DE102014119276A1

DE102014119276A1 - current sensor

Info

Publication number: DE102014119276A1
Application number: DE102014119276.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Albrecht
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Ein Stromsensor (10) mit einem Substrat (70), einer Führungsrille (15) zur Aufnahme des Leiters (20), wobei die Führungsrille (15) in dem Substrat (70) eingebracht ist, einem unteren, magnetischen Kern (30u), der in das Substrat (70) integriert ist, und einem Oberteil (80) mit einem oberen, magnetischen Kern (30o). Der untere, magnetische Kern (30u) und der obere, magnetische Kern (30o) bilden gemeinsam einen Ringkern (30) um eine Führung (15) und weisen einen Spalt (40) mit einem magnetischen Sensor (50) auf.A current sensor (10) having a substrate (70), a guide groove (15) for receiving the conductor (20), wherein the guide groove (15) is incorporated in the substrate (70), a lower magnetic core (30u) integrated into the substrate (70), and a top (80) having an upper magnetic core (30o). The lower magnetic core 30u and the upper magnetic core 30o together form a toroidal core 30 around a guide 15 and have a gap 40 with a magnetic sensor 50.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor.The invention relates to a current sensor.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Stromsensoren bekannt. Zum Beispiel offenbart das Europäische Patent Nr. EP 2 530 475 B1 (Melexis Technologies and Maglab GmbH) eine Vorrichtung zum Messen eines durch ein elektrisches Kabel fließenden Stroms, wobei das Kabel auf der Oberfläche einer Leiterplatte angeordnet ist. Ein Magnetfeldsensor mit einem ferromagnetischen Bauteil aus Blech ist auch auf die Oberfläche gelegt und reagiert auf ein Magnetfeld, welches von dem durch das elektrische Kabel fließenden Stroms erzeugt ist. From the prior art, a variety of current sensors is known. For example, European patent no. EP 2 530 475 B1 (Melexis Technologies and Maglab GmbH) a device for measuring a current flowing through an electrical cable, wherein the cable is arranged on the surface of a printed circuit board. A magnetic field sensor with a ferromagnetic sheet metal component is also placed on the surface and responds to a magnetic field generated by the current flowing through the electrical cable.

Aus der US Patentanmeldung Nr. US 2003/227285 ist ein Stromsensor bekannt, welcher einen Kern mit einem Luftspalt umfasst. Eine Leiterplatte mit einem darauf angeordneten Magnetfeldsensor ist in den Luftspalt eingesetzt. Das US Patent Nr. US 6,426,617 offenbart einen Stromsensor, der ebenfalls einen Kern mit einem Luftspalt umfasst, in dem ein Hall-Sensor angeordnet ist. Der Kern des Stromsensors ist mit Füßen ausgebildet, die in eine Leiterplatte gesteckt sind.From US patent application no. US 2003/227285 For example, a current sensor is known which comprises a core with an air gap. A printed circuit board with a magnetic field sensor arranged thereon is inserted into the air gap. US Pat. US 6,426,617 discloses a current sensor which also includes a core with an air gap in which a Hall sensor is disposed. The core of the current sensor is formed with feet that are plugged into a printed circuit board.

Aus dem US Patent Nr. US 7,411,382 B2 (Denso) ist ein Stromsensor bekannt, welcher einen ringförmigen, magnetischen Kern mit einem Luftspalt umfasst. Der Stromsensor hat eine zentrale Öffnung, durch die ein elektrisches Kabel mit fließendem Strom angeordnet ist. Ein Hall-Sensor ist in dem Luftspalt angeordnet. Der durch den Leiter fließende Strom produziert einen magnetischen Fluss in dem Kern mit einem magnetischen Feld in dem Luftspalt, das von dem Hall-Sensor erfasst wird. From US Pat. US 7,411,382 B2 (Denso) a current sensor is known, which comprises an annular, magnetic core with an air gap. The current sensor has a central opening through which an electrical cable with flowing current is arranged. A Hall sensor is arranged in the air gap. The current flowing through the conductor produces a magnetic flux in the core with a magnetic field in the air gap detected by the Hall sensor.

Ebenfalls ist aus dem japanischen Patent Nr. JP 5435825 B2 (Japan Aviation) ein Stromsensor bekannt, welcher den durch einen Leiter umfließenden Strom misst. Also, from Japanese Patent No. JP 5435825 B2 (Japan Aviation) a current sensor is known which measures the current flowing through a conductor current.

Das US Patent Nr. 6,544,078 (Midtronics) offenbart eine Zwinge mit einem Hall-Sensor zur Erfassung von Strömen in einem elektrischen Leiter.The U.S. Patent No. 6,544,078 (Midtronics) discloses a ferrule with a Hall sensor for detecting currents in an electrical conductor.

Die bisherigen bekannten Stromsensoren offenbaren allerdings keine Lösung, bei der der fließende Strom durch mehrere Leiter gleichzeitig und unabhängig voneinander erfasst und gegebenenfalls gemessen wird. Darüber hinaus sind die bekannten Lösungen weder in einem Stecker noch in einem Substrat voll integriert und benötigen deswegen zusätzlichen Platz auf der Oberfläche bzw. neben dem Stecker.The previously known current sensors, however, do not disclose a solution in which the flowing current is detected by several conductors simultaneously and independently of each other and optionally measured. In addition, the known solutions are fully integrated neither in a plug nor in a substrate and therefore require additional space on the surface or next to the plug.

Dieses Dokument lehrt einen Stromsensor mit einem Substrat und einem Oberteil. Das Substrat und/oder das Oberteil enthält eine Mehrzahl von Führungen, welche in dem Substrat bzw. in dem Oberteil eingebracht sind und stromführende Leiter aufnehmen können. Das Substrat hat einen unteren, magnetischen Kern, welcher in das Substrat integriert ist, und das Oberteil hat einen dazu passenden oberen, magnetischen Kern. Der untere, magnetische Kern und der obere, magnetische Kern bilden gemeinsam einen Ringkern mit einem Spalt um eine der Führungen. Ein magnetischer Sensor ist in dem Spalt eingebracht, um fließenden Strom in Leitern in den Führungen zu erfassen.This document teaches a current sensor with a substrate and a top. The substrate and / or the upper part contains a plurality of guides, which are incorporated in the substrate or in the upper part and can receive current-carrying conductors. The substrate has a lower magnetic core integrated into the substrate, and the upper has a mating upper magnetic core. The lower magnetic core and the upper magnetic core together form a toroidal core with a gap around one of the guides. A magnetic sensor is placed in the gap to detect flowing current in conductors in the guides.

In einem Aspekt der Erfindung ist der magnetische Sensor ein magnetempfindliches Bauelement z.B. Hall-Sensor. Die in den Führungen angeordneten Leiter können durch einen Steckstift durch das Substrat bzw. Oberteil kontaktiert werden. Der magnetische Sensor ist mit einem Rechenwerk verbunden, welcher die Signale aus dem magnetischen Sensor verarbeitet und Meldungen über den Stromfluss in den Leitern über einen Bus weitergibt. In one aspect of the invention, the magnetic sensor is a magnetosensitive device, e.g. Hall sensor. The conductors arranged in the guides can be contacted by a plug pin through the substrate or upper part. The magnetic sensor is connected to an arithmetic unit, which processes the signals from the magnetic sensor and passes messages about the current flow in the conductors via a bus.

Diese Vorrichtung ermöglicht die Integration von einer unbegrenzten Vielzahl von Stromsensoren 10 in Steckverbindern für Zuleitungen an ein Steuer- oder Sensorgerät, welches an einen Bus angeschlossen, also an diesen gebunden ist. Unter anderem kann der Stromsensor eine Kontaktschließung der jeweiligen Leiter überprüfen bzw. eine Diagnose von Fehlern in den Leitern durchführen. Das Fehlen eines magnetischen Felds in dem Ringkern um einen der Leiter zeigt zum Beispiel, dass kein Strom in dem jeweiligen Leiter fließt. Sollte der gemessene Strom in dem Leiter wesentlich geringer als erwartet sein, deutet dieses einen erhöhten Kontaktwiderstand an.This device allows the integration of an unlimited variety of current sensors 10 in connectors for supply lines to a control or sensor device which is connected to a bus, that is bound to this. Among other things, the current sensor can check a contact closure of the respective conductors or carry out a diagnosis of faults in the conductors. The absence of a magnetic field in the toroid around one of the conductors, for example, indicates that no current is flowing in the respective conductor. Should the measured current in the conductor be much lower than expected, this indicates an increased contact resistance.

Die Vorrichtung kann auch verwendet werden, um die elektrische Leistung zu messen. Der Strom in den elektrischen Leitern wird durch die magnetischen Sensoren gemessen. Die Spannung in den jeweiligen Leitern wird durch einen Kontaktstift abgegriffen und die elektrische Leistung aus der Differenz in den Spannungswerten auf den jeweiligen Leitern und den erfassten Stromwerten berechnet. The device can also be used to measure the electrical power. The current in the electrical conductors is measured by the magnetic sensors. The voltage in the respective conductors is tapped by a contact pin and the electrical power is calculated from the difference in the voltage values on the respective conductors and the detected current values.

Die Vorrichtung ermöglicht somit eine Selbstdiagnose vermittels des fließenden Stroms in einem Stecker.The device thus enables self-diagnosis by means of the flowing current in a plug.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nun an Hand einer Ausführungsform und Zeichnungen näher erläutert. For a better understanding, the invention will now be explained in more detail with reference to an embodiment and drawings.

Es zeigenShow it

1 mehrere Stromsensoren mit offenen Hälften. 1 several current sensors with open halves.

2 die zusammengebauten Stromsensoren 2 the assembled current sensors

3 zeigt den Ablauf eines Verfahrens zur Messung von elektrischer Leistung. 3 shows the sequence of a method for measuring electrical power.

1 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung 5 mit einer Vielzahl von Stromsensoren 10. In der dargestellten Ausführungsform sind drei Stromsensoren 10 vorhanden, wobei diese Anzahl nicht einschränkend für die Erfindung anzusehen ist. Die Anordnung 5 hat ein Oberteil 80 und ein Substrat 70. Das Substrat 70 und das Oberteil 80 sind zum Beispiel aus einem Polymer wie z.B. Polybutylenterephthalat (PBT) hergestellt. Das Oberteil 80 bzw. das Substrat 70 sind aneinander angepasst und haben sowohl Führungselemente 90 als auch passende Führungsnuten 95 zur Aufnahme der Führungselemente 90. Ein Verschluss z. B. ein Schnapper hält das Substrat 70 und das Oberteil 80 zusammen und ist aus einem Vorsprung 91 an dem Führungselement 90 und eine entsprechende Aussparung 96 gebildet. 1 shows an embodiment of an arrangement 5 with a variety of current sensors 10 , In the illustrated embodiment, there are three current sensors 10 present, this number is not to be considered limiting for the invention. The order 5 has a shell 80 and a substrate 70 , The substrate 70 and the top 80 are made of, for example, a polymer such as polybutylene terephthalate (PBT). The top 80 or the substrate 70 are adapted to each other and have both guide elements 90 as well as matching guide grooves 95 for receiving the guide elements 90 , A closure z. B. a snapper holds the substrate 70 and the top 80 together and is out of a lead 91 on the guide element 90 and a corresponding recess 96 educated.

Das Substrat 70 hat eine Vielzahl von oberen Führungsrillen 15u, die in seiner Oberfläche geformt sind. Das Oberteil 80 hat auch eine entsprechende Vielzahl von unteren Führungsrillen 15o, die in der unteren Fläche 85 geformt sind. Beim Zusammenbringen des Oberteils 80 auf dem Substrat 70 (vgl. 2) bilden die unteren Führungsrillen 15u und die oberen Führungsrillen 15o gemeinsame Führungen 15, welche stromfließende Leiter 20 aufnehmen können. Die stromfließenden Leiter 20 sind z.B. Zuleitungen für Steuerungs- oder Sensorgeräte in einem Kraftwagen.The substrate 70 has a variety of upper guide grooves 15u which are shaped in its surface. The top 80 also has a corresponding plurality of lower guide grooves 15o in the lower area 85 are shaped. When matching the shell 80 on the substrate 70 (see. 2 ) form the lower guide grooves 15u and the upper guide grooves 15o joint tours 15 , which current flowing conductor 20 be able to record. The current-flowing conductors 20 are eg supply lines for control or sensor devices in a motor vehicle.

Das Oberteil 80 hat zumindest eine Aussparung in der unteren Fläche 85, welche jeweils zumindest einen oberen, magnetischen Halbkern 30o aufnimmt. Die Aussparungen sind um die oberen Führungsrillen 15o angeordnet. Das Substrat 70 hat auch zumindest eine ähnliche Aussparung in seiner Oberfläche 75, welche einen passenden unteren, magnetischen Halbkern 30u aufnimmt. Diese Aussparungen sind um die unteren Führungsrillen 15u angeordnet. Beim Zusammenbauen des Oberteils 80 und des Substrats 70 werden Ringkerne 30 aus den oberen, magnetischen Halbkernen 30o und den unteren, magnetischen Halbkernen 30u gebildet, wobei einer der Ringkerne 30 auch die gemeinsame Führung 15 mit dem stromfließenden Leiter 20 beinahe komplett umschließt, wie aus 2 zu erkennen ist. Das Zusammenwirken der Führungselemente 90 und der Führungsnuten 95 stellt sicher, dass die magnetischen Kreise in den Ringkernen 30 gut geschlossen sind. Die jeweilige Schnittfläche der oberen magnetischen Kerne 30o und der unteren magnetischen Kerne 30u stehen sich dadurch genau gegenüber.The top 80 has at least one recess in the lower surface 85 , which each have at least one upper, magnetic half-core 30o receives. The recesses are around the upper guide grooves 15o arranged. The substrate 70 also has at least one similar recess in its surface 75 which has a matching lower, magnetic half-core 30u receives. These recesses are around the lower guide grooves 15u arranged. When assembling the shell 80 and the substrate 70 become ring cores 30 from the upper, magnetic half-cores 30o and the lower, magnetic half-cores 30u formed, wherein one of the ring cores 30 also the common leadership 15 with the current-flowing conductor 20 almost completely encloses how out 2 can be seen. The interaction of the guide elements 90 and the guide grooves 95 Make sure the magnetic circles in the ring cores 30 are well closed. The respective sectional area of the upper magnetic cores 30o and the lower magnetic cores 30u are thus exactly opposite.

Die unteren magnetische Kerne 30u weisen im Gegensatz zu den oberen magnetischen Kernen 30o einen Spalt 40 auf. In dem Spalt 40 ist ein jeweiliger magnetischer Sensor 50 eingebracht, welcher den magnetischen Fluss in dem Ringkern 30 erfassen kann, Der magnetische Fluss in dem Ringkern 30 wird durch den Strom in den Leitern 20 erzeugt. Der Ringkern 30 konzentriert den magnetischen Fluss von dem jeweiligen Leiter 20 in seinem Kern, damit der magnetische Fluss weitgehend durch den magnetischen Sensor 50 fließt. Das magnetische Feld von einem Leiter 20 ist auch dadurch weitgehend von dem magnetischen Feld eines benachbarten Leiters 20 getrennt oder separiert.The lower magnetic cores 30u show in contrast to the upper magnetic cores 30o a gap 40 on. In the gap 40 is a respective magnetic sensor 50 introduced, which the magnetic flux in the toroidal core 30 can capture, the magnetic flux in the toroidal core 30 gets through the electricity in the ladders 20 generated. The toroid 30 concentrates the magnetic flux from the respective conductor 20 at its core, allowing the magnetic flux largely through the magnetic sensor 50 flows. The magnetic field of a conductor 20 is also largely by the magnetic field of an adjacent conductor 20 separated or separated.

Der magnetische Sensor 50 ist ein magnetfeldempfindliches Bauelement, z.B. ein Hall-Sensor, welcher über Leitungen 55 durch das Substrat 70 mit einem Rechenwerk 60 verbunden ist. Der Rechenwerk 60 kann somit den fließenden Strom durch den Leiter 20 erfassen und seine Stärke messen. Das Rechenwerk 60 ist selbst an ein nicht dargestelltes Steuerungsgerät über einen Bus verbunden. Das Rechenwerk 60 ist ein Mikroprozessor, eine ASIC-Schaltung oder ein externer Rechner.The magnetic sensor 50 is a magnetic field sensitive device, such as a Hall sensor, which via lines 55 through the substrate 70 with an arithmetic unit 60 connected is. The calculator 60 Thus, the flowing current through the conductor 20 capture and measure its strength. The calculator 60 is itself connected to an unillustrated control device via a bus. The calculator 60 is a microprocessor, an ASIC circuit or an external computer.

Durch die Ringkerne 30 um die einzelnen Leiter 20 werden dann weitgehend nur die magnetischen Felder aus den Leitern 20 erfasst. Das Rechenwerk 60 kann etwaige Korrekturfaktoren aufgrund von Störfeldern berechnen und korrigierte Werte für den fließenden Strom in den Leitern 20 ermitteln. Das Rechenwerk 60 kann anzeigen, durch welche der Leiter 20 einen Strom fließt und damit die Zuverlässigkeit des Kontakts in einem Stecker prüfen.Through the ring cores 30 around the individual ladder 20 then largely only the magnetic fields from the conductors 20 detected. The calculator 60 can calculate any correction factors due to noise fields and corrected values for the flowing current in the conductors 20 determine. The calculator 60 can indicate through which the conductor 20 a current flows and thus check the reliability of the contact in a plug.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden Steckstifte 25 durch das Substrat 70 durchgesteckt um die Leiter 20 zu kontaktieren. Die Steckstifte 25 könnten auch durch das Oberteil 80 den Leiter 20 kontaktieren. Diese Steckstifte 25 messen die an den jeweiligen Leitern 20 anliegende Spannung und können auch mit dem gleichen Rechenwerk 60 oder mit einem anderen Messgerät verbunden werden. In einem Aspekt der Erfindung wird die Differenzspannung zwischen den einzelnen Leitern 20 durch Abgreifen und Messung der jeweiligen Spannungen auf den einzelnen Leitern 20 gebildet/erfasst. Somit kann die elektrische Leistung die über die Leiter 20 übertragen wird berechnet werden.In a further aspect of the invention are pins 25 through the substrate 70 pinned around the ladder 20 to contact. The pins 25 could also be through the top 80 the leader 20 to contact. These pins 25 measure the at the respective ladders 20 voltage and can also work with the same calculator 60 or connected to another meter. In one aspect of the invention, the difference voltage between the individual conductors 20 by picking up and measuring the respective voltages on the individual conductors 20 formed / detected. Thus, the electrical power over the conductors 20 will be charged.

3 zeigt den Ablauf eines Verfahrens zur Messung der elektrischen Leistung. In einem ersten Schritt 310 wird der Strom in den relevanten Leitern 20 durch den magnetischen Sensor 50 gemessen und die gemessenen Stromwerte an das Rechenwerk 60 weitergeleitet. Im folgenden Schritt 320 wird die Spannung in den relevanten Leitern 20 z.B. durch die Kontaktstifte 25 abgegriffen und die abgegriffenen Spannungswerte an das Rechenwerk 60 weitergegeben. Aus den abgegriffenen Spannungswerten wird eine Differenzspannung im Schritt 330 zwischen zumindest zwei Leitern 20 berechnet und im Schritt 340 kann die elektrische Leistung aus der Differenzspannung und den gemessenen Stromwerten in den Leitern 20 berechnet werden. 3 shows the sequence of a method for measuring the electrical power. In a first step 310 becomes the current in the relevant conductors 20 through the magnetic sensor 50 measured and the measured current values to the calculator 60 forwarded. In the following step 320 will the tension in the relevant ladders 20 eg by the contact pins 25 tapped and the tapped voltage values to the calculator 60 passed. From the tapped voltage values, a differential voltage in step 330 between at least two ladders 20 calculated and in step 340 can the electric power from the Differential voltage and the measured current values in the conductors 20 be calculated.

Die Anordnung und das Verfahren können zur Überprüfung und zur Fehlerdiagnose der elektrischen Leiter 20 verwendet werden.The arrangement and method can be used for checking and fault diagnosis of the electrical conductors 20 be used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

55: Anordnung arrangement
1010: Stromsensor current sensor
1515: Führung / Führungsrille Guide / guide groove
2020: Leiter ladder
2525: Steckstift male Pins
3030: Ringkern toroidal
30o30o: oberer magnetischer Kern upper magnetic core
30u30u: unterer magnetischer Kern lower magnetic core
4040: Spalt gap
5050: Sensor sensor
5555: Leitungen cables
6060: Rechenwerk calculator
7070: Substrat substratum
7575: Oberfläche surface
8080: Oberteil top
8585: Untere Fläche Lower surface
9090: Führungselemente guide elements
9191: Vorsprung head Start
9595: Führungsnuten guide
9696: Aussparung recess

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2530475 B1 [0002]
US 2003/227285 [0003]
US 6426617 [0003]
US 7411382 B2 [0004]
JP 5435825 B2 [0005]
US 6544078 [0006]

Claims

Current sensor ( 10 ) with: a substrate ( 70 ); - a guide groove ( 15 ) for receiving a conductor ( 20 ); A lower magnetic core ( 30u ), which is in the substrate ( 70 ) is integrated; - a top ( 80 ) with an upper, magnetic core ( 30o ), the lower, magnetic core ( 30u ) and the upper magnetic core ( 30o ) together a ring core ( 30 ) around the guide groove ( 15 ) and a gap ( 40 ) exhibit; and a magnetic sensor ( 50 ) in the gap ( 40 ) is arranged.

Current sensor ( 10 ) according to claim 1, wherein the magnetic sensor ( 50 ) is a Hall sensor.

Current sensor ( 10 ) according to claim 1, wherein the guide groove ( 15 ) of at least one lower guide groove ( 15u ) in the substrate ( 70 ) or an upper guide groove ( 15o ) in the top ( 80 ) is formed.

Current sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims with at least one guide element ( 90 ) at the top ( 80 ) or the substrate ( 70 ) and at least one opposite guide groove ( 95 ) on the other of the upper part ( 80 ) or the substrate ( 70 ).

Current sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims with a closure ( 91 . 96 ) for holding the upper part ( 80 ) and the substrate ( 70 ).

Current sensor ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the substrate ( 70 ) and / or the top ( 80 ) is made of a polymer.

Current sensor ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the conductor ( 20 ) by means of a plug pin ( 25 ) through the substrate ( 70 ) or by the upper part ( 80 ) is contactable.

Current sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, further comprising guide elements ( 90 ).

Current sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, further comprising an arithmetic unit ( 60 ) connected to the magnetic sensor ( 50 ) connected is.

Arrangement with two current sensors ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which a differential voltage between individual conductors 20 by picking up the voltage values on the conductors ( 20 ) is measured.

Arrangement according to claim 10, wherein the current sensors have a common substrate and / or a common upper part.

Method for measuring electrical power comprising: - measuring ( 310 ) of the current in at least one of a plurality of electrical conductors ( 20 ) by a current sensor ( 10 ) according to any one of claims 1 to 7; - Measure up ( 320 ) of the voltages in the at least one of the plurality of electrical conductors ( 20 ); - To calculate ( 330 ) of the electrical power in the at least one of the plurality of electrical conductors ( 20 ) in an arithmetic unit ( 60 ).

The method of claim 11, wherein measuring ( 320 ) the voltage through pierced pins ( 25 ) he follows.

Use of one or more current sensors / current sensors ( 10 ) according to any one of claims 1-9 in a connector for fault diagnosis.