WO2006131468A1 - Device for detecting an electric current - Google Patents

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WO2006131468A1
WO2006131468A1 PCT/EP2006/062753 EP2006062753W WO2006131468A1 WO 2006131468 A1 WO2006131468 A1 WO 2006131468A1 EP 2006062753 W EP2006062753 W EP 2006062753W WO 2006131468 A1 WO2006131468 A1 WO 2006131468A1
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magnetic field
electric current
detecting
shield
field probes
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PCT/EP2006/062753
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Stefan Dietz
Jochen Ermisch
Reinhold Keck
Wojciech Olszewski
Jürgen Sperber
Frank Thieme
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a device for detecting an electric current.
  • Such a device is known for example from the published patent application DE 103 07 704 Al. There is described a device having a probe for detecting a magnetic field based on the Hall effect. The probe there is inserted into an air gap of an annular core of iron material. About the annular core, a magnetic flux is concentrated. The device has an annular housing surrounding the annular core. This housing is made of a suitable material, for example plastic material. By means of an integrated circuit, the known device can be calibrated to compensate, for example, fluctuations in the components and process fluctuations.
  • the invention has for its object to provide a means for detecting an electric current, which is insensitive to external disturbances.
  • the object is achieved in that a plurality of radially distributed around a main axis arranged substantially in a plane magnetic field probes of a
  • Multi-phase AC systems are used.
  • the currents flowing in the individual phases cause magnetic fields.
  • the distances between the individual phases for guiding an electric current are becoming ever smaller.
  • a reliable potential separation can be achieved by an appropriate design of the electrical insulation or the use of field control elements for steering an electric field, however, there is a superposition of magnetic fields that emanate from the various electrical currents.
  • the magnetic fields are so often disturbances.
  • the effect of interference magnetic fields can be compensated by suitable calculation methods.
  • only the normal components that is, only the portions of a magnetic field which pass perpendicularly through the respective probe, are detected by the respective magnetic field probes. Since the magnetic fields propagate spatially on generally curved tracks, it can be assumed with a relatively high probability that only small portions of the interference fields are measured along with some magnetic field probes. Others, on the other hand, have a stronger influence. The strength of the influence depends on the course of the field lines of the magnetic interference radiation. Thus, a magnetic field line of an interference field that passes almost perpendicularly through a magnetic field probe is also measured to a very large extent.
  • interference fields whose field lines intersect a magnetic field probe at a very acute angle, mitge messenger only to a very small extent, as the Normal component is relatively small.
  • the uniformly distributed on the circumference magnetic probes are flooded by the interference field in each case from different directions.
  • the proportions based on the interfering field are compensated for assuming a homogeneous interference field.
  • the electric current to be measured is imaged with great accuracy.
  • inhomogeneous interference fields their effects can be limited by shielding.
  • the arithmetic mean of the measured values of a plurality of magnetic field probes can be used in order to obtain a sufficient accuracy of the measurement results.
  • a statistical evaluation method can be used with this method in order to rule out particularly deviating measured values.
  • the magnetic field probes distributed radially around a main axis can be protected from interference fields by shielding.
  • the use of the shielding effects the steering of the magnetic field line around the magnetic field probes.
  • the measurement results of a single magnetic field probe can be kept free even to a large extent of external magnetic interference fields.
  • a symmetrical distribution of a plurality of magnetic field probes around the main axis comparatively accurate measured data can thus be expected.
  • a current-carrying electrical conductor along the main axis while the magnetic field probes should be arranged in each case with approximately the same distance from the main axis.
  • a uniform distribution and a position of the probes in a common plane ensure that a magnetic field to be measured passes evenly through the magnetic field probes.
  • the shielding can be configured such that the magnetic field probes are only protected from magnetic interference fields from certain directions.
  • the magnetic field probes may, for example, also be covered individually with respective screen segments.
  • An embodiment may advantageously provide that the shield has at least one wall which extends laterally next to the magnetic field probes in the direction of the main axis.
  • a further advantageous embodiment of the invention can provide that the shield has a wall which covers the magnetic field probes in the radial direction.
  • Multi-phase AC systems usually work with multi-phase AC systems. These systems are, for example, three-phase arrangements in which the electrical conductor tracks are laid parallel to one another. There are different arrangements of the conductor tracks known to each other. For example, they can be arranged in one plane or in a triangle. Since in the individual phases mostly currents of a certain frequency flow with different phase positions, magnetic fields which arise around the conductor tracks of the phases are established. With a synchronous loading of all phases, this can lead, with a suitable arrangement, to complete compensation of an ensuing total magnetic field. Due to the parallel laying of the conductor tracks of multiphase AC voltage systems, disturbances from the radial direction can also affect the magnetic field probes. The interference fields come from the adjacently arranged current-carrying electrical conductor tracks. In order to reduce mutual interference of the measurement points often provided on each of the conductor tracks in the immediate vicinity, shielding with a radial wall is advantageous.
  • the shield surrounds the main axis.
  • a uniform distribution is advantageous.
  • a shield circulating around the main axis can be used. Interference fields are kept outside the measuring field. The magnetic fields emanating from a current flowing along the main axis can furthermore be detected by the magnetic field probes. With a shield surrounding the main axis, shielding can be achieved from magnetic fields acting from different directions.
  • the shield has a portion in the form of a circular ring.
  • Circular rings are easy to produce, for example, from profiled strips or flat material.
  • Such ring structures continue to represent a dielectrically favorable arrangement, so that an increase in the electric field or other disturbances are not to be expected.
  • a first and a second circular ring are arranged in the direction of the main axis on both sides of the magnetic field probes.
  • Annular rings which extend on either side of the magnetic field probes, provide protection against interference fields acting from the axial direction.
  • they are shielded from each other.
  • provided for guiding and steering a magnetic field cores trigger disruptions and act on adjacent magnetic field probes.
  • the shield has a hollow cylindrical section.
  • Hollow-cylindrical sections are very easy to produce from tubes. Hollow-cylindrical sections prevent the action of radial components of interfering magnetic fields.
  • the shield has a spherically curved portion.
  • Spherically curved sections make it possible to design particularly effective shieldings. For example, hood-like or karlottenartig shaped shields or torroidieri example Shieldings are used.
  • spherically curved sections it is easily possible to arrange the magnetic field probes in the shading area of the shield.
  • the magnetic field probes can lie in the shadow of the shield, wherein the interference magnetic fields can act from various directions.
  • An advantageous embodiment may further provide that parallel to the main axis of an electrical conductor for the conduction of an electrical current is arranged between the surface and the shield, an electrical insulation is arranged.
  • the magnetic field probes are arranged between the electrical conductor and the shield. Thus, the magnetic field probes freely detect the magnetic field emitted by the electric current to be measured.
  • a core body for bundling a magnetic field surrounds the main axis.
  • the core body By means of the core body magnetic fields can be bundled. As a result, scattering of field components is reduced, and thus a more accurate mapping of the current flowing in the electrical conductor current can take place.
  • the core body may for example have recesses into which protrude one or more magnetic field probes. Outside the core body can also have a corresponding shielding be arranged to prevent penetration of interference magnetic fields in the core body.
  • a further advantageous embodiment can provide that in a gap of the core body, a further magnetic field probe is arranged and the core body is arranged spaced in the direction of the main axis to the plurality of magnetic field probes.
  • a further measuring location for detecting a current flowing through the electrical conductor can be used.
  • this second measuring location can be provided to verify the data determined at a first measuring location. It can be different types of
  • Magnetic field probes, shielding, nuclear bodies, etc. may be provided at the two measurement locations. However, it can also be provided that both measuring locations have means for detecting an electric current in the same design variants.
  • a further advantageous embodiment of the invention may provide that the shield is arranged such that the arranged in the plane magnetic field probes are shielded from radiatable from the core body magnetic interference fields.
  • interference fields may arise, for example, at a recess into which the further magnetic field probe projects.
  • Such perturbations arise from sharp protrusions and edges which favor leakage of single magnetic field lines, moving on curved paths outside the core body.
  • a further advantageous embodiment can provide that the magnetic field probes arranged in the plane and the further magnetic field probe serve to detect the same electric current and are respectively assigned to different measuring ranges.
  • Field lines which emanate from the current to be measured, to steer in a core body and to lead, as interference is avoided.
  • this is disadvantageous in measuring currents in a larger measuring range.
  • a core body quickly goes into saturation.
  • the core body is only able to carry a "certain amount" of magnetic field lines, and any field lines that occur will be in an undifferentiated manner outside the core, in which case erroneous readings may be expected for large currents
  • saturation may not occur with multiple magnetic field probes detecting a magnetic field within a gas or equivalent suitable insulating material, but such an arrangement has the disadvantage that a relatively large field of measurement error may result from relatively small fields a combination of several measuring locations axially spaced from each other with respect to the main axis, reliable measurements of currents in a wide range can be achieved when using multiple measuring points with different measuring ranges.
  • At least one of the magnetic field probes is a Hall probe.
  • Hall probes have a plate which has a small thickness relative to its length and width. This plate is placed in a magnetic field so that it is permeated by magnetic field lines.
  • the vertical component (normal component) of the field lines causes a deflection of charge carriers, which move due to an electric current through the plate. This deflection is due to a force effect called "Lorentz force.” For example, an electric current gives a linear relationship between the magnetic flux density and the Hall voltage which can be removed from the platelet.
  • a further advantageous embodiment can provide that at least one of the magnetic field probes is a coil.
  • the coil may be in various configurations. However, an advantageous embodiment may also provide for coils which are printed on carrier material or produced using other suitable methods, for example, such flat plates having a multiplicity of conductor turns are also in slot-shaped recesses of a Core body insertable.
  • At least one of the magnetic field probes utilizes an anisotropic magnetoresistive effect.
  • probes which operate on the basis of an anisotropic magnetoresistive effect can be used alternatively or additionally.
  • a change in the electrical conductivity can take place in ferromagnetic materials. It is important that the effect of the change in the electrical conductivity is dependent on the direction of action of the magnetic field. In this case one speaks of an anisotropy of the electrical conductivity.
  • Figure 1 is a side view of a device for detecting an electric current with a plurality of magnetic field probes
  • FIG. 2 shows a section through the device shown in Figure 1, the
  • Figure 3 shows a combination of the device shown in Figures 1 and 2 for detecting an electric current with a core body
  • Figure 4 shows a section through the core body
  • Figure 5 shows a modification of the device shown in Figure 3 and the
  • FIG. 6 a representation of a core body with a basic course of magnetic field lines
  • FIG. 1 shows a side view of a device for detecting an electric current in a section. Along an axis perpendicular to the plane of the main axis 1 runs an electrical conductor 2. The electrical conductor 2 is traversed by a current I. Radial to
  • the electrical conductor 2 is surrounded by a magnetic field due to the current flow.
  • the magnetic field is approximately in concentric circles around the electrical conductor 2 around.
  • a shield 3a is arranged coaxially with the electrical conductor 2.
  • a plurality of magnetic field probes in the form of Hall probes 4a, 4b 4c, 4d are arranged.
  • the probes are positioned in such a way that the probes are each cut perpendicularly from the magnetic field lines running concentrically around the electrical conductor 2.
  • the Hall probes 4a, 4b, 4c, 4d are arranged distributed approximately in a plane radially around the main axis 1.
  • the Hall probes 4a, 4b, 4c, 4d each have the same distance from the main axis 1.
  • the Hall probes 4a, 4b, 4c, 4d are surrounded by the shield 3a.
  • the shield 3a is visible in a further section.
  • the shield 3a has a wall which spans the Hall probes 4a, 4b, 4c, 4d in the radial direction.
  • the shield 3a has walls which cover the Hall probes 4a, 4b, 4c, 4d laterally in the direction of the main axis 1.
  • the shielding 3a completely surrounds the main axis, so that an electromagnetically shielded area is created, which extends in an annular manner around the electrical conductor 2.
  • the shield 3a is designed such that it has a ring-shaped structure which is arranged electrically isolated from the electrical conductor run 2 spaced. The embodiment variant shown in FIGS.
  • a core body which focuses magnetic fields that is, the Hall sensors 4 a, 4 b, 4 c, 4 d directly detect the magnetic field located in the vicinity of the electrical conductor run 2.
  • a core body is used which bundles and guides the magnetic field lines in the contactor of the shadow field of the shield 3a.
  • the shield 3a in cross-section has a U-profile, which extends around the electrical conductor 2 around. It is also possible to provide further profiling of the shield 3a so that, for example, toroidal sections, multiple stepped sections or other spherically curved sections are formed.
  • FIG. 3 shows a development of the known from Figures 1 and 2 embodiment of a device for detecting an electric current.
  • an additional arrangement with further magnetic field probes 6a, 6b, 6c, 6d used.
  • the further magnetic field probes 6a, 6b, 6c, 6d are in turn designed, for example, as Hall probes.
  • the further magnetic field probes 6a, 6b, 6c, 6d are each arranged in a slot of a core body 7.
  • the core body 7 serves to bundle and guide the magnetic field emitted by the current I flowing in the electrical conductor 2.
  • the further magnetic field probes 6a, 6b, 6c, 6d are aligned in such a way that they are perpendicular to the radial axis extending radially about the main axis 1 Field lines are, so that the normal components of these field lines are detected as completely as possible. Due to the bundling effect of the core body 4 has been dispensed with an additional arrangement of a shield. However, a shield can also be provided for this purpose.
  • FIG. 5 shows a further variant of a shield 3b.
  • the shield 3b has a first circular ring 8a and a second circular ring 8b.
  • the circular rings 8a, 8b are arranged coaxially with the main axis 1 and protect the Hall probes 4a, 4c from the penetration of disturbing magnetic fields acting from the axial direction.
  • Such a configuration of a shield is in particular of
  • FIG. 6 shows the development of an interference field emanating from the core body 7.
  • Figure 6 was on a shield of the outside of
  • a Hall sensor 6 c is disposed in a slot of the core body 7.
  • the core body 7 concentrates the magnetic field lines and guides them in parallel in its interior.
  • the magnetic field lines are passed through the air gap in parallel.
  • the edge region there is a bulging of the magnetic field lines and an influence on the Hall sensor 4c.
  • This noise component leads to a faulty measurement on the Hall sensor 4c located outside the core body 7.
  • a group of magnetic field probes 6a, 6b, 6c, 6d which is equipped with a core body 7 for guiding a magnetic field, is less sensitive to external interference fields.
  • Such an arrangement has the disadvantage that the core body 7 can "saturate.” With a large electric current, saturation can occur so that an erroneous measurement takes place, in contrast to an arrangement with a plurality of magnetic field probes 4a, 4b , 4c, 4d, which detects magnetic field lines running in an insulating medium, has no saturation phenomena, and therefore such arrangements can also be used for measuring very large currents, so that, in combination with two different measuring arrangements, low currents are possible high accuracy (arrangement with core body) and currents with large amounts (arrangement without core body) measurable.
  • a device for detecting a current with a wide measuring range can thus be created. This may, for example, also lead to an arrangement with core body being used for measuring operating currents or for calculating electrical energy, and the other arrangement for detecting short-circuit currents or overcurrents being used.
  • the use of electrical coils and / or probes based on the anisotropic magnetoresistive effect can also be provided.
  • various design variants of a shield can be used, which is designed, for example, only in sections and partially shields magnetic field probes.

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Abstract

A device for detecting an electric current has a plurality of magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d) which are distributed radially about a main axis (1) and are arranged essentially in one plane. The magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d) are equipped with a shield (3a, 3b) which protects against the influence of magnetic interference fields. The shield (3a, 3b) can have a wall which extends in the direction of the main axis (1) adjacent to the magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d) and/or which extends in the radial direction.

Description

Beschreibungdescription
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen StromesDevice for detecting an electric current
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes.The invention relates to a device for detecting an electric current.
Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 103 07 704 Al bekannt. Dort ist ein Gerät beschrieben, welches eine Sonde zur Erfassung eines magnetischen Feldes auf der Basis des Hall-Effektes aufweist. Die dortige Sonde ist in einen Luftspalt eines ringförmigen Kernes aus Eisenmaterial eingefügt. Über den ringförmigen Kern wird ein magnetischer Fluss konzentriert. Die Einrichtung weist ein ringförmiges Gehäuse auf, welches den ringförmigen Kern umgibt. Dieses Gehäuse ist aus einem geeigneten Material, beispielsweise Plastikmaterial, gebildet. Mittels eines integrierten Schaltkreises ist die bekannte Einrichtung kalibrierbar, um beispielsweise Schwankungen der Bauteile und Prozessschwankungen auszugleichen .Such a device is known for example from the published patent application DE 103 07 704 Al. There is described a device having a probe for detecting a magnetic field based on the Hall effect. The probe there is inserted into an air gap of an annular core of iron material. About the annular core, a magnetic flux is concentrated. The device has an annular housing surrounding the annular core. This housing is made of a suitable material, for example plastic material. By means of an integrated circuit, the known device can be calibrated to compensate, for example, fluctuations in the components and process fluctuations.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes anzugeben, welche gegenüber Störungen von Außen unempfindlich ist.The invention has for its object to provide a means for detecting an electric current, which is insensitive to external disturbances.
Bei einer Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere radial um eine Hauptachse verteilte im Wesentlichen in einer Ebene angeordnete Magnetfeld-Sonden von einerIn a device for detecting an electric current, the object is achieved in that a plurality of radially distributed around a main axis arranged substantially in a plane magnetic field probes of a
Schirmung vor dem Einwirken von magnetischen Störfeldern geschützt sind. Der Einsatz von Magnetfeld-Sonden inShielding are protected from the action of magnetic interference fields. The use of magnetic field probes in
Elektroenergieübertragungsanlagen gestaltet sich oftmals schwierig. Großtechnisch gelangenElectric power transmission systems are often difficult. Arrive on a large scale
Mehrphasenwechselspannungssysteme zum Einsatz. Die in den einzelnen Phasen fließenden Ströme rufen Magnetfelder hervor. Im Zuge einer zunehmenden Miniaturisierung werden die Abstände der einzelnen Phasen zur Führung eines elektrischen Stromes immer geringer. Zwar kann durch eine entsprechende Auslegung der elektrischen Isolation bzw. dem Einsatz von Feldsteuerelementen zur Lenkung eines elektrischen Feldes eine zuverlässige Potentialtrennung erfolgen, jedoch kommt es zu einer Überlagerung von Magnetfeldern, die von den verschiedenen elektrischen Strömen ausgehen. Die Magnetfelder stellen so oftmals Störgrößen dar.Multi-phase AC systems are used. The currents flowing in the individual phases cause magnetic fields. In the course of increasing miniaturization, the distances between the individual phases for guiding an electric current are becoming ever smaller. Although a reliable potential separation can be achieved by an appropriate design of the electrical insulation or the use of field control elements for steering an electric field, however, there is a superposition of magnetic fields that emanate from the various electrical currents. The magnetic fields are so often disturbances.
Durch eine radiale gleichmäßige Verteilung mehrerer Magnetfeld-Sonden kann die Wirkung von Störmagnetfeldern durch geeignete Rechenverfahren kompensiert werden. Im Regelfall werden von den jeweiligen Magnetfeld-Sonden jeweils nur die Normalkomponenten, das heißt, nur die durch die jeweilige Sonde senkrecht hindurchtretenden Anteile eines magnetischen Feldes erfasst. Da sich die Magnetfelder räumlich auf im Regelfall gekrümmten Bahnen ausbreiten, ist mit einer relativ hohen Wahrscheinlichkeit davon auszugehen, dass an einigen Magnetfeld-Sonden nur geringe Anteile der Störfelder mitgemessen werden. An anderen hingegen erfolgt eine stärkere Beeinflussung. Die Stärke der Beeinflussung ist abhängig von dem Verlauf der Feldlinien der magnetischen Störstrahlung. So wird eine nahezu senkrecht durch eine Magnetfeld-Sonde durchtretende magnetische Feldlinie eines Störfeldes zu einem sehr großen Anteil mitgemessen. Im Gegensatz dazu werden Störfelder, deren Feldlinien eine Magnetfeld-Sonde in einem sehr spitzen Winkel schneiden, nur zu einem sehr geringen Anteil mitgemessen, da die Normalkomponente vergleichsweise klein ist. Die gleichmäßig am Umfang verteilten Magnetfeld-Sonden werden von dem Störfeld jeweils aus unterschiedlichen Richtungen durchflutet. Bei einer Mittelung der Messwerte der einzelnen Magnetfeld-Sonden kompensieren sich bei Annahne eines homogenen Störfeldes die auf dem Störfeld beruhenden Anteile. Dadurch wird der zu messende elektrische Strom mit großer Genauigkeit abgebildet. Bei inhomogenen Störfeldern können durch Schirmungen deren Wirkungen begrenzt werden. Bei einem einfachen Verfahren kann beispielsweise der arithmetische Mittelwert der Messwerte mehrerer Magnetfeld-Sonden herangezogen werden, um eine ausreichende Genauigkeit der Messergebnisse zu erhalten. Zusätzlich kann bei diesem Verfahren eine statistische Auswertemethode genutzt werden, um besonders stark abweichende Messwerte auszuschließen.By a radial uniform distribution of multiple magnetic field probes, the effect of interference magnetic fields can be compensated by suitable calculation methods. As a rule, only the normal components, that is, only the portions of a magnetic field which pass perpendicularly through the respective probe, are detected by the respective magnetic field probes. Since the magnetic fields propagate spatially on generally curved tracks, it can be assumed with a relatively high probability that only small portions of the interference fields are measured along with some magnetic field probes. Others, on the other hand, have a stronger influence. The strength of the influence depends on the course of the field lines of the magnetic interference radiation. Thus, a magnetic field line of an interference field that passes almost perpendicularly through a magnetic field probe is also measured to a very large extent. In contrast, interference fields whose field lines intersect a magnetic field probe at a very acute angle, mitgemessen only to a very small extent, as the Normal component is relatively small. The uniformly distributed on the circumference magnetic probes are flooded by the interference field in each case from different directions. When the measured values of the individual magnetic field probes are averaged, the proportions based on the interfering field are compensated for assuming a homogeneous interference field. As a result, the electric current to be measured is imaged with great accuracy. With inhomogeneous interference fields, their effects can be limited by shielding. In a simple method, for example, the arithmetic mean of the measured values of a plurality of magnetic field probes can be used in order to obtain a sufficient accuracy of the measurement results. In addition, a statistical evaluation method can be used with this method in order to rule out particularly deviating measured values.
Weiter können die radial um eine Hauptachse verteilten Magnetfeld-Sonden vor Störfeldern durch eine Schirmung geschützt werden. Der Einsatz der Schirmung bewirkt die Lenkung der Magnetfeldlinie um die Magnetfeld-Sonden herum. Durch diese Maßnahme können die Messergebnisse einer einzelnen Magnetfeld-Sonde schon zu einem großen Anteil von äußeren magnetischen Störfeldern freigehalten werden. Insbesondere bei einer symmetrischen Verteilung mehrerer Magnetfeld-Sonden um die Hauptachse herum sind so vergleichsweise genaue Messdaten zu erwarten. Bei einer Anordnung eines stromdurchflossenen elektrischen Leiters längs der Hauptachse sollten dabei die Magnetfeld-Sonden jeweils mit annähernd gleichem Abstand zu der Hauptachse angeordnet sein. Eine gleichmäßige Verteilung sowie eine Lage der Sonden in einer gemeinsamen Ebene stellen sicher, dass ein zu messendes Magnetfeld die Magnetfeld-Sonden gleichmäßig durchsetzt. Je nach Lage der Magnetfeldsonden kann die Schirmung derart ausgestaltet sein, dass die Magnetfeldsonden nur vor magnetischen Störfeldern aus bestimmten Richtungen geschützt sind. Die Magnetfeldsonden können beispielsweise auch einzeln mit jeweiligen Schirmsegmenten überdeckt sein.Furthermore, the magnetic field probes distributed radially around a main axis can be protected from interference fields by shielding. The use of the shielding effects the steering of the magnetic field line around the magnetic field probes. By this measure, the measurement results of a single magnetic field probe can be kept free even to a large extent of external magnetic interference fields. Particularly in the case of a symmetrical distribution of a plurality of magnetic field probes around the main axis, comparatively accurate measured data can thus be expected. In an arrangement of a current-carrying electrical conductor along the main axis while the magnetic field probes should be arranged in each case with approximately the same distance from the main axis. A uniform distribution and a position of the probes in a common plane ensure that a magnetic field to be measured passes evenly through the magnetic field probes. Depending on the position of the magnetic field probes, the shielding can be configured such that the magnetic field probes are only protected from magnetic interference fields from certain directions. The magnetic field probes may, for example, also be covered individually with respective screen segments.
Eine Ausgestaltung kann vorteilhaft vorsehen, dass die Schirmung zumindest eine Wandung aufweist, die sich in Richtung der Hauptachse seitlich neben den Magnetfeld-Sonden erstreckt .An embodiment may advantageously provide that the shield has at least one wall which extends laterally next to the magnetic field probes in the direction of the main axis.
Ein entlang der Hauptachse verlaufender elektrischer Leiter, welcher von einem elektrischen Strom durchflössen ist, weist oftmals eine Vielzahl von Kröpfungen, Sprüngen oder Versatzstücke auf. Diese schließen sich oftmals unmittelbar an Messstellen an. Dadurch ist es möglich, dass das Magnetfeld des zu messenden Stromes an bestimmten Stellen überlagert wird. Beispielsweise kann an 90 Grad Bögen das Magnetfeld sich selbst überlagern, so dass sich eine Verzerrung des resultierenden Magnetfeldes ergibt. Dort ist eine Messung des Magnetfeldes und ein Rückschluss auf den fließenden Strom nicht ohne weiteres möglich. An derartigen Positionen ist es sinnvoll, dass die Schirmung eine Wandung aufweist, die sich in Richtung der Hauptachse seitlich neben den Magnetfeld-Sonden erstreckt. Störgrößen aus seitlichen Bereichen werden an der Schirmung umgelenkt.An electrical conductor running along the main axis, which is traversed by an electric current, often has a multiplicity of cranks, jumps or set pieces. These often follow directly to measuring points. This makes it possible that the magnetic field of the current to be measured is superimposed at certain points. For example, at 90 degrees arcs, the magnetic field may self-superimpose, resulting in distortion of the resulting magnetic field. There, a measurement of the magnetic field and a conclusion on the flowing current is not readily possible. At such positions, it makes sense that the shield has a wall which extends in the direction of the main axis laterally adjacent to the magnetic field probes. Disturbances from lateral areas are deflected at the shielding.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Schirmung eine Wandung aufweist, welche die Magnetfeld-Sonden in radialer Richtung überdeckt.A further advantageous embodiment of the invention can provide that the shield has a wall which covers the magnetic field probes in the radial direction.
Großtechnisch genutzte Energieübertragungsanlagen arbeiten zumeist mit mehrphasigen Wechselspannungssystemen. Diese Systeme sind beispielsweise dreiphasige Anordnungen, bei denen die elektrischen Leiterzüge parallel zueinander verlegt sind. Dabei sind verschiedene Anordnungen der Leiterzüge zueinander bekannt. So können diese beispielsweise in einer Ebene oder im Dreieck zueinander angeordnet sein. Da in den einzelnen Phasen zumeist Ströme einer bestimmten Frequenz mit unterschiedlichen Phasenlagen fließen, stellen sich um die Leiterzüge der Phasen resultierende Magnetfelder ein. Bei einer synchronen Belastung aller Phasen, kann dies bei einer geeigneten Anordnung dazu führen, dass ein sich einstellendes Gesamtmagnetfeld vollständig kompensiert wird. Durch die parallele Verlegung der Leiterzüge mehrphasiger Wechselspannungssysteme können auch Störgrößen aus radialer Richtung auf die Magnetfeld-Sonden einwirken. Die Störfelder stammen dabei von den benachbart angeordneten stromdurchflossenen elektrischen Leiterzügen. Um eine gegenseitige Beeinflussung der oftmals an jedem der Leiterzüge in unmittelbarer Nähe vorgesehenen Messpunkte zu mindern, ist eine Schirmung mit radialer Wandung vorteilhaft.Large-scale used energy transmission systems usually work with multi-phase AC systems. These systems are, for example, three-phase arrangements in which the electrical conductor tracks are laid parallel to one another. There are different arrangements of the conductor tracks known to each other. For example, they can be arranged in one plane or in a triangle. Since in the individual phases mostly currents of a certain frequency flow with different phase positions, magnetic fields which arise around the conductor tracks of the phases are established. With a synchronous loading of all phases, this can lead, with a suitable arrangement, to complete compensation of an ensuing total magnetic field. Due to the parallel laying of the conductor tracks of multiphase AC voltage systems, disturbances from the radial direction can also affect the magnetic field probes. The interference fields come from the adjacently arranged current-carrying electrical conductor tracks. In order to reduce mutual interference of the measurement points often provided on each of the conductor tracks in the immediate vicinity, shielding with a radial wall is advantageous.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Schirmung die Hauptachse umschließt.Advantageously, it can be provided that the shield surrounds the main axis.
Bei einer Verteilung einer Vielzahl von Magnetfeld-Sonden um eine Hauptachse herum, ist eine gleichmäßige Verteilung vorteilhaft. Um die Schirmung der einzelnen Magnetfeld-Sonden effektiv auszugestalten, ist eine um die Hauptachse umlaufende Schirmung nutzbar. Störfelder werden außerhalb des Messfeldes gehalten. Die von einem längs der Hauptachse fließenden Strom ausgehenden Magnetfelder können weiterhin durch die Magnetfeld-Sonden erfasst werden. Mit einer die Hauptachse umschließenden Schirmung kann eine Schirmung vor aus verschiedenen Richtungen wirkenden magnetischen Feldern erzielt werden.In a distribution of a plurality of magnetic field probes around a major axis, a uniform distribution is advantageous. In order to design the shielding of the individual magnetic field probes effectively, a shield circulating around the main axis can be used. Interference fields are kept outside the measuring field. The magnetic fields emanating from a current flowing along the main axis can furthermore be detected by the magnetic field probes. With a shield surrounding the main axis, shielding can be achieved from magnetic fields acting from different directions.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Schirmung einen Abschnitt in Form eines Kreisringes aufweist. Kreisringe sind beispielsweise aus profilierten Bändern oder Flachmaterial leicht herstellbar. Derartige Ringstrukturen stellen weiterhin eine dielektrisch günstige Anordnung dar, so dass eine Überhöhung des elektrischen Feldes oder andere Störungen nicht zu erwarten sind.Furthermore, it can be advantageously provided that the shield has a portion in the form of a circular ring. Circular rings are easy to produce, for example, from profiled strips or flat material. Such ring structures continue to represent a dielectrically favorable arrangement, so that an increase in the electric field or other disturbances are not to be expected.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass ein erster und ein zweiter Kreisring in Richtung der Hauptachse beiderseits der Magnetfeld-Sonden angeordnet sind.Advantageously, it can be provided that a first and a second circular ring are arranged in the direction of the main axis on both sides of the magnetic field probes.
Kreisringe, die sich beiderseits der Magnetfeld-Sonden erstrecken, ermöglichen einen Schutz vor Störfeldern, die aus axialer Richtung wirken. Insbesondere bei einer Anordnung von Magnetfeld-Sonden in mehreren Ebenen, sind diese voneinander geschirmt. So können beispielsweise zur Führung und Lenkung eines Magnetfeldes vorgesehene Kerne Störungen auslösen und auf benachbarte Magnetfeld-Sonden einwirken.Annular rings, which extend on either side of the magnetic field probes, provide protection against interference fields acting from the axial direction. In particular, in an arrangement of magnetic field probes in multiple levels, they are shielded from each other. Thus, for example, provided for guiding and steering a magnetic field cores trigger disruptions and act on adjacent magnetic field probes.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Schirmung einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist.Furthermore, it can be advantageously provided that the shield has a hollow cylindrical section.
Hohlzylindrische Abschnitte lassen sich sehr leicht aus Rohren herstellen. Durch hohlzylindrische Abschnitte ist die Einwirkung von radialen Komponenten störender Magnetfelder verhindert .Hollow-cylindrical sections are very easy to produce from tubes. Hollow-cylindrical sections prevent the action of radial components of interfering magnetic fields.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Schirmung einen sphärisch gekrümmten Abschnitt aufweist.Furthermore, it can be advantageously provided that the shield has a spherically curved portion.
Sphärisch gekrümmte Abschnitte gestatten es, besonders effektive Schirmungen auszugestalten. So können beispielsweise haubenartig oder karlottenartig geformte Schirmungen oder auch beispielsweise torroidartige Schirmungen zum Einsatz gelangen. Durch sphärisch gekrümmte Abschnitte ist es einfach möglich, die Magnetfeld-Sonden im Abschattungsbereich der Schirmung anzuordnen. Mittels sphärisch gekrümmter Abschnitte können die Magnetfeld-Sonden im Schatten der Schirmung liegen, wobei die Störmagnetfelder aus diversen Richtungen einwirken können.Spherically curved sections make it possible to design particularly effective shieldings. For example, hood-like or karlottenartig shaped shields or torroidartige example Shieldings are used. By spherically curved sections, it is easily possible to arrange the magnetic field probes in the shading area of the shield. By means of spherically curved sections, the magnetic field probes can lie in the shadow of the shield, wherein the interference magnetic fields can act from various directions.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung kann weiterhin vorsehen, dass parallel zu der Hauptachse ein elektrischer Leiterzug zur Leitung eines elektrischen Stromes angeordnet ist, zwischen dessen Oberfläche und der Schirmung eine elektrische Isolation angeordnet ist.An advantageous embodiment may further provide that parallel to the main axis of an electrical conductor for the conduction of an electrical current is arranged between the surface and the shield, an electrical insulation is arranged.
Zur elektrischen Isolation kann beispielsweise ein gasförmiges oder flüssiges Medium bzw. ein Feststoff eingesetzt werden. Durch die Isolation wird die Schirmwirkung der Schirmung nicht beeinträchtigt. In radialer Richtung gesehen, sind die Magnetfeld-Sonden zwischen dem elektrischen Leiter und der Schirmung angeordnet. So erfassen die Magnetfeld-Sonden ungehindert das von dem zu messenden elektrischen Strom ausgehende Magnetfeld.For electrical insulation, for example, a gaseous or liquid medium or a solid can be used. The insulation does not impair the shielding effect of the shielding. Seen in the radial direction, the magnetic field probes are arranged between the electrical conductor and the shield. Thus, the magnetic field probes freely detect the magnetic field emitted by the electric current to be measured.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein Kernkörper zur Bündelung eines Magnetfeldes die Hauptachse umgibt.Furthermore, it can be advantageously provided that a core body for bundling a magnetic field surrounds the main axis.
Mittels des Kernkörpers können Magnetfelder gebündelt werden. Dadurch ist ein Streuen von Feldanteilen vermindert, und somit kann eine genauere Abbildung des im elektrischen Leiterzug fließenden Stromes erfolgen. Der Kernkörper kann dabei beispielsweise Ausnehmungen aufweisen, in welche eine oder mehrere Magnetfeld-Sonden hineinragen. Außen um den Kernkörper kann zusätzlich eine entsprechende Schirmung angeordnet sein, um ein Eindringen von Störmagnetfeldern in den Kernkörper zu vermeiden.By means of the core body magnetic fields can be bundled. As a result, scattering of field components is reduced, and thus a more accurate mapping of the current flowing in the electrical conductor current can take place. The core body may for example have recesses into which protrude one or more magnetic field probes. Outside the core body can also have a corresponding shielding be arranged to prevent penetration of interference magnetic fields in the core body.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass in einem Spalt des Kernkörpers eine weitere Magnetfeld-Sonde angeordnet ist und der Kernkörper in Richtung der Hauptachse beabstandet zu den mehreren Magnetfeld-Sonden angeordnet ist.A further advantageous embodiment can provide that in a gap of the core body, a further magnetic field probe is arranged and the core body is arranged spaced in the direction of the main axis to the plurality of magnetic field probes.
Durch die Anordnung des Kernkörpers in Richtung der Hauptachse beabstandet zu den mehreren Magnetfeld-Sonden kann ein weiterer Messort zur Erfassung eines den elektrischen Leiterzug durchfließenden Stromes genutzt werden. Beispielsweise kann dieser zweite Messort dazu vorgesehen sein, die an einem ersten Messort ermittelten Daten zu verifizieren. Dabei können verschiedene Bauformen vonBy the arrangement of the core body in the direction of the main axis spaced from the plurality of magnetic field probes, a further measuring location for detecting a current flowing through the electrical conductor can be used. For example, this second measuring location can be provided to verify the data determined at a first measuring location. It can be different types of
Magnetfeld-Sonden, Schirmungen, Kernkörpern etc. an den beiden Messorten vorgesehen sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass beide Messorte Einrichtungen zur Erfassung eines elektrischen Stromes in gleichen Ausgestaltungsvarianten aufweisen.Magnetic field probes, shielding, nuclear bodies, etc. may be provided at the two measurement locations. However, it can also be provided that both measuring locations have means for detecting an electric current in the same design variants.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Schirmung derart angeordnet ist, dass die in der Ebene angeordneten Magnetfeld-Sonden vor von dem Kernkörper abstrahlbaren magnetischen Störfeldern geschirmt sind.A further advantageous embodiment of the invention may provide that the shield is arranged such that the arranged in the plane magnetic field probes are shielded from radiatable from the core body magnetic interference fields.
Neben der Bündelung eines elektrischen Feldes durch den Kernkörper können beispielsweise an einer Ausnehmung, in welche die weitere Magnetfeld-Sonde hineinragt, Störfelder entstehen. Derartige Störungen entstehen an scharfen Vorsprüngen und Kanten, die ein Austreten von einzelnen Magnetfeldlinien begünstigen, wobei diese sich auf gekrümmten Bahnen außerhalb des Kernkörpers bewegen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die in der Ebene angeordneten Magnetfeld-Sonden und die weitere Magnetfeld-Sonde der Erfassung desselben elektrischen Stromes dienen und jeweils verschiedenen Messbereichen zugeordnet sind.In addition to the bundling of an electric field through the core body, interference fields may arise, for example, at a recess into which the further magnetic field probe projects. Such perturbations arise from sharp protrusions and edges which favor leakage of single magnetic field lines, moving on curved paths outside the core body. A further advantageous embodiment can provide that the magnetic field probes arranged in the plane and the further magnetic field probe serve to detect the same electric current and are respectively assigned to different measuring ranges.
Bestimmte Anordnungen sind in verschiedenem Maße geeignet, elektrische Ströme unterschiedlicher Größenordnung zu messen. So ist es einerseits vorteilhaft, die magnetischenCertain arrangements are to varying degrees suitable for measuring electrical currents of different magnitude. So it is on the one hand advantageous, the magnetic
Feldlinien, welche von dem zu messenden Strom ausgehen, in einem Kernkörper zu lenken und zu führen, da so Störungen vermieden sind. Andererseits ist dies bei dem Messen von Strömen in einem größeren Messbereich nachteilig. Ein Kernkörper geht rasch in eine Sättigung. Der Kernkörper ist lediglich in der Lage, ein „gewisses Maß" an magnetischen Feldlinien zu führen. Darüber hinaus auftretende Feldlinien werden in undifferenzierter Weise außerhalb des Kernkörpers verlaufen. In diesem Falle ist bei großen Strömen mit fehlerhaften Messwerten zu rechnen. Bei der Nutzung einer Anordnung mit mehreren Magnetfeld-Sonden, welche ein Magnetfeld innerhalb eines Gases oder eines entsprechend geeigneten alternativen Isolierstoffes erfasst, kann eine derartige Sättigung nicht auftreten. Eine solche Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass bei relativ kleinen Feldern ein hoher Messfehler aufgrund von Störfeldern entstehen kann. Bei einer Kombination mehrerer Messorte axial beabstandet zueinander bezogen auf die Hauptachse, können bei Verwendung mehrerer Messstellen mit unterschiedlichen Messbereichen zuverlässige Messungen von Strömen in einer großen Bandbreite erzielt werden.Field lines, which emanate from the current to be measured, to steer in a core body and to lead, as interference is avoided. On the other hand, this is disadvantageous in measuring currents in a larger measuring range. A core body quickly goes into saturation. The core body is only able to carry a "certain amount" of magnetic field lines, and any field lines that occur will be in an undifferentiated manner outside the core, in which case erroneous readings may be expected for large currents Such saturation may not occur with multiple magnetic field probes detecting a magnetic field within a gas or equivalent suitable insulating material, but such an arrangement has the disadvantage that a relatively large field of measurement error may result from relatively small fields a combination of several measuring locations axially spaced from each other with respect to the main axis, reliable measurements of currents in a wide range can be achieved when using multiple measuring points with different measuring ranges.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden eine Hall-Sonde ist. Hall-Sonden weisen ein Plättchen auf, welches eine geringe Dicke gegenüber seiner Länge und seiner Breite aufweist. Dieses Plättchen wird in ein Magnetfeld gebracht, so dass es von magnetischen Feldlinien durchsetzt ist. Der senkrechte Anteil (Normalkomponente) der Feldlinien bewirkt eine Ablenkung von Ladungsträgern, die sich aufgrund eines elektrischen Stromes durch das Plättchen bewegen. Diese Ablenkung beruht auf einer Kraftwirkung, die als „Lorentzkraft" bezeichnet wird. Bewirkt durch einen elektrischen Strom ergibt sich beispielsweise ein linearer Zusammenhang zwischen der magnetischen Flussdichte und der an dem Plattchen abnehmbaren Hall-Spannung.Advantageously, it can be provided that at least one of the magnetic field probes is a Hall probe. Hall probes have a plate which has a small thickness relative to its length and width. This plate is placed in a magnetic field so that it is permeated by magnetic field lines. The vertical component (normal component) of the field lines causes a deflection of charge carriers, which move due to an electric current through the plate. This deflection is due to a force effect called "Lorentz force." For example, an electric current gives a linear relationship between the magnetic flux density and the Hall voltage which can be removed from the platelet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden eine Spule ist.A further advantageous embodiment can provide that at least one of the magnetic field probes is a coil.
Die Spule kann in verschiedenen Ausgestaltungen vorliegen. So können beispielsweise so genannte „Rogowskispulen" zum Einsatz kommen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung kann jedoch auch vorsehen, dass auf Trägermaterial aufgedruckte oder mit anderen geeigneten Verfahren erzeugte Spulen zum Einsatz kommen. Derartige flache Plättchen mit einer Vielzahl von Leiterwindungen sind beispielsweise auch in schlitzförmige Ausnehmungen eines Kernkörpers einführbar.The coil may be in various configurations. However, an advantageous embodiment may also provide for coils which are printed on carrier material or produced using other suitable methods, for example, such flat plates having a multiplicity of conductor turns are also in slot-shaped recesses of a Core body insertable.
Vorteilhafterweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden einen anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzt.Advantageously, it can furthermore be provided that at least one of the magnetic field probes utilizes an anisotropic magnetoresistive effect.
Neben Magnetfeld-Sonden auf Basis des Hall-Effektes bzw. von induktiven Wirkungen sind Sonden, die auf Basis eines anisotropen magnetoresistiven Effekts arbeiten, alternativ oder zusätzlich verwendbar. Unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes kann in ferromagnetischen Werkstoffen eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit erfolgen. Dabei ist es wichtig, dass der Effekt der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit abhängig von der Einwirkrichtung des magnetischen Feldes ist. In diesem Falle wird von einer Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit gesprochen.In addition to magnetic field probes based on the Hall effect or of inductive effects, probes which operate on the basis of an anisotropic magnetoresistive effect can be used alternatively or additionally. Under the influence of a magnetic field, a change in the electrical conductivity can take place in ferromagnetic materials. It is important that the effect of the change in the electrical conductivity is dependent on the direction of action of the magnetic field. In this case one speaks of an anisotropy of the electrical conductivity.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindungen schematisch in Figuren gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.In the following, embodiments of the invention are shown schematically in figures and described in more detail below.
Dabei zeigt dieIt shows the
Figur 1 eine Seitenansicht einer Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes mit mehreren Magnetfeld- Sonden, dieFigure 1 is a side view of a device for detecting an electric current with a plurality of magnetic field probes, the
Figur 2 einen Schnitt durch die in der Figur 1 dargestellte Einrichtung, dieFigure 2 shows a section through the device shown in Figure 1, the
Figur 3 eine Kombination der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes mit einem Kernkörper, dieFigure 3 shows a combination of the device shown in Figures 1 and 2 for detecting an electric current with a core body, the
Figur 4 einen Schnitt durch den Kernkörper, dieFigure 4 shows a section through the core body, the
Figur 5 eine Abwandlung der in der Figur 3 gezeigten Einrichtung und dieFigure 5 shows a modification of the device shown in Figure 3 and the
Figur 6 eine Darstellung eines Kernkörpers mit einem prinzipiellen Verlauf von magnetischen Feldlinien, Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes in einem Schnitt. Längs einer senkrecht zur Zeichenebene stehenden Hauptachse 1 verläuft ein elektrischer Leiterzug 2. Der elektrische Leiterzug 2 ist von einem Strom I durchflössen. Radial zurFIG. 6 a representation of a core body with a basic course of magnetic field lines, FIG. 1 shows a side view of a device for detecting an electric current in a section. Along an axis perpendicular to the plane of the main axis 1 runs an electrical conductor 2. The electrical conductor 2 is traversed by a current I. Radial to
Flussrichtung des Stromes I, welche parallel zur Hauptachse 1 verläuft, ist der elektrische Leiter 2 aufgrund des Stromflusses von einem Magnetfeld umgeben. Das Magnetfeld verläuft annäherungsweise in konzentrischen Kreisen um den elektrischen Leiterzug 2 herum. Um das Eindringen vonFlow direction of the current I, which is parallel to the main axis 1, the electrical conductor 2 is surrounded by a magnetic field due to the current flow. The magnetic field is approximately in concentric circles around the electrical conductor 2 around. To the penetration of
Fremdfeldern zu verhindert, ist eine Schirmung 3a koaxial zu dem elektrischen Leiterzug 2 angeordnet.To prevent extraneous fields, a shield 3a is arranged coaxially with the electrical conductor 2.
Innerhalb der Schirmung 3a sind mehrere Magnetfeld-Sonden in Form von Hall-Sonden 4a, 4b 4c, 4d angeordnet. Die Sonden sind dabei derart positioniert, dass die Sonden jeweils senkrecht von den konzentrisch um den elektrischen Leiterzug 2 laufenden Magnetfeldlinien geschnitten werden. Die Hall- Sonden 4a, 4b, 4c, 4d sind dabei annähernd in einer Ebene radial um die Hauptachse 1 verteilt angeordnet. Die Hall- Sonden 4a, 4b, 4c, 4d weisen jeweils den gleichen Abstand zu der Hauptachse 1 auf.Within the shield 3a, a plurality of magnetic field probes in the form of Hall probes 4a, 4b 4c, 4d are arranged. The probes are positioned in such a way that the probes are each cut perpendicularly from the magnetic field lines running concentrically around the electrical conductor 2. The Hall probes 4a, 4b, 4c, 4d are arranged distributed approximately in a plane radially around the main axis 1. The Hall probes 4a, 4b, 4c, 4d each have the same distance from the main axis 1.
Die Hall-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d sind von der Schirmung 3a umgeben. In der Figur 2 ist die Schirmung 3a in einem weiteren Schnitt erkennbar. Die Schirmung 3a weist eine Wandung auf, die die Hall-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d in radialer Richtung überspannt. Weiterhin weist die Schirmung 3a Wandungen auf, welche die Hall-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d seitlich in Richtung der Hauptachse 1 überdecken. Die Schirmung 3a umgibt die Hauptachse vollständig, so dass ein elektromagnetisch geschirmter Bereich entsteht, welcher ringförmig um den elektrischen Leiter 2 herum verläuft. Die Schirmung 3a ist dabei derart ausgestaltet, dass sie eine ringförmige Struktur aufweist, die elektrisch isoliert von dem elektrischen Leiterzug 2 beabstandet angeordnet ist. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausgestaltungsvariante verzichtet auf den Einsatz eines Magnetfelder bündelnden Kernkörpers, das heißt, die Hall-Sensoren 4a, 4b, 4c, 4d erfassen unmittelbar das in der Umgebung des elektrischen Leiterzug 2 befindliche Magnetfeld. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zusätzlich zu der Schirmung 3a und den Hall-Sensoren 4a, 4b, 4c, 4d ein Kernkörper Anwendung findet, welcher im Schütze des Schattenfeldes der Schirmung 3a die magnetischen Feldlinien bündelt und führt.The Hall probes 4a, 4b, 4c, 4d are surrounded by the shield 3a. In the figure 2, the shield 3a is visible in a further section. The shield 3a has a wall which spans the Hall probes 4a, 4b, 4c, 4d in the radial direction. Furthermore, the shield 3a has walls which cover the Hall probes 4a, 4b, 4c, 4d laterally in the direction of the main axis 1. The shielding 3a completely surrounds the main axis, so that an electromagnetically shielded area is created, which extends in an annular manner around the electrical conductor 2. The shield 3a is designed such that it has a ring-shaped structure which is arranged electrically isolated from the electrical conductor run 2 spaced. The embodiment variant shown in FIGS. 1 and 2 dispenses with the use of a core body which focuses magnetic fields, that is, the Hall sensors 4 a, 4 b, 4 c, 4 d directly detect the magnetic field located in the vicinity of the electrical conductor run 2. However, it can also be provided that, in addition to the shield 3a and the Hall sensors 4a, 4b, 4c, 4d, a core body is used which bundles and guides the magnetic field lines in the contactor of the shadow field of the shield 3a.
In der Figur 2 ist erkennbar, dass die Schirmung 3a im Querschnitt ein U-Profil aufweist, welches sich um den elektrischen Leiterzug 2 herum erstreckt. Es können auch weitere Profilierungen der Schirmung 3a vorgesehen sein, so dass beispielsweise auch toroidförmige Abschnitte, vielfach gestufte Abschnitte oder andere sphärisch gekrümmte Abschnitte entstehen.In the figure 2 it can be seen that the shield 3a in cross-section has a U-profile, which extends around the electrical conductor 2 around. It is also possible to provide further profiling of the shield 3a so that, for example, toroidal sections, multiple stepped sections or other spherically curved sections are formed.
In der Figur 3 ist eine Fortbildung der aus den Figuren 1 und 2 bekannten Ausführung einer Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes dargestellt. Zusätzlich ist in Richtung der Hauptachse 1, benachbart axial versetzt, eine zusätzliche Anordnung mit weiteren Magnetfeld-Sonden 6a, 6b, 6c, 6d eingesetzt. Die weiteren Magnetfeldsonden 6a, 6b, 6c, 6d sind wiederum beispielsweise als Hall-Sonden ausgestaltet. Die weiteren Magnetfeld-Sonden 6a, 6b, 6c, 6d sind jeweils in einem Schlitz eines Kernkörpers 7 angeordnet. Der Kernkörper 7 dient der Bündelung und Führung des von dem in dem elektrischen Leiterzug 2 fließenden Stromes I ausgehenden magnetischen Feldes. Die weiteren Magnetfeld-Sonden 6a, 6b, 6c, 6d sind derart ausgerichtet, dass sie senkrecht zu den radial um die Hauptachse 1 verlaufenden magnetischen Feldlinien stehen, so dass die Normalkomponenten dieser Feldlinien möglichst vollständig erfasst werden. Aufgrund der bündelnden Wirkung des Kernkörpers 4 wurde auf eine zusätzliche Anordnung einer Schirmung verzichtet. Eine Schirmung kann jedoch auch hierfür vorgesehen sein.3 shows a development of the known from Figures 1 and 2 embodiment of a device for detecting an electric current. In addition, in the direction of the main axis 1, adjacent axially offset, an additional arrangement with further magnetic field probes 6a, 6b, 6c, 6d used. The further magnetic field probes 6a, 6b, 6c, 6d are in turn designed, for example, as Hall probes. The further magnetic field probes 6a, 6b, 6c, 6d are each arranged in a slot of a core body 7. The core body 7 serves to bundle and guide the magnetic field emitted by the current I flowing in the electrical conductor 2. The further magnetic field probes 6a, 6b, 6c, 6d are aligned in such a way that they are perpendicular to the radial axis extending radially about the main axis 1 Field lines are, so that the normal components of these field lines are detected as completely as possible. Due to the bundling effect of the core body 4 has been dispensed with an additional arrangement of a shield. However, a shield can also be provided for this purpose.
Durch die in axialer Richtung heruntergezogenen Wandungen der Schirmung 3a sind die in einer Ebene neben dem Kernkörper 7 angeordneten Hall-Sonden 4a, 4b, 4c, 4c vor von dem Kernkörper 7 ausgehenden Störstrahlungen geschützt. Das Zustandekommen derartiger Störstrahlung ist der Figurenbeschreibung der Figur 6 entnehmbar.Due to the walls of the shield 3a, which are pulled down in the axial direction, the Hall probes 4a, 4b, 4c, 4c arranged in a plane next to the core body 7 are protected against interference radiation emanating from the core body 7. The occurrence of such interference is the figure description of Figure 6 can be removed.
Die Figur 5 zeigt eine weitere Variante einer Schirmung 3b. Die Schirmung 3b weist einen ersten Kreisring 8a und einen zweiten Kreisring 8b auf. Die Kreisringe 8a, 8b sind koaxial zu der Hauptachse 1 angeordnet und schützen die Hall-Sonden 4a, 4c vor dem Eindringen von aus axialer Richtung einwirkenden störenden magnetischen Feldern. Eine derartige Ausgestaltung einer Schirmung ist insbesondere dann vonFIG. 5 shows a further variant of a shield 3b. The shield 3b has a first circular ring 8a and a second circular ring 8b. The circular rings 8a, 8b are arranged coaxially with the main axis 1 and protect the Hall probes 4a, 4c from the penetration of disturbing magnetic fields acting from the axial direction. Such a configuration of a shield is in particular of
Vorteil, wenn mit radial einströmenden Störfeldern nicht zu rechnen ist bzw. deren Auswirkungen kompensiert werden können. Alternativ kann auch vorgesehen sein, ausschließlich eine radiale Schirmung der Magnetfeld-Sonden vorzusehen. Dies ist dann von Vorteil, wenn eine axiale Störkomponente nicht zu erwarten ist.Advantage, if it is not to be expected with radially inflowing interference fields or their effects can be compensated. Alternatively it can also be provided to provide only a radial shielding of the magnetic field probes. This is advantageous if an axial interference component is not to be expected.
In der Figur 6 ist die Entstehung eines von dem Kernkörper 7 ausgehenden Störfeldes dargestellt. Bei der Anordnung nach Figur 6 wurde auf eine Schirmung des außerhalb desFIG. 6 shows the development of an interference field emanating from the core body 7. In the arrangement of Figure 6 was on a shield of the outside of
Kernkörpers befindlichen Hall-Sensors 4c verzichtet. Ein Hall-Sensor 6c ist in einem Schlitz des Kernkörpers 7 angeordnet. Der Kernkörper 7 bündelt die magnetischen Feldlinien und führt sie parallel in seinem Inneren. Der Schlitz mit dem Magnetfeld-Sensor 6c stellt eine Anomalie dar. Im zentralen Bereich des Schlitzes werden die Magnetfeldlinien parallel durch den Luftspalt hindurchgeführt. Im Randbereich kommt es zu einer Ausbauchung der Magnetfeldlinien und zu einer Beeinflussung des Hall- Sensors 4c. Diese Störkomponente führt zu einer fehlerhaften Messung an dem außerhalb des Kernkörpers 7 befindlichen Hall- Sensor 4c. Durch das Einfügen einer Wandung eines Schirmes, die sich in axialer Richtung der Hauptachse 1 zwischen dem Hall-Sensor 4c und dem Kernkörper 7 erstreckt, wird der Hall- Sensor 4c vor dem Einwirken von den am Luftspalt ausgebauchten Magnetfeldlinien geschützt.Core body located Hall sensor 4c omitted. A Hall sensor 6 c is disposed in a slot of the core body 7. The core body 7 concentrates the magnetic field lines and guides them in parallel in its interior. Of the Slot with the magnetic field sensor 6c represents an anomaly. In the central region of the slot, the magnetic field lines are passed through the air gap in parallel. In the edge region there is a bulging of the magnetic field lines and an influence on the Hall sensor 4c. This noise component leads to a faulty measurement on the Hall sensor 4c located outside the core body 7. By inserting a wall of a screen which extends in the axial direction of the main axis 1 between the Hall sensor 4c and the core body 7, the Hall sensor 4c is protected from the influence of the magnetic field lines bulged at the air gap.
Um eine Messung eines elektrischen Stromes über einen möglichst großen Messbereich zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, eine Gruppe von Magnetfeld-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d das Magnetfeld ohne zusätzliche Führungselemente für das magnetische Feld einzusetzen. Eine derartige Anordnung ist jedoch relativ empfindlich gegen Störstrahlung. Daher ist es vorteilhaft, eine derartige Gruppe von Magnetfeld-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d mittels einer Schirmung 3a, 3b abzuschirmen. Eine Gruppe von Magnetfeld-Sonden 6a, 6b, 6c, 6d, welche mit einem Kernkörper 7 zur Führung eines Magnetfeldes ausgestattet ist, ist gegenüber äußeren Störfeldern weniger empfindlich. Eine derartige Anordnung hat den Nachteil, dass der Kernkörper 7 „in Sättigung" gehen kann. Bei einem großen elektrischen Strom kann eine Sättigung auftreten, so dass eine fehlerhafte Messung erfolgt. Im Gegensatz dazu treten an einer Anordnung mit mehreren Magnetfeld-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d, welche in einem Isoliermedium verlaufende Magnetfeldlinien erfasst, keine Sättigungserscheinungen auf. Daher sind derartige Anordnungen auch für die Messung sehr großer Ströme verwendbar. In Kombination zweier unterschiedlicher Messanordnungen sind so zum einen geringe Ströme mit einer hohen Genauigkeit (Anordnung mit Kernkörper) und Ströme mit großen Beträgen (Anordnung ohne Kernkörper) messbar. Durch eine Kombination zweier Messanordnungen kann so eine Einrichtung zur Erfassung eines Stromes mit einem breiten Messbereich geschaffen werden. Dies kann beispielsweise auch dazu führen, dass eine Anordnung mit Kernkörper zur Messung von Betriebsströmen oder zur Verrechnung von elektrischer Energie eingesetzt wird und die andere Anordnung zur Detektion von Kurzschlussströmen oder Überströmen Verwendung findet.In order to enable a measurement of an electric current over the largest possible measuring range, it is advantageous to use a group of magnetic field probes 4a, 4b, 4c, 4d the magnetic field without additional guide elements for the magnetic field. However, such an arrangement is relatively sensitive to spurious radiation. Therefore, it is advantageous to shield such a group of magnetic field probes 4a, 4b, 4c, 4d by means of a shield 3a, 3b. A group of magnetic field probes 6a, 6b, 6c, 6d, which is equipped with a core body 7 for guiding a magnetic field, is less sensitive to external interference fields. Such an arrangement has the disadvantage that the core body 7 can "saturate." With a large electric current, saturation can occur so that an erroneous measurement takes place, in contrast to an arrangement with a plurality of magnetic field probes 4a, 4b , 4c, 4d, which detects magnetic field lines running in an insulating medium, has no saturation phenomena, and therefore such arrangements can also be used for measuring very large currents, so that, in combination with two different measuring arrangements, low currents are possible high accuracy (arrangement with core body) and currents with large amounts (arrangement without core body) measurable. By a combination of two measuring arrangements, a device for detecting a current with a wide measuring range can thus be created. This may, for example, also lead to an arrangement with core body being used for measuring operating currents or for calculating electrical energy, and the other arrangement for detecting short-circuit currents or overcurrents being used.
Alternativ oder zusätzlich kann neben dem Einsatz von Hall- Sonden auch der Einsatz von elektrischen Spulen und/oder Sonden auf Basis des anisotropen magnetoresistiven Effekts vorgesehen sein. Je nach Bedarf können verschiedene Ausgestaltungsvarianten einer Schirmung zum Einsatz kommen, die beispielsweise nur abschnittsweise ausgestaltet ist und Magnetfeld-Sonden partiell schirmt. Alternatively or additionally, in addition to the use of Hall probes, the use of electrical coils and / or probes based on the anisotropic magnetoresistive effect can also be provided. Depending on requirements, various design variants of a shield can be used, which is designed, for example, only in sections and partially shields magnetic field probes.

Claims

Patentansprüche claims
1. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes, welche mehrere radial um eine Hauptachse verteilte, im1. A device for detecting an electric current, which several radially distributed around a major axis, in
Wesentlichen in einer Ebene angeordnete Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) aufweist, wobei die Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) von einer Schirmung (3a, 3b) vor dem Einwirken von magnetischen Störfeldern geschützt sind.Substantially in a plane arranged magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d), wherein the magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d) of a shield (3a, 3b) are protected from the action of magnetic interference fields.
2. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schirmung (3a, 3b) zumindest eine Wandung aufweist, die sich in Richtung der Hauptachse seitlich neben den Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) erstreckt.2. Device for detecting an electric current according to claim 1, characterized in that the shielding (3a, 3b) has at least one wall which extends in the direction of the main axis laterally next to the magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d).
3. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schirmung eine Wandung aufweist, welche die Magnetfeld- Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) in radialer Richtung überdeckt.3. Device for detecting an electric current according to claim 1 or 2, characterized in that the shield has a wall which covers the magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d) in the radial direction.
4. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schirmung (3a, 3b) die Hauptachse umschließt.4. A device for detecting an electric current according to one of claims 1 to 3, characterized in that the shield (3a, 3b) encloses the main axis.
5. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schirmung (3a, 3b) einen Abschnitt in Form eines Kreisringes aufweist. 5. means for detecting an electric current according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shield (3a, 3b) has a portion in the form of a circular ring.
6. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein erster und ein zweiter Kreisring (8a, 8b) in Richtung der Hauptachse (1) beiderseits der Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) angeordnet sind.6. A device for detecting an electric current according to claim 5, characterized in that a first and a second circular ring (8a, 8b) in the direction of the main axis (1) on both sides of the magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d) are arranged.
7. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schirmung (3a) einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist .7. A device for detecting an electric current according to one of claims 1 to 6, characterized in that the shield (3a) has a hollow cylindrical section.
8. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schirmung einen sphärisch gekrümmten Abschnitt aufweist.8. A device for detecting an electric current according to one of claims 1 to 7, characterized in that the shield has a spherically curved section.
9. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass parallel zu der Hauptachse (1) ein elektrischer Leiterzug (2) zur Leitung eines elektrischen Stromes (I) angeordnet ist, zwischen dessen Oberfläche und der Schirmung (3a, 3b) eine elektrische Isolation angeordnet ist.9. Device for detecting an electric current according to one of claims 1 to 8, characterized in that parallel to the main axis (1) an electrical conductor line (2) for conducting an electric current (I) is arranged between its surface and the shield ( 3a, 3b) an electrical insulation is arranged.
10. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Kernkörper (7) zur Bündelung eines Magnetfeldes die Hauptachse (1) umgibt.10. A device for detecting an electric current according to claim 1, wherein a core body surrounds the main axis for concentrating a magnetic field.
11. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in einem Spalt des Kernkörpers (7) eine weitere Magnetfeld- Sonde (6a, 6b, 6c, 6d) angeordnet ist und der Kernkörper (7) in Richtung der Hauptachse (1) beabstandet zu den mehreren Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) angeordnet ist.11. A device for detecting an electric current according to claim 10, characterized in that a further magnetic field sensor (6a, 6b, 6c, 6d) is arranged in a gap of the core body (7) and the core body (7) is spaced apart in the direction of the main axis (1) from the plurality of magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d) is arranged.
12. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schirmung (3a, 3b) derart angeordnet ist, dass die in der Ebene angeordneten Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) vor von dem Kernkörper (7) abstrahlbaren magnetischen Störfeldern geschirmt ist.12. An electric current detection device according to claim 10 or 11, characterized in that the shield (3a, 3b) is arranged such that the in-plane magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d) in front of the core body (7) is shielded from radiated magnetic interference fields.
13. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die in der Ebene angeordneten Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) und die weitere Magnetfeld-Sonde (6a, 6b, 6c, 6d) der Erfassung desselben elektrischen Stromes (I) dienen und jeweils verschiedenen Messbereichen zugeordnet sind.13. A device for detecting an electric current according to claim 11 or 12, characterized in that arranged in the plane magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d) and the further magnetic field probe (6a, 6b, 6c, 6d) of Detecting the same electric current (I) are used and each associated with different measuring ranges.
14. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d; 6a, 6b, 6c, 6d) eine Hall-Sonde ist.14. An electric current detection device according to any one of claims 1 to 13, wherein at least one of the magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d; 6a, 6b, 6c, 6d) is a Hall probe.
15. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d; 6a, 6b,15. A device for detecting an electric current according to claim 1, wherein at least one of the magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d, 6a, 6b,
6c, 6d) eine Spule ist. 6c, 6d) is a coil.
16. Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüchen 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d; 6a, 6b, 6c, 6d) einen anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzt. 16. An electric current detection device according to any one of claims 1 to 15, wherein at least one of the magnetic field probes (4a, 4b, 4c, 4d; 6a, 6b, 6c, 6d) utilizes an anisotropic magnetoresistive effect.
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