Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms sowie ein elektrisches System mit solch einer Vorrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms, wobei die Vorrichtung einen Magnetfeldsensor und einen Magnetfeldkonzentrator aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, wobei der Magnetfeldkonzentrator zwei Schenkel und ein Mittelteil aufweist und derartig u- förmig ausgebildet ist, dass ein Luftspalt zwischen den zwei Schenkeln gebildet ist, in welchem der Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei der Stromleiter zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Mittelteil des Magnetfeldkonzentrators durch die Vorrichtung durchführbar ist.

Dem Fachmann sind bereits entsprechende Vorrichtungen bekannt. Bei diesen Vorrichtungen sind die Schenkel des Magnetfeldkonzentrators parallel ausgerichtet und weisen einen 90° Winkel zum Mittelteil auf. Hierdurch haben diese Vorrichtungen die Problematik, dass trotz des Magnetfeldkonzentrators das Magnetfeld im Luftspalt leicht inhomogen ist, da die Magnetfeldstärke mit größerem Abstand zum Stromleiter leicht abnimmt.

Da der Magnetfeldsensor mit einer gewissen Toleranz eingebaut wird, bedarf es hierdurch wiederum einer Kalibrierung jeder Vorrichtung nach deren Herstellung, damit der Strom korrekt messbar ist.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms, wobei die Vorrichtung einen Magnetfeldsensor und einen Magnetfeldkonzentrator aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, wobei der Magnetfeldkonzentrator zwei Schenkel und ein Mittelteil aufweist und derartig u- förmig ausgebildet ist, dass ein Luftspalt zwischen den zwei Schenkeln gebildet ist, in welchem der Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei der Stromleiter zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Mittelteil des Magnetfeldkonzentrators durch die Vorrichtung durchführbar ist.

Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass ein Abstand zwischen den zwei Schenkeln zum offenen Ende des Magnetfeldkonzentrators hin abnehmend ausgestaltet ist

Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die entsprechende Ausgestaltung des Magnetfeldkonzentrators das Magnetfeld innerhalb des Luftspalts in seiner Homogenität nochmals verbessert wird. Dies hat zur Folge, dass beim Anordnen des Magnetfeldsensors innerhalb des Luftspalts größere Toleranzen erlaubt sind und folglich nach Fertigung der Vorrichtung keine weitere Kalibrierung Vorrichtung notwendig ist. Hierdurch können die Herstellungskosten der Vorrichtung reduziert und zudem zuverlässigere Messungen des Stroms ermöglicht werden.

Bedingt wird diese verbesserte Homogenität durch zwei Einflüsse auf das Magnetfeld, welche sich erfindungsgemäß aufheben.

So kann das Magnetfeld innerhalb des Luftspalts wie folgt bestimmt werden: wobei B die magnetische Flussdichte, . _o die magnetische Feldkonstante, I der Strom und d der Abstand der Schenkel und somit die Breite des Luftspalts darstellt.

Der zweite Einfluss auf das Magnetfeld wird durch die Entfernung zum Stromleiter bestimmt. So nimmt die Magnetfeldstärke mit größerer Entfernung zum Stromleiter ab.

Folglich wird die Magnetfeld- Reduzierung aufgrund der größer werdenden Entfernung zum Stromleiter durch die Verstärkung des Magnetfelds aufgrund des zum offenen Ende des Magnetfeldkonzentrators hin entsprechend kleiner werdenden Luftspalts ausgeglichen. Als Magnetfeldkonzentrator ist ein Bauteil zu verstehen, welches ein Magnetfeld bündeln und führen kann. Hierbei wird der Magnetfeldkonzentrator typischerweise aus einem ferromagnetischen Material hergestellt.

Der Magnetfeldsensor kann beispielweise als Hallsensor, als AMR-Sensor, als GMR- Sensor oder auch als TM -Sensor ausgestaltet sein. Der Sensor ist hierbei insbesondere derartig im Luftspalt des Magnetfeldkonzentrators angeordnet, dass mittels des Sensors bevorzugt ein Magnetfeld parallel zur Haupterstreckungsebene des Mittelteils des Magnetfeldkonzentrators, sprich von einem Schenkel zum anderen Schenkel, erfassbar ist. In Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke kann dann auf den durch den Stromleiter fließenden Strom geschlossen werden, da dieser fließende Strom ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt.

Der Stromleiter kann beispielsweise als elektrische Kabel oder auch als Stromschiene ausgestaltet sein.

Als Abstand zwischen den beiden Schenkeln des Magnetfeldkonzentrators ist hierbei die Strecke innerhalb des vom Magnetfeldkonzentrator gebildeten Luftspalts zu verstehen, welcher sich zwischen den beiden Schenkel befindet. Diese Strecke verläuft hierbei insbesondere parallel zur Haupterstreckungsebene des Mittelteils des Magnetfeldkonzentrators.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zwei Schenkel jeweils im Wesentlichen geradlinig ausgebildet sind.

Vorteilhaft ist hierbei, dass diese Ausgestaltung eine im Wesentlichen lineare Zunahme der Magnetfeldstärke zum offenen Ende des Magnetfeldkonzentrators hin bewirkt, welche durch die weitere Entfernung vom Stromleiter wieder entsprechend ausgeglichen wird. Hierdurch wird folglich ein besonders homogenes Magnetfeld erhalten.

Unter im Wesentlichen geradlinig ausgestaltet ist zu verstehen, dass die Schenkel nahezu komplett gerade sind, jedoch beispielsweise im Bereich des Übergangs zum Mittelteil eine leichte Biegung aufweisen können. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die zwei Schenkel einen Winkel zwischen 2° und 40°, insbesondere zwischen 5° und 20°, einschließen. Vorteilhaft ist hierbei, dass dies besonders geeignete Werte für den entsprechenden Winkel darstellen, um ein möglichst homogenes Magnetfeld zu erhalten.

Als eingeschlossener Winkel ist hierbei der Winkel zu verstehen, welcher zwischen den beiden imaginär verlängerten Schenkeln liegt und folglich den Schnittwinkel darstellt. Die Wahl des Winkels ist hierbei insbesondere abhängig von der Länge des Mittelteils und dem dadurch gebildeten Abstand im Luftspalt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zwei Schenkel gleichschenklig ausgebildet sind.

Vorteilhaft ist hierbei, dass wiederum eine besonders gute Homogenität des Magnetfelds erhalten wird.

Die Erfindung betrifft zudem ein elektrisches System mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das elektrische System einen Stromleiter aufweist, wobei der Stromleiter des elektrischen Systems zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Mittelteil des Magnetfeldkonzentrators durch die Vorrichtung durchgeführt ist.

Ein solch elektrisches System kann beispielsweise eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Synchronmaschine, mit einem Wechselrichter sein. Hierbei kann der Stromleiter zum Beispiel eine Phase des Wechselrichters sein, wodurch der entsprechende Phasenstrom messbar ist.

Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms nach dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms in einer Schnittdarstellung. Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms nach dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung. Dargestellt ist eine Vorrichtung. Die Vorrichtung weist einen Magnetfeldsensor 20 und einen Magnetfeldkonzentrator 30 auf und ist dazu eingerichtet, eine Magnetfeldstärke mittels des Magnetfeldsensors 20 zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Magnetfeldstärke den Strom zu bestimmen, welcher durch einen Stromleiter 100 fließt. Hierbei weist der Magnetfeldkonzentrator 30 zwei Schenkel 32 und ein Mittelteil 34 auf und ist derartig u-förmig ausgebildet, dass ein Luftspalt 36 zwischen den zwei Schenkeln 32 gebildet ist, in welchem der Magnetfeldsensor 20 angeordnet ist, wobei der Stromleiter 100 zwischen dem Magnetfeldsensor 20 und dem Mittelteil 34 des Magnetfeldkonzentrators 30 durch die Vorrichtung 10 durchgeführt ist. Die Schenkel 32 sind hierbei parallel zueinander ausgerichtet und weisen folglich einen konstanten Abstand 38 zueinander auf. Der Magnetfeldsensor 20 ist dabei herstellungstoleranzbedingt innerhalb eines gewissen Bereichs 22 angeordnet.

Zudem ist das durch den im Stromleiter 100 fließenden Strom verursachte und in Verbindung mit dem Magnetfeldkonzentrator geführte Magnetfeld als gestrichelte Magnetfeld-Linien dargestellt. Insbesondere ist hierbei zu erkennen, dass das Magnetfeld im Bereich 22, in welchem der Magnetfeldsensor 20 angeordnet ist, weiterhin eine leichte Inhomogenität aufweist, welche sich durch ein nicht durchgehend paralleles Magnetfeld äußert. Dies hat zur Folge, dass der Magnetfeldsensor 20, je nach Anordnung im Bereich 22 ein leicht unterschiedliches Messergebnis liefert.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines durch einen Stromleiter fließenden Stroms in einer Schnittdarstellung.

Dargestellt ist eine Vorrichtung 10, welche sich von der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung dadurch unterscheidet, dass der Abstand 38 zwischen den zwei Schenkeln 32 zum offenen Ende des Magnetfeldkonzentrators 30 hin abnehmend ausgestaltet ist. Insbesondere sind hierbei die zwei Schenkel 32 jeweils im Wesentlichen geradlinig ausgebildet. Des Weiteren schließen die zwei Schenkel 32 bevorzugt einen Winkel zwischen 2° und 40° ein, besonders bevorzugt zwischen 5° und 20°. Des Weiteren sind die zwei Schenkel 32 insbesondere gleichschenklig ausgestaltet.

Zudem ist wiederum das durch den im Stromleiter 100 fließenden Strom verursachte und in Verbindung mit dem Magnetfeldkonzentrator 30 geführte Magnetfeld als gestrichelte Magnetfeld-Linien dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass das Magnetfeld im Bereich 22 eine deutlich bessere Homogenität aufweist als dies bei Fig. 1 der Fall ist, was bedeutet, dass in diesem Bereich die Magnetfeldlinien nahezu überall parallel verlaufen und folglich eine konstante Magnetfeldstärke vorherrscht. Dies hat zur Folge, dass der Magnetfeldsensor 20, egal wo er im Bereich 22 angeordnet ist, ein nahezu identisches Messergebnis liefert.