WO2022084133A1 - VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG EINES DURCH EINEN STROMLEITER FLIEßENDEN STROMS SOWIE EIN ELEKTRISCHES SYSTEM MIT SOLCH EINER VORRICHTUNG - Google Patents

VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG EINES DURCH EINEN STROMLEITER FLIEßENDEN STROMS SOWIE EIN ELEKTRISCHES SYSTEM MIT SOLCH EINER VORRICHTUNG Download PDF

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WO2022084133A1
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magnetic field
current
legs
concentrator
electrical system
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French (fr)
Inventor
Balazs Bence Harsanyi
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/207—Constructional details independent of the type of device used

Definitions

  • the invention is based on a device for determining a current flowing through a current conductor, the device having a magnetic field sensor and a magnetic field concentrator and being set up to detect a magnetic field strength by means of the magnetic field sensor and to determine the current as a function of the detected magnetic field strength, wherein the magnetic field concentrator has two legs and a middle part and is U-shaped in such a way that an air gap is formed between the two legs, in which the magnetic field sensor is arranged, the current conductor between the magnetic field sensor and the middle part of the magnetic field concentrator being able to be guided through the device.
  • each device Since the magnetic field sensor is installed with a certain tolerance, each device has to be calibrated after it has been manufactured so that the current can be measured correctly.
  • the invention is based on a device for determining a current flowing through a current conductor, the device having a magnetic field sensor and a magnetic field concentrator and being set up to To detect the magnetic field strength by means of the magnetic field sensor and to determine the current as a function of the detected magnetic field strength, the magnetic field concentrator having two legs and a central part and being U-shaped in such a way that an air gap is formed between the two legs, in which the magnetic field sensor is arranged is, wherein the current conductor between the magnetic field sensor and the central part of the magnetic field concentrator can be passed through the device.
  • the homogeneity of the magnetic field within the air gap is further improved by the appropriate configuration of the magnetic field concentrator.
  • the consequence of this is that greater tolerances are permitted when arranging the magnetic field sensor within the air gap and consequently no further calibration device is necessary after the device has been manufactured. As a result, the manufacturing costs of the device can be reduced and, moreover, more reliable measurements of the current can be made possible.
  • This improved homogeneity is caused by two influences on the magnetic field, which cancel each other out according to the invention.
  • the magnetic field inside the air gap can be determined as follows: where B is the magnetic flux density, . o is the magnetic field constant, I is the current and d is the distance between the legs and thus the width of the air gap.
  • the second influence on the magnetic field is determined by the distance to the current conductor.
  • the strength of the magnetic field decreases as the distance from the conductor increases.
  • a magnetic field concentrator is a component that can bundle and guide a magnetic field.
  • the magnetic field concentrator is typically made of a ferromagnetic material.
  • the magnetic field sensor can be designed, for example, as a Hall sensor, as an AMR sensor, as a GMR sensor or as a TM sensor.
  • the sensor is in particular arranged in the air gap of the magnetic field concentrator in such a way that the sensor can preferably detect a magnetic field parallel to the main extension plane of the central part of the magnetic field concentrator, i.e. from one leg to the other leg.
  • the current flowing through the current conductor can then be inferred, since this flowing current generates a corresponding magnetic field.
  • the conductor can be designed, for example, as an electrical cable or as a busbar.
  • the distance between the two legs of the magnetic field concentrator is the distance within the air gap formed by the magnetic field concentrator, which is located between the two legs.
  • this section runs in particular parallel to the main extension plane of the central part of the magnetic field concentrator.
  • One embodiment of the invention provides that the two legs are each formed in a substantially rectilinear manner.
  • Essentially rectilinear is to be understood as meaning that the legs are almost completely straight, but can have a slight bend, for example in the area of the transition to the central part.
  • a further embodiment of the invention provides that the two legs enclose an angle of between 2° and 40°, in particular between 5° and 20°. It is advantageous here that these represent particularly suitable values for the corresponding angle in order to obtain a magnetic field that is as homogeneous as possible.
  • the included angle is to be understood as the angle which lies between the two imaginarily lengthened legs and consequently represents the intersection angle.
  • the selection of the angle depends in particular on the length of the central part and the distance formed in the air gap as a result.
  • the two legs are of isosceles design.
  • the advantage here is that again a particularly good homogeneity of the magnetic field is obtained.
  • the invention also relates to an electrical system with a device according to the invention, the electrical system having a current conductor, the current conductor of the electrical system being guided through the device between the magnetic field sensor and the central part of the magnetic field concentrator.
  • Such an electrical system can, for example, be an electrical machine, for example a synchronous machine, with an inverter.
  • the current conductor can be a phase of the inverter, for example, as a result of which the corresponding phase current can be measured.
  • FIG. 1 shows a device for determining a current flowing through a current conductor according to the prior art in a sectional view.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention for determining a current flowing through a current conductor in a sectional view. Description of exemplary embodiments
  • FIG. 1 shows a device for determining a current flowing through a current conductor according to the prior art in a sectional illustration.
  • a device is shown.
  • the device has a magnetic field sensor 20 and a magnetic field concentrator 30 and is set up to detect a magnetic field strength using the magnetic field sensor 20 and to determine the current flowing through a conductor 100 as a function of the detected magnetic field strength.
  • Magnetic field concentrator 30 has two legs 32 and a central part 34 and is U-shaped in such a way that an air gap 36 is formed between the two legs 32, in which air gap 36 magnetic field sensor 20 is arranged, with current conductor 100 between magnetic field sensor 20 and the middle part 34 of the magnetic field concentrator 30 is passed through the device 10 .
  • the legs 32 are aligned parallel to one another and consequently have a constant spacing 38 from one another.
  • the magnetic field sensor 20 is arranged within a certain area 22 due to manufacturing tolerances.
  • the magnetic field caused by the current flowing in the current conductor 100 and conducted in connection with the magnetic field concentrator is shown as dashed magnetic field lines.
  • the magnetic field in region 22, in which magnetic field sensor 20 is arranged also has a slight inhomogeneity, which is expressed by a magnetic field that is not continuously parallel. The consequence of this is that the magnetic field sensor 20, depending on the arrangement in the area 22, supplies a slightly different measurement result.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention for determining a current flowing through a current conductor in a sectional view.
  • a device 10 is shown, which differs from the device shown in FIG is designed to decrease.
  • the two legs 32 are each formed in a substantially rectilinear manner.
  • the two legs 32 preferably enclose an angle of between 2° and 40°, particularly preferably between 5° and 20°.
  • the two legs 32 are in particular designed to be equal.
  • the magnetic field caused by the current flowing in the current conductor 100 and conducted in connection with the magnetic field concentrator 30 is shown as dashed magnetic field lines. It can be seen here that the magnetic field in area 22 has a significantly better homogeneity than is the case in FIG. 1, which means that in this area the magnetic field lines run parallel almost everywhere and consequently a constant magnetic field strength prevails. The consequence of this is that the magnetic field sensor 20 delivers an almost identical measurement result, regardless of where it is arranged in the area 22 .

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung (10) zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter (100) fließenden Stroms, wobei die Vorrichtung (10) einen Magnetfeldsensor (20) und einen Magnetfeldkonzentrator (30) aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors (20) zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, wobei der Magnetfeldkonzentrator (30) zwei Schenkel (32) und ein Mittelteil (34) aufweist und derartig u-förmig ausgebildet ist, dass ein Luftspalt (36) zwischen den zwei Schenkeln (32) gebildet ist, in welchem der Magnetfeldsensor (20) angeordnet ist, wobei der Stromleiter (100) zwischen dem Magnetfeldsensor (20) und dem Mittelteil (34) des Magnetfeldkonzentrators (30) durch die Vorrichtung (10). Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass ein Abstand (38) zwischen den zwei Schenkeln (32) zum offenen Ende des Magnetfeldkonzentrators (30) hin abnehmend ausgestaltet ist. Die Erfindung betrifft zudem ein elektrisches System mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (10), wobei das elektrische System einen Stromleiter (100) aufweist, wobei der Stromleiter (100) des elektrischen Systems zwischen dem Magnetfeldsensor (20) und dem Mittelteil (34) des Magnetfeldkonzentrators (30) durch die Vorrichtung (10) durchgeführt ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms sowie ein elektrisches System mit solch einer Vorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms, wobei die Vorrichtung einen Magnetfeldsensor und einen Magnetfeldkonzentrator aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, wobei der Magnetfeldkonzentrator zwei Schenkel und ein Mittelteil aufweist und derartig u- förmig ausgebildet ist, dass ein Luftspalt zwischen den zwei Schenkeln gebildet ist, in welchem der Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei der Stromleiter zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Mittelteil des Magnetfeldkonzentrators durch die Vorrichtung durchführbar ist.
Dem Fachmann sind bereits entsprechende Vorrichtungen bekannt. Bei diesen Vorrichtungen sind die Schenkel des Magnetfeldkonzentrators parallel ausgerichtet und weisen einen 90° Winkel zum Mittelteil auf. Hierdurch haben diese Vorrichtungen die Problematik, dass trotz des Magnetfeldkonzentrators das Magnetfeld im Luftspalt leicht inhomogen ist, da die Magnetfeldstärke mit größerem Abstand zum Stromleiter leicht abnimmt.
Da der Magnetfeldsensor mit einer gewissen Toleranz eingebaut wird, bedarf es hierdurch wiederum einer Kalibrierung jeder Vorrichtung nach deren Herstellung, damit der Strom korrekt messbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms, wobei die Vorrichtung einen Magnetfeldsensor und einen Magnetfeldkonzentrator aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, wobei der Magnetfeldkonzentrator zwei Schenkel und ein Mittelteil aufweist und derartig u- förmig ausgebildet ist, dass ein Luftspalt zwischen den zwei Schenkeln gebildet ist, in welchem der Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei der Stromleiter zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Mittelteil des Magnetfeldkonzentrators durch die Vorrichtung durchführbar ist.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass ein Abstand zwischen den zwei Schenkeln zum offenen Ende des Magnetfeldkonzentrators hin abnehmend ausgestaltet ist
Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die entsprechende Ausgestaltung des Magnetfeldkonzentrators das Magnetfeld innerhalb des Luftspalts in seiner Homogenität nochmals verbessert wird. Dies hat zur Folge, dass beim Anordnen des Magnetfeldsensors innerhalb des Luftspalts größere Toleranzen erlaubt sind und folglich nach Fertigung der Vorrichtung keine weitere Kalibrierung Vorrichtung notwendig ist. Hierdurch können die Herstellungskosten der Vorrichtung reduziert und zudem zuverlässigere Messungen des Stroms ermöglicht werden.
Bedingt wird diese verbesserte Homogenität durch zwei Einflüsse auf das Magnetfeld, welche sich erfindungsgemäß aufheben.
So kann das Magnetfeld innerhalb des Luftspalts wie folgt bestimmt werden:
Figure imgf000004_0001
wobei B die magnetische Flussdichte, .o die magnetische Feldkonstante, I der Strom und d der Abstand der Schenkel und somit die Breite des Luftspalts darstellt.
Der zweite Einfluss auf das Magnetfeld wird durch die Entfernung zum Stromleiter bestimmt. So nimmt die Magnetfeldstärke mit größerer Entfernung zum Stromleiter ab.
Folglich wird die Magnetfeld- Reduzierung aufgrund der größer werdenden Entfernung zum Stromleiter durch die Verstärkung des Magnetfelds aufgrund des zum offenen Ende des Magnetfeldkonzentrators hin entsprechend kleiner werdenden Luftspalts ausgeglichen. Als Magnetfeldkonzentrator ist ein Bauteil zu verstehen, welches ein Magnetfeld bündeln und führen kann. Hierbei wird der Magnetfeldkonzentrator typischerweise aus einem ferromagnetischen Material hergestellt.
Der Magnetfeldsensor kann beispielweise als Hallsensor, als AMR-Sensor, als GMR- Sensor oder auch als TM -Sensor ausgestaltet sein. Der Sensor ist hierbei insbesondere derartig im Luftspalt des Magnetfeldkonzentrators angeordnet, dass mittels des Sensors bevorzugt ein Magnetfeld parallel zur Haupterstreckungsebene des Mittelteils des Magnetfeldkonzentrators, sprich von einem Schenkel zum anderen Schenkel, erfassbar ist. In Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke kann dann auf den durch den Stromleiter fließenden Strom geschlossen werden, da dieser fließende Strom ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt.
Der Stromleiter kann beispielsweise als elektrische Kabel oder auch als Stromschiene ausgestaltet sein.
Als Abstand zwischen den beiden Schenkeln des Magnetfeldkonzentrators ist hierbei die Strecke innerhalb des vom Magnetfeldkonzentrator gebildeten Luftspalts zu verstehen, welcher sich zwischen den beiden Schenkel befindet. Diese Strecke verläuft hierbei insbesondere parallel zur Haupterstreckungsebene des Mittelteils des Magnetfeldkonzentrators.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zwei Schenkel jeweils im Wesentlichen geradlinig ausgebildet sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass diese Ausgestaltung eine im Wesentlichen lineare Zunahme der Magnetfeldstärke zum offenen Ende des Magnetfeldkonzentrators hin bewirkt, welche durch die weitere Entfernung vom Stromleiter wieder entsprechend ausgeglichen wird. Hierdurch wird folglich ein besonders homogenes Magnetfeld erhalten.
Unter im Wesentlichen geradlinig ausgestaltet ist zu verstehen, dass die Schenkel nahezu komplett gerade sind, jedoch beispielsweise im Bereich des Übergangs zum Mittelteil eine leichte Biegung aufweisen können. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die zwei Schenkel einen Winkel zwischen 2° und 40°, insbesondere zwischen 5° und 20°, einschließen. Vorteilhaft ist hierbei, dass dies besonders geeignete Werte für den entsprechenden Winkel darstellen, um ein möglichst homogenes Magnetfeld zu erhalten.
Als eingeschlossener Winkel ist hierbei der Winkel zu verstehen, welcher zwischen den beiden imaginär verlängerten Schenkeln liegt und folglich den Schnittwinkel darstellt. Die Wahl des Winkels ist hierbei insbesondere abhängig von der Länge des Mittelteils und dem dadurch gebildeten Abstand im Luftspalt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zwei Schenkel gleichschenklig ausgebildet sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass wiederum eine besonders gute Homogenität des Magnetfelds erhalten wird.
Die Erfindung betrifft zudem ein elektrisches System mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das elektrische System einen Stromleiter aufweist, wobei der Stromleiter des elektrischen Systems zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Mittelteil des Magnetfeldkonzentrators durch die Vorrichtung durchgeführt ist.
Ein solch elektrisches System kann beispielsweise eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Synchronmaschine, mit einem Wechselrichter sein. Hierbei kann der Stromleiter zum Beispiel eine Phase des Wechselrichters sein, wodurch der entsprechende Phasenstrom messbar ist.
Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms nach dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms in einer Schnittdarstellung. Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms nach dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung. Dargestellt ist eine Vorrichtung. Die Vorrichtung weist einen Magnetfeldsensor 20 und einen Magnetfeldkonzentrator 30 auf und ist dazu eingerichtet, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors 20 zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, welcher durch einen Stromleiter 100 fließt. Hierbei weist der Magnetfeldkonzentrator 30 zwei Schenkel 32 und ein Mittelteil 34 auf und ist derartig u-förmig ausgebildet, dass ein Luftspalt 36 zwischen den zwei Schenkeln 32 gebildet ist, in welchem der Magnetfeldsensor 20 angeordnet ist, wobei der Stromleiter 100 zwischen dem Magnetfeldsensor 20 und dem Mittelteil 34 des Magnetfeldkonzentrators 30 durch die Vorrichtung 10 durchgeführt ist. Die Schenkel 32 sind hierbei parallel zueinander ausgerichtet und weisen folglich einen konstanten Abstand 38 zueinander auf. Der Magnetfeldsensor 20 ist dabei herstellungstoleranzbedingt innerhalb eines gewissen Bereichs 22 angeordnet.
Zudem ist das durch den im Stromleiter 100 fließenden Strom verursachte und in Verbindung mit dem Magnetfeldkonzentrator geführte Magnetfeld als gestrichelte Magnetfeld-Linien dargestellt. Insbesondere ist hierbei zu erkennen, dass das Magnetfeld im Bereich 22, in welchem der Magnetfeldsensor 20 angeordnet ist, weiterhin eine leichte Inhomogenität aufweist, welche sich durch ein nicht durchgehend paralleles Magnetfeld äußert. Dies hat zur Folge, dass der Magnetfeldsensor 20, je nach Anordnung im Bereich 22 ein leicht unterschiedliches Messergebnis liefert.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms in einer Schnittdarstellung.
Dargestellt ist eine Vorrichtung 10, welche sich von der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung dadurch unterscheidet, dass der Abstand 38 zwischen den zwei Schenkeln 32 zum offenen Ende des Magnetfeldkonzentrators 30 hin abnehmend ausgestaltet ist. Insbesondere sind hierbei die zwei Schenkel 32 jeweils im Wesentlichen geradlinig ausgebildet. Des Weiteren schließen die zwei Schenkel 32 bevorzugt einen Winkel zwischen 2° und 40° ein, besonders bevorzugt zwischen 5° und 20°. Des Weiteren sind die zwei Schenkel 32 insbesondere gleichschenklig ausgestaltet.
Zudem ist wiederum das durch den im Stromleiter 100 fließenden Strom verursachte und in Verbindung mit dem Magnetfeldkonzentrator 30 geführte Magnetfeld als gestrichelte Magnetfeld-Linien dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass das Magnetfeld im Bereich 22 eine deutlich bessere Homogenität aufweist als dies bei Fig. 1 der Fall ist, was bedeutet, dass in diesem Bereich die Magnetfeldlinien nahezu überall parallel verlaufen und folglich eine konstante Magnetfeldstärke vorherrscht. Dies hat zur Folge, dass der Magnetfeldsensor 20, egal wo er im Bereich 22 angeordnet ist, ein nahezu identisches Messergebnis liefert.

Claims

- 7 - Ansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter (100) fließenden Stroms, wobei die Vorrichtung (10) einen Magnetfeldsensor (20) und einen Magnetfeldkonzentrator (30) aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors (20) zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, wobei der Magnetfeldkonzentrator (30) zwei Schenkel (32) und ein Mittelteil (34) aufweist und derartig u-förmig ausgebildet ist, dass ein Luftspalt (36) zwischen den zwei Schenkeln (32) gebildet ist, in welchem der Magnetfeldsensor (20) angeordnet ist, wobei der Stromleiter (100) zwischen dem Magnetfeldsensor (20) und dem Mittelteil (34) des Magnetfeldkonzentrators (30) durch die Vorrichtung (10) durchführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (38) zwischen den zwei Schenkeln (32) zum offenen Ende des Magnetfeldkonzentrators (30) hin abnehmend ausgestaltet ist.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schenkel (32) jeweils im Wesentlichen geradlinig ausgebildet sind.
3. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schenkel (32) einen Winkel zwischen 2° und 40°, insbesondere zwischen 5° und 20°, einschließen.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schenkel (32) gleichschenklig ausgebildet sind.
5. Elektrisches System mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische System einen Stromleiter (100) aufweist, wobei der Stromleiter (100) des elektrischen Systems zwischen dem Magnetfeldsensor (20) und dem Mittelteil (34) des Magnetfeldkonzentrators (30) durch die Vorrichtung (10) durchgeführt ist.
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