DE102021111412A1 - Current measuring system for measuring a current flowing through an electrical current conductor and a corresponding method - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strommesssystem (1) zur Messung, insbesondere indirekten Messung, eines durch einen elektrischen Stromleiter (2) fließenden Stroms, aufweisend:einen Magnetkern (4), der eine Durchgangsöffnung (6) aufweist und eine maximale Querschnittsfläche (8) besitzt,- wobei der Magnetkern (4) an einer Stelle zur Bildung eines Luftspaltes (10) aufgetrennt ist und dort zwei, insbesondere gegenüberliegende Querschnittsflächen (12a, 12b) des Magnetkerns (4) zur Begrenzung dieses Luftspaltes (10) freigelegt sind,- wobei am Magnetkern mindestens ein Sensor (14) montiert und positionstreu in dem Luftspalt (10) angeordnet ist, und zwar zur Messung eines sich bei durch die Durchgangsöffnung (6) geführten Stromleiters (2) mit durch diesen fließenden Strom (IP) im Magnetkern (4) einstellenden magnetischen Flusses (Φ), und- wobei die freigelegten Querschnittsflächen (12a, 12b) jeweils kleiner sind als die maximale Querschnittsfläche (8) und wobei der Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche (8) und jeder der zwei freigelegten Querschnittsflächen (12a, 12b), insbesondere zur Konzentration des magnetischen Flusses und hierdurch bewirkten Erhöhung der Flussdichte, fließend, insbesondere durchgehend fließend, ausgebildet ist.The invention relates to a current measuring system (1) for measuring, in particular indirect measuring, a current flowing through an electrical current conductor (2), comprising: a magnetic core (4) which has a through opening (6) and has a maximum cross-sectional area (8), - wherein the magnetic core (4) is separated at one point to form an air gap (10) and two, in particular opposite, cross-sectional areas (12a, 12b) of the magnetic core (4) are exposed there to delimit this air gap (10),- wherein the magnetic core at least one sensor (14) is mounted and arranged in the air gap (10) in the correct position, namely for measuring a current conductor (2) that is guided through the through-opening (6) with a current (IP) flowing through it that occurs in the magnet core (4). magnetic flux (Φ), and- wherein the exposed cross-sectional areas (12a, 12b) are each smaller than the maximum cross-sectional area (8) and wherein the transition between the maximum Q Cross-sectional area (8) and each of the two exposed cross-sectional areas (12a, 12b), in particular for the concentration of the magnetic flux and the resulting increase in the flux density, is designed to be fluent, in particular continuously fluent.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strommesssystem zur Messung eines durch einen elektrischen Stromleiter fließenden Stroms sowie ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a current measuring system for measuring a current flowing through an electrical current conductor and a corresponding method.

Aus dem Stand der Technik sind Strommesssysteme zur Messung eines durch einen elektrischen Stromleiter fließenden Stroms bekannt, bei denen der stromführende Leiter hierzu durch die Öffnung eines Magnetkerns geführt ist. So kann das sich um diesen stromführenden Leiter ausbildende magnetische Feld in dem, insbesondere auch als Feldkonzentrator dienenden, Magnetkern gebündelt und zur Ermittlung des durch den Leiter fließenden Stromes, d.h. insbesondere zur Ermittlung der Stromstärke, der sich im Kern einstellende, fließende magnetische Fluss erfasst und herkömmlicher Weise wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt werden Um den elektrischen Fluss in dem Magnetkern erfassen zu können, ist dieser an einer Stelle aufgetrennt und so. an dieser Stelle ein Luftspalt ausgebildet, in den ein Sensor zur Erfassung des magnetischen Flusses eingeführt ist, der magnetische Fluss erfasst und ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Der Sensor, insbesondere ein Hall-Sensor, fungiert zusammen mit dem Magnetkern bei der Strommessung also als eine Art Messumformer. Eine solches Strommesssystem wird häufig auch im Rahmen einer als Open-Loop-Messung bekannten Strommessung angewandt, bei welcher im Sensor eine proportional zur magnetischen Feldstärke im Luftspalt eines Magnetkerns, in der Regel zunächst kleine Spannung erzeugt wird, diese verstärkt wird und die verstärkte Spannung daraufhin das Ausgangssignal des Sensors darstellt. Als Vorteile sind eine recht niedrige Stromaufnahme und die kompakte Bauform zu nennen, als Nachteile sind die oft nur mäßige Bandbreite und hohe Anstiegszeit. Problematisch ist häufig ein Abbildungsfehler und besonders dessen Temperaturabhängigkeit. Über einen weiten Anwendungstemperaturbereich wie von - 25 bis +85 °C betrachtet, kann der Fehler sogar im zweistelligen Prozentbereich liegen. Open-Loop-Sensoren eignen sich daher in der Regel für weniger anspruchsvolle Anwendungen. Auch können bereits kleinste Änderungen in Bezug auf den Luftspalt, auch bereits im µm-Bereich, die Strommessung und deren Genauigkeit beeinflussen. Current measuring systems for measuring a current flowing through an electrical current conductor are known from the prior art, in which the current-carrying conductor is guided through the opening of a magnet core for this purpose. In this way, the magnetic field that forms around this current-carrying conductor can be bundled in the magnetic core, which in particular also serves as a field concentrator, and used to determine the current flowing through the conductor, i.e. in particular to determine the current strength, the flowing magnetic flux that occurs in the core and conventionally converted back into an electrical signal In order to be able to record the electrical flow in the magnetic core, it is separated at one point and such. an air gap is formed at this point, into which a sensor for detecting the magnetic flux is inserted, which detects the magnetic flux and generates a corresponding electrical output signal. The sensor, in particular a Hall sensor, acts together with the magnetic core when measuring the current as a kind of measuring transducer. Such a current measuring system is also often used as part of a current measurement known as an open-loop measurement, in which a voltage proportional to the magnetic field strength in the air gap of a magnetic core, usually initially small, is generated in the sensor, this is then amplified and the amplified voltage is then generated represents the output signal of the sensor. The advantages are a very low power consumption and the compact design, the disadvantages are the often only moderate bandwidth and high rise time. An imaging error and especially its temperature dependency is often problematic. Over a wide application temperature range, such as from -25 to +85 °C, the error can even be in the double-digit percentage range. Open-loop sensors are therefore usually suitable for less demanding applications. Even the smallest changes in relation to the air gap, even in the µm range, can affect the current measurement and its accuracy.

So treten z.B. bei der Magnetisierung eines Eisenkerns und also bei der Erzeugung des Magnetkerns bekanntermaßen Hystereseeffekte auf. Wenn durch den Stromleiter, der durch einen noch nicht magnetisierten Eisenkern geführt ist, ein elektrischer Strom geleitet wird, wird der Kern magnetisiert. In dieser Magnetisierungsphase steigen sowohl die magnetische Feldstärke H als auch zunächst die Flussdichte B an, wobei der von einem Sensor in einem wie oben beschriebenen Luftspalt erfasste magnetische Fluss Φ letztlich von den an dieser Stelle im Wesentlichen senkrecht zur Querschnittfläche verlaufenden Feldlinien abhängt. Je größer deren Dichte B ist, desto größer ist auf der erfasste magnetische Fluss Φ an dieser Stelle. Bei einem weiteren Anstieg des elektrischen Stromes und somit auch der magnetischen Feldstärke stagniert der Anstieg der magnetischen Flussdichte jedoch allmählich und der Kern gerät in den Bereich einer Sättigung, was zu einer Nichtlinearität führt und daraufhin kaum noch zu einer nennenswerten Steigerung der Flussdichte B führt. Wird die Stromstärke wieder auf den Wert Null reduziert und folglich auch die sich hierdurch bedingte magnetische Feldstärke, sinkt die Flussdichte jedoch nur auf den Wert einer materialspezifischen Remanenz-Flussdichte ab, die allen ferromagnetischen Materialien eigen ist. Erst beim Unterschreiten der jeweiligen negativen Koerzitivfeldstärke nimmt auch die Flussdichte negative Werte an, bis hin zum erneuten Sättigungsbereich. Wird die Stromstärke wieder auf den Wert Null erhöht, erhöht sich die Flussdichte wiederum zunächst nur bis zur (negativen) Remanenz-Flussdichte und erst beim Überschreiten der jeweiligen positiven Koerzitivfeldstärke infolge weiterer Stromerhöhung nimmt auch die Flussdichte wieder positive Werte an, bis wieder der Sättigungsbereich erreicht ist.For example, hysteresis effects occur during the magnetization of an iron core and thus during the production of the magnetic core. If an electric current is passed through the current conductor, which is fed through an iron core that has not yet been magnetized, the core becomes magnetized. In this magnetization phase, both the magnetic field strength H and initially the flux density B increase, with the magnetic flux Φ detected by a sensor in an air gap as described above ultimately depending on the field lines running essentially perpendicular to the cross-sectional area at this point. The greater their density B, the greater the detected magnetic flux Φ at this point. With a further increase in the electric current and thus also in the magnetic field strength, the increase in the magnetic flux density gradually stagnates and the core gets into the saturation range, which leads to non-linearity and then hardly leads to a significant increase in the flux density B. However, if the current strength is reduced back to the value zero and consequently also the resulting magnetic field strength, the flux density only drops to the value of a material-specific remanence flux density, which is inherent to all ferromagnetic materials. Only when the respective negative coercive field strength is undershot does the flux density also assume negative values, up to the point of renewed saturation. If the current intensity is increased again to the value zero, the flux density increases again initially only up to the (negative) remanence flux density and only when the respective positive coercive field strength is exceeded as a result of a further increase in current does the flux density also assume positive values again, until the saturation range is reached again is.

Aufgrund der somit ergebenden Hysterese werden folglich in Bereichen, in denen es zu einer häufigen Ummagnetisierung kommt, wie zum Beispiel auch bei induktiv arbeitenden Strommesswandlern, in der Regel magnetische Werkstoffe mit niedriger Koerzitivfeldstärke eingesetzt, um eben die Hystereseeffekte möglichst gering zu halten.Because of the resulting hysteresis, magnetic materials with a low coercive field strength are generally used in areas where there is frequent magnetization reversal, such as in the case of inductive current measuring transducers, in order to keep the hysteresis effects as low as possible.

Auf der anderen Seite ist grundsätzlich sicherzustellen, dass ein zur Strommessung eingesetzter Magnetkern, z.B. als Feldkonzentrator in einem Messumformer, möglichst nur im linearen Bereich der Hysteresekurve eingesetzt wird, da der Betrieb im Sättigungsbereich zu großen Messfehlern führen kann.On the other hand, it must always be ensured that a magnetic core used for current measurement, e.g. as a field concentrator in a transmitter, is only used in the linear range of the hysteresis curve, since operation in the saturation range can lead to large measurement errors.

Aus der Veröffentlichung DE 11 2014 001 216 T5 ist ein Sensor zum Messen des elektrischen Stroms bekannt, der einen Magnetkern mit einem Verbindungsabschnitt aufweist, der durch Biegen eines Teils eines Plattenbauteils gebildet ist. Beide Endabschnitte des Plattenbauteils sind gegenüberliegend angeordnet und bilden einen konstanten magnetischen Spalt zwischen sich aus, innerhalb welchem ein Hall-Sensor zur Ermittlung eines erzeugten magnetischen Flusses angeordnet. Die Endabschnitte, zwischen denen der Spalt ausgebildet ist, verjüngen sich hierbei ausgehend vom Verbindungsabschnitt in deren Breite jeweils derart benachbart zum jeweils anderen Endabschnitt zu ihrem distalen Ende, dass es zwischen Verbindungsabschnitt und jedem distalen Ende keinen Ort gibt, wo sich ein Magnetfeld konzentriert und der Kern hierdurch eine gleichförmige magnetische Widerstandscharakteristik besitzt.From the publication DE 11 2014 001 216 T5 there is known a sensor for measuring electric current, which has a magnetic core having a connecting portion formed by bending a part of a plate member. Both end portions of the plate member are arranged opposite each other and form a constant magnetic gap between them, within which a Hall sensor for detecting a generated magnetic flux is arranged. The width of the end sections, between which the gap is formed, tapers starting from the connecting section in each case adjacent to the respective other end section its distal end, there is no place where a magnetic field is concentrated between the connecting portion and each distal end, and the core thereby has a uniform magnetic resistance characteristic.

Auch die Druckschrift EP 1 811 311 B1 beschreibt eine Vorrichtung zur Strommessung mit einem Magnetkern, der eine Durchgangsöffnung bildet, durch welche ein Stromleiter geführt ist. Der Magnetkern ist hierzu aus einem länglichen Stück Blech geformt und entsprechend gebogen, wobei zwei zueinander gerichtete Seitenwände durch einen Luftspalt getrennt sind. Ein Magnetfeldsensor ist innerhalb der Durchgangsöffnung und außerhalb des Luftspaltes angeordnet.Also the print EP 1 811 311 B1 describes a device for current measurement with a magnetic core that forms a through-opening through which a current conductor is routed. For this purpose, the magnetic core is formed from an elongated piece of sheet metal and bent accordingly, with two side walls facing one another being separated by an air gap. A magnetic field sensor is arranged inside the through hole and outside the air gap.

Auch die Veröffentlichung JP 2009-300196 A offenbart ein Strommesssystem mit einem, eine Durchgangsöffnung ausbildenden, im wesentlichen rechtwinkligen Magnetkern, durch welche ein Stromleiter geführt werden kann. Der Magnetkern ist ferner zur Bildung eines Luftspaltes aufgetrennt. Der Magnetkern ist zusammen mit einem Hall-Element in einem diese aufnehmenden Gehäuse montiert, wobei das Hall-Element an dem Gehäuse derart montiert ist, dass es innerhalb des Luftspaltes positioniert werden kann. Die beiden den Spalt begrenzenden Enden weisen jeweils konvergierende, zur Spaltmitte hin verjüngende Abschnitte auf, sodass der Magnetfluss in Richtung des Spalts grundsätzlich konzentriert werden kann. Allerdings sind die Übergänge zu verjüngten oder sich verjüngenden Abschnitte jeweils durch scharfe Absätze gebildet, wodurch die Bündelung der Magnetfeldlinien und also die Erhöhung der Flussdichte erschwert ist. Ferner ist durch eine Montage des Hall-Element an dem Gehäuse in vielen Industriefeldern mit rauen Umgebungsbedingungen eine dauerhafte positionstreue Halterung innerhalb des Luftspaltes nicht gewährleistet und kann folglich zu weiteren Messfehlern beitragen.Also the publication JP 2009-300196 A discloses a current sensing system having a substantially rectangular magnetic core forming a through hole through which a current conductor can be passed. The magnetic core is also separated to form an air gap. The magnetic core is mounted together with a Hall element in a housing accommodating them, the Hall element being mounted on the housing in such a way that it can be positioned within the air gap. The two ends delimiting the gap each have converging sections that taper towards the middle of the gap, so that the magnetic flux can basically be concentrated in the direction of the gap. However, the transitions to tapered or tapering sections are each formed by sharp shoulders, which makes it difficult to focus the magnetic field lines and thus to increase the flux density. Furthermore, mounting the Hall element on the housing in many industrial fields with harsh environmental conditions does not guarantee permanent position-accurate mounting within the air gap and can consequently contribute to further measurement errors.

Eine ähnliche Anordnung ist aus der JP 2011-99751 A bekannt, Für ein Strommesssystem mit einem, eine Durchgangsöffnung ausbildenden C-förmigen Magnetkern, ist zwischen den geöffneten Enden eine Platine mit darauf montiertem Hall-Sensor platziert. Weitere Ausführungsformen, bei welchen jeweils ein Magnetfeldsensor außerhalb eines Magnetkerns befestigt ist und in der Mitte eines durch Auftrennung des Metallkerns bereitgestellten Spaltes ausgerichtet gehalten wird, sind z.B. der JP 2012-37377 A , der JP002013134076A und der WO 00/37948 zu entnehmen.A similar arrangement is from JP 2011-99751A For a current measuring system with a C-shaped magnetic core forming a through-opening, a circuit board with a Hall sensor mounted on it is placed between the open ends. Further embodiments, in which a magnetic field sensor is attached outside of a magnetic core and is kept aligned in the middle of a gap provided by separating the metal core, are, for example, JP 2012-37377 A , the JP002013134076A and the WO 00/37948 refer to.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Strommesssystem aufzuzeigen, welches sich insbesondere auch für raue Industriefeldbedingungen eignet und im eingebrachten Luftspalt des Magnetkerns eine homogenere und konzentriertere Flächendichte des magnetischen Flusses, insbesondere im Bereich eines im Luftspaltes angeordneten Sensors bereitstellt, sodass auch bei Auftreten von Sättigungseffekten im Kernmaterial eine proportional zur magnetischen Feldstärke im Luftspalt bewirkte Signalauslenkung und somit die Signalintegrität des Sensors insgesamt verbessert wird und zu einer weiterhin hohen Messgenauigkeit des Strommesssystems.The invention is based on the object of demonstrating a current measuring system that is improved compared to the prior art, which is also particularly suitable for rough industrial field conditions and provides a more homogeneous and concentrated areal density of the magnetic flux in the air gap of the magnetic core, in particular in the area of a sensor arranged in the air gap. so that even if saturation effects occur in the core material, a signal deflection caused proportional to the magnetic field strength in the air gap and thus the signal integrity of the sensor is improved overall and the current measuring system continues to have high measuring accuracy.

Die Erfindung schlägt zur Lösung ein Strommesssystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 vor. Zweckmäßige Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.The invention proposes a current measuring system according to the features of claim 1 and a method according to claim 9 as a solution. Expedient developments are the subject of the respective subclaims.

Dementsprechend schlägt die Erfindung zur Messung, insbesondere zur indirekten Messung, eines durch einen elektrischen Stromleiter fließenden Stroms ein Verfahren vor, bei welchem der Stromleiter hierzu durch eine Durchgangsöffnung eines Magnetkerns geführt wird und sich in Folge ein magnetischer Fluss im Magnetkern einstellt, wobei der Magnetkern zur Bildung eines Luftspaltes an einer Stelle aufgetrennt wird, mindestens ein Sensor, insbesondere ein Hall-Sensor, zur Messung des magnetischen Flusses am Magnetkern montiert und positionstreu in diesem Luftspalt angeordnet wird und eine Verstärkung der Signalauslenkung des Sensors bewirkt wird, indem ein durch den Sensor geführter Anteil des magnetischen Flusses bei gleichzeitiger Erhöhung der Flussdichte durch eine fließende Verjüngung der Magnetkern-Querschnittsfläche hin zum Luftspalt vergrößert wird.Accordingly, the invention proposes a method for measuring, in particular for indirect measurement, a current flowing through an electric current conductor, in which the current conductor is guided through a through-opening in a magnet core and a magnetic flux is subsequently established in the magnet core, with the magnet core Formation of an air gap at one point, at least one sensor, in particular a Hall sensor, is mounted on the magnet core to measure the magnetic flux and is positioned in this air gap with the correct position, and the signal deflection of the sensor is amplified by a guided through the sensor Proportion of the magnetic flux is increased with a simultaneous increase in the flux density through a flowing tapering of the magnetic core cross-sectional area towards the air gap.

Insbesondere zur Umsetzung vorstehendes Verfahrens ist dementsprechend ferner ein Strommesssystem zur Messung eines durch einen elektrischen Stromleiter fließenden Stroms vorgesehen, welches einen Magnetkern aufweist, der eine Durchgangsöffnung aufweist und eine maximale Querschnittsfläche besitzt. Das Strommesssystem ist dabei insbesondere zur indirekten Messung des Stroms ausgebildet. Der elektrische Stromleiter muss für die Messung durch die Durchgangsöffnung geführt werden.Accordingly, in particular for the implementation of the above method, a current measuring system for measuring a current flowing through an electric current conductor is also provided, which has a magnet core which has a through opening and has a maximum cross-sectional area. The current measuring system is designed in particular for the indirect measurement of the current. For the measurement, the electrical current conductor must be guided through the through hole.

Der Magnetkern, insbesondere ein Magnetkern mit einer im wesentlichen ringförmigen Struktur, ist an einer Stelle zur Bildung eines Luftspaltes aufgetrennt, sodass dort zwei, insbesondere gegenüberliegende Querschnittsflächen des Magnetkerns zur Begrenzung dieses Luftspaltes freigelegt sind. Die Querschnittsflächen sind somit bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Das erzeugte Magnetfeld tritt somit an einer der den Luftspalt begrenzenden Querschnittsfläche aus, durchströmt den Luftspalt und tritt an der anderen, den Luftspalt begrenzenden Querschnittsfläche wieder in den Magnetkern ein.The magnetic core, in particular a magnetic core with an essentially ring-shaped structure, is separated at one point to form an air gap, so that two, in particular opposite, cross-sectional areas of the magnetic core are exposed there to delimit this air gap. The cross-sectional areas are thus preferably aligned parallel to one another. The generated magnetic field thus exits at one of the cross-sectional areas delimiting the air gap, flows through the air gap and exits at the other, the air gap bounding cross-sectional area back into the magnetic core.

Am Magnetkern ist ferner mindestens ein Sensor, insbesondere Hall-Sensor, montiert und in dem Luftspalt zur Messung eines sich bei durch die Durchgangsöffnung geführten Stromleiters mit durch diesen fließenden Strom im Magnetkern einstellenden magnetischen Flusses positionstreu angeordnet. Eine hierbei insbesondere proportional im Sensor erzeugte, in der Regel zunächst kleine Spannung, dient folglich als Maß für den im Stromleiter geführten Stromfluss und kann anschließend zur weiteren Auswertung an eine, an dem Sensor angeschlossene bzw. anschließbare Verarbeitungseinheit übermittelt werden.At least one sensor, in particular a Hall sensor, is also mounted on the magnet core and is positioned in the air gap to measure a magnetic flux that is established in the magnet core when the current conductor is guided through the through-opening and that current flows through it. A voltage that is generated proportionally in the sensor, and is usually initially small, consequently serves as a measure of the current flow in the current conductor and can then be transmitted to a processing unit connected or connectable to the sensor for further evaluation.

Zur positionstreuen Anordnung im Luftspalt ist der Sensor dabei zweckmäßig direkt an einer der beiden freigelegten Querschnittsflächen oder auch an diesen beiden Querschnittsflächen montiert, vorzugsweise, insbesondere aufgrund der Einfachheit angeklebt. Aber auch ein Vergießen oder ein Verstemmen zur dauerhaft positionstreuen Montage ist beispielsweise im Rahmen der Erfindung möglich.For the position-accurate arrangement in the air gap, the sensor is expediently mounted directly on one of the two exposed cross-sectional areas or also on these two cross-sectional areas, preferably glued, in particular due to the simplicity. However, casting or caulking for permanently position-accurate assembly is also possible, for example, within the scope of the invention.

Erfindungsgemäß sind die zur Begrenzung des Luftspaltes freigelegten Querschnittsflächen jeweils kleiner als die maximale Querschnittsfläche des Magnetkerns und der Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche und jeder der freigelegten Querschnittsflächen, d.h. der Übergang der Magnetkernkontur, ist dabei fließend ausgebildet, insbesondere durchgängig fließend, d.h. frei von jeglichen Sprungstellen und Absätzen in der Magnetkernkontur zwischen der maximalen Querschnittsfläche und jeder der freigelegten Querschnittsflächen.According to the invention, the cross-sectional areas exposed to limit the air gap are each smaller than the maximum cross-sectional area of the magnetic core and the transition between the maximum cross-sectional area and each of the exposed cross-sectional areas, i.e. the transition of the magnetic core contour, is designed to be fluid, in particular continuously fluid, i.e. free of any discontinuities and steps in the magnetic core contour between the maximum cross-sectional area and each of the exposed cross-sectional areas.

Durch eine solche fließende Ausbildung des Querschnittsflächenübergangs kann insbesondere der magnetische Fluss wesentlich konzentriert und hierdurch folglich auch eine Erhöhung der Flussdichte bewirkt werden, Insbesondere, bei Freiheit jeglicher Sprungstellen und Absätzen, kann durch die Verringerung der vom magnetischen Fluss durchströmten, freigelegten Querschnittflächen jegliche Streufeldausbreitung im Bereich des Luftspaltes auf ein Minimum reduziert werden und ein äußerst homogenes Magnetfeld mit wesentlich erhöhtem magnetischen Fluss durchströmt den Luftspalt und folglich auch den Sensor.With such a smooth design of the cross-sectional area transition, the magnetic flux in particular can be significantly concentrated and thus also an increase in the flux density can be brought about of the air gap can be reduced to a minimum and an extremely homogeneous magnetic field with a significantly increased magnetic flux flows through the air gap and consequently also the sensor.

Hierdurch vergrößert sich somit ferner die Auslenkung und erhöht sich die Integrität des Sensorsignalsignals. Dies beeinflusst wiederum vorteilhaft die Störfestigkeit gegenüber Fremdfeldern und wirkt sich durch die Vergrößerung der Signalamplitude gleichzeitig positiv auf das SNR (Signal zu Rauschverhältnis) aus. Die Messung des Magnetfeldes durch den positionstreu am Magnetkern montierten Sensor ist somit insgesamt genauer und somit weniger fehleranfällig, als bei vergleichbaren Strommesssystemen des Stands der Technik, da der Magnetfluss auch bei rauer Industriefeldumgebung, d.h. selbst bei Erschütterungen, stets zielgerichtet zum Sensor geführt und somit immer eine größtmögliche Flussdichte durch den Sensor geliefert wird.This also increases the deflection and increases the integrity of the sensor signal. This in turn has an advantageous effect on the immunity to interference from external fields and at the same time has a positive effect on the SNR (signal-to-noise ratio) due to the increase in the signal amplitude. The measurement of the magnetic field by the sensor mounted in the correct position on the magnetic core is therefore more accurate overall and therefore less error-prone than with comparable current measuring systems of the prior art, since the magnetic flux is always guided to the sensor in a targeted manner, even in a harsh industrial field environment, i.e. even with vibrations, and therefore always the greatest possible flux density is supplied by the sensor.

Die Kontur der Verjüngung in Bezug auf die freigelegten Querschnittsflächen ist dabei in vorteilhafter Weise auf die Kontur, d.h. insbesondere den Querschnitt, des Sensors angepasst, um eine maximale Verstärkung des Luftspaltes zu erreichen. Hierfür hat sich ergänzend oder alternativ ferner als äußerst wirkungsvoll erwiesen, den Sensor mittig auf wenigstens einer der zwei freigelegten, insbesondere gegenüberliegenden Querschnittsflächen angeordnet ist. Ergänzend oder alternativ hat sich ferner gezeigt, dass die zielgerichtete Führung des Magnetflusses optimiert wird, wenn der Magnetkern eine Kontur aufweist, bei welcher sich die Querschnittsfläche im Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche und jeder der zwei freigelegten, insbesondere gegenüberliegenden Querschnittsflächen asymptotisch der Kontur des Sensors annähert.The contour of the taper in relation to the exposed cross-sectional areas is advantageously adapted to the contour, i.e. in particular the cross-section, of the sensor in order to achieve maximum amplification of the air gap. For this purpose, it has additionally or alternatively proven to be extremely effective if the sensor is arranged centrally on at least one of the two exposed, in particular opposite, cross-sectional areas. In addition or as an alternative, it has also been shown that the targeted guidance of the magnetic flux is optimized if the magnetic core has a contour in which the cross-sectional area in the transition between the maximum cross-sectional area and each of the two exposed, in particular opposite, cross-sectional areas asymptotically approaches the contour of the sensor .

In besonders bevorzugter Ausbildung besitzt der Magnetkern daher eine im wesentliche ringförmige Struktur, bei welcher die Mittelpunkte aller Querschnittsflächen beim Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche und jeder der zwei freigelegten, insbesondere gegenüberliegenden Querschnittsflächen im Wesentlichen stets auf dem gleichen Radius liegen. Die Kontur des Magnetkerns nähert sich beim Übergang folglich im Querschnitt von allen Seiten kommend an denselben Radius hin an.In a particularly preferred embodiment, the magnet core therefore has an essentially ring-shaped structure in which the center points of all cross-sectional areas are essentially always on the same radius at the transition between the maximum cross-sectional area and each of the two exposed, in particular opposite, cross-sectional areas. During the transition, the contour of the magnetic core approaches the same radius in the cross section, coming from all sides.

Erfindung wird nachfolgend anhand einiger bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, woraus diese und weitere Merkmale und Vorteile der Lösung nach der Erfindung offensichtlich werden. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Strommesssystems;
  • 2 eine detailliertere Querschnittsansicht eines sich verjüngenden Magnetkerns mit daran montiertem Sensor im Rahmen eines erfindungsgemäßen Strommesssystems; und
  • 3 eine weitere Prinzipskizze, vom Luftspalt des sich verjüngenden Magnetkerns des erfindungsgemäßen Strommesssystems ausgehend gesehen, mit maximaler Querschnittsfläche des Magnetkerns und verjüngter Querschnittsfläche am Luftspalt und mit am Magnetkern montiertem Sensor.
In the following, the invention will be explained in more detail by means of some preferred embodiments in connection with the accompanying drawings, from which these and other features and advantages of the solution according to the invention will become apparent. Show it:
  • 1 a schematic outline sketch of a current measuring system according to the invention;
  • 2 a more detailed cross-sectional view of a tapered magnetic core with a sensor mounted thereon as part of a current measuring system according to the invention; and
  • 3 another basic sketch, seen from the air gap of the tapering magnetic core of the current measuring system according to the invention, with the maximum cross-sectional area of the magnetic core and tapered cross-sectional area at the air gap and with the sensor mounted on the magnetic core.

1 zeigt zunächst eine schematische Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Strommesssystems zur Messung, insbesondere indirekten Messung, eines durch einen elektrischen Stromleiter 2 fließenden Stroms IP. 1 1 shows a schematic outline sketch of a current measuring system according to the invention for measuring, in particular indirect measuring, a current I P flowing through an electric current conductor 2 .

Es versteht sich, dass der Stromleiter 2 zur Erzeugung eines Stromflusses zuvor an einem entsprechenden elektronischen Gerät angeschlossenen sein muss, welches jedoch bei 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.It goes without saying that the current conductor 2 must first be connected to a corresponding electronic device in order to generate a current flow 1 is not shown for reasons of clarity.

Wie bei 1zu sehen, umfasst die skizzierte Strommessvorrichtung einen Magnetkern 4, der eine Durchgangsöffnung 6 aufweist, durch welche der stromführende Leiter 2 zum Messen des Stromflusses zu führen ist und welcher bei 1 bereits durch diese geführt ist. Der Magnetkern besitzt in der dargestellten Ausführungsform eine im wesentlichen ringförmige Struktur und ist somit zweckmäßig als Ringkern ausgebildet.As in 1to see, the outlined current measuring device comprises a magnetic core 4, which has a through hole 6 through which the current-carrying conductor 2 is to be guided to measure the current flow and which at 1 already passed through this. In the illustrated embodiment, the magnetic core has an essentially ring-shaped structure and is therefore expediently designed as a ring core.

Ferner ist der Magnetkern 4 an wenigstens einer Stelle zur Bildung eines Luftspaltes 10 aufgetrennt. In diesem Luftspalt ist ein Sensor 14, insbesondere ein Hall-Sensor, positionstreu angeordnet, wobei je nach spezifischer Ausführung auch mehrere Sensoren in einem solchen Luftspalt 10 positionstreu angeordnet sein können. Jeder Sensor 14 dient hierbei zur Messung eines sich bei durch die Durchgangsöffnung 6 geführten Stromleiters 2 mit durch diesen fließenden Strom IP im Magnetkern 4 einstellenden magnetischen Flusses Φ.Furthermore, the magnet core 4 is separated at at least one point to form an air gap 10 . A sensor 14, in particular a Hall sensor, is arranged in the correct position in this air gap, it also being possible for several sensors to be arranged in the correct position in such an air gap 10, depending on the specific design. Each sensor 14 is used here to measure a magnetic flux Φ occurring in the magnetic core 4 when the current conductor 2 is routed through the through-opening 6 with current I P flowing through it.

Aufgrund der Auftrennung des Magnetkerns zur Bildung wenigstens eines Luftspaltes können jedoch folglich grundsätzlich auch andere Magnetkernformen, insbesondere je nach spezifischer Ausführung, zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel ähnlich einem „C-Kern“, oder einem „U-Kern“, die bereits eine, einen Luftspalt bildende, aufgetrennte Stelle per se aufweisen. Allerdings hat sich ein „Ringkern“ als besonders bevorzugt erwiesen, da der Magnetkern das sich um den stromführenden Leiter 2 ausbildende magnetische Feld vorteilhaft bündeln und somit quasi auch als Feldkonzentrator dienen kann.Due to the separation of the magnetic core to form at least one air gap, however, other magnetic core shapes can also be used, in particular depending on the specific design, such as, for example, similar to a "C core" or a "U core", which already have a , having an air gap forming severed point per se. However, a “toroidal core” has proven to be particularly preferred, since the magnetic core can advantageously bundle the magnetic field that forms around the current-carrying conductor 2 and can thus also serve as a kind of field concentrator.

Der Magnetkern 4 besitzt grundsätzlich eine maximale Querschnittsfläche 8, wobei gemäß 1 an der aufgetrennten Stelle zwei, im Wesentlichen gegenüberliegende Querschnittsflächen 12a, 12b des Magnetkerns 4 freigelegt sind, die den Luftspalt 10 begrenzen. Erfindungsgemäß sind diese freigelegten Querschnittsflächen 12a, 12b jeweils kleiner, als die maximale Querschnittsfläche 8, wie insbesondere in den 2 und 3 deutlich zu sehen ist und anhand diesen Fign. noch detaillierter beschrieben wird. Hierbei ist der Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche 8 und jeder der zwei freigelegten, insbesondere gegenüberliegenden Querschnittsflächen 12a, 12b fließend ausgebildet, insbesondere durchgehend fließend ausgebildet. Insbesondere ergibt sich somit eine Verjüngung der Außenkontur des Magnetkerns 4 bzw. kann durch geeignete Verjüngung der Außenkontur des Magnetkerns 4 ein solcher fließender Übergang 4 geschaffen werden. Hierdurch kann der magnetische Fluss Φ in zweckmäßiger Weise konzentriert werden, welches insbesondere in Richtung der freigelegten, in Bezug auf die maximale Querschnittsfläche 8 kleineren Querschnittsflächen 12a, 12b somit auch eine Erhöhung der Flussdichte bewirkt.The magnetic core 4 basically has a maximum cross-sectional area 8, according to 1 two essentially opposite cross-sectional areas 12a, 12b of the magnet core 4 are exposed at the separated point, which delimit the air gap 10. According to the invention, these exposed cross-sectional areas 12a, 12b are each smaller than the maximum cross-sectional area 8, as in particular in FIGS 2 and 3 can be clearly seen and based on these Figs. will be described in more detail. Here, the transition between the maximum cross-sectional area 8 and each of the two exposed, in particular opposite, cross-sectional areas 12a, 12b is designed to be fluid, in particular continuously fluid. In particular, this results in a tapering of the outer contour of the magnetic core 4 or such a smooth transition 4 can be created by suitable tapering of the outer contour of the magnetic core 4 . As a result, the magnetic flux Φ can be concentrated in an expedient manner, which in particular in the direction of the exposed cross-sectional areas 12a, 12b, which are smaller in relation to the maximum cross-sectional area 8, thus also causes an increase in the flux density.

Zur positionstreuen Anordnung jedes Sensors 14, und zwar insbesondere zur unabhängig von jeglichen Umgebungseinflüssen positionstreuen Anordnung, wird dieser Sensors 14 ferner am Magnetkern montierter. Folglich wirkt sich beispielsweise jegliche auf den Magnetkern ausgeübte Erschütterung auch unmittelbar auf den Sensor 14 aus, sodass auch eine ansonsten mögliche relative Positionsverschiebung mittels der Montage am Magnetkern effektiv vermieden, insbesondere vollständig ausgeschlossen wird. Die Montage des Sensors 14 am Magnetkern 4 kann hierbei zweckmäßig an wenigstens einer der zwei freigelegten, den Luftspalt 10 begrenzenden Querschnittsflächen 12a, 12b erfolgen, wobei sich insbesondere Kleben als besonders praktikabel gezeigt hat, um eine dauerhaft feste Verbindung direkt zwischen Sensor 14 und Magnetkern 4 zu bewirken. Infolge einer Montage an zumindest einer der Querschnittsflächen 12a, 12b können ferner zu überbrückbare Distanzen für eine Anordnung im Luftspalt 10 miniert werden, welches zusätzlich zu einer dauerhaft stabilen, positionstreuen Lage beiträgt, was andernfalls die Messgenauigkeit negativ beeinflussen kann. Aber auch andere Montagearten, wie z.B. ein Vergießen oder ein Verstemmen, sind im Rahmen der Erfindung möglich.Furthermore, in order to position each sensor 14 in a position-accurate manner, and in particular to position it in a position-accurate manner independently of any environmental influences, this sensor 14 is also mounted on the magnetic core. Consequently, for example, any vibration exerted on the magnetic core also has a direct effect on the sensor 14, so that an otherwise possible relative position shift by means of mounting on the magnetic core is effectively avoided, in particular completely ruled out. The assembly of the sensor 14 on the magnet core 4 can be carried out expediently on at least one of the two exposed cross-sectional areas 12a, 12b delimiting the air gap 10, with gluing in particular having been shown to be particularly practicable in order to create a permanently fixed connection directly between the sensor 14 and the magnet core 4 to effect. As a result of mounting on at least one of the cross-sectional areas 12a, 12b, distances to be bridged for an arrangement in the air gap 10 can also be minimized, which also contributes to a permanently stable, position-accurate position, which can otherwise adversely affect the measurement accuracy. However, other types of assembly, such as casting or caulking, are also possible within the scope of the invention.

Wie bei 1 ferner skizziert, kann der Sensor 14, oder können auch mehrere Sensoren wie vorstehend beschrieben, mit einer entsprechend geeignet eingerichteten Verarbeitungseinheit 18 verbunden sein, insbesondere für eine anschließende weitere Auswertung. Eine solche Auswertung kann beispielsweise in der bei 1 mit „µC“ gekennzeichneten Einrichtung, also insbesondere eine einen Mikrocontroller umfassende Einrichtung, der Verarbeitungseinheit 18 erfolgen. Auch kann ein vom Sensor, ansprechend auf das den Luftspalt und folglich auch den Sensor durchströmenden Magnetfluss Φ, ausgegebenes Signal zunächst z.B. verstärkt werden und/oder einer Analog-Digital-Umwandlung unterzogen werden, wie bei 1 z.B. durch die mit ADC bezeichnete Einheit wiedergegeben, so dass zweckmäßig eine weitere Auswertung digital erfolgen kann. Insbesondere in diesem Fall kann dann z.B. auch wieder eine Digital-Analog-Umwandlung, durchgeführt werden, wie bei 1 z.B. durch die mit DAC bezeichnete Einheit wiedergegeben. Das analoge Signal wird dann z.B. als Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit 18 an einem Ausgangsport bereitgestellt.As in 1 also outlined, the sensor 14, or also several sensors as described above, can be connected to a correspondingly suitably configured processing unit 18, in particular for a subsequent further evaluation. Such an evaluation can, for example, in 1 device marked with ".mu.C", ie in particular a device comprising a microcontroller, of the processing unit 18. A signal output by the sensor, in response to the magnetic flux Φ flowing through the air gap and consequently also through the sensor, can first be amplified, for example, and/or subjected to analog-to-digital conversion, as in FIG 1 reproduced, for example, by the unit denoted by ADC, so that further evaluation can be carried out digitally. In this case in particular, a digital ana log conversion, be performed as with 1 eg represented by the unit denoted DAC. The analog signal is then provided, for example, as an output signal from the processing unit 18 at an output port.

Die 2 zeigt eine schematische, jedoch detailliertere Querschnittsansicht des sich verjüngenden Magnetkerns 4 mit daran montiertem Sensor 14 im Rahmen eines erfindungsgemäßen Strommesssystems 1. Zusehen ist wiederum, dass der Magnetkern 4 grundsätzlich eine maximale Querschnittsfläche aufweist. Der Luftspalt 10, in welchem der Sensor 14 positionsgetreu angeordnet ist, ist durch die beiden Querschnittsflächen 12a und 12b des Magnetkerns gebildet. Mit dem Bezugszeichen 30 ist ein Befestigungsmittel zur Montage des Sensors am Magnetkern, im vorliegenden Beispiel an der Querschnittsfläche 12b gekennzeichnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Befestigungsmittel zweckmäßig um einen Kleber bzw. Klebstoff. Eine in Abhängigkeit des den Luftspalt durchströmenden Magnetflusses Φ vom Sensor 14 erzeugte Spannung ist mit Uout angegeben.the 2 1 shows a schematic but more detailed cross-sectional view of the tapered magnetic core 4 with a sensor 14 mounted thereon as part of a current measuring system 1 according to the invention. Again, it can be seen that the magnetic core 4 basically has a maximum cross-sectional area. The air gap 10, in which the sensor 14 is arranged in the correct position, is formed by the two cross-sectional areas 12a and 12b of the magnet core. A fastening means for mounting the sensor on the magnetic core, in the present example on the cross-sectional area 12b, is identified by reference number 30 . In the exemplary embodiment shown, the fastening means is expediently an adhesive or glue. A voltage generated by the sensor 14 as a function of the magnetic flux Φ flowing through the air gap is given as U out .

Der Magnetkern 4 ist hierbei zweckmäßig ein Ringkern und der Stromleiter 2 ist dabei bevorzugt zentral durch die Durchgangsöffnung 6 des Magnetkerns 4 geführt. Anhand der strich-punktierten Linie sind ferner auf einem gleichen, d.h. gemeinsamen Radius R liegende Punkte innerhalb des Magnetkerns 4 angedeutet.The magnetic core 4 is expediently a toroidal core and the current conductor 2 is preferably guided centrally through the through-opening 6 of the magnetic core 4 . Points within the magnet core 4 lying on the same, i.e. common, radius R are also indicated by means of the dot-dash line.

Der fließende Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche 8 und jeder der zwei freigelegten, den Luftspalt 10 begrenzenden Querschnittsflächen 12a und 12b ist in der 2 durch die gestrichelten, verjüngt zusammenlaufenden Linien dargestellt, die beispielhaft eine sich durch die Verjüngung der Querschnittsfläche zum Luftspalt hin einstellende „neue“ Kernkontur des Magnetkerns 4 repräsentieren. Die Verjüngung läuft somit ausgehend von der maximalen Querschnittsfläche 8 in Richtung der jeweiligen Querschnittsflächen 12a und 12b des Luftspaltes 10.The smooth transition between the maximum cross-sectional area 8 and each of the two exposed cross-sectional areas 12a and 12b delimiting the air gap 10 is in FIG 2 represented by the dashed, tapering lines which, for example, represent a “new” core contour of the magnet core 4 that is set by the tapering of the cross-sectional area towards the air gap. The taper thus runs, starting from the maximum cross-sectional area 8, in the direction of the respective cross-sectional areas 12a and 12b of the air gap 10.

Eine weitere Prinzipskizze, vom Luftspalt des sich verjüngenden Magnetkerns ausgehend gesehen, insbesondere in Richtung des der Spannung Uout zugeordneten Pfeils gemäß 2 zugeordneten Pfeils, ist bei 3 gezeigt, wobei beispielhaft eine maximale Querschnittsfläche 8 des Magnetkerns 4, eine freigelegte, verjüngte Querschnittsfläche 12a am Luftspalt und ein am Magnetkern montierter Sensor 14 stark schematisiert dargestellt sind.A further basic sketch, viewed from the air gap of the tapering magnetic core, in particular in the direction of the arrow associated with the voltage U out according to FIG 2 associated arrow is at 3 shown, with a maximum cross-sectional area 8 of the magnetic core 4, an exposed, tapered cross-sectional area 12a at the air gap and a sensor 14 mounted on the magnetic core being shown in a highly schematic manner as an example.

Insbesondere zeigen die 2 und 3, dass die Kontur der zwei freigelegten, Querschnittsflächen 12a und 12b zweckmäßig der Kontur des Sensors 14 folgend angepasst ist. Wie zu sehen, weist der Magnetkern 4 ferner in zweckmäßiger Ausgestaltung eine Kontur auf, d.h. eine sich ergebende „neue“ Kernkontur auf, bei welcher sich die Querschnittsfläche im Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche 8 und jeder der zwei freigelegten Querschnittsflächen 12a und 12b asymptotisch der Kontur des Sensors annähert. Die Größe und die Form der Querschnittsflächen verjüngen sich folglich bevorzugt derart, dass die Größe und Form jeder der Querschnittsflächen 12a und 12b am Luftspalt im Wesentlich der Größe der Form der Querschnittsfläche der Kontur des Sensors 14 entsprechen, sodass der zweckmäßig gesamte, zumindest annähernd gesamte, die Querschnittsflächen 12a und 12b und folglich den Luftspalt durchströmende magnetische Fluss auch den Sensor 14 durchströmt. In besonders vorteilhafter Art und Weise kann hierdurch somit die magnetische Flussdichte auf den Sensor 14 konzentriert bzw. fokussiert werden, sodass ein von dem Magnetkern ausgehendes und in Bezug auf den Sensor 14 maximal verstärktes Magnetfeld auf diesen einwirkt.In particular, the 2 and 3 that the contour of the two exposed cross-sectional areas 12a and 12b is appropriately adapted to the contour of the sensor 14 following. As can be seen, the magnetic core 4 also has a contour in an expedient configuration, i.e. a resulting “new” core contour in which the cross-sectional area in the transition between the maximum cross-sectional area 8 and each of the two exposed cross-sectional areas 12a and 12b is asymptotically the contour of the sensor approaches. The size and shape of the cross-sectional areas thus preferably taper in such a way that the size and shape of each of the cross-sectional areas 12a and 12b at the air gap essentially correspond to the size of the shape of the cross-sectional area of the contour of the sensor 14, so that the appropriate entire, at least approximately entire, the cross-sectional areas 12a and 12b and consequently the magnetic flux flowing through the air gap also flows through the sensor 14 . In this way, the magnetic flux density can be concentrated or focused on the sensor 14 in a particularly advantageous manner, so that a magnetic field emanating from the magnetic core and maximally amplified in relation to the sensor 14 acts on the latter.

Der Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche 8 des Magnetkerns 4 und jeder der zwei freigelegten Querschnittsflächen 12a, 12b ist folglich bevorzugt ausschließlich fließend ausgebildet., d.h. ohne Sprünge und Absätze.The transition between the maximum cross-sectional area 8 of the magnetic core 4 and each of the two exposed cross-sectional areas 12a, 12b is therefore preferably designed to be exclusively fluid, i.e. without jumps and steps.

Insbesondere, je flach verlaufender der Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche 8 des Magnetkerns 4 und jeder der zwei freigelegten, insbesondere gegenüberliegenden Querschnittsflächen 12a, 12b ausgebildet ist, umso geringer kann die Streufeldausbreitung im Bereich des Luftspaltes 10 gehalten werden. Andererseits kann dadurch folglich das homogene magnetische Feld in dem Luftspalt 10 in vorteilhafter Weise umso mehr erhöht werden, wodurch die Messung des Sensors 14 insgesamt genauer und somit weniger fehleranfällig wird. Insbesondere durch die hierdurch bewirkte Vergrößerung der Signalauslenkung bzw. -amplitude in Bezug auf das vom Sensor ausgegebene Signal kann also die Messgenauigkeit des Sensors 14 maximiert werden. Dies führt wiederum zu weiteren Vorteilen auch hinsichtlich der Störfestigkeit gegenüber Fremdfeldern und einer positiven Wirkung auf ein wesentlich verbessertes Signal-zu-Rauschverhältnis.In particular, the flatter the transition between the maximum cross-sectional area 8 of the magnetic core 4 and each of the two exposed, in particular opposite, cross-sectional areas 12a, 12b, the lower the stray field propagation in the area of the air gap 10 can be kept. On the other hand, as a result, the homogeneous magnetic field in the air gap 10 can advantageously be increased all the more, as a result of which the measurement of the sensor 14 becomes more accurate overall and thus less error-prone. The measuring accuracy of the sensor 14 can therefore be maximized in particular by the resulting increase in the signal deflection or amplitude in relation to the signal output by the sensor. This in turn leads to further advantages, also with regard to immunity to interference from external fields and a positive effect on a significantly improved signal-to-noise ratio.

Für eine optimale Anpassung der Kontur bei entsprechend fließender Verjüngung der Magnetkern-Querschnittsfläche, insbesondere zur Bereitstellung eine größtmöglichen Flussdichte durch den Sensor 14, ist der Sensor 14 somit zweckmäßig mittig auf wenigstens einer der zwei freigelegten, insbesondere gegenüberliegenden Querschnittsflächen 12a, 12 b angeordnet (vgl. 3) und/oder ist die Konturanpassung derart, dass die Mittelpunkte aller Querschnittsflächen beim Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche 8 und jeder der zwei freigelegten Querschnittsflächen 12a, 12b im Wesentlichen stets auf dem gleichen Radius R liegen (vgl. 2).For an optimal adaptation of the contour with a correspondingly flowing tapering of the cross-sectional area of the magnet core, in particular for providing the greatest possible flux density through the sensor 14, the sensor 14 is thus expediently arranged centrally on at least one of the two exposed, in particular opposite, cross-sectional areas 12a, 12b (cf . 3 ) and / or the contour adjustment is such that the centers of all cross-sectional areas at the transition between the maximum cross-sectional area 8 and each of the two exposed cross-sectional areas 12a, 12b are essentially always on the same radius R (cf. 2 ).

Unter Berücksichtigung vorstehender Beschreibung kann folglich zusammenfassend festgehalten werden, dass gemäß Lösung der der Erfindung die Geometrie des Querschnitts des Magnetkerns 4 in Richtung auf den Luftspalt 10 an den Querschnitt des Sensors 14 angenähert wird. Da sich folglich bei entsprechend angepasster Verringerung der von dem magnetischen Fluss durchströmten Querschnittsfläche im Bereich des Luftspaltes 10 das Magnetfeld der Flussdichte B in dem Material vorteilhaft erhöht, lässt sich durch diese Eigenschaft das Feld durch eine Kernverjüngung unmittelbar vor dem Aus- und Eintritt am Luftspalt erhöhen und in Bezug auf den Sensor 14, d.h. insbesondere zur Optimierung des Messergebnisses, entsprechend angepasst werden.Taking into account the above description, it can consequently be stated in summary that, according to the solution of the invention, the geometry of the cross section of the magnet core 4 in the direction of the air gap 10 is approximated to the cross section of the sensor 14 . Since the magnetic field of the flux density B in the material is advantageously increased with a correspondingly adapted reduction in the cross-sectional area through which the magnetic flux flows in the region of the air gap 10, this property allows the field to be increased by a core tapering immediately before the exit and entry at the air gap and adjusted accordingly in relation to the sensor 14, i.e. in particular to optimize the measurement result.

Wird folglich zur Messung eines durch einen elektrischen Leiters fließenden Stroms, ein Magnetkern 4 mit Durchgangsöffnung 6 zur Bildung eines Luftspaltes 10 an einer Stelle aufgetrennt und mindestens ein Sensor 14, insbesondere ein Hall-Sensor, zur Messung eines magnetischen Flusses Φ am Magnetkern montiert und positionstreu in diesem Luftspalt 10 angeordnet, kann, nachdem der Stromleiter 2 durch die Durchgangsöffnung 6 geführt wurde und sich bei dann fließendem Strom IP in Folge ein magnetischer Fluss Φ im Magnetkern 4 einstellt, eine Verstärkung der Signalauslenkung des Sensors dadurch bewirkt werden, indem der durch den Sensor geführte Anteil des magnetischen Flusses Φ bei gleichzeitiger Erhöhung der Flussdichte durch eine fließende Verjüngung der Magnetkern-Querschnittsfläche hin zum Luftspalt vergrößert wird.If a current flowing through an electrical conductor is measured, a magnetic core 4 with a through opening 6 is separated at one point to form an air gap 10 and at least one sensor 14, in particular a Hall sensor, is mounted on the magnetic core and positioned correctly to measure a magnetic flux Φ arranged in this air gap 10, after the current conductor 2 has been routed through the through-opening 6 and, with the current I P then flowing, a magnetic flux Φ is set in the magnet core 4 as a result, the signal deflection of the sensor can be amplified by the through The portion of the magnetic flux Φ guided by the sensor is increased while at the same time increasing the flux density through a flowing tapering of the cross-sectional area of the magnet core towards the air gap.

In Folge kann somit im Rahmen der Erfindung eine wesentlich verbesserte B-Feldverteilung im Luftspalt 10 bewirkt und der in diesem angeordnete und am Magnetkern befestigte Sensor mit einem verhältnismäßig großen B-Feld beaufschlagt werden, auch dann noch, wenn das Kernmaterial aufgrund dessen Hysteresekennlinie in Teilbereichen bereits Sättigungseffekte zeigt. Der Sensor, insbesondere Hall-Sensor, kann daher vorteilhaft in einem großen Aussteuerbereich betrieben und die Auslenkung und somit die Signalintegrität wesentlich verbessert werden.As a result, within the scope of the invention, a significantly improved B-field distribution in the air gap 10 can be achieved and the sensor arranged in this and attached to the magnetic core can be subjected to a relatively large B-field, even if the core material has a hysteresis characteristic in some areas already showing saturation effects. The sensor, in particular a Hall sensor, can therefore advantageously be operated in a large modulation range and the deflection and thus the signal integrity can be significantly improved.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (9)

Strommesssystem (1) zur Messung, insbesondere indirekten Messung, eines durch einen elektrischen Stromleiter (2) fließenden Stroms, aufweisend: einen Magnetkern (4), der eine Durchgangsöffnung (6) aufweist und eine maximale Querschnittsfläche (8) besitzt, - wobei der Magnetkern (4) an einer Stelle zur Bildung eines Luftspaltes (10) aufgetrennt ist und dort zwei, insbesondere gegenüberliegende Querschnittsflächen (12a, 12b) des Magnetkerns (4) zur Begrenzung dieses Luftspaltes (10) freigelegt sind, - wobei am Magnetkern mindestens ein Sensor (14) montiert und positionstreu in dem Luftspalt (10) angeordnet ist, und zwar zur Messung eines sich bei durch die Durchgangsöffnung (6) geführten Stromleiters (2) mit durch diesen fließenden Strom (IP) im Magnetkern (4) einstellenden magnetischen Flusses (Φ), und - wobei die freigelegten Querschnittsflächen (12a, 12b) jeweils kleiner sind als die maximale Querschnittsfläche (8) und wobei der Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche (8) und jeder der zwei freigelegten Querschnittsflächen (12a, 12b), insbesondere zur Konzentration des magnetischen Flusses und hierdurch bewirkten Erhöhung der Flussdichte, fließend, insbesondere durchgehend fließend, ausgebildet ist.Current measuring system (1) for measuring, in particular indirect measuring, a current flowing through an electric current conductor (2), comprising: a magnetic core (4) which has a through opening (6) and has a maximum cross-sectional area (8), - the magnetic core (4) is separated at one point to form an air gap (10) and two, in particular opposite, cross-sectional areas (12a, 12b) of the magnetic core (4) are exposed there to delimit this air gap (10), - at least one sensor ( 14) is mounted and arranged in the correct position in the air gap (10), specifically for measuring a magnetic flux ( Φ), and - wherein the exposed cross-sectional areas (12a, 12b) are each smaller than the maximum cross-sectional area (8) and the transition between the maximum cross-sectional area (8) and each of the two exposed cross-sectional areas (12a, 12b) is designed to flow, in particular to flow continuously, in particular to concentrate the magnetic flux and thereby increase the flux density. Strommesssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14) zur positionstreuen Anordnung im Luftspalt (10) an wenigstens einer der zwei freigelegten Querschnittsflächen (12a, 12b) montiert ist, insbesondere angeklebt ist.Current measuring system (1) according to claim 1 , characterized in that the sensor (14) for position-accurate arrangement in the air gap (10) is mounted on at least one of the two exposed cross-sectional areas (12a, 12b), in particular is glued. Strommesssystem (1) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14) mittig auf wenigstens einer der zwei freigelegten, gegenüberliegenden Querschnittsflächen (12a, 12b) angeordnet ist.Current measuring system (1) according to claim 1 or claim 2 , characterized in that the sensor (14) is arranged centrally on at least one of the two exposed, opposite cross-sectional areas (12a, 12b). Strommesssystem (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der zwei freigelegten Querschnittsflächen (12a, 12b) der Kontur des Sensors (14) folgend angepasst ist.Current measuring system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the contour of the two exposed cross-sectional areas (12a, 12b) is adapted to follow the contour of the sensor (14). Strommesssystem (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (4) eine Kontur aufweist, bei welcher sich die Querschnittsfläche im Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche (8) und jeder der zwei freigelegten Querschnittsflächen (12a, 12b) asymptotisch der Kontur des Sensors (14) annähert.Current measuring system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic core (4) has a contour in which the cross-sectional area in the transition between the maximum cross-sectional area (8) and each of the two exposed cross-sectional areas (12a, 12b) changes asymptotically to the Contour of the sensor (14) approximates. Strommesssystem (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (4) eine im wesentlichen ringförmig Struktur besitzt und die Mittelpunkte aller Querschnittsflächen beim Übergang zwischen der maximalen Querschnittsfläche (8) und jeder der zwei freigelegten Querschnittsflächen (12a, 12b) im Wesentlichen stets auf dem gleichen Radius liegen.Current measuring system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic core (4) has an essentially ring-shaped structure and the centers of all cross-sectional areas at the transition between the maximum cross-sectional area (8) and each of the two exposed cross-sectional areas (12a, 12b) essentially always lie on the same radius. Strommesssystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch eine mit dem mindestens einen Sensor (14) verbundene Verarbeitungseinheit (18).Current measuring system (1) according to one of the preceding claims, further characterized by a processing unit (18) connected to the at least one sensor (14). Strommesssystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14) ein Hall-Sensor ist.Current measuring system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor (14) is a Hall sensor. Verfahren zur Messung, insbesondere zur indirekten Messung, eines durch einen elektrischen Stromleiter (2) fließenden Stroms, bei welchem der Stromleiter (2) hierzu durch eine Durchgangsöffnung (6) eines Magnetkerns (4) geführt wird und sich in Folge ein magnetischer Fluss (Φ) im Magnetkern (4) einstellt, wobei der Magnetkern (4) zur Bildung eines Luftspaltes (10) an einer Stelle aufgetrennt wird, mindestens ein Sensor (14), insbesondere ein Hall-Sensor, zur Messung des magnetischen Flusses (Φ) am Magnetkern montiert und positionstreu in diesem Luftspalt (10) angeordnet wird, und wobei eine Verstärkung der Signalauslenkung des Sensors bewirkt wird, indem ein durch den Sensor geführter Anteil des magnetischen Flusses bei gleichzeitiger Erhöhung der Flussdichte durch eine fließende Verjüngung der Magnetkern-Querschnittsfläche hin zum Luftspalt vergrößert wird.Method for measuring, in particular for indirect measuring, a current flowing through an electrical current conductor (2), in which the current conductor (2) is guided through a through-opening (6) in a magnetic core (4) and a magnetic flux (Φ ) in the magnetic core (4), the magnetic core (4) being separated at one point to form an air gap (10), at least one sensor (14), in particular a Hall sensor, for measuring the magnetic flux (Φ) on the magnetic core is mounted and arranged in the correct position in this air gap (10), and the signal deflection of the sensor is increased by increasing a portion of the magnetic flux guided through the sensor while at the same time increasing the flux density through a flowing tapering of the cross-sectional area of the magnet core towards the air gap becomes.
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