WO2002003082A1 - Stromsensor und dessen verwendung - Google Patents

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WO2002003082A1
WO2002003082A1 PCT/EP2001/007727 EP0107727W WO0203082A1 WO 2002003082 A1 WO2002003082 A1 WO 2002003082A1 EP 0107727 W EP0107727 W EP 0107727W WO 0203082 A1 WO0203082 A1 WO 0203082A1
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WO
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magnetic field
current sensor
current
conductor
arrangement
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PCT/EP2001/007727
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hubert Maiwald
Original Assignee
Infineon Technologies Ag
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.)
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Publication date
Priority claimed from DE2000132826 external-priority patent/DE10032826A1/de
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a current sensor and to the use of such a current sensor.
  • a first current sensor consists of a slotted toroidal core made of two
  • the toroid For example ferrite.
  • a current primary current
  • the toroid surrounds the primary conductor.
  • the current through the primary conductor creates a magnetic field that is bundled by the toroid.
  • a magnetic field sensor is arranged in the air gap of the slotted ring core.
  • Magnetic field sensor controls a significantly smaller current (secondary current) than the primary current through a secondary winding wound around the toroid in such a way that the magnetic field in the air gap is zero.
  • the primary current is therefore measured by determining the secondary current.
  • a current sensor equipped with a ferromagnetic toroid is e.g. known from DE 42 02 296 AI. 25
  • a second current sensor consists of a shunt resistor.
  • the resistor is built into the conductor whose current is to be measured so that the current flows through the resistor. The current is measured by determining the voltage drop 0 across the resistor.
  • Very high currents e.g. 1000 A
  • the measuring range of the current sensor should preferably range between 1 and 100 A.
  • the primary current in the moving state of the automobile is so high that the toroid receives an irreversible remanence, whereby the accuracy of the first current sensor is greatly reduced, so that low currents can no longer be measured reliably in the subsequent non-moving state.
  • the primary current when the automobile is in motion is so high that the energy and voltage losses in the resistor cannot be justified when designed for a measuring range up to 100A.
  • the object is achieved by a current sensor with at least one magnetic field sensor for measuring a current of a conductor by determining the strength of the magnetic field generated by the current. So the strength of the magnetic field is a measure of the amount of current.
  • the current sensor also has an arrangement for bundling and guiding the magnetic field to the magnetic field sensor.
  • the arrangement has at least two opposing sections, between which the magnetic field sensor is arranged.
  • the arrangement consists of a soft magnetic material which has a coercive field strength of less than 1 A / cm, preferably less than 0.2 A / cm and particularly preferably less than 0.1 A / cm.
  • the magnetic field is amplified at the location of the magnetic field sensor. This improves the signal-to-interference ratio, e.g. tenfold. Furthermore, the arrangement provides a shield against external fields. This effect also improves the signal / interference ratio.
  • the current sensor is therefore suitable for measuring low currents.
  • the material is very soft magnetic.
  • the material contains mu-metal (such as Vacoperm (VAC Hanau) or Magnifer (Krupp VDM)), transformer sheet or similar NiFe alloys.
  • mu-metal such as Vacoperm (VAC Hanau) or Magnifer (Krupp VDM)
  • VAC Hanau Vacoperm
  • Krupp VDM Magnifer
  • Such materials have hardly any magnetic remanence.
  • the current sensor according to the invention is not impaired in its accuracy and has the required sensitivity for low currents.
  • Mu metal is e.g. from an alloy consisting essentially of nickel and iron, which may have further additives such as copper or chromium.
  • the proportion of nickel in Mu metal is significantly higher than the proportion of iron.
  • An exemplary composition is 76% Ni, 19% Fe, 5% Cu, 2% Cr.
  • the coercive field strength of Mu metal often also referred to as coercive force, is around 0.035 A / cm
  • the material of the arrangement should preferably not have a rectangular hysteresis loop.
  • the two sections of the arrangement preferably each have an end surface, the end surfaces of the sections running parallel to one another. Depending on the distance between the sections, the end faces are larger than a cross section of the magnetic field sensor parallel to the end faces that the magnetic field in the area of the magnetic field sensor is essentially homogeneous.
  • This geometry of the arrangement means that the magnetic field is homogeneous over a much larger area than in the case of a current sensor without an arrangement.
  • Arrangement of the magnetic field sensor with respect to the conductor is less critical in terms of position, since even slight radial deviations from the desired position have little or no influence on the accuracy of the current sensor.
  • a particularly high sensitivity of the current sensor for low currents is achieved with an arrangement which has two further opposing sections, between which a further magnetic field sensor is arranged.
  • the arrangement is constructed such that when measuring a
  • the direction of the magnetic field in the area of the magnetic field sensor is essentially opposite to the direction of the magnetic field in the area of the further magnetic field sensor.
  • the difference between the output signals of the two magnetic field sensors is formed, which represents the measure of the amount of current through the conductor. Since the magnetic field generated by the current to be measured in the area of one magnetic field sensor points in a direction opposite to the direction in which the generated magnetic field in the area of the other magnetic field sensor points, the signal strength is doubled by the formation of the difference, which an improvement in the signal / interference ratio.
  • the signal / interference ratio can be increased by a factor> 1000 compared to the signal / interference ratio of a simple magnetic field sensor without an arrangement.
  • the conductor is arranged between the magnetic field sensor and the further magnetic field sensor.
  • a current sensor in which the arrangement essentially consists of two strips arranged parallel to one another, is particularly easy to manufacture in terms of production technology.
  • Such a current sensor is preferably placed around a band-shaped conductor.
  • a particularly homogeneous magnetic field is achieved if the strips are thickened in the area of the or each magnetic field sensor.
  • the arrangement consists essentially, for example, of a double slotted ring, i.e. from two ring halves.
  • a current sensor is particularly suitable for measuring currents through a conductor with a round cross section.
  • the arrangement can be produced, for example, by rolling and shaping an alloy.
  • One use of the current sensor according to the invention is to remain in the area of a conductor over a period of time and to generate low currents, e.g. Measure currents below 100 mA through the conductor, with very high currents, e.g. over 1000 A, flow through the conductor.
  • the current sensor is in the range of one. wire connected to a battery or a generator of an automobile.
  • the current sensor remains in the area of the conductor during a period in which the automobile is temporarily in the driving and sometimes in the non-driving state.
  • the current from the battery in the non-driving state of the automobile is measure, for example, to be able to react to leakage currents or to be able to precisely diagnose the condition of the battery.
  • Soft magnetic materials show only a comparatively weak hysteresis compared to hard magnetic materials. This is advantageous for the application described above, in which currents of different magnitudes and thus magnetic fields act on the current sensor.
  • the aim is to reliably determine the comparatively low currents without the disruptive effects of the high currents. It must be ruled out that the comparatively high currents flowing at other times lead to a remanent magnetization of the material used, since the remanent magnetization has a negative effect on the measurement result when measuring the comparatively low currents. Since soft magnetic materials have only a comparatively low hysteresis and thus a low remanent magnetization, ie magnetization remaining after exposure to a magnetic field, the high currents do not lead to any significant remanent magnetization. After exposure to the high currents, the magnetization of the soft magnetic material is practically negligible and therefore does not interfere with the subsequent measurement of the comparatively low currents.
  • the currents that are busy when the automobile is ready for operation or driving, e.g. when the engine is started represent the comparatively low currents.
  • the current sensor must not be temperature-sensitive for use in automobiles, since the temperatures at the installation point of the current sensor can reach up to 150 ° C when the vehicle is in motion.
  • the permeability of soft magnetic material can change by a factor of 10 between -40 and + 150 ° C. However, it has been shown that the temperature dependence of the permeability does not noticeably change the measurement result of the current sensor. This is because the magnetic field sensor in the Air gap is arranged with the permeability of about 1, and the soft magnetic material at about 25 ° C can have a permeability of about 50,000.
  • the measured magnetic field results from the formula
  • the inductance B has a 1% error in the case of ferrite and an approximately 0.1% error in the case of mu-metal.
  • the associated hysteresis error of Mu-Metall is thus about an order of magnitude lower than that of ferrite.
  • a hysteresis error of only 75 mA was measured with a 20 A current sensor using Mu metal.
  • the error was above 600 mA.
  • the influence of the temperature dependence of the permeability can be changed as desired by choosing the size of the air gap the.
  • a soft magnetic material in particular a very soft magnetic material with a coercive field strength of less than 1 A / cm, preferably less than 0.2 A / cm and particularly preferably less than 0.1 A / cm, is therefore preferred with a comparatively high relative permeability of, for example, higher than 5000 or higher than 10 4 , such as Mu metal.
  • the magnetic field sensor can be a Hall sensor, for example.
  • Insulation can be provided between the conductor and the arrangement.
  • FIG. 1 shows a cross section through a first current sensor, which surrounds a first conductor, with a first conductor plate with sections and end faces, a second conductor plate with sections and end surfaces, a first Hall sensor, a second Hall sensor and lines.
  • FIG. 2 shows a top view of the first current sensor, in which the second conductor plate, the first conductor and the lines are shown.
  • FIG. 3 shows a cross section through a second current sensor, which surrounds a second conductor, with a first conductor plate, a second conductor plate, a first Hall sensor and a second Hall sensor.
  • a first current sensor for measuring a current through a first conductor L1 is produced.
  • a first printed circuit board LBl is formed by symmetrically folding an approx. 1 mm thick, approx. 5 mm wide and approx. 30 mm long strip of mu-metal at both ends such that the strip is only about 20 mm long has (see Figure 1).
  • a second printed circuit board LB2 is produced in the same way (see FIGS. 1 and 2).
  • the first conductor L 1 is placed between the thickened sections A of the first conductor plate LB 1 (see FIGS. 1 and 2).
  • the first conductor L 1 is band-shaped, has a thickness of approximately 2 mm and a width of approximately 10 mm.
  • a first Hall sensor H1 and a second Hall sensor H2 are connected to lines L (see FIG. 2) and arranged on end faces E of sections A of the first conductor plate LB1 in such a way that the first conductor L1 is centered between the first
  • the Hall sensor Hl and the second Hall sensor H2 is arranged (see Figure 1).
  • the end faces E are substantially larger than the cross sections through the first Hall sensor H1 and the second Hall sensor H2 parallel to the end faces E (see FIG. 1).
  • the second conductor plate L2 is then arranged on the first conductor L1 and the first Hall sensor H1 and the second Hall sensor H2 in such a way that the first conductor plate LB1 and the second conductor plate LB2 form a symmetrical arrangement in which the end faces E of the sections A of the first conductor plate Ll and the second conductor plate L2 run parallel to one another and lie opposite one another in such a way that the first Hall sensor H1 and the second Hall sensor H2 are each arranged between two of the end faces E.
  • a second current sensor is provided, which is constructed similarly to the first current sensor with a first Hall sensor H1 'and a second Hall sensor H2', with the difference that the first printed circuit board LB1 ⁇ and the second printed circuit board LB2 'have the shape of half Have rings. Furthermore, the second conductor L2, which is surrounded by the arrangement formed by the first conductor plate LB1 * and the second conductor plate LB2 ', has a round cross section (see FIG. 3).

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Abstract

Der Stromsensor weist mindestens einen Magnetfeldsensor (H1) zur Messung eines Stroms eines Leiters (L1) durch Bestimmung der Stärke des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes. Ferner weist der Stromsensor eine Anordnung zum Bündeln und Leiten des Magnetfeldes zum Magnetfeldsensor (H1) hin auf. Die Anordnung weist mindestens zwei sich gegenüber liegende Abschnitte (A) auf, zwischen denen der Magnetfeldsensor (H1) angeordnet ist. Die Anordnung besteht aus einem magnetischen Material, das eine Koerzitivstärke von weniger als 1 A/cm aufweist.

Description

Beschreibung
Stromsensor und dessen Verwendung
5 Die Erfindung betrifft einen Stromsensor sowie eine Verwendung eines solchen Stromsensors .
Es sind mehrere Arten von Stromsensoren bekannt . Ein erster Stromsensor besteht aus einem geschlitzten Ringkern aus bei-
10. spielsweise Ferrit. Zum Messen eines Stroms (Primärstrom) durch einen Primärleiter umgibt der Ringkern den Primärleiter. Der Strom durch den Primärleiter erzeugt ein Magnetfeld, das durch den Ringkern gebündelt wird. Im Luftspalt des geschlitzten Ringkerns ist ein Magnetfeldsensor angeordnet. Der
15 Magnetfeldsensor steuert einen deutlich kleineren Strom (Sekundärstrom) als den Primärstrom durch eine um den Ringkern gewickelte Sekundärwicklung derart, daß im Luftspalt das Magnetfeld Null beträgt. Der Primärstrom wird also gemessen, indem der Sekundärstrom bestimmt wird. Der Meßbereich des er-
20 sten Stromsensors wird durch die Sättigungsmagnetisierung des
Ringkerns und die maximale Verlustleistung in der Sekundärwicklung begrenzt. Ein mit einem ferromagnetischen Ringkern ausgestatteter Stromsensor ist z.B. aus der DE 42 02 296 AI bekannt . 25
Ein zweiter Stromsensor besteht aus einem Shuntwiderstand . Der Widerstand wird in den Leiter eingebaut, dessen Strom gemessen werden soll, so daß der Strom durch den Widerstand fließt. Der Strom wird durch Bestimmung des Spannungsabfalls 0 am Widerstand gemessen.
Mit Hallsensoren ausgestattete Stromsensoren sind weiterhin aus DE 198 21 492 AI und EP 0 886 147 AI bekannt. Der Stromsensor der DE 198 21 492 AI ist zum Messen des Stromes einer 5 Autobatterie bestimmt. Bei der derzeitigen Entwicklung neuer Batterien mit höheren Spannungen in der Automobiltechnik ist es aufgrund der Möglichkeit eines höheren Stromverlust erstmals wünschenswert, den Strom aus der Batterie im nichtfahrenden Zustand des Au- tomobils sehr genau zu messen, um auf Leckströme reagieren zu können sowie den Zustand der Batterie genau diagnostizieren zu können.
Es stellt sich folglich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen Stromsensor anzugeben, der geeignet ist, über einen Zeitraum im Bereich eines Leiters zu verbleiben und niedrige Ströme durch den Leiter zu messen, wobei innerhalb des Zeitraums auch sehr hohe Ströme durch den Leiter fließen. Ferner soll eine Verwendung für einen solchen Stromsensor an- gegeben werden.
Sehr hohe Ströme, z.B. 1000 A, fließen teilweise im fahrenden Zustand des Automobils aus der Batterie. Der Meßbereich des Stromsensors sollte vorzugsweise bis zwischen 1 und 100 A reichen.
Die bisherigen Stromsensoren sind zur Lösung der Aufgabe ungeeignet . Beim ersten Stromsensor ist der Primärstrom im fahrenden Zustand des Automobils so hoch, daß der Ringkern eine irreversible Remanenz erhält, wodurch die Genauigkeit des ersten Stromsensors stark verringert wird, so daß niedrige Ströme im anschließenden nichtfahrenden Zustand nicht mehr zuverlässig gemessen werden können. Beim zweiten Stromsensor ist der Primärstrom im fahrenden Zustand des Automobils so hoch, daß die Energie- und Spannungsverluste im Widerstand bei Auslegung auf einen Meßbereich bis zu 100A nicht vertretbar sind .
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stromsensor mit minde- stens einem Magnetfeldsensor zur Messung eines Stroms eines Leiters durch Bestimmung der Stärke des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes. Die Stärke des Magnetfeldes ist also ein Maß für die Höhe des Stroms. Der Stromsensor weist ferner eine Anordnung zum Bündeln und Leiten des Magnetfeldes zum Magnetfeldsensor hin auf . Die Anordnung weist mindestens zwei sich gegenüberliegende Abschnitte auf, zwischen denen der Ma- gnetfeldsensor angeordnet ist. Die Anordnung besteht aus einem weichmagnetischen Material, das eine Koerzitivfeidstärke von weniger als 1 A/cm, bevorzugt weniger als 0,2 A/cm und besonders bevorzugt weniger als 0,1 A/cm aufweist.
Aufgrund der bündelnden Funktion der Anordnung wird das Magnetfeld an der Stelle des Magnetfeldsensors verstärkt. Dadurch wird das Signal/Störverhältnis verbessert, z.B. verzehnfacht. Ferner bewirkt die Anordnung eine Abschirmung gegen äußere Feldern. Auch durch diesen Effekt wird das Si- gnal/Störverhältnis verbessert. Der Stromsensor ist also für die Messung niedriger Ströme geeignet.
Aufgrund der niedrigen Koerzitivfeldstärke des Materials der Anordnung ist das Material sehr weichmagnetisch. Beispiels- weise enthält das Material Mu-Metall (wie z.B. Vacoperm (VAC Hanau) oder Magnifer ( Krupp VDM) ) , Trafoblech oder ähnliche NiFe-Legierungen. Solche Materialien weisen kaum eine magnetische Remanenz auf. Obwohl also zeitweise sehr hohe Ströme fließen können, wird der erfindungsgemäße Stromsensor in sei- ner Genauigkeit nicht beeinträchtigt und weist die erforderliche Empfindlichkeit für niedrige Ströme auf. Mu-Metall besteht z.B. aus einer im wesentlichen aus Nickel und Eisen bestehenden Legierung, die weitere Zusätze wie Kupfer oder Chrom aufweisen kann. Der Nickelanteil ist bei Mu-Metall deutlich höher als der Eisenanteil. Eine beispielhafte Zusammensetzung ist 76% Ni, 19% Fe, 5% Cu, 2% Cr. Die Koerzitivfeldstärke von Mu-Metall, häufig auch als Koerzitivkraft bezeichnet, liegt bei etwa 0,035 A/cm. Ferrit liegt bei 0,2 A/cm.
Das Material der Anordnung sollte vorzugsweise keine rechtek- kige Hystereseschleife aufweisen. Vorzugsweise weisen die beiden Abschnitte der Anordnung jeweils eine Endfläche auf, wobei die Endflächen der Abschnitte parallel zueinander verlaufen. Die Endflächen sind - abhängig vom Abstand zwischen den Abschnitten - derart größer als ein zu den Endflächen paralleler Querschnitt des Magnetfeldsensors, daß das Magnetfeld im Bereich des Magnetfeldsensors im wesentlichen homogen ist. Durch diese Geometrie der Anordnung ist das Magnetfeld über einen viel größeren Bereich homogen als bei einem Stromsensor ohne Anordnung. Folglich ist die
Anordnung des Magnetfeldsensors bezüglich des Leiters weniger lagekritisch, da auch leichte radiale Abweichungen von der Soll-Lage die Genauigkeit des Stromsensors nicht oder kaum beeinflussen .
Eine besonders hohe Empfindlichkeit des Stromsensors für niedrige Ströme wird bei einer Anordnung erzielt, die zwei weitere sich gegenüberliegende Abschnitte aufweist, zwischen denen ein weiterer Magnetfeldsensor angeordnet ist. Die An- Ordnung ist dabei derart aufgebaut, daß bei der Messung eines
Stroms eines Leiters die Richtung des Magnetfeldes im Bereich des Magnetfeldsensors im wesentlichen entgegengesetzt zur Richtung des Magnetfeldes im Bereich des weiteren Magnetfeldsensors ist . Beim Betrieb eines solchen Stromsensors wird die Differenz der Ausgangssignale der beiden Magnetfeldsensoren gebildet, die das Maß für die Höhe des Stroms durch den Leiter darstellt. Da das durch den zu messenden Strom erzeugte Magnetfeld im Bereich des einen Magnetfeldsensors in eine Richtung zeigt, die entgegengesetzt zur Richtung ist, in die das erzeugte Magnetfeld im Bereich des anderen Magnetfeldsen- sors zeigt, wird durch die Bildung der Differenz die Signalstärke verdoppelt, was eine Verbesserung des Si- gnal/störverhältnisses bewirkt. Da Fremdfelder bei einer solchen Anordnung normalerweise im Bereich beider Magnetfeldsen- soren im wesentlichen dieselbe Richtung aufweisen, heben sie sich bei der Bildung der Differenz auf, so daß eine weitere starke Erhöhung des Signal/Störverhältnisses erzielt wird. Insgesamt kann das Signal/Störverhältnis um einen Faktor > 1000 erhöht werden gegenüber dem Signal/Störverhältnisses eines einfachen Magnetfeldsensors ohne Anordnung.
Beispielsweise ist der Leiter zwischen dem Magnetfeldsensor und dem weiteren Magnetfeldsensor angeordnet.
Fertigungstechnisch besonders einfach herstellbar ist ein Stromsensor, bei dem die Anordnung im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten Streifen besteht. Ein solcher Stromsensor wird vorzugsweise um einen bandförmigen Leiter gelegt. Ein besonders homogenes Magnetfeld wird erzielt, wenn die Streifen im Bereich des oder jedes Magnetfeldsensors verdickt sind.
Alternativ besteht die Anordnung beispielsweise im wesentlichen aus einem zweifach geschlitzten Ring, d.h. aus zwei Ringhälften. Ein solcher Stromsensor ist besonders für die Messung von Strömen durch einen Leiter mit rundem Querschnitt geeignet.
Die Anordnung kann beispielsweise durch Walzen und Verformen einer Legierung erzeugt werden.
Eine erfindungsgemäße Verwendung des Stromsensors besteht darin, über einen Zeitraum im Bereich eines Leiters zu verbleiben und niedrige Ströme, z.B. Ströme unter 100 mA, durch den Leiter zu messen, wobei innerhalb des Zeitraums auch, sehr hohe Ströme, z.B. über 1000 A, durch den Leiter fließen.
Beispielsweise wird der Stromsensor im Bereich eines. mit einer Batterie oder einem Generators eines Automobils verbundenen Leiters installiert. Der Stromsensor verbleibt im Bereich des Leiters während eines Zeitraums, in dem das Automobil sich zeitweise im fahrenden und zeitweise im nichtfahrenden Zustand befindet. Mit Hilfe des S.tromsensors wird der Strom aus der Batterie im nichtfahrenden Zustand des Automobils, ge- messen, um beispielsweise auf Leckströme reagieren zu können oder den Zustand der Batterie genau diagnostizieren zu können. Weichmagnetische Materialien zeigen im Vergleich zu hartmagnetischen Materialien nur eine vergleichsweise schwach ausgeprägte Hysterese auf. Dies ist von Vorteil für die oben beschriebene Anwendung, bei der auf den Stromsensor unterschiedlich hohe Ströme und damit Magnetfelder einwirken. Ziel ist es, die vergleichsweise geringen Ströme zuverlässig ohne störende Auswirkung der hohen Ströme zu ermitteln. Dabei muß ausgeschlossen werden, daß die zu anderen Zeiten fließenden vergleichsweise hohen Ströme zu einer remanenten Magnetisierung des verwendeten Materials führen, da die remanente Magnetisierung das Meßergebnis bei der Messung der vergleichsweise geringen Ströme negativ beeinflußt. Da weichmagnetische Materialien nur eine vergleichsweise geringe Hysterese und damit eine geringe remanente Magnetisierung, d.h. eine nach Einwirkung eines Magnetfeldes verbleibende Magnetisierung, aufweisen, führen die hohen Ströme nicht zu einer nennenswerten remanenten Magnetisierung. Nach Einwirkung der hohen Ströme ist die Magnetisierung des weichmagnetischen Materials praktisch vernachlässigbar und stört daher nicht die nachfolgende Messung der vergleichsweisen geringen Ströme. Im Falle einer Autobatterie stellen die im betriebsbereiten bzw. fahrenden Zustand des Automobils fleißenden Ströme, z.B. beim Anlassen des Motors, die vergleichsweise hohen Ströme (bis zu mehreren Ampere) und die im stillgelegten bzw. abgestellten Zustand fließenden Leckströme die vergleichsweise geringen Ströme dar.
Für die Verwendung in Automobilen darf der Stromsensor nicht temperaturempfindlich sein, da die Temperaturen bei der Einbaustelle des Stromsensors im fahrenden Zustand bis zu 150°C erreichen können. Die Permeabilität von weichmagnetischem Material kann sich zwischen -40 und +150°C um den Faktor 10 än- dem. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität das Meßergebnis des Stromsensors nicht merklich ändert. Das liegt daran, daß der Magnetfeldsensor im Luftspalt mit der Permeabilität von etwa 1 angeordnet ist, und das weichmagnetische Material bei ca. 25°C eine Permeabilität von ca. 50000 aufweisen kann. Das gemessene Magnetfeld ergibt sich aus der Formel
5= d ' l
+ ■ μ μ * μR
mit / Strom durch den Leiter d Abstand der zwei sich gegenüberliegenden Abschnitte voneinander, zwischen denen der Magnetfeldsensor angeordnet ist / Eisenlänge μ Permeabilitätskonstante μR relative Permeabilität
Es läßt sich erkennen, daß der zweite Term im Nenner vernachlässigt werden kann, wenn μR groß ist. Folglich fällt aufgrund der allgemein sehr hohen Permeabilität des weichmagnetischen Materials eine Änderung um den Faktor 4 bis 10 der Permeabilität bei Temperaturschwankungen nicht ins Gewicht. Beispielsweise weist Mu-Metall eine relative Permeabilität von etwa 6*104 auf. Im Gegensatz dazu beträgt die relative Permeabilität von Ferrit etwa 4000. Wird z.B. davon ausgegangen, daß der Wert der relativen Permeabilitäten temperaturbe- dingt um ca. 50% variiert, so ergibt sich unter Annahme von /
« 100*d nach obiger Formel, daß die Induktivität B mit einem 1%-igen Fehler im Falle von Ferrit und mit einem etwa 0,1%- igen Fehler im Falle von Mu-Metall behaftet ist. Der damit verbundene Hysteresefehler von Mu-Metall liegt damit etwa um eine Größenordnung niedriger als bei Ferrit. So wurde z.B. bei einem 20 A Stromsensor bei Verwendung von Mu-Metall ein Hysteresefehler von lediglich 75 mA gemessen. Bei Verwendung von Ferrit lag der Fehler bei Werten oberhalb von 600 mA. Der Einfluß der Temperaturabhängigkeit der Permeabilität kann durch Wahl der Größe des Luftspalts beliebig verändert wer- den. Bevorzugt wird daher ein weichmagnetisches Material, insbesondere ein sehr weichmagnetisches Material mit einer Koerzitivfeldstärke von weniger als 1 A/cm, bevorzugt von weniger als 0,2 A/cm und besonders bevorzugt von weniger als 0,1 A/cm, mit einer vergleichsweise hohen relativen Permeabilität von z.B. höher als 5000 oder höher als 104, wie z.B. Mu-Metall .
Der Einsatz von derart weichmagnetischen Materialien wurde bisher jedoch vermieden, da die weichmagnetischen Materialien relativ schnell in die magnetische Sättigung übergehen und damit der zur Verfügung stehende Meßbereich eingeschränkt wird. Diesem Nachteil kann jedoch ebenfalls mit einer Variation der Größe des Luftspalts (Abstand der beiden sich gegen- überliegenden Abschnitte) begegnet werden. Der Luftspalt stellt einen seriellen magnetischen Widerstand dar, dessen Größe insbesondere durch den Wert von d bestimmt wird. Durch Vergrößerung von d wird der Wert der magnetischen Induktion B verringert, so daß das weichmagneteische Material nicht so schnell in Sättigung überführt wird. Der Meßbereich kann daher durch Wahl der Größe des Luftspalts gezielt angepaßt werden.
Der Magnetfeldsensor kann beispielsweise ein Hallsensor sein.
Zwischen dem Leiter und der Anordnung kann eine Isolation vorgesehen sein.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen ersten Stromsensor, der einen ersten Leiter umgibt, mit einem ersten Leiterblech mit Abschnitten und Endflächen, einem zweiten Leiterblech mit Abschnitten und Endflächen, einem ersten Hallsensor, einem zweiten Hallsensor und Leitungen. Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf den ersten Stromsensor, in der das zweite Leiterblech, der erste Leiter und die Leitungen dargestellt sind.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen zweiten Stromsensor, der einen zweiten Leiter umgibt, mit einem ersten Leiterblech, einem zweiten Leiterblech, einem ersten Hallsensor und einem zweiten Hallsensor.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein erster Stromsensor zur Messung eines Stroms durch einen ersten Leiter Ll hergestellt .
Ein erstes Leiterblech LBl wird gebildet, indem ein ca.. lmm dicker, ca. 5 mm breiter und ca. 30 mm langer Streifen aus Mu-Metall an beiden Enden symmetrisch so gefaltet wird, daß der Streifen nur noch eine Länge von etwa 20 mm aufweist (siehe Figur 1) . In derselben Weise wird ein zweites Leiter- blech LB2 erzeugt (siehe Figuren 1 und 2) .
Zwischen den verdickten Abschnitten A des ersten Leiterblechs LBl wird der erste Leiter Ll gelegt (siehe Figuren 1 und 2} . Der erste Leiter Ll ist bandförmig, weist eine Dicke von ca. 2 mm und eine Breite von ca. 10 mm auf.
Ein erster Hallsensor Hl und ein zweiter Hallsensor H2 werden mit Leitungen L verbunden (siehe Figur 2) und derart auf Endflächen E der Abschnitte A des ersten Leiterblechs LBl ange- ordnet, daß der erste Leiter Ll mittig zwischen dem ersten
Hallsensor Hl und dem zweiten Hallsensor H2 angeordnet ist (siehe Figur 1) . Die Endflächen E sind wesentlich größer als die zu den Endflächen E parallelen Querschnitte durch den ersten Hallsensor Hl und den zweiten Hallsensor H2 (siehe Figur 1) . Anschließend wird das zweite Leiterblech L2 auf den ersten Leiter Ll und den ersten Hallsensor Hl und dem zweiten Hallsensor H2 derart angeordnet, daß das erste Leiterblech LBl und das zweite Leiterblech LB2 eine symmetrische Anordnung bilden, bei der die Endflächen E der Abschnitte A des ersten Leiterblechs Ll und des zweiten Leiterblechs L2 parallel zueinander verlaufen und sich derart gegenüberliegen, daß der erste Hallsensor Hl und der zweite Hallsensor H2 jeweils zwischen zwei der Endflächen E angeordnet sind.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Stromsensor vorgesehen, der ähnlich wie der erste Stromsensor mit einem ersten Hallsensor Hl' und einem zweiten Hallsensor H2 ' aufgebaut ist mit dem Unterschied, daß das erste Leiterblech LBl Λ und das zweite Leiterblech LB2 ' die Form von halben Ringen aufweisen. Ferner weist der zweite Leiter L2 , der von der durch das erste Leiterblech LBl * und das zweite Leiterblech LB2 ' gebildete Anordnung umgeben wird, einen runden Querschnitt auf (siehe Figur 3) .
Bezugszeichenliste
A Abschnitt
E Endfläche
Hl , H2 , Hl ' , H2 ' Hallsensor
L Leitung
Ll, L2 Leiter
LBl , LB2 , LBl λ , LB2 Λ Leiterblech

Claims

Patentansprüche
1. Stromsensor
- mit mindestens einem Magnetfeldsensor (Hl) zur Messung ei- nes Stroms eines Leiters (Ll) durch Bestimmung der Stärke des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes,
- mit einer Anordnung zum Bündeln und Leiten des Magnetfeldes zum Magnetfeldsensor (Hl) hin,
- bei dem die Anordnung mindestens zwei sich gegenüberliegen- de Abschnitte (A) aufweist, zwischen denen der Magnetfeldsensor (Hl) angeordnet ist,
- bei dem die Anordnung aus einem weichmagnetischen Material besteht.
2. Stromsensor nach Anspruch 1, bei dem das weichmagnetische Material eine Koerzitivfeidstärke von weniger als lA/cm, insbesondere von weniger als 0,2 A/cm aufweist.
3. Stromsensor nach Anspruch 2, bei dem das weichmagnetische Material eine Koerzitivfeldstär- ke von weniger als 0,1 A/cm aufweist.
4. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , bei dem das weichmagnetische Material eine relative Permeabilität von mehr als 5000 aufweist.
5. Stromsensor nach Anspruch 4 , bei dem das weichmagnetische Material eine relative Permeabi- lität von mehr als 104 aufweist.
6. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- bei dem die beiden Abschnitte der Anordnung jeweils eine Endfläche (E) aufweisen, - bei dem die Endflächen (E) der Abschnitte (A) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, - bei dem die Endflächen (E) abhängig vom Abstand zwischen den Abschnitten (A) derart größer ist als ein zu den Endflächen paralleler Querschnitt des Magnetfeldsensors (Hl) , daß das Magnetfeld im Bereich des Magnetfeldsensors (Hl) im wesentlichen homogen ist .
7. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ,
- bei dem die Anordnung zwei weitere sich gegenüberliegende Abschnitte (A) aufweist, zwischen denen ein weiterer Ma- gnetfeldsensor (H2) angeordnet ist,
- bei dem die Anordnung derart aufgebaut ist, daß bei der Messung eines Stroms eines Leiters (Ll) die Richtung des Magnetfeldes im Bereich des Magnetfeldsensors (Hl) im wesentlichen entgegengesetzt zur Richtung des Magnetfeldes im Bereich des weiteren Magnetfeldsensors (H2) ist.
8. Stromsensor nach Anspruch 7,
- bei dem die Anordnung im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten Streifen besteht.
9. Stromsensor nach Anspruch 7,
- bei dem die Anordnung im wesentlichen aus einem zweifach geschlitzten Ring besteht .
10. Verwendung eines Stromsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- bei der der Stromsensor über einen Zeitraum im Bereich eines Leiters (Ll) verbleibt,
- bei der in diesem Zeitraum sowohl niedrige Ströme unter 100mA als auch sehr hohe Ströme über 1000A durch den Leiter (Ll) fließen,
- bei der die niedrigen Ströme mit Hilfe des Stromsensors gemessen werden.
11. Verwendung nach Anspruch 10,
- bei der der Leiter (Ll) mit einer Batterie oder einem Generator eines Automobils verbunden ist, bei der mit Hilfe des Stromsensors die Ströme aus der Batterie im nichtfahrenden Zustand des Automobils gemessen werden.
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