DE102020206527A1 - Projektionsverteilung von Magnetfeldsensoren zur Messung eines magnetischen Feldes eines Leiters eines elektrischen Stroms - Google Patents

Abstract

Projektionsverteilung von Magnetfeldsensoren zur Messung eines magnetischen Feldes eines Leiters eines elektrischen StromsDie Erfindung gibt eine Vorrichtung (8) zur Messung eines magnetischen Feldes eines Leiters (1) eines elektrischen Stroms an. Die Vorrichtung weist mindestens drei Magnetfeldsensoren (2) auf, wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren (2) auf einem Umfang einer Ellipse (4) angeordnet sind, wobei die Ellipse (4) kein Kreis ist, wobei die Ellipse (4) durch Parallelprojektion oder Orthogonalprojektion eines Kreises definierbar ist, wobei mindestens drei erste Positionen auf einem Umfang des Kreises äquidistant angeordnet sind, wobei die mindestens drei ersten Positionen durch die Parallelprojektion oder die Orthogonalprojektion auf mindestens drei zweite Positionen auf der Ellipse (4) hervorgehen, wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren (2) auf den mindestens drei zweiten Positionen angeordnet sind.

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines magnetischen Feldes eines Leiters eines elektrischen Stroms, eine zugehörige Stromstärkeermittlungseinheit und ein zugehöriges Verfahren zum Ermitteln der elektrischen Stromstärke in dem elektrischen Leiter.
• Beschreibung des Stands der Technik
• Zur Messung von elektrischen Strömen in elektrischen Leitern werden aktuell Shunt-Widerstände, Ringkernwandler, insbesondere Kompensationsstromwandler, Rogowskispulen oder einzelnen Feldsonden, insbesondere Hallsonde oder GMR-Sensor, verwendet. Zur Messung des elektrischen Stroms ohne Flusskonzentrator durch Magnetfeldsensoren ist prinzipiell sowohl ein „open-“ als auch ein „closed-loop“ Betrieb einzelner Magnetfeld-sensoren möglich. Erste Wandler, die ohne Flusskonzentrator arbeiten, sind vor allem für Rundleiter gedacht. Die aktuellen Messverfahren haben den Nachteil einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Leitergeometrien mit rechteckigem Quer-schnitt und unterschiedlichen Breiten des Leiters.
• Leiter mit rechteckigem Querschnitt und teilweise sehr ausgeprägten Aspektverhältnissen kommen in der Praxis sehr häufig vor. Es sind bereits Anordnungen bekannt, bei denen mit mehreren Feldsonden das Magnetfeld um einen Leiter gemessen wird und durch Verrechnung der Einzelsignale versucht wird, die Fremdfeldempfindlichkeit zu reduzieren (z.B. EP2437072 oder DE102009054892 ). Häufig wurde dabei davon ausgegangen, dass das Magnetfeld des Einzelleiters zylindersymmetrisch zur Längsachse des Einzelleiters ist. Diese Voraussetzung ist jedoch nur bei einer zylindersymmetrischen Geometrie des Leiters oder in relativ großem Abstand vom Leiter erfüllt.
• In vielen technischen Anlagen weicht vor allem bei Leitern, welche größere Ströme führen sollen, die Geometrie des Leiters stark von einer zylindrischen Form ab. Bei Stromschienen in Umrichtern kommen z.B. häufig Flachleiter mit rechteckigem Querschnitt zum Einsatz, da diese Leiterform zum einen bei gleicher Querschnittsfläche einen geringeren Induktivitätsbelag und deshalb eine geringere Impedanz aufweist und zum anderen - bedingt durch die größere Oberfläche - einen geringeren Wärmeübergangswiderstand an die Umgebung ermöglicht. Zudem ist eine kosteneffiziente Fertigung des Flachleiters durch Stanzen und Biegen aus einem flachen Halbzeug möglich. Die Materialstärke ist durch das Halbzeug vorgegeben und wird durch die maximale Leistung der eingesetzten Stanz- und Biegemaschinen begrenzt. Die unterschiedlichen Querschnitte zur Erreichung der nötigen Stromtragfähigkeiten werden über die Breite der gefertigten Schiene eingestellt.
• Die Form des Flachleiters führt zu einer Verteilung des magnetischen Feldes, welche von der Zylindersymmetrie abweicht und erfordert einen Stromwandler mit relativ großer Bauform, wenn der Stromwandler kreisförmig realisiert wird.
• Da in unterschiedlichen Umrichtern unterschiedlich breite Stromschienen zum Einsatz kommen, ist eine Sensoranordnung, die den Strom unabhängig von der Leiterbreite richtig misst, besonders vorteilhaft. Aufgrund der Fertigungstoleranzen bei den Magnetfeldsensoren und den Toleranzen bei weiteren elektronischen Bauteilen ist immer ein Abgleich der Stromsensoren z.B. am Ende der Fertigung notwendig. Wenn für den Abgleich ein Leiter mit einer vom Leiter am Einsatzort abweichenden Geometrie verwendet werden kann, ist das von großem Vorteil, weil ein Abgleich, der nur für spezielle Stromschienenformen „gültig“ ist, mit großen logistischen Nachteilen verbunden ist, insbesondere durch eine stromschienenspezifischen Lagerhaltung. Dazu ist jedoch eine Sensoranordnung notwendig, die eine von der Form des Leiters weitgehend unabhängige Messung des elektrischen Stromes ermöglicht.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine alternative Lösung zur Messung von elektrischen Strömen in elektrischen Leitern anzugeben.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ausgestaltungen, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines magnetischen Feldes eines Leiters eines elektrischen Stroms, auch als elektrischer Leiter bezeichenbar, aufweisend mindestens drei Magnetfeldsensoren, wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren auf einem Umfang einer Ellipse angeordnet sind, wobei die Ellipse kein Kreis ist, wobei die Ellipse durch eine Parallelprojektion oder eine Orthogonalprojektion eines Kreises definierbar ist, wobei mindestens drei erste Positionen auf einem Umfang des Kreises äquidistant angeordnet sind, wobei die mindestens drei ersten Positionen durch die Parallelprojektion oder die Orthogonalprojektion auf mindestens drei zweite Positionen auf der Ellipse hervorgehen, wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren auf den mindestens drei zweiten Positionen angeordnet sind.
• Die Parallelprojektion ist eine alternative zur Orthogonalprojektion. Im Folgenden wird die Variante der genauer ausgeführt.
• Der Umfang des Kreises ist dabei eine virtuelle oder gedachte Form. Äquidistant angeordnet bedeutet, dass die mindestens drei ersten Positionen entlang des Umfangs des Kreises in gleichen Abständen verteilt, d.h. gleichmäßig beabstandet, sind. So sind auch Winkel von Geraden vom Mittepunkt des Kreises zu den mindestens drei ersten Positionen gleich groß. Das bedeutet, dass die mindestens drei ersten Positionen umfangsgleichverteilt sind und zwischen den mindestens drei erste Positionen Umfangsabschnitte gleicher Länge liegen.
• Für die Orthogonalprojektion wird ein y-Abstand in einem x-y-Koordinatensystem zum Mittelpunkt des Kreises mit einem Aspektverhältnis multipliziert, wobei das Aspektverhältnis durch die längsten Halbachse der Ellipse, auch als lange Halbachse der Ellipse bezeichenbar, geteilt durch die kürzeste Halbachse der Ellipse, auch als kurze Halbachse der Ellipse bezeichenbar, gegeben ist.
• Für diese projizierte Anordnung werden die mindestens drei Magnetfeldsensoren, im Folgenden auch als die Magnetfeldsensoren bezeichnet, mit ihrem jeweiligen Umfangssegment gewichtet. Dafür werden die Umfangssegmente zwischen den Magnetfeldsensoren numerisch berechnet.
• Die mindestens drei zweiten Positionen liegen auf der Ellipse mittig auf jeweils einem Umfangssegment der Ellipse. Die jeweiligen Start- bzw. Endpunkte (x_Si bzw. y_Si) der Umfangssegmente lassen sich durch die folgenden Gleichungen bestimmen: $${\text{x}}_{\text{Si}}=\text{a}\cdot \text{cos}\left(\text{i}\cdot \frac{{360}^{\circ }}{\text{N}}+\frac{{360}^{\circ }}{\text{2N}}\right)$$

  

  $${\text{y}}_{\text{Si}}=\text{b}\cdot \text{sin}\left(\text{i}\cdot \frac{{360}^{\circ }}{\text{N}}+\frac{{360}^{\circ }}{\text{2N}}\right)$$

  

  $$\text{i}=0\dots \text{N}-1\in {\mathbb{N}}_0$$

  

  $$\text{b}=\text{a}\cdot \text{cos}\left(\mathrm{\gamma }\right)$$

  

  a und b sind dabei die Halbachsen der Ellipse, N ist die Anzahl der Magnetfeldsensoren bzw. der zweiten Positionen. Dabei entspricht die Ebene, die durch die längste Kante des Querschnittes des Leiters des elektrischen Stroms, insbesondere Flachleiter, und seine Längsachse definiert ist, der Hauptsymmetrieebene der Ellipse.
• Als Alternative zur Orthogonalprojektion kann der Übergang von dem Kreis zu der Ellipse auch durch eine Stauchung und/oder Streckung des Kreises in die Form der Ellipse erfolgen. Wie für die Orthogonalprojektion beschrieben, würden die Magnetfeldsensoren winkelgleichverteilt auf dem Kreis angeordnet werden und anschließend würde der Kreis durch Stauchung und/oder Streckung in die Form einer Ellipse gebracht werden. Jeder Position eines der Magnetfeldsensoren wird dadurch eine Position auf der Ellipse zugeordnet.
• Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, den Stand der Technik dahingehend zu verbessern, eine verbesserte Anordnung der Magnetfeldsensoren zur Messung eines magnetischen Feldes eines Leiters eines elektrischen Stroms zu wählen.
• Eine von einer kreisförmigen und/oder zylindersymmetrische Anordnung der Magnetfeldsensoren abweichende flache, elliptische Bauform spart Platz und ermöglicht gleichzeitig die einzelnen Magnetfeldsensoren gleichmäßiger aussteuern und so einen größeren Messbereich für das magnetischen Feldes und den elektrischen Strom, was vor allem bei Flachleitern von Vorteil ist.
• Eine elliptische Bauform, die für unterschiedliche Geometrien von Leitern geeignet ist und damit auch am Ende der Fertigung auf unterschiedlichen Stromschienen abgeglichen werden kann, ist außerdem aus technischer und logistischer Hinsicht besonders günstig.
• Die Vorrichtung ermöglicht eine Strommessung mit sehr geringer Abhängigkeit von einer Veränderung der Leitergeometrie. Außerdem ist eine kostengünstige und einfache Fertigung von Stromschienen durch eine Vermeidung von Schraubstellen und damit verbundenen Verlusten in den Stromschienen zum Einbringen eines zylindrischen Schienenabschnittes, insbesondere Wandlerdurchführung, möglich.
• Weitere Vorteile sind, dass die Vorrichtung auch für elektrische Leiter mir geringerer Impedanz und Leiter mit geringerer Selbsterwärmung bei gleichen Verlusten verwendet wer-den kann, ein einfacher Abgleich der Magnetfeldsensoren möglich ist, eine einfache Inbetriebnahme der Magnetfeldsensoren möglich ist und die Vorrichtung mit der Anordnung der Magnetfeldsensoren, d.h. den angeordneten Magnetfeldsensoren, für ein breites Gerätespektrum verwendet werden kann.
• In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kreis, durch wessen Projektion die zweiten Positionen hervorgehen, einen Durchmesser auf. Der Durchmesser trifft an zwei Kreispunkten auf den Kreis. Eine der mindestens drei ersten Positionen ist mit einem Achsenabstand zu einem der Kreispunkten angeordnet. Der Achsenabstand ist dabei als Winkel zwischen dem Durchmesser des Kreises und einer Geraden vom Mittelpunkt des Kreises zu der einen der mindestens drei ersten Positionen gemessen. Der Achsenabstand ist dahingehend optimiert, eine Abweichung eines Ergebnisses der Messung des magnetischen Feldes des Leiters des elektrischen Stroms von einem realen Wert des magnetischen Feldes des Leiters des elektrischen Stroms zu minimieren.
• Zusätzlich zu dem Achsenabstand der einen der mindestens drei ersten Positionen und somit auch von einer der mindestens drei zweiten Positionen und von einem der mindestens drei Magnetfeldsensoren haben die weiteren ersten Positionen der mindestens drei ersten Positionen weitere Achsenabstände, da die mindestens drei ersten Positionen äquidistant angeordnet sind.
• In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung weist der Kreis, durch wessen Projektion die zweiten Positionen hervorgehen, einen Durchmesser auf. Der Durchmesser trifft an zwei Kreispunkten auf den Kreis. Eine der mindestens drei ersten Positionen ist mit einem Achsenabstand zu einem der Kreispunkten angeordnet. Der Achsenabstand ist dabei als Winkel zwischen dem Durchmesser des Kreises und einer Geraden vom Mittelpunkt des Kreises zu der einen der mindestens drei ersten Positionen gemessen. Ein Positionsabstand ist durch 360 Grad geteilt durch eine Anzahl der mindestens drei ersten Positionen definiert. Das bedeutet, dass der Positionsabstand einen Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Positionen der mindestens drei ersten Positionen angibt.
• Der Achsenabstand ist erfindungsgemäß:
• - bei ungerader Anzahl (N) der mindestens drei Magnetfeldsensoren ein achter Teil des Positionsabstand und
• - bei gerader Anzahl (N) der mindestens drei Magnetfeldsensoren ein vierter Teil des Positionsabstand.
• Zusätzlich zu dem Achsenabstand der einen der mindestens drei ersten Positionen und somit auch von einer der mindestens drei zweiten Positionen und von einem der mindestens drei Magnetfeldsensoren haben die weiteren ersten Positionen der mindestens drei ersten Positionen weitere Achsenabstände, da die mindestens drei ersten Positionen äquidistant angeordnet sind.
• Die mindestens drei zweiten Positionen auf der Ellipse lassen sich durch die folgenden Gleichungen bestimmen: $${\text{x}}_{\text{i}}=\text{a}\cdot \text{cos}\left(\text{i}\cdot \frac{{360}^{\circ }}{\text{N}}+{\mathrm{\phi }}_0\right)$$

  

  $${\text{y}}_{\text{i}}=\text{b}\cdot \text{sin}\left(\text{i}\cdot \frac{{360}^{\circ }}{\text{N}}+{\mathrm{\phi }}_0\right)$$

  

  $$\text{i}=0\dots \text{N}-1\in {\mathbb{N}}_0$$

  

  $$\text{b}=\text{a}\cdot \text{cos}\left(\mathrm{\gamma }\right)$$

  
• Der Achsenabstand φ₀ ist der Winkel im Kreis vor der Projektion zwischen dem Durchmesser des Kreises und einer Geraden vom Mittelpunkt des Kreises zu der einen der mindestens drei ersten Positionen. Nach der Projektion der Ellipse tritt der Durchmesser des Kreises anstelle der längsten Halbachse der Ellipse. Der Achsenabstand φ₀ bestimmt somit den Abstand eines Magnetfeldsensors von dem Schnittpunkt des Durchmessers mit dem Kreisumfang.
• Der oben beschriebene Achsenabstand im Kreis sowie die weiteren Achsenabständen im Kreis können direkt durch Positionen der Ellipse durch Winkeln α_0-(N-1), auch als a_µ bezeichenbar (Winkel α₀ zwischen der längsten Halbachse der Ellipse und einer Geraden vom dem Mittelpunkt der Ellipse zu einer der mindestens drei zweiten Positionen/zu einem der mindestens drei Magnetfeldsensoren und weitere Winkel (α_1-(N-1) zwischen dem Durchmesser des Kreises und weiteren zweiten Positionen) durch die folgenden Gleichungen bestimmt und angegeben werden: $${\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{\mu }}=\text{arctan}\left(\frac{\text{b}}{\text{a}}\cdot \text{tan}\left(\frac{{360}^{\circ }\cdot \left(2\mathrm{\mu }+1\right)}{\text{4N}}\right)\right)\text{N gerade}\text{, }\mathrm{\mu }\in {\text{N}}_0$$

  

  $${\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{\mu }}=\text{arctan}\left(\frac{\text{b}}{\text{a}}\cdot \text{tan}\left(\frac{{360}^{\circ }\cdot \left(2\mathrm{\mu }+1\right)}{\text{8N}}\right)\right)\text{N ungerade}\text{, }\mathrm{\mu }\in {\text{N}}_0$$

  

  $$\mathrm{\mu }=0\dots \text{N}-1\in {\mathbb{N}}_0$$

  

  $$\text{b}=\text{a}\cdot \text{cos}\left(\mathrm{\gamma }\right)$$

  
• Winkel α₀ kann auch als Anfangswinkel bezeichnet werden, a und b sind die dabei Halbachsen der Ellipse, N ist die Anzahl der Magnetfeldsensoren bzw. der zweiten Positionen. Dabei entspricht die Ebene, die durch die längste Kante des Querschnittes des Leiters des elektrischen Stroms, insbesondere ein Flachleiter, und seine Längsachse definiert ist, der Hauptsymmetrieebene der Ellipse.
• Der oben beschriebene Achsenabstand im Kreis sowie die weiteren Achsenabständen im Kreis können außerdem direkt durch Positionen der Ellipse x_i und y_i in einem x-y-Koordinatensystem durch die folgenden Gleichungen bestimmt und angegeben werden:
• N gerade, µ G N₀ $${\text{x}}_{\text{i}}=\text{a}\cdot \text{cos}\left(\text{i}\cdot \frac{{360}^{\circ }}{\text{N}}+\frac{{360}^{\circ }\cdot \left(2\mathrm{\mu }+1\right)}{\text{4N}}\right)$$
  
  $${\text{y}}_{\text{i}}=\text{a}\cdot \text{sin}\left(\text{i}\cdot \frac{{360}^{\circ }}{\text{N}}+\frac{{360}^{\circ }\cdot \left(2\mathrm{\mu }+1\right)}{\text{4N}}\right)$$
  
• N ungerade, µ G N₀ $${\text{x}}_{\text{i}}=\text{a}\cdot \text{cos}\left(\text{i}\cdot \frac{{360}^{\circ }}{\text{N}}+\frac{{360}^{\circ }\cdot \left(2\mathrm{\mu }+1\right)}{\text{8N}}\right)$$
  
  $${\text{y}}_{\text{i}}=\text{a}\cdot \text{sin}\left(\text{i}\cdot \frac{{360}^{\circ }}{\text{N}}+\frac{{360}^{\circ }\cdot \left(2\mathrm{\mu }+1\right)}{\text{8N}}\right)$$
  
• mit jeweils: $$\text{i}=0\dots \text{N}-1\in {\mathbb{N}}_0$$
  
  $$\text{b}=\text{a}\cdot \text{cos}\left(\mathrm{\gamma }\right)$$
  
  $$\mathrm{\mu }=0\dots \text{N}-1\in {\mathbb{N}}_0$$
  
• a und b sind die dabei Halbachsen der Ellipse, N ist die Anzahl der Magnetfeldsensoren bzw. der zweiten Positionen. Dabei entspricht die Ebene, die durch die längste Kante des Querschnittes des Leiters des elektrischen Stroms, insbesondere ein Flachleiter, und seine Längsachse definiert ist, der Hauptsymmetrieebene der Ellipse.
• Die angegebene Positionierung der Magnetfeldsensoren ist robust gegen die Veränderung der Leitergeometrie nach dem Abgleich, insbesondere am Ende der Fertigung, und damit universell einsetzbar ist.
• In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung weist die Ellipse eine kürzeste Halbachse und eine längste Halbachse auf. Die längste Halbachse überschreitet die vierfache Länge der kürzesten Halbachse nicht. Das hat den Vorteil, dass eine Abweichung eines Ergebnisses der Messung des magnetischen Feldes von einem realen Wert des magnetischen Feldes zu minimieren. Ein experimentelles Beispiel ist in der Figurenbeschreibung dargestellt.
• In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung weisen die mindestens drei Magnetfeldsensoren jeweils eine Sensitivitätsachse aufweisen. Die mindestens drei Magnetfeldsensoren sind für ein in Richtung der Sensitivitätsachse ausgerichtetes magnetisches Feld maximal sensitiv. Die Sensitivitätsachse ist erfindungsgemäß tangential zu der Ellipse ausgerichtet, auch als orientiert bezeichenbar. Das bedeutet, dass die Sensitivitätsachse parallel zu magnetischen Feldlinien des magnetischen Feldes verläuft. Das hat den Vorteil, dass die maximal sensitive Richtung einen maximalen Wert des magnetischen Feldes misst.
• In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung sind die mindestens drei Magnetfeldsensoren in ungerader Anzahl (N) vorhanden. Das hat den Vorteil, dass eine Abweichung eines Ergebnisses der Messung des magnetischen Feldes von einem realen Wert des magnetischen Feldes zu minimieren. Ein experimentelles Beispiel ist in der Figurenbeschreibung dargestellt.
• In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgebildet den Leiter des elektrischen Stroms zumindest teilweise zu umfassen. Das bedeutet, dass der Leiter innerhalb der Ellipse angeordnet ist.
• Die Erfindung umfasst außerdem eine Stromstärkeermittlungseinheit, auch als Ermittlungseinheit, Messeinheit oder Stromwandler bezeichenbar, zur Ermittlung einer elektrischen Stromstärke in einem Leiter eines elektrischen Stroms. Die Stromstärkeermittlungseinheit weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung und eine Datenverarbeitungseinheit auf, wobei die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet ist, die elektrische Stromstärke mit, das heißt durch Einbezug von, Messergebnissen einer magnetischen Feldstärke des magnetischen Feldes der mindestens drei Magnetfeldsensoren zu ermitteln.
• Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zum Ermitteln einer elektrischen Stromstärke in einem Leiter eines elektrischen Stroms durch eine erfindungsgemäße Stromstärkeermittlungseinheit. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
• - Platzieren des Leiters des elektrischen Stroms in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• - Ermitteln von Messergebnissen einer magnetischen Feldstärke des magnetischen Feldes durch die Vorrichtung,
• - Übertragen der Messergebnisse an die Datenverarbeitungseinheit und
• - Ermitteln der elektrischen Stromstärke in dem Leiter des elektrischen Stroms durch die Datenverarbeitungseinheit.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen ersichtlich.
• Figurenliste
• 1 Magnetfeldsensoren mit einem Achsenabstand zu dem Ellipsenscheitelpunkt angeordnet,
• 2 experimentell ermittelte Messfehler bei einer ungeraden und einer geraden Anzahl an Magnetfeldsensoren und
• 3 eine Stromstärkeermittlungseinheit zur Ermittlung einer elektrischen Stromstärke in einem Leiter eines elektrischen Stroms.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• 1 zeigt sieben Magnetfeldsensoren 2 (N = 7, dargestellt durch Punkte), die elliptisch mit einem Achsenabstand zu dem Ellipsenscheitelpunkt angeordnet sind. Die sieben Magnetfeldsensoren 2 sind um einen Leiter 1 eines elektrischen Stroms angeordnet.
• Die Skala des Koordinatensystems ist in beliebigen Einheiten gegeben. Das Halbachsenverhältnis der Ellipse ist 4:1 (längste Halbachse zu kürzeste Halbachse). Die Positionen der Magnetfeldsensoren 2 wurde durch ein Projektionsverfahren eines Kreises auf eine Ellipse bestimmt.
• Die Ellipse ist durch Orthogonalprojektion des Kreises definierbar, wobei mindestens drei erste Positionen auf einem Umfang des Kreises äquidistant angeordnet sind, wobei die mindestens drei ersten Positionen durch die Orthogonalprojektion auf mindestens drei zweite Positionen auf der Ellipse hervorgehen, wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren 2 auf den mindestens drei zweiten Positionen angeordnet sind.
• Es wurde ein optimaler Anfangswinkel φ₀ , auch als Achsabstand φ₀ berechenbar, bestimmt. Der Kreis, durch wessen Projektion die zweiten Positionen hervorgehen, weist einen Durchmesser auf. Der Durchmesser trifft an zwei Kreispunkten auf den Kreis. Eine der mindestens drei ersten Positionen ist mit einem Achsenabstand zu einem der Kreispunkten angeordnet. Der Achsenabstand ist dabei als Winkel φ₀ zwischen dem Durchmesser des Kreises und einer Geraden vom Mittelpunkt des Kreises zu der einen der mindestens drei ersten Positionen gemessen. Ein Positionsabstand ist durch 360 Grad geteilt durch eine Anzahl der mindestens drei ersten Positionen definiert. Das bedeutet, dass der Positionsabstand einen Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Positionen der mindestens drei ersten Positionen angibt. Der Positionsabstand bei sieben Magnetfeldsensoren 2 ist 360 Grad geteilt durch 7 gleich 51,4 Grad.
• Der Achsenabstand φ₀ ist erfindungsgemäß:
• - bei ungerader Anzahl (N) der mindestens drei Magnetfeldsensoren ein achter Teil des Positionsabstand und
• - bei gerader Anzahl (N) der mindestens drei Magnetfeldsensoren ein vierter Teil des Positionsabstand.
• Der Achsenabstand φ₀ ist der Winkel im Kreis vor der Projektion zwischen dem Durchmesser des Kreises und einer Geraden vom Mittelpunkt des Kreises zu der einen der mindestens drei ersten Positionen. Nach der Projektion der Ellipse tritt der Durchmesser des Kreises anstelle der längsten Halbachse der Ellipse. Der Achsenabstand φ₀ bestimmt somit den Abstand eines Magnetfeldsensors von dem Schnittpunkt des Durchmessers mit dem Kreisumfang.
• Der Achsenabstand φ₀ bei sieben Magnetfeldsensoren 2 ist 360 Grad geteilt durch 7*8 gleich 6,4 Grad. Dies entspricht einem Winkel α₀ von etwa 1,63° im x-y-Koordinatensystem der Ellipse.
• 2 zeigt experimentell ermittelte Messfehler F bei einer Kalibrierung mit einem linienförmigen Leiter bei einer ungeraden (N = 7, durchgezogener Graph) und einer geraden Anzahl (N = 8, gestrichelter Graph) an Magnetfeldsensoren in Abhängigkeit des Offset-Winkels φ₀ oder als Achsenabstands φ₀ bezeichenbar. Der Messfehler F, auch als relativer Sensitivitätsfehler F bezeichenbar, ist in Prozent % angegeben. Der relative Sensitivitätsfehler F ist für die Messung eines flachen Leiters mit 130 mm Breite und Umfangsgleichverteilung der Magnetfeldsensoren in Abhängigkeit des Offset-Winkels φ₀ oder als Achsenabstands φ₀ bezeichenbar, dargestellt. Der flache Leiter wurde für dieses Experiment durch 130 Einzelleiter approximiert, welche gleichmäßig nebeneinander angeordnet sind. Das Sensorarray in Form der Ellipse hat eine längste Halbachse von 80 mm und eine kürzeste Halbachse von 20 mm. Es ist in 2 zu erkennen, dass die maximalen relativen Sensitivitätsfehler F bei der Verwendung von sieben Magnetfeldsensoren (ungerade Anzahl) um ein Vielfaches kleiner sind als bei der Verwendung von 8 Magnetfeldsensoren (gerade Anzahl). Eine ungerade Anzahl an Magnetfeldsensoren ist von Vorteil. Eine Optimierung des Achsenabstandes φ₀ minimiert den relativen Sensitivitätsfehler F.
• 3 zeigt eine Stromstärkeermittlungseinheit 9 zur Ermittlung einer elektrischen Stromstärke in einem Leiter 1 eines elektrischen Stroms. Der Leiter hat die Breite B. Die Stromstärkeermittlungseinheit 9 weist eine Vorrichtung 8 und eine Datenverarbeitungseinheit 5 auf.
• Die Vorrichtung 8 ist zur Messung eines magnetischen Feldes eines Leiters 1 eines elektrischen Stroms ausgebildet. Die Vorrichtung 8 umfasst den Leiter 1 des elektrischen Stroms zumindest teilweise. Die Vorrichtung 8 weist sechs Magnetfeldsensoren 2 auf. Die sechs Magnetfeldsensoren sind auf einem Umfang einer Ellipse 4 angeordnet. Die Ellipse 4 ist kein Kreis. Die Positionen der Magnetfeldsensoren 2 wurde durch ein zuvor beschriebenes Projektionsverfahren eines Kreises auf die Ellipse 4 bestimmt.
• Die Ellipse ist durch Orthogonalprojektion des Kreises definierbar, wobei mindestens drei erste Positionen auf einem Umfang des Kreises äquidistant angeordnet sind, wobei die mindestens drei ersten Positionen durch die Orthogonalprojektion auf mindestens drei zweite Positionen auf der Ellipse hervorgehen, wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren 2 auf den mindestens drei zweiten Positionen angeordnet sind.
• Die Magnetfeldsensoren weisen jeweils eine Sensitivitätsachse 3 auf. Die Magnetfeldsensoren 2 sind für ein in Richtung der Sensitivitätsachse 3 ausgerichtetes magnetisches Feld maximal sensitiv. Die Sensitivitätsachse 3 ist tangential zu der Ellipse 4 ausgerichtet.
• Die Ellipse 4 weist eine längste Halbachse a auf. Die längste Halbachse a liegt auf der Hauptsymmetrieachse 7. Die längste Halbachse a trifft an einem Ellipsenscheitelpunkt 6 auf die Ellipse 4. Der Ellipsenscheitelpunkt 6 ist in 3 durch einen Stern gekennzeichnet. Einer der mindestens drei Magnetfeldsensoren 2 ist mit einem Achsenabstand α₀ entlang der Ellipse zu dem Ellipsenscheitelpunkt 6 angeordnet. Der Achsenabstand α₀ ist dabei als Innenwinkel der Ellipse 4 gemessen.
• Der Achsenabstand α₀ ist dahingehend optimiert, eine Abweichung eines Ergebnisses der Messung des magnetischen Feldes des Leiters 1 von einem realen Wert des magnetischen Feldes des Leiters 1 zu minimieren. Das kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass, wobei der Kreis, durch wessen Projektion die zweiten Positionen, an welchen die Magnetfeldsensoren angeordnet sind, hervorgehen, einen Durchmesser aufweist, wobei der Durchmesser an zwei Kreispunkten auf den Kreis trifft, wobei eine der mindestens drei ersten Positionen mit einem Achsenabstand φ₀ zu einem der Kreispunkten angeordnet ist, wobei ein Positionsabstand durch 360 Grad geteilt durch eine Anzahl der mindestens drei Magnetfeldsensoren definiert ist,
  der Achsenabstand φ₀ :
• - bei ungerader Anzahl (N) der mindestens drei Magnetfeldsensoren ein achter Teil des Positionsabstand ist und
• - bei gerader Anzahl (N) der mindestens drei Magnetfeldsensoren ein vierter Teil des Positionsabstand ist.
• Die Datenverarbeitungseinheit 5 ist ausgebildet, die elektrische Stromstärke mit Messergebnissen der sechs Magnetfeldsensoren 2 zu ermitteln. Die sechs Magnetfeldsensoren 2 können insbesondere eine magnetische Feldstärke des magnetischen Feldes messen.
• Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

1

Leiters eines elektrischen Stroms

2

Magnetfeldsensor

3

Sensitivitätsachse

4

Ellipse

5

Datenverarbeitungseinheit

6

Ellipsenscheitelpunkt

7

Hauptsymmetrieachse

8

Vorrichtung

9

Stromstärkeermittlungseinheit

a

längste Halbachse

α0

Achsenabstand in der Ellipse

φ0

Achsenabstand im Kreis

N

Anzahl der Magnetfeldsensoren 2

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 2437072 [0003]
• DE 102009054892 [0003]

Claims (9)

1. Vorrichtung (8) zur Messung eines magnetischen Feldes eines Leiters (1) eines elektrischen Stroms, aufweisend: mindestens drei Magnetfeldsensoren (2), wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren (2) auf einem Umfang einer Ellipse (4) angeordnet sind, wobei die Ellipse (4) kein Kreis ist, wobei die Ellipse (4) durch Parallelprojektion oder Orthogonalprojektion eines Kreises definierbar ist, wobei mindestens drei erste Positionen auf einem Umfang des Kreises äquidistant angeordnet sind, wobei die mindestens drei ersten Positionen durch die Parallelprojektion oder die Orthogonalprojektion auf mindestens drei zweite Positionen auf der Ellipse (4) hervorgehen, wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren (2) auf den mindestens drei zweiten Positionen angeordnet sind.
2. Vorrichtung (8) nach Anspruch 1, wobei der Kreis, durch wessen Projektion die zweiten Positionen hervorgehen, einen Durchmesser aufweist, wobei der Durchmesser an zwei Kreispunkten auf den Kreis trifft, wobei eine der mindestens drei ersten Positionen mit einem Achsenabstand zu einem der Kreispunkten angeordnet ist, wobei der Achsenabstand dahingehend optimiert ist, eine Abweichung eines Ergebnisses der Messung des magnetischen Feldes des Leiters (1) des elektrischen Stroms von einem realen Wert des magnetischen Feldes des Leiters (1) des elektrischen Stroms zu minimieren.
3. Vorrichtung (8) nach Anspruch 1, wobei der Kreis, durch wessen Projektion die mindestens drei zweiten Positionen hervorgehen, einen Durchmesser aufweist, wobei der Durchmesser an zwei Kreispunkten auf den Kreis trifft, wobei eine der mindestens drei ersten Positionen mit einem Achsenabstand (φ₀) zu einem der Kreispunkten angeordnet ist, wobei ein Positionsabstand durch 360 Grad geteilt durch eine Anzahl der mindestens drei Magnetfeldsensoren (2) definiert ist, wobei der Achsenabstand (φ₀): - bei ungerader Anzahl (N) der mindestens drei Magnetfeldsensoren (2) ein achter Teil des Positionsabstand ist und - bei gerader Anzahl (N) der mindestens drei Magnetfeldsensoren (2) ein vierter Teil des Positionsabstand ist.
4. Vorrichtung (8) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ellipse (4) eine kürzeste Halbachse und eine längste Halbachse (a) aufweist, wobei die längste Halbachse (a) die vierfache Länge der kürzesten Halbachse nicht überschreitet.
5. Vorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren (2) jeweils eine Sensitivitätsachse (3) aufweisen, wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren (2) für ein in Richtung der Sensitivitätsachse (3) ausgerichtetes magnetisches Feld maximal sensitiv sind, wobei die Sensitivitätsachse (3) tangential zu der Ellipse (4) ausgerichtet ist.
6. Vorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens drei Magnetfeldsensoren (3) in ungerader Anzahl (N) vorhanden sind.
7. Vorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet den Leiter (1) des elektrischen Stroms zumindest teilweise zu umfassen.
8. Stromstärkeermittlungseinheit (9) zur Ermittlung einer elektrischen Stromstärke in einem Leiter (1) eines elektrischen Stroms aufweisend: - eine Vorrichtung (8) nach einem der vorherigen Ansprüche und - eine Datenverarbeitungseinheit (5), wobei die Datenverarbeitungseinheit (5) ausgebildet ist, die elektrische Stromstärke mit Messergebnissen der mindestens drei Magnetfeldsensoren (3) zu ermitteln.
9. Verfahren zum Ermitteln einer elektrischen Stromstärke in einem Leiter (1) eines elektrischen Stroms durch eine Stromstärkeermittlungseinheit (9) nach Anspruch 8 mit den Schritten: - Platzieren des Leiters (1) des elektrischen Stroms in einer Vorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, - Ermitteln von Messergebnissen einer magnetischen Feldstärke des magnetischen Feldes durch die Vorrichtung (8), - Übertragen der Messergebnisse an die Datenverarbeitungseinheit (9) und - Ermitteln der elektrischen Stromstärke in dem Leiter (1) des elektrischen Stroms durch die Datenverarbeitungseinheit (5) .

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