Messwandler für Niederspannungsgeräte

Abstract

 Die vorliegende Erfindung hat einen Mess- oder Stromwandler für Niederspannungsgeräte und insbesondere Schutzschalter zum Gegenstand. Die Sekundärspule des Wandlers umfasst zwei Teilspulen (2,2'), welche so verschaltet und angeordnet sind, dass ein homogenes Störfeld (4) zwei entgegengesetzte und sich gegenseitig annullierende Störspannungen induziert. Dazu sind die Teilspulen insbesondere punktsymmetrisch zueinander zu positionieren.
Die Teilspulen umfassen bevorzugt einen isolierenden Spulenträger mit integrierten Anschlussleiterbahnen. Letztere sind mit Steckern und/oder Buchsen versehen, so dass die Teilspulen zu einem erfindungsgemäss verschalteten Sekundärspulenmodul zusammengesteckt werden können.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Schalt- oder Messgeräte im Niederspannungsbereich. Sie betrifft einen Mess- oder Stromwandler gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

[0002] Als Hochleistungsautomat ausgeführte strombegrenzende Schalter dienen dem raschen und zuverlässigen Schutz von unter Niederspannung stehenden Leitungen, Motoren, Apparaten oder Anlagen vor den Folgen von Überlast- und Kurzschlussströmen. Ein derartiger Schutzschalter, welcher anstelle eines Bimetalls eine elektronische Auswerteeinheit aufweist, ist beispielsweise aus der DE 197 21 591 A1 bekannt. Dieser verfügt über einen Stromwandler, welcher aus einer Primärwickung im Leitungskreis und einer Sekundärwicklung besteht, die transformatorisch miteinander gekoppelt sind. Das sekundärseitig abgegriffene Messsignal wird der elektronischen Auswerteeinheit zugeführt und löst bestimmte Funktionen des Schalters aus.

[0003] Bekannte Messwandler verfügen über einen geschlossenen Kern aus magnetischem Material, um welchen eine oder mehrere Windungen einer Primärwicklung geführt sind und in welchem letztere einen magnetischen Fluss erzeugen. Änderungen dieses Flusses wiederum induzieren ein Messsignal in einer Sekundärspule. Aber auch andere zeitabhängige Magnetfelder induzieren in der Sekundärspule unerwünschte Störsignale. Es hat sich herausgestellt, dass Störfelder, deren Erregung sich ausserhalb des Wandlers befindet und welche insbesondere im industriellen Umfeld durch Schalthandlungen erzeugt werden, für elektronische Schutzschalter ein Problem darstellen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mess- oder Stromwandler anzugeben, welcher gegen externe Störfelder unempfindlich ist. Diese Aufgabe wird durch einen Messwandler für Niederspannungsgeräte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0005] Bei einem erfindungsgemässen Wandler wird die Sekundärspule in zwei Teilspulen mit gleichen Spulenflächen aufgeteilt, wobei die Spulenfläche als Produkt aus Windungszahl und mittlerer Windungsfläche definiert ist. Die Teilspulen werden so auf einem magnetischen Wandlerkern angeordnet und elektrisch in Serie geschaltet, dass die durch ein im Wandlerkern vorhandenes magnetisches Wechselfeld in den Teilspulen erzeugten Teilspannungen addiert werden, wohingegen ein über den Bereich des Messwandlers homogenes externes Störfeld, welches als durch den Wandlerkern unbeeinflusst angenommen wird, in den zwei Teilspulen entgegengesetzt gerichtete Störspannungen induziert. Da diese Störspannungen infolge der gleichen Teilspulenflächen annähernd gleich gross sind, subtrahieren sie sich zu einem vernachlässigbaren Störsignal.

[0006] Gemäss einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Messwandlers ist die zweite Teilspule im wesentlichen punktsymmetrisch zur ersten Teilspule angeordnet. Die Punktsymmetrie stellt eine notwendige Bedingung dar für die geforderte Subtraktion von Störspannungen, welche durch beliebig im Raum orientierte homogene Störfelder induziert werden. Das Kriterium "im wesentlichen punktsymmetrisch" betrifft die Anordnung der Teilspulen als Ganzes und nicht jede einzelne ihrer Windungen. Das Zentrum der Punksymmetrie ist auch nicht unbedingt mit einem Symmetriezentrum des Wandlerkernes identisch. Bei quasi-zweidimensionalen Messwandlern, welche einen Kern aufweisen, dessen Achse in einer Ebene liegt, entpricht die verlangte Punktsymmetrie einer 180° Drehung um eine senkrecht zu dieser Ebene befindlichen Rotationsachse.

[0007] Bevorzugte Ausführungsformen betreffen einen ringförmigen Wandlerkern oder einen Kern in Form eines Polygons, d.h. insbesondere in Form eines Rechtecks, mit zwei parallelen Schenkeln, auf denen die erste beziehungsweise die zweite Teilspule angeordnet wird.

[0008] Die Teilspulen umfassen bevorzugt einen isolierenden Spulenträger mit integrierten Anschlussleiterbahnen. Letztere sind mit Steckern und/oder Buchsen versehen, so dass die Teilspulen einfach zu einem erfindungsgemäss verschalteten Sekundärspulenmodul zusammengesteckt werden können.

[0009] Alternativ dazu sind die Teilspulen über einen Umklappmechanismus miteinander verbunden und bilden ein einstückiges Sekundärspulenmodul. In einer nicht-umgeklappten oder gestreckten Position können die beiden Teilspulen in einem durchgehenden Arbeitsgang bewickelt werden.

[0010] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0011] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Messwandler mit einem rechteckigen Wandlerkern,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Messwandler mit einem ringförmigen Wandlerkern,

Fig.3 einen Spulenträger in Schrägaufsicht,

Fig.4 einen Messwandler mit zwei zusamengesteckten Teilspulen, und

Fig.5 ein einstückiges Sekundärspulenmodul.

[0012] Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0013] In Fig. 1 und Fig.2 ist schematisch ein prinzipieller Aufbau eines Messwandlers mit einem rechteckförmigen beziehungsweise ringförmigen Wandlerkern 1 gezeigt, welcher von einer ersten Teilspule 2 und einer zweiten Teilspule 2' umfasst wird. Von der Primärwicklung 3 des Wandlers ist nur eine Windung dargestellt, wobei der entsprechende Leiter auch mehrmals um den Wandlerkern 1 geführt sein kann und im Betrieb von einem Wechselstrom mit Netzfrequenz durchflossen ist. Ein durch die Primärwicklung 3 erzeugter magnetischer Messfluss 30 im geschlossenen Wandlerkern ist durch Pfeile symbolisiert. Die beiden Teilspulen 2,2' sind so elektrisch verschaltet, dass die durch den Messfluss 30 in ihnen induzierten Teilmessspannungen sich addieren.

[0014] Anders verhält es sich mit magnetischen Störfeldern 4, welche der Einfachheit halber als homogen und vom magnetischen Wandlerkern unbeeinflusst angenommen werden. Durch diese werden in den Teilspulen 2,2' Teilstörspannungen erzeugt, welche durch die erfindungsgemässe Anordnung der Teilspulen 2,2' vollständig kompensiert werden. Dies gelingt bei einem als homogen vorausgesetzten Störfeld 4 nur dann, wenn der Messfluss 30 im Bereich der beiden Teilspulen 2,2' im wesentlichen in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Falls die beiden Teilspulen 2,2' nicht durch eine Punktsymmetrieoperation ineinander überführbar sind, d.h. falls sie beispielsweise senkrecht zueinander angeordnet sind, ist dies nicht möglich.

[0015] Durch die erfindungsgemässe Anordnung und Verschaltung der Teilspulen wird der Einfluss von magnetischen Störfeldern, deren Erregung sich ausserhalb des Kernes befindet, drastisch reduziert. Solche Störfelder erzeugen zwar Teilstörspannungen in den beiden Teilwicklungen 2,2', diese werden jedoch durch die besondere räumliche Anordnung der Spulenkörper weitgehend kompensiert.

[0016] In Fig.3 ist ein Spulenträger 20 aus einem elektrisch isolierenden Material für einen nicht gezeigten geraden Wandlerkern 1 mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. Der Spulenträger 20 umfasst einen Spulenfuss 200 und einen über dem Spulenfuss 200 befindlichen Spulenkörper 201, dessen Innenraum auf den Wandlerkern abgestimmt und um welchen eine, in Fig.3 nicht gezeigte Wicklung aufgewickelt ist. In dem Spulenfuss 200 sind elektrische Leiterbahnen 21 integriert, welche auf zwei einander gegenüberliegenden Anschlussseiten des Spulenträgers 20 in Buchsen 210 oder Stecker 211 münden und mit der genannten Wicklung verbindbar sind.

[0017] Derartige Spulenträger 20 werden beispielsweise hergestellt, indem die Leiterbahnen 21 vorgängig geformt und anschliessend mit einem Thermoplast umspritzt oder in einer Form mit einem giessbaren wärmeaushärtenden Polymer umgossen werden. Der erste Schritt umfasst ein Ausstanzen der Leiterbahnen 21 aus einem Blech, wobei die einzelnen Bahnen durch temporäre Verbindungsstellen, welche ausserhalb des angehenden Spulenfusses liegen, verbunden sind. Diese Verbindungsstellen werden nach erfolgter Umspritzung und Verfestigung wieder entfernt. Zuletzt wird die Wicklung 22 um den Spulenkörper 201 gewickelt und mit den Anschlüssen der Leiterbahnen 21 im Spulenfüss 200 verbunden.

[0018] In Fig.4 ist ein kompletter Wandler dargestellt mit einem Wandlerkern 1 umfassend zwei parallele Schenkel 10,10' und einen Abschluss 11. Zwei Teilspulen 2,2' sind zu einem Sekundärspulenmodul zusammengesteckt und über die beiden Schenkel 10,10' gestülpt. Dazu wird der Abschluss 11 des Wandlerkerns 1 von den Schenkeln 10,10'getrennt und anschliessend wieder zum Schliessen des magnetischen Kreises in die in Fig.4 erkenntliche Position gebracht.

[0019] Durch die spezielle Ausgestaltung des Spulenfusses 200 ist es möglich, einen einzigen, steckbaren Spulenträgertyp vorzusehen, so dass beim Zusammenstecken zweier Teilspulen automatisch die erfindungsgemässe Verschaltung realisiert wird. Ein Beispiel dafür ist aus Fig.3 ersichtlich. Die Leiterbahnen 21 umfassen eine erste Leiterbahn 21a, welche eine erste Buchse 210a mit einem ersten Anschluss 220 der Wicklung 22 verbindet. Eine zweite Leiterbahn 21b verbindet eine zweite Buchse 210b mit einem zweiten Anschluss 221 der Wicklung 22 und gleichzeitig mit einem ersten Stecker 211a. Eine dritte Bahn 21c verbindet eine dritte Buchse 210c mit einem zweiten Stecker 211b, während eine vierte Bahn 21d zu einem dritten Stecker 211c führt. Die drei Buchsen 210 und die drei Stecker 211 sind auf einander gegenüberliegenden Anschlussseiten des Spulenträgers an korrespondierenden Positionen angeordnet. Durch Zusammenstecken zweier derartiger Teilspulen resultiert ein korrekt verschaltetes Sekundärspulenmodul, dessen freie Anschlüsse mit Kontakten eines den Wandler aufnehmenden Gehäuses zusammenwirken. Im vorliegenden Fall werden die Buchsen 210a und 210c angeschlossen und mit einer Auswerteeinheit verbunden.

[0020] Selbstverständlich können Buchsen und Stecker wahlweise vertauscht werden. Der elektrisch nichtleitende Spulenträger 20 sorgt gleichzeitig für die Isolation der Leiterbahnen 21 und der Wicklung 22 vom metallischen Wandlerkern 1. Durch die integrierten Leiterbahnen 21 im Spulenfuss 200 und deren steckbare Anschlüsse 210,211 ist eine einfache Montage zweier Teilspulen 2,2' zu einem Modul, des Moduls auf einen Wandlerkern und des Wandlers in ein Gehäuse möglich.

[0021] Eine in Fig.5 dargestellte Alternative zu der beschriebenen Variante mit steckbaren Spulenträgern weist ein vorzugsweise im Spritzgussverfahren einstückig ausgebildetes Sekundärspulenmodul mit zwei Spulenträgern und einem Umklappmechanismus 202 auf. Letzterer ist beispielsweise ein Klappscharnier, welches zwischen den beiden Spulenkörpern 201,201' angeordnet ist und es ermöglicht, die beiden Spulenträger wahlweise hintereinander oder nebeneinander zu positionieren. Falls sich die beiden Spulenkörper 201,201' in der nebeneinanderliegenden Betriebsposition nicht berühren, können zur Überbrückung des seitlichen Abstandes zwischen ihnen Verbindungsstücke vorgesehen sein. Auch sind mehrere Scharniere denkbar, welche entsprechend in Betriebsposition nur um einen Bruchteil von 180° umgeklappt sind.

[0022] Die Bewicklung der Teilspulen erfolgt in einer hintereinanderliegenden Wicklungsposition d.h. mit den auf einer Achse aufgereihten Teilspulen gemäss Fig.5, in einem Arbeitsgang. Insbesondere ist der Wicklungssinn für beide Teilspulen derselbe, und der Wicklungsdraht wird beim Übergang von der einen zur anderen Teilspule nicht unterbrochen. Anschliessend werden die Teilspulen in die Betriebsposition umgeklappt. Auf diese Art und Weise sind ohne Verlöten oder Steckverbindung die Wicklungen der Teilspulen automatisch im gewünschten Sinn verbunden.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0023] 

1

Wandlerkern

10,10'

Schenkel

11

Abschluss

2,2'

Teilspulen

20

Spulenträger

200

Spulenfuss

201

Spulenkörper

202

Umklappmechanismus

21

Leiterbahnen

210

Buchsen

211

Stecker

22

Wicklung

220,221

Wicklungsanschluss

3

Primärwicklung

30

magnetischer Messfluss

4

magnetisches Störfeld

Ansprüche

1. Messwandler für Niederspannungsgeräte, umfassend einen magnetischen Wandlerkern (1), in welchem durch eine Primärwicklung (3) ein geschlossener magnetischer Messfluss (30) erzeugbar ist, und eine Sekundärspule, in welcher eine Änderung des magnetischen Messflusses (30) eine Messspannung induziert,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule seriegeschaltete erste und zweite Teilspulen (2,2') mit gleichen Spulenflächen umfasst, in welchen eine Änderung des magnetischen Messflusses (30) zwei sich addierende Teilmessspannungen induziert, und dass diese Teilspulen (2,2') derart angeordnet sind, dass ein homogenes magnetisches Störfeld (4) in den Teilspulen (2,2') zwei sich subtrahierende Teilstörspannungen induziert.

2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Teilspule (2,2') im wesentlichen punktsymmetrisch zueinander angeordnet sind.

3. Messwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilspulen (2,2') eine identische Anzahl Windungen und eine identische mittlere Windungsfläche aufweisen.

4. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandlerkern (1) ein Ringkern ist.

5. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandlerkern (1) zwei parallele Schenkel (10,10') aufweist, auf welchen je eine Teilspule (2,2') angeordnet ist.

6. Messwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilspulen (2,2') je einen isolierenden Spulenträger (20) mit einem Spulenfuss (200) und darin integrierten und mit einer Spulenwicklung (22) verbundenen Leiterbahnen (21) umfasst.

7. Messwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (21) in Buchsen (210) und/oder Stecker (211) münden und die beiden Teilspulen (2,2') zu einem Sekundärspulenmodul zusammengesteckt sind.

8. Messwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilspulen (2,2') ein einstückiges Sekundärspulenmodul mit einem Umklappmechanismus (202) bilden.

Zeichnung