Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von elektrischem Strom, mit einer Spule mit ringförmigem Kern, der von wenigstens einem Leiter für den zu messenden Strom durchflössen wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Begriff des ringförmigen Kerns ist dabei so zu verstehen, dass allgemein ein Kern mit einer Oberfläche, die topologisch eine Fläche vom Geschlecht 1 ist, das heißt, die ein Loch besitzt, gemeint ist. Der Leiter für den zu messenden Strom ist durch das Loch geführt.

Mit anderen Worten, betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen von elektrischem Strom, mit einer auf einen Kern gewickelten Messspule, wobei der Kern von wenigstens einem Leiter für den zu messenden Strom durchquert wird

Gattungsgemäße Vorrichtungen sind zum Beispiel Stromwandler und induktive Stromsensoren und sind beispielsweise aus der DE 694 03 466 T2 bekannt.

Sie umfassen eine Induktivität mit geschlossenem oder nahezu geschlossenem, ringförmigen Wicklungsträger, auch als Kern bezeichnet, mit mindestens einer den Kern ganz bedeckenden, ein- oder mehrlagigen Drahtwicklung hoher Windungszahl, typischerweise einige Hundert bis Tausend. Solche Induktivitäten können bei Stromsensoren eine oder mehrere weitere Wicklungen enthalten, z.B. eine Primärwicklung oder einen vom Kern umschlossenen Primärleiter, was dann nur einer Primärwindung entspricht.

Der Spulenkern kann je nach Anwendung aus ferromagnetischem oder aus nicht fer- romagnetischem Material bestehen und entweder vollständig geschlossen sein oder, etwa im Fall von ferromagnetischem Material, einen oder mehrere den Kern ganz oder teilweise durchschneidenden Luftspalte besitzen. Gattungsgemäße Vorrichtungen verwenden oft einen kreisförmigen Ringkern. Damit kann eine vollständige Kernbedeckung erzielt werden, die einer besseren Wicklungshomogenität bei geringerer Streuinduktivität entspricht. Der Wickelprozess auf dem geschlossenen Kern erfolgt auf Standard-Ringkernwickelmaschinen, ist jedoch zeitaufwändig und nur für kreisförmige oder quadratische Leiterquerschnitte geeignet, und insbesondere nicht an flache Stromschienen angepasst.

Zunehmend werden auch Primärleiter in Form flacher Stromschienen verwendet.

Bei spezieller Anpassung eines Stromwandlers an einen flachen Primärleiter, z.B. für Anwendung in Stromschienen von Schaltanlagen oder in Leistungskonvertern, sind Stromwandler mit einem Kern bekannt, der eine stadionförmige Umfangskontur aufweist.

Ein solcher Kern, auch als „Ovalkern" bezeichnet, hat zwei gegenüberliegende Geradenstücke, die an beiden freien Enden jeweils durch einen Halbkreisbogen verbunden sind. Dabei kann der flache Primärleiter in den Raum zwischen den beiden parallelen Geradenstücken gut aufgenommen werden und ihn gut ausfüllen, und der ganze Kern kann bewickelt werden.

Allerdings sind besondere Wickelmaschinen mit spezieller Führung und Regelung erforderlich für den Kerntransport während der Bewicklung, realisiert beispielsweise über am Kern angreifende Antriebs- und Führungswellen oder -Riemen. Es ergibt sich oft eine stark schwankende Lagenzahl längs des Kernumfangs, die den Wickelprozess erschwert, und es steht wenig Platz für den Wickelkopf mit dem Drahtmagazin im Kerninnern zur Verfügung. Dadurch ergeben sich höhere Wickelkosten, und das Seitenverhältnis ist limitiert durch die Windungszahl und den erforderlichen Platz für das Drahtmagazin. Solche bekannten Stromwandler weisen Windungsinhomogenitäten auf und sind aufwändig herzustellen, insbesondere bei großen Wicklungsquerschnitten. Auch sind aufgrund des sprunghaft veränderlichen Kern-Krümmungsradius, beispielsweise am Übergang von den Geradenstücken auf den Kreisbogen, hohe Anforderungen an den Transportmechanismus der Spezial-Wickelmaschine zu stellen um einigermaßen konstante Wicklungsdichten zu erzielen.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine gattungsgemäße Vorrichtung so zu verbessern, dass sie zur Aufnahme von Primärleitern in Form flacher Stromschienen geeignet und dabei mit hoher Wicklungshomogenität auf Standard- Ringkernwickelmaschinen herstellbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gattungsgemäße Vorrichtung, bei der der Kern die form eines ovalen Toms hat. Der Begriff Oval wird hier verstanden als Bezeichnung für eine ebene geometrische Figur, deren Definition alle Ei-Formen, als Spezialfall eine Ellipse, nicht aber einen Kreis oder eine Stadionform umfasst.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Aufgabe gelöst durch eine gattungsgemäße Vorrichtung, wobei der Kern die Form eines näherungsweise ellipti- sehen Toms hat.

Ein Toms ist ein Körper, bei dem eine Querschnittsfläche mit einer durch eine geschlossene Kurve dargestellten Umfangskontur längs einer in sich geschlossenen Verschiebekurve verschoben ist, wobei die Verschiebekurve durch den Schwerpunkt der Querschnittsfläche verläuft und senkrecht zu der Querschnittsfläche steht. Im einfachsten Fall eines kreisringförmigen Toms ist die Querschnittsfläche ein Kreis, der um eine Achse, die in der Kreisebene, aber außerhalb des Kreises, liegt, rotiert wird. Die Verschiebekurve ist dann ebenfalls ein Kreis. Ein solcher Toms ist ein vollständig gekrümmter Kreiszylinder, dessen Mantelfläche und Volumen sich während des knickfreien Biegens zum Toms nicht verändern. Die Querschnittsfläche kann auch ein Rechteck sein, man spricht dann von einem flachen Toms.

Erfindungsgemäß hat in einer bevorzugten Ausführungsform die Verschiebekurve näherungsweise die Form einer Ellipse. Man spricht dann von einem näherungsweise elliptischen Toms. Als Ellipse wird hier eine langgestreckte Ellipse verstanden, eine geschlossene, glatte Kurve ohne Selbstüberschneidung, die eine Exzentrizität ungleich Null aufweist. Die Exzentrizität ist definiert als der Abstand der Brennpunkte der Ellipse von ihrem Mittelpunkt. Eine Ellipse mit einer Exzentrizität von Null wäre ein Kreis.

Ein erfindungsgemäßer Kern in Form einer näherungsweisen, langgestreckten Ellip- se hat keine ausgeprägten geraden Abschnitte. Der erfindungsgemäße Kern in Form einer näherungsweisen Ellipse unterscheidet sich von einem stadionförmigen Kern durch das vollständige Fehlen gerader Abschnitte. Unter dem Begriff der näherungsweisen Ellipse soll nicht nur eine Form verstanden werden, die der mathematischen Ellipsengleichung genügt, sondern auch beispielsweise eine eiförmige Form, mithin alle ovalen Formen, nicht aber eine Kreisform und auch nicht eine Stadion- form.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat der Kern die Form eines näherungsweise elliptischen Torus mit einer rechteckigen Querschnittsfläche.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat der Kern die Form eines näherungsweise elliptischen Torus mit einer runden Querschnittsfläche. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat der Kern die Form eines näherungsweise elliptischen Torus mit einer gestuften Querschnittsfläche. Bei dieser Ausführungsform ist die Umfangskontur der Querschnittsfläche gewissermaßen ein durch eine gestufte, geschlossene Kurve angenäherter Kreis..

Aufgrund der langgestreckten Ellipsenform eignet sich ein erfindungsgemäßer Stromwandler gut für flache Stromschienen oder längliche Einbauräume.

Das Fehlen von geraden Kernabschnitten bewirkt eine verbesserte mechanische Stabilität bei Ringbandkernen aufgrund des immer konvexen Krümmungsradius des Bandmaterials.

Ein erfindungsgemäßer Stromwandler eignet sich zum Bewickeln des Kerns auf Standard-Ringkernwickelmaschinen, gegebenenfalls nach geringfügigen Anpassungen am Antriebsrad oder der Geschwindigkeitsregelung. Damit wird er sehr kostengünstig herstellbar. Es entfällt die Notwendigkeit, eine spezielle Bandwickelmaschine zu verwenden, wie es beispielsweise bei den bekannten Kernen mit stadionförmiger Gestalt nötig ist. Verbessert ist bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Stromwandlerkerns auch die Führung und Konstanz der Vorschubgeschwindigkeit des Kern-Transportmechanismus aufgrund der geringeren Variation des Krümmungsradius, verbleibende Schwankungen können gegebenenfalls einfach ausgeregelt werden.

Die geringe Variation des Krümmungsradius bei einem erfindungsgemäßen Strom- wandlerkern bewirkt auch eine bessere Wicklungshomogenität und eine geringere Schwankung der Lagenzahl, was insbesondere für induktive Stromsensoren mit nichtmagnetischem Kern z. B. Rogowskisensoren, für eine geringe Störfeldempfind- lichkeit von Bedeutung ist. Es kann eine vollständige Kernbedeckung erreicht werden, und es steht mehr Platz für die Aufnahme des Wickelkopfes beziehungsweise des Wickelmagazins zur Verfügung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt das Verhältnis der langen zur kurzen Halbachse der Ellipse zwischen 1 ,05 und 5.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt das Verhältnis der langen zur kurzen Halbachse der Ellipse zwischen 1 ,1 und 1 ,5.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Kern aus ferromagnetischem Material und weist wenigstens einen Luftspalt auf. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich der Luftspalt auf oder nahe der kurzen Halbachse der Ellipse. Dadurch ergeben sich geringere Streuflussamplituden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung durchschneidet der Luftspalt den Kern teilweise. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung durchschneidet der Luftspalt den Kern vollständig.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Kern aus nicht ferromagnetischem Material.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Luftspalt in radialer Richtung un- terschiedliche Breiten auf.

Ein Kern in der Art, wie er für einen erfindungsgemäßen Stromwandler gestaltet ist, lässt sich darüber hinaus auch für andere Anwendungsfälle vorteilhaft einsetzen, beispielsweise bei Drosseln, Leistungstransformatoren und induktiven Messwandlern, also Strom- und Spannungs-Transformatoren, mit magnetischem Kern wobei der Kern mit oder ohne Luftspalt ausgeführt sein kann, sowie bei Spulen mit nicht- ferromagnetischen Kern, wie z.B. bei Rogowskispulen.

Ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst sind weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Stromwandlers mit einer Spule, die einen Magnetkern mit durchgehendem, abgestuftem, d.h. in Radial- oder Axialrichtung unterschiedliche Breiten aufweisenden, oder partiellem Luftspalt aufweist, sowie Ausführungsformen mit einem Magnetkern ganz ohne Luftspalt. Ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst sind weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Stromwandler mit einer Spule mit unmagnetischem Kern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Figur 1 einen elliptischen Kern eines erfindungsgemäßen Stromwandlers im Schnitt parallel zur Ellipsenfläche, sowie

Figur 2 einen elliptischen Kern mit partiellem Luftspalt eines erfindungsgemäßen Stromwandlers, in der Ansicht aus der Richtung der kleinen Halbachse.

Figur 1 zeigt einen Schnitt parallel zur Ellipsenfläche eines erfindungsgemäßen ellip- tischen oder nahezu elliptischen Kerns 1 ohne ausgeprägte gerade Abschnitte, wie er in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt wird. Sie hat die Form eines ovalen Toms, genauer eines elliptischen Torus, hier mit einer rechteckförmigen Querschnittsfläche und einer Verschiebekurve in Form einer Ellipse.

Durch die toroidale Gestalt entsteht im Innenraum des Kerns eine ebenfalls langge- streckt elliptisch geformte Öffnung 2, durch die eine flache Stromschiene als Primärleiter sehr gut hindurchgeführt werden kann. Die große Halbachse ist mit b und die kleine Halbachse ist mit a bezeichnet. Die Länge der großen Halbachse bezogen auf die langgestreckt elliptische Außenkontur des Kerns 1 ist mit den Maßlinien b1 bezeichnet, die Länge der großen Halbachse bezogen auf die langgestreckt elliptische Innenkontur ist mit dem Maßpfeil b2 bezeichnet, die Länge der kleinen Halbachse bezogen auf die langgestreckt elliptische Außenkontur des Kerns 1 ist mit der Maßlinie a1 bezeichnet, und die Länge der kleinen Halbachse bezogen auf die langgestreckt elliptische Innenkontur ist mit der Maßlinie b2 bezeichnet. Das Längenverhältnis der großen zu der kleinen Halbachsen liegt zwischen 1 ,05 und 5, bevorzugt zwischen 1.1 und 1 ,5. In Verlängerung der kleinen Halbachse a befindet sich in dem Kern ein durchgängiger Luftspalt 3. Dadurch ergeben sich geringe Streuflussamplituden. Die Richtung des Streuflusses ist mit dem Pfeil S bezeichnet.

Figur 2 zeigt einen elliptischen Kern wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 , in der Ansicht aus der Richtung der kleinen Halbachse. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach Fig. 1 hat dieser Kern in Fig. 2 einen nur partiellen Luftspalt.ln der Ausführungsform gemäß der Figur 2 ist der Luftspalt 3' nicht durchgängig durch die ganze Dicke h des torusförmigen Kerns 1', sondern er hat eine geringere Eindringtiefe, die mit dem Maßpfeil d bezeichnet ist. Die Spaltbreite ist mit dem Maßpfeil g be- zeichnet.

Man erkennt in der Fig. 2 die rechteckigförmige Querschnittsfläche 1 ' des elliptischen Torus. Ebenso ist es denkbar, dass in einer weiteren Ausführungsform der elliptische Torus eine runde Querschnittsfläche hat, oder sogar eine elliptische oder allgemein ovale Querschnittsfläche. Die vorliegende Erfindung umfasst dabei auch beliebige Kombinationen bevorzugter Ausführungsformen sowie einzelner Ausgestaltungsmerkmale oder Weiterbildungen, sofern diese sich nicht gegenseitig ausschließen.