用于测量电流导体的磁场的磁场传感器的投影分布的制作方法

1.本发明涉及一种用于测量电流导体的磁场的设备、一种相关联的电流强度确定单元以及一种相关联的用于确定电导体中的电流强度的方法。


背景技术：

2.为了测量电导体中的电流，当前使用分流电阻器、环形磁芯转换器（特别是补偿电流转换器）、rogowski线圈或各个场探测器（特别是霍尔探测器或gmr传感器）。为了通过磁场传感器在没有通量集中器的情况下测量电流，原则上可以进行各个磁场传感器的“开环”运行或“闭环”运行。无需通量集中器工作的第一转换器主要是为圆形导体设想的。当前测量方法的缺点是对具有矩形横截面和不同导体宽度的导体几何形状高度敏感。
3.在实践中，具有矩形横截面以及部分地非常明显的纵横比的导体非常普遍。已知如下布置，其中用多个场探测器测量导体周围的磁场并且试图通过抵消个体信号来降低外部场灵敏度（例如ep2437072或de102009054892）。通常在此假定个体导体的磁场关于个体导体的纵轴呈圆柱对称。然而，该前提条件只有在导体具有圆柱对称的几何形状或与导体的距离相对较大时才能得到满足。
4.在许多技术设施中，尤其是在应当引导较大电流的导体的情况下，导体的几何形状与圆柱形状有很大的不同。例如，对于转换器中的母线，通常使用具有矩形横截面的扁平导体，因为这种导体形状一方面在相同的横截面积下具有较低的单位长度电感并且因此具有较低的阻抗，另一方面由于表面较大而使得对环境的传热阻力较低。此外，可以通过来自扁平半成品的冲压和弯折来成本有利地制造扁平导体。材料厚度由所述半成品预给定，并受所使用的冲床和弯折机的最大功率限制。通过制成的母线的宽度来调整用于达到所需的载流能力的不同横截面。
5.扁平导体的形状导致不同于圆柱对称的磁场分布，并且在电流转换器以圆形方式实现的情况下需要具有相对较大设计的电流转换器。
6.由于在不同的转换器中使用不同宽度的母线，因此独立于导体宽度正确测量电流的传感器装置是特别有利的。由于磁场传感器中的制造公差和其他电子器件中的公差，总是需要调整电流传感器，例如在制造结束时。如果为了该调整可以使用几何形状与使用地点处的导体不同的导体，则这是非常有利的，因为仅对特殊母线形状“有效”的调整会带来大的物流缺陷，特别是由于母线特定的仓储。然而，为此需要一种传感器装置，其使得能够在很大程度上独立于导体的形状来测量电流。


技术实现要素：

7.本发明的任务在于说明一种替代解决方案，用于在不使用通量集中器的情况下测量电导体中的电流。
8.本发明从独立权利要求的特征中得出。有利的扩展和设计是从属权利要求的主题。本发明的设计、应用可能性和优点从以下描述和附图中得出。
9.本发明涉及一种用于测量电流导体（也称为电导体）的磁场的设备，其中所述磁场的测量是在不使用通量集中器的情况下进行的，所述设备具有至少三个磁场传感器，其中所述至少三个磁场传感器布置在椭圆的外周上，其中所述椭圆不是圆，其中所述椭圆可以由圆的平行投影或正投影定义，其中至少三个第一位置等距离地布置在圆的外周上，其中所述至少三个第一位置通过所述平行投影或所述正投影在所述椭圆上产生至少三个第二位置，其中所述至少三个磁场传感器布置在所述至少三个第二位置上。
10.未使用的通量集中器特别是可以构造为铁磁芯。
11.所述平行投影是所述正投影的替代方案。下面更详细地解释变体。
12.圆的外周在此是虚拟的或想象的形状。等距离的布置是指至少三个第一位置沿圆的外周等间隔分布，即等间距。从而从圆心到至少三个第一位置的直线之间的角度也大小相同。这意味着至少三个第一位置在外周上均匀分布并且在至少三个第一位置之间存在相同长度的外周区段。
13.对于正投影，x-y坐标系中到圆心的y距离乘以长宽比，其中所述长宽比通过椭圆的最长半轴（也可称为椭圆的长半轴）除以该椭圆的最短半轴（也可称为椭圆的短半轴）给出。
14.对于这种投影的布置，所述至少三个磁场传感器（以下也称为磁场传感器）用它们各自的外周段加权。为此，对磁场传感器之间的外周段进行数值计算。
15.至少三个第二位置在椭圆上分别位于椭圆的一个外周段的中心处。可以通过以下等式分别确定外周段的相应起点和终点（x
si
和y
si
）：）：。
16.在此，a和b是椭圆的半轴，n是磁场传感器的数量或第二位置的数量。在此，由电流导体、特别是扁平导体的横截面的最长边缘及该电流导体的纵轴限定的平面对应于椭圆的主对称平面。
17.作为正投影的替代方案，也可以通过将圆压缩和/或拉伸为椭圆形状来实现从圆到椭圆的过渡。如针对正投影所述，磁场传感器将等角度分布地布置在圆上，然后圆将被压缩和/或拉伸为椭圆形状。由此向磁场传感器之一的每个位置分配椭圆上的一个位置。
18.本发明的一个方面在于改进现有技术，使得选择磁场传感器的改进布置来测量电流导体的磁场，其中所述磁场的测量在不使用通量集中器的情况下进行。
19.根据到目前为止的现有技术，不使用通量集中器的磁场测量强烈取决于磁场传感器的布置。这个问题通过本发明的特殊布置克服。
20.与磁场传感器的圆形布置和/或圆柱对称布置不同的扁平椭圆形设计节省了空间，同时使得能够更均匀地控制各个磁场传感器，从而实现针对磁场和电流的更大测量范围，这对扁平导体尤其有利。
21.椭圆形设计适用于不同的导体几何形状并且因此也可以在制造结束时针对不同
的母线得到调整，此外从技术和物流的角度来看也是特别有利的。
22.所述设备使得能够在几乎不依赖于导体几何形状的变化的情况下进行电流测量。此外，通过避免母线中用于引入圆柱形母线区段、特别是转换器套管的螺钉位置和由此带来的损耗，可以成本有利且简单地制造母线。
23.进一步的优点是所述设备也可以用于具有较低阻抗的电导体和在相同损耗下具有较低自发热的导体，可以简单地调整磁场传感器，可以简单地调试磁场传感器并且具有磁场传感器的布置，即布置的磁场传感器的所述设备可以用于广泛的设备。
24.在本发明的一种扩展中，通过其投影产生所述第二位置的圆具有直径。所述直径在两个圆点处与所述圆相交。所述至少三个第一位置之一被布置为与所述圆点之一具有轴距。所述轴距在此被测定为圆的直径与从圆心到所述至少三个第一位置之一的直线之间的角度。优化所述轴距，以最小化电流导体的磁场的测量结果与所述电流导体的磁场的实际值的偏差。
25.除了所述至少三个第一位置之一的轴距以及由此还除了至少三个第二位置之一和至少三个磁场传感器之一的轴距之外，所述至少三个第一位置的另外的第一位置还具有另外的轴距，因为所述至少三个第一位置等距离地布置。
26.在本发明的另一扩展中，通过其投影产生所述第二位置的圆具有直径。所述直径在两个圆点处与所述圆相交。所述至少三个第一位置之一被布置为与所述圆点之一具有轴距。所述轴距在此被测定为所述圆的直径与从圆心到所述至少三个第一位置之一的直线之间的角度。位置距离定义为360度除以所述至少三个第一位置的数量。这意味着所述位置距离说明了所述至少三个第一位置中两个相邻的第一位置之间的距离。
27.根据本发明，所述轴距：-在所述至少三个磁场传感器为奇数（n）的情况下为所述位置距离的八分之一，以及-在所述至少三个磁场传感器为偶数（n）的情况下为所述位置距离的四分之一。
28.除了所述至少三个第一位置之一的轴距以及由此还除了所述至少三个第二位置之一和至少三个磁场传感器之一的轴距之外，所述至少三个第一位置的另外的第一位置还具有另外的轴距，因为所述至少三个第一位置等距离地布置。
29.椭圆上的至少三个第二位置可以通过以下等式确定：。
30.轴距为圆的直径与从圆心到至少三个第一位置之一的直线之间在圆投影前的角度。在椭圆投影后，圆的直径代替椭圆的最长半轴。轴距因此确定了磁场传感器距直径与圆周的交点的距离。
31.上述圆中的轴距以及圆中的另外的轴距可以直接由椭圆的位置用角度α
0-(n-1)
，也
称为α
μ
（椭圆的最长半轴与从椭圆中心到至少三个第二位置之一/到至少三个磁场传感器之一的直线之间的角度α0以及圆的直径与另外的第二位置之间的另外的角度α
1-(n-1)
）通过以下等式确定和说明：以下等式确定和说明：。
32.角度α0也可以称为初始角度，a和b在此是椭圆的半轴，n是磁场传感器的数量或第二位置的数量。在此，由电流导体、特别是扁平导体的横截面的最长边缘及该电流导体的纵轴限定的平面对应于椭圆的主对称平面。
33.上述圆内轴距和圆内另外的轴距还可以直接由x-y坐标系中椭圆的位置xi和yi通过以下等式确定和说明：n为偶数，n为偶数，n为奇数，n为奇数，在每种情况下：。
34.a和b在此是椭圆的半轴，n是磁场传感器的数量或第二位置的数量。在此，由电流导体、特别是扁平导体的横截面的最长边缘及该电流导体的纵轴限定的平面对应于椭圆的主对称平面。
35.所说明的磁场传感器的定位在调整后、特别是在制造结束时对于导体几何形状的变化是鲁棒的，因此可以普遍使用。
36.在本发明的另一扩展中，所述椭圆具有最短半轴和最长半轴。最长半轴不超过最
短半轴长度的四倍。这具有最小化磁场测量结果与实际磁场值的偏差的优点。在附图描述中示出了实验示例。
37.在本发明的另一扩展中，所述至少三个磁场传感器分别具有灵敏度轴。所述至少三个磁场传感器对朝灵敏度轴方向取向的磁场最灵敏。根据本发明，灵敏度轴与椭圆相切地取向，也可以称为定向。这意味着灵敏度轴平行于磁场的磁力线延伸。这具有最大灵敏方向测量出磁场最大值的优点。
38.在本发明的另一扩展中，所述至少三个磁场传感器以奇数(n)存在。这具有使磁场测量结果与磁场实际值的偏差最小化的优点。在附图描述中示出了实验示例。
39.在本发明的另一扩展中，根据本发明的设备被构造为至少部分地包括所述电流导体。这意味着所述导体布置在所述椭圆内。
40.本发明还包括用于确定电流导体中的电流强度的电流强度确定单元，也称为确定单元、测量单元或电流转换器。所述电流强度确定单元具有根据本发明的设备和数据处理单元，其中所述数据处理单元被构造为使用（即通过包括）所述至少三个磁场传感器的磁场的磁场强度的测量结果来确定电流强度。
41.本发明还包括一种通过根据本发明的电流强度确定单元来确定电流导体中的电流强度的方法。该方法具有以下步骤：-将所述电流导体放置在根据本发明的设备中，-由所述设备确定磁场的磁场强度的测量结果，-将所述测量结果传输到数据处理单元，以及-由所述数据处理单元确定所述电流导体中的电流强度。
附图说明
42.从以下基于示意图对多个实施例的解释，本发明的特殊性和优点将变得显而易见。
43.图1示出了磁场传感器，其与椭圆顶点具有轴距地布置，图2示出了在磁场传感器为奇数和偶数时实验确定的测量误差，以及图3示出了用于确定电流导体中的电流强度的电流强度确定单元。
具体实施方式
44.在所有图中，磁场是在没有使用通量集中器的情况下测量的，或者示出了没有通量集中器的磁场传感器布置。
45.图1示出了七个磁场传感器2（n=7，用点表示），这些磁场传感器以与椭圆顶点具有轴距的方式布置为椭圆形。七个磁场传感器2布置在电流导体1周围，其中在不使用通量集中器的情况下测量磁场。
46.坐标系的比例以任意单位给出。椭圆的半轴比为4:1（最长半轴对最短半轴之比）。通过将圆投影为椭圆的方法来确定磁场传感器2的位置。
47.所述椭圆可以通过圆的正投影来定义，其中至少三个第一位置等距离地布置在圆的外周上，其中所述至少三个第一位置通过正投影产生椭圆上的至少三个第二位置，其中至少三个磁场传感器2布置在所述至少三个第二位置上。
48.确定了最佳初始角度，其也可以计算为轴距。通过其投影产生第二位置的圆具有直径。所述直径在两个圆点处与所述圆相交。所述至少三个第一位置之一被布置为与所述圆点之一具有轴距。所述轴距在此被测定为所述圆的直径与从圆心到所述至少三个第一位置之一的直线之间的角度。位置距离定义为360度除以所述至少三个第一位置的数量。这意味着所述位置距离说明了所述至少三个第一位置中两个相邻的第一位置之间的距离。七个磁场传感器2的位置距离为360度除以7等于51.4度。
49.根据本发明，轴距：-在所述至少三个磁场传感器为奇数（n）的情况下为所述位置距离的八分之一，以及-在所述至少三个磁场传感器为偶数（n）的情况下为所述位置距离的四分之一。
50.轴距为圆的直径与从圆心到至少三个第一位置之一的直线之间在圆投影前的角度。在椭圆投影后，圆的直径代替椭圆的最长半轴。轴距因此确定了磁场传感器距直径与圆周的交点的距离。在七个磁场传感器2情况下的轴距为360度除以7*8等于6.4度。这对应于椭圆的x-y坐标系中约1.63
°
的角度α0。
51.图2示出了在奇数个（n=7，实线图）和偶数个（n=8，虚线图）磁场传感器的情况下用线形导体校准时依赖于偏移角（或可称为轴距）实验确定的测量误差f，其中在不使用通量集中器的情况下测量磁场。测量误差f（也称为相对灵敏度误差f）以百分比%表示。相对灵敏度误差f是针对依赖于偏移角（或可称为轴距）测量宽度为130mm且磁场传感器均匀分布在外周的扁平导体而示出的。对于本实验而言，该扁平导体由130个均匀并排布置的个体导体近似。椭圆形的传感器阵列具有80mm的最长半轴和20mm的最短半轴。从图2中可以看出，使用7个磁场传感器（奇数）时的最大相对灵敏度误差f是使用8个磁场传感器（偶数）时的最大相对灵敏度误差f的几分之一。奇数个磁场传感器是有利的。轴距的优化将相对灵敏度误差f最小化。
52.图3示出了用于确定电流导体1中的电流强度的电流强度确定单元9，其中在不使用通量集中器的情况下测量磁场。该导体具有宽度b。电流确定单元9具有设备8和数据处理单元5。
53.设备8被构造为测量电流导体1的磁场。设备8至少部分地包括电流导体1。设备8具有六个磁场传感器2。六个磁场传感器布置在椭圆4的外周上。椭圆4不是圆。磁场传感器2的位置是通过先前描述的将圆投影为椭圆4的方法来确定的。
54.所述椭圆可以通过圆的正投影来定义，其中至少三个第一位置等距离地布置在圆的外周上，其中所述至少三个第一位置通过正投影产生椭圆上的至少三个第二位置，其中至少三个磁场传感器2布置在所述至少三个第二位置上。
55.磁场传感器分别具有灵敏度轴3。磁场传感器2对朝灵敏度轴3的方向取向的磁场最灵敏。灵敏度轴3与椭圆4相切地取向。
56.椭圆4具有最长半轴a。最长半轴a位于主对称轴7上。最长半轴a在椭圆顶点6处与椭圆4相交。椭圆顶点6在图3中通过星号标记。至少三个磁场传感器2之一被布置为沿椭圆
与椭圆顶点6具有轴距α0。轴距α0在此被测定为椭圆4的内角。
57.对轴距α0进行了优化，以最小化导体1的磁场的测量结果与导体1的磁场的实际值的偏差。这可以特别是通过以下方式实现，即通过其投影产生第二位置的圆具有直径，磁场传感器就布置在所述第二位置处，其中所述直径在两个圆点处与所述圆相交，其中所述至少三个第一位置之一被布置为与所述圆点之一具有轴距，其中位置距离定义为360度除以所述至少三个磁场传感器的数量，轴距：-在所述至少三个磁场传感器为奇数（n）的情况下为所述位置距离的八分之一，以及-在所述至少三个磁场传感器为偶数（n）的情况下为所述位置距离的四分之一。
58.数据处理单元5被构造为使用六个磁场传感器2的测量结果来确定电流强度。六个磁场传感器2可以特别是测量磁场的磁场强度。
59.尽管已经具体通过实施例对本发明进行了更详细的说明和描述，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域的技术人员可以从中推导出其他变体而不脱离本发明的保护范围。
60.附图标记列表1
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电流导体2
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磁场传感器3
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灵敏度轴4
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椭圆5
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数据处理单元6
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椭圆顶点7
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主对称轴8
ꢀꢀ
设备9
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电流强度确定单元a
ꢀꢀ
最长半轴α0ꢀꢀ
椭圆中的轴距
ꢀꢀ
圆中的轴距n
ꢀꢀ
磁场传感器2的数量。