DE102023116476A1

DE102023116476A1 - POLE SHOE FORMING

Info

Publication number: DE102023116476A1
Application number: DE102023116476.7A
Authority: DE
Inventors: Maximilian STAAB; Sebastian Kudimow
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2023-06-22
Filing date: 2023-06-22
Publication date: 2024-12-24

Abstract

Es wird ein Stromsensor für die berührungslose Strommessung beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Stromsensor einen weichmagnetischen Kern mit einem Luftspalt sowie einen im Luftspalt angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor. Der weichmagnetische Kern weist zwei Polflächen auf, deren Abstand eine Luftspaltlänge festlegt, wobei die zwei Polflächen so gekrümmt sind, dass die Luftspaltlänge in einem Randbereich des Luftspalts kleiner ist als außerhalb des Randbereichs des Luftspalts.

A current sensor for contactless current measurement is described. According to one embodiment, the current sensor comprises a soft magnetic core with an air gap and a magnetic field-sensitive sensor arranged in the air gap. The soft magnetic core has two pole surfaces, the distance between which defines an air gap length, wherein the two pole surfaces are curved such that the air gap length is smaller in an edge region of the air gap than outside the edge region of the air gap.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD

Die vorliegende Beschreibung betrifft Sensorvorrichtungen und Verfahren zur berührungslosen Strommessung.The present description relates to sensor devices and methods for contactless current measurement.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Bei sogenannten direktabbildenden (open-loop) Stromsensoren, ist in der Regel ein Magnetfeldsensor wie z.B. ein Hall-Sensor oder ein GMR- (Giant Magento-Resistance) Sensor in der Nähe eines stromführenden Leiters (Primärleiter) angeordnet. Der Strom in dem Leiter (Primärstrom) erzeugt ein Magnetfeld, wobei die Feldstärke proportional zu dem Primärstrom ist. Die magnetische Flussdichte wird mittels des Magnetfeldsensors gemessen, sodass das von dem Magnetfeldsensor ausgegebene Sensorsignal im Wesentlichen proportional zu dem Primärstrom ist und somit als Strommesssignal verwendet werden kann. Es gibt auch sogenannte Kompensationsstromsensoren (closedloop Stromsensoren), bei denen das von dem Primärstrom verursachte Magnetfeld dadurch kompensiert wird, dass ein Gegenfeld mittels einer Sekundärwicklung erzeugt wird. Das Restmagnetfeld (residual magnetic field) - idealerweise null bei vollständiger Kompensation - wird ebenfalls mittels eines Magnetfeldsensors gemessen.In so-called direct imaging (open-loop) current sensors, a magnetic field sensor such as a Hall sensor or a GMR (Giant Magnetic Resistance) sensor is usually arranged near a current-carrying conductor (primary conductor). The current in the conductor (primary current) generates a magnetic field, the field strength being proportional to the primary current. The magnetic flux density is measured using the magnetic field sensor, so that the sensor signal output by the magnetic field sensor is essentially proportional to the primary current and can therefore be used as a current measurement signal. There are also so-called compensation current sensors (closed-loop current sensors), in which the magnetic field caused by the primary current is compensated by generating an opposing field using a secondary winding. The residual magnetic field - ideally zero with complete compensation - is also measured using a magnetic field sensor.

In den meisten Anwendungen wird ein weichmagnetischer Kern verwendet, um das Magnetfeld zu führen und zu dem Magnetfeldsensor hin zu leiten. Der weichmagnetische Kern dient somit als Flussleitstück (flux conductor) oder Flusskonzentrator (flux concentrator). Üblicherweise ist der Magnetfeldsensor in einem Luftspalt des weichmagnetischen Kerns angeordnet.In most applications, a soft magnetic core is used to guide the magnetic field and direct it to the magnetic field sensor. The soft magnetic core thus serves as a flux conductor or flux concentrator. The magnetic field sensor is usually arranged in an air gap in the soft magnetic core.

Direktabbildende Stromsensoren können kalibriert werden, um eine genaue Messung zu ermöglichen. Bei der Kalibrierung wird - für eine bestimmte Geometrie des Stromsensors - der tatsächliche Proportionalitätsfaktor zwischen Primärstrom und Strommesssignal ermittelt. Mit Hilfe der Sensorelektronik kann dieser Proportionalitätsfaktor dann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, beispielsweise durch Anpassen der Verstärkung eines in der Sensorelektronik enthaltenen Signalverstärkers. Auch bei Kompensationsstromsensoren kann eine Kalibrierung der Magnetfeldmessung sinnvoll sein.Direct imaging current sensors can be calibrated to enable accurate measurement. During calibration, the actual proportionality factor between the primary current and the current measurement signal is determined for a specific geometry of the current sensor. With the help of the sensor electronics, this proportionality factor can then be set to a desired value, for example by adjusting the gain of a signal amplifier contained in the sensor electronics. Calibrating the magnetic field measurement can also be useful for compensation current sensors.

Die Kalibrierung erfolgt für eine bestimmte Geometrie des Stromsensors. Wenn die Geometrie sich nach der Kalibrierung (auch geringfügig) ändert, kann das einen systematischen Messfehler zur Folge haben. Abhängig von der gewünschten Genauigkeit können derartige Messfehler vernachlässigt werden oder auch nicht. Es kann auch notwendig sein, die Kalibrierung nur bei einem Prototypenvorzunehmen und bei der Herstellung einer Vielzahl von Stromsensoren jeweils auf die beim Prototyp ermittelten Kalibrierdaten zu verwenden. In diesem Fall können Form- und Lagetoleranzen beim Zusammenbau der Stromsensoren dazu führen, dass der tatsächliche Proportionalitätsfaktor von dem nominellen Wert abweicht. Dies betrifft insbesondere die Lage des Magnetfeldsensors im Luftspalt des Magnetkerns. Da im Bereich des Luftspalts das Magnetfeld inhomogen ist, können kleine Abweichungen der Lage des Magnetfeldsensors von der Soll-Lage zu signifikanten (nicht vernachlässigbaren) Änderungen des Proportionalitätsfaktors (d.h. der Sensorempfindlichkeit) führen.Calibration is carried out for a specific geometry of the current sensor. If the geometry changes (even slightly) after calibration, this can result in a systematic measurement error. Depending on the desired accuracy, such measurement errors can be neglected or not. It may also be necessary to carry out calibration only on a prototype and to use the calibration data determined for the prototype when producing a large number of current sensors. In this case, shape and position tolerances when assembling the current sensors can lead to the actual proportionality factor deviating from the nominal value. This particularly affects the position of the magnetic field sensor in the air gap of the magnetic core. Since the magnetic field is inhomogeneous in the area of the air gap, small deviations in the position of the magnetic field sensor from the target position can lead to significant (non-negligible) changes in the proportionality factor (i.e. the sensor sensitivity).

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, bestehende Stromsensoren zu dahingehend verbessern, dass die unerwünschten Auswirkungen von Form- und Lagetoleranzen auf die Sensorempfindlichkeit reduziert werden.The object underlying the invention is to improve existing current sensors in such a way that the undesirable effects of shape and position tolerances on the sensor sensitivity are reduced.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Die oben genannte Aufgabe wird durch einen Stromsensor gemäß den Anspruch 1 gelöst. Verschiedenen Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der anhängigen Ansprüche.The above object is achieved by a current sensor according to claim 1. Various embodiments and further developments are the subject of the appended claims.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Stromsensor einen weichmagnetischen Kern mit einem Luftspalt sowie einen im Luftspalt angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor. Der weichmagnetische Kern weist zwei Polflächen auf, deren Abstand eine Luftspaltlänge festlegt, wobei die zwei Polflächen so gekrümmt sind, dass die Luftspaltlänge in einem Randbereich des Luftspalts kleiner ist als außerhalb des Randbereichs des Luftspalts.According to one embodiment, the current sensor comprises a soft magnetic core with an air gap and a magnetic field-sensitive sensor arranged in the air gap. The soft magnetic core has two pole surfaces, the distance between which defines an air gap length, wherein the two pole surfaces are curved such that the air gap length is smaller in an edge region of the air gap than outside the edge region of the air gap.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den dargestellten Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen.

1 illustriert die grundlegende Struktur eines open-loop Stromsensors.
2 illustriert den magnetischen Feldverlauf im Magnetkern des Stromsensors und insbesondere Asymmetrien des Magnetfelds im Bereich des Luftspaltes
3 illustriert den Feldverlauf im Luftspalt eines Ringkerns mit ebenen Polflächen (Diagramm a) und mit konkav geformten Polflächen (Diagramm b).
4 illustriert den Feldverlauf im Luftspalt eines U-förmigen Kerns mit ebenen Polflächen an den gegenüber liegenden Schenkeln des Kerns (Diagramm a) und mit gekrümmten Polflächen (Diagramm b), die zum Ende der Schenkel zueinander hin gekrümmt sind.
5 zeigt in einem Diagramm die Feldstärke im Luftspalt eines U-förmigen Kerns in Anhängigkeit der Position (in Querrichtung) im Luftspalt.
6 illustriert einen Stromsensor mit U-förmigen Kern und einem im Luftspalt (d.h. zwischen den gegenüber liegenden Schenkeln) des Kerns angeordneten Hall-Sensor-IC.
7 zeigt in einem Diagramm die Auswirkung einer Verschiebung des Magnetfeldsensors im Luftspalt auf die Sensitivität des Stromsensors für verschiedene Kerne.

Various embodiments are explained in more detail below using illustrations. The illustrations are not necessarily to scale and the invention is not limited to the aspects shown. Rather, emphasis is placed on illustrating the principles underlying the embodiments shown.

1 illustrates the basic structure of an open-loop current sensor.
2 illustrates the magnetic field pattern in the magnetic core of the current sensor and in particular asymmetries of the magnetic field in the area of the air gap
3 illustrates the field distribution in the air gap of a toroidal core with flat pole surfaces (slide diagram a) and with concavely shaped pole faces (diagram b).
4 illustrates the field distribution in the air gap of a U-shaped core with flat pole faces on the opposite legs of the core (diagram a) and with curved pole faces (diagram b) that are curved towards each other at the end of the legs.
5 shows in a diagram the field strength in the air gap of a U-shaped core as a function of the position (in the transverse direction) in the air gap.
6 illustrates a current sensor with a U-shaped core and a Hall sensor IC arranged in the air gap (ie between the opposite legs) of the core.
7 shows in a diagram the effect of a displacement of the magnetic field sensor in the air gap on the sensitivity of the current sensor for different cores.

DETAILED DESCRIPTIONDETAILED DESCRIPTION

In 1 ist die Grundstruktur eines direktabbildenden Stromsensors dargestellt. Der Stromsensor weist einen Magnetfeldsensor 20 auf, der ein elektrisches Ausgangssignal U_S erzeugt. Das Sensorsignal U_S repräsentiert das magnetische Feld an jener Position, an der sich das innerhalb des Magnetfeldsensors 20 das magnetfeldempfindliche Element befindet. Der Magnetfeldsensor 20 kann z.B. ein Hall-Sensor oder ein GMR-Sensor sein. Das Magnetfeld (in 1 repräsentiert durch den magnetischen Fluss Φ) wird durch den Strom i_P erzeugt, der durch einen Leiter fließt, der üblicherweise als Primärleiter bezeichnet wird. Das von dem Primärstrom i_P erzeugte Magnetfeld kann durch das Ampère'sche Gesetz beschrieben werden, wobei die (ortsabhängige) magnetische Feldstärke proportional zu dem Primärstrom ist.In 1 The basic structure of a direct imaging current sensor is shown. The current sensor has a magnetic field sensor 20, which generates an electrical output signal U _S. The sensor signal U _S represents the magnetic field at the position at which the magnetic field-sensitive element is located within the magnetic field sensor 20. The magnetic field sensor 20 can be, for example, a Hall sensor or a GMR sensor. The magnetic field (in 1 represented by the magnetic flux Φ) is generated by the current i _P flowing through a conductor, usually called the primary conductor. The magnetic field generated by the primary current i _P can be described by Ampère's law, where the (location-dependent) magnetic field strength is proportional to the primary current.

Um den Stromsensor unempfindlich gegen Störungen (z.B. aufgrund des Erdmagnetfelds) zu machen, weist der Stromsensor üblicherweise einen weichmagnetischen Kern 10 auf, der einen Luftspalt aufweist, in dem der Magnetfeldsensor 20 angeordnet ist. Der Kern 10 ist ein Ringkern, d.h. er definiert einen in sich geschlossenen Magnetkreis, der nur durch den Luftspalt unterbrochen ist. Der Primärleiter ist dabei durch den Ringkern hindurch geführt oder als Spule um diesen gewickelt. Der weichmagnetische Kern 10 hat im Wesentlichen die Funktion eines Jochs, eines Flusskonzentrators oder eines Flussleitstücks. Das heißt, der Kern 10 leitet den magnetischen Fluss hin zu dem im Luftspalt angeordneten Magnetfeldsensor 20. Der Streufluss ist dabei umso kleiner, je kleiner der Luftspalt ist. Der Kern kann ein geblechter Eisenkern sein, beispielsweise aus Eisen-Silizium- oder Eisen-Nickel -Legierungen. Auch ein gesinterter Pulverkern kommt in Betracht, z.B. aus Ferrit, einer Eisen-Silizium oder Eisen-Nickel-Legierung.In order to make the current sensor insensitive to interference (e.g. due to the earth's magnetic field), the current sensor usually has a soft magnetic core 10 that has an air gap in which the magnetic field sensor 20 is arranged. The core 10 is a toroidal core, i.e. it defines a self-contained magnetic circuit that is only interrupted by the air gap. The primary conductor is guided through the toroidal core or wound around it as a coil. The soft magnetic core 10 essentially has the function of a yoke, a flux concentrator or a flux guide piece. This means that the core 10 conducts the magnetic flux to the magnetic field sensor 20 arranged in the air gap. The smaller the air gap, the smaller the leakage flux. The core can be a laminated iron core, for example made of iron-silicon or iron-nickel alloys. A sintered powder core can also be considered, e.g. made of ferrite, an iron-silicon or iron-nickel alloy.

Der Zusammenhang zwischen Sensorsignal U_S und Magnetfeld wird üblicherweise als Sensitivität in dem Datenblatt des Stromsensors angegeben (z.B. in mV/A). Die Sensitivität setzt sich zusammen aus der Übertragungsfunktion des Magnetkerns 10 (z.B. in mT/A) und die Übertragungsfunktion des Magnetfeldsensors 20 (z.B. mV/mT).The relationship between the sensor signal U _S and the magnetic field is usually specified as sensitivity in the data sheet of the current sensor (e.g. in mV/A). The sensitivity is made up of the transfer function of the magnetic core 10 (e.g. in mT/A) and the transfer function of the magnetic field sensor 20 (e.g. mV/mT).

In der Praxis wird die Sensitivität durch verschiedene Einflussgrößen beeinträchtigt, beispielsweise durch die magnetischen Materialparameter des Magnetkerns (z.B. Permeabilitätsverlauf, Sättigungsmagnetisierung, Remanenz, Koerzitivfeldstärke), die Position des Magnetfeldsensors 20 relativ zum Magnetkern, Abweichungen dieser Position von einem Sollwert (z.B. aufgrund von Toleranzen, sowie die Genauigkeit der Kalibrierung und externe Störfelder.In practice, the sensitivity is affected by various influencing factors, for example by the magnetic material parameters of the magnetic core (e.g. permeability curve, saturation magnetization, remanence, coercive field strength), the position of the magnetic field sensor 20 relative to the magnetic core, deviations of this position from a target value (e.g. due to tolerances), as well as the accuracy of the calibration and external interference fields.

Nach dem Zusammenbau des Stromsensors wird der Magnetfeldsensor 20 üblicherweise kalibriert, d.h. die tatsächliche Sensitivität wird gemessen, während der Primärstrom auf einen definierten bekannten Wert eingestellt ist, und gegebenenfalls auf einen gewünschten Sensitivitätswert justiert (z.B. durch Anpassung der Verstärkung eines im Magnetfeldsensor enthaltenen Signalverstärkers).After assembly of the current sensor, the magnetic field sensor 20 is usually calibrated, i.e. the actual sensitivity is measured while the primary current is set to a defined known value, and if necessary adjusted to a desired sensitivity value (e.g. by adjusting the gain of a signal amplifier included in the magnetic field sensor).

In der Praxis ist nicht auszuschließen, dass sich die Position des Magnetfeldsensors 20 (relativ zum Magnetkern 10) nach der Kalibrierung geringfügig ändert. Das ist unproblematisch, solange das Magnetfeld im Luftspalt ausreichend homogen ist. In der Praxis ist eine perfekte Homogenität des Magnetfelds nicht zu erreichen. In 2 ist ein Effekt dargestellt, der als „Fringing“ bezeichnet wird. Das bedeutet, dass die magnetischen Feldlinien am Rand des Luftspalts sich ausbeulen. Die Magnetfeldlinien verlaufen im Wesentlichen im Eisenkern (d.h. sie werden von diesem geführt), da dessen Permeabilität um Größenordnungen höher ist als die Permeabilität der Luft. Im Luftspalt treten die Magnetfeldlinien aus dem Eisen aus, wobei sich die Feldlinien gegenseitig abstoßen, was zu dem erwähnten Ausbeulen der Feldlinien und zu einer Inhomogenität des Magnetfelds im Luftspalt führt.In practice, it cannot be ruled out that the position of the magnetic field sensor 20 (relative to the magnetic core 10) changes slightly after calibration. This is not a problem as long as the magnetic field in the air gap is sufficiently homogeneous. In practice, perfect homogeneity of the magnetic field cannot be achieved. In 2 an effect is shown that is known as "fringing". This means that the magnetic field lines bulge at the edge of the air gap. The magnetic field lines essentially run in the iron core (ie they are guided by it), since its permeability is orders of magnitude higher than the permeability of air. In the air gap, the magnetic field lines emerge from the iron, with the field lines repelling each other, which leads to the bulging of the field lines mentioned above and to an inhomogeneity of the magnetic field in the air gap.

Je größer die Querschnittsfläche des Eisenkerns und je kürzer der Luftspalt, desto weniger inhomogen ist das Magnetfeld im Zentrum des Luftspalts. Um die Abhängigkeit der Sensitivität von Veränderungen der Position des Magnetfeldsensors zu reduzieren (d.h. den Stromsensor unempfindlich zu machen gegen Veränderungen der Sensorposition) sollte die Querschnittsfläche A des Eisenkerns möglichst groß und die Länge δ des Luftspalts möglichst klein sein. In anderen Worten: das Verhältnis δ/A sollte möglichst klein sein. Die Anforderung nach einer kleinen und kompakten Bauweise des Stromsensors kann jedoch zur Folge haben, dass das Verhältnis δ/A nicht hinreichend klein ausgelegt werden kann und folglich die Sensitivität des Stromsensors von der Lagetoleranz des Magnetfeldsensors abhängen kann.The larger the cross-sectional area of the iron core and the shorter the air gap, the less inhomogeneous the magnetic field is in the center of the air gap. In order to reduce the dependence of the sensitivity on changes in the position of the magnetic field sensor (ie to make the current sensor insensitive to changes in the sensor position), the cross-sectional area A of the iron core should be as small as possible. as large as possible and the length δ of the air gap should be as small as possible. In other words: the ratio δ/A should be as small as possible. However, the requirement for a small and compact design of the current sensor can mean that the ratio δ/A cannot be designed to be sufficiently small and, consequently, the sensitivity of the current sensor can depend on the position tolerance of the magnetic field sensor.

Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen einen weichmagnetischen Kern für einen Stromsensor, der so gestaltet ist, dass der Einfluss von Lagetoleranzen des Magnetfeldsensors (d.h. von Abweichungen der Sensorposition von einer Soll-Position) auf die Sensitivität des Stromsensors reduziert wird. Die wird insbesondere erreicht, dass die gegenüberliegenden Polflächen (die den Luftspalt begrenzen) nicht eben sind, sondern gekrümmt. Das heißt, die Länge δ(x) des Luftspalts ist nicht konstant, sondern hängt von der Position x im Luftspalt ab. Die x-Richtung verläuft dabei quer (d.h. in einem rechten Winkel) zur Hauptrichtung der magnetischen Feldlinien, wohingegen die Luftspaltlänge δ(x) in z-Richtung gemessen wird, d.h. in Hauptrichtung der Feldlinien. In einem ideal homogenen Magnetfeld (ohne Streufeld) würden Magnetfeldlinien immer parallel zu der Hauptrichtung (z-Richtung) verlaufen. Der Primärleiter ist in den folgenden Abbildungen nicht mehr dargestellt, um die Darstellungen nicht zu verkomplizieren. Im Betrieb ist jedoch immer ein Primärleiter durch den Eisenkern hindurchgeführt und der Primärstrom ist die Ursache des in den Abbildungen dargestellten Magnetfelds. Grundsätzlich funktioniert der Strommesser j edoch auch ohne Primärleiter. Es wird dann ein Strom von null Ampere gemessen.The embodiments described here relate to a soft magnetic core for a current sensor, which is designed in such a way that the influence of position tolerances of the magnetic field sensor (i.e. deviations of the sensor position from a target position) on the sensitivity of the current sensor is reduced. This is achieved in particular by the opposing pole surfaces (which limit the air gap) being curved rather than flat. This means that the length δ(x) of the air gap is not constant, but depends on the position x in the air gap. The x-direction runs transversely (i.e. at a right angle) to the main direction of the magnetic field lines, whereas the air gap length δ(x) is measured in the z-direction, i.e. in the main direction of the field lines. In an ideally homogeneous magnetic field (without a stray field), magnetic field lines would always run parallel to the main direction (z-direction). The primary conductor is no longer shown in the following figures in order not to complicate the representations. During operation, however, a primary conductor is always passed through the iron core and the primary current is the cause of the magnetic field shown in the figures. In principle, however, the ammeter also works without a primary conductor. In this case, a current of zero amperes is measured.

In 3 ist der Luftspalt eines geschlitzten Ringkerns dargestellt. Ein Ringkern ist nicht notwendigerweise rund oder oval, sondern kann auch rechteckig sein (siehe auch 2). Ein geschlitzter Ringkern verläuft entlang einer geschlossenen Kurve (z.B. einen geschlossenen Polygonzug, eine Ellipse, etc.) und ist nur durch einen schmalen Luftspalt unterbrochen. Die Länge des Luftspalts wird üblicherweise mit δ bezeichnet. Die in Diagramm (a) der 3 dargestellte Variante ist ein Standard-Ringkern mit Luftspalt, der in z-Richtung (Hauptrichtung, Längsrichtung) durch zwei ebene und parallel liegende Polflächen begrenzt wird. In dem dargestellten Beispiel liegen die beiden gegenüberliegenden, ebenen Polflächen parallel zur xy-Ebene und weisen einen konstanten Abstand δ auf, d.h. die Luftspaltlänge δ hängt nicht von der Position x im Luftspalt ab. In den hier dargestellten Beispielen ist der Ursprung der x-Achse so gewählt, dass die Ebene x=0 eine Symmetrieebene des Magnetkerns definiert. Die Ebenen x=d und x=-d begrenzen den Luftspalt seitlich. Die Breite des Luftspalts in x-Richtung beträgt folglich 2d.In 3 The air gap of a slotted toroidal core is shown. A toroidal core is not necessarily round or oval, but can also be rectangular (see also 2 ). A slotted toroidal core runs along a closed curve (eg a closed polygon, an ellipse, etc.) and is only interrupted by a narrow air gap. The length of the air gap is usually denoted by δ. The length of the air gap shown in diagram (a) of the 3 The variant shown is a standard toroidal core with an air gap, which is limited in the z-direction (main direction, longitudinal direction) by two flat and parallel pole faces. In the example shown, the two opposing, flat pole faces are parallel to the xy plane and have a constant distance δ, i.e. the air gap length δ does not depend on the position x in the air gap. In the examples shown here, the origin of the x-axis is chosen so that the plane x=0 defines a plane of symmetry of the magnetic core. The planes x=d and x=-d limit the air gap laterally. The width of the air gap in the x-direction is therefore 2d.

In 3 sind auch Magnetfeldlinien dargestellt. Wie bereits mit Bezug auf 2 erwähnt führt der Fringing -Effekt zum Ausbeulen der Magnetfeldlinien. Dieses Ausbeulen ist am Rand (bei x = ±d) stärker als in der Mitte des Luftspalts, jedoch bewirkt der Fringing-Effekt auch in der Mitte des Luftspalts (in einem kleinen Bereich um x=0) zu einem leicht inhomogenen Feldverlauf.In 3 Magnetic field lines are also shown. As already mentioned with reference to 2 As mentioned above, the fringing effect leads to a bulging of the magnetic field lines. This bulging is stronger at the edge (at x = ±d) than in the middle of the air gap, but the fringing effect also causes a slightly inhomogeneous field pattern in the middle of the air gap (in a small area around x=0).

Diagramm (b) der 3 zeigt eine Modifikation des Beispiels aus Diagramm (a), wobei die gegenüber liegenden Polflächen nicht eben, sondern (insbesondere in den Randbereichen) gekrümmt sind. In dem dargestellten Beispiel wird die Länge des Luftspaltes δ(x) im Randbereich des Luftspalts (d.h. wenn |x| sich dem Wert d nähert) kleiner. Das heißt δ(0) < δ(d), wobei im dargestellten Beispiel die Luftspaltlänge δ(x) in Bezug auf die yz-Ebene symmetrisch ist (d.h. δ(x)= δ(-x)). Die Krümmung der Polflächen ist im Wesentlichen konkav. In einem bestimmten zentralen Bereich um den Punkt x=0 können die Polflächen auch eben sein, d.h. die Luftspaltlänge δ(x) ist konstant für kleine x und wird erst im Randbereich kleiner, wenn |x|| sich dem Wert d nähert.Diagram (b) of the 3 shows a modification of the example in diagram (a), where the opposing pole faces are not flat but curved (especially in the edge regions). In the example shown, the length of the air gap δ(x) becomes smaller in the edge region of the air gap (i.e. as |x| approaches the value d). That is, δ(0) < δ(d), where in the example shown the air gap length δ(x) is symmetrical with respect to the yz plane (i.e. δ(x)= δ(-x)). The curvature of the pole faces is essentially concave. In a certain central region around the point x=0, the pole faces can also be flat, i.e. the air gap length δ(x) is constant for small x and only becomes smaller in the edge region when |x|| approaches the value d.

Die Verringerung der Luftspaltlänge δ(x) im Randbereich des Luftspalts (die x-Achse verläuft quer zur Hauptrichtung z) hat zur Folge, dass in einem zentralen Bereich des Luftspalts (siehe 3, Bereich um x=0) die Homogenität des Magnetfelds verbessert wird.The reduction of the air gap length δ(x) in the edge area of the air gap (the x-axis runs perpendicular to the main direction z) results in a central area of the air gap (see 3 , area around x=0) the homogeneity of the magnetic field is improved.

4 zeigt als weiteres Beispiel einen U-förmigen Kern (kurz U-Kern) mit im Wesentlichen zwei parallelen Schenkeln. Der Luftspalt wird einem U-Kern durch die gegenüberliegenden Flächen (Polflächen) der beiden Schenkel gebildet. In dem dargestellten Beispiel ist das Koordinatensystem wieder so festgelegt, dass die Polflächen parallel zur xy-Ebene liegen und die z-Richtung die Hauptrichtung der Magnetfeldlinien anzeigt. Diagramm (a) der 4 zeigt einen Standard-U-Kern bei dem die Luftspaltlänge δ(x) konstant ist, das heißt, die Luftspaltlänge hängt nicht von der x-Koordinate ab. 4 shows as another example a U-shaped core (short U-core) with essentially two parallel legs. The air gap is formed in a U-core by the opposite surfaces (pole surfaces) of the two legs. In the example shown, the coordinate system is again set so that the pole surfaces are parallel to the xy plane and the z direction indicates the main direction of the magnetic field lines. Diagram (a) of the 4 shows a standard U-core where the air gap length δ(x) is constant, i.e. the air gap length does not depend on the x-coordinate.

In einer idealisierten Betrachtung wird das Magnetfeld zwischen den Schenkeln des U-Kerns als homogen angenommen, wobei die Feldlinien entlang der z-Richtung verlaufen. In der Praxis tritt auch bei U-Kernen der Fringing-Effekt auf. Das heißt, die Feldlinien beulen sich an den Enden der Schenkel (in 4 nach rechts) aus, was im Luftspalt - wie in dem vorherigen Beispiel - zu einem inhomogenen Magnetfeld führt. In einem kleinen Bereich Δx kann die Magnetfeldkomponente H_z(x) (in z-Richtung) wie folgt linearisiert werden: H_z(x+Δx) = H_z(x) + (∂H_z/∂x)·Δx. Die Abweichung ΔH_z = (∂H_z/∂x)·Δx oder der Gradient ∂H_z/∂x kann als Maß für die Inhomogenität herangezogen werden.In an idealized view, the magnetic field between the legs of the U-core is assumed to be homogeneous, with the field lines running along the z-direction. In practice, the fringing effect also occurs with U-cores. This means that the field lines bulge at the ends of the legs (in 4 to the right), which leads to an inhomogeneous magnetic field in the air gap - as in the previous example. In a small range Δx, the magnetic field component H _z (x) (in the z direction) can be linearized as follows: H _z (x+Δx) = H _z (x) + (∂H _z /∂x)·Δx. The deviation ΔH _z = (∂H _z /∂x)·Δx or the gradient ∂H _z /∂x can be used as a measure of the inhomogeneity.

Im idealen Fall eines homogenen Magnetfelds wäre der Gradient ∂H_z/∂x null (und damit auch die Abweichung (∂H_z/∂x)·Δx für beliebige Δx). Je kleiner der Gradient ist, desto homogener ist das Magnetfeld (und desto kleiner die Inhomogenität). Es hat sich herausgestellt, dass durch eine Modifikation der Form der Polflächen ein vergleichsweise großer Bereich Δx erzielt werden kann, in dem der Gradient ∂H_z/∂x sehr klein ist, sodass die Näherung (∂H_z/∂x)·Δx ≈ 0 mit akzeptabler Genauigkeit zutrifft. Die erwähnte Modifikation der Polflächen ist in Diagramm (b) der 4 dargestellt. Wie bereits in dem Beispiel aus 3 ist die Luftspaltlänge δ(x) nicht konstant, sondern wird im Randbereich des Luftspalts kleiner. Anders als in dem Beispiel aus 3 ist der Luftspalt nicht symmetrisch, sondern nur an einer Seite „offen“, nämlich am Ende der parallel liegenden Schenkel des U-Kerns (rechts in Diagramm (b) der 4). In 4, Diagramm (b) ist der Ursprung des Koordinatensystems so gewählt, dass x=0 jene Extremposition bezeichnet, an der der Sensorchip 20 am Rand des Toleranzbereichs liegt. Das heißt, die tatsächlich Lage des Sensorchip befindet sich innerhalb des Toleranzbereichs von x=0 bis x=x_max (wobei x_max>0).In the ideal case of a homogeneous magnetic field, the gradient ∂H _z /∂x would be zero (and thus also the deviation (∂H _z /∂x)·Δx for any Δx). The smaller the gradient, the more homogeneous the magnetic field (and the smaller the inhomogeneity). It has been found that by modifying the shape of the pole faces, a comparatively large range Δx can be achieved in which the gradient ∂H _z /∂x is very small, so that the approximation (∂H _z /∂x)·Δx ≈ 0 applies with acceptable accuracy. The modification of the pole faces mentioned is shown in diagram (b) of the 4 As already shown in the example from 3 the air gap length δ(x) is not constant, but becomes smaller in the edge area of the air gap. Unlike in the example from 3 the air gap is not symmetrical, but only “open” on one side, namely at the end of the parallel legs of the U-core (right in diagram (b) of the 4 ). In 4 , Diagram (b) the origin of the coordinate system is chosen such that x=0 designates the extreme position at which the sensor chip 20 is located at the edge of the tolerance range. This means that the actual position of the sensor chip is within the tolerance range from x=0 to x=x _max (where x _max >0).

Die Polflächen sind nicht notwendigerweise über die gesamte Länge der parallel liegenden Schenkel des U-Kerns gekrümmt. Die Luftspaltlänge δ(x) kann in einem relativ großen Bereich (in 4, Diagramm (b), für x<0) konstant sein und erst in einem Randbereich des Luftspalts (am Ende der Schenkel) kleiner werden. Im Randbereich können die Polflächen beispielsweise gemäß einer Polynomfunktion zweiter Ordnung gekrümmt sein.The pole faces are not necessarily curved over the entire length of the parallel legs of the U-core. The air gap length δ(x) can be varied within a relatively large range (in 4 , diagram (b), for x<0) and only become smaller in an edge region of the air gap (at the end of the legs). In the edge region, the pole faces can be curved, for example, according to a second-order polynomial function.

Der Effekt der oben beschriebenen Modifikation der Polflächen kann man gut in dem Diagramm aus 5 erkennen. Das Diagramm zeigt den Betrag der Magnetfeldkomponente H_z(x) abhängig der Position x. Die Breite des Luftspaltes (entspricht der Länge der beiden parallelen Schenkel des U-Kerns) beträgt in diesem Beispiel 6 mm (von x=-2 bis x=4), wobei der Sensorchip 20 im Bereich von x=0 bis x=1mm liegen kann (Toleranzbereich, in 5 schattiert). Die gestrichelte Linie repräsentiert den Verlauf des Magnetfelds H_z(x) für einen Standard-U-Kern (mit konstanter Luftspaltlänge). Die durchgezogene Linie repräsentiert den Verlauf des Magnetfelds H_z(x) für einen modifizierten U-Kern, bei dem die Polflächen im Wesentlichen so geformt sind, wie in Diagramm (b) der 4 dargestellt ist.The effect of the modification of the pole faces described above can be clearly seen in the diagram from 5 The diagram shows the magnitude of the magnetic field component H _z (x) depending on the position x. The width of the air gap (corresponds to the length of the two parallel legs of the U-core) is 6 mm in this example (from x=-2 to x=4), whereby the sensor chip 20 can be in the range from x=0 to x=1mm (tolerance range, in 5 shaded). The dashed line represents the course of the magnetic field H _z (x) for a standard U-core (with constant air gap length). The solid line represents the course of the magnetic field H _z (x) for a modified U-core, in which the pole faces are essentially shaped as in diagram (b) of the 4 is shown.

Man kann in 5 gut erkennen, dass im Intervall zwischen x=0 und x=1 der Gradient ∂H_z/∂x annähernd null ist, d.h. die durchgezogene Linie beinahe horizontal das Intervall durchkreuzt. Das bedeutet, dass der Magnetfeldsensor immer die gleiche Magnetfeldstärke „sieht“ unabhängig von der tatsächlichen x-Position des Sensors (innerhalb des schattierten Toleranzbereichs. Beim Zusammenbau des Stromsensors unvermeidbare Lagetoleranzen haben (bei Verwendung des modifizierten Kerns) keine oder nur vernachlässigbar kleine Auswirkungen auf die Sensitivität des Stromsensors.You can 5 It is easy to see that in the interval between x=0 and x=1 the gradient ∂H _z /∂x is almost zero, ie the solid line crosses the interval almost horizontally. This means that the magnetic field sensor always "sees" the same magnetic field strength regardless of the actual x-position of the sensor (within the shaded tolerance range). Position tolerances that are unavoidable when assembling the current sensor have no or only negligible effects on the sensitivity of the current sensor (when using the modified core).

6 zeigt den Aufbau eines direktabbildenden Stromsensors mit einem U-Kern. Die grundsätzliche Struktur des Sensors entspricht der Struktur des Stromsensors aus 1. In vielen Anwendungen ist der Kern 10 von einem Kunststoffgehäuse geschützt. Der Kern 10 weist gekrümmte Polflächen auf wie es weiter oben unter Bezugnahme auf 3, Diagramm (b) und 4, Diagramm (b), diskutiert wurde. Die Position des Magnetfeldsensors 10 (z.B. ein Hall-IC) ist mit x=0mm bezeichnet. Links davon ist die Luftspaltlänge δ(x) konstant und rechts davon wird diese kürzer. Im Randbereich des Luftspalts (rechts in 5) wird der Luftspalt kürzer und erreicht an der Stelle d seinen kleinsten Wert δ(d). Das magnetfeldempfindliche Element (z.B. ein Hall-Element) des Magnetfeldsensors 10 kann z.B. in einem Standard-IC-Gehäuse angeordnet sein. Die Anschluss-Pins 201 können mittels Lotverbindungen mit einer Leiterplatte (nicht dargestellt) verbunden sein. Auch der Kern 10 (genauer gesagt das Gehäuse des Kerns) kann auf der Platine befestigt sein. 6 shows the structure of a direct imaging current sensor with a U-core. The basic structure of the sensor corresponds to the structure of the current sensor from 1 In many applications, the core 10 is protected by a plastic housing. The core 10 has curved pole faces as described above with reference to 3 , diagram (b) and 4 , diagram (b). The position of the magnetic field sensor 10 (e.g. a Hall IC) is marked with x=0mm. To the left of this, the air gap length δ(x) is constant and to the right of this it becomes shorter. In the edge area of the air gap (right in 5 ) the air gap becomes shorter and reaches its smallest value δ(d) at point d. The magnetic field sensitive element (eg a Hall element) of the magnetic field sensor 10 can be arranged in a standard IC housing, for example. The connection pins 201 can be connected to a circuit board (not shown) by means of solder connections. The core 10 (more precisely the housing of the core) can also be attached to the circuit board.

Die Sensitivität s_CS = s_CORE· S_MAG des Stromsensors (z.B. in mV/A) setzt sich zusammen aus der Übertragungsfunktion s_CORE des Kerns 10 (z.B. in mT/A) und die Sensitivität s_MAG des Magnetfeldsensors 20 (z.B. in mV/mT). Wenn nun der Stromsensor für eine bestimmte Soll-Position (z.B. x=0) des Magnetfeldsensors 20 kalibriert ist, die tatsächliche Position des Magnetfeldsensors 20 jedoch von der Soll-Position um Δx abweicht, dann führt das zu einem systematischen absoluten Fehler von µ0 · (∂H_z/∂x) · Δx/S_CORE (in Ampere) sowie zu einem relativen Fehler (∂H_z/∂x)·Δx/H_z(0). Der relative Fehler entspricht der Abweichung der tatsächlichen Sensitivität von der nominellen Sensitivität s_CS des Stromsensors. Der relative Fehler ist in 7 für verschiedene U-Kerne und für verschiedene (maximale) Luftspalte δ(0) dargestellt. Man kann erkennen, dass mit dem hier beschriebenen Konzept des Pole Shaping der relative Fehler deutlich verringert wird, wobei in dem konkret dargestellten Beispiel der relative Fehler geringfügig überkompensiert wurde. Es ist davon auszugehen, dass durch experimentelle Optimierung eine im Wesentlichen flache Kurve erzielt werden kann.The sensitivity s _CS = s _CORE · S _MAG of the current sensor (e.g. in mV/A) is made up of the transfer function s _CORE of the core 10 (e.g. in mT/A) and the sensitivity s _MAG of the magnetic field sensor 20 (e.g. in mV/mT). If the current sensor is calibrated for a specific target position (e.g. x=0) of the magnetic field sensor 20, but the actual position of the magnetic field sensor 20 deviates from the target position by Δx, this leads to a systematic absolute error of µ0 · (∂H _z /∂x) · Δx/S _CORE (in amperes) as well as a relative error (∂H _z /∂x)·Δx/H _z (0). The relative error corresponds to the deviation of the actual sensitivity from the nominal sensitivity s _CS of the current sensor. The relative error is in 7 for different U-cores and for different (maximum) air gaps δ(0). It can be seen that the relative error is significantly reduced with the pole shaping concept described here, although in the specific example shown the relative error was slightly overcompensated. It can be assumed that an essentially flat curve can be achieved through experimental optimization.

Im Folgenden werden die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele noch einmal kurz zusammengefasst. Es handelt sich dabei nicht um eine vollständige Auflistung, sondern lediglich um eine exemplarische Zusammenfassung. Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen umfasst der Stromsensor einen weichmagnetischen Kern mit einem Luftspalt (vgl. z.B. 2 oder 4) sowie einen magnetfeldempfindlichen Sensor, der im Luftspalt angeordnet ist. Der weichmagnetische Kern weist zwei gegenüber liegende Polflächen auf, deren Abstand eine Luftspaltlänge δ(x) festlegt, wobei die zwei Polflächen so gekrümmt sind, dass die Luftspaltlänge in einem Randbereich des Luftspalts kleiner ist als außerhalb des Randbereichs des Luftspalts. In anderen Worten, die Luftspaltlänge ist in einem zentralen Bereich des Luftspalts größer als in zumindest einem Randbereich. Der Fringing-Effekt wird dadurch reduziert und die Homogenität des Magnetfeldes im Luftspalt verbessert.In the following, the embodiments described here are briefly summarized again This is not a complete list, but merely an exemplary summary. According to the embodiments described here, the current sensor comprises a soft magnetic core with an air gap (cf. e.g. 2 or 4 ) and a magnetic field-sensitive sensor that is arranged in the air gap. The soft magnetic core has two opposing pole faces, the distance between which defines an air gap length δ(x), the two pole faces being curved in such a way that the air gap length is smaller in an edge region of the air gap than outside the edge region of the air gap. In other words, the air gap length is larger in a central region of the air gap than in at least one edge region. The fringing effect is thereby reduced and the homogeneity of the magnetic field in the air gap is improved.

In einem Ausführungsbeispiel ist der weichmagnetische Kern ein geschlitzter Ringkern ist, wobei die zwei gegenüberliegenden Polflächen so gekrümmt sind, dass die Luftspaltlänge in einander gegenüber liegenden Randbereichen des Luftspalts kleiner ist als in dem zentralen Bereich des Luftspalts (d.h. zwischen den Randbereichen des Luftspalts, vgl. 3). In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der weichmagnetische Kern ein U-förmiger (bzw. C-förmiger) Kern mit zwei gegenüber liegenden Schenkeln ist, wobei jeder Schenkel eine der Polflächen bildet die den Luftspalt definieren. Die Polflächen können außerhalb des Randbereichs jeweils einen Flächenabschnitt aufweisen, der eben ist und in dem die Luftspaltlänge konstant ist (vgl. 4 rechts).In one embodiment, the soft magnetic core is a slotted toroidal core, wherein the two opposing pole faces are curved such that the air gap length in opposing edge regions of the air gap is smaller than in the central region of the air gap (ie between the edge regions of the air gap, cf. 3 ). In another embodiment, the soft magnetic core is a U-shaped (or C-shaped) core with two opposite legs, each leg forming one of the pole faces that define the air gap. The pole faces can each have a surface section outside the edge area that is flat and in which the air gap length is constant (cf. 4 right).

Claims

A current sensor comprising: a soft magnetic core (10) with an air gap (11), a magnetic field sensitive sensor (20) arranged in the air gap, wherein the soft magnetic core (10) has two pole faces, the distance between which defines an air gap length (δ(x)), and wherein the two pole faces are curved such that the air gap length (δ(x)) is smaller in an edge region of the air gap (11) than outside the edge region of the air gap (11).

The current sensor according to claim 1 , where the soft magnetic core is a slotted toroidal core.

The current sensor according to claim 1 , wherein the soft magnetic core is a slotted toroidal core, and wherein the two pole faces are curved such that the air gap length (δ(x)) in opposite edge regions of the air gap (11) is smaller than in a central region of the air gap (11).

The current sensor according to claim 1 , wherein the soft magnetic core is a U-shaped core with two opposite legs, each having one of the pole faces.

The current sensor according to claim 4 , whereby the pole faces outside the edge region each have a surface section which is flat and in which the air gap length (δ(x)) is constant.

Use of a soft magnetic core for constructing a direct imaging current sensor, wherein the soft magnetic core (10) has two pole faces, the distance between which defines an air gap length (δ(x)), and wherein the two pole faces are curved such that the air gap length (δ(x)) is smaller in an edge region of the air gap (11) than outside the edge region of the air gap (11).

A current measuring circuit comprising a current sensor according to one of the Claims 1 until 6 , a primary conductor running through the core which, during operation, carries a primary current which in turn generates a magnetic field which is guided by the core and which runs essentially in a main direction (z) through the air gap (11).