-
Die Erfindung betrifft eine Spule, wie sie beispielsweise bei Stromsensoren eingesetzt werden kann, einen Stromsensor, sowie Verfahren zur Herstellung einer Spule und eines Stromsensors.
-
Es ist bekannt, die Stärke des Stroms durch einen elektrischen Leiter basierend auf dem Magnetfeld zu ermitteln, das durch diesen Strom erzeugt wird. Zur Detektion des Magnetfeldes kann eine Spule verwendet werden, die in den Einflussbereich des Magnetfeldes gebracht wird. Um einen möglichst großen Wickelraum zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Spule viele Windungen aufweist und wenn diese möglichst nahe am Leiter angeordnet sind. Allerdings gibt es bei einer herkömmlichen Stromsensorspule immer Wicklungsabschnitte, die signifikant weiter vom Leiter beabstandet sind als andere Wicklungsabschnitte, vor allem dann, wenn der Querschnitt des Leiters eine Einbuchtung oder eine Ausbauchung aufweist.
-
Die
US 7 078 888 B2 betrifft eine elektrische Strommesseinrichtung, bei der stufig oder tailliert gewickelte Spulen zur Ermittlung eines Stromes in einem Stromleiter verwendet werden. Eine in der
US 6 094 043 A beschriebene ähnliche Anordnung wird zur Detektion von Spannungsüberschlägen verwendet. Die
US 2 159 534 A zeigt stufig und tailliert Spulen für die Verwendung in Elektronenstrahlröhren.
-
In der
US 2010/0 175 244 A1 ist eine Spule mit einer Wicklung beschrieben, bei der ein Abschnitt der Wicklung schräg zu darunter liegenden Windungen der Wicklungen verläuft.
-
In der
JP 11-074 133 A ist eine Spule mit einer Wicklung gezeigt, die einen lokal vergrößerten Wicklungsdurchmesser aufweist.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Spule bereitzustellen, die sich auf einfache Weise herstellen lässt und die sich für den Einsatz in einem Stromsensor eignet, mit dem der Strom durch einen elektrischen Leiter gemessen werden kann, dessen Querschnitt eine Einbuchtung oder eine Ausbauchung aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Stromsensor bereitzustellen, mit dem der Strom durch einen elektrischen Leiter gemessen werden kann, dessen Querschnitt eine Einbuchtung oder eine Ausbauchung aufweist. Weitere Aufgaben bestehen in der Bereitstellung von Verfahren zur Herstellung einer solchen Spule bzw. eines solchen Stromsensors.
-
Diese Aufgaben werden durch eine Spule gemäß Patentanspruch 1, durch einen Stromsensor gemäß Patentanspruch 16, durch ein Verfahren zur Herstellung einer Spule gemäß Patentanspruch 34 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stromsensors gemäß Patentanspruch 38 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Die vorliegenden Erfindung sieht eine Spule mit einem elektrisch leitenden Draht vor, der in einer Vielzahl von Windungen zu einer Wicklung aufgewickelt ist. Die Wicklung weist ein erstes Ende, ein zweites Ende sowie eine in einer Richtung verlaufende Wicklungsachse auf. Die Wicklung umfasst außerdem eine Durchmesserreduzierung, in der der Wicklungsdurchmesser gegenüber dem Wicklungsdurchmesser in anderen Abschnitten der Wicklung reduziert ist. An einer ersten Position, die sich zwischen der Durchmesserreduzierung und dem ersten Ende befindet, weist die Wicklung einen ersten Wicklungsdurchmesser auf, der größer ist als der reduzierte Wicklungsdurchmesser. Bei einer solchen Durchmesserreduzierung kann es beispielsweise um eine Taillierung der Wicklung handeln. Eine Durchmesserreduzierung kann sich jedoch auch an dem ersten Ende oder dem zweiten Ende der Wicklung befinden, zum Beispiel bei einer konischen Wicklung, deren Durchmesser vom ersten Ende zum zweiten Ende hin kontinuierlich abnimmt.
-
Zur Herstellung einer solchen Spule wird ein elektrisch leitender Draht bereitgestellt und zu einer Wicklung mit einer Vielzahl von Windungen aufgewickelt, so dass die Wicklung eine sich in einer Richtung erstreckende Wicklungsachse umfasst, sowie eine Durchmesserreduzierung mit einem reduzierten Wicklungsdurchmesser. An einer von der Durchmesserreduzierung beabstandeten Position weist die Wicklung einen ersten Wicklungsdurchmesser auf, der größer ist als der reduzierte Wicklungsdurchmesser.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Stromsensor mit einer Durchgangsöffnung zum Hindurchführen eines elektrischen Leiters. Der Stromsensor umfasst wenigstens eine Spule mit jeweils einer Wicklung. Zumindest eine erste dieser Spulen weist einem elektrisch leitenden Draht auf, der in einer Vielzahl von Windungen zu einer Wicklung aufgewickelt ist. Die Wicklung weist ein erstes Ende, ein zweites Ende, sowie eine in einer Richtung verlaufende Wicklungsachse auf. Die Wicklung umfasst außerdem einen Abschnitt mit einer Durchmesserreduzierung, in dem der Wicklungsdurchmesser gegenüber dem Wicklungsdurchmesser in anderen Abschnitten der Wicklung reduziert ist. An einer ersten Position, die sich zwischen der Durchmesserreduzierung und dem ersten Ende befindet, weist die Wicklung einen ersten Wicklungsdurchmesser auf, der größer ist als der reduzierte Wicklungsdurchmesser. Die Durchgangsöffnung ist so ausgebildet, dass ein Leiter durch sie hindurchgeführt werden kann, und zwar so, dass der Abstand zwischen dem Leiter und der Wicklungsachse geringer ist als der halbe erste Wicklungsdurchmesser.
-
Zur Herstellung eines solchen Stromsensors wird eine erste Spule gemäß dem vorangehend erläuterten Verfahren hergestellt und an so einer Durchgangsöffnung des Sensors positioniert, dass ein elektrischer Leiter durch sie hindurchgeführt werden kann, und zwar derart, dass der Abstand zwischen dem Leiter und der Wicklungsachse geringer ist als die Hälfte des ersten Wicklungsdurchmessers der ersten Spule. Außerdem werden ein Magnetkern bereitgestellt, sowie ein Sensorelement, das zur Ausgabe eines magnetfeldabhängigen Signals ausgebildet ist. Die erste Spule wird auf dem Magnetkern angeordnet und das Sensorelement in oder an dem Magnetkern positioniert.
-
Die Durchmesserreduzierung ermöglicht es, die Geometrie der Wicklung unter anderem auch an Leiter anzupassen, deren Querschnitt eine Einbuchtung oder eine Ausbauchung aufweist. Damit lässt sich eine wesentlich bessere Anpassung der Wicklung an den Leiterquerschnitt erreichen, als dies bei der Verwendung einer Wicklung ohne Durchmesserreduzierung der Fall wäre.
-
Bedingt durch die Durchmesserreduzierung weist die Wicklung zumindest einen Abschnitt mit in Richtung der Wicklungsachse zunehmendem oder in Richtung der Wicklungsachse abnehmendem Wicklungsdurchmesser auf. In solchen Abschnitten kann es vor allem bei starken Durchmesserreduzierungen dazu kommen, dass Windungen in Richtung der Durchmesserreduzierung ”abrutschen” und dadurch abschnittweise nicht mehr ausreichend fixiert auf einer darunter befindlichen Lage der Wicklung aufliegen. Hierbei können solche abgerutschten Windungen in den Bereich einer Durchgangsöffnung des Stromsensors hineinragen, die zur Aufnahme eines Leiters dient, dessen Stromstärke mit dem Stromsensor ermittelt werden soll. Dadurch kann es beim Einführen des Leiters in die Durchgangsöffnung zum Einen zu Behinderungen durch die abgerutschten Windungen kommen, zum Anderen besteht die Gefahr, dass die Wicklung durch den Leiter beschädigt wird.
-
Um diese Probleme zu vermeiden, können die Windungen der Wicklungen gegeneinander beispielsweise mittels eines Klebers fixiert werden. Zusätzlich oder alternativ zu einem Kleber kann eine Bandagierung vorgesehen sein, bei der zusätzlich zu dem Draht der Wicklung ein Halteband um die fertige Drahtwicklung gewickelt wird. Sowohl eine Fixierung mittels Kleber als auch eine Fixierung mittels einer Bandagierung erfordern aber weitere aufwändige Arbeitsschritte, bei denen zusätzliches Material in Form eines Klebers bzw. in Form eines Haltebandes bereitgestellt und verarbeitet werden muss.
-
Daher kann eine Fixierung der Wicklung auch mit Hilfe des Drahtes erfolgen, aus dem die Wicklung hergestellt ist. Hierbei weist der Draht einen Fixierungsabschnitt auf, der in der Richtung der Wicklungsachse zwischen der Position des reduzierten Wicklungsdurchmessers und dem ersten Ende angeordnet ist und der mehrere unter ihm befindliche Windungen der Wicklung überkreuzt und dadurch die unter ihm befindlichen Lagen der Wicklung gegen ein Abrutschen sichert. Durch einen derartigen Fixierungsabschnitt kann auf eine Fixierung der Wicklung sowohl durch einen Kleber als auch durch eine zusätzliche Bandagierung verzichtet werden. Optional können natürlich ergänzend zu einem solchen Fixierungsabschnitt eine Fixierung der Wicklung durch einen Kleber und/oder durch eine Bandagierung erfolgen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Explosionsdarstellung einen Stromsensors;
-
2a eine Seitenansicht eines Wicklungsträgers, wie er zur Herstellung einer Spule für einen in 1 gezeigten Stromsensor verwendet werden kann;
-
2b eine Seitenansicht einer Spule, die unter Verwendung des in 2a gezeigten Wicklungsträgers hergestellt ist und die sich zur Herstellung eines in 1 gezeigten Stromsensors eignet;
-
3 eine Abbildung einer gemäß 2b ausgestalteten Spule;
-
4a eine Seitenansicht eines Wicklungsträgers, der gegenüber dem Wicklungsträger gemäß 2a zusätzlich ein Fixierungselement aufweist;
-
4b eine Seitenansicht einer Spule, die unter Verwendung des in 4a gezeigten Wicklungsträgers hergestellt ist;
-
5a zwei parallel zueinander angeordnete, um einen elektrischen Leiter herum angeordnete, taillierte Spulen;
-
5b drei dreieckförmig zueinander angeordnete, um einen elektrischen Leiter herum angeordnete, taillierte Spulen;
-
6a eine taillierte Spule, die parallel zu einer einfachen, nicht taillierten geraden Spule und zusammen mit dieser um einen elektrischen Leiter herum angeordnet ist;
-
6b eine taillierte Spule, die zusammen mit zwei einfachen, nicht taillierten geraden Spulen dreieckförmig um einen elektrischen Leiter herum angeordnet ist;
-
6c zwei taillierte Spulen, die zusammen mit einer einfachen, nicht taillierten geraden Spule dreieckförmig um einen elektrischen Leiter herum angeordnet sind; und
-
6d eine einzelne taillierte Spule, durch deren Taillierungsbereich ein elektrischer Leiter über einen Teil seines Leiterquerschnitts hindurch läuft.
-
1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Stromsensors 100. Dieser umfasst zwei Spulen 1, von denen jede einen Wicklungsträger 2 aufweist, der mit einer Wicklung versehen ist, die eine Durchmesserreduzierung 33 aufweist. In dem vorliegenden Beispiel ist die Durchmesserreduzierung als Taillierung ausgebildet. Eine jede der Wicklungen weist eine Wicklungsachse auf, die in einer Richtung x verläuft. Die Wicklungen sind in 1 nur schematisch anhand ihrer Einhüllenden dargestellt, einzelne Windungen sind nicht gezeigt. Ein jeder der Wicklungsträger 2 weist einen länglichen Abschnitt auf, der sich in der Richtung x der Wicklungsachse erstreckt. Die Wicklungsachsen der Wicklungen der beiden Spulen 1 verlaufen parallel zueinander. Außerdem befinden sich die Durchmesserreduzierung 33 der beiden Wicklungen einander gegenüberliegend, so dass zwischen ihnen ein elektrischer Leiter 5 (gestrichelt dargestellt) mit nicht-rechteckigem, beispielsweise mit rundem Querschnitt zwischen ihnen hindurchgeführt werden kann, bei dem der Strom I, der den Leiter 5 durchfließt, ermittelt werden soll.
-
Die Durchmesserreduzierungen 33 sind dadurch gebildet, dass die Wicklungen im Bereich der Durchmesserreduzierung 33 weniger Wicklungslagen aufweisen als in den an die betreffende Durchmesserreduzierung 33 angrenzenden Bereichen der betreffenden Wicklung. Durch die Taillierungen 33 der Wicklungen kann der zur Verfügung stehende Raum maximal ausgenutzt werden, d. h. im Vergleich zu einem Spulenpaar mit nicht taillierten Wicklungen können die Wicklungen sehr gut an die Geometrie des Leiters 5 angepasst werden. Anstelle des gezeigten kreisförmigen Querschnitts kann ein solcher Leiter 5 einen elliptischen, sechseckigen oder beliebigen anderen Querschnitt aufweisen.
-
Die Spulen 1 weisen jeweils einen röhrenförmigen Innenraum auf, so dass ein Magnetkern 8 in die Spulen 1 eingeschoben werden kann. Bei der Anordnung gemäß 1 ist der Magnetkern 8 zweiteilig ausgebildet und umfasst die Magnetkernteile 81 und 82, die von einander gegenüberliegenden Seiten in die Öffnungen der parallel zueinander angeordneten Wicklungsträger 2 eingeschoben werden können und dann zusammen einen gemeinsamen Magnetkern 8 bilden. Die Teile 81, 82 des Magnetkerns 8 sind als Blechstapel mit einzelnen, elektrisch gegeneinander isolierten Blechen 83 ausgebildet. Die elektrische Isolierung zwischen benachbarten Blechen 83 dient dazu, die Bleche 83 gegeneinander zu isolieren, um blechübergreifende Wirbelströme zu vermeiden und dadurch die elektrischen Verluste im Magnetkern 8 gering zu halten.
-
Ein jeder der Teile 81, 82 weist einen Schlitz 81a bzw. 82a auf, in die ein Magnetfeldsensor 9 beim Zusammensetzen des Stromsensors 100 eingesetzt werden kann. Der Magnetfeldsensor 9 umfasst ein Sensorelement 90, welches an elektrische Anschlüsse 91, 92 angeschlossen ist, die auch bei zusammengebautem Stromsensor 100 zugänglich sind. Über die elektrischen Anschlüsse 91, 92 kann das magnetfeldabhängige Ausgangssignal des Sensorelements 90 erfasst und so das am Ort des Sensorelements 90 vorliegende Magnetfeld ermittelt werden. Als Sensorelement 90 kann grundsätzlich jeder geeignete Magnetfeldsensor verwendet werden. Beispielhaft seien hier lediglich induktiv arbeitende Sonden oder auf dem Halleffekt basierende Sonden (Hallsonden) erwähnt. Bei dem gezeigten Beispiel befindet sich das Sensorelement 90, wenn der Magnetfeldsensor 100 zusammengebaut ist, in dem Schlitz 82a des Teils 82. Abweichend davon könnte sich das Sensorelement 90 jedoch auch in einem Aufnahmebereich in dem anderen Teil 81 befinden. Ebenso kann ein Magnetfeldsensor 100 auch außen am Magnetkern 8 positioniert werden. Der Magnetfeldsensor 100 kann zum Beispiel auch als Wicklung ausgebildet sein, die auf den Magnetkern 8 aufgewickelt ist.
-
Nach dem Einschieben der Teile 81 und 82 zusammen mit dem Magnetfeldsensor 9 in das Spulenpaar kann die dabei erzeugte Baugruppe mit einer Leiterplatte 6 verbunden und zusammen mit dieser in ein Gehäuse 7 eingebaut werden. Das Gehäuse 7 umfasst eine Gehäusewanne 7a, sowie einen Gehäusedeckel 7b. Die Gehäusewanne 7a, der Gehäusedeckel 7b und die Leiterplatte 6 umfassen Öffnungen, die im zusammengebauten Zustand des Stromsensors miteinander fluchten und zusammen eine Durchgangsöffnung 99 des Stromsensors 100 bilden, durch die ein externer elektrischer Leiter 5 mit z. B. kreisförmigem Querschnitt hindurchgeführt werden kann, der passgenau zwischen den beiden Spulen 1 verläuft. Falls der Stromsensor alternativ zur Messung des Stromes I in einem Leiter 5 verwendet werden soll, dessen Querschnitt weder rechteckig noch kreisförmig ist, können die Wicklungen der Spulen 1 mit einer entsprechend angepassten Geometrie hergestellt werden. Eine Taillierung kann z. B. auch nur einseitig erfolgen.
-
Aufgrund der Durchmesserreduzierung, im vorliegenden Beispiel also aufgrund der Taillierung 33, besteht bei einer Spule 1 jedoch die Gefahr, dass in Übergangsabschnitten 36 zwischen der Durchmesserreduzierung 33 und dem ersten Ende 31 der Wicklung vor allem Windungen der äußeren Lagen der Wicklung in Richtung der Durchmesserreduzierung 33 abrutschen und so in den Bereich der Durchgangsöffnung 99 geraten können, der zur durch Hindurchführung des externen Leiters 5 dient. Hierdurch könnten die abgerutschten Windungen der Wicklungen beim Hindurchführen des externen Leiters 5 durch die Durchgangsöffnung 99 beschädigt werden.
-
Um dies zu vermeiden, ist eine Spule vorgesehen, deren Aufbau und Herstellung beispielhaft anhand der 2a und 2b erläutert wird. Die Spule 1 (2b) weist einen Wicklungsträger 2 (2a) mit einem sich in einer Richtung x erstreckenden länglichen Abschnitt 20 auf.
-
Auf den länglichen Abschnitt 20 ist ein elektrisch leitender Draht 3 in einer Vielzahl von Windungen um den länglichen Abschnitt 20 herum eine Wicklung bildend aufgewickelt. Die Wicklung weist somit eine Wicklungsachse auf, die sich ebenfalls in Richtung x erstreckt. Der Draht 3 ist mit einer isolierenden Beschichtung, z. B. einer isolierenden Lackierung, beschichtet. Die Wicklung umfasst ein erstes Ende 31 und ein zweites Ende 32, die zum Beispiel in der Richtung x der Wicklungsachse einander entgegengesetzte Enden der Wicklung bilden. Zwischen dem ersten Ende 31 und dem zweiten Ende 32 besitzt die Wicklung eine als Taillierung ausgebildete Durchmesserreduzierung 33 mit einem reduzierten Wicklungsdurchmesser D33. Zwischen der Durchmesserreduzierung 33 und dem ersten Ende 31 weist die Wicklung an einer ersten Position 41 einen Wicklungsdurchmesser D41 auf, der größer ist als der reduzierte Wicklungsdurchmesser D33 im Bereich der Durchmesserreduzierung 33. Der Durchmesser D41 kann beispielsweise mindestens um das 6-fache größer sein als der Durchmesser D3 des Drahtes 3. Bei dem Durchmesser D41 kann es sich beispielsweise um den maximalen Durchmesser der Wicklung handeln.
-
Um das erwähnte Abrutschen der Windungen der äußeren Lage der Wicklung in Richtung des kleineren Wicklungsdurchmessers zu vermeiden, weist der Draht 3 einen Fixierungsabschnitt 30 auf, der in der Richtung x der Wicklungsachse zwischen der Durchmesserreduzierung 33 und dem ersten Ende 31 angeordnet ist und der mehrere unter ihm befindliche Windungen 35 der Wicklungen überkreuzt und dadurch die unter ihm befindlichen Lagen der Wicklung gegen ein Abrutschen in Richtung der Durchmesserreduzierung 33 sichert.
-
Das Aufbringen der Windungen 35 der Lage, die sich in dem Übergangsbereich 36 unmittelbar unterhalb des Fixierungsabschnittes 30 befindet, kann vorteilhaft von der Durchmesserreduzierung 33 in Richtung der ersten Position 41 erfolgen. Unabhängig davon kann das Aufbringen des Fixierungsabschnitts 30 von der ersten Position 41 hin zur Durchmesserreduzierung 33 erfolgen.
-
Um ein Abrutschen des Fixierungsabschnitts 30 zu verhindern, weist die Wicklung außerdem zwischen der ersten Position 41 und dem ersten Ende 31 eine Fixierungsverjüngung 34 mit einem Wicklungsdurchmesser D34 auf, der kleiner ist als der erste Wicklungsdurchmesser D41. Der Fixierungsabschnitt 30 ist bis in die Fixierungsverjüngung 34 hinein gewickelt und wird dort aufgrund der Verjüngung 34 in seiner Lage fixiert.
-
Bei dem Beispiel gemäß 2b befindet sich die Fixierungsverjüngung 34 im Bereich des ersten Endes 31 der Wicklung. Abweichend davon kann eine Fixierungsverjüngung 34 jedoch auch vom ersten Ende 31 beabstandet sein.
-
Weiterhin ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2b der Durchmesser D34 größer als der reduzierte Durchmesser D33 der Durchmesserreduzierung 33. Alternativ könnte der Durchmesser D34 einer Fixierungsverjüngung 34, unabhängig von deren Position in der Richtung x der Wicklungsachse, auch kleiner oder gleich dem reduzierten Durchmesser D33 der Durchmesserreduzierung 33 gewählt werden.
-
Um aufgrund unvermeidlicher Unregelmäßigkeiten beim Herstellen der Wicklung sicher zu stellen, dass eine Fixierungsverjüngung 34 ausgebildet wird, kann der Wicklungsdurchmesser D34 so gewählt werden, dass er um wenigstens das Dreifache des Durchmessers D3 des Drahtes 3 kleiner ist als der Wicklungsdurchmesser D41 an der ersten Position 41. Sofern ein Draht 3 einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweist, wird tritt an die Stelle des Durchmessers die größte Abmessung, die der Draht 3 senkrecht zu seiner Längsrichtung aufweist.
-
Optional kann in dem Draht 3 im Bereich des Fixierungsabschnittes 30 eine mechanische Spannung auftreten, die höher ist als die mechanische Spannung des Drahtes 3 insbesondere der unmittelbar unter dem Fixierungsabschnitt 30 befindlichen Lage der Wicklung. Die mechanische Spannung des Fixierungsabschnittes 30 kann aber auch höher sein als die mechanische Spannung, die in allen Bereichen des Drahtes 3 außerhalb des Fixierungsabschnittes 30 auftritt.
-
Eine Spule 1, wie sie in 2b gezeigt ist, kann beispielsweise wie folgt hergestellt werden: Es wird ein Wicklungsträger 2 (2a) bereitgestellt, der einen ersten Anschlusspin 20a und einen von diesem elektrisch isolierten zweiten Anschlusspin 20b aufweist. In 2a ist erste Anschlusspin 20a von dem zweiten Anschlusspin 20b verdeckt. Der erste Anschlusspin 20a ist jedoch in 3 gezeigt.
-
Außerdem wird ein elektrisch leitender Draht 3 bereitgestellt, der eine elektrisch isolierende Umhüllung aufweist, sowie ein erstes Ende 3a (in 2b verdeckt). Dieses erste Ende wird mechanisch und elektrisch leitend mit dem ersten Anschlusspin 20a verbunden. Dann wird der Draht 3 in einer Vielzahl von Wicklungen ausgehend vom ersten Anschlusspin 20a um den länglichen Abschnitt 20 des Wicklungsträgers 2 herum aufgewickelt, und zwar so, dass zunächst in der positiven Richtung x der Wicklungsachse zwischen einer ersten Endplatte 21 und einer zweiten Endplatte 22 des Wicklungsträgers 2 mehrere Lagen der Wicklung aufgebaut werden. Hierbei kann die Wicklung in der Richtung x der Wicklungsachse an verschiedenen Positionen unterschiedliche Lagenzahlen aufweisen.
-
Das Aufbringen der Wicklung kann dabei so erfolgen, dass im Bereich der zweiten Endplatte 22 eine Fixierungsverjüngung 34 mit einem Durchmesser D34 entsteht, in der der Draht 3 ausreichend Halt findet, um den beim weiteren Aufwickeln erzeugten Fixierungsabschnitt 30 sicher gegen ein Herausrutschen aus der Fixierungsverjüngung 34 zu sichern.
-
Der Fixierungsabschnitt 30 wird so aufgebracht, dass die Verlaufsrichtung des Drahtes 3 zumindest in dem Übergangsabschnitt 36 und optional auch in dem sich an den Übergangsabschnitt 36 in Richtung des ersten Endes 31 anschließenden Abschnitt der Wicklung, jedoch außerhalb der Fixierungsverjüngung 34, an jeder Stelle des Fixierungsabschnitts 30 mit einer zur Richtung x der Wicklungsachse senkrechten Ebene E einen Winkel φ einschließt, der so gewählt ist, dass der Fixierungsabschnitt mehrere, z. B. wenigstens fünf, in der Richtung x der Wicklungsachse nebeneinander liegende Windungen 34 überkreuzt. Der Winkel φ kann hierzu beispielsweise größer oder gleich 10° gewählt werden.
-
Je größer der Winkel φ bei einer vorgegebenen Zugspannung des Fixierungsabschnittes 30 gewählt wird, desto größer ist die Gefahr, dass der Fixierungsabschnitt 30 aus der Fixierungsverjüngung 34 herausspringt. Um dies zu vermeiden, kann der Winkel φ je nach Zugspannung des Fixierungsabschnitts 30 kleiner oder gleich eines vorgegebenen Maximalwinkels gewählt werden. Der Maximalwinkel kann beispielsweise 45° betragen.
-
Zur Herstellung des Fixierungsabschnittes 30 kann der Draht 3 ausgehend von der bereits gewickelten Fixierungsverjüngung 34 mit einer auf den Draht 3 wirkenden Zugkraft gewickelt werden, die höher ist als die Zugkraft, mit der die Windungen 35 gewickelt wurden, welche sich nach der Fertigstellung des Fixierungsabschnittes 30 in dem Übergangsabschnitt 36 in der obersten Lage der Wicklung unmittelbar unterhalb des Fixierungsabschnittes 30 befinden und die der Fixierungsabschnitt überkreuzt.
-
Die erhöhte Zugkraft wird beibehalten, bis der Draht 3 unter Ausbildung des Fixierungsabschnitts 30 über den Übergangsabschnitt 36 hinweg verlegt wurde und die Durchmesserreduzierung 33 erreicht hat. Ab Erreichen der Durchmesserreduzierung 33 kann der Draht 3 dann bezüglich der Ebene E wieder mit einem gegenüber dem Winkel φ reduzierten Winkel weiter aufgewickelt werden.
-
Eine Fixierung mit einem Fixierungsabschnitt 30 ist vor allem in solchen Abschnitten der Wicklung sinnvoll, in denen der Draht 3, bezogen auf die Wickelrichtung der obersten unmittelbar unter dem Fixierungsabschnitt 30 befindlichen Lage, mit abnehmendem Wicklungsdurchmesser gewickelt wurde, wie dies bei dem vorliegenden Beispiel in dem Übergangsabschnitt 36 der Fall ist. Als Wickelrichtung einer Lage wird dabei die Richtung angesehen, in der sich diese Lage bei ihrer Herstellung durch Hinzufügen neuer Wicklungen verlängert.
-
Nach dem Erreichen des zweiten Endes 32 der Wicklung wird der Draht 3 mit dem zweiten Anschlusspin 20b mechanisch und elektrisch leitend verbunden. Hierzu kann der Draht 3 abgeschnitten werden, so dass ein zweites Ende 3b (3) des Drahtes 3 entsteht, an dem der Draht mit dem zweiten Anschlusspin 20b verbunden ist. Um die Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung zu ermöglichen, wird die isolierende Beschichtung des Drahtes 3 im Kontaktbereich zum zweiten Anschlusspin 20b lokal entfernt.
-
Bei dem in 2b gezeigten Beispiel befinden sich der erste Anschlusspin 20a (verdeckt) und der zweite Anschlusspin 20b auf derselben Seite der Wicklung. Alternativ dazu können der erste Anschlusspin 20a und der zweite Anschlusspin 20b auch auf verschiedenen Seiten der Wicklung angeordnet sein.
-
Außerdem verläuft der Fixierungsabschnitt 30 zwischen der Durchmesserreduzierung 33 und dem ersten Ende 31 der Wicklung. Alternativ oder zusätzlich kann ein Fixierungsabschnitt des Drahtes 3 auch zwischen der Durchmesserreduzierung 33 und dem zweiten Ende 32 der Wicklung vorgesehen sein. Um einen solchen alternativen oder zusätzlichen Fixierungsabschnitt zu fixieren, kann zwischen der Durchmesserreduzierung 33 und dem zweiten Ende 32 eine Fixierungsverjüngung vorgesehen sein, die in ihrem Aufbau und ihrer Funktion der beschriebenen Fixierungsverjüngung 34 entspricht.
-
Sofern ein Fixierungsabschnitt auf der Seite der Durchmesserreduzierung 33 verläuft, auf der sich auch der zweite Anschlusspin 20b befindet, kann es anstelle einer Fixierungsverjüngung auch vorgesehen sein, den Draht 3 an dem zweiten Anschlusspin 32 zu befestigen.
-
Bei anderen Ausgestaltungen können alternativ zu Anschlusspins 20a, 20b auch z. B. Lötösen, Klemmanschlüsse oder beliebige andere elektrische Anschlüsse vorgesehen sein, an denen die Enden der Wicklung befestigt werden.
-
3 zeigt eine perspektivische Seitenansicht einer Spule, deren Aufbau dem anhand der 2a und 2b erläuterten Aufbau entspricht. Abweichungen bestehen lediglich in der Form der Endplatten des Wicklungsträgers 2. In dieser Ansicht sind auch der erste Anschlusspin 20a und das erste Ende 3a des Drahtes 3 zu erkennen, welche in 2b verdeckt sind.
-
4a zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Wicklungsträgers 2. Dieser ist ebenso aufgebaut wie der in 2a gezeigte Wicklungsträger 2, weist im Vergleich zu diesem jedoch zusätzlich ein Fixierungselement 23 auf. 4b zeigt eine unter Verwendung dieses Wicklungsträgers 2 gefertigte Spule 1. Diese weist ebenso wie die in 2b gezeigte Spule eine Wicklung mit einer Durchmesserreduzierung 33 und einem zwischen der Durchmesserreduzierung 33 und dem ersten Ende 31 befindlichen Fixierungsabschnitt 30 auf. Um zu vermeiden, dass der Draht 3 aufgrund des großen Winkels φ, den der Fixierungsabschnitt 30 bezüglich der Ebene E aufweist, in Richtung der Durchmesserreduzierung 33 abrutscht, ist der Draht 3 auf der der Durchmesserreduzierung 33 abgewandten Seite des Fixierungselements 23 um dieses herum geführt und wird dadurch von dem Fixierungselement 23 gehalten.
-
Das Fixierungselement 23 ist beispielhaft an der zweiten Endplatte 22 ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich könnte ein Fixierungselement 23 auch an der ersten Endplatte 21 vorgesehen sein. In dem gezeigten Beispiel ist das Fixierungselement 23 als zylindrischer Zapfen oder als Stift ausgebildet. Ein Fixierungselement 23 jedoch jede beliebige Form aufweisen, solange eine Fixierung des Drahtes 3 gewährleistet ist. Ebenso könnte auch eine Nut in der zweiten Endplatte 22 und/oder in der ersten Endplatte 21 vorgesehen sein, durch die der Draht 3 hindurchgeführt ist.
-
Auch bei diesem Beispiel kann der Winkel φ z. B. größer oder gleich 10° gewählt werden. Unabhängig davon kann der Winkel φ kleiner oder gleich eines vorgegebenen Maximalwinkels gewählt werden. Beispielsweise kann der Maximalwinkel 60° oder 45° betragen.
-
Die nachfolgenden 5a, 5b und 6a bis 6d zeigen verschiedene Anordnung mit einer, zwei oder drei Spulen, von denen zumindest eine Spule als taillierte Spule 1 ausgebildet ist und einen Fixierungsabschnitt 30 aufweist. Dabei kann eine jede der durchmesserreduzierten Spulen 1 so ausgebildet sein wie eine der vorangehend erläuterten Spulen, insbesondere kann eine jede der durchmesserreduzierten Spulen mit einem Fixierungsabschnitt 30 versehen sein. Die Anordnungen gemäß den 5b und 6a bis 6c weisen jeweils wenigstens eine einfache, nicht taillierte gerade Spule 1' auf, sowie jeweils wenigstens eine taillierte, mit einem Fixierungsabschnitt 30 versehene Spule 1.
-
In 5a sind zwei taillierte Spulen 1 mit den Längsachsen ihrer Wicklungskörper parallel zueinander so angeordnet, dass sich ihre Taillierungen 33 gegenüber liegen. Hierdurch entsteht zwischen den einander zugewandten Seiten der Spulen 1 eine Durchführung 99, durch die ein elektrischer Leiter (gestrichelt im Querschnitt dargestellt) hindurchgeführt werden kann. Diese Anordnung entspricht auch der Anordnung gemäß 1.
-
Bei der Anordnung gemäß 5b sind drei taillierte Spulen 1 vorgesehen. Die Längsachsen der Wicklungskörper jeweils zwei benachbarter Spulen 1 schließen einen Winkel von 60° ein. Die Taillierungen 33 der Spulen 1 bilden zwischen ihren einander zugewandten Seiten eine Durchführung 99, durch die ein elektrischer Leiter hindurchgeführt werden kann.
-
Die Anordndung gemäß 6a umfasst eine taillierte Spule 1, sowie eine einfache, nicht taillierte gerade Spule 1'. Die Längsachsen der Wicklungskörper sind parallel zueinander ausgerichtet, so dass zwischen der nicht taillierten geraden Spule 1' und der Durchmesserreduzierung 33 der taillierten Spule 1 eine Durchführung 99 für einen elektrischen Leiter gebildet ist.
-
Bei der Anordndung gemäß 6b ist eine taillierte Spule 1 zusammen mit zwei einfachen, nicht taillierten geraden Spulen 1' so angeordnet, dass die Längsachsen der Wicklungskörper jeweils zwei benachbarter Spulen 1, 1' einen Winkel von 60° einschließen. Zwischen den einander zugewandten Seiten der Spulen 1, 1' ist eine Durchführung 99 für einen elektrischen Leiter ausgebildet. Dasselbe gilt entsprechend für die Anordndung gemäß 6c mit dem Unterschied, dass diese zwei taillierte Spulen 1 und nur eine nicht taillierte, gerade Spule 1' umfasst.
-
Gemäß einer weiteren, in 6d gezeigten Variante kann auch eine einzelne taillierte Spule 1 zur Realisierung eines Stromsensors verwendet werden. Ein solcher Stromsensor ist so aufgebaut, dass ein externer elektrischer Leiter 5, dessen Stromfluss zu ermitteln ist, zumindest teilweise so durch die Öffnung 99 hindurchgeführt werden kann, dass der Leiter 5 zumindest über einen Teil des Leiterquerschnitts durch den Taillierungsbereich 33 der Spule hindurch verläuft.
-
Auf entsprechende Weise lassen sich auch vier oder mehr Spulen so zueinander anordnen, dass zwischen ihnen eine Durchführung für einen elektrischen Leiter entsteht. Zumindest eine der Spulen weist dabei eine mit einem Durchmesserreduzierung 33 auf, sowie optional einen Fixierungsabschnitt 30.
-
In den 5a, 5b und 6a bis 6d sind keine Magnetkerne dargestellt, die in die Spulen 1, 1' eingebracht sind. Gleichwohl kann jede der Spulen 1, 1' einen rohrförmigen Innenraum aufweisen, in den ein Magnetkern oder ein Teil eines Magnetkerns eingeschoben werden kann, wobei im Fall von zwei oder mehr Teilen die Gesamtheit der Teile den Magnetkern bildet. Wicklungen mit einem solchen rohrförmigen Innenraum können optional auf einen Wicklungskörper 2 aufgewickelt werden, in den ein Magnetkern oder ein Teil eines Magnetkerns eingeschoben werden kann. Ebenso können jedoch Wicklungen auch ohne Wicklungskörper 2 auf einen Magnetkern oder einen Teil eines Magnetkerns aufgebracht werden.
-
Mit sämtlichen Anordnungen mit einer oder mehreren Spulen, von denen zumindest eine eine Durchmesserreduzierung 33 und optional einen Fixierungsabschnitt 30 aufweist, lässt sich anhand der in 1 erläuterten Prinzipien ein Stromsensor aufbauen. Dies gilt insbesondere für die anhand der 5a, 5b und 6a bis 6d erläuterten Spulenanordnungen, aber auch für alle anderen denkbaren Spulenanordnungen. Zur Realisierung eines solchen Stromsensors können sämtliche Spulen der Spulenanordnung auf einem gemeinsamen, einteiligen oder mehrteiligen Magnetkern angeordnet werden. Der Magnetkern kann außerdem einen Schlitz zur Aufnahme eines Magnetfeld-Sensorelements aufweisen. Zur Montage und Verschaltung können sämtliche Spulen der Spulenanordnung auf einer Leiterplatte angeordnet werden.
-
Weiterhin kann bei sämtlichen Stromsensoren mit einer oder mehreren Spulen, von denen zumindest eine eine Durchmesserreduzierung 33 und optional einen Fixierungsabschnitt 30 aufweist, ein Leiter so an den Spulen vorbeigeführt werden kann, dass für eine, mehrere oder alle Wicklungen der Spulenanordnung, die eine Durchmesserreduzierung aufweisen, gilt, dass der Abstand des Leiters von der Wicklungsachse der betreffenden Wicklung kleiner ist als der halbe maximale Durchmesser dieser Wicklung.
-
Außerdem kann ein Stromsensor optional ein Gehäuse zur Aufnahme der Spulenanordnung und ggf. auch des Magnetkerns umfassen.
-
Wie beispielhaft anhand der 1, 5a und 5b gezeigt wurde, kann ein Stromsensor eine Anzahl von genau N Spulen mit N ≥ 2 aufweisen, von denen jede ein Taillierung 33 aufweist. Dabei kann zumindest eine, mehrere oder eine jede der N Spulen ergänzend auch mit einem Fixierungsabschnitt 30 versehen sein. N kann insbesondere gleich 2, 3 oder 4 gewählt werden.
-
Bei den vorangehend erläuterten Stromsensoren war der durch die Durchgangsöffnung hindurch geführte Leiter ein externer Leiter, d. h. nicht Bestandteil des Stromsensors ist. Abweichend davon kann ein solcher Leiter jedoch auch Bestandteil des Stromsensors und dazu fest mit allen Spulen des Stromsensors verbunden sein.
