DE10011047A1 - Direktabbildender Stromsensor - Google Patents

Abstract

Direktabbildender Stromsensor weist eine Primärwicklung, einen weichmagnatischen Kern und einen Magnetfeldsensor auf, wobei Primärwicklung und Magnetfeldsensor elektrisch voneinander isoliert und magnetisch durch den Kern miteinander gekoppelt sind und die Primärwicklung zur Einspeisung eines zu erfassenden Stromes und der Magnetfeldsensor zur Erfassung des in die Primärwicklung eingespeisten Stromes durch Messung des von diesem erzeugten Magnetfeldes vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist eine zusätzliche Wicklung vorgesehen, die der Primärwicklung elektrisch parallel heschaltet ist und die neben dem Kern angeordnet ist, derart, dass nur bestimmte Bereiche des Kerns von ihrem magnetischen Fluss erfasst werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen direktabbildenden Stromsensor mit einer Primärwicklung, einem weichmagnetischen Kern und einem Magnetfeldsensor, bei dem Primärwicklung und Magnet­ feldsensor elektrisch voneinander isoliert und magnetisch durch den Kern miteinander gekoppelt sind und bei dem die Primärwicklung zur Einspeisung eines zu erfassenden Stromes und der Magnetfeldsensor zur Erfassung des in die Primärwick­ lung eingespeisten Stromes durch Messung des von diesem er­ zeugten Magnetfeldes vorgesehen ist.

Stromsensoren sollen einerseits klein und kostengünstig sein, andererseits aber einen großen Messbereich haben. Bevorzugt werden dabei auch direktabbildende Stromsensoren verwendet. Ein derartiger direktabbildende Stromsensor ist beispielswei­ se aus der EP 0 565 946 B1 bekannt. Dabei wird in einem ring­ förmigen, weichmagnetischen Kern mit Luftspalt von dem zu er­ fassenden Strom mittels der Primärwicklung ein dazu proporti­ onales Magnetfeld erzeugt, das durch einen Magnetfeldsensor erfasst und ausgewertet wird.

Bei direktabbildenden Stromsensoren wird also im Luftspalt die magnetische Flussdichte als Maß für den Strom in dem vom weichmagnetischen Kern umschlossenen Stromleiter abgebildet. Durch den Luftspalt entsteht ein relativ großer Streufluss. Die aus dem Kern tretenden Feldlinien befinden sich auf der Seite des Kerns, auf der der Luftspalt ist. Dadurch wird im Luftspalt nur ein Teil des Flusses gemessen, der sich im ge­ genüberliegenden Bereich des Kerns befindet. Wird in diesem gegenüber dem Luftspalt liegenden Teil des Kerns die Sätti­ gung erreicht, wird die Proportionalität der Magnetflussdich­ te im Luftspalt zum Strom im Stromleiter durchbrochen und da­ mit die Grenze des Messbereiches erreicht. Dies geschieht bereits bei 30% bis 50% des Sättigungsflusses im Luftspalt. Als Ergebnis kann z. B. von einem Ni-Fe-Kern mit einer Sätti­ gungsflussdichte von 0,8 T nur 0,25 bis 0,4 T Aussteuerung im Luftspalt ausgenutzt werden. Dies hat zur Folge, dass der Kern nicht im gesamten Bereich voll ausgenutzt werden kann, dass das Verhältnis von Aussteuerbereich zu Hysterese ungüns­ tiger wird, das das Verhältnis von Meßbereichsausgangsspan­ nung zu Offset der Magnetfeldsonde (z. B. Hallelement) ungüns­ tiger wird und dass das Verhältnis von nutzbarem Flusshub im Luftspalt und äußeren Fremdfeld ungünstiger wird. Die drei zuletzt genannten Punkte haben vor allem Einfluß auf die Messgenauigkeit bei kleinen Strömen was in vielen Anwendungs­ fällen entweder zu großen Kernen führt, die teuer sind, oder sogar bestimmte Anwendungen ausschließen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen direktabbildenden Strom­ sensor anzugeben, der trotz geringem Aufwand einen großen Messbereich hat.

Die Aufgabe wird durch einen Stromsensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungs­ gedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Vorteil der Erfindung ist es, dass kleinere Kerne verwendet werden können, da Sättigungseffekte und unhomogene magneti­ sche Flüsse weitgehend vermieden werden.

Erreicht wird dies im einzelnen bei einem Stromsensor der eingangs genannten Art durch eine zusätzliche Wicklung, die der Primärwicklung elektrisch parallel geschaltet ist und die neben dem Kern angeordnet ist derart, dass nur bestimmte Be­ reiche des Kerns von ihrem magnetischen Fluss erfasst werden.

Insbesondere wird dabei die zusätzliche Wicklung in dem Be­ reich des Kerns angeordnet, an dem eine Flussüberhöhung auf­ tritt, und zwar derart, dass die Flussüberhöhung zumindest teilweise kompensiert wird.

Bevorzugt führen die Primärwicklung und die zusätzliche Wick­ lung Ströme unterschiedlicher Stärke, wobei die Ströme in Summe den zu erfassenden Strom ergeben. Auf diese Weise lässt sich zu jeder Geometrie (Kern und Wicklung) durch eine opti­ male Stromaufteilung ein Maximum an Linearität und damit ein maximaler Messbereich erzielen.

Wenn die Primärwicklung und die zusätzliche Wicklung Win­ dungszahlen aufweisen, die kleiner als eins sind, können bei­ spielsweise sogenannte Durchsteckwandler realisiert werden, bei denen die den zu erfassenden Strom führende Leitung als Primärwicklung durch einen ringartigen Kern mit Luftspalt hindurchgeführt wird.

Dazu kann bei einer bevorzugten Ausführungsform die Primär­ wicklung und die zusätzliche Wicklung durch einen im Bereich des Kerns im wesentlichen geradlinigen Leiter oder einen im Bereich des Kerns im wesentlichen u-förmigen Leiter gebildet werden. Die u-förmige Ausbildung der die Primärwicklung und sämtliche zusätzlichen Wicklungen bildenden Leiter unter In­ einanderschachteln der einzelnen Leiter vergrößert den Mess­ bereich weiter.

Werden die Primärwicklung und die zusätzliche Wicklung durch einen einzigen geschlitzten Leiter gebildet, dann ergeben sich vorteilhafterweise keine sich mit der Zeit oder der Tem­ peratur ändernde Übergangswiderstände an den andernfalls not­ wendigen Kontaktstellen der Primärwicklung und der zusätzli­ chen Wicklung untereinander, wodurch die Messgenauigkeit ver­ bessert wird.

Primärwicklung, zusätzliche Wicklung, Magnetfeldsensor und Kern können schließlich zumindest teilweise, einzeln oder zu­ sammen von einem Abschirmblech umgeben sein. Damit wird der Kern entlastet und der Einfluss von Störfeldern reduziert, die sich ungünstig auf den Messbereich auswirken würden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erste allgemeine Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Stromsensors,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit Abschirmblech,

Fig. 3 den Feldlinienverlauf eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit zwei Primärleitern und einem Kern mit runder Grundfläche im Vergleich zu einem her­ kömmlichen Stromsensor,

Fig. 4 den Feldlinienverlauf eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit zwei Primärleitern und einem Kern mit rechteckiger Grundfläche im Vergleich zu einem herkömmlichen Stromsensor,

Fig. 5 den Feldlinienverlauf eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit Abschirmblech im Vergleich zu ei­ nem herkömmlichen Stromsensor,

Fig. 6 eine Ausführungsform eines geschlitzten einstücki­ gen Leiters zur Verwendung bei einem erfindungsge­ mäßen Stromsensor und

Fig. 7 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit zwei ineinander geschachtelten u- förmigen Leitern.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Stromsensors ist neben einer Primärwicklung und einem Magnetfeldsensor 2 (wie zum Beispiel einem Hall-Sensor) eine weitere Wicklung vorgesehen, wobei Primärwicklung und zusätzliche Wicklung jeweils als Streifenleiter 1 bzw. 3 ausgebildet sind. Statt Streifenleitern könnte in gleicher Weise auch jede andere Leiterform Verwendung finden. Der Magnet­ feldsensor 2 ist in einem Luftspalt 5 eines weichmagnetischen Kerns 4 angeordnet. Der Kern 4 hat einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt und ist ausgehend von dem Luft­ spalt 5 ringförmig ausgebildet derart, dass die Grundfläche in etwa rechteckförmig ist. Anstelle einer rechteckigen Grund­ fläche und eines rechteckförmigen Querschnitts könnte aber jede beliebige, eine Ringform des Kerns 4 ermöglichende Grund- und Querschnittsfläche wie beispielsweise eine ovale, runde Fläche etc. verwendet werden.

Der Streifenleiter 1 (Primärwicklung) durchdringt dabei die Grundfläche des Kerns 4 im wesentlichen geradlinig derart, dass er vom Kern 4 abgesehen von dessen Luftspalt 5 über den vollen Umfang umschlossen wird. Erfindungsgemäß ist ein zwei­ ter Streifenleiter 3 (zusätzliche Wicklung), der dem ersten Streifenleiter 1 (Primärwicklung) elektrisch parallel ge­ schaltet ist, außerhalb des Kerns 4, jedoch in dessen unmit­ telbarer Nähe, und in Bezug auf den ersten Streifenleiter 1 (Primärwicklung) dem Luftspalt 5 gegenüberliegend angeordnet. Der als zusätzliche Wicklung dienende Streifenleiter 3 er­ zeugt dabei einen mangetischen Fluss, der den durch bei­ spielsweise einen unsymmetrisch innerhalb des Kerns angeord­ neten Streifenleiters 1 (Primärwicklung) hervorgerufene un­ gleichmäßige Flussverteilung im Kern 4 kompensiert.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 geht aus der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform dadurch hervor, dass ein u-förmiges Abschirmblech 6 den Kern 4 sowie die Streifenleiter 1 und 3 umgibt. Das Abschirmblech 6 geht dabei von den beiden seit­ lich zu Luftspalt 5 und Magnetsensor 2 befindlichen Schenkeln des Kerns 4 aus und verläuft dazu parallel sowie unter Ein­ schluss beider Streifenleiter 1 und 3 auch parallel zu dem Luftspalt 5 und Magnetsensor 2 gegenüberliegenden Abschnitt des Kerns 4. Durch das Abschirmblech 6 wird zum einen der Einfluss von Störfeldern verringert, die den Messbereich einschränken könnten, und zum anderen wird der Kern entlastet, indem ein Teil der Feldlinien über das Abschirmblech geführt werden.

In den Fig. 3 und 4 ist dargestellt, wie eine Flussüberhö­ hung bei einem Stromsensor konventioneller Art mit einem Kern 7 von runder Grundfläche (Fig. 3a) und einem Kern 11 von rechteckiger Grundfläche (Fig. 4a) beispielsweise durch un­ symmetrische Anordnung eines als Primärwicklung vorgesehenen Leiters 8 bzw. 12 innerhalb des jeweiligen ringförmigen Kerns 7 bzw. 11 mit jeweils einem Luftspalt 10 bzw. 14 hervorgeru­ fen wird. An dem dem jeweiligen Luftspalt 10 bzw. 14 gegen­ über gelegenen Abschnitt des Kerns 7 bzw. 11 (Rückschluss­ kern) tritt durch eine nicht punktsymmetrische Anordnung des (Primär-)Leiters 8 bzw. 12 eine Flussüberhöhung auf, die durch den dem Fluss im Kern 7 bzw. 11 überlagerten, direkt einwirkenden, magnetischen Fluss des (Primär-)Leiters 8 bzw. 12 zustande kommt.

Wird nun erfindungsgemäß (Fig. 3b und 4b) ein "geteilter Leiter", also der (Primär-)Leiter 8 bzw. 12 und ein elekt­ risch parallel geschalteter zusätzlicher Leiter 9 bzw. 13, zu beiden Seiten des die Überhöhung aufweisenden Abschnitts des Kerns 7 bzw. 11 (Rückschlusskern) vorbeigeführt, dann heben sich die Feldlinien gegenseitig wieder auf und das resultie­ rende magnetische Feld ist gleich null. Dadurch erhöht sich der Messbereich nicht nur um den Faktor der Stromaufteilung zwischen den Leitern 8 und 9 bzw. 12 und 13, sondern um das Produkt der Stromaufteilung (Verhältnis vom Gesamtstrom zu Anteil des gemessenen Stroms) und Meßbereichserweiterung des Stromsensors (Verhältnis aus "normalem" Messbereich zu Mess­ bereich bei erfindungsgemäßer Anordnung). Wird zum Beispiel bei der Anordnung nach Fig. 4b nur der 1/5 Strom (Stromauf­ teilungsfaktor 5) über den Leiter 12 geführt, dann ergibt sich eine Messbereichserweiterung von 1,5 und eine Erweite­ rung des linearen Messbereichs auf das 7,5-fache. Ein her­ kömmlicher Stromsensor mit 100 Ampere könnte bei Anwendung der Erfindung damit auf einen linearen Messbereich von 750 Ampere gebracht werden.

Bei einer noch höheren Stromaufteilung (zum Beispiel Faktor 209) ergibt sich eine Aufmagnetisierung des Rückschlusskerns durch den zusätzlichen Leiter 13 und dadurch ein positiver Linearitätsfehler bei hohen Strömen. Um auch hier größere Messbereiche zu ermöglichen, muss bei gegebenem Abstand des (Primär-)Leiters 12 der Abstand des Leiters 13 zum Rück­ schlusskern erhöht werden. Durch Variation von Stromauftei­ lung und/oder Abständen kann also der Stromsensor auf maxima­ len Messbereich eingestellt werden.

In Fig. 5 ist die Wirkung eines Abschirmblechs 15 bei einer Anordnung nach Fig. 4b gegenüber einer herkömlichen Anord­ nung nach Fig. 4a gezeigt. Durch das Abschirmblech wird das durch die Leiter 12 und 13 erzeugte Magnetfeld weiter homoge­ nisiert und über im Kern 11 nur über den den Spalt 14 aufwei­ senden Abschnitt des Kerns 11 geführt. Auf diese Weise wird zum einen der Kern entlastet und zum anderen Störfelder vom Kern 11 fern gehalten.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer einstückigen Realisie­ rung der Streifenleiter 1 und 3 als einstückiger, geschlitz­ ter Streifenleiter 16 ist in Fig. 6 dargestellt. Dabei zeigt im Detail Fig. 6a den Aufbau vor und Fig. 6b den Aufbau des Streifenleiters 16 nach Durchführung eines Biegevorgangs um die Längssymmetrieachse. Gemäß Fig. 7a hat der Streifenlei­ ter 16 eine rechteckige Grundform, wobei in Längsrichtung, also parallel zu den längeren Kanten, drei Schlitze 17, 18, 19 etwa auf halber Breite vorgesehen sind, von denen in Längsrichtung einer in der Mitte 17 und zwei 18, 19 an den seitlichen Rändern angeordnet sind. Der Streifenleiter 16 ist dabei sowohl bezüglich einer quer zur Längsrichtung in deren Mitte verlaufenden Symmetrielinie als auch einer entlang der Schlitze 17, 18, 19 verlaufenden Symmetrielinie symmetrisch aufgebaut. Ausgehend jeweils von den die Schlitze 18 und 19 enthaltenden beiden Seitenrändern ist der Streifenleiter 16 etwa in Höhe der der Mitte zugewandten Enden der Schlitze 18 und 19 gebogen derart, dass sich zwischen diesen beiden Enden insgesamt eine Vertiefung gegenüber den genannten Seitenrän­ dern ergibt, wobei im Bereich des Schlitzes 17 eine weitere Vertiefung vorgesehen ist. Schließlich befinden sich in der Nähe der Ecken Löcher 20, 21, 22, 23, die zumindest hinsicht­ lich der entlang der Schlitze 17, 18, 19 verlaufenden Symmet­ rielinie symmetrisch angeordnet sind.

Ausgehend von dieser Grundform wird dann der Streifenleiter 16 gemäß Fig. 7b an der entlang der Schlitze 17, 18, 19 ver­ laufenden Symmetrielinie gebogen derart, dass jeweils zwei der Löcher 20, 22 bzw. 21, 23 übereinander zu liegen kommen. Damit ergibt sich eine Form, die ausgehend von den die Schlitze 18 und 19 enthaltenden Seitenrändern zunächst im Be­ reich der Löcher 20, 21, 22, 23 dicht aneinander liegen, um sich dann bei der ersten Vertiefung voneinander abzuheben. Im Bereich der zweiten Vertiefung (um den Schlitz 17) ist dabei der Abstand zwischen den beiden Teilen des Streifenleiters 16 am größten. Dieser Teil dient dann zur Aufnahme des Kerns.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die Streifenleiter u-förmig ausgebildet. Die U-Form ergibt dabei eine Wicklung mit der Wickungszahl von 0,75. Dabei verlaufen die beiden Streifen­ leiter 1 und 3 weiterhin parallel, so dass sich zwei ineinan­ der geschachtelte "U" ergeben. Es kann der Abstand zwischen den entsprechenden Schenkeln der u-förmigen Streifenleiter 1 und 3 einander gegenüber im Hinblick auf den Abstand im Be­ reich des Kerns 4 auch verkleinert werden, womit sich der Einfluss von Störfeldern, hervorgerufen durch die Stromzufüh­ rung, verringern lässt. Die U-Form bietet insgesamt einen größeren Messbereich.

Bezugszeichenliste

1

Streifenleiter

2

Magnetfeldsensor

3

Streifenleiter

4

Kern

5

Luftspalt

6

Abschirmblech

7

Kern

8

Leiter

9

Leiter

10

Luftspalt

11

Kern

12

Leiter

13

Leiter

14

Luftspalt

15

Abschirmblech

16

Streifenleiter

17

Schlitz

18

Schlitz

19

Schlitz

20

Loch

21

Loch

22

Loch

23

Loch

Claims (8)

1. Direktabbildender Stromsensor mit einer Primärwicklung (1), einem weichmagnetischen Kern (4) und einem Magnetfeld­ sensor (2)
bei dem Primärwicklung (1) und Magnetfeldsensor (2) elektrisch voneinander isoliert und magnetisch durch den Kern (4) miteinander gekoppelt sind und
bei dem die Primärwicklung (1) zur Einspeisung eines zu erfassenden Stromes und der Magnetfeldsensor (2) zur Erfas­ sung des in die Primärwicklung (1) eingespeisten Stromes durch Messung des von diesem erzeugten Magnetfeldes vorgese­ hen ist,
gekennzeichnet durch
eine zusätzliche Wicklung (3), die der Primärwicklung (1) elektrisch parallel geschaltet ist und die neben dem Kern (4)angeordnet ist derart, dass nur bestimmte Bereiche des Kerns (4) von ihrem magnetischen Fluss erfasst werden.

2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Wicklung (3) in dem Bereich des Kerns (4) angeordnet ist, an dem eine Flussüberhöhung auftritt, derart, dass die Flussüberhöhung zumindest teilweise kompen­ siert wird.

3. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (1) und zusätzliche Wicklung (3) Ströme unterschiedlicher Stärke führen, wobei die Ströme in Summe den zu erfassenden Strom ergeben.

4. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (1) und/oder die zu­ sätzliche Wicklung (3) Windungszahlen aufweisen, die kleiner als eins sind.

5. Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung und/oder mindestens eine zusätzliche Wicklung durch einen im Bereich des Kerns im wesentlichen ge­ radlinigen Leiter gebildet wird.

6. Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Primärwicklung (1) und/oder zusätzliche Wicklung (3) durch einen im Bereich des Kerns (4) im Wesentlichen u- förmigen Leiter gebildet wird.

7. Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (1) und die zusätzliche Wicklung durch einen einstückigen geschlitzten Leiter gebildet werden.

8. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Primärwicklung (1), zusätzliche Wick­ lung, Magnetfeldsensor (2) und/oder Kern (4) zumindest teil­ weise von einem Abschirmblech (6) umgeben sind.