DE102005028572B4

DE102005028572B4 - Stromsensoranordung mit einem Magnetkern

Info

Publication number: DE102005028572B4
Application number: DE200510028572
Authority: DE
Inventors: Jiivan Kapoor; Friedrich Lenhard
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2025-06-22
Also published as: DE102005028572A1

Abstract

Stromsensoranordnung nach dem Kompensationsprinzip mit einem Magnetkern (1, 2, 3) mit einem Luftspalt (8), der zwischen zwei freien Schenkeln (2, 3) des Magnetkerns gebildet ist, wobei der Luftspalt durch wenigstens einen mit beiden Schenkeln überlappenden Jochkörper überbrückt ist, mit wenigstens einer den Magnetkern (1, 2, 3) durchsetzenden Primärwicklung (12), wobei der Jochkörper (6, 7) zu den Schenkeln (2, 3) einen Abstand zwischen 1 μm und 400 μm aufweist, die Primärwicklung (12) eine erste Kompensationswicklung (9) umgibt, eine zweite Kompensationswicklung (10) auf der der ersten Kompensationswicklung (9) gegenüberliegenden Seite des Magnetkerns (1) vorgesehen ist, und die erste Kompensationswicklung (9) zwischen 60% und 90% der Gesamtwindungszahl der ersten und der zweiten Kompensationswicklung (9, 10) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern mit einem Luftspalt, der zwischen zwei freien Schenkeln gebildet ist.
Stromsensoranordnungen werden in der Technik in vielerlei Anwendungen zur Messung von elektrischen Strömen mit unterschiedlichen Effizienz- und Genauigkeitsanforderungen eingesetzt. Es besteht der Wunsch, zu niedrigem Preis zuverlässige Stromsensoren zur Verfügung zu haben, die insbesondere auch möglichst kompakt gebaut sein sollen. Solche Stromsensoren können einerseits nach dem passiven Wandlerprinzip arbeiten, nach Art eines Transformators, dessen Primärwicklung den zu messenden Strom führt, während die Sekundärwicklung einen hierzu proportionalen Sekundärstrom zur Verfügung stellt. Es ist aber ebenso bekannt, sogenannte Kompensationswandler einzusetzen, die außer der Primärwicklung für den zu messenden Strom eine Sekundärwicklung tragen, mit der in einen Magnetkern, der von der Primärwicklung durchsetzt ist, ein Gegenfeld eingebracht wird, welches das vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld kompensiert.
Aus der EP 05 10 376 A1 ist ein Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip bekannt, wobei der Sensor einen Magnetkern, eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung und eine elektrische Schaltung zur Ansteuerung der Sekundärwicklung aufweist. Der Magnetkern weist zwei freie Schenkel auf, die im Bereich eines Luftspalts aneinander stoßen, wobei im Luftspalt ein Magnetfeldsensor angeordnet ist, der eine elektrische Ausgangsgröße in Abhängigkeit von der gemessenen Magnetfeldstär ke im Luftspalt liefert. Die elektrische Schaltung steuert aufgrund der Ausgangsgröße des Magnetfeldsensors die Kompensationswicklung (Sekundärwicklung) derart an, dass das Magnetfeld im Luftspalt auf null geregelt wird.
Derartige Kompensationsstromsensoren arbeiten auch bei Gleichstrom oder sehr niederfrequenten Strömen. In diesem Bereich kann die elektrische Schaltung das Magnetfeld im Luftspalt ausreichend schnell auf null regeln. Bei sehr hohen Frequenzen des zu messenden Stroms gelingt diese Regelung des Magnetfeldes zunehmend schlechter und außerdem stellt sich eine starke Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung über magnetische Effekte ein, so dass bei höheren Frequenzbereichen der Wandler als passiver Stromwandler arbeitet. Für diese Funktion bei sehr hohen Frequenzen ist es vorteilhaft, wenn der Kern einen möglichst kleinen Luftspalt aufweist. Dabei muss jedoch gewährleistet werden, dass ein noch genügender Streufluss bei niedrigen Frequenzen vorhanden ist, der für die Messung des Magnetfeldsensors, beispielsweise eines Hallsensors oder einer magnetischen Sonde, ausreicht.
Es gilt daher für die Gestaltung des Magnetkerns einer Stromsensoranordnung einen Kompromiss zwischen ausreichendem Streufluss und genügend geringem magnetischen Widerstand bei hohen Frequenzen zu finden.
Beispielsweise in der EP 05 10 376 A1 ist ein gestufter Luftspalt beschrieben, der einen sehr engen Bereich mit geringem magnetischen Widerstand und einen weiteren Bereich zur Aufnahme eines Magnetfeldsensors aufweist. Um den Einfluss von Fremdfeldern auf den Magnetfeldsensor im Luftspalt zu verringern, wird dort vorgeschlagen, eine taschenartige Ausnehmung der freien Schenkel des Magnetkerns auszubilden, in der der Magnetfeldsensor abgeschirmt arbeitet.
Aus der EP 10 100 14 B1 ist eine besonders einfache Bauart derartiger Magnetkerne bekannt, nämlich der sogenannte Faltkern. Derartige Faltkerne werden aus einem weichmagnetischen Material in Strangform derart ein- oder mehrfach gebogen, dass die gewünschte Magnetkernform entsteht. Dabei kann durch die Faltung relativ einfach und kostengünstig die gewünschte Form eingestellt werden. Die Dicke des Magnetkerns wird dann vorwiegend durch die Anzahl der Faltlagen bestimmt. Derartige Magnetkerne können auch aus mehreren gefalteten Teilen zusammengesetzt werden. Besonders einfach ist es auch, durch die beschriebene Herstelltechnik abgeschirmte Bereiche zwischen verschiedenen Faltlagen, insbesondere im Bereich der freien Schenkel des Magnetkerns, zur Aufnahme eines Magnetfeldsensors zu bilden.
In DE 42 02 296 A1 ist ein Strommessfühler beschrieben, bei dem sich der Magnetfeldsensor in einem Einschnitt eines geschlossen ausgeführten schleifenartigen Kerns befindet.
In DE 100 03 38 A1 ist ein Stromsensor beschrieben, bei dem eine Primärwicklung durch sich gegenüberliegende Teile einer Sekundärwicklung geführt ist. In einer anderen in DE 100 03 638 A1 beschriebenen Anordnung ist die Sekundärwicklung von der Primärwicklung beabstandet umgeben.
Aus der DE OS 38 35 100 A1 ist es bekannt, für einen Stromsensor einen Magnetkern zu schaffen, dessen freie Schenkel durch einen Jochkörper überbrückt sind. Dabei ist der Jochkörper in eine Spule eingelegt, die den Luftspalt zwischen den freien Schenkeln überdeckt. Durch den Jochkörper soll die Messgenauigkeit insbesondere im Bereich höherer Frequenzen verbessert werden. Baubedingt weist der Jochkörper dort jedoch einen großen Abstand von dem Körper des Magnetkerns auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern der eingangs genannten Art die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein optimiertes Verhalten bei Messungen sowohl im niederfrequenten als auch im hochfrequenten Bereich bei kompakter Bauform zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 für eine Stromsensoranordnung gelöst.
Durch den genannten Abstand des Jochkörpers zu den Schenkeln des Magnetkerns wird ein magnetischer Widerstand hergestellt, der für das Verhalten bei hohen Frequenzen genügend klein ist und der dennoch aufgrund der Form mit dem Luftspalt zwischen den Schenkeln einen ausreichenden Streufluss im niederfrequenten Bereich zum Betrieb einer Magnetfeldsonde mit entsprechender Magnetfeldkompensationsvorrichtung gewährleistet.
Die Bauform als Faltkern ist einerseits besonders kostengünstig und lässt andererseits im Produktionsprozess die besonders einfache Einstellung auf besondere Anforderungen an die Form zu.
Durch das Vorsehen eines taschenförmigen Zwischenraums beispielsweise zwischen mehreren Faltlagen kann dort ein Magnetfeldsensor mit geringem Fremdfeldeinfluss und entsprechend hoher Genauigkeit betrieben werden, wodurch die Messgenauigkeit einer Stromsensoranordnung verbessert wird.
Eine besonders effektive Verminderung des magnetischen Widerstandes wird dadurch erreicht, dass ein oder mehrere L-förmige Jochkörper vorgesehen sind, die an einen entsprechend rechtwinklig geformten Magnetkern eng angelegt werden können. Dabei kann zur Einhaltung des genannten Mindestabstandes zwischen dem Jochkörper und dem Magnetkern die Zwischenlage einer Folie vorgesehen sein. Der Abstand kann auch mittels nicht magnetischer Oxidschichten auf dem Magnetkern oder dem Jochkörper eingehalten werden.
Der beschriebene Magnetkern wird in einer Stromsensoranordnung verwendet, die nach dem Magnetfeldkompensationsprinzip arbeitet. Dazu wird eine Primärwicklung, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Strombügel, vorgesehen, die den ringförmigen Magnetkern umgeben sowie eine Sekundär- oder Kompensationswicklung, die den Magnetkern ebenfalls umgibt und das Induzieren eines Kompensationsfeldes erlaubt, mit dem die Magnetfeldstärke im Luftspalt auf null geregelt werden kann.
Die Wirkung der Stromsensoranordnung wird effektiv dadurch verbessert, dass eine zweite Kompensationswicklung auf der der ersten Kompensationswicklung gegenüberliegenden Seite des Magnetkerns vorgesehen ist. Hierdurch kann der Magnetkern homogener ausgesteuert werden.
Es ist vorgesehen, dass die Primärwicklung die erste Kompensationswicklung umgibt. Hierdurch lassen sich insbesondere sehr kompakte Bauformen beim Einbau der Stromsensoranordnung erreichen. Es kann dann zur Verhinderung von störenden Kopplungen vorteilhaft vorgesehen sein, die erste Kompensationswicklung durch Zwischenlage einer Magnetfeldabschirmung zwischen der Primärwicklung und der ersten Kompensationswicklung abzuschirmen.
Die Windungszahl der ersten Kompensationswicklung beträgt zwischen 60 und 90% der Gesamtwindungszahl der Kompensationswicklungen.
Eine hohe Messgenauigkeit ist bereits dann gewährleistet, wenn die Wicklungsdichte der ersten Kompensationswicklung wesentlich höher ist als die der zweiten Kompensationswicklung, insbesondere wenigstens 20% höher.
Mit den beschriebenen Maßnahmen lässt sich insbesondere das dynamische Verhalten eines Stromsensors (Steg Response), das in Abhängigkeit unvermeidlicher, mechanischer Toleranzstreuungen auftreten kann, verbessern. Bei kompakter Bauform lässt sich damit eine optimierte Sensormessgenauigkeit erreichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
1 die typische Gestaltung eines Faltkerns,
2 eine Stromsensoranordnung nach dem Kompensationsprinzip gemäß der Erfindung,
3 einen Faltkern mit Jochkörper,
4 ein hufeisenförmiger Kern mit Jochkörper.
1 zeigt einen Faltkern 1 mit freien Schenkeln 2, 3, die einen taschenförmigen Zwischenraum 4 begrenzen, in dem ein Magnetfeldsensor 5 angeordnet ist. Der Faltkern besteht typischerweise aus einem hochpermeablen magnetischen Werkstoff.
An den rechteckig gebogenen Faltkern 1 sind zwei L-förmige Jochkörper 6, 7 derart angelegt, dass sie den Luftspalt 8 überdecken. Zwischen dem inneren, 6, der L-förmigen Jochkörper und dem Faltkern 1 ist ein Abstand zwischen 1 und 400 μm eingehalten, um einen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden, der zu einem stark verringerten Streufluss führen würde.
2 zeigt schematisch den Aufbau des Kompensationssensors mit einem nicht dargestellten Magnetfeldsensor beispielsweise in Form einer Hallsonde oder einer magnetischen Sonde, die über eine Messleitung 14 die Information über die im Luftspalt herrschende Magnetfeldstärke an eine elektronische Schaltung 15 übermittelt. Diese regelt über die Zuleitung 16 die elektrische Stromstärke in der ersten Kompensationswicklung 9 bzw. in beiden Kompensationswicklungen 9, 10 derart, dass die gemessene Magnetfeldstärke auf 0 geregelt wird. Die Stromstärke, die hierzu notwendig ist, ist ein Maß für die in den Strombügeln 12 herrschende Primärstromstärke.
Der Stromsensor nach 2 umfasst dabei einen Kern 1, dessen Luftspalt wie gesagt innerhalb der ersten Kompensationsspule 9 liegt, die schematisch als Röhre dargestellt ist. Die erste Kompensationsspule 9 weist mehr Windungen und eine höhere Windungsdichte auf als die ebenfalls als Röhre dargestellte zweite Kompensationsspule 10. Der rechteckig ringförmige Magnetkern 1 ist senkrecht auf einen Träger, zum Beispiel einer Schaltplatte oder Platine 11, gestellt, so dass die erste Kompensationsspule 9 auf der Platine 11 aufliegt. Die erste Kompensationsspule 9 kann dabei von einem magnetischen Abschirmblech 17, beispielsweise aus Mu-Metall gegenüber einer Primärwicklung 12 abgeschirmt sein. Die Platine 11 trägt auch die Primärwicklung 12, deren Bügel die erste Kompensationsspule 9 umgeben und die Schaltplatine durchsetzen. Auf diese Weise lässt sich eine sehr kompakte Bauform des Stromsensors erreichen.
In der 3 ist der Magnetkern 1 im Bereich des Luftspaltes dargestellt, in dem auf der Zwischenlage einer nicht magnetischen Isolationsschicht 13, beispielsweise in Form einer Folie, ein Jochkörper 6 aufgelegt ist.
Durch den so eingehaltenen Abstand zwischen dem Jochkörper 6 und dem Magnetkern 1 ergibt sich ein magnetischer Widerstand einer passenden Größe, der auch gewährleistet, dass ein ausreichender Streufluss im Luftspalt entsteht.
4 zeigt einen hufeisenförmig ausgebildeten Kern 18, der an zwei einander gegenüberstehenden Stirnflächen einen Luftspalt 20 bildet, der von einem zwischen 1 μm und 400 μm vom Kern 17 beabstandeten Jochkörper 19 magnetisch überbrückt wird. Der Jochkörper 19 ist dabei platten-, streifen- oder balkenförmig.
Durch die Erfindung wird somit ein platzsparender Stromsensor kompakter Bauweise konstruktiv einfach und kostengünstig bei hoher Messgenauigkeit realisiert.

Claims

Stromsensoranordnung nach dem Kompensationsprinzip mit einem Magnetkern (1, 2, 3) mit einem Luftspalt (8), der zwischen zwei freien Schenkeln (2, 3) des Magnetkerns gebildet ist, wobei der Luftspalt durch wenigstens einen mit beiden Schenkeln überlappenden Jochkörper überbrückt ist, mit wenigstens einer den Magnetkern (1, 2, 3) durchsetzenden Primärwicklung (12), wobei der Jochkörper (6, 7) zu den Schenkeln (2, 3) einen Abstand zwischen 1 μm und 400 μm aufweist, die Primärwicklung (12) eine erste Kompensationswicklung (9) umgibt, eine zweite Kompensationswicklung (10) auf der der ersten Kompensationswicklung (9) gegenüberliegenden Seite des Magnetkerns (1) vorgesehen ist, und die erste Kompensationswicklung (9) zwischen 60% und 90% der Gesamtwindungszahl der ersten und der zweiten Kompensationswicklung (9, 10) aufweist.
Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern (1, 2, 3) ein Faltkern ist.
Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern nach Anspruch 2, wobei der Faltkern (1, 2, 3) im Bereich der freien Schenkel zwischen verschiedenen Faltlagen einen taschenförmigen Zwischenraum (4) aufweist.
Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die freien Schenkel (2, 3) rechtwinkelig abgebogen sind und der Jochkörper (6, 7) eine L-Form aufweist.
Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern nach Anspruch 4, wobei zwei L-förmig gebogene Jochkörper (6, 7) vorgesehen sind, die einander überlappen.
Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern (18) hufeisenförmig ausgebildet ist.
Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern nach Anspruch 6, wobei der Jochkörper (19) platten-, streifen- oder balkenförmig ausgebildet ist.
Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Primärwicklung (12) U-förmige Bügel umfasst.
Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern, nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Kompensationswicklung (9) den Luftspalt (8) umgibt.
Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wicklungsdichte der ersten Kompensationswicklung (9) um wenigstens 20% größer ist als die Wicklungsdichte der zweiten Kompensationswicklung (10).
Stromsensoranordnung mit einem Magnetkern nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Primärwicklung (12) und der ersten Kompensationswicklung (9) eine magnetische Abschirmung vorgesehen ist.
Stromsensoranordnung nach Anspruch 11, wobei die magnetische Abschirmung aus einem Abschirmblech (17) besteht.