DE10054016A1

DE10054016A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Strommessung

Info

Publication number: DE10054016A1
Application number: DE2000154016
Authority: DE
Inventors: Christoph Treutler; Franz Jost
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-11-01
Filing date: 2000-11-01
Publication date: 2002-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Stärke eines durch einen Leiter (1) fließenden elektrischen Stroms, bei dem eine Komponente eines von diesem Strom erzeugten Magnetfelds erfaßt und daraus die Stromstärke ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird eine frequenzabhängige Stromstärkemessung bei Gleich- und Wechselstrom erreicht durch folgende Schritte: DOLLAR A A1) Vorsehen wenigstens eines Schlitzes in einem Abschnitt (10) des Leiters (1); B1) Anbringen wenigstens eines von einer in Stromflußrichtung liegenden Längsmittelachse (M) des Schlitzes (11) beabstandeten Magnetfeldsensors (15, 16) innerhalb des Schlitzes (11); C1) Erfassen der vom fließenden Strom im Leiter verursachten Feldstärke einer Magnetfeldkomponente (Bz) innerhalb des Schlitzes (11) und Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals durch den Magnetfeldsensor und D1) Ermitteln der Stromstärke im Leiter (1) aufgrund des vom Magnetfeldsensor (15, 16) erzeugten Ausgangssignals.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Stärke eines durch einen Leiter fließenden elek trischen Stroms, bei dem bzw. bei der eine Komponente eines von diesem Strom erzeugten Magnetfelds erfaßt und daraus die Stromstärke ermittelt wird.

Für die Optimierung und Regelung der elektrischen Energie in technischen Prozessen, im Haushalt und in Fahrzeugen benötigt man die Information der Stromstärke. Komplexe Geräte, wie Amperemeter, sind oft teuer und platzaufwendig und sollten durch kompaktere und kostengünstigere Sensoren ersetzt werden.

Die Stromstärke kann typischerweise auf zwei verschiedene Weisen bestimmt werden:

- Durch Messung eines Spannungsabfalls an einem in die Messleitung eingefügten Widerstand;
- Durch Messung des vom stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfelds.

Im ersten Fall ist der Widerstand Teil des Stromkreises. Störspitzen im Stromkreis, die Begrenzung des Messbereichs durch maximal zulässige Verlustleistung des Messwiderstands und die Rückwirkung auf den Stromkreis begrenzen den Einsatz dieses Messverfahrens.

Im zweiten Fall ist das Sensorsignal galvanisch vom Strom kreis getrennt. Bei Wechselstrom ist die einfachste Messung mit Hilfe eines Transformators möglich, der den stromführenden Leiter umgibt. Mit diesem Verfahren können keine Gleich ströme gemessen werden. Um auch Gleichströme zu messen, kann ein ringförmiger Kern aus weichmagnetischem Material mit einem Luftspalt eingesetzt werden, in dem das Magnetfeld des Stromleiters konzentriert wird. Mit Hilfe eines Hallsensors im Luftspalt ist eine Strommessung möglich. Die Hallspannung ist dabei proportional zum fließenden Strom. Der Magnetkern muß dabei den Stromleiter umschließen. Dies führt zu Montage- und Bauraumproblemen.

Lediglich zur Vollständigkeit sei noch die faseroptische Strommessung erwähnt, die den Faraday-Effekt benutzt, durch den sich die Polarisationsebene des durch eine Glasfaser geführten Lichts unter der Wirkung eines durch den Strom gebildeten Magnetfelds verdreht. Dieses Verfahren ist besonders in Höchstspannungsanlagen interessant, scheitert jedoch für kompakte und billige Strommessmodule, z. B. im Fahrzeug und im Haushalt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Messung der Stärke eines durch einen Leiter fließen den elektrischen Stroms anzugeben, die eine kompakte, flache Konstruktion, eine potentialfreie Strommessung, eine Gleich- und Wechselstrommessung unabhängig von der Frequenz des zu messenden Stroms, eine Minimierung von Störeinflüssen benach barter Stromleiter sowie eine Reduzierung der Komponenten für das Strommessmodul ermöglichen.

Zur Lösung der Aufgabe werden erfindungsgemäß zwei mögliche Verfahren vorgeschlagen:

- Bei einem erfindungsgemäßen Strommeßverfahren ist wenig stens ein einen Abschnitt des stromführenden Leiters durch setzender Schlitz und in diesem Schlitz wenigstens ein Magnetfeldsensor vorgesehen.

Das andere erfindungsgemäße Verfahren sieht in einem Abschnitt des stromführenden Leiters kammzinkenartige Stege aus Leitermaterial vor, die in Stromflussrichtung liegen, und beabstandet von diesen kammzinkenartigen Stegen ist ein Magnetfeldsensor angebracht.

Bei beiden Verfahren wird mit der Erfassung der vom fließenden Strom verursachten Feldstärke einer Magnetfeldkom ponente im Schlitz des Leiters bzw. im Abstand von den kamm zinkenartigen Stegen durch den (die) Magnetfeldsensor(en) ein Ausgangssignal erzeugt, das die Stromstärke im strom durchflossenen Leiter angibt.

Die ausgewählten Stromleitergeometrien und Sensoranordnungen erlauben eine Stromsensierung, die von der Stromfrequenz nahezu unabhängig ist. Der Primärleiter kann als Runddraht, Flachleiter, auf oder in einer Leiterplatte als auch als Leiterbahn in Silicium und anderen Halbleitersubstraten vorliegen. Das Stromleitermaterial kann Kupfer, Aluminium oder jedes andere stromleitende Metall sowie auch Silicium, Galliumarsenid, Indiumarsenid und andere Halbleitermaterialien sein oder enthalten.

Die Stromleitergeometrie kann durch klassische Verfahren als auch durch Mikromechanik- oder Halbleitertechnologie realisiert werden. Im zweiten Fall ist auch eine Integration einer Auswerteschaltung möglich. Für die Magnetfeldmessung im stromdurchflossenen Leiter können Hallsensoren, LMT-, AMR-, GMR-, TMR-, CMR-Sensoren und auch magnetooptische Sensoren eingesetzt werden. Ferner ist eine Skalierung in der Geometrie und im Strompegel möglich. Die technologische Integration, hinsichtlich mechanischer, thermischer, elektrischer und magnetischer Modularität bringt Funktionsvorteile hinsichtlich Miniaturisierung, Kühlung, Kalibrierung, neuer Einbauplätze, Sicherheit, Selbstdiagnose, Abschirmung u. s. w. Die auf der Basis der erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagene modulare Strommeßvorrichtung ist systemoptimiert und hat eine höhere Genauigkeit als aus Einzelkomponenten zusammengebaute Meßvorrichtungen.

Wenn, wie in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, im Schlitz zwei Magnetfeldsensoren symmetrisch beabstandet zur Längsmittelachse des Schlitzes angebracht sind und die Stromstärke aus der Differenz der Ausgangssignale der beiden Magnetfeldsensoren ermittelt wird, können Störungen, die durch benachbarte stromführende Leiter im Messergebnis verursacht werden, durch die Differenzbildung augeschaltet werden. Selbst eine leichte seitliche mechanische Verschie bung des Sensorpaares würde das Differenzsignal nicht verän dern. Ein homogenes Störfeld ist durch die Differenzbildung im Signal nicht bemerkbar.

Nachstehend werden zwei alternative Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Strommessverfahrens und der darauf beruhenden Strommessvorrichtungen anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt schematisch und perspektivisch einen Stromlei ter mit Schlitz in einem x,y,z-Koordinatensystem.

Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Strommessvorrichtung, die zwei Magnetfeldsensoren in einem Schlitz eines Leiters aufweist.

Fig. 3 zeigt graphisch die Verteilung einer Magnetfeldkompo nente in z-Richtung innerhalb des Schlitzes bei Gleichstrom.

Fig. 4 zeigt graphisch die Feldverteilung einer Komponente des Magnetfelds in z-Richtung innerhalb des Schlitzes bei ei ner Stromfrequenz von 2 kHz.

Fig. 5 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung, bei der im Abschnitt eines Leiters mit kammzinkenartigen Stegen ein Magnetfeldsensor im Abstand von den Stegen angebracht ist.

Fig. 6 zeigt graphisch die Verteilung der Magnetfeldinduk tion in 2 mm Höhe über dem mit den kammzinkenartigen Stegen versehenen Leiterabschnitt gem. Fig. 5 in x-Richtung bei Gleichstrom, und

Fig. 7 zeigt graphisch die Verteilung der Magnetfeldinduk tion in 2 mm Höhe über dem mit den kammzinkenartigen Stegen versehenen Leiterabschnitt gem. Fig. 5 in x-Richtung bei einer Stromfrequenz von 2 kHz.

Ausführungsbeispiele

Ein stromdurchflossener Leiter in einer bestimmten Form und Geometrie erzeugt eine eindeutige Magnetfeldverteilung. An einem Meßpunkt außerhalb des Leiters ist die magnetische Feldstärke proportional zur Stromstärke. Diese lineare Abhän gigkeit gilt allerdings nur bei Gleichstrom. Fließt dagegen Wechselstrom durch den Leiter, so verändert sich die Strom verteilung innerhalb des Leiters abhängig von der Frequenz. Durch den Skin-Effekt wird der Strom an die Leiteroberfläche verdrängt. Diese Verdrängung ist umso größer, je höher die Stromfrequenz ist. Die Änderung der Stromverteilung (der Gesamtstrom bleibt derselbe) hat als Konsequenz, dass sich auch die magnetische Feldstärke in einem Messpunkt außerhalb des Leiters mit der Frequenz verändert. Damit ist die Feldstärke im Messpunkt nicht nur von der Stromstärke, sondern auch von der Frequenz abhängig.

Allerdings gibt es, wie schon erwähnt, bei zylindrischen Leitern mit Hilfe eines um den Leiter gelegten ringförmigen Kerns aus weichmagnetischem Material, der einen Luftspalt aufweist, eine relativ frequenzunabhängige Strommessung. Diese Lösung benötigt aber einen großen Bauraum.

Die Erfinder haben die Verteilung der Feldstärke eines durch einen in einem Leiter fließenden Strom verursachten Magnetfelds in einem in einem Leiter 10 eingebrachten Schlitz 11 untersucht (Fig. 1). Zur quantitativen Erfassung der relevanten Größen ist in der Darstellung gemäß Fig. 1 ein x,y,z-Koordinatensystem eingeführt, eine Mittellinie des Schlitzes 11 in y-Richtung ist mit M bezeichnet und die Stromflußrichtung im Leiter 10 ist die y-Richtung.

Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils mit den Kurven g(0) und g(2) die Magnetfeldverteilung der Komponente Bz (in z- Richtung) im Schlitz 11 jeweils bei der Stromstärke 7S0 A und der Frequenz 0 kHz und bei 750 A und der Frequenz 3 kHz. In Abszissenrichtung ist der Abstand im Schlitz in x-Richtung und in Ordinatenrichtung die Komponente Bz des magnetischen Feldes in z-Richtung aufgetragen.

Die beiden Graphen g(0) und g(2) zeigen, daß die Stärke der in z-Richtung gerichteten Magnetfeldkomponente Bz entlang der in y-Richtung liegenden Mittellinie M des Schlitzes 11 (bei gegebenem Abstand im Schlitz in x-Richtung) bei unterschiedlichen Frequenzen gleich sind, obwohl die Stromdichteverteilungen unterschiedlich sind, d. h. daß die Magnetfeldverteilung im Schlitz 11 entlang der Mittellinie M des Schlitzes nahezu unabhängig von der Frequenz ist.

Daraus läßt sich folgern, daß es mindestens eine bevorzugte Anordnung für die Form des Stromleiterabschnitts 10 und der Schlitzes 11 und mindestens eine Ebene im Schlitz 11 gibt, deren strombedingte Magnetfeldverteilung frequenzunabhängig ist. In den Schlitz 11 können Sensoren eingefügt werden, die das magnetische Feld messen. Die Leitergeometrie und -form, die Anzahl der Sensoren, der Typ der Sensoren und die gewählte Sensoranordnung sind von Systemanforderungen bestimmt.

Grundsätzlich läßt sich mit einem von der Mittellinie M des Schlitzes 11 in x-Richtung beabstandeten Sensor der Strom im Leiter messen. Dabei würden allerdings durch benachbarte stromführende Leiter verursachte Fremdfelder die Messung stören.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung weist zwei Magnet feldsensoren 15 und 16 auf, die symmetrisch zur in y-Richtung laufenden Mittellinie M beabstandet sind. Aus den Ausgangssignalen der beiden Magnetfeldsensoren 15 und 16 lässt sich ein Differenzsignal bilden, das der zu ermittelnden Stromstärke entspricht, unabhängig von der Stromfrequenz und unempfindlich gegen homogene Störfelder ist.

Bevorzugt sind die beiden Magnetfeldsensoren 15 und 16 Hallsensoren. Die zu messende Magnetfeldkomponente Bz steht senkrecht zur Chipfläche der Hallsensoren. Selbst eine leichte seitliche mechanische Verschiebung des Sensorpaares würde das Differenzsignal der Sensoren 15, 16 nicht verändern. Die möglichen eingesetzten Sensoren können LMT-, AMR-, GMR-, TMR-, CMR- und magnetooptische Sensoren je nach den Systemerfordernissen sein.

Fig. 5 zeigt perspektivisch ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung, bei dem im Abstand über (unter) einem mit parallelen kammzinkenartigen Stegen 21, 22, 23 versehenen Abschnitt 20 eines Leiters ein in x-Richtung gegenüber der in y-Richtung (Stromflußrichtung) liegenden Mittellinie M des Abschnitts 20 versetzter Magnetfeldsensor vorgesehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein AMR/GMR-Sensor über oder unter dem Leiterabschnitt 20 einsetzbar. Die zu messende Magnetfeldkomponente (in x-Richtung) liegt parallel zur Chipfläche eines derartigen AMR/GMR-Sensors. Die Montage ist unkritisch. Störfelder werden miterfaßt, und somit ist eine Abschirmung der in Fig. 5 gezeigten Strommessvorrichtung in dem Leiterabschnitt 20 sinnvoll.

Die Fig. 6 und 7 zeigen graphisch die Magnetfeldverteilung über dem mit den parallelen kammzinkenartigen Stegen versehenen Leiterabschnitt 20 bei einer Stromstärke von 750 A jeweils bei einer Stromfrequenz von 0 kHz und einer Stromfrequenz von 2 kHz, wobei für die Höhe des Sensors 50 über der Ebene des Leiterabschnitts 20 (z-Richtung) 2 mm gewählt sind. Die beiden Graphen g(0) und g(2) zeigen, daß es eine Anordnung des Sensors 15 gibt, bei der die Feldverteilung des Magnetfelds in x-Richtung weitgehend frequenzunabhängig ist.

Nach dem oben gesagten, gelten für das in Fig. 5 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung im wesentlichen dieselben Vorteile wie für die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung gemäß Fig. 2, wobei in beiden Ausführungsformen eine potentialfreie Sensierung des im Leiter fließenden Stroms unabhängig von der Stromfrequenz möglich ist.

Für die bevorzugte Anwendung im Fahrzeug bzw. Kraftfahrzeug ist es von Vorteil, daß sich die oben gezeigten Resultate auch auf andere Formen und Geometrien erweitern lassen. Rechnungen der Erfinder haben gezeigt, daß bei einer Reduzierung der Geometrie um einen beliebigen Faktor die Aussagen ihre Gültigkeit bewahren. Selbst eine Formänderung der Schlitzschenkel oder kammzinkenartigen Stege von rechteckigem, quadratischem, zylindrischen Querschnitt würde das erfindungsgemäße Messprinzip nicht verändern.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Stärke eines durch einen Leiter (1) fließenden elektrischen Stroms, bei dem eine Komponente eines von diesem Strom erzeugten Magnetfelds erfaßt und daraus die Stromstärke ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur frequenzunabhängigen Stromstärkemessung folgende Schritte ausgeführt werden:

1. Vorsehen wenigstens eines Schlitzes (11) in einem Abschnitt (10) des Leiters (1);
2. Anbringen wenigstens eines von einer in Stromflußrich tung liegenden Längsmittelachse (M) des Schlitzes (11) beabstandeten Magnetfeldsensors (15, 16) innerhalb des Schlitzes (11);
3. Erfassen der vom fließenden Strom im Leiter verursachten Feldstärke einer Magnetfeldkomponente (Bz) innerhalb des Schlitzes (11) und Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals durch den Magnetfeldsensor (15, 16); und
4. Ermitteln der Stromstärke im Leiter (I) aufgrund des vom Magnetfeldsensor (15, 16) erzeugten Ausgangssignals.

2. Strommessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt A1) der Schlitz (11) so angeordnet wird, dass er den Querschnitt des Leiterabschnitts (10) quer zur Längsmittelachse (M) ganz durchsetzt und symmetrisch zur in Stromflußrichtung (y) definierten Längsmittelachse (M) des Schlitzes (11) liegt.

3. Strommessverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B1) zwei Magnetfeldsensoren (15, 16) symmetrisch beabstandet zur Längsmittelachse (M) des Schlitzes (11) angebracht werden und dass ein die Stromstärke angebendes Signal in Schritt D1) aus der Differenz der Ausgangssignale beider Magnetfeldsensoren (15, 16) ermittelt wird.

4. Verfahren zur Messung der Stärke eines durch einen Leiter (1) fließenden elektrischen Stroms, bei dem eine Komponente (Bx)eines von diesem Strom erzeugten Magnetfelds erfaßt und daraus die Stromstärke ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur freguenzunabhängigen Stromstärke messung folgende Schritte ausgeführt werden:

1. Vorsehen eines Leiterabschnitts (20) mit in Stromflußrichtung (y-Richtung) laufenden kammzinkenartigen parallelen Stegen (21, 22, 23) aus Leitermaterial;
2. Anbringen wenigstens eines von diesem Leiterabschnitt (20) beabstandeten Magnetfeldsensors (15), der ein AMR-, GMR ode LMT-Sensor sein kann, oberhalb oder unterhalb des die kammzinkenartigen Stege (21, 22) aufweisenden Leiterab schnitts (20);
3. Erfassen der vom fließenden Strom verursachten Feld stärke einer Magnetfeldkomponente oberhalb (unterhalb) der kammzinkenartigen Stege (21, 22, 23) und Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals durch den Magnetfeldsensor (15), und
4. Ermitteln der Stromstärke im Leiter (1) aufgrund des vom Magnetfeldsensor (15) erzeugten Ausgangssignals.

5. Strommeßverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (15) etwa in einer bezogen auf die in Stromflussrichtung (y) gemessene Länge des Leiterab schnitts (20) mittleren Position liegt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterab schnitt (10; 20) und der oder die Magnetfeldsenor(en) (15, 16) modulartig als Messeinheit gestaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Magnetfeldsensor(en) (15, 16) wenigstens einen Hallsensor aufweisen.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter abschnitt (20) und der Magnetfeldsenor (15) modulartig als Messeinheit gestaltet und gegen äußere Magnetfelder abgeschirmt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (15) ein AMR-Sensor ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Stromstärke aus dem Ausgangssignal bzw. den Ausgangssignalen der Magnetfeldsensoren ermittelnde Auswerteschaltung in der Meßeinheit integriert sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterabschnitt (20) und der Schlitz (11) oder die kammzinkenartigen Stege in ihrer Geometrie und im Strommessbereich skalierbar sind, und daß ein Strommessbereich von typisch 1 A bis 1500 A realisierbar ist.

12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für die Stromstärkemessung in in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, geführten Leitern.