DE102007046054A1

DE102007046054A1 - Verbesserter hochgenauer Rogowski-Stromwandler

Info

Publication number: DE102007046054A1
Application number: DE102007046054A
Authority: DE
Inventors: David Rea; Kenneth L. Kaye; Michael F. Zawisa
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: CN101178417A; DE102007046054B4; US20080079418A1; CN101178417B; JP2008112982A; US7579824B2; JP4744495B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hochgenauen Rogowski-Stromwandler, wobei die Rogowski-Spule auf einer einzigen gedruckten Leiterplatte realisiert ist, wobei sowohl die Abweisung äußerer Felder einer herkömmlichen Rogowski-Spule als auch die den Rogowski-Spulen-Anordnungen mit mehreren gedruckten Leiterplatten ähnliche erhöhte Ausgangsspannung beibehalten wird.

Description

Diese Erfindung betrifft einen Rogowski-Stromwandler. Insbesondere ist diese Erfindung auf einen Rogowski-Stromwandler gerichtet, der auf einer gedruckten Leiterplatte realisiert ist.
Um den Wechselstrom (AC-Strom) zu messen, der durch eine massive Busschiene fließt, ist es wünschenswert, über eine Spule vom Rogowski-Typ auf einer gedruckten Leiterplatte zu verfügen, welche steif ist und an der Busschiene befestigt werden kann.
Aktuelle Anstrengungen zur Realisierung einer Rogowski-Spule auf einer gedruckten Leiterplatte verwenden mehrere Spulen auf mehreren gedruckten Leiterplatten. Die Spulen können angeordnet sein, um die Auswirkungen äußerer Magnetfelder aufzuheben, wenn die Spulen in elektrisch entgegengesetzte Richtungen in Reihe verdrahtet sind. Dieses Verfahren ist ähnlich wie bei einer herkömmlichen Rogowski-Spule, bei der ein Zurückführen eines Leiters der einzigen Rogowski-Spule durch die spiralförmigen Wicklungen der Spule ein Abweisen und Aufheben eines äußeren Felds bereitstellt.
Bei derartigen Rogowski-Spulen erhöht die Verwendung mehrerer gedruckter Leiterplatten effektiv die Windungszahl der Rogowski-Spule, was den Vorteil einer erhöhten Ausgangsspannung bereitstellt. Die Verwendung mehrerer gedruckter Leiterplatten erhöht jedoch auch die Gesamtkosten und die Komplexität. Darüber hinaus bringen die Verbindungen, welche zur Verbindung der mehreren gedruckten Spulenleiterplatten be nötigt werden, zusätzliche Fehlerpunkte in das Rogowski-Stromaufnehmer-System ein, wodurch die Zuverlässigkeit verringert wird.
Es wäre wünschenswert, über eine Rogowski-Spule zu verfügen, die auf einer einzigen gedruckten Leiterplatte realisiert ist, welche sowohl die Abweisung eines äußeren Felds einer herkömmlichen Rogowski-Spule als auch die den Rogowski-Spulen-Anordnungen mit mehreren gedruckten Leiterplatten ähnliche erhöhte Ausgangsspannung aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise eine Rogowski-Spule entdeckt, die auf einer einzigen gedruckten Leiterplatte realisiert ist und sowohl die erhöhte Ausgangsspannung der Rogowski-Spulen-Anordnungen mit mehreren gedruckten Leiterplatten als auch die Abweisung eines äußeren Felds von herkömmlichen Rogowski-Spulen und Rogowski-Spulen-Anordnungen mit mehreren gedruckten Leiterplatten aufweist.
Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Messung von Strom in einem Leiter eine gedruckte Leiterplatte auf, die mehrere diskrete Substratschichten, eine Außenspule, welche um mindestens eine der Substratschichten herumgewickelt ist, eine Innenspule, welche um mindestens eine der Substratschichten herumgewickelt ist, und eine Öffnung in der gedruckten Leiterplatte aufweist.
Bei einer anderen Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Messung von Strom in einem Leiter eine gedruckte Leiterplatte auf, die mehrere diskrete Substratschichten, eine erste Spule, die um mindestens eine der diskreten Substratschichten herumgewickelt ist, und einen Leiter aufweist, der den Mittelpunkt der ersten Spule durchquert.
Bei einer anderen Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Messung von Strom in einem Leiter eine gedruckte Leiterplatte auf, die vier diskrete Substratschichten, eine erste Oberflächenschicht, eine erste Innenschicht, eine zweite Innenschicht und eine zweite Oberflächenschicht aufweist, wobei eine Außenspule auf der ersten Oberflächenschicht und der zweiten Oberflächenschicht gewickelt ist und die erste Oberflächenschicht, die erste Innenschicht, die zweite Innenschicht und die zweite Oberflächenschicht durchquert, und eine Innenspule auf der ersten Innenschicht und der zweiten Innenschicht gewickelt ist und die erste Innenschicht und die zweite Innenschicht durchquert.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts der gedruckten Leiterplatte der Rogowski-Spule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine Draufsicht eines Hochleistungs-Rogowski-Stromwandlers ist, der die Leiterplatte von 1 umfasst;
3 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Hochleistungs-Rogowski-Stromwandlers von 2 ist; und
4 eine perspektivische Darstellung einer einfachen Rogowski-Spule ist, die im Stand der Technik allgemein bekannt ist.
Die nachfolgende genaue Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden, und sind nicht dazu gedacht, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken. Hinsichtlich der offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur und daher ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder kritisch.
Nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 Bezug nehmend ist bei 2 allgemein ein Abschnitt einer gedruckten Leiterplatte mit mehreren Schichten gezeigt. Bei dieser Ausführungsform umfasst die gedruckte Leiterplatte 2 eine erste Oberflächenschicht 12, eine zweite Oberflächenschicht 14, eine erste Innenschicht 16 und eine zweite Innenschicht 18, die aufeinandergestapelt sind. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Schichten 12, 14, 16, 18 der gedruckten Leiterplatte 2 aus einem isolierenden Leiterplattensubstrat 10 aufgebaut, das derart angepasst ist, dass leitfähige Spuren unter Verwendung bekannter Belichtungsprozesse abgeschieden oder geätzt werden können.
Eine Außenspule 20 ist durch ein Anordnen leitfähiger Spuren auf äußeren Oberflächen der ersten Oberflächenschicht 12 und der zweiten Oberflächenschicht 14 in eine erste Richtung gewickelt. Die Spuren sind auf eine spiralförmige Weise verbunden, indem eine Reihe leitfähiger durchmetallisierter Via-Löcher 25 der Außenspule verwendet werden, welche die erste Oberflächenschicht 12, die zweite Oberflächenschicht 14, die erste Innenschicht 16 und die zweite Innenschicht 18 der gedruckten Leiterplatte 2 durchqueren.
Eine Innenspule 30 ist in eine zweite Richtung gewickelt, indem leitfähige Spuren auf Oberflächen der ersten Innenschicht 16 und der zweiten Innenschicht 18 angeordnet werden, welche den Schichten 12 bzw. 14 zugewandt sind. Die Spuren der Innenspule 30 sind auf eine spiralförmige Weise unter Verwendung einer Reihe leitfähiger durchmetallisierter Via-Löcher 35 der Innenspule verbunden, welche die erste Innenschicht 16 und die zweite Innenschicht 18 durchqueren. Die Wicklungen der Innenspule 30 in die zweite Richtung sind elektrisch entgegengesetzt zu denjenigen der ersten Richtung der Wicklungen der Außenspule 20. Zusätzlich ist die Innenspule 30 mit einer höheren Windungsdichte als die Außenspule 20 aufgebaut, um den Größenunterschied zwischen der Außenspule 20 und der Innenspule 30 zu kompensieren. Die Außenspule 20 und die Innenspule 30 sind von rechteckiger Querschnittsgestalt. Es ist zu verstehen, dass nach Wunsch andere Wicklungen verwendet werden können.
Eine Öffnung 40 ist in die gedruckte Leiterplatte 2 gefräst, wie in 2 dargestellt ist. Die Öffnung 40 ist angepasst, um eine massive leitfähige Busschiene aufzunehmen. Die Außenspule 20 und die Innenspule 30 erstrecken sich um den Umfang der Öffnung 40 herum. Alternativ kann die Öffnung 40 angepasst sein, um einen oder mehrere verschiedene Typen von elektrischen Leitern aufzunehmen, ohne von dem Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen.
In 3 ist ein Integratorschaltkreis 50 mit einem Ausgang 48 verbunden. Der Ausgang 48 umfasst eine elektrische Verbindung 46 zu der Außenspule 20 und eine elektrische Verbindung 44 zu der Innenspule 30.
Im Betrieb wird die Rogowski-Spule 100 nach Stand der Technik um einen oder mehrere elektrische Leiter 115 herum angeordnet, deren augenblicklicher Strom i(t) gemessen werden soll, wie in 4 dargestellt ist.
Der augenblickliche Strom i(t) für Wechselstromwellenformen ist gegeben durch I_maxsin(ωt), wobei I_max die Amplitude des Stroms ist. Die in der Rogowski-Spule 100 induzierte Spannung v(t) ist durch die erste Gleichung definiert:
wobei ϕ_j der augenblickliche Fluss für die Windung Nr. j der insgesamt N Windungen ist. Wenn der Kern einen konstanten Querschnitt S aufweist, der Draht rechtwinklig zu einer Linie 120 gewickelt ist, welche in dem Querschnitt S zentriert ist, und der Draht mit einer konstanten Dichte gleich n gewickelt ist, wobei die wechselseitige Recktanz M durch M = u₀ηS definiert ist, dann kann Gleichung 1 geschrieben werden als:
Gemäß der voranstehenden Gleichung wird der elektrische Leiter eine Spannung an der Rogowski-Spule 100 induzieren, die zu der Änderungsrate des gemessenen Stroms i(t) in dem elektrischen Leiter proportional ist. Die Rogowski-Spulenausgangsspannung v(t) kann an dem Ausgang 48 gemessen werden.
Der Spannungsausgang v(t) der Rogowski-Spule ist eine Funktion der zeitlichen Änderungsrate des AC-Stroms, der innerhalb des Umfangs der Spulen fließt. Der Integratorschaltkreis 50 ist notwendig, um die tatsäch liche interessierende Wellenform zu erhalten, welche eine Ausgangsspannung v_out ist, die proportional zu dem gemessenen Strom i(t) ist. Eine Integration der Ausgangsspannung kann unter Verwendung einer Vielzahl von Mitteln durchgeführt werden, die in der Technik allgemein bekannt sind. Das Ausgangsspannungssignal v_out kann an dem Integratorausgang 52 gemessen werden.
Wie in 1 gezeigt ist, besteht ein Größenunterschied zwischen der Außenspule 20 und der Innenspule 30. Dieser Größenunterschied zwischen der Außenspule 20 und der Innenspule 30 führt zu einem Unterschied bei der induzierten Spannung durch sowohl den interessierenden Strom i(t) als auch durch Magnetfelder, die durch Leiter außerhalb der Öffnung 40 der gedruckten Leiterplatte erzeugt werden. Um diesen Unterschied in der induzierten Spannung zu kompensieren, ist es wünschenswert, dass die Innenspule 30 mit einer höheren Windungsdichte als die Außenspule 20 aufgebaut wird. Die effektiven elektrischen Geometrien der Außenspule 20 und der Innenspule 30 können im Wesentlichen gleich gestaltet werden, indem die Innenspule 30 mit einer höheren Windungsdichte als die Außenspule 20 gebaut wird.
Die effektive maximale Windungsdichte wird größtenteils durch die erreichbare minimale Lochgröße bei der Produktion der gedruckten Leiterplatte bestimmt und dickere gedruckte Leiterplatten erfordern zwingend eine größere Grenze für die minimale Lochgröße für durchmetallisierte Vias. Daher kann die Innenspule 30 mit einer höheren Windungsdichte gebaut werden, weil die Vias 35 der Innenspule zwei Substratschichten 10 durchqueren, während die Vias 25 der Außenspule alle vier Substratschichten 10 durchqueren.
Die Außenspule 20 und die Innenspule 30 sind in elektrisch entgegengesetzte Richtungen gewickelt, um die ungewünschten elektrischen Felder von außerhalb der Öffnung 40 aufzuheben. Dies maximiert die Genauigkeit der Messmöglichkeit der Rogowski-Spule.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung einen hochgenauen Rogowski-Stromwandler, wobei die Rogowski-Spule auf einer einzigen gedruckten Leiterplatte realisiert ist, wobei sowohl die Abweisung äußerer Felder einer herkömmlichen Rogowski-Spule als auch die den Rogowski-Spulen-Anordnungen mit mehreren gedruckten Leiterplatten ähnliche erhöhte Ausgangsspannung beibehalten wird.

Claims

Vorrichtung zur Messung des Stroms in einem Leiter, die umfasst: eine gedruckte Leiterplatte mit mehreren aufeinandergestapelten diskreten Substratschichten; eine erste Spule, die um mindestens drei der diskreten Substratschichten herumgewickelt ist; und eine zweite Spule, die einen Mittelpunkt der ersten Spule durchquert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule um mindestens eine der diskreten Substratschichten herumgewickelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung in der gedruckten Leiterplatte ausgebildet und angepasst ist, um mindestens einen Leiter aufzunehmen.
Vorrichtung zur Messung von Strom in einem Leiter, die umfasst: eine gedruckte Leiterplatte mit mehreren aufeinandergestapelten diskreten Substratschichten; eine Außenspule, die um mindestens eine der Substratschichten herumgewickelt ist, eine Innenspule, die um mindestens eine der Substratschichten herumgewickelt ist; und eine in der gedruckten Leiterplatte ausgebildete Öffnung, um welche herum sich die Außenspule und die Innenspule erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gedruckte Leiterplatte vier der diskreten Substratschichten umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenspule aufgebaut ist, indem leitfähige Spuren auf einer ersten Oberflächenschicht und einer zweiten Oberflächenschicht der diskreten Substratschichten angeordnet sind und diese Spuren unter Verwendung durchmetallisierter Löcher verbunden sind, welche die diskreten Substratschichten durchqueren.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurchgekennzeichnet, dass die Innenspule aufgebaut ist, indem leitfähige Spuren über eine erste Innenschicht und eine zweite Innenschicht der diskreten Substratschichten angeordnet sind und die Spuren unter Verwendung durchmetallisierter Löcher verbunden sind, welche die erste Innenschicht und die zweite Innenschicht durchqueren.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenspule und die Innenspule in elektrisch entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenspule eine höhere Windungsdichte als die Außenspule aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Integratorschaltkreis umfasst ist, der mit der Innenspule und der Außenspule elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung langgestreckt ist.
Vorrichtung zur Messung des Stroms in einem Leiter, die umfasst: eine gedruckte Leiterplatte mit diskreten Substratschichten, welche eine erste Oberflächenschicht, eine erste Innenschicht, eine zweite Innenschicht und eine zweite Oberflächenschicht umfassen; eine auf der ersten Oberflächenschicht und der zweiten Oberflächenschicht angeordnete Außenspule, welche die erste Oberflächenschicht, die erste Innenschicht, die zweite Innenschicht und die zweite Oberflächenschicht durchquert; und eine auf der ersten Innenschicht und der zweiten Innenschicht angeordnete Innenspule, welche die erste Innenschicht und die zweite Innenschicht durchquert.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der gedruckten Leiterplatte ausgebildete Öffnung umfasst ist, um welche herum sich die Außenspule und die Innenspule erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung angepasst ist, um einen Leiter aufzunehmen, durch welchen ein zu messender Strom fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenspule und die Innenspule in elektrisch entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenspule die erste Innenschicht und die zweite Innenschicht durch eine Vielzahl durchmetallisierter Löcher durchquert.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenspule die erste Oberflächenschicht, die zweite Oberflächenschicht, die erste Innenschicht und die zweite Innenschicht durch eine Vielzahl von Löchern durchquert.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenspule eine höhere Windungsdichte als die Außenspule aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Integratorschaltkreis umfasst ist, der mit der Innenspule und der Außenspule elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der gedruckten Leiterplatte ausgebildete Öffnung umfasst ist, und dass sich die Innenspule und die Außenspule um die Öffnung herum erstrecken.