專利名稱：電流傳感器、電流測量模塊以及用于電流測量的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電流傳感器，其具有導體以及位于所述導體旁邊的兩個磁場傳 感器。
背景技術：
已經(jīng)公開了具有作為磁場傳感器的霍爾元件的各種類型的電流傳感器。一種 具有用于增強磁場傳感器的位置處的磁場的磁通壓縮器的電流傳感器通常使用單個磁場 傳感器，所述單個磁場傳感器被設置在磁通壓縮器的空隙中。這種類型的缺點在于大的 結構尺寸和大的部件重量。部件尺寸例如阻礙了將傳感器集成到基于塑模的功率模塊 中。其他的缺點是磁滯效應，所述磁滯效應在對磁通壓縮器起作用的場強例如由于位于 傳感器的測量范圍外的電流以及強的干擾場而超過最大值時出現(xiàn)。另一類型的電流傳感 器具有一個或多個直接位于導體旁邊的一維磁場傳感器。這種傳感器類型適合于集成到 基于塑模的模塊中，但不可以補償干擾場。這種類型的具有兩個相對于導體對稱地設置 成差分布置的磁場傳感器的變型方案可以消除均勻的干擾場。然而，不均勻的磁場產(chǎn)生 使可實現(xiàn)的準確性顯著下降的干擾影響并且這種解決方案不適合對測量準確性具有高要 求——例如2%總誤差的應用。例如在US 2006284613中描述了這種傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
與之相反，根據(jù)本發(fā)明的、具有導體以及位于導體旁邊的兩個至少二維的磁場 傳感器的電流傳感器具有以下優(yōu)點傳感器可以消除不均勻的干擾場并且盡管如此仍可 置于基于塑模的模塊中。磁場傳感器可被構造為一個元件或者由多個一維的元件組成。本發(fā)明基于以下考慮可以假設不均勻的干擾場在兩個彼此鄰近的空間位置處 在不同的空間方向上分別具有相同的場強比。另一考慮是，由于流過電流的導體而引起 的有效場(Nutzfeld)的場力線同心地圍繞所述導體延伸，因此在傳感器的位置處，有效 場在空間中的方向是已知的，并且根據(jù)與導體的距離有效場的場強的數(shù)值的比也是已知 的。這些磁場傳感器不必為此相對于導體對稱地位于兩側，也不必位于導體的不同側。 然而，借助容易理解的特殊情形來解釋本發(fā)明，其中，這些磁場傳感器相對于導體對稱 地設置在兩側。即在這些磁場傳感器的位置處有效場強以相同的數(shù)值和相反的符號位于 相同的空間方向上。由這些傳感器測得的測量場在有效場的空間方向上由這里稱為測試 場(Priiffeld)的總和組成，所述總和由有效場和有效場方向上的干擾場分量構成?；?此幾何形狀來定義測試場的方向。在垂直于有效場方向的平面中，測量場等于干擾場， 因為這里有效場等于0。根據(jù)本發(fā)明，可以因此使用由傳感器測得的測量場的矢量分解， 以便確定干擾場在垂直于有效場的空間方向上的不均勻性?，F(xiàn)在對于有效場的空間方向 也假定所述不均勻性并且將所述不均勻性傳遞到測試場。隨后，由此在考慮有效場的特 性——在兩個傳感器的位置處數(shù)值相等、方向相反——的情況下計算有效場和有效場方 向上的干擾場分量。最后由有效場計算出導體中的電流強度。
這些考慮原則上適用于三維空間，而與磁場傳感器相對于導體的定向無關，因 為所測得的三維矢量的分解能夠將參考系旋轉成對齊測試場的參考系。即，旋轉成這樣 的系統(tǒng)，在所述系統(tǒng)中第一檢測方向在由于在導體中流動的電流而引起的磁場的場力線 的方向上并且第二檢測方向在與所述場力線垂直的平面中。優(yōu)選的配置是傳感器被如 此布置，使得在兩個傳感器的位置處有效場強具有相同的數(shù)值并且位于相同的方向上。 這一方面是如下配置在示例中所述的相對于導體對稱地位于兩側的傳感器在相同的空 間方向上具有相反的有效場方向。另一方面，優(yōu)選的配置為這些傳感器位于相對于導 體的平行線上，即實際上位于導體的同一側并且與導體的距離相同，使得在兩個傳感器 的位置處有效場強具有相同的數(shù)值并且同向地位于相同的空間方向上?？梢砸愿叩挠?算耗費考慮其他配置。此外，也可以使用其他的傳感器。在實際應用中，磁場傳感器的定向優(yōu)選在測試場方向上，使得這些傳感器的測 量方向與由于在導體中流動的電流而引起的場強的場力線的方向上的第一檢測方向一致。在簡單的情形中，如果確信存在干擾場在第二檢測方向上的分量，則可以借助 二維的磁場傳感器，即具有兩個獨立的測量方向的磁場傳感器來實施本發(fā)明，其方式 是，第二檢測方向在很大程度上任意地位于垂直于第一檢測方向的平面中。優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器中，兩個三維的磁場傳感器，即具有三個 獨立的測量方向的磁場傳感器布置在導體旁邊，其中，第三檢測方向垂直于第一和第二 檢測方向。因此，關于干擾場的知識不再是必需的，因為在任何情形中均檢測到垂直于 第一檢測方向的平面中的分量。三維的磁場傳感器允許干擾場的矢量分解并且由此允許 干擾場在有效方向上起作用的部分的計算。所述部分可以通過計算進行補償。因此，可 以以高的準確性確定由流過電流的導體產(chǎn)生的磁場并且由此確定流過導體的電流強度。 此外，在已知潛在干擾源的情況下可以借助三維的磁場檢測來識別主要的引發(fā)因素。磁場傳感器優(yōu)選是霍爾元件、AMR (Anisotropic Magnetoresistance 各向異 性磁阻)傳感器、GMR (Giant Magnetoresistance 巨磁阻)傳感器、TMR (Tunneling Magnetoresistance 隧道磁阻)傳感器或者磁通門傳感器。在本發(fā)明的一個優(yōu)選構型中，通過集成的分析單元消除干擾場，所述分析單元 借助磁場傳感器的測量值來確定由于在導體中流動的電流而引起的磁場的場力線的方向 上的測試場以及垂直于由于在導體中流動的電流而引起的磁場的場力線的方向上的干擾 場，并且由測試場和干擾場來確定導體中的電流。 根據(jù)本發(fā)明的具有根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的電流測量模塊包含磁場傳感器和 分析單元在包圍導體的殼體中的布置。根據(jù)本發(fā)明的借助用于測量導體中的電流的電流傳感器進行電流測量的方法具 有以下方法步驟，所述電流傳感器具有位于導體旁邊的兩個至少二維的磁場傳感器a.借助磁場傳感器的測量值來檢測測量場；b.確定由于在導體中流動的電流而引起的磁場的場力線的方向上的測試場的場 強；C.確定干擾場在垂直于由于在導體中流動的電流而引起的磁場的場力線的方向 上的分量的場強；
d.由干擾場的分量的被確定的場強來檢測干擾場的不均勻性；e.由測試場的場強和干擾場的不均勻性來確定由于在導體中流動的電流而引起 的有效場；f.由有效場來確定導體中的電流。在一個優(yōu)選的根據(jù)本發(fā)明的方法中，優(yōu)選使磁場傳感器如此定向，使得測量方 向與由于在導體中流動的電流而引起的磁場的場力線的方向一致。在一個有利的優(yōu)選的根據(jù)本發(fā)明的用于借助具有兩個三維的磁場傳感器的電流 傳感器進行電流測量的方法中，確定干擾場在垂直于由于在導體中流動的電流而引起的 磁場的場力線的平面中的場強。優(yōu)選在所述平面內(nèi)在干擾場的最大場強的方向上進行干 擾場的檢測。


根據(jù)附圖來說明本發(fā)明的實施例，其中圖1以橫截面圖示出不均勻的磁場中的根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的示意圖；圖2作為集成解決方案示出根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器模塊的示意圖；圖3作為獨立模塊示出根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器模塊示意圖；以及圖4示出根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1以二維的橫截面圖示出了不均勻的干擾磁場S中的根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器 10。干擾場S的方向由箭頭示出，場的強度由這些箭頭的密度示出，這里場的場強在圖 中從右向左增大。根據(jù)本發(fā)明，干擾場的這種不均勻性在電流測量時被補償。在橫截面 圖中示出的流過電流的導體11產(chǎn)生由環(huán)形的場力線12示出的有效磁場N。在電流流過的 導體11旁邊，第一磁場傳感器13和第二磁場傳感器14布置成是相對于導體11對稱的。 在附圖中，環(huán)形的場力線12基本上垂直地穿過這兩個磁場傳感器13、14。使磁場傳感器 13、14如此定向，使得所述穿過的方向同時也是磁場傳感器的測量方向。在圓16、16a 中放大地示出了磁場傳感器13、14周圍的截面15、15a,以便表示在第一磁場傳感器13 的位置處疊加的磁場的具有索引1的矢量分解以及在第二磁場傳感器14的位置處疊加的 磁場的具有索引2的矢量分解。Bl和B2是所測得的、具有在傳感器13、14的兩個測量 方向上的分量Blx和Bly以及B&和B2y的磁場矢量。表示分量B&的箭頭17指向為 分解而選擇的坐標系的χ方向，而表示分量B2y的箭頭18指向為分解而選擇的坐標系的 y方向。這里已按照磁場傳感器13、14的定向如此選擇了所述坐標系，使得有效場N的 場力線12在+χ方向上穿過磁場傳感器14并且在-χ方向上穿過磁場傳感器13。通過磁 場傳感器的所述定向，分量Blx、B&的測量方向與以上所述的第一檢測方向重合。而y 方向在磁場傳感器13、14的第二測量方向上延伸通過磁場傳感器13、14的連接線。在 y方向上，在兩個磁場傳感器13、14處不存在有效場并且測量場分量Bly和B2y與干擾 場分量Sly和S2y—致。在χ方向上，在第二磁場傳感器14處，測量場分量Β&是由 干擾場分量S&和待確定的有效場Ν2構成的矢量加法。ζ方向平行于導體，但未示出。 關于磁場，ζ方向等于y方向，因為這里同樣在傳感器的位置處存在干擾場分量但不存在有效場分量。不僅在具有二維的磁場傳感器的構型中而且在具有三維的磁場傳感器的構 型中，所示的χ方向和y方向是電流傳感器的優(yōu)選定向。以簡化的二維情形說明干擾場的補償，如其在圖1中作為優(yōu)選實施方式示出的 那樣。相對于一般情形的簡化在于，已經(jīng)使磁場傳感器13、14如此定向，使得在這些傳 感器的位置處有效場僅僅在χ方向上不等于0并且因此測試場P的方向與χ方向一致而且 可以省去坐標變換。在χ方向上由磁場傳感器13、14測得的場強Blx和B&包含這里 稱為測試場PI、P2的疊加，所述疊加由有效場Ni、N2和干擾場的χ分量Six、S&構 成。在此需基于圓形的有效場的由箭頭19、20表示的方向考慮在這兩個傳感器的位置 處數(shù)值相等的有效場強的相反符號。在y方向上由磁場傳感器13、14測得的場強Bly、 B2y僅僅包含干擾場的y分量。在磁場傳感器13、14彼此之間的距離較小的情況下，可 以假設不均勻的干擾場在χ方向上具有與所測得的場強在y軸方向上的場強比相同的場強 比——這里稱為不均勻比(Inhomogenitatsverhaltnis)JP Slx/S& = Sly/S2y。由此， 可以借助關于有效場N的數(shù)值和符號的知識，即|N| = |N1| = |N2|和Nl = _N2，確定磁 場傳感器13、14中的每一個處干擾場在χ方向上的場強Slx和S&并且由此確定有效場 Nl或N2的場強以及最后確定導體中流動的電流強度。在二維情形中，y方向由于磁場 傳感器的定向與以上所述的第二檢測方向重合。對于本領域技術人員而言，可以擴展到具有三維的磁場傳感器的情形。在ζ方 向上增加第三測量方向?？梢栽趛_z平面內(nèi)以一定的自由度選擇第二檢測方向的位置， 只要干擾場強大到足以確定不均勻比。然而，檢測方向的最佳選擇是y-ζ平面中通過矢 量加法確定的方向，這個方向是兩個磁場傳感器13、14的最大測得的干擾場矢量所在的 方向。由此實現(xiàn)最大的準確性。在圖2中作為集成解決方案示出了根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器模塊22。模塊22固 定在導體23上。這里為霍爾傳感器24、25的磁場傳感器與觸頭26連接并且設置在這里 為印刷電路板的載體27上(未示出連接端子)。模塊22被配置用于固定在導體23上并 且在已固定的狀態(tài)中示出。觸頭26可從外部觸及。此集成解決方案適用于具有可觸及 的導體區(qū)段的配置。圖3作為獨立模塊示出了根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器模塊30。與導體31鄰接地設 置磁場傳感器，這里為霍爾傳感器32、33?；魻杺鞲衅?2、33與分析單元34連接，所 述分析單元34又與觸頭35連接。導體由對置的連接端子36、37和位于連接端子36、 37之間的逐漸變細的區(qū)段38組成。霍爾傳感器32和33、電路板導體的逐漸變細的區(qū)段 38、分析單元34和觸頭35嵌入到塑料殼體39中，其中，觸頭35是引出的。集成的分 析單元34借助磁場傳感器的測量值確定由于在導體中流動的電流而引起的磁場的場力線 的方向上的測試場以及與所述場力線垂直的方向上的干擾場并且由測試場和干擾場確定 導體中的電流。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。借助用于測量導體中的電流的電流傳感 器進行電流測量的方法具有以下方法步驟，所述電流傳感器具有位于導體旁邊的兩個至 少二維的磁場傳感器，其中，涉及圖1中所示的場a.借助磁場傳感器的測量值來檢測測量場B ；b.確定在傳感器的位置處在由于在導體中流動的電流而引起的磁場N的場力線的方向上的測試場P的場強；例如，在圖1中，在第二磁場傳感器14處，N2在+X方向 上，在第一傳感器處，Nl在-χ方向上，由此P在χ方向上，干擾場S與有效場N的疊 加僅僅在χ方向上起作用，與χ方向垂直Nly =Nlz = N2y = N2z = 0 ；C.確定干擾場S在傳感器的位置處在垂直于由于在導體中流動的電流而引起的磁 場N的場力線的方向上的分量Sly、S2y的場強；d.由干擾場的分量Sly、S2y的被確定的場強來檢測干擾場的不均勻性；這里通 過不均勻比Sly/S2y來確定所述不均勻性；e.借助于關系 Pl = Nl+Slx，P2 = N2+S2x，Slx/S2x = Sly/S2y 和 Nl = _N2
由測試場P的場強和干擾場S的不均勻性確定由于在導體中流動的電流而引起的有效場 N；f.由有效場確定導體中的電流。在用于電流測量的方法的一個優(yōu)選實施方式中，使磁場傳感器如此定向，使得 測量方向與由于在導體中流動的電流而引起的磁場的場力線的方向一致。已經(jīng)結合圖1 中的電流傳感器對方法的這種實施方式進行了說明。在借助具有兩個三維的磁場傳感器的電流傳感器進行電流測量的方法的另一優(yōu) 選實施方式中，確定干擾場在垂直于由于在導體中流動的電流而引起的磁場的場力線的 平面中的場強并且檢測平面內(nèi)最大干擾場場強的方向上干擾場的不均勻性。由此實現(xiàn)最 大的準確性。
權利要求
1.用于測量一導體(11，23，31)中的電流的電流傳感器(10;22； 30)，具有位于所 述導體旁邊的兩個磁場傳感器(13，14； 24，25； 32，33)，其特征在于，所述磁場傳感 器是具有兩個測量方向(18，17)的至少二維的磁場傳感器。
2.根據(jù)權利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述磁場傳感器的一第一測量方 向(18)在由于在所述導體(11)中流動的電流而引起的磁場(Ni，N2)的場力線(12)的 方向上并且一第二測量方向(17)垂直于由于在所述導體(11)中流動的電流而引起的磁場 (Ni，N2)的場力線(12)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的電流傳感器，其特征在于，所述電流傳感器具有二維的 磁場傳感器。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的電流傳感器，其特征在于，所述電流傳感器(10;22； 30)具有三維的磁場傳感器(13，14 ； 24，25 ； 32，33)。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的電流傳感器，其特征在于，所述磁場傳感器 (13，14; 24; 25; 32，33)被布置在相對于所述導體對稱的兩側。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的電流傳感器，其特征在于，所述磁場傳感器 (13，14; 24，25; 32，33)是由霍爾元件、AMR傳感器、GMR傳感器或磁通門傳感器 組成的組中的傳感器。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的電流傳感器，其特征在于一集成的分析單元 (34)，所述集成的分析單元(34)借助所述磁場傳感器的測量值來確定由于在所述導體中 流過的電流而引起的磁場(N2)的場力線(12)的方向上的測試場(P)以及在垂直于由于在 所述導體中流過的電流而引起的磁場的場力線的方向(S2y)上的干擾場(S)，并且所述集 成的分析單元(34)由測試場和干擾場(S)來確定所述導體中的電流。
8.具有一根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的電流傳感器的電流測量模塊，其特征在 于所述磁場傳感器(32，33)和所述分析單元(34)在一圍繞所述導體(31)的殼體(39)中 的布置。
9.具有一根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的電流傳感器的電流測量模塊，其特征在 于，所述布置具有設置在一載體(27)上的所述電流傳感器的元件并且被配置用于在所述 導體(23)上的固定。
10.借助一用于測量一導體中的電流的電流傳感器進行電流測量的方法，所述電流傳 感器具有位于所述導體旁邊的兩個至少二維的磁場傳感器，其特征在于以下方法步驟a.借助所述磁場傳感器的測量值來檢測一測量場(B)；b.確定由于在所述導體中流動的電流而引起的磁場(N)的場力線的方向上的一測試 場(P)的場強；c.確定一干擾場(S)在垂直于由于在所述導體中流動的電流而引起的磁場(N)的場力 線的方向上的分量(Sly，S2y)的場強；d.由一干擾場(S)的被確定的分量(Sly，S2y)的場強來檢測所述干擾場(S)的不均 勻性；e.由所述測試場(P)的場強和所述干擾場(S)的不均勻性來確定有效場(N)；f.由所述有效場(N)來確定所述導體中的電流。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，使所述磁場傳感器如此定向，使得測量方向(Blx，B&的方向)與由于在所述導體中流動的電流而引起的磁場(方向Ni， N2)的場力線的方向一致。
12.根據(jù)權利要求11所述的借助具有兩個三維的磁場傳感器的電流傳感器進行電流測 量的方法，其特征在于，確定所述干擾場在一垂直于由于在所述導體中流動的電流而引 起的磁場的場力線(χ方向)的平面(y_z)中的場強。
13.根據(jù)權利要求12所述的借助具有兩個三維的磁場傳感器的電流傳感器進行電流測 量的方法，其特征在于，檢測所述干擾場在所述平面內(nèi)在所述干擾場的最大場強的方向 上的不均勻性。
全文摘要
一種用于測量導體(11，23，31)中的電流的電流傳感器(10；22；30)，具有位于所述導體旁邊的兩個磁場傳感器(13，14；24，25；32，33)，其特征在于，這些磁場傳感器是具有兩個測量方向(18，17)的至少二維的磁場傳感器。由此可以補償不均勻的干擾場。
文檔編號G01R15/20GK102012446SQ201010274480
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權日2009年9月4日
發(fā)明者F·埃伯哈特, K·費德恩, M·蒙茨, M·霍爾茨曼, S·呂本納克, V·蒂爾斯, W·海爾維希 申請人:羅伯特·博世有限公司