WO2023006138A1 - Stromsensor - Google Patents

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WO2023006138A1
WO2023006138A1 PCT/DE2022/100468 DE2022100468W WO2023006138A1 WO 2023006138 A1 WO2023006138 A1 WO 2023006138A1 DE 2022100468 W DE2022100468 W DE 2022100468W WO 2023006138 A1 WO2023006138 A1 WO 2023006138A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
busbar
magnetic detection
detection element
current sensor
carrier
Prior art date
Application number
PCT/DE2022/100468
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus BARWIG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG & Co. KG filed Critical Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority to CN202280052065.3A priority Critical patent/CN117716244A/zh
Publication of WO2023006138A1 publication Critical patent/WO2023006138A1/de

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Classifications

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

Definitions

  • the present invention relates to a current sensor.
  • the current sensor comprises an electrically conductive busbar with a top and a bottom, with a measurement current to be measured flowing through the busbar.
  • a taper is formed in the busbar and at least one magnetic detection element is assigned to the busbar in the area of the taper.
  • the German patent application DE 102017 114377 A1 relates to a current sensor.
  • the busbar In order to determine the current flowing in a busbar, the busbar has a through-hole in which the current sensor engages.
  • the busbars are positioned between two shielding plates to shield the magnetic field from the outside.
  • the current sensor can be designed as a giant magnetoresistance (GMR) sensor, as an anisotropic magnetoresistive (AMR) sensor, as a tunneling magnetic resistance (TMR) sensor or as a Hall IC sensor.
  • GMR giant magnetoresistance
  • AMR anisotropic magnetoresistive
  • TMR tunneling magnetic resistance
  • a disadvantage of the prior art is that additional shielding plates are provided in order to homogenize the magnetic field in the area of the sensor.
  • the German patent application DE 102018 125404 A1 describes a current sensor that contains three busbars.
  • a first shielding plate and a second shielding plate made of a magnetic material are arranged in such a manner that the three bus bars are sandwiched therebetween.
  • Three magnetic detection elements are respectively arranged between the three bus bars and the first shielding plate to detect the magnetic field strength generated by the currents flowing through the corresponding bus bars.
  • a conductive plate is arranged in such a manner that the three bus bars are sandwiched together between the conductive plate and the second shielding plate.
  • the conductive plate is made of a non-magnetic conductive material.
  • a disadvantage here is also the complicated and expensive structure.
  • the German patent application DE 102018 130954 A1 relates to a current sensor for measuring a current flowing in a busbar.
  • the current sensor includes a circuit board mounted on the bus bar with a magnetic sensing element to detect a magnitude of a current flowing through the bus bar to detect the generated magnetic field.
  • a case including first and second cases is formed such that the bus bar and the circuit board sandwich therebetween in a plate thickness direction of the bus bar.
  • the German translation DE 11 2019001 437 T5 of the international patent application WO 2019/181170 discloses a current sensor with an electrically conductive element, a magnetoelectric converter and a shield.
  • a portion of the electrically conductive element and the magnetoelectric transducer are located between the surface of the first shield and the surface of the second shield.
  • the portion of the electrically conductive element that is located between the first and second shields extends in a direction of extension that runs along the surface of the second shield.
  • the second shield has two sides aligned in a transverse direction perpendicular to the span direction, and a plurality of extension parts extending toward the first shield at the sides and aligned with and spaced from each other in the span direction.
  • the magnetoelectric transducer is located between the plurality of extension parts, which are aligned with and spaced from each other in the direction of extension.
  • German patent application DE 102011 076933 A1 describes a current sensor comprising a conductive element and at least two magnetic field sensors arranged on the conductive element and adapted to detect a magnetic field generated by a current through the conductive element.
  • the at least two magnetic field sensors are arranged on opposite sides of a line perpendicular to a current flow direction in the conductive element.
  • An insulating layer is arranged between the conductive element and the magnetic field sensors, and a conductor track is connected to the magnetic field sensors.
  • the disadvantages of current sensors without a core can be reduced by various measures.
  • the cross-section of the conductor rail can be reduced.
  • the reduction of the cross-section increases the signal level (flux density) on the one hand and reduces the dependency on the frequency on the other. At the same time, however, the positioning of the current sensors is becoming more critical.
  • Another possibility is the use of additional flux-carrying materials as shielding.
  • the field in the area of the magnetic detection element (sensor) can be homogenized by means of the additional, flux-carrying materials. Exact positioning of the magnetic detection element is therefore no longer critical.
  • the frequency response of the magnetic detection elements is straightened by additional external filters (resistances, inductances, capacitances). However, this typically reduces the output voltage range of the magnetic sensing elements. For example, the "full" output voltage range of at least 6% - 94% of the supply voltage is required, which means that the signal has to be amplified again with an operational amplifier in a subsequent stage. Filter measures therefore shift the DC operating point.
  • the invention has for its object to provide a current sensor which avoids all disadvantages of the prior art, such as. B. complex filter measures, or strong sensitivity to positioning tolerances, and still ensures a reliable measurement of the current carried in a busbar.
  • the current sensor is distinguished by the fact that a cutout is formed in the area of the narrowing. Furthermore, a carrier of the at least one magnetic detection element is positioned in the cutout such that the at least one magnetic detection element is positioned over the top or over the bottom of the busbar with respect to the busbar.
  • the taper of the conductor rail has the effect that the skin effect is reduced.
  • the skin effect is a current displacement effect in electrical conductors through which high-frequency alternating current flows, as a result of which the current density inside a conductor is lower than in the outer areas. The reason for the skin effect is that the alternating fields penetrating the conductor are largely dampened before they reach the inside of the conductor due to the high conductivity of the material.
  • the skin effect occurs in conductors that are thick relative to the skin depth and also in electrically conductive shields and cable shields. With increasing frequency, the skin effect favors the transfer impedance of shielded lines and the shielding attenuation of conductive shielding, increases the resistance per unit length of an electrical line.
  • a recess (elongated hole) is milled or punched in the middle of the busbar.
  • the invention is based on the object of creating a current sensor which avoids all the disadvantages of the prior art and nevertheless ensures reliable measurement of the current carried in a conductor rail.
  • a cutout is formed in the area of the taper.
  • the evaluation can take place above or below the busbar.
  • the at least one magnetic detection element is positioned above the top or below the busbar with respect to the busbar.
  • a carrier of the at least one magnetic detection element is positioned in the cutout in such a way that the at least one magnetic detection element is positioned above the top or below the busbar in relation to the busbar.
  • the advantage of the current sensor according to the invention is that it requires little or no filtering and does not require an operational amplifier. Further the current sensor according to the invention has no or only slight sensitivity to positioning tolerances in relation to the busbar.
  • the carrier can hold two magnetic sensing elements.
  • the carrier can have the shape of a parallelepiped. In the event that two magnetic detection elements are provided on the carrier, this is designed in such a way that one magnetic detection element is positioned over the upper side and over the underside of the busbar when the carrier reaches through the opening in the busbar. In the event that only a single magnetic detection element is provided on the carrier, the magnetic detection element can be positioned over the top or over the underside of the busbar when the carrier reaches through the recess of the busbar.
  • the carrier (board) can be C-shaped so that the carrier grips around the busbar and thus positions the two magnetic detection elements respectively over the top and over the bottom of the busbar.
  • the magnetic detection element can be positioned over the top or underside of the busbar if the carrier partially encompasses the busbar in the area of the cut-out.
  • the carrier described here can be designed as a circuit board which, in addition to the at least one magnetic detection element, also provides at least one electronic system for the evaluation, filtering and/or amplification of the values detected by the at least one magnetic detection element.
  • the magnetic detection element above the top of the busbar and the magnetic detection element above the bottom of the busbar can be electronically combined to form one magnetic detection element.
  • the carrier is positioned in the cutout along a Z-coordinate direction such that the carrier is oriented perpendicular to the busbar.
  • the cutout in the region of the taper is shifted in the Y coordinate direction relative to an axis of symmetry of the conductor rail.
  • the conductor rail has formed a first web with a first thickness and a second web with a second thickness in the area of the cut-out, which differ in terms of thickness.
  • This refinement has the advantage that the frequency response is smoothed further and an operational amplifier can be saved.
  • Electronics for evaluating the measured values of the magnetic detection element can be assigned to the at least one magnetic detection element arranged on the carrier.
  • the electronics can include an additional filter circuit (snubber), for example, with which the frequency response can then be further adjusted.
  • the current sensor according to the invention can be used for the output-side busbars of the 3 motor phases of an electric motor. In this case, there are particularly strict requirements with regard to the accuracy of the current sensor, which are implemented by the configuration according to the invention. For this reason, no shielding or core material is used and a "coreless" current sensor is used. In contrast to current sensors with a core, this has no hysteresis around the zero point. Other benefits include lighter weight and lower cost.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a current sensor according to the prior art
  • FIG. 2 is a perspective view of another embodiment of the current sensor according to the prior art
  • FIG. 3 shows a perspective view of the current sensor according to the invention
  • FIG. 4 shows a plan view of an embodiment of the conductor rail according to the invention
  • FIG. 5 shows a possible embodiment of the carrier for the magnetic detection element
  • FIG. 6 shows another possible embodiment of the carrier for the magnetic detection element
  • FIG. 7 shows an embodiment of the carrier for positioning two magnetic detection elements in relation to the busbar;
  • Figure 8 is a perspective view of another embodiment of a
  • Figure 9 is a side view of the embodiment shown in Figure 8
  • Figure 10 is a possible embodiment of an additional filter circuit of the
  • Figure 11 shows the compensated voltage signal from a magnetic
  • Sensing element compared to the uncompensated voltage signal
  • Figure 12 is a graphical representation of the tolerance of the present invention versus the position of a magnetic sensing element
  • Figure 13 shows the compensated voltage signal from two magnetic sensing elements compared to the uncompensated voltage signal
  • Figure 14 is a graphical representation of the tolerance of the present invention versus the position of the two magnetic sensing elements.
  • FIG. 1 shows a perspective and schematic view of a current sensor 1 according to the prior art.
  • a magnetic detection element 4 is arranged above the upper side 21 of the busbar 2 of the current sensor 1 .
  • a shield 3 is an additional, flux-carrying material with which a magnetic field in the area of the magnetic detection element 4 of the current sensor 1 can be homogenized.
  • the shielding 3 is U-shaped and arranged in relation to the busbar 2 in such a way that the shielding 3 is located opposite the underside 22 of the busbar 2 and one leg 31 of the shielding 3 is positioned opposite each side can 23 of the busbar 2. Exact positioning of the magnetic detection element 4 with respect to the conductor rail 2 is therefore no longer critical.
  • Figure 2 shows a perspective view of another embodiment of the current sensor 1 according to the prior art.
  • the busbar 2 has a taper 6 formed, on which the magnetic detection element 4 is positioned.
  • a cross section 24 of the conductor rail 2 is reduced compared to an original cross section 25.
  • the reduction in cross section 24 increases the signal level (flux density) on the one hand and reduces the dependency on the frequency on the other.
  • the positioning of the magnetic detection element 4 becomes more critical.
  • Figure 3 shows a perspective view of the current sensor 1 according to the invention.
  • a cut-out 8 elongated hole
  • the cutout 8 which is in the form of an elongated slot (elongated hole)
  • the cutout 8 is aligned lengthwise in the X-coordinate direction X.
  • the shape of the cutout 8 (elongated hole with rounded corners) and the shape of the taper 6 described here should not be interpreted as a limitation of the invention.
  • the taper 6 can also be rounded or angular (see the embodiment in FIG. 3).
  • a rectangular cutout 8 and a rectangular cutout as a taper 6 would also be conceivable.
  • a carrier 10 is positioned in the cutout 8 along the Z coordinate direction Z in such a way that at least one magnetic detection element 4 held on the carrier 10 is positioned above the upper side 21 of the busbar 2 , as shown in FIG. 3 .
  • a distance 5 between the magnetic detection element 4 and the top 21 of the busbar 2 can by the Positioning of the carrier 10 in the recess 8 can be adjusted.
  • FIG. 3 shows the positioning of the magnetic detection element 4 in relation to the upper side 21 of the busbar 2, this should not be construed as limiting the invention.
  • the magnetic detection element 4 can be positioned opposite the underside 22 of the busbar 2 or opposite the top 21 of the busbar 2 .
  • the magnetic detection element 4 can be positioned opposite the upper side 21 of the busbar 2 and the lower side 22 of the busbar 2 . Consequently, the values detected by the magnetic detection element 4 are not evaluated within the cutout 8 but above and/or below the conductor rail 2, as indicated by the magnetic detection element 4 in FIG.
  • Appropriate electronics 11 are provided on the carrier 10 for the evaluation. As shown here, the carrier 10 is aligned perpendicularly to the busbar 2 when it is positioned in the cutout 8 .
  • the electronics 11 on the carrier 10 can be a filter circuit.
  • a ground plane can optionally be introduced on the carrier 10 in order to improve the electromagnetic compatibility (EMC). This can also be used to further compensate for the frequency response.
  • FIG. 4 shows a top view of an embodiment of the busbar 2 according to the invention.
  • the displacement of the cutout 8 results in a first web 26 with a first thickness 27 and a second web 28 with a second thickness 29 in the area of the cutout 8, which differ in terms of thickness.
  • This asymmetrical structure of the busbar 2 has the advantage that the frequency response is further smoothed and an operational amplifier can be saved.
  • FIG. 5 and FIG. 6 show possible embodiments of the carrier 10 for the magnetic detection element 4.
  • the magnetic detection element 4 is provided on one side of the carrier 10 in both figures. Electronics 11 for evaluating the measured values are also assigned to the magnetic detection element 4 .
  • the embodiment of FIG. 5 serves to position the magnetic detection element 4 in relation to the upper side 21 of the conductor rail 2.
  • the embodiment of FIG. 6 serves to position the magnetic detection element 4 in relation to the underside 22 of the conductor rail 2.
  • FIG. 7 shows an additional embodiment of the carrier 10 for two magnetic detection elements 4.
  • the magnetic detection elements 4 can be used to measure on the upper side 21 of the busbar 2 and on the underside 22 of the busbar 2.
  • Electronics 11 are assigned to each of the magnetic detection elements 4 .
  • Figure 8 and Figure 9 show another embodiment of the carrier 10, which is C-shaped, for positioning two magnetic detection elements 4 with respect to the conductor rail 2.
  • the carrier 10 which is C-shaped, for positioning two magnetic detection elements 4 with respect to the conductor rail 2.
  • two magnetic detection elements 4 with the carrier 10 in relation are positioned on the busbar 2, this should not be construed as a limitation.
  • this can be positioned over the top 21 of the busbar 2 or over the bottom 22 of the busbar 2 at a predefined distance 5 in the Z-coordinate direction Z.
  • the C-shaped support 10 has a base 15 and two legs 16. In the embodiment shown here, each leg 16 carries a magnetic detection element 4.
  • the C-shaped support 10 is positioned in relation to the busbar 2 in such a way that the busbar 2 partially encompassed. This means that the leg 16 is positioned over the upper side 21 of the busbar 2 and the other leg 16 is positioned over the underside 22 of the busbar 2 .
  • the magnetic detection elements 4 held on the legs 16 are each positioned at a distance 5 in the Z coordinate direction Z from the upper side 21 and the lower side 22 of the conductor rail 2 .
  • FIG. 10 shows a possible embodiment of an additional filter circuit 40 from the prior art, with which the frequency response can be adjusted.
  • the frequency response of the current sensor 1 can be straightened by the filter circuit 40, consisting of resistors 41 and a capacitor 42.
  • inductors and active components such as operational amplifiers, can also be used.
  • Figure 11 shows the compensated voltage signal from a magnetic sensing element 4 compared to the uncompensated voltage signal. The ratio of the compensated voltage signal to the uncompensated voltage signal in % is plotted here as a function of the position of the magnetic detection element 4 in the Y coordinate direction Y. Four curves are plotted for different distances 5 (see FIG.
  • the distance 5 of 3 mm is represented by the solid line.
  • the distance 5 of 4 mm is represented by the dotted line.
  • the distance 5 of 5mm is represented by the dashed-dotted line.
  • the distance 5 of 6 mm is represented by the dashed and double-dotted line.
  • FIG. 12 shows a graphical representation of the tolerance of the present invention against the position of a magnetic detection element 4.
  • the magnetic field strength in mT is plotted in FIG. 10 as a function of the position of the magnetic detection element 4 in the Y coordinate direction Y.
  • Four curves are plotted for different distances 5 (see FIG. 3) of the magnetic detection element 4 in the Z coordinate direction Z from the conductor rail 2.
  • the distance 5 of 3mm is represented by the solid line.
  • the distance 5 of 4mm is represented by the dotted line.
  • the distance 5 of 5mm is represented by the dashed-dotted line.
  • the distance 5 of 6mm is represented by the dashed and double-dotted line.
  • FIGS. 11 and 12 result for webs (see FIG. 4) with different thicknesses.
  • Figure 13 shows the compensated voltage signal from two magnetic sensing elements 4 compared to the uncompensated voltage signal.
  • the ratio of the compensated voltage signal to the uncompensated voltage signal in % is plotted here as a function of the position of the magnetic detection elements 4 in the Y coordinate direction Y.
  • Four curves are plotted for different distances 5 (see FIG. 3) of the magnetic detection elements 4 in the Z coordinate direction Z from the conductor rail 2.
  • the distance 5 of 3 mm is represented by the solid line.
  • the distance 5 of 4 mm is represented by the dotted line.
  • the distance 5 of 5mm is represented by the dashed-dotted line.
  • the distance 5 of 6 mm is represented by the dashed and double-dotted line.
  • FIG. 14 shows a graphical representation of the tolerance of the present invention in relation to the position of the two magnetic detection elements 4.
  • the magnetic detection elements 4 already have a small tolerance in relation to the position with respect to the conductor rail 2.
  • the magnetic field strength in mT is plotted as a function of the position of the magnetic detection elements 4 in the Y coordinate direction Y.
  • Four curves are plotted for different distances 5 (see FIG. 3) of the magnetic detection elements 4 in the Z coordinate direction Z from the conductor rail 2.
  • the distance 5 of 3 mm is represented by the solid line.
  • the distance 5 of 4 mm is represented by the dotted line.
  • the distance 5 of 5mm is represented by the dashed-dotted line.

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Abstract

Es ist ein Stromsensor (1) offenbart, der eine elektrisch leitfähige Stromschiene (2) mit einer Oberseite (21) und einer Unterseite (22) umfasst, wobei durch die Stromschiene (2) ein zu messender Messstrom fließt. Eine Freisparung (8) ist im Bereich einer Verjüngung (6) der Stromschiene (2) ausgebildet. Ein Träger (10) des mindestens einen magnetischen Erfassungselements (4) ist derart in der Freisparung (8) positioniert, dass das mindestens eine magnetische Erfassungselement (4) über der Oberseite (21) oder über der Unterseite (22) der Stromschiene (2) in Bezug auf die Stromschiene (2) positioniert ist.

Description

STROMSENSOR
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromsensor. Im Besonderen umfasst der Stromsensor eine elektrisch leitfähige Stromschiene mit einer Oberseite und einer Unterseite, wobei durch die Stromschiene ein zu messender Messstrom fließt. In der Stromschiene ist eine Verjüngung ausgeformt und mindestens ein magnetisches Erfassungselement ist der Stromschiene im Bereich der Verjüngung zugeordnet.
Die deutsche Patentanmeldung DE 102017 114377 A1 betrifft einen Stromsensor. Zur Bestimmung des in einer Stromschiene fließenden Stroms hat die Stromschiene ein Durchgangsloch ausgebildet, in das der Stromsensor eingreift. Die Stromschienen sind zwischen zwei Abschirmplatten zur Abschirmung des Magnetfelds von außerhalb positioniert. Der Stromsensor kann als Riesenmagnetowiderstands-(GMR)Senor, als anisotroper magnetoresitiver (AMR) Sensor, als magnetische Tunnelwiderstands (TMR) Sensoren oder als Hall IC - Sensor ausgebildet sein. Ein Nachteil des Standes der Technik ist, dass zusätzliche Abschirmplatten vorgesehen werden, um das magnetische Feld im Bereich des Sensors zu homogenisieren.
Die deutsche Patentanmeldung DE 102018 125404 A1 beschreibt einen Stromsensor, der drei Stromschienen enthält. Eine erste Abschirmplatte und eine zweite Abschirmplatte, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind, sind auf derartige Weise angeordnet, dass die drei Stromschienen dazwischen in Sandwichbauweise angeordnet sind. Drei magnetische Erfassungselemente sind jeweils zwischen den drei Stromschienen und der ersten Abschirmplatte angeordnet, um die durch die entsprechenden Stromschienen fließenden Ströme erzeugte Magnetfeldstärke zu erfassen. Eine leitende Platte ist auf derartige Weise angeordnet, dass die drei Stromschienen zusammen zwischen der leitenden Platte und der zweiten Abschirmplatte in Sandwichbauweise angeordnet sind. Die leitende Platte ist aus einem nichtmagnetischen leitenden Material hergestellt. Ein Nachteil hier ist ebenfalls der komplizierte und kostenintensive Aufbau.
Die deutsche Patentanmeldung DE 102018 130954 A1 betrifft einen Stromsensor zur Messung eines in einer Stromschiene fließenden Stroms. Der Stromsensor enthält eine Platine, die mit einem magnetischen Erfassungselement auf der Stromschiene montiert ist, um eine Stärke eines durch einen in der Stromschiene fließenden Stroms erzeugten Magnetfelds zu erfassen. Ein Gehäuse, das ein erstes und ein zweites Gehäuse enthält, ist derart ausgebildet, dass die Stromschiene und die Platine dazwischen in einer Plattendickenrichtung der Stromschiene einpferchen.
Die deutsche Übersetzung DE 11 2019001 437 T5 der internationalen Patentanmeldung WO 2019/181170 offenbart einen Stromsensor mit einem elektrisch leitfähigen Element, einem magnetoelektrischen Wandler und einer Abschirmung. Ein Teil des elektrisch leitfähigen Elements und der magnetoelektrische Wandler befinden sich zwischen der Oberfläche der ersten Abschirmung und der Oberfläche der zweiten Abschirmung. Der Teil des elektrisch leitfähigen Elements, der sich zwischen der ersten und der zweiten Abschirmung befindet, erstreckt sich in einer Erstreckungsrichtung, die entlang der Oberfläche der zweiten Abschirmung verläuft. Die zweite Abschirmung weist zwei Seiten, die in einer Querrichtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung ausgerichtet sind, und mehrere Verlängerungsteile, die sich an den Seiten zur ersten Abschirmung hin erstrecken und in der Erstreckungsrichtung zueinander ausgerichtet und voneinander beabstandet sind, auf. Der magnetoelektrische Wandler befindet sich zwischen den mehreren Verlängerungsteilen, die in der Erstreckungsrichtung zueinander ausgerichtet und voneinander beabstandet sind.
Die deutsche Patentanmeldung DE 102011 076933 A1 beschreibt einen Stromsensor, der ein leitfähiges Element und zumindest zwei Magnetfeldsensoren umfasst, die auf dem leitfähigen Element angeordnet und angepasst sind, um ein Magnetfeld zu erfassen, das durch einen Strom durch das Leiterelement erzeugt wird. Die zumindest zwei Magnetfeldsensoren sind auf gegenüberliegenden Seiten einer Linie senkrecht zu einer Stromflussrichtung in dem leitfähigen Element angeordnet. Eine isolierende Schicht ist zwischen dem leitfähigen Element und den Magnetfeldsensoren angeordnet und eine Leiterbahn ist mit den Magnetfeldsensoren verbunden.
Herkömmliche Stromsensoren ohne Kern haben typischerweise mehrere Nachteile gegenüber den Stromsensoren mit Kern. So liegt z. B. eine unerwünschte Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Frequenz des eingeprägten Stroms (Skin- Effekt) vor. Ebenso resultiert bei den Stromsensoren eine unerwünschte Abhängigkeit von der genauen Positionierung des Sensorelements in Bezug auf die Stromschienen. Ferner haben die Stromsensoren ohne Kern einen niedrigeren Signalpegel im Vergleich zu Stromsensoren mit Kern. Hinzu kommt die Anfälligkeit der Stromsensoren ohne Kern gegenüber externen Magnetfeldern.
Die Nachteile der Stromsensoren ohne Kern können durch unterschiedliche Maßnahmen reduziert werden. Im Bereich des Sensors kann z.B. der Querschnitt der Stromschiene reduziert werden. Durch die Reduktion des Querschnitts steigt zum einen der Signalpegel (Flussdichte) zum anderen wird die Abhängigkeit von der Frequenz reduziert. Gleichzeitig wird jedoch die Positionierung der Stromsensoren kritischer.
Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von zusätzlichen flussführenden Materialien als Abschirmung. Mittels der zusätzlichen, flussführenden Materialien kann das Feld im Bereich des magnetischen Erfassungselements (Sensors) homogenisiert werden. Eine exakte Positionierung des magnetischen Erfassungselements ist damit nicht mehr kritisch.
Durch zusätzliche externe Filter (Widerstände, Induktivitäten, Kapazitäten) wird der Frequenzgang der magnetischen Erfassungselemente begradigt. Dadurch wird aber typischerweise der Ausgangsspannungsbereich der magnetischen Erfassungselemente reduziert. So wird z.B. der "volle" Ausgangsspannungsbereich von zumindest 6% - 94% der Versorgungsspannung benötigt, wodurch in einer folgenden Stufe das Signal mit einem Operationsverstärker wieder verstärkt werden muss. Filtermaßnahmen verschieben daher den DC-Arbeitspunkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromsensor zu schaffen der sämtliche Nachtteile des Standes der Technik vermeidet, wie z. B. aufwendige Filtermaßnahmen, oder starke Empfindlichkeit gegenüber Positionierungstoleranzen vermeidet, und trotzdem eine zuverlässige Messung des in einer Stromschiene geführten Stroms gewährleistet.
Die obige Aufgabe wird durch einen Stromsensor gelöst, der die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Der Stromsensor zeichnet sich dadurch aus, dass eine Freisparung im Bereich der Verjüngung ausgebildet ist. Ferner ist ein Träger des mindestens einen magnetischen Erfassungselements derart in der Freisparung positioniert, dass das mindestens eine magnetischen Erfassungselement über der Oberseite oder über der Unterseite der Stromschiene in Bezug auf die Stromschiene positioniert ist. Die Verjüngung der Stromschiene hat den Einfluss, dass dadurch der Skin-Effekt reduziert wird. Der Skin-Effekt ist ein Stromverdrängungs-Effekt in von höherfrequentem Wechselstrom durchflossenen elektrischen Leitern, durch den die Stromdichte im Inneren eines Leiters niedriger ist als in äußeren Bereichen. Die Ursache für den Skin-Effekt ist, dass die in den Leiter eindringenden Wechselfelder aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Materials schon vor dem Erreichen des Leiterinneren weitgehend gedämpft werden.
Der Skin-Effekt tritt in, relativ zur Skin-Tiefe, dicken Leitern und auch bei elektrisch leitfähigen Abschirmungen und Leitungsschirmen auf. Der Skin-Effekt begünstigt mit zunehmender Frequenz die Transferimpedanz geschirmter Leitungen und die Schirmdämpfung leitfähiger Abschirmungen, erhöht den Widerstandsbelag einer elektrischen Leitung.
Um den Einfluss des Skin-Effekts weiter zu reduzieren und gleichzeitig ein homogenes Feld mittig über bzw. unter der Stromschiene zu erhalten, wird eine Freisparung (Langloch) in die Mitte der Stromschiene gefräst oder gestanzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromsensor zu schaffen, der sämtliche Nachtteile des Standes der Technik vermeidet und trotzdem eine zuverlässige Messung des in einer Stromschiene geführten Stroms gewährleistet.
Die obige Aufgabe wird durch einen Stromsensor gelöst, der die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Freisparung im Bereich der Verjüngung ausgebildet. Die Auswertung kann oberhalb bzw. unterhalb der Stromschiene erfolgen. Hierzu ist das mindestens eine magnetische Erfassungselement über der Oberseite oder über der Unterseite der Stromschiene in Bezug auf die Stromschiene positioniert. Hierzu ist ein Träger des mindestens einen magnetischen Erfassungselements derart in der Freisparung positioniert, dass das mindestens eine magnetischen Erfassungselement über der Oberseite oder über der Unterseite der Stromschiene in Bezug auf die Stromschiene positioniert ist.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Stromsensors ist, dass er keine bzw. nur leichte Filtermaßnahmen benötigt und dabei ohne Operationsverstärker auskommt. Ferner weist der erfindungsgemäße Stromsensor keine bzw. nur eine leichte Empfindlichkeit gegenüber Positionierungstoleranzen in Bezug auf die Stromschiene auf.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Träger zwei magnetische Erfassungselemente haltern. Der Träger kann die Form eines Quaders besitzen. Für den Fall, dass zwei magnetische Erfassungselemente am Träger vorgesehen sind, ist dieser derart ausgebildet, dass je ein magnetisches Erfassungselement über der Oberseite und über der Unterseite der Stromschiene positioniert ist, wenn der Träger durch die Freisparung der Stromschiene greift. Für den Fall, dass nur ein einziges magnetisches Erfassungselement am Träger vorgesehen ist, kann das magnetische Erfassungselement über der Oberseite oder über der Unterseite der Stromschiene positioniert werden, wenn der Träger durch die Freisparung der Stromschiene greift.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann der Träger (Platine) C-förmig ausgebildet sein, so dass der Träger um die Stromschiene herum greift und somit die zwei magnetischen Erfassungselemente entsprechend über der Oberseite und über der Unterseite der Stromschiene positioniert. Für den Fall, dass nur ein einziges magnetisches Erfassungselement am Träger (C-förmig) vorgesehen ist, kann das magnetische Erfassungselement über der Oberseite oder über der Unterseite der Stromschiene positioniert werden, wenn der Träger die Stromschiene Im Bereich der Freisparung teilweise umgreift.
Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen des Trägers kann dieser als Platine ausgebildet sein, die neben dem mindestens einen magnetischen Erfassungselement zumindest noch eine Elektronik für die Auswertung, Filterung und/oder Verstärkung der von dem mindestens einen magnetischen Erfassungselement erfassten Werte sorgt.
Der Vorteil der Ausgestaltung des Stromsensors ist, dass er eine geringe Toleranz gegenüber der Position der magnetischen Erfassungselemente aufweist. Werden die magnetischen Erfassungselemente bei Y=0 platziert, wirkt sich dort der Einfluss der Positionierungstoleranzen am geringsten aus. Werden die magnetischen Erfassungselemente dort platziert, weisen sie jedoch ein Tiefpassverhalten auf und der Stromsensor ist für niedrige Frequenzen empfindlicher als für hohe. Um das auszugleichen, kann z.B. ein externer Hochpass eingesetzt werden, der die niedrigen Frequenzen zusätzlich dämpft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das magnetische Erfassungselement über der Oberseite der Stromschiene und das magnetische Erfassungselement über der Unterseite der Stromschiene elektronisch zu einem magnetischen Erfassungselement zusammengefasst werden.
Dies hat den Vorteil, dass durch die differentielle Auswertung externe Magnetfelder zumindest teilweise kompensiert werden können.
Der Träger ist entlang einer Z-Koordinatenrichtung in der Freisparung positioniert, so dass der Träger senkrecht zur Stromschiene orientiert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Freisparung im Bereich der Verjüngung gegenüber einer Symmetrieachse der Stromschiene in Y- Koordinatenrichtung verschoben eingebracht. Dadurch hat die Stromschiene im Bereich der Freisparung einen ersten Steg mit einer ersten Dicke und einen zweiten Steg mit einer zweiten Dicke ausgebildet, die sich hinsichtlich der Dicke unterscheiden.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Frequenzgang weiter geglättet wird und ein Operationsverstärker eingespart werden kann. Dadurch verschiebt sich, bei dieser konkreten Ausführungsform, der Bereich mit dem geringsten Einfluss mechanischer Toleranzen auf y = 2 mm. Aufgrund des dort vorherrschenden Hochpassverhaltens muss das Ausgangssignal für niedrige Frequenzen nicht abgesenkt werden. Bei anderen Ausführungsformen kann der Bereich mit dem geringsten Einfluss mechanischer Toleranzen einen anderen Wert aufweisen.
Dem mindestens einen auf dem Träger angeordneten magnetischen Erfassungselement kann eine Elektronik für die Auswertung der Messwerte des magnetischen Erfassungselements zugeordnet sein. Die Elektronik kann z.B. eine zusätzliche Filterschaltung (Snubber) umfassen, mit der der Frequenzgang dann noch weiter angepasst werden kann. Der erfindungsgemäße Stromsensor kann für die ausgangsseitigen Stromschienen der 3 Motorphasen eines Elektromotors verwendet werden. In diesem Fall gibt es besonders strenge Vorgaben hinsichtlich der Genauigkeit des Stromsensor, welche durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung verwirklicht werden. Daher wird auf Schirm- bzw. Kernmaterial verzichtet und ein "coreless" Stromsensor verwendet. Dieser weist im Gegensatz zu Stromsensoren mit Kern, keine Hysterese um den Nullpunkt herum auf. Weitere Vorteile sind ein geringeres Gewicht und geringere Kosten.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Stromsensors gemäß dem Stand der Technik;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Stromsensors gemäß dem Stand der Technik;
Figur 3 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Stromsensors;
Figur 4 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Stromschiene;
Figur 5 eine mögliche Ausführungsform des Trägers für das magnetische Erfassungselement;
Figur 6 eine weitere mögliche Ausführungsform des Trägers für das magnetische Erfassungselement;
Figur 7 eine Ausführungsform des Trägers zur Positionierung von zwei magnetischen Erfassungselementen in Bezug auf die Stromschiene; Figur 8 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines
Stromsensor, wobei der Träger die Stromschiene zur Positionierung von zwei magnetischen Erfassungselementen teilweise umgreift;
Figur 9 eine Seitenansicht der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform Figur 10 eine mögliche Ausführungsform einer zusätzlichen Filterschaltung des
Standes der Technik, mit der der Frequenzgang angepasst werden kann;
Figur 11 zeigt das kompensierte Spannungssignal von einem magnetischen
Erfassungselement im Vergleich zum unkompensierten Spannungssignal;
Figur 12 zeigt eine graphische Darstellung der Toleranz der gegenwärtigen Erfindung gegenüber der Position eines magnetischen Erfassungselements;
Figur 13 zeigt das kompensierte Spannungssignal von zwei magnetischen Erfassungselementen im Vergleich zum unkompensierten Spannungssignal; und Figur 14 zeigt eine graphische Darstellung der Toleranz der gegenwärtigen Erfindung gegenüber der Position der zwei magnetischen Erfassungselemente.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind.
Figur 1 zeigt eine perspektivische und schematische Ansicht eines Stromsensors 1 gemäß dem Stand der Technik. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist ein magnetisches Erfassungselement 4 über der Oberseite 21 der Stromschiene 2 des Stromsensors 1 angeordnet. Eine Abschirmung 3 ist ein zusätzliches, flussführendes Material, mit dem eine magnetisches Feld im Bereich des magnetischen Erfassungselements 4 des Stromsensors 1 homogenisiert werden kann. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist die Abschirmung 3 U-förmig ausgebildet und derart bezüglich der Stromschiene 2 angeordnet, dass sich die Abschirmung 3 gegenüber der Unterseite 22 der Stromschiene 2 befindet und je ein Schenkel 31 der Abschirmung 3 gegenüber je einer Seitenkanne 23 der Stromschiene 2 positioniert ist. Eine exakte Positionierung des magnetischen Erfassungselements 4 bezüglich der Stromschiene 2 ist damit nicht mehr kritisch.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einerweiteren Ausführungsform des Stromsensors 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Stromschiene 2 hat eine Verjüngung 6 ausgebildet, auf der das magnetische Erfassungselement 4 positioniert ist. An der Verjüngung 6 ist ein Querschnitt 24 der Stromschiene 2 gegenüber einem originären Querschnitt 25 reduziert. Durch die Reduktion des Querschnitts 24 steigt zum einen der Signalpegel (Flussdichte) zum anderen wird die Abhängigkeit von der Frequenz reduziert. Gleichzeitig wird jedoch die Positionierung des magnetischen Erfassungselements 4 kritischer.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Stromsensors 1. Um den Einfluss des Skin-Effekts weiter zu reduzieren und gleichzeitig ein homogenes Feld mittig über bzw. unter der Stromschiene 2 zu erhalten, ist eine Freisparung 8 (Langloch) der Stromschiene 2 in der Verjüngung 6 der Stromschiene 2 eingebracht. Die Freisparung 8, welche die Form eines länglichen Schlitzes (Langloch) hat, kann gefräst oder gestanzt sein. Die Freisparung 8 ist der Länge nach in X-Koordinatenrichtung X ausgerichtet. Die hier beschriebene Form der Freisparung 8 (Langloch mit abgerundeten Ecken) und die Form der Verjüngung 6 soll nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Wie in Fig, 2 dargestellt, kann die Verjüngung 6 auch abgerundet oder eckig (siehe Ausführungsform in Fig. 3) ausgeführt sein. Alternativ wäre auch eine rechteckförmige Freisparung 8 und ein rechteckförmiger Ausschnitt als Verjüngung 6 vorstellbar.
Entlang der Z-Koordiantenrichtung Z ist ein Träger 10 in der Freisparung 8 derart positioniert, dass zumindest ein am Träger 10 gehaltertes magnetisches Erfassungselement 4, wie in Fig. 3 dargestellt, über der Oberseite 21 der Stromschiene 2 positioniert ist. Ein Abstand 5 zwischen dem magnetisches Erfassungselement 4 und der Oberseite 21 der Stromschiene 2 kann durch die Positionierung des Trägers 10 in der Freisparung 8 eingestellt werden. Obwohl in Fig. 3 die Positionierung des magnetischen Erfassungselements 4 in Bezug auf die Oberseite 21 der Stromschiene 2 dargestellt ist, soll dies nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Erfindungsgemäß kann das magnetische Erfassungselement 4 gegenüber der Unterseite 22 der Stromschiene 2 oder gegenüber der Oberseite 21 der Stromschiene 2 positioniert werden. Ebenso kann das magnetische Erfassungselement 4 gegenüber der Oberseite 21 der Stromschiene 2 und der Unterseite 22 der Stromschiene 2 positioniert werden. Folglich erfolgt die Auswertung der vom magnetischen Erfassungselement 4 erfassten Werte nicht innerhalb der Freisparung 8 sondern oberhalb und/oder unterhalb der Stromschiene 2, wie dies in Fig. 3 durch das magnetische Erfassungselement 4 angedeutet ist. Für die Auswertung ist am Träger 10 eine entsprechende Elektronik 11 vorgesehen. Wie hier gezeigt, ist der Träger 10 senkrecht zur Stromschiene 2 ausgerichtet, wenn dieser in der Freisparung 8 positioniert ist. Die Elektronik 11 auf dem Träger 10 kann zum einen eine Filterschaltung sein. Zum anderen kann auf dem Träger 10 optional eine Massefläche eingebracht sein, um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu verbessern. Diese kann zudem dafür genutzt werden, um den Frequenzgang weiter zu kompensieren.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Stromschiene 2. Die Freisparung 8 ist im Bereich der Verjüngung 6 gegenüber einer Symmetrieachse 12 der Stromschiene 2 in Y-Koordinatenrichtung Y verschoben eingebracht. Durch die Verschiebung der Freisparung 8 resultiert im Bereich der Freisparung 8 ein erster Steg 26 mit einer ersten Dicke 27 und einem zweiten Steg 28 mit einer zweiten Dicke 29, die sich hinsichtlich der Dicke unterscheiden. Dieser asymmetrische Aufbau der Stromschiene 2 hat den Vorteil, dass der Frequenzgang weiter geglättet wird und ein Operationsverstärker eingespart werden kann.
Figur 5 und Figur 6 zeigen mögliche Ausführungsformen des Trägers 10 für das magnetische Erfassungselement 4. In beiden Figuren ist auf einer Seite Trägers 10 das magnetische Erfassungselement 4 vorgesehen. Ebenso ist dem magnetischen Erfassungselement 4 eine Elektronik 11 für die Auswertung der Messwerte zugeordnet. Die Ausführungsform der Fig. 5 dient zur Positionierung des magnetischen Erfassungselements 4 in Bezug zur Oberseite 21 der Stromschiene 2. Die Ausführungsform der Fig. 6 dient zur Positionierung des magnetischen Erfassungselements 4 in Bezug zur Unterseite 22 der Stromschiene 2.
Figur 7 zeigt eine zusätzliche Ausführungsform des Trägers 10 für zwei magnetische Erfassungselemente 4. Mit dieser Ausführungsform kann mittels der magnetischen Erfassungselemente 4 auf der Oberseite 21 der Stromschiene 2 und auf der Unterseite 22 der Stromschiene 2 gemessen werden. Den magnetischen Erfassungselementen 4 ist jeweils eine Elektronik 11 zugeordnet.
Figur 8 und Figur 9 zeigen eine weitere Ausführungsform des Trägers 10, der C- förmig ausgebildet ist, zur Positionierung von zwei magnetischen Erfassungselementen 4 in Bezug auf die Stromschiene 2. Obwohl mit der hier beschrieben Ausführungsform zwei magnetische Erfassungselemente 4 mit dem Träger 10 in Bezug auf die Stromschiene 2 positioniert werden, soll dies nicht als Beschränkung aufgefasst werden. Für den Fall, dass nur ein magnetisches Erfassungselement 4 am C-förmigen Träger 10 befestigt ist, kann dieses über der Oberseite 21 der Stromschiene 2 oder über der Unterseite 22 der Stromschiene 2 in einem vordefinierten Abstand 5 in Z-Koordinatenrichtung Z positioniert werden.
Der C-förmige Träger 10 besitzt eine Basis 15 und zwei Schenkel 16. Bei der hier dargestellten Ausführungsform trägt jeder Schenkel 16 ein magnetisches Erfassungselement 4. Der C-förmige Träger 10 ist derart in Bezug auf die Stromschiene 2 positioniert, dass dieser die Stromschiene 2 teilweise umgreift. Dies bedeutet, dass der Schenkel 16 über der Oberseite 21 der Stromschiene 2 und der andere Schenkel 16 über der Unterseite 22 der Stromschiene 2 positioniert sind.
Damit sind die an den Schenkel 16 gehalterten magnetischen Erfassungselemente 4 jeweils in einem Abstand 5 in Z-Koordinatenrichtung Z zur Oberseite 21 bzw. zur Unterseite 22 der Stromschiene 2 positioniert.
Figur 10 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer zusätzlichen Filterschaltung 40 des Standes der Technik, mit der der Frequenzgang angepasst werden kann. So kann z.B. durch die Filterschaltung 40, bestehend aus Widerständen 41 und einem Kondensator 42, der Frequenzgang des Stromsensors 1 begradigt werden. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass auch Induktivitäten und aktive Bauelemente, wie z.B. Operationsverstärker, genutzt werden können. Figur 11 zeigt das kompensierte Spannungssignal von einem magnetischen Erfassungselement 4 im Vergleich zum unkompensierten Spannungssignal. Hier ist das Verhältnis des kompensierten Spannungssignals gegenüber dem unkompensierten Spannungssignal in % als Funktion der Position des magnetischen Erfassungselements 4 in Y-Koordinatenrichtung Y aufgetragen. Vier Kurven sind für unterschiedliche Abstände 5 (siehe Fig. 3) der magnetischen Erfassungselemente 4 in Z-Koordinatenrichtung Z von der Stromschiene 2 aufgetragen. Der Abstand 5 von 3 mm ist durch die durchgezogene Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 4 mm ist durch die gepunktete Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 5 mm ist durch die gestrichelt-gepunktete Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 6 mm ist durch die gestrichelt und doppelt gepunktete Linie dargestellt.
Figur 12 zeigt eine graphische Darstellung der Toleranz der gegenwärtigen Erfindung gegenüber der Position eines magnetischen Erfassungselements 4. Mit der vorliegenden Geometrie weisen die magnetischen Erfassungselemente 4 bereits eine geringe Toleranz gegenüber der Position bezüglich der Stromschiene 2 auf. In Figur 10 ist die Magnetfeldstärke in mT als Funktion der Position des magnetischen Erfassungselements 4 in Y-Koordinatenrichtung Y aufgetragen. Vier Kurven sind für unterschiedliche Abstände 5 (siehe Fig. 3) des magnetischen Erfassungselements 4 in Z-Koordinatenrichtung Z von der Stromschiene 2 aufgetragen. Der Abstand 5 von 3mm ist durch die durchgezogene Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 4mm ist durch die gepunktete Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 5mm ist durch die gestrichelt gepunktete Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 6mm ist durch die gestrichelt und doppelt gepunktete Linie dargestellt. Alle Kurven weisen bei y = 0 eine geringe von Null verschiedene Steigung auf. Außerdem liegen die Kurven dort sehr nahe beieinander. Daher wirkt sich dort der Einfluss der Positionierungstoleranzen am geringsten aus. Wird das magnetische Erfassungselement 4 im Bereich von y = 0 bis ca. y = 2mm platziert, weist es jedoch ein Tiefpassverhalten auf (die magnetischen Erfassungselemente 4 sind für niedrige Frequenzen empfindlicher als für hohe). Um das auszugleichen kann z. B. ein externer Hochpass eingesetzt werden, der die niedrigen Frequenzen zusätzlich dämpft. Für den vorliegenden Fall ist das im Bereich y < 2mm nötig.
Die in den Figuren 11 und 12 beschriebenen Verhältnisse ergeben sich für Stege (siehe Fig. 4) mit unterschiedlichen Dicken. Wie der Fig. 12 zu entnehmen ist, ist ein Bereich von 0 < y < ca. 2 mm relativ tolerant gegenüber Positionierungsfehlern. Ab y > ca. 2 mm muss das Signal danach nicht mehr angehoben werden (siehe Fig. 11 ), sodass die optimale Position des magnetischen Erfassungselements 4 für y = 2 mm gegeben ist.
Figur 13 zeigt das kompensierte Spannungssignal von zwei magnetischen Erfassungselementen 4 im Vergleich zum unkompensierten Spannungssignal. Hier ist das Verhältnis des kompensierten Spannungssignals gegenüber dem unkompensierten Spannungssignal in % als Funktion der Position der magnetischen Erfassungselemente 4 in Y-Koordinatenrichtung Y aufgetragen. Vier Kurven sind für unterschiedliche Abstände 5 (siehe Fig. 3) der magnetischen Erfassungselemente 4 in Z-Koordinatenrichtung Z von der Stromschiene 2 aufgetragen. Der Abstand 5 von 3 mm ist durch die durchgezogene Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 4 mm ist durch die gepunktete Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 5 mm ist durch die gestrichelt-gepunktete Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 6 mm ist durch die gestrichelt und doppelt gepunktete Linie dargestellt. Nach dem Filter muss das Signal wieder mit einem Operationsverstärker auf 100 % angehoben werden.
Figur 14 zeigt eine graphische Darstellung der Toleranz der gegenwärtigen Erfindung gegenüber der Position der zwei magnetischen Erfassungselemente 4. Mit der vorliegenden Geometrie weisen die magnetischen Erfassungselemente 4 bereits eine geringe Toleranz gegenüber der Position bezüglich der Stromschiene 2 auf. In Figur 14 ist die Magnetfeldstärke in mT als Funktion der Position der magnetischen Erfassungselemente 4 in Y-Koordinatenrichtung Y aufgetragen. Vier Kurven sind für unterschiedliche Abstände 5 (siehe Fig. 3) der magnetischen Erfassungselemente 4 in Z-Koordinatenrichtung Z von der Stromschiene 2 aufgetragen. Der Abstand 5 von 3 mm ist durch die durchgezogene Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 4 mm ist durch die gepunktete Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 5 mm ist durch die gestrichelt-gepunktete Linie dargestellt. Der Abstand 5 von 6 mm ist durch die gestrichelt und doppelt gepunktete Linie dargestellt. Alle Kurven weisen bei y = 0 eine Steigung von null auf. Außerdem liegen die Kurven dort sehr nahe beieinander. Daher wirkt sich dort der Einfluss der Positionierungstoleranzen am geringsten aus. Werden die zwei magnetischen Erfassungselemente 4 dort platziert, weisen sie jedoch ein Tiefpassverhalten auf (die magnetischen Erfassungselemente 4 sind für niedrige Frequenzen empfindlicher als für hohe). Um das auszugleichen, kann z.B. ein externer Hochpass eingesetzt werden, der die niedrigen Frequenzen zusätzlich dämpft. Für den vorliegenden Fall ist das im Bereich -7 mm < y < +7 mm nötig.
Bezuqszeichenliste
1 Stromsensor
2 Stromschiene
3 Abschirmung
4 magnetisches Erfassungselement
5 Abstand
6 Verjüngung
8 Freisparung
10 Träger
11 Elektronik
12 Symmetrieachse
15 Basis
16 Schenkel
21 Oberseite
22 Unterseite
23 Seitenkante
24 reduzierter Querschnitt
25 originärer Querschnitt
26 erster Steg
27 erste Dicke
28 zweiter Steg
29 zweite Dicke
31 Schenkel
40 Filterschaltung
41 Widerstand
42 Kondensator
X X-Koordinatenrichtung
Y Y-Koordinatenrichtung
Z Z-Koordinatenrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Stromsensor (1 ) umfassend:
• eine elektrisch leitfähige Stromschiene (2) mit einer Oberseite (21) und einer Unterseite (22), wobei durch die Stromschiene (2) ein zu messender Messstrom fließt,
• eine Verjüngung (6), die in der Stromschiene (2) ausgeformt ist, und
• mindestens ein magnetisches Erfassungselement (4), das der Stromschiene (2) im Bereich der Verjüngung (6) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
• eine Freisparung (8) im Bereich der Verjüngung (6) ausgebildet ist; und ein Träger (10) des mindestens einen magnetischen Erfassungselements (4) derart in Bezug auf die Freisparung (8) positioniert ist, dass das mindestens eine magnetische Erfassungselement (4) über der Oberseite (21) und/oder über der Unterseite (22) der Stromschiene (2) in Bezug auf die Stromschiene (2) positioniert ist.
2. Stromsensor (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der T räger (10) die Form eines rechteckigen Quaders besitzt und bei einem magnetischen Erfassungselement (4) dieses über der Oberseite (21 ) oder über der Unterseite (22) der Stromschiene (2) positioniert und bei zwei magnetischen Erfassungselementen (4) diese über der Oberseite (21) und über der Unterseite (22) der Stromschiene (2) positioniert, wenn der Träger (10) durch die Freisparung (8) greift.
3. Stromsensor (1 ) nach Anspruch 2, wobei der T räger (10) entlang einer Z- Koordinatenrichtung (Z) in der Freisparung (8) positioniert und dabei senkrecht zur Stromschiene (2) orientiert ist.
4. Stromsensor (1) nach Anspruch 1, wobei der Träger (10) eine C-förmige Form besitzt und bei einem magnetischen Erfassungselement (4) dieses über der Oberseite (21) oder über der Unterseite (22) der Stromschiene (2) positioniert und bei zwei magnetischen Erfassungselementen (4) diese über der Oberseite (21) und über der Unterseite (22) der Stromschiene (2) positioniert, wenn der Träger (10) die Freisparung (8) der Stromschiene (2) teilweise umgreift.
5. Stromsensor (1 ) nach Anspruch 2 oder 4, wobei das magnetisches Erfassungselement (4) über der Oberseite (21) der Stromschiene (2) und das magnetische Erfassungselement (4) über der Unterseite (22) der Stromschiene (2) elektronisch zu einem magnetischen Erfassungselement (4) zusammengefasst sind.
6. Stromsensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Freisparung (8) im Bereich der Verjüngung (6) gegenüber einer Symmetrieachse (12) der Stromschiene (2) in Y-Koordinatenrichtung (Y) verschoben eingebracht ist, wodurch die Stromschiene (2) im Bereich der Freisparung (8) einen ersten Steg (26) mit einer ersten Dicke (27) und einen zweiten Steg (28) mit einer zweiten Dicke (29) besitzt, die sich hinsichtlich der Dicke unterscheiden.
7. Stromsensor (1 ) nach einer der vorangehenden Ansprüche, wobei die Freisparung (8) ein in X-Koordinatenrichtung (X) ausgerichtetes Langloch ist, das im Bereich der Verjüngung (6) der Stromschiene (2) gefräst oder gestanzt ist.
8. Stromsensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei dem mindestens einen auf dem Träger (10) angeordneten magnetischen
Erfassungselement (4) eine Elektronik (11 ) für die Auswertung der Messwerte des magnetischen Erfassungselements (4) zugeordnet ist.
9. Stromsensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder ausgangsseitigen Stromschiene (2) eines Drehstrommotors ein magnetisches Erfassungselement (4) zugeordnet ist.
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