SE451042B - Mettransformator for potentialfri metning av strommar eller spenningar - Google Patents

Description

451 042 2 Nedan beskrivs några utföringsexempel av uppfinningen när- mare under hänvisning till ritningarna.

På ritningarna visar: FIG. 1 en sprängskiss av en mättransformator, FIG. 2 en sprängskiss av en insatsdel med en magnetfilm, FIG. 3 förmagnetiseringslindning och en mätledare, FIG. 4 och 5 ytterligare insatsdelar, FIG. 6 en sprängskiss av insatsdelen enligt fig. 5, FIG. 7 en sprängskiss av ytterligare en mättransformator, FIG. 8 en skålkärna i snitt, FIG. 9 och 10 ytterligare insatsdelar, FIG. ll-13 snittade vyer av skålkärnor med lindad mittkärna, FIG. 14 en vy uppifrån av skålkärnan enligt fig. 13, FIG. 15 en mättransformator i snitt, FIG. 16 en vy uppifrån av en skålhalva av mättransformatorn enligt fig. 15, FIG. 17 en mättransformator med en magnetoresistiv magnetfilm, FIG. 18 en insatsdel med en magnetoresistiv magnetfilm, och FIG. 19 ytterligare en insatsdel i olika framställningssteg.

I fig. 1 avser hänvisningsbeteckningen 1 en mätledare, som leder den ström som skall mätas och som i det visade exemplet bildas av en enda lindning 2 kring mittkärnan av en ytterligare nedan beskriven skålkärna. Vid sammanbyggd mättransformator lig- ger lindningen 2 koaxiellt mellan två spolkroppar 3, 4, vilka uppbär en skivformig lindning 5, 6. Dessa lindningar 5, 6 kopp- las elektriskt i serie och bildar en förmagnetiseringslindning.

En ringformig ansats 7 på spolkroppen 4 centrerar mätledarens l lindning 2.En övre skålhalva 8, en koaxiell undre skålhalva 9 och två koaxiella cylindríska, stympade halvkägelformigt spetsa- de polstycken 10, ll bildar en skålkärna av ferrit. Den av skål- halvorna 8, 9 bildade skåldelen av denna skålkärna omsluter lindningen 2 och förmagnetiseringslindningen 5, 6, varvid öpp- ningar 12 möjliggör genomgång av lindningsanslutningarna och mätledaren 1. Polstyckena 10, ll bildar den spolkropparna 3, 4 genomträngande mittkärnan av skålkärnan. Dess polytor är anord- nade på ringa avstånd från varandra, så att en luftspalt 13 ligger mellan dem, vilken spalt överbryggas av en magnetfilm 14.

Polstyckena 10, ll kan i och för optimal koncentration av mag- 451 D42 3 netfältet i luftspalten 13 vara bestyckade med polskor av hög- permeabelt material. Förmagnetiseringslindningen 5, 6, mätleda- ren 1, lindningen 2, den luftspalten 13 uppvisande mittkärnan av skålkärnan och den luftspalten 13 överbryggande magnetfilmen 14 är sålunda anordnade i huvudsak koncentriskt.

Polstyckena 10, 11 och magnetfilmen 13 är förenade till en insatsdel 15, vars genom den cylindriska delen av polstyckena 10, ll bildade ändar spelfritt ligger i motsvarande öppningar 16 av skålhalvorna 8, 9. Detta har den fördelen att insatsdelen 15 med den mekaniskt känsliga magnetfilmen 14 kan införas i magnet- kärnans skåldel efter utförd sammansättning av mättransforma- torns övriga delar.

I exemplet enligt fig. 1 och 2 är magnetfilmen 14 påförd ett substrat 17 av magnetiskt icke-ledande material och med detta häftat vid en plan yta 18 av polstyckenas lO, 11 stympade, halvkägelformiga del.

Magnetfilmen 14 är företrädesvis mycket tunn och magnetiskt anisotrop. Detaljerna framgår av den tyska patentskriften nr 27 34 729 och förklaras av denna anledning icke närmare här. Det är även möjligt att framställa magnetfilmen 14 av magnetoresis- tivt material och förse den med kontakter för anslutning till en ström- eller spänningskälla.

I beroende av storleken av den ström som skall mätas kan mätledaren l bilda en eller flera lindningar 2. För mätning av mycket stora strömmar kan den utgöra beståndsdel i en strömdela- re. Spänningsmätningar är möjliga exempelvis genom seriekoppling av mätledaren 1 till ett högohmigt motstånd.

I stället för de båda lindningarna 5, 6, vilka mellan sig innesluter lindningen 2 av mätledaren 1, kan enligt fig. 3 en på en spolkropp 19 lindad förmagnetiseringslindning 20 användas, vilken är omgiven av en lindning 21 av en mätledare 22. Mätleda- ren 22 är lämpligen en böjd platt tråd, medan mätledaren 1 däremot är en stansad del.

Fig. 4 visar en i stället för insatsdelen 15 användbar in- satsdel 23, vars polstycken 24, 25 är förbundna med varandra medelst ett luftspalten 26 utfyllande, magnetiskt icke-ledande material 27, vilken insatsdel 23 består av en cylindrisk och en halvcylindrisk del och uppvisar en gemensam plan yta 27, på vil- 451 042 4 ken magnetfilmen l4 är anbringad. Såsom material 27 kan glas tjäna, till vilket polstyckena 24, 25 lödes eller förbinda genom ett sintringsförfarande.

En i fig. 5 visad sammanbyggd insatsdel 29 består enligt fig. 6 av två cylindriska polstycken 30, 31 med en parallellepi- pedisk urtagning 32, av det magnetfilmen 14 bärande substratet 17 och av en bladfjäder 33. Ändarna av substratet 17 tränger in i polstyckenas 30 och 31 urtagningar 32, varvid magnetfilmen 14 genom bladfjäderns 33 kraft pressas mot en plan inneryta av pol- styckena 30, 31.

I fig. 7 visas en sprängskiss av en mättransformator, vars insatsdel 34 återigen bildar mittkärnan i en skâlkärna, men som innefattar två parallellepipediska polstycken 35, 36. Dessa är förbundna med varandra via ett luftspalten 37 utfyllande mate- rial 27 och luftspalten 37 överbryggas med magnetfilmen 14.

Skålkärnans skåldel består av två skålhalvor 38, 39, vilka sam- manfogas i sidled, så att dess beröringsytor 40 i motsats till beröringsytorna för skålhalvorna 8, 9 (fig. l) ej är vinkelräta mot magnetflödet utan ligger i flödets riktning och sålunda ej innesluter någon magnetiskt verksam luftspalt. Inskärningar 41 på skålhalvorna 38, 39 bildar öppningar för upptagning av ändar- na av insatsdelen 34 och inskärningar 42 möjliggör genomgång av mätledaren 22 och anslutningarna av förmagnetiseringslindningen 20, vilken här är anordnad på en spolkropp 43 med rektangulär kärnöppning 44.

Framställningen av mättransformatorn enligt fig. 7 är sär- skilt enkel, eftersom endast ett fåtal ytor, nämligen berörings- ytorna mellan skålhalvorna 38, 39 och polstyckena 35, 36 behöver uppvisa hög ytkvalitet och eftersom dessa ytor är plana. Insats- delen 34 lämpar sig särskilt för masstillverkning, eftersom ett flertal sådana insatsdelar kan framställas ur ett stycke, varvid insatsdelarna genom exempelvis brytning separeras först efter påföringen av magnetfilmerna 14.

Fig. 8 visar en av två koaxiella skålhalvor 45, 46 beståen- de skålkärna, vars mittkärna är bildad av vardera en på skålhal- vorna 45 resp. 46 formad ihålig tapp 47 resp. 48. Mellan de mitt för varandra belägna ihåliga tapparna 47, 48 befinner sig en luftspalt 49. En i fig. 9 visad insatsdel 50 består av ett 451 1042 5 cylindriskt substrat 51 och en magnetfilm 52, som täcker sub- stratets 51 mantelyta. Denna insatsdel införes efter sammanfog- ningen av skålhalvorna 45, 46 i de ihåliga tapparnas 47, 48 axiella öppning 53 och upptages spelfritt av denna.

I stället för insatsdelen 50 kan även den i fig. 10 med hänvisningsbeteckningen 54 betecknade insatsdelen tjäna, vars stavformiga substrat 55 uppvisar ett halvcirkulärt tvärsnitt. En magnetfilm 56 täcker endast en förhållandevis smal längsgående remsa på substratets 55 mantelyta. Insatsdelen 54 kan tillsam- mans med en icke visad fjäder föras in i öppningen 53, så att fjädern pressar magnetfilmen 56 mot öppningens 53 vägg.

Det är även möjligt att använda det parallellepipediska substratet 17 med magnetfilmen 14 (fig. 2) såsom insatsdel under förutsättning att de ihåliga tapparnas 47, 48 öppning 53 har motsvarande utformning.

Den magnetiska kretsen i den enligt fig.8 - 10 utformade mättransformatorn kännetecknas av ett minimalt antal byggelement och är optimal ur magnetisk synpunkt.

Skålkärnan enligt fig. ll skiljer sig i den snittade vyn praktiskt taget ej från skålkärnan enligt fig. 8, men består av tre skålkärndelar 57, 58, 59. Skålkärndelarna 57 och 58 uppvisar de ihåliga tapparna 47 och 48, är förbundna med ett magnetiskt icke-ledande material, som fyller ut luftspalten 49 och tjänar såsom spolkropp för förmagnetiseringslindningen 20 och mätleda- rens lindning 21. Skålkärndelen 59 har formen av en burk med en central öppning och är påsatt den av skålkärndelarna 57 och 58 bestående enheten.

I fig. 12 visas en skålkärna som består av en burkformig skålkärndel 60 och en ihålig tapp 6l och en ringfläns uppvisande skålkärndel 62. Skålkärndelen 62 tjänar återigen såsom spol- kropp. Luftspalten 49 befinner sig mellan frontytan av den ihåliga tappen 61 och skålkärndelens 60 botten, vilken uppvisar en mitt för en öppning 63 i den ihåliga tappen 61 liggande öpp- ning 64.

Fig. 13 och 14 visar en av fyra delar bestående skålkärna, vars mittkärna bildas av två likadana, såsom spolkroppar tjänan- de skålkärndelar 57. Skålkärndelarnas 57 ihåliga tappar 47 är förbundna med varandra genom ett magnetiskt icke-ledande mate- 451 042 6 rial, som fyller ut luftspalten 49. Två i sidled sammanfogade skålhalvor 65, 66 omsluter de båda skålkärndelarna 57.

Det förstås att insatsdelen SO resp. 54 (fig. 9 och 10) efter sammanfogning av de i fig. 8 - 14 visade anordningarna införes i anordningarnas centrala öppning.

Den i fig. 15 och 16 visade mättransformatorn förenar för- delarna av en enkel, endast tvådelad skålkärna och en plan, lätt framställbar magnetfilm. Skålkärnan hos denna mättransformator består av två axiellt sammanfogade skålhalvor 67, 68 med därpå formade mittappar 69, 70, vilka bildar mittkärnan och vars frontytor innesluter en luftspalt 71. Mittapparnas 69, 70 ändar uppvisar ett halvcirkulärt tvärsnitt och sålunda en plan yta 72.

En fjäder 73 pressar magnetfilmen 14, vilken är påförd substra- tet 17, mot ytorna 72.

Vid sammanbyggnaden av denna mättransformator införes spol- kroppen med förmagnetiseringslindningen 20 och mätledarens lind- ning 2l, substratet 17 med magnetfilmen l4 och fjädern 73 i den undre skålhalvan 68. Fjädern 73 är så beskaffad att den till att börja med ej utövar något tryck på substratet 17, så att den övre skålhalvan 67 lätt kan sättas på. Vid sammantryckningen av de båda skålhalvorna 67, 68 stukas fjädern 73 i längdriktníngen, så att den buktar ut i sidled.

Magnetfilmen 14, 52 eller 56 kan, såsom omnämnts ovan, framställas av magnetoresistivt material och anslutas till en ström- eller spänningskälla. En sådan magnetoresistiv magnetfilm ändrar språngartat sitt motstånd vid magnetfältets nollgenom- gång. Denna motstândsändring yttrar sig i en spikformig spän- nings~ eller strömpuls, som entydigt och med stor noggrannhet markerar tidpunkten för magnetfältets nollgenomgång.

I fig. 17 visas en mättransformator, som är uppbyggd på liknande sätt som mättransformatorn enligt fig. 7, men vars in- satsdel 74 dock uppvisar en sådan magnetoresistiv magnetfilm 75.

Denna insatsdel 74 består av polstycken 76, 77, vilka är för- bundna med varandra med ett luftspalten 37 utfyllande, magne- tiskt icke-ledande material 27, samt av magnetfilmen 75, som är påförd direkt på det genom polstyckena 76, 77 och materialet 27 bildade substratet 76, 27, 77 och överbryggar luftspalten 37.

Det vore även möjligt att påföra magnetfilmen 75 på ett *r 451 042 7 särskilt substrat av magnetiskt och elektriskt icke-ledande material, exempelvis på substratet 17 (fig. l och 2) och till- sammans med detta limma filmen på delarna 76, 77, 27. Mellan polstyckena 76, 77 och magnetfilmen 75 samt mellan magnetfílmen 75 och skålhalvan 39 kan ett tunt isoleringsskikt vara anordnat.

Detta är dock ej absolut nödvändigt, eftersom den elektriska resistansen för polstyckena 76, 77 och skålhalvan 39 i allmänhet är hög i förhållande till magnetfilmens 75 resistans.

I det visade exemplet uppvisar magnetfilmen 75 formen av ett U, vars skänklar överbryggar luftspalten 37 och vars skän- keländar tjänar såsom elektriska kontakter. Polstycket 77 ut- skjuter nedåt något från skålhalvorna 38, 39 och är inskjutet i en E-formig urtagning 78 av en ledarplatta 79. Genom urtagningen 78 bildas fjädrande tungor 80, vilka exempelvis på den övre ytan samt på frontytan uppvisar elektriska ledarbanor 81, vilka pres- sas mot magnetfilmens 75 skänkeländar och möjligen är fastlödda mot dessa.

Fig. 18 visar en insatsdel 82, vars magnetoresistiva mag~ netfilm 83, 84 bildar två såsom strömtilledning och kontakter tjänande parallella remsor 83 samt en såsom magnetoresistivt element verkande meanderformig ledarbana 84. Den i förhållande till remsorna 83 mycket smala ledarbanan 84 överbryggar luft- spalten 37 ett flertal gånger i en i förhållande till luftspalt- flödet med 450 lutande riktning. Framställningen av remsorna 83 och ledarbanan 84 kan ske genom påångning av en magnetfilm på substratet 76, 27, 77 och efterföljande partiell avlägsning av denna magnetfilm genom ett fotolitografiskt förfarande. Genom motsvarande val av bredden av ledarbanan 84 kan den önskade elektriska resistansen av denna ledarbana realiseras vid enhet- lig skikttjocklek av magnetfilmen 83, 84. Genom snedställningen av ledarbanan 84.blir resistansändringen vid omkopplingen av magnetfilmen maximal.

Insatsdelen 85 enligt fig. l9a består till att börja med av substratet 76, 27, 77 och en magnetoresistiv magnetfilm 84, 86, som bildar ledarbanan 84 och två kontaktytor 86. Enligt fig. l9b pàföres ett mycket tunt isoleringsskikt 87, exempelvis ett glas- skikt, vilket täcker ledarbanan 84, men lämnar kontaktytorna 85 fria. Därefter påföres enligt fig. l9c i ett arbetsförlopp tre 451 042 8 magnetskikt 88, 89, 90, vilka är väsentligt tjockare än magnet- filmen 84, 86 och vilka ej ömsesidigt berör varandra. Magnet- skíktet 88 ligger på isoleríngsskiktet 87 och tjänar på i och för sig känt sätt till inkoppling av magnetfältet i den såsom magnetoresístivt element verkande ledarbanan 84. Magnetskikten 89, 90 ligger delvis på magnetfilmens 84, 86 kontaktytor 86 och tjänar såsom strömtilledníng.

Claims (12)

1. 451 042 9 PATENTKRAV l. Mättransformator för potentialfri mätning av strömmar eller spänningar, innefattande en mätledare som leder mät- strömmen, en förmagnetiseringslindning som leder en förmagne- tiseringsström, en magnetkärna och en magnetfilm, som i förhållande till sin längd och bredd är mycket tunn, som överbryggar en luftspalt i magnetkärnan och som genom det av förmagnetiseringsströmmen och mätströmmen alstrade magnet- fältet omväxlande styrs i båda mättningsriktningarna, k ä n - n e t e c k n a d av att magnetkärnan är en skålkärna, vars skåldel (8, 9; 38, 39; 45, 46; 59; 60; 65, 66; 67, 68) omsluter mätledaren (l; 22) och förmagnetiseringslindningen (5, 6; 20) och vars míttkärna (10, 11; 24, 25; 30, 31; 35, 36; 47, 48; 61; 69, 70) uppvisar den av magnetfilmen (14; 52; 56) överbryggade luftspalten (l3; 26; 37; 49; 71), att skålkärnan uppvisar en öppning (l6; 41; 53; 63) för upptagande av en insatsdel (l5; 23; 29; 34; 50; 54; 74; 82; 85) på vilken magnetfilmen (l4; 52; 56; 75; 84) är anordnad och att förmag- netiseringslindningen (5; 6; 20), den av mätledaren (l; 22) bildade lindningen (2; 21) eller spolen, den med luftspalten (13: 26; 37; 39; 71) försedda mittkärnan (10, ll; 24, 25; 30, 31; 35, 36; 47, 48; 61; 69, 70) och magnetfilmen (l4; 52; 75; 84) är anordnade i huvudsak koncentriskt med varandra.
2. 2. Mättransformator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att skålkärnans skåldel består av två skålhalvor(8, 9; 38, 39; 45, 46; 65, 667 67, 68).
3. 3. Mättransformator enligt krav l eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att två polstycken (10, ll; 24, 25; 30, 31; 35, 36) och magnetfilmen (14), som överbryggar luftspalten (l3; 26; 37), är förenade till en insatsdel (l5; 23; 29; 34) som bildar skålkärnans mittkärna och vars ändar utan spel ligger i axiella öppningar (l6; 41) i skåldelen (8, 9; 38, 39). 451 042 10
4. 4. Mättransformator enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att magnetfilmen (14) är påförd på ett substrat (17) av magnetiskt icke-ledande material, att ändarna av substratet (17) och magnetfilmen (14) skjuter in i varsin urtagning (32) i polstyckena (30, 31) och att magnetfilmen (14) i urtagningen (32) medelst en fjäder (33) pressas mot en plan yta av pol- styckena (30, 31).
5. 5. Mättransformator enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att magnetfilmen (52; 56) är påförd på åtminstone en del av mantelytan av ett stavformigt substrat (5l; 55) av magnetiskt icke-ledande material.
6. 6. Mättransformator enligt något eller några av de föregåen- de kraven, k ä n n e t e c k n a d av att mittkärnan (69, 70) av skålkärnan på båda sidor om luftspalten (71) uppvisar en plan yta (72), mot vilken en fjäder (73) trycker magnet- filmen (14).
7. 7. Mättransformator enligt något eller några av de föregåen- de kraven, k ä n n e t e c k n a d av att skålhalvornas (38, 39: 65, 66) beröringsytor (40) ligger i riktningen för det magnetiska flödet.
8. 8. Mättransformator enligt något eller några av de föregåen- de kraven, k ä n n e t e c k n a d av att skålkärnans mittkärna (47, 48; 61) är utbildad såsom spolkropp för förmag- netiseringslindningen (20).
9. 9. Mättransformator enligt något eller några av de föregåen- de kraven, k ä n n e t e c k n a d av att insatsdelen (74; 82; 85) är inskjuten i ett urtaget parti (78) av en ledar- platta (79).
10. 10. Mättransformator enligt något eller några av de föregåen- de kraven, k ä n n e t e c k n a d av att magnetfilmen (7S; 83, 84; 86) är utförd såsom ett magnetoresistivt element och att den tillika bildar kontakter (83: 86) för strömtill- 451 042 ll försel.
11. ll. Mättransformator enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d av att det magnetoresistiva elementet är en ledarbana (84) som ett flertal gånger överbryggar luftspalten (37) i en i förhållande till luftspaltflödet med 450 lutande riktning.
12. 12. Mättransformator enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d av att ett magnetskikt (89, 90) ligger på magnetfilmens (84, 86) kontaktytor (86) och att det på det magnetoresistiva elementet ligger ett tillkommande, från det magnetoresistiva elementet isolerat, magnetskikt (88).