommessanordnung 100 weist ein Sensorelement 107 und ein U-förmiges Leiterstück 101 auf, bei dem der strommessaktive Schenkel 104 in einer z-Richtung gegenüber dem strommessparasitaren Verbindungssteg 102 und der Anschlussleitung 105 zurückversetzt sind, so dass parasitäre agnetfeldkomponenten im Wesentlichen rechtwinklig eine magnetfeldneutrale Ausrichtungsebene der Sensorstruktur des Sensorelements 107 durchdringen. Durch die in z-Richtung versetzte Anordnung von den Schenkeln 104 gegenüber den Anschlussleitungen 105 und dem Verbindungssteg 102 wird erreicht, dass parasitäre Magnetfeldkomponenten unterdrückt oder lediglich durch eine magnetfeldneutrale Ausrichtungsebene treten, während die zu erfassenden strommessaktiven Magnetfeldkomponenten durch die magnetfeldsensitive Ausrichtungsebene des Sensorelements 107 treten. In der Fig. 2a ist ein zur Fig. 1 entsprechendes schematisches Prinzip einer Strommessung des Stands der Technik gezeigt. Die entsprechende Strommessanordnung besteht aus einer in y-z-Ebene liegenden U-förmigen Leiterschleife und einem in der Ebene parallel zur Leiterschleife angeordneten Sensorelement, wobei die Leiterschleife Anschlussleitungen, die Schenkel und den Verbindungssteg aufweist. In beiden strommessaktiven Schenkeln fließt ein Strom in Gegenrichtung bezüglich eines Gradientensensors 12, wobei in einem Schenkel der Strom 16a in Richtung 17a und im anderen Schenkel der Strom 16b in Richtung 17b fließt. In den Stromschenkeln 104 werden Magnetfelder 60a, 60b hervorgerufen, wobei die Magnetfelder 60a, 60b die Schenkel 104 umgeben. In der Messebene 20, in dem das Sensorelement liegt, schneiden sich die Magnetfelder 60a und 60b. Jedes Magnetfeld 60a, 60b kann in zwei Komponenten zerlegt werden, wobei eine Tangentialkomponente in der Messebene 20 liegt und vom Sensorelement gemessen werden kann, und die andere Normalkomponente senkrecht zur Messebene 20 liegt. Die senkrecht zur Messebene 20 liegenden Normalkomponenten der beiden Magnetfelder addieren sich und weisen in dieselbe Richtung. Dabei misst das Sensorelement lediglich den Unterschied von beiden in der Messebene 20 liegenden Tangentialkomponenten, wobei die in der Messebene liegenden Komponenten gegensätzlich ausgerichtet sind und somit ein Gradientenfeld bilden.
In der Fig. 2b ist schematisch eine erste Prinzipvariante Erfindung für eine Strommessung dargestellt. Die erfindungsgemäße Stromsensoranordnung umfasst einen magnetoresistiven Gradientensensor 12, der ein in zwei parallel vom Strom durchflossenen Leiterabschnitten hervorgerufenes Gradientenfeld misst, und die beiden Leiterabschnitte, die zur Messebene 20 höhenversetzt sind. Der magnetoresistive Gradientensensor 12 definiert eine Messebene 20. Der Stromanteil 16a, 16b fließt in die gleiche Richtung. Die von den Stromanteilen 16a, 16b erzeugten Magnetfelder schneiden sich in der Messebene 20 in gegenläufigen Richtungen. Das vom Leiterabschnitt mit Richtung 17 hervorgerufene Magnetfeld 60a weist eine Magnetfeldrichtung 62a auf und das vom Leiterabschnitt in Richtung 17b hervorgerufene Magnetfeld 60b weist eine Magnetfeldrichtung 62b auf. Jedes Magnetfeld 62a, 62b kann in zwei Komponenten zerlegt werden. Die in der Messebene 20 liegenden Tangentialkomponenten können vom magnetoresistiven Gradientensensor gemessen werden. Dagegen lösen sich die Normalkomponenten auf, die rechtwinklig zur Messebene 20 liegen. Durch Messen des Gradientenfeldes kann der elektrische Strom bestimmt werden, wobei das Gradientenfeld vom Unterschied beider in der Messebene 20 liegenden tangentialen Magnetfeldkomponenten bereitgestellt ist.
In der Fig. 2c ist eine zweite Prinzipvariante einer erfindungsgemäßen Strommessung gezeigt. In dieser Ausführungsform sind beide Leiterabschnitte in einer gemeinsamen Leiterebene angeordnet. Der magnetoresistive Gradientensensor ist gegenüber der Leiterebene in einem Winkel gekippt, wobei ein gleicher Abstand zwischen dem magnetoresistiven Gradientensensor 12 und den beiden Leiterabschnitten ausgebildet ist. Die Stromanteile 16a, 16b weist die gleiche Größe auf. Davon werden die Magnetfelder 60a, 60b erzeugt, die jeweils die Magnetfeldrichtung 62a und 62b aufweisen. Der magnetoresistive Gradientensensor 12 ist in der Messebene 20 angeordnet, wobei sich die Magnetfelder 60a und 60b in der Messebene 20 treffen und vom magnetoresistiven Gradientensensor 12 gemessen werden. Die Tangentialkomponenten beider Magnetfelder 60a und 60b verlaufen bezüglich der Messebene 20 in die Gegenrichtung und können jeweils in zwei Komponenten zerlegt werden, wobei eine Tangentialkomponente in der Messebene 20 und die andere Normalkomponente rechtwinklig zur Messebene 20 liegt. Beide rechtwinklig zur Messebene 20 liegenden Tangentialkomponenten lösen sich auf und der magnetoresistive Gradientensensor 12 misst die in der Messebene 20 liegenden Komponenten. Damit kann die Größe und Frequenz des geführten Stroms bestimmt werden.
In der Fig. 3 ist eine erste Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 10 dargestellt. Ein Stromleiter 56 ist in zwei Leiterabschnitte 14a, 14b aufgeteilt, wobei in den Leiterabschnitten 14a, 14b ein entsprechender Stromanteil 16a und Stromanteil 16b mit einer gleichen Stromflussrichtung fließt. Zwischen beiden Leiterabschnitten 14a, 14b ist ein Sensorelement 1 1 auf einer PCB-Folie 18 platziert, wobei das Sensorelement 1 1 einen magnetoresistiven Gradientensensor 12 umfasst, der eine Magnetfeldstärkedifferenz einer Tangentialkomponenten des Magnetfelds in einer Messebene 20 misst. Hierbei ist die Messebene 20 so definiert, dass in ihr magnetoresistive Widerstände des Gradientensensors 12 liegen, die bzgl. Vektorkomponenten des Magnetfelds, die parallel in der Messebene 20 liegen (Tangentialkomponenten) empfindlich sind. Weiterhin sind beide Leiterabschnitte 14a, 14b bezüglich der Messebene 20 antiparallel höhenversetzt.
Fig. 4a zeigt eine zweite Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 38, die zwei Leiterabschnitte 14a, 14b und ein Sensorelement 1 1 umfasst, wobei das Sensorelement 1 1 auf einer PCB-Folie 18 angeordnet ist. In den entsprechenden Leiterabschnitten 14a, 14b fließt ein ungleicher Stromanteil 16a und Stromanteil 16b. Als Ausgleich der ungleichen Größe beider Stromanteile ist zur Strommessung eine räumliche Asymmetrie vorteilhaft, wobei die räumliche Asymmetrie durch eine sogenannte „Piggy-Back" Anordnung des IC-Gehäuses des Sensorelements 1 1 , in dem ein IC-Substrat des darin verborgenen Gradientensensors 12 gewählt wird. Die „Piggy-Back" Anordnung ist derartig aufgebaut, dass das IC-Gehäuse des Sensorelements 1 1 über Kopf eingebracht wird, wobei der magnetoresistive Gradientensensor 12 mit der Messebene 20 asymmetrisch im IC-Gehäuse angeordnet ist. Hierdurch verschiebt sich die relative Höhe der Messebene 20 zur Oberfläche des PCBs 18. Damit kann eine asymmetrische Anordnung der Messebene 20 zwischen den Leiterabschnitten 14a, 14b erreicht werden.
In der Fig. 4b ist bezüglich der zweiten Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 38 aus der Fig. 4a eine Strommessung veranschaulicht. Beide Leiterabschnitte weisen ungleiche Stromanteile 16a, 16b auf, die in die gleiche Stromflussrichtung geführt sind. Die Messebene 20 ist durch die Anordnung und Ausrichtung des magnetoresistiven Gradientensensors 12 definiert. Der Strom im jeweiligen Leiterabschnitt 14a und Leiterabschnitt 14b erzeugt ein Magnetfeld 60a und Magnetfeld 60b, die in gegenläufige Richtungen verlaufen. Der Abstand in x-Richtung dx1 , der dem Abstand zwischen dem magnetoresistiven Gradientensensor 12 und Leiterabschnitt 14a in x-Richtung entspricht, ist geringer, als der Abstand in x-Richtung dx2 ausgebildet, der dem Abstand zwischen dem magnetoresistiven Gradientensensor 12 und Leiterabschnitt 14b in x-Richtung entspricht. Dabei ist der Abstand in y-Richtung dy1 geringer als der Abstand in y-Richtung dy2, wobei der Abstand in y-Richtung dy1 dem Abstand zwischen dem magnetoresistiven Gradientensensor 12 und Leiterabschnitt 14a in y-Richtung entspricht, und der Abstand in y-Richtung dy2 dem Abstand zwischen dem magnetoresistiven Gradientensensor 12 und Leiterabschnitt 14b in y-Richtung entspricht. Durch die somit gegebene räumliche Asymmetrie der Stromsensoranordnung kann der Unterschied der Stromanteile 16a, 16b bezüglich der Größe der Tangentialkomponenten kompensiert werden. Beide Magnetfelder 60a, 60b können jeweils in zwei Komponenten zerlegt werden. Eine Tangentialkomponente liegt in der Messebene 20 und die Normalkomponente liegt senkrecht zur Messebene 20. Beide senkrecht zur Messebene 20 liegende Normalkomponenten können sich dabei kompensieren, während ein Gradient zwischen beiden in der Messebene 20 liegenden Tangentialkomponenten vom magnetoresistiven Gradientensensor 12 gemessen werden.
In der Fig. 5a ist eine dritte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 40 dargestellt. Der Stromleiter 56 ist in zwei Leiterabschnitte 14a, 14b aufgeteilt, die in einer gemeinsamen Leiterebene 22 liegen. In beiden Leiterabschnitten 14a, 14b ist der entsprechende Stromanteil geführt, der eine gleiche Richtung und eine ungleiche Größe aufweist. Das auf der PCB-Folie 18 angeordnete Sensorelement 1 1 ist in einem Winkel ß 36 zur Leiterebene 22 angeordnet, d.h. der magnetoresistive Gradientensensor 12 ist zur Leiterebene 22 gekippt. Vorzugsweise ist der Winkel ß 36 in einem Bereich von 30° bis 60°, vorzugsweise 45° gewählt. Falls der Stromanteil 16a kleiner als der Stromanteil 16b ist, können beide Leiterabschnitte 14a, 14b gegenüber der Messebene 20 asymmetrisch angeordnet werden. Mit anderen Worten kann der Abstand zwischen der Messebene 20 und dem Leiterabschnitt 14a geringer als der Abstand zwischen der Messebene 20 und dem Leiterabschnitt 14b ausgebildet werden, wodurch die Magnetfeldstärkedifferenz vom magnetoresistiven Gradientensensor 12 genau gemessen werden kann.
In der Fig. 5b ist eine Strommessung bezüglich der dritten Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 40 dargestellt. Beide Leiterabschnitte 14, 14b sind in einer gemeinsamen Leiterebene angeordnet, wobei die Leiterabschnitte 14a, 14b den Stromanteil 16a und Stromanteil 16b aufweisen, die eine ungleiche Stromgröße aufweisen, und in eine gleiche Stromflussrichtung geführt sind. Die Messebene 20 ist zu beiden Leiterabschnitten 14a, 14b um einen Winkel ß gekippt, wobei infolge der Stromasymmetrie beide Leiterabschnitte 14a, 14b gegenüber der Messebene 20 asymmetrisch angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist der Abstand d1 zwischen dem Leiterabschnitt 14a und der Leiterebene 20 kleiner als der Abstand d2 zwischen dem Leiterabschnitt 14b und der Leiterebene 20 ausgebildet. Beide hervorgerufene Magnetfelder 60a, 60b schneiden sich an der Messebene 20. Somit kann der magnetoresistive Gradientensensor die Differenz beider Magnetfelder gemessen werden. Eine optimale asymmetrische Ausrichtung und die verschiedenen Abstände zu den Leiterabschnitten können bereits im Auslegungsvorfeld mittels einer computergestützten Feldsimulation oder empirisch durch eine mechanische Kalibrierung für einen angestrebten Strommessbereich ermittelt werden.
In der Fig. 6 ist eine vierte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 42 dargestellt. Die Leiterabschnitte sind durch drei parallel geführte Drahtbügel 24 und eine massive Stromschiene 26 gebildet. Zwischen den Leiterabschnitten ist das Sensorelement 1 1 auf einer PCB-Folie 18 oder einem biegesteifen PCB angeordnet. Das Sensorelement 1 1 umfasst den magnetoresistiven Gradientensensor 12 mit der Messebene 20, wobei in dieser Messebene 20 des magnetoresistiven Gradientensensors 12 die magnetische Feldstärkedifferenz gemessen werden kann. Weiterhin fließt der Stromanteil 16a in den Drahtbügeln 24 und der Stromanteil 16b in der Stromschiene 26, wobei der Stromanteil 16a und Stromanteil 16b gleich sind, so dass beide Leiterabschnitte gegenüber der Messebene 20 symmetrisch höhenversetzt sind, so dass ein gleicher Abstand zwischen der Messebene 20 und beiden Leiterabschnitten vorgesehen ist. In der Fig. 7 ist eine fünfte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 44 gezeigt. Die Leiterabschnitte sind durch Aufbündelungen 30a, 30b von Leiterlitzen 28 gebildet. In der Aufbündelung 30a fließt der Stromanteil 16a, der eine gleiche Stromflussrichtung wie die Stromflussrichtung des Stromanteils 16b in der Aufbündelung 30b aufweist. Zwischen der Aufbündelung 30a und Aufbündelung 30b ist das Sensorelement 1 1 angeordnet, das den magnetoresistiven Gradientensensor 12 umfasst, so dass die von den Aufbündelungen 30a, 30b erzeugten Magnetfelder vom magnetoresistiven Gradientensensor 12 in der Messebene 20 erfasst werden können.
Der Abstand zwischen dem magnetoresistiven Gradientensensor 12 und beiden Aufbündelungen 30a, 30b ist je nach dem Stromanteil variabel definierbar. Mit einem gleichen Stromanteil in beiden Aufbündelungen 30a, 30b sind die Aufbündelungen 30a, 30b gegenüber der Messebene 20, insbesondere dem magnetoresistiven Gradientensensor 12 symmetrisch angeordnet, d.h. eine räumliche Symmetrie der Stromsensoranordnung ist vorgesehen. Im Gegensatz dazu sind beide Aufbündelungen 30a, 30b gegenüber der Messebene 20, insbesondere dem magnetoresistiven Gradientensensor 12 bei einer ungleichen Stromdurchführung asymmetrisch höhenversetzt, wobei ein größerer Abstand zwischen der Messebene 20 und Aufbündelung, die einen größeren Stromanteil aufweist, vorgesehen ist.
In der Fig. 8a ist eine sechste Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 46 bezüglich eines Dreiphasensystems dargestellt. Drei Sensorelemente 1 1 sind auf einer gemeinsamen Platine 64 auf einer Oberseite angeordnet, wobei jedes Sensorelement 1 1 den magnetoresistiven Gradientensensor 12 umfasst. Dabei ist jede Stromphase U, V, W in zwei Leiterabschnitte 14a, 14b aufgeteilt, die jeweils oberhalb und unterhalb der Platine 64 verlaufen. Des Weiteren liegen die Leiterabschnitte 14a, 14b jeder Stromphase U, V, W in einer gemeinsamen Leiterebene, während die Leiterebenen verschiedener Stromphasen U, V, W höhenversetzt und seitlich versetzt angeordnet sind. Die Platine 64 ist abgewinkelt zwischen den Leiterabschnitten 14a, 14b der Leiterebenen angeordnet, so dass jeder Gradientensensor 12 einen gleichen Abstand der ihm zugeordneten Leiterabschnitten 14a, 14b seiner Stromphase aufweist. Dabei sind drei magnetoresistive Gradientensensoren 12 auf einer Seite der gemeinsamen Platine 64 angeordnet. Durch diese kompakte Bauform ist eine Messung des Mehrphasensystems möglich, dass bei mehreren Phasen, z.B. einem Sechsphasensystem entsprechend skaliert werden kann.
In der Fig. 8b ist eine siebte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 48 gezeigt. Diese Stromsensoranordnung betrifft ebenfalls ein Dreiphasensystem. Drei Sensorelemente 1 1 sind auf der gemeinsamen Platine 64 angeordnet, wobei drei Sensorelemente 1 1 jeweils den magnetoresistiven Gradientensensor 12 umfassen. Jede Stromphase U, V, W ist in zwei Leiterabschnitte 14a, 14b aufgeteilt, die jeweils oberhalb und unterhalb der Platine 64 verlaufen. Die Platine 64 ist zu den Leiterabschnitten 14a, 14b verschiedener Stromphase U, V, W gekippt. In dieser Ausführungsform sind drei magnetoresistive Gradientensensoren 12 alternierend auf Vorder- und Rückseite der gemeinsamen Platine 64 angeordnet, wodurch sich eine kompaktere Bauform des Gesamtsystems ergibt. Dabei ist vorteilhaft, dass mit den Ausführungsformen in der Fig. 9a und 9b eine sehr platzsparende Strommessung aller drei Phasen U, V, W durchgeführt werden kann.
Die Fig. 9 zeigt eine achte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 50. Diese Stromsensoranordnung umfasst zwei Leiterabschnitte 14a, 14b und ein Sensorelement 1 1 , wobei beide Leiterabschnitte 14a, 14b als parallel geschlitztes Rohr mit zwei sich diagonal gegenüberliegenden Schlitzen 32 ausgebildet sind. Beide Leiterabschnitte 14a, 14b sind somit in einer gemeinsamen radialen Ebene angeordnet, wobei in beiden Leiterabschnitten 14a, 14b ein gleicher Stromanteil fließt. Das Sensorelement 1 1 umfasst den magnetoresistiven Gradientensensor 12 und ist auf einer PCB-Folie 18 angeordnet. Somit kann sich der magnetoresistive Gradientensensor 12 innerhalb des Rohrs bewegen und entsprechend lagerichtig angeordnet werden, gleichwohl ist auch eine Anordnung auf einem biegesteifen PCB möglich. Der magnetoresistive Gradientensensor 12 ist abgewinkelt zu beiden Leiterabschnitten 14a, 14b angeordnet. Der Stromanteil 16a und Stromanteil 16b erzeugen jeweils ein Magnetfeld. Mit dem magnetoresistiven Gradientensensor 12 kann die Differenz der hervorgerufenen Magnetfelder gemessen werden. Weiterhin ist eine umhüllende magnetische Abschirmung 34 vorgesehen, die als zwei halbkreisförmige Stahlrohrhälften 54 ausgebildet ist. Diese magnetische Abschirmung 34 schirmt den magnetoresistiven Gradientensensor 12 gegen äußere Einflüsse ab, so dass ein geringer Einfluss auf den im Inneren umfassten magnetoresistiven Gradientensensor 12 ausgeübt wird, und ebenfalls auftretende Streumagnetfelder des Stromleiters von einer äußeren Beschaltung abschirmt werden.
In der Fig. 10 ist eine neunte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 52 dargestellt. Diese Stromsensoranordnung umfasst zwei Leiterabschnitte 14a, 14b und ein Sensorelement 1 1 . Zwischen beiden Leiterabschnitten 14a, 14b ist das Sensorelement 1 1 angeordnet, in dem der magnetoresistive Gradientensensor 12 das Gradientenfeld erfasst und auf der PCB-Folie 18 angeordnet ist. Beide Leiterabschnitte 14a, 14b sind gegenüber der Messebene 20 symmetrisch antiparallel höhenversetzt, in der die Magnetfeldstärkedifferenz gemessen wird. Der Stromanteil 16a und Stromanteil 16b fließen in den Leiterabschnitten 14a, 14b in die gleiche Richtung. Außerhalb der Stromsensoranordnung sind zwei rechteckige Stahlrohrhälften 54 als magnetische Abschirmung 34 ausgebildet, die zwei Schlitze 32 aufweisen, und die entsprechend Fig. 9 Störeinflüsse abschirmen.
Fig. 1 1 a stellt eine zehnte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 58 dar. Der Stromleiter 56 ist als einstückiges Stanzbiegeteil ausgebildet, der in zwei Teile aufgeteilt und den Schlitz 32 aufweist, in dem das Sensorelement 1 1 auf der PCB- Folie 18 angeordnet ist. Dabei sind die Schlitzabschnitte als Leiterabschnitte 14a, 14b ausgebildet. Im Stromleiter 56 fließt ein Primärstrom I, der in zwei Stromanteile 16a, 16b von den Leiterabschnitten 14a, 14b aufgeteilt und in dieselbe Richtung bezüglich des magnetoresistiven Gradientensensors 12 geführt wird. Infolge der flexiblen PCB-Folie 18 kann der magnetoresistive Gradientensensor 12 räumlich variabel in den Schlitz 32 des Stromleiters 56 eingebracht werden.
In der Fig. 1 1 b ist eine elfte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 70 dargestellt. Im Gegensatz zur Fig. 1 1 a ist der Stromleiter als zwei miteinander verbundene Stanzbiegeteile ausgebildet. Das Stanzbiegeteil 72a und das Stanzbiegeteil 72b sind zusammengelötet, zusammengenietet oder geschweißt, so dass beide Stanzbiegeteile miteinander verbunden sein können, und ggf. durch Distanzstücke, die einen räumlichen Abstand zur Messebene 20 definiert, beabstandet. Hierdurch können die Stanzbiegeteile als zwei Leiterabschnitte vorgesehen sein. Beide Stanzbiegeteile antiparallel zueinander ausgebildet sind, kann ggf. der magnetoresistive Gradientensensor 12 zu beiden Stanzbiegeteilen gekippt, vorzugsweise um 45° zu beiden Stanzbiegeteilen angeordnet sein, um die Messebene zum Magnetfeldverlauf anzupassen. Damit kann der Primärstrom gemessen werden.
In Fig. 12 ist eine zwölfte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung 59 gezeigt. Beide Leiterabschnitte sind als zwei Aufbündelungen 30a, 30b ausgebildet, die von Leiterlitzen 28a, 28b gebildet sind. Der in der Aufbündelung 30a fließende Stromanteil 16a erzeugt ein Magnetfeld, das in der Messebene 20 mittels des magnetoresistiven Gradientensensors 12 des Sensorelements 1 1 erfasst wird. Daneben wird das Magnetfeld, das vom Stromanteil 30b erzeugt wird, gleichzeitig in der Messebene 20 mittels des magnetoresistiven Gradientensensors 12 gemessen. Somit kann die Differenz der in der Messebene 20 liegenden tangentialen Magnetfeldstärkeanteile bestimmt werden, die Aufschluss auf den Gesamtstrom geben. Weiterhin ist eine magnetische Abschirmung vorgesehen, die als zwei halbkreisförmige Stahlrohrhälften 54 ausgebildet ist. Da das Sensorelement 1 1 auf der PCB-Folie angeordnet ist, kann das Sensorelement 1 1 bzw. der magnetoresistive Gradientensensor 12 räumlich variabel angeordnet werden.
Bezugszeichenliste
10 Erste Ausführungsform einer Stronnsensoranordnung
1 1 Sensorelement
12 magnetoresistiver Gradientensensor
14a Leiterabschnitt a
14b Leiterabschnitt b
16a Stromanteil a
16b Stromanteil b
17a Richtung a
17b Richtung b
18 PCB-Folie
20 Messebene
22 Leiterebene
24 Drahtbügel
26 Stromschiene
28 Leiterlitze
30a Aufbündelung a
30b Aufbündelung b
32 Schlitz
34 magnetische Abschirmung
36 Winkel ß
38 Zweite Ausführungsform einer Stromsensoranordnung
40 Dritte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung
42 Vierte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung
44 Fünfte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung
46 Sechste Ausführungsform einer Stromsensoranordnung
48 Siebte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung
50 Achte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung
52 Neunte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung
54 Stahlrohrhälfte
56 Stromleiter
58 Zehnte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung
59 Zwölfte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung d1 Abstand zwischen Leiterabschnitt a und Messebene d2 Abstand zwischen Leiterabschnitt b und Messebene 60a Magnetfeld a
60b Magnetfeld b
62a Magnetfeldrichtung a
62b Magnetfeldrichtung b
64 Gemeinsame Platine
I Primärstrom
66 Zuführungsleiter
68 Platine
70 Elfte Ausführungsform einer Stromsensoranordnung
72a U-förmiger Stanzbiegeteil a
72b U-förmiger Stanzbiegeteil b
100 Strommessanordnung 101 Leiterstück
102 Verbindungssteg
104 Schenkel
105 Anschlussleitung
107 Sensorelement
dx1 , dx 2 Abstand in x-Richtung dy1 , dy2 Abstand in y-Richtung d1 , d2 Abstand
U,V,WStromphase

Claims

Patentansprüche
1 . Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) umfassend einen magnetoresistiven Gradientensensor (12), der zwischen zwei Leiterabschnitten (14a, 14b) eines Stromleiters (56) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterabschnitte (14a, 14b) den Strom aufteilen und in dieselbe Richtung bezüglich der Anordnung des magnetoresistiven Gradientensensors (12) führen, und dass die Leiterabschnitte (14a, 14b) bezüglich einer Messebene (20) des magnetoresistiven Gradientensensors (12) höhenversetzt sind.
2. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Leiterabschnitt (14b) unterhalb und ein Leiterabschnitt (14a) oberhalb der Messebene (20) geführt ist.
3. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leiterabschnitte (14a, 14b) einen gleichen Stromanteil und einen gleichen relativen Abstand zur Messebene (20) und zum magnetoresistiven Gradientensensor (12) haben.
4. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leiterabschnitte (14a, 14b) einen ungleichen Stromanteil und / oder einen ungleichen relativen Abstand zur Messebene (20) und zum magnetoresistiven Gradientensensor (12) haben, wobei sich entweder der ungleiche Stromanteil und der ungleiche Abstand kompensieren oder mittels eines Korrekturfaktors oder einer Korrekturkennlinie eine Korrektur des Strommesswertes vornehmbar ist.
5. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoresistive Gradientensensor (12) auf einer flexiblen PCB-Folie (18) angeordnet ist.
6. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leiterabschnitte (14a, 14b) gegenüber einer Messebene (20) des magnetoresistiven Gradientensensors (12) symmetrisch höhenversetzt, wobei ein Leiterabschnitt (14b) unterhalb und ein Leiterabschnitt (14a) oberhalb der Messebene (20) verläuft.
7. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leiterabschnitte (14a, 14b) gegenüber einer Messebene (20) des magnetoresistiven Gradientensensors (12) asymmetrisch höhenversetzt sind, wobei ein Leiterabschnitt (14b) unterhalb und ein Leiterabschnitt (14a) oberhalb der Messebene (20) verläuft.
8. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leiterabschnitte (14a, 14b) in einer gemeinsamen Leiterebene (22) liegen, und der magnetoresistive Gradientensensor (12) in einem Winkel ß (36)zwischen 0° bis 90°, insbesondere zwischen 30° bis 60°, insbesondere in einem Winkel von 45° zu der Leiterebene (22) angeordnet ist, in der die beiden Leiterabschnitte (14a, 14b) liegen.
9. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leiterabschnitte (14a, 14b) durch mindestens einen Drahtbügel (24) und eine Stromschiene (26) gebildet sind, wobei der Drahtbügel (24) elektrisch mit der Stromschiene (26) kontaktiert ist.
10. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterabschnitte (14a, 14b) als Stanzbiegeteil ausgebildet sind, der einen Schlitz (32) aufweist, in dem der magnetoresistive Gradientensensor (12) angeordnet ist.
1 1 . Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leiterabschnitte (14a, 14b) durch zwei Aufbündelungen (30) von Leiterlitzen (28) gebildet sind.
12. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterabschnitte (14a, 14b) als parallel geschlitztes Rohr mit zwei Schlitzen (32) ausgebildet sind und der magnetoresistive Gradientensensor (12) vorzugsweise abgewinkelt zu den Schlitzen (32) angeordnet ist.
13. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Leiterabschnitte (14a, 14b) umfassende magnetische Abschirmung (34) vorgesehen ist, die vorzugsweise als zwei halbkreisförmige bzw. rechteckige Stahlrohrhälften (54) ausgebildet ist.
14. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich eines Drei- oder Mehrphasensystems drei oder mehrere magnetoresistive Gradientensensoren (12) auf einer gemeinsamen Platine (64), bevorzugt einer PCB-Folie (18) angeordnet sind, und jede Stromphase in zwei Leiterabschnitte aufgeteilt sind, die jeweils oberhalb und unterhalb der Platine verlaufen, wobei bevorzugt die Leiterabschnitte jeder Stromphase in einer gemeinsamen Leiterebene liegen, und die Leiterebenen verschiedener Stromphasen höhenversetzt angeordnet sind, und insbesondere die Platine abgewinkelt zwischen den Leiterabschnitten der Leiterebenen angeordnet ist.
15. Stromsensoranordnung (10, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 58, 59) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich eines Drei- oder Mehrphasensystems drei oder mehrere magnetoresistive Gradientensensoren (12) auf einer Seite bzw. alternierend auf Vorder- und Rückseite der gemeinsamen Platine (64) angeordnet sind.
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