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Die Erfindung betrifft einen Stromwandler für eine Fehlerstromschutzeinrichtung oder eine Strommesseinrichtung, welcher einen Magnetkern sowie ein Gehäuse, in dem der Magnetkern aufgenommen und gehaltert ist, aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Strommesseinrichtung, in der ein derartiger Stromwandler verwendet wird.
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Ein Stromwandler ist eine Vorrichtung, mit deren Hilfe ein hoher Primärstrom in ein gut verarbeitbares elektrisches Signal umgewandelt wird. Induktive Stromwandler haben zumeist nur eine oder wenige Primärwindungen, die von einem zu messenden Strom durchflossen werden, sowie eine größere Anzahl an Sekundärwindungen. Oft besteht die Primärwicklung lediglich aus einer durch einen Ringkern des Stromwandlers geführten Stromleitung, was einer einzigen Primärwindung entspricht. Der über den Ringkern in den Sekundärwindungen induzierte Sekundärstrom ist gegenüber dem zu messenden Primärstrom deutlich reduziert – und zwar umgekehrt proportional zum Verhältnis der Anzahl der Primärwindungen zur Anzahl der Sekundärwindungen. Sekundärseitig können beispielsweise Strommessgeräte angeordnet sein, oder auch auf Strom empfindliche Schutzrelais, wie Bimetallauslöser oder Magnetauslöser, die Überstromzustände detektieren und bewerten können. Als Material für den Ringkern werden Werkstoffe mit möglichst hoher Permeabilitätszahl verwendet. Hierzu zählen beispielsweise Bleche oder Ringbandkerne aus Silicium-Eisenlegierungen oder Ringbandkerne aus nanokristallinen Legierungen, sowie hochpermeable Ferrite.
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Ein Summenstromwandler stellt eine Sonderform eines Stromwandlers dar, wie er beispielsweise in Fehlerstromschutzeinrichtungen verwendet wird. Eine Fehlerstromschutzeinrichtung, beispielsweise ein Fehlerstromschutzschalter (kurz: FI-Schalter) ist im Sinne der vorliegenden Erfindung als Strommesseinrichtung anzusehen. Fehlerstromschutzschalter werden beispielsweise eingesetzt, um Personen vor Gefahren zu schützen, die beim Berühren unter Spannung stehender Teile elektrischer Anlagen entstehen können. Differenzströme können auftreten, wenn beispielsweise über eine schadhafte Isolierung oder – im Falle einer Berührung – durch den menschlichen Körper ein Fehlerstrom gegen Erde fließt. Zur Erfassung eines derartigen Differenzstromes wird die Größe des Stromes in einer zu einem elektrischen Verbraucher hinführenden Leitung mit der Größe des Stromes in einer vom elektrischen Verbraucher zurückführenden Leitung mit Hilfe eines Summenstromwandlers verglichen. Dabei sind zwei oder mehr Primärleiter – zumeist Hin- und Rückleiter bzw. Außen- und Neutralleiter in einem Einphasenwechselstrom-Netz, oder alle drei Außenleiter sowie der Neutralleiter bei Dreiphasenwechselstrom – durch einen Stromwandler geführt. Gewandelt wird dann nur der Differenzstrom aus den beteiligten Primärleitern. Auf diese Weise können Fehlerströme rechtzeitig erkannt und abgeschaltet werden.
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Bei Montage derartiger Wandlersysteme, beispielsweise für eine Fehlerstromschutzeinrichtung, müssen die vergleichsweise dicken Primärleiter manuell durch den ringförmigen Magnetkern hindurch gefädelt werden. Gerade bei kompakten Schutz- oder Messeinrichtungen, welche nur über einen geringen Bauraum verfügen, ist eine derartige Montage vergleichsweise aufwändig und zwingend von Hand auszugeführen.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stromwandler sowie eine Strommesseinrichtung bereitzustellen, welche sich durch eine einfachere Montage auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird durch den Stromwandler sowie die Strommesseinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße Stromwandler für eine Fehlerstromschutzeinrichtung oder eine Strommesseinrichtung weist einen Magnetkern sowie ein Gehäuse, in dem der Magnetkern aufgenommen und gehaltert ist, auf. Weiterhin weist der Stromwandler zumindest einen Massivleiter auf, welcher durch den Magnetkern hindurchgeführt und relativ zum Gehäuse in einer vordefinierten Lage gehaltert ist. Der Massivleiter weist dabei ein erstes Ende sowie ein zweites Ende auf, welche mit ihnen jeweils zugeordneten Primärleiteranschlüssen der Fehlerstromschutzeinrichtung oder der Strommesseinrichtung verbindbar sind.
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Der Magnetkern, welcher in der Regel hohlzylinderförmig, ringförmig oder torusförmig ausgebildet ist, ist zur Durchführung mehrerer Primärleiter der Fehlerstromschutzeinrichtung oder der Strommesseinrichtung ausgebildet und wird zumeist als Ringbandkern bezeichnet. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Geräten müssen die Primärleiter der Fehlerstromschutz- oder Strommesseinrichtung aufwändig – weil manuell – durch diesen Magnetkern hindurchgefädelt werden. Durch die Verwendung eines Massivleiters, der zusammen mit dem Magnetkern bereits zu einer Stromwandler-Baugruppe, d.h. zu einer baulichen Einheit, vormontiert ist, wird die Montage der Primärleiter deutlich vereinfacht, da diese nun nicht mehr manuell durch den Magnetkern des Stromwandlers hindurchgeführt werden müssen, sondern einfach und komfortabel mit dem ersten und/oder zweiten Ende des Massivleiters, welcher als starres Bauelement ausgebildet sein kann, verbunden werden können. Dies wäre sogar automatisiert oder teilautomatisiert durchführbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Stromwandlers ist der zumindest eine Massivleiter als Blechbiegeteil ausgebildet. Die Gestaltung des Massivleiters als Blechbiegeteil stellt ein kostengünstiges Herstellverfahren dar, welches gleichzeitig eine ausreichende Flexibilität hinsichtlich der konstruktiven Formgebung des Massivleiters aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Stromwandlers ist das Gehäuse als Spritzgussgehäuse ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Massivleiter an das Gehäuse angespritzt ist. Isolierstoffgehäuse – wie das Gehäuse des Magnetkerns – werden, insbesondere bei großen Stückzahlen, zumeist im Kunststoff-Spritzguss-Verfahren hergestellt. Indem der zumindest eine Massivleiter an das Gehäuse angespritzt wird, wird bereits in diesem Fertigungsschritt eine bauliche Einheit des Massivleiters mit dem Gehäuse gebildet. Ein zusätzlicher Montageschritt ist nicht mehr erforderlich, was sich vorteilhaft auf die Herstellkosten auswirkt. Der Massivleiter ist dabei lediglich teilweise von der Spritzgussmasse umgeben, da zumindest das erste Ende und das zweite Ende nicht umspritzt werden sollten.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Stromwandlers ist das erste Ende und/oder das zweite Ende des zumindest einen Massivleiters als Flachsteckzunge ausgebildet. Die Flachsteckzunge dient der Kontaktierung mit den Primärleitern. Diese weisen hierzu an ihren jeweiligen Enden einen Kabelschuh auf, welcher beispielsweise durch Crimpen an dem jeweiligen Ende des Primärleiters befestigt wird. Kabelschuh und Flachsteckzunge bilden dann eine sogenannte FESTON-Steckverbindung. Durch die Gestaltung des ersten und/oder zweiten Endes als Flachsteckzunge ist eine einfache und kostengünstige, elektro-mechanische Verbindung mit dem Primärleiter realisierbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Stromwandler zumindest ein Befestigungsmittel zur mechanischen und/oder elektrischen Verbindung des Stromwandlers mit der Fehlerstromschutzeinrichtung oder der Strommesseinrichtung auf. Mit Hilfe des Befestigungsmittels wird eine schnelle und einfache Befestigung des Stromwandlers an der Fehlerstromschutzeinrichtung oder der Strommesseinrichtung ermöglicht. In der Regel erfolgt die Montage an einer bereits vorhandenen Leiterplatte, welche die elektrische Schaltung der Fehlerstromschutzeinrichtung bzw. der Strommesseinrichtung beinhaltet.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Stromwandlers ist das Befestigungsmittel als Rasthaken ausgebildet. Die Verwendung eines oder mehrerer Rasthaken stellt eine einfache, kostengünstige und sichere Lösung zur Befestigung des Stromwandlers dar. Der Rasthaken ist dabei mit dem Gehäuse verbunden, um mit einer an der Fehlerstromschutzeinrichtung oder der Strommesseinrichtung ausgebildeten Öffnung eine (mechanische) Rastverbindung zu bilden. Unter den Begriff „verbunden“ ist dabei auch einstückig verbunden zu verstehen, d.h. der Rasthaken kann beispielsweise auch an das Gehäuse angeformt, z.B. angespritzt sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Stromwandlers ist das Befestigungsmittel als Kontaktstelle zur elektrischen Verbindung des Stromwandlers mit einer Leiterplatte der Fehlerstromschutzeinrichtung oder der Strommesseinrichtung ausgebildet. Auf diese Weise ist zusätzlich zur mechanischen Verbindung auch eine elektrisch leitend Verbindung zwischen dem Massivleiter und einem zur Kontaktstelle korrespondierenden Bereich der Fehlerstromschutzeinrichtung bzw. der Strommesseinrichtung, beispielsweise der Leiterplatte, realisierbar. Beispielsweise kann der Massivleiter entsprechend eines SMT-Bauteils auf die Leiterplatte bestückt und anschließend mittels Reflow-Löten mit dieser unter Ausbildung einer Kontaktstelle sowohl mechanisch als auch elektrisch leitend verbunden werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Stromwandlers ist die Kontaktstelle am ersten und/oder am zweiten Ende des Massivleiters angeordnet und zum Einstecken in eine an der Leiterplatte ausgebildete Kontaktöffnung ausgebildet. Auf diese Weise kann eine Montage des Massivleiters mittels Einpressen in entsprechend ausgebildete Kontaktelemente oder auch mittels Durchsteck-Montage – der sogenannten THT- oder PIH-Montage. erfolgen. Als THT-(„through hole technology“) bzw. PIH-(„pin in hole“)Montage wird in der Verbindungstechnik eine Montagetechnik bezeichnet, bei der bedrahtete elektronische Bauelemente mit ihren Drahtanschlüssen in in der Leiterplatte ausgebildete Kontaktlöcher gesteckt und anschließend durch Löten (beispielsweise durch Wellenlöten) mit den Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden werden. Einsteckmontage und Durchsteckmontage stellen weitere Alternativen zur Montage des Stromwandlers dar.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Stromwandlers ist die Kontaktstelle zur Ausbildung einer Lötverbindung mit der Leiterplatte ausgebildet. Das Löten stellt eine erprobte und zuverlässige Verbindungstechnik zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen elektrischer Bauteile auf einer Leiterplatte dar.
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Der erfindungsgemäße Strommesseinrichtung zur Erfassung eines Summen- oder Differenzstroms, weist ein Gehäuse, mehrere Primärleiter, welche in dem Gehäuse angeordnet sind, eine Leiterplatte auf, welche ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet ist, auf. Weiterhin weist die Strommesseinrichtung einen Stromwandler der vorstehend beschriebenen Art auf, welcher auf der Leiterplatte montiert ist. Dabei ist jeder der Primärleiter mit einem ihm jeweils zugeordneten Ende des zumindest einen starren Massivleiters des Stromwandlers elektrisch leitend verbunden.
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Unter eine Strommesseinrichtung ist auch eine Fehlerstromschutzeinrichtung zu verstehen. Ebenso ist auch ein Fehlerstrom unter den Begriff „Summen- oder Differenzstrom“ zu subsummieren. Die erfindungsgemäße Strommesseinrichtung zeichnet sich durch eine deutlich reduzierten Montageaufwand gegenüber herkömmlichen Lösungen, bei denen die Primärleiter manuell durch den Stromwandler hindurchgefädelt werden müssen, aus. Hinsichtlich der weiteren Vorteile der erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung wird auf die vorstehend genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Stromwandlers verwiesen.
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Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele des Stromwandlers unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen schematisch:
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1A bis 1D ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromwandlers in mehreren Ansichten;
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2A und 2B ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromwandlers in mehreren Ansichten;
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3A bis 3C ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromwandlers in mehreren Ansichten;
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4A bis 4C ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromwandlers in mehreren Ansichten;
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
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In den 1A bis 1D ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromwandlers 1 in mehreren Ansichten schematisch dargestellt. 1A zeigt eine perspektivische Darstellung des Stromwandlers 1. Dieser weist ein Gehäuse 2 auf, in dem ein Magnetkern aufgenommen und gehaltert ist. Der Magnetkern, welcher auch als Ringbandkern bezeichnet wird, besteht aus einem magnetischen Material und ist ring- bzw. torusförmig ausgebildet. Das Gehäuse 2, welches vorliegend als zweiteiliges Gehäuse ausgebildet ist, umschließt den Magnetkern vollständig und schützt ihn somit vor äußerer Einwirkung. Das Gehäuse 2 ist ebenfalls ring- bzw. torusförmig ausgebildet. Zur Durchführung eines oder mehrerer Primärleiter weist das Gehäuse 2 eine Öffnung auf, welche mittels kreuzweise verlaufender Stege 8 in vier Bereiche unterteilt ist. In jedem dieser vier Bereiche ist jeweils ein Massivleiter 3 durch die Öffnung hindurchgeführt, wobei die Stege 8 sowohl der Befestigung als auch der Isolierung der einzelnen Massivleiter 3 gegeneinander dienen. Es ist ebenso möglich, die Massivleiter 3 über die Stege 8 an eines der beiden Teile des Gehäuses 2 anzuspritzen und auf diese Weise sowohl eine Befestigung als auch eine Isolierung der einzelnen Massivleiter 3 zu realisieren.
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1B zeigt einen einzelnen Massivleiter 3 in perspektivischer Ansicht. Der Massivleiter 3 besteht aus einem länglichen Grundkörper, welcher ein erstes Ende 3-1 sowie ein zweites Ende 3-2 aufweist. Im Bereich des ersten Endes 3-1 sowie des zweiten Endes 3-2 ist jeweils eine Kontaktstelle 6 zur elektrischen Kontaktierung des Massivleiters 3 ausgebildet.
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In den 1C und 1D ist der Stromwandler 1 auf einer Leiterplatte 10 montiert dargestellt. Die Leiterplatte 10 weist hierzu eine Aussparung 11 auf, in die der Stromwandler 1 bis ungefähr zur Hälfte eintaucht, wobei zwei der vier Massivleiter 3 an einer Oberseite, die beiden anderen Massivleiter 3 hingegen an einer Unterseite der Leiterplatte 10 angeordnet sind. Mit Hilfe der Kontaktstellen 6 sind die Massivleiter 3 unter Ausbildung einer Lötverbindung 7 sowohl mechanisch als auch elektrisch leitend mit der Leiterplatte verbunden.
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In den 2A und 2B ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromwandlers 1 in mehreren Ansichten schematisch dargestellt. 2A zeigt dabei eine perspektivische, zu 1A korrespondierende Darstellung des Stromwandlers 1. Im Unterschied zu dem in den 1A bis 1D dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind die erste Enden 3-1 sowie die zweiten Enden 3-2 der Massivleiter 3 jedoch als Flachsteckzungen 4 ausgebildet. Hierbei sind das erste Ende 3-1 und das zweite Ende 3-2 annähernd rechtwinklig zu einer Längserstreckungsrichtung des Grundkörpers des Massivleiters 3 abgewinkelt und hinsichtlich ihrer Form und Dimension als Flachsteckzunge 4 ausgebildet, auf die ein herkömmlicher Kabelschuh (nicht dargestellt) aufsteckbar ist. Sind die Enden der Primärleiter einer Fehlerstromschutzeinrichtung bzw. einer Strommesseinrichtung mit derartigen Kabelschuhen versehen, d.h. elektrisch leitend verbunden (beispielsweise mittels Crimpen), so kann durch Aufstecken der Kabelschuhe auf die ihnen jeweils eindeutig zugeordnete Flachsteckzunge 4 auf einfache Art und Weise eine elektrisch leitende Verbindung des Massivleiters 3 mit dem ihm jeweils zugeordneten Primärleiter realisiert werden. Das aufwändige Durchfädeln der einzelnen Primärleiter durch den Magnetkern bzw. Ringbandkern des Stromwandlers ist damit nicht mehr erforderlich.
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2B zeigt eine zu 1C korrespondierende, perspektivische Darstellung des Stromwandlers 1 in montiertem Zustand auf der Leiterplatte 10. Der Stromwandler 1 ist dabei in die Aussparung 11 der Leiterplatte 10 aufgenommen. Über die im Bereich der ersten Enden 3-1 sowie der zweiten Enden 3-2 ausgebildeten Kontaktbereiche 6 der Massivleiter 3 ist der Stromwandler 1 mittels mehrerer Lötverbindungen 7 an der Leiterplatte 10 fixierbar. Diese Lötverbindungen 7 dienen im vorliegenden Fall jedoch lediglich als Befestigungsmittel zur mechanischen Fixierung des Stromwandlers 1 an der Leiterplatte 10, nicht aber zur elektrischen Kontaktierung der Massivleiter 3. Diese erfolgt in diesem Ausführungsbeispiels über die als Flachsteckzungen 4 ausgebildeten Enden 3-1 und 3-2 der Massivleiter 3.
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In den 3A bis 3C ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromwandlers 1 in mehreren Ansichten schematisch dargestellt. Die Massivleiter 3 weisen eine bügel- oder u-förmige Gestalt auf, wobei jeweils ein Schenkel der u-förmigen Massivleiter 3 an eine Außenseite, der andere Schenkel an der Innenseite des Gehäuses 2 entlang geführt ist. Vorteilhafter Weise können die u-förmigen Massivleiter 3 auch an das Gehäuse 2 angespritzt sein, wobei die ersten Enden 3-1 sowie die zweiten Enden 3-2 nicht umspritzt sein sollten, um eine einfache elektrische Kontaktierung der Massivleiter 3 zu ermöglichen. Im Unterschied zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen ist der Stromwandler 1 im vorliegend beschriebenen, dritten Ausführungsbeispiel liegend auf der Leiterplatte 10 montiert. Hierzu weist das Gehäuse 2 mehrere Rasthaken 5 auf, welche in entsprechende, an der Leiterplatte 10 ausgebildete Rastöffnungen eingreifen, um dort unter Ausbindung einer Rastverbindung zu verrasten. Die ersten und zweiten Enden 3-1 bzw. 3-2 der Massivleiter 3 werden in an der Leiterplatte 10 ausgebildete Kontaktöffnungen eingesteckt, um anschließend mittels Löten mit den Leiterbahnen der Leiterplatte 10 elektrisch leitend verbunden zu werden.
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In den 4A bis 4C ist ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromwandlers 1 in mehreren Ansichten schematisch dargestellt. In diesem Fall erfolgt die Montage stehend auf der Leiterplatte 10, wobei die ersten Enden 3-1 sowie die zweiten Enden 3-2 wiederum in an der Leiterplatte 10 ausgebildete Kontaktöffnungen eingesteckt werden, um anschließend mittels Löten elektrisch leitend mit den Leiterbahnen der Leiterplatte 10 verbunden zu werden. Die Massivleiter 3 sind wiederum über das Gehäuse 2 gehaltert und werden vorteilhafter Weise bereits bei der Herstellung des Gehäuses 2 an dieses angespritzt.
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Die Wahl der Art der Montage des Stromwandlers 1 an der Leiterplatte 10, ob liegend, stehend oder in die Aufnahme 11 eingeschoben, hängt dabei im Wesentlichen von den vorherrschenden Platzverhältnissen im Inneren der Fehlerstromschutzeinrichtung oder der Strommesseinrichtung ab. Darüber hinaus können für die Wahl der Montageart auch die Art und Weise der mechanischen Befestigung sowie der elektrischen Kontaktierung des Stromwandlers 1 auf bzw. mit der Leiterplatte 10 ausschlaggebend sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromwandler
- 2
- Gehäuse
- 3
- Massivleiter
- 3-1
- erstes Ende
- 3-2
- zweites Ende
- 4
- Flachsteckzunge
- 5
- Rasthaken
- 6
- Kontaktstelle
- 7
- Lötverbindung
- 8
- Steg
- 10
- Leiterplatte
- 11
- Aussparung
