DE3728673A1 - Vorrichtung zur erfassung von stromfluss in einem elektrischen draht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfas­ sung von Stromfluß in einer elektrischen Leitung bzw. in einem elektrischen Draht. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, bei der der fließende Strom indirekt erfaßt wird, indem die Stärke des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes erfaßt wird.

Die herkömmlichen Stromerfassungsvorrichtungen umfassen eine Vorrichtung von der Art, die gewöhnlich bei herkömm­ lichen Amperemetern verwendet wird und bei der der Strom direkt erfaßt wird, indem ein Stromfluß durch einen fest­ gelegten Widerstand erzeugt wird und der Spannungsabfall zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des fest­ gelegten Widerstandes als Größe erfaßt wird, die den Strom darstellt. Bei einer anderen Art herkömmlicher Stromerfas­ sungsvorrichtungen wird der Strom indirekt erfaßt, indem ein Magnetkern um einen elektrischen Draht herum angeordnet wird, in dem Strom fließt, ein durch den Strom erzeugtes Magnetfeld durch den Magnetkern gesammelt wird und die Stärke des Magnetfeldes durch einen magnetoelektrischen Wandler wie z.B. ein Hall-Element oder ein magnetisches Widerstandselement (Reluktanz-Element) in Form einer Spannung erfaßt wird.

Bei ersterer Art von Stromerfassungsvorrichtungen ist es aufgrund der direkten Stromerfassung durch den festgelegten Widerstand nachteilig, daß elektrische Energie durch den Widerstand verbraucht wird, was zu einem großen Energie- bzw. Leistungsverlust führt, daß der erfaßbare maximale Strom begrenzt ist, da der durch den Widerstand fließende maximal zulässige Strom begrenzt ist, daß sich der Wider­ standswert des festgelegten Widerstandes wegen der im Widerstand erzeugten Wärme aufgrund des dort fließenden Stromes ändern kann, was zu einem Fehler im erfaßten Stromwert führt.

Bei der letzteren Art von Stromerfassungsvorrichtungen liegen zwar nicht die Nachteile vor, die mit den erster­ wähnten Stromerfassungsvorrichtungen verbunden sind. Wenn diese Ampermeter jedoch dazu verwendet werden, den Strom­ fluß in einem aus einer Anzahl von sich parallel zueinander erstreckenden elektrischen Drähten zu erfassen, dann kann der Stromfluß in dem einen elektrischen Draht nicht genau erfaßt werden, da die Stärke der um die übrigen elek­ trischen Drähte gebildeten Magnetfelder ungewünscht eben­ falls durch den im Magnetkern vorgesehenen magnetoelek­ trischen Wandler erfaßt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromer­ fassungsvorrichtung von der Art zu schaffen, bei der der Stromfluß in einem elektrischen Draht aus der Stärke eines um den elektrischen Draht herum erzeugten Magnetfeldes erfaßt wird und bei der der Stromfluß in einem aus einer Anzahl von elektrischen Drähten ausgewählten Draht genau erfaßt werden kann, ohne daß eine Beeinträchtigung durch die Stärke von um die anderen elektrischen Drähte herum erzeugten Magnetfeldern stattfindet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Stromer­ fassungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weitergestaltungen dieser Stromer­ fassungsvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß eine Strom­ erfassungsvorrichtung geschaffen worden ist, um den Strom­ fluß in einem ersten elektrischen Draht zu erfassen, der nahe einem zweiten elektrischen Draht mit einem Abschnitt angeordnet ist, der sich in einer vorbestimmten Richtung erstreckt.

Die erfindungsgemäße Stromerfassungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

• - einen Abschnitt des ersten Drahtes, der sich recht­ winklig zum oben erwähnten Abschnitt des zweiten elektrischen Drahtes erstreckt,
• - einen Magnetkern, der um den oben erwähnten Abschnitt des ersten elektrischen Drahtes herum angeordnet ist und dessen Achse sich rechtwinklig zum oben erwähnten Abschnitt des zweiten elektrischen Drahtes erstreckt, und
• - eine magnetoelektrische Wandlereinrichtung, die dem Magnetkern zugeordnet ist und dazu vorgesehen ist, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die Stärke des um den oben erwähnten Abschnitt des ersten elektrischen Drahtes erzeugten Magnetfeldes mittels des im ersten elektrischen Draht fließenden Stromes anzeigt.

Im Magnetkern ist ein Spalt ausgebildet und die magneto­ elektrische Wandlereinrichtung umfaßt ein magnetoelek­ trisches Wandlerelement, das in den Spalt eingeführt ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich der zweite elektrische Draht zwischen einem Generator eines Kraftfahrzeuges und dessen Batterie. Der zweite elektrische Draht umfaßt ein erstes Sicherungselement, das an einem mittleren Abschnitt von ihm angeordnet ist. Der erste elektrische Draht ersteckt sich von einem Abschnitt des zweiten elektrischen Drahtes, der sich zwischen dem Gene­ rator und dem ersten Sicherungselement befindet, bis zu einer elektrischen Last. Der erste elektrische Draht umfaßt ein zweites Sicherungselement, das an einem mittleren Ab­ schnitt von ihm angeordnet ist.

Die oben erwähnten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter hervor. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer elektrischen Energiever­ sorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Generator, dem eine erfindungsgemäße Stromerfassungsvorrichtung zugeordnet ist,

Fig. 2 eine Vorderansicht, die das Innere einer Hauptsicherungseinheit darstellt, in der die Stromerfassungsvorrichtung von Fig. 1 vorgesehen ist,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs Linie III-III von Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht zur Erläuterung der Funktion der Stromerfassungsvorrichtung von Fig. 2 und

Fig. 5 eine Ansicht, in Richtung des Pfeils von Fig. 4 gesehen.

Die Erfindung wird nachfolgend mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung und ein Ausführungsbeispiel erläutert.

Es wird zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der der Schaltungsaufbau einer elektrischen Energieversorgungs­ einrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Generator dargestellt ist, dem eine erfindungsgemäße Stromerfas­ sungsvorrichtung zugeordnet ist. Der Generator ist ein Dreiphasen-Wechselstromgenerator. Von der Ständerwicklung 2 des Generators wird Wechselstrom in drei Phasen erzeugt und über einen Gleichrichter 3 und eine Hauptsicherungseinheit 14 an eine Batterie 4 des Kraftfahrzeugs und an eine elek­ trische Last 5 abgegeben. Eine Verbindungsstelle des Gleichrichters 3 und der Hauptsicherungseinheit 14 ist mit einem invertierenden Eingangsanschluß eines Komparators 6 verbunden, der als Operationsverstärker ausgebildet ist, so daß die Ausgangsspannung V der Batterie 4 über eine Haupt­ sicherung 12 (die in Fig. 2 dargestellt ist und auf die nachfolgend Bezug genommen wird) in den invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 6 eingegeben wird. Mit einem nicht invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 6 sind entsprechende Ausgangsanschlüsse variabler Wider­ stände 7 und 8 über einen Wählschalter 11 selektiv ver­ bunden, und der Ausgangsanschluß des Komparators 6 ist mit einer Feld- bzw. Reglerwicklung 9 verbunden. Ein Ende der variablen Widerstände 7 und 8 ist jeweils mit einer ge­ regelten Konstantspannungsenergieversorgung (nicht gezeigt) verbunden und das andere bzw. entgegengesetzte Ende der variablen Widerstände ist geerdet. Die variablen Wider­ stände 7 und 8 können von Hand eingestellt werden, um über die Zwischenausgangsanschlüsse eine entsprechende vorbe­ stimmte eingestellte Ausgangsspannung zu erzeugen. Der Komparator 6 vergleicht die Ausgangsspannung V der Batterie 4 mit einem vorbestimmten eingestellten Wert, der vom variablen Widerstand 7 oder 8 über den Wählschalter 11 selektiv zugeführt wird und erregt die Feldwicklung 9, damit in der Ständerwicklung 2 ein Wechselstrom zur elektrischen Stromerzeugung erzeugt wird, wenn die Aus­ gangsspannung V den vorbestimmten eingestellten Wert überschreitet.

In der Hauptsicherungseinheit 14 ist eine Stromerfassungs­ vorrichtung 1 vorgesehen und sie ist in der Lage, d.h. angepaßt, den Wert des Stroms, der einer an der Batterie 4 anliegenden elektrischen Last wie z.B. Scheinwerfern zuge­ führt wird, d.h. die Größe der elektrischen Last, zu er­ fassen und ein den erfaßten Stromwert anzeigendes Signal einer elektrischen Steuereinheit 10 zuzuführen, die nach­ folgend als "ECU" bezeichnet wird. Die ECU 10 spricht auf den zugeführten erfaßten Stromwert an, um die Stellung des Wählschalters 11 mittels eines nicht dargestellten Stell­ glieds zu ändern. Genauer, wenn die an der Batterie 4 an­ liegende elektrische Last relativ klein ist, verbindet die ECU 10 den Wählschalter 11 mit dem variablen Widerstand 7, der eine niedrigere vorbestimmte Spannung als vorbestimmten eingestellten Spannungswert zuführt, und wenn die elek­ trische Last relativ groß ist, verbindet die ECU 10 den Wählschalter 11 mit dem variablen Widerstand 8, der eine höhere vorbestimmte Spannung als vorbestimmten eingestell­ ten Spannungswert zuführt. Die ECU 10 wird mit Signalen aus verschiedenen Sensoren (nicht gezeigt) versorgt, die Be­ triebszustände der Maschine anzeigen. Wenn die ECU 10 aus den eingegebenen Signalen bestimmt, daß sich die Maschine in einem Verlangsamungszustand befindet, verbindet sie ungeachtet des von der Stromerfassungsvorrichtung 1 er­ faßten Stromwertes den Wählschalter 11 mit dem variablen Widerstand 8, damit die vorbestimmte höhere Spannung an den Komparator 6 angelegt wird.

Wenn die an die Batterie 4 angelegte elektrische Last relativ klein ist, wird wie oben beschrieben die vorbe­ stimmte niedrigere Spannung an den nicht invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 6 angelegt. Dement­ sprechend wird vom Komparator 6 ein Ausgangssignal mit niedrigem Pegel erzeugt, bis die an den invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 6 angelegte Ausgangs­ spannung V der Batterie 4 unter die vorbestimmte niedrigere Spannung abfällt, wodurch der Generator- bzw. Stromerzeu­ gungsumfang des Generators niedrig ist. Dies hat zur Folge, daß die Entladungsmenge (-umfang) der Batterie 4 groß ist, während die wesentliche Last an der Maschine, die den Gene­ rator antreibt, klein ist. Wenn die an der Batterie 4 an­ liegende elektrische Last relativ groß ist, wird die vor­ bestimmte höhere Spannung an den nicht invertierenden Ein­ gangsanschluß des Komparators 6 angelegt, so daß die Ausg­ angsspannung V der Batterie 4 bald unter die vorbestimmte höhere Spannung abfällt und dementsprechend wird der Gene­ ratorumfang des Generators groß.

Wenn sich die Maschine in einen Verlangsamungszustand verstellt, wird der Auswählschalter 11 auf den variablen Widerstand 8 umgeschaltet. Wenn die Ausgangsspannung V der Batterie 4 bei dieser Gelegenheit niedriger als die vor­ bestimmte höhere Spannung ist, erzeugt der Generator einen größeren Generatoranteil (Umfang), um die Batterie 4 mit einer höheren Geschwindigkeit bzw. Rate zu laden. Auf diese Weise wird während der Verlangsamung der Maschine die kinetische Energie des Fahrzeuges in elektrische Energie umgewandelt und die elektrische Energie wird in der Batterie 4 gespeichert, wodurch der Kraftstoffverbrauch herabgesetzt werden kann.

In Fig. 2 ist der innere Aufbau der Hauptsicherungseinheit 14 veranschaulicht, die in der erfindungsgemäßen Stromer­ fassungsvorrichtung 1 vorgesehen ist.

Die Stromerfassungsvorrichtung 1 ist auf einer Versorgungs­ schaltplatte 14′ der Hauptsicherungseinheit 14 zusammen mit Hauptsicherungselementen 12 und 13 angebracht, um den Mon­ tageraum für die Teile 1, 14 herabzusetzen. Ein erster elektrischer Draht A, d.h. ein elektrischer Leiter, ist mittels eines sich vom Gleichrichter 3 zur Hauptsiche­ rungseinheit 14 erstreckenden Verbindungskabels 15, eines Anschlußelementes 16, des Hauptsicherungselements 12, eines Anschlußelementes 17 und eines zur Batterie 4 führenden Verbindungskabels 18 ausgebildet. Beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel erstreckt sich zumindest der Abschnitt des ersten elektrischen Drahtes A, der sich auf der Versor­ gungsschaltplatte 14′ befindet, im wesentlichen geradlinig. Ein zweiter elektrischer Draht B (Leiter) ist mittels eines aus einem blanken Draht gebildeten und sich vom Anschluß­ element 16 rechtwinklig zum Anschlußelement 16 oder dem elektrischen Draht A erstreckenden Verbindungsdraht 19, das Hauptsicherungselement 13, ein Anschlußelement 20 und ein Verbindungskabel 21 ausgebildet, das zur elektrischen Last 5 führt. Mit Ausnahme des Verbindungsdrahtes 19 erstrecken sich die übrigen Teile 13, 20, 21 des zweiten elektrischen Drahtes B parallel zum ersten elektrischen Draht A.

Um den Verbindungsdraht 19 herum sind ein Magnetkern 1 a und ein magnetoelektrisches Wandlerelement 1 b angeordnet, das als bekanntes Hall-Element ausgebildet ist, und der Magnet­ kern 1 a und das magnetoelektrische Wandlerelement 1 b bilden zusammen mit dem zweiten elektrischen Draht B die Stromer­ fassungsvorrichtung 1. Das Element 1 b kann stattdessen als magnetisches Reluktanzelement ausgebildet sein. Der Magnet­ kern 1 a weist ein zentrales Durchgangsloch 1 a′ auf, das axial in ihm ausgebildet ist und durch das sich der Ver­ bindungsdraht 19 erstreckt, und ist so angeordnet, daß sich seine Achse rechtwinklig zum ersten elektrischen Draht A ersteckt. Der aus ferromagnetischem Material ausgebildete Magnetkern 1 a weist die Form eines Kreisrings auf, kann jedoch eine andere Form aufweisen. Ein peripherer Wand­ abschnitt des Magnetkerns 1 a ist mit einem axialen Spalt 1 a′′ ausgebildet, durch den das Hall-Element 1 b eingeführt ist, um die Stärke des um den Anschlußdraht 19 herum er­ zeugten und durch den Magnetkern 1 a gesammelten Magnet­ feldes zu erfassen.

Es wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 die Funktion der wie oben aufgebauten, erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung 1 erläutert.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird gemäß der Korkzieher­ regel um den Verbindungsdraht 19 ein Magnetfeld H 1 ausge­ bildet, das sich längs einer Ebene senkrecht zu der Rich­ tung dreht, in der ein Strom I 1 in dem mit der elektrischen Last 5 verbundenen zweiten elektrischen Draht B fließt, und es werden weitere Magnetfelder H 2 und H 3 um den ersten elektrischen Draht A ausgebildet und drehen sich längs einer Ebene senkrecht zu der Richtung, in der ein Strom I 2 im ersten elektrischen Draht A fließt. Die Magnetfelder H 2 und H 3 haben dieselbe Stärke und verlaufen in bezug auf die Achse des Magnetkerns 1 a symmetrisch. Das auf der rechten Seite der Achse des Magnetkerns 1 a befindliche Magnetfeld H 3 dreht sich bei der Darstellung von Fig. 4 in der ent­ gegengesetzten Richtung zum Magnetfeld H 1, wodurch das Magnetfeld H 1 aufgehoben wird. Hingegen dreht sich das Magnetfeld H 2 in derselben Richtung wie das Magnetfeld H 1, wodurch die Stärke des letzteren erhöht wird. Es sei nun angenommen, daß die Drehrichtung des Magnetfeldes H 1 eine Richtung mit positivem Vorzeichen ist, und infolgedessen kann die gesamte Magnetfeldstärke H durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden:

H = H 1 + H 2 - H 3 (1)

Da die Magnetfelder H 2 und H 3 durch denselben Strom I 2 gebildet werden, haben sie dieselbe Feldstärke, d.h. H 2=H 3. Daher kann die folgende Gleichung (2) aus der Gleichung (1) abgeleitet werden: H = H 1 (2)

Somit entspricht die vom Magnetkern 1 a erfaßte Magnet­ feldstärke lediglich der Feldstärke des durch den im zweiten elektrischen Draht B fließenden Strom I 1 erzeugten Magnetfeldes H 1.

Wie oben beschrieben kann das Hall-Element 1 b lediglich das durch den im zweiten elektrischen Draht B fließenden Strom I 1 erzeugte Magnetfeld erfassen, d.h. lediglich den zu er­ fassenden Stromwert, ohne daß es durch die durch den im ersten elektrischen Draht A fließenden Strom I 2 erzeugten Magnetfelder beeinträchtigt wird, und somit ist es ermög­ licht worden, den Strom I 1 genau zu erfassen.

Obwohl der elektrische Draht B, dessen Stromfluß erfaßt werden soll, in einer Weise angeordnet ist, daß er von dem anderen elektrischen Draht (den anderen elektrischen Drähten) A abzweigt, ist die Erfindung nicht hierauf be­ schränkt. Sie kann vielmehr auf eine Anordnung angewendet werden, bei der ein Draht, dessen Stromfluß erfaßt werden soll, parallel zu den anderen Drähten verläuft, oder auf eine Anordnung, bei der der Stromerfassungsdraht sich mit einem weiteren elektrischen Draht kreuzt.

Die Erfindung läßt sich wie folgt zusammenfassen: Sie be­ zieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung von Stromfluß in einem ersten elektrischen Draht, der nahe einem zweiten elektrischen Draht mit einem Abschnitt angeordnet ist, der sich in einer vorbestimmten Richtung erstreckt. Die Vor­ richtung umfaßt: einen Abschnitt des ersten elektrischen Drahtes, der sich rechtwinklig zum zweiten elektrischen Draht erstreckt; einen um den oben erwähnten Abschnitt des ersten elektrischen Drahtes angeordneten Magnetkern, dessen Achse sich rechtwinklig zu dem oben erwähntem Abschnitt des zweiten elektrischen Drahtes erstreckt; und einen dem Magnetkern zugeordneten magnetoelektrischen Wandler, der zur Erzeugung eines elektrischen Signals vorgesehen ist, das die Stärke des um den oben erwähnten Abschnitt des ersten elektrischen Drahtes erzeugten Magnetfeldes mittels des im ersten elektrischen Draht fließenden Stromes anzeigt.

Claims (3)

1. Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung von Strom, der in einem ersten elektrischen Draht fließt, der nahe einem zweiten elektrischen Draht mit einem sich in einer vorbe­ stimmten Richtung erstreckenden Abschnitt angeordnet ist, gekennzeichnet durch

• - einen Abschnitt (16) des ersten elektrischen Drahtes (A), der sich rechtwinklig zum Abschnitt (19) des zweiten elektrischen Drahtes (B) erstreckt,
• - einen um den Abschnitt (19) des zweiten elektrischen Drahtes (B) angeordneten Magnetkern (1 a), dessen Achse sich rechtwinklig zu dem Abschnitt (16) des ersten elektrischen Drahtes (A) ersteckt, und
• - eine dem Magnetkern zugeordnete magnetoelektrische Wandlereinrichtung (1 b), die vorgesehen ist, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die Stärke des um den Abschnitt (19) des ersten elektrischen Drahtes (A) erzeugten Magnetfeldes (H 1) aufgrund des im ersten elektrischen Draht fließenden Stromes zu anzeigt.

2. Stromerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Magnetkern (1 a) ein Spalt (1 a′′) ausgebildet ist und daß der magnetoelektrische Wandler (1 b) ein in den Schlitz eingeführtes magnetoelek­ trisches Wandlerelement umfaßt.

3. Stromerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite elektrische Draht (B) zwischen einem Generator (2) eines Kraftfahrzeuges und der Batterie (4) des Kraftfahrzeuges erstreckt, daß der zweite elektrische Draht (B) ein an einem mittleren Abschnitt von ihm angeordnetes erstes Sicherungselement (13) umfaßt, wobei sich der erste elek­ trische Draht (A) von einem Abschnitt (16) des zweiten elektrischen Drahtes (B), der zwischen dem Generator und dem ersten Sicherungselement (13) liegt, zu einer elek­ trischen Last (5) erstreckt, wobei der erste elektrische Draht (A) ein zweites Sicherungselement (12) umfaßt, das an einem mittleren Abschnitt angeordnet ist.