Die Erfindung betrifft einen Stromsensor zur Messung der Stromstärke in einem elektrischen Leiter.

Stromsensoren an sich sind weit verbreitet. Ein Einsatzgebiet unter vielen, auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt sein soll, sind elektrische Antriebssysteme, etwa für Kraftfahrzeuge. Dort kann ein Stromsensor etwa zwischen einer Leistungselektronikeinheit und einer elektrischen Maschine oder innerhalb der Leistungselektronikeinheit eingesetzt sein, es kann beispielsweise ein Gleichstrom am Eingang der Leistungselektronikeinheit gemessen oder ein Zustand eines Batteriesystems überwacht werden.

Bekannte Stromsensoren weisen eine Reihe von Nachteilen auf, insbesondere sind sie häufig bei der Montage, sowohl dem ursprünglichen Einbau als auch dem Auswechseln, umständlich. Bekannt sind, etwa aus den internationalen Patentanmeldungen WO 2013/008205 A2 und WO 2015/140129 A1 , Stromsensoren mit Ringkernen. Der elektrische Leiter verläuft dabei durch den Ringkern, wird also von dem Ringkern umschlossen. Bei der Montage muss der elektrische Leiter durch den Ringkern geführt werden, ehe der elektrische Leiter weiter verbaut wird. Ein Wechsel oder nachträglicher Einbau eines solchen Stromsensors erfordert eine zumindest teilweise Demontage des elektrischen Leiters. Bei einem anderen Ansatz, bekannt etwa aus der internationalen Anmeldung WO 2017/130437 A1, wird ein magnetisches Element von einer Seite des elektrischen Leiters und ein Sensorchip samt Auswerteelektronik von einer gegenüberliegenden Seite des elektrischen Leiters verbaut. Hier ist zwar ein Durchführen des elektrischen Leiters durch den Sensor nicht erforderlich, aber der elektrische Leiter muss beidseitig zugänglich sein. Ferner sind Ansätze bekannt, etwa aus den internationalen Anmeldungen WO 2016/190087 A1 und WO 2016/125638 A1 , in denen der Stromsensor bereits ein Stück eines elektrischen Leiters enthält, welches dann jedoch mit dem übrigen elektrischen Leiter, der die Strecke bildet, in welcher eine Stromstärke gemessen werden soll, verbunden werden muss. Weitere Ansätze, offenbart etwa in den internationalen Anmeldungen WO 2017/187809 A1 , WO 2018/116852 A1 und WO 2013/172109 A1 verwenden jeweils eine Vielzahl an Sensorelementen auf einem Träger, teils mit mehreren elektrischen Leitern. Derartige Herangehensweisen erfordern mehrere Sensorelemente zur Messung einer Stromstärke, was übermäßig Kosten verursacht und in der Montage aufwändig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromsensor bereitzustellen, der zumindest einige der vorgenannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll der Stromsensor einfach zu montieren und auszuwechseln sein.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stromsensor gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen. Anspruch 9 betrifft ein elektrisches System mit solch einem Stromsensor.

Der erfindungsgemäße Stromsensor zur Messung einer Stromstärke in einem elektrischen Leiter umfasst einen Magnetfeldsensor, um die Stromstärke über eine Messung eines Magnetfeldes zu bestimmen. Erfindungsgemäß weist der Stromsensor eine T-förmig ausgebildete ferromagnetische Struktur auf. Ein Luftspalt ist zwischen Grenzflächen der ferromagnetischen Struktur ausgebildet. Unter einer Grenzfläche der ferromagnetischen Struktur wird dabei eine Oberfläche oder ein Teilbereich einer Oberfläche einer Komponente der ferromagnetischen Struktur verstanden.

Die ferromagnetische Struktur weist entsprechend ihrer T-Form einen Bereich auf, der den Stamm des T bildet, und einen Bereich, der den Querbalken des T bildet.

Der Stromsensor ist dazu vorgesehen, mit dem Stamm in eine Aussparung in einem elektrischen Leiter, etwa einer Stromschiene, eingeführt zu werden. Beiderseits des Stamms verläuft dann je ein Teil des elektrischen Leiters. Auf diese Weise kann der Stromsensor nach Montage des elektrischen Leiters angeordnet werden und kann ohne teilweise Demontage des elektrischen Leiters ausgewechselt werden. Die Zugänglichkeit von einer Seite des elektrischen Leiters ist dabei ausreichend.

Vorzugsweise besteht die ferromagnetische Struktur aus Blechpaketen, beispielsweise aus Silikonstahl, wodurch Wirbelstromverluste in der ferromagnetischen Struktur reduziert werden.

In einer Ausführungsform umfasst die T-förmig ausgebildete ferromagnetische Struktur zwei L-förmig ausgebildete ferromagnetische Elemente. Dabei wird zumindest ein Teil des Stamms des T durch insgesamt zwei parallel angeordnete Schenkel der beiden ferromagnetischen Elemente gebildet, während die verbleibenden zwei Schenkel den Querbalken bilden. Die beiden ferromagnetischen Elemente können insbesondere von gleicher Form und Größe sein und sind in derT- förmigen Struktur dann spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, in denen sich die beiden ferromagnetischen Elemente hinsichtlich Form und / oder Größe unterscheiden; eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine bessere differentielle Auswertung der magnetischen Flussdichte.

In einer Weiterbildung ist der Luftspalt auf zwei Seiten durch jeweils einen Schenkel eines der L-förmig ausgebildeten ferromagnetischen Elemente begrenzt, genauer durch die Schenkel, die zum Stamm des T gehören.

In einer Ausführungsform weist die T-förmig ausgebildete Struktur mindestens ein ferromagnetisches Abschlusselement auf. Das mindestens eine Abschlusselement bildet einen Teil des Stamms des T. In einer Weiterbildung wird der Luftspalt auf einer Seite durch das mindestens eine Abschlusselement begrenzt. Das mindestens eine Abschlusselement kann insbesondere platten- oder scheibenförmig ausgebildet sein.

Es ist auch möglich, dass die T-förmige Struktur sowohl zwei L-förmige ferromagnetische Elemente als auch ein oder mehrere ferromagnetische Abschlusselemente aufweist. Insbesondere können zwei Abschlusselemente vorgesehen sein, eines für jedes L-förmige Element. In solch einer Anordnung können im Stromsensor zwei sich kreuzende Luftspalte vorhanden sein, welche einerseits durch die L-förmigen Elemente, andererseits durch die Abschlusselemente begrenzt werden.

Der Magnetfeldsensor kann, je nach Ausführungsform, innerhalb des Luftspalts oder außerhalb des Luftspalts angeordnet sein. Liegt der Magnetfeldsensor außerhalb des Luftspalts, so ist für den Fachmann ersichtlich, dass sich der Magnetfeldsensor noch in solcher Nähe zu der ferromagnetischen T-förmigen Struktur befinden muss, dass eine zuverlässige Messung eines durch einen Stromfluss in dem elektrischen Leiter verursachten Magnetfelds noch möglich ist, um letztlich die Stromstärke in dem elektrischen Leiter zuverlässig messen zu können. Für den Magnetfeldsensor kann ein bekanntes Messkonzept zum Einsatz kommen, es kann sich beispielsweise, und ohne die Erfindung darauf zu beschränken, um einen Sensor auf Grundlage des Hall-Effekts oder eines magnetoresistiven Effekts, etwa des Riesenmagnetowiderstands (GMR-Effekt), handeln.

In einer Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor mit einer Platine elektrisch leitend verbunden. Schaltkreise auf der Platine können zum Ansteuern und Auslesen des Magnetfeldsensors vorgesehen sein. Die Platine kann auf verschiedene Weisen im Stromsensor angeordnet sein, und abhängig davon und von der Platzierung des Magnetfeldsensors kann die elektrische Verbindung, etwa eine Anzahl Pins, zwischen dem Magnetfeldsensor und der Platine orientiert sein. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, den Magnetfeldsensor zum Zwecke der Ansteuerung und des Auslesens direkt mit einem übergeordneten, nicht zum Stromsensor gehörenden System zu verbinden.

In einer Ausführungsform ist der Stromsensor in ein Gehäuse eingeschlossen. Vorzugsweise ist dieses Gehäuse derart gestaltet, dass der Stromsensor samt Gehäuse in eine entsprechende Aussparung in einem elektrischen Leiter eingesetzt werden kann. Das Gehäuse kann insbesondere selbst T-förmig oderauch kreuzförmig sein. Das Gehäuse kann auch eine vorgenannte Platine, soweit vorhanden, umschließen. In einer speziellen Weiterbildung sind nur ein oder mehrere Anschlüsse zum Verbinden der Platine mit einem übergeordneten System von außerhalb des Gehäuses zugänglich. Die Anschlüsse können beispielsweise einen oder mehrere Anschlusspins oder einen oder mehrere Stecker umfassen. Das Gehäuse kann auf jede bekannte Weise hergestellt sein; beispielsweise, ohne die Erfindung darauf zu beschränken, können die übrigen Komponenten des Stromsensors mit einem Kunststoffmaterial umspritzt werden.

Ein erfindungsgemäßes elektrisches System hat einen elektrischen Leiter und ist gekennzeichnet durch einen vorstehend beschriebenen Stromsensor zur Messung einer Stromstärke in dem elektrischen Leiter des elektrischen Systems. In dem elektrischen Leiter ist eine Aussparung vorgesehen, um den Stromsensor dort einzusetzen. Genauer ist der Stamm der T-förmigen Struktur, gegebenenfalls der Stamm eines T-förmigen oder kreuzförmigen Gehäuses des Stromsensors, in die Aussparung einzusetzen. Die Aussparung kann im Prinzip eine beliebige Form haben, beispielsweise rechteckig, kreisförmig, elliptisch; der Querschnitt des in die Aussparung einzusetzenden Bereichs des Stromsensors ist vorzugsweise an die Form der Aussparung angepasst, da so eine gute mechanische Stabilität der Anordnung erzielt wird. Es ist auch möglich, die Aussparung für den Stromsensor in dem elektrischen Leiter asymmetrisch zu gestalten. Bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter ergibt sich dadurch eine Asymmetrie in der magnetischen Flussdichte, welche mitunter hinsichtlich des Frequenzgangs vorteilhaft ist.

Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile an Hand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor eingesetzt in eine Stromschiene.

Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor eingesetzt in eine Stromschiene.

Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor eingesetzt in eine Stromschiene.

Figur 4 zeigt eine Stromschiene, bei der ein erfindungsgemäßer Stromsensor eingesetzt werden kann.

Figur 5 zeigt eine weitere Stromschiene, bei der ein erfindungsgemäßer Stromsensor eingesetzt werden kann. Figur 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines in eine Stromschiene eingesetzten erfindungsgemäßen Stromsensors.

Figur 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor eingesetzt in eine Stromschiene.

Figur 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines in eine Stromschiene eingesetzten erfindungsgemäßen Stromsensors.

Figur 9 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor eingesetzt in eine Stromschiene.

Figur 10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines in eine Stromschiene eingesetzten erfindungsgemäßen Stromsensors. Figur 11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines in eine Stromschiene eingesetzten erfindungsgemäßen Stromsensors.

Figur 12 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor mit Gehäuse, eingesetzt in eine Stromschiene.

Figur 13 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor mit Gehäuse, eingesetzt in eine Stromschiene.

Figur 14 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit Gehäuse, eingesetzt in eine Stromschiene.

Figur 15 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit Gehäuse, eingesetzt in eine Stromschiene.

Figur 16 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 mit Gehäuse, eingesetzt in eine Stromschiene.

Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Keinesfalls sind die Figuren als Beschränkung der Erfindung auf die gezeigten Ausführungsbeispiele zu verstehen.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 , welcher in eine Stromschiene 4 eingesetzt ist, die in diesem Beispiel den elektrischen Leiter bildet. Die Darstellung ist eine Querschnittsansicht, so dass zwei Teile der Stromschiene 4 sichtbar sind, beiderseits der für den Stromsensor 1 vorgesehenen Aussparung in der Stromschiene 4. Der Stromsensor 1 weist eine T- förmige ferromagnetische Struktur 2 auf, welche in der gezeigten Ausführungsform zwei L-förmige ferromagnetische Elemente 20 und zwei ferromagnetische Abschlusselemente 23, eines für jedes L-förmige Element 20, aufweist. Jedes ferromagnetische L-förmige Element 20 hat einen ersten Schenkel 21 und einen zweiten Schenkel 22. In dem gezeigten Beispiel bilden die ersten Schenkel 21 und die Abschlusselemente 23 zusammen den Stamm der T-förmigen Struktur 2, während die zweiten Schenkel 22 zusammen den Querbalken der T-förmigen Struktur 2 bilden. In der gezeigten Ausführungsform begrenzen die ersten Schenkel 21 und die Abschlusselemente 23 einen Luftspalt 51 und einen Luftspalt 52. Luftspalt 51 und Luftspalt 52 kreuzen sich. Im Luftspalt 51 ist ein Magnetfeldsensor 3 angeordnet, um eine Stromstärke in der Stromschiene 4 über eine Messung eines Magnetfeldes zu ermitteln. Gestrichelt dargestellt sind Beispiele möglicher Alternativpositionen 31 , 32 für den Magnetfeldsensor. Solche Alternativpositionen sind grundsätzlich auch für die weiteren gezeigten Ausführungsformen möglich. Der Fachmann wird Position und Orientierung des Magnetfeldsensors abhängig von der Art des an sich bekannten Magnetfeldsensors und abhängig von der konkreten Einbausituation des Stromsensors wählen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 , welcher in eine Stromschiene 4 eingesetzt ist. Die Ausführungsform ist ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, zu der die gezeigten Elemente bereits erläutert wurden. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat die ferromagnetische T- förmige Struktur 2 keine Abschlusselemente 23. Der Stamm des T wird durch die ersten Schenkel 21 der L-förmigen ferromagnetischen Elemente 20 gebildet, welche einen Luftspalt 5 auf zwei Seiten begrenzen. Da keine Abschlusselemente 23 vorhanden sind, gibt es keinen zweiten Luftspalt. Im Luftspalt 5 ist Magnetfeldsensor 3 angeordnet. Auf die Darstellung von Alternativpositionen für den Magnetfeldsensor wurde verzichtet.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 , welcher in eine Stromschiene 4 eingesetzt ist. In dieser Ausführungsform umfasst die T-förmige ferromagnetische Struktur 2 einen ferromagnetischen Hauptteil 25 und ein ferromagnetisches Abschlusselement 23; Hauptteil 25 und Abschlusselement 23 begrenzen einen Luftspalt 5. Im Luftspalt 5 ist ein Magnetfeldsensor 3 angeordnet.

Fig. 4 zeigt eine Stromschiene 4, welche eine Aussparung 40, hier von rechteckiger Form, aufweist. In die Aussparung kann ein erfindungsgemäßer Stromsensor 1 eingesetzt werden. Dargestellt ist noch eine Richtung 100 eines Stromflusses durch die Stromschiene 4.

Fig. 5 zeigt eine Stromschiene 4, welche eine Aussparung 40, hier von elliptischer Form, aufweist. In die Aussparung kann ein erfindungsgemäßer Stromsensor 1 eingesetzt werden. Dargestellt ist noch eine Richtung 100 eines Stromflusses durch die Stromschiene 4. Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 , der in eine Stromschiene 4 eingesetzt ist. Genauer ist der Stamm der ferromagnetischen T-förmigen Struktur 2 in eine Aussparung 40 in der Stromschiene 4 eingesetzt. Die Konfiguration des Stromsensors 1 entspricht der in Fig. 2 dargestellten. Dementsprechend wird die T-förmige Struktur 2 durch zwei ferromagnetische Elemente 20 gebildet, die einen Luftspalt 5 auf zwei Seiten begrenzen. Im Luftspalt ist ein Magnetfeldsensor 3 gezeigt, zu dem noch Anschlusspins 33 dargestellt sind. Ferner ist noch eine Richtung 100 eines Stromflusses durch die Stromschiene 4 gezeigt.

Fig. 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor 1 analog der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform, eingesetzt in eine Stromschiene 4. Zusätzlich zu den bereits zu Fig. 2 erläuterten Elementen umfasst der Stromsensor 1 hier eine Platine 7, welche zur Ansteuerung und zum Auslesen des Magnetfeldsensors 3 dient. Der Magnetfeldsensor 3 ist durch Anschlusspins 33 mit der Platine 7 verbunden. Die Platine 7 verfügt über einen oder mehrere Anschlusspins 71 zur Verbindung der Platine 7 mit einem übergeordneten System.

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 , der in eine Stromschiene 4 eingesetzt ist, entsprechend der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform. Zu Fig. 7 wurden bereits alle dargestellten Elemente des Stromsensors 1 erörtert. Ferner ist noch eine Richtung 100 eines Stromflusses durch die Stromschiene 4 gezeigt.

Fig. 9 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor 1 analog der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, eingesetzt in eine Stromschiene 4. Zusätzlich zu den bereits zu Fig. 1 erläuterten Elementen umfasst der Stromsensor 1 hier eine Platine 7, welche zur Ansteuerung und zum Auslesen des Magnetfeldsensors 3 dient. Die Platine 7 verfügt über einen oder mehrere Anschlusspins 71 zur Verbindung der Platine 7 mit einem übergeordneten System. Außer durch die Konfiguration derT- förmigen ferromagnetischen Struktur 2 unterscheidet sich die hier gezeigte Ausführungsform von der in Fig. 7 dargestellten durch die andersartige Anordnung der Platine 7 relativ zu den übrigen Komponenten des Stromsensors 1. Die Platine 7 ist hier zum Teil mit in die Aussparung in der Stromschiene 4 eingeführt. Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 , der in eine Stromschiene 4 eingesetzt ist, analog zu Fig. 8. Von der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform unterscheidet sich die hier gezeigte Ausführungsform durch die Anordnung der Platine 7, die über Anschlusspins 33 mit dem Magnetfeldsensor 3 verbunden ist. Die Anordnung der Platine entspricht der in Fig. 9 gezeigten. Die Platine 7 ist hier zum Teil mit in die Aussparung 40 in der Stromschiene 4 eingeführt.

Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 , der in eine Stromschiene 4 eingesetzt ist. Die Darstellung entspricht weitgehend einer perspektivischen Ansicht der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform. Lediglich für den Magnetfeldsensor 3 in der Fig. 9 sind in der Fig. 11 alternative Positionen 31 , 32 gezeigt. Ferner ist noch eine Richtung 100 eines Stromflusses durch die Stromschiene 4 dargestellt.

Fig. 12 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor 1, welcher weitgehend der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform entspricht. Zusätzlich zu der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist der Stromsensor 1 hier in ein Gehäuse 8 eingeschlossen. Lediglich die Anschlusspins 71 zur Verbindung der Platine 7 mit einem übergeordneten System sind von außerhalb des Gehäuses 8 zugänglich. Das Gehäuse 8 ist hier ebenfalls T-förmig, und der Stamm des T ist in die Aussparung in der Stromschiene 4 eingesetzt. Zu den übrigen dargestellten Elementen sei auf die Beschreibung der Fig. 7 verwiesen.

Fig. 13 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor 1 , welcher weitgehend der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform entspricht, bis auf eine alternative Position für den Magnetfeldsensor 3. Zusätzlich zu der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform ist der Stromsensor 1 hier in ein Gehäuse 8 eingeschlossen. Lediglich die Anschlusspins 71 zur Verbindung der Platine 7 mit einem übergeordneten System sind von außerhalb des Gehäuses 8 zugänglich. Das Gehäuse 8 ist hier kreuzförmig, und der Stamm ist in die Aussparung in der Stromschiene 4 eingesetzt. Zu den übrigen dargestellten Elementen sei auf die Beschreibung der Fig. 9 verwiesen.

Fig. 14 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 mit Gehäuse 8. Das Gehäuse 8 ist in eine Stromschiene 4 eingesetzt. Von dem Stromsensor 1 ist ein L-förmiges ferromagnetisches Element 20 dargestellt, sowie Anschlusspins 33 eines hier verdeckten Magnetfeldsensors, um den Magnetfeldsensor mit eines Platine 7 zu verbinden. Lediglich Anschlusspins 71 zur Verbindung der Platine 7 mit einem übergeordneten System sind von außerhalb des Gehäuses 8 zugänglich. Ferner ist noch eine Richtung 100 eines Stromflusses durch die Stromschiene 4 dargestellt.

Fig. 15 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 mit Gehäuse 8. Der wesentliche Unterschied zu der in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform ist die Anordnung der Platine 7.

Fig. 16 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1 mit Gehäuse 8. Der Stromsensor 1 samt Gehäuse 8 ist hier in eine Stromschiene 4 eingesetzt, die einen gewinkelten Verlauf aufweist. Zum Stromsensor 1 sind noch Platine 7 und Anschlusspin 33 zur Verbindung der Platine 7 mit einem Magnetfeldsensor gezeigt. Der Magnetfeldsensor ist von einem der L-förmigen ferromagnetischen Elemente 20 verdeckt. Die Platine 7 ist über Anschlusspin 71 mit einer übergeordneten Platine 300 verbunden.

Bezugszeichenliste

1 Stromsensor

2 T-förmige ferromagnetische Struktur

3 Magnetfeldsensor 4 elektrischer Leiter (Stromschiene)

5 Luftspalt

7 Platine

8 Gehäuse

20 L-förmiges ferromagnetisches Element 21 erster Schenkel

22 zweiter Schenkel

23 ferromagnetisches Abschlusselement

25 Hauptteil (der T-förmigen Struktur)

31 alternative Position (Stromsensor) 32 alternative Position (Stromsensor)

33 Anschlusspin

40 Aussparung (in Stromschiene)

51 Luftspalt

52 Luftspalt 71 Anschlusspin

100 Strom richtung

300 übergeordnete Platine