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Dokumentenidentifikation DE102004058452A1 08.06.2006
Titel Stromerfassungseinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer solchen Stromerfassungseinrichtung
Anmelder Vacuumschmelze GmbH & Co. KG, 63450 Hanau, DE
Erfinder Hundt, Harald, 64807 Dieburg, DE
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 03.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004058452
Offenlegungstag 08.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.2006
IPC-Hauptklasse G01R 15/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01F 38/30(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01R 4/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromerfassungseinrichtung (0) mit einem Stromleiter (1) mit nicht-rechteckigem Querschnitt zum Leiten eines zu erfassenden Stroms, zumindest einem flächigen Anschlussleiter (4) zum Zu- oder Abführen des zu erfassenden Stromes zu bzw. von dem Stromleiter (1), wobei der Stromleiter (1) und der Anschlussleiter (4) im Bereich eines Verbindungsabschnittes (3) des Stromleiters (1) unter Ausbildung einer leiteranordnung miteinander verbunden sind, und mit einem Stromwandler (2) mit einer Öffnung (20), wobei der Stromleiter (1) durch die Öffnung (20) geführt ist, wobei der Stromleiter (1) im Bereich des Verbindungsabschnitts (3) einen abgeflachten, insbesondere rechteckigen, Querschnitt aufweist und eine flache Fläche des Verbindungsabschnitts (3) des Stromleiters (1) mit einer flachen Fläche des Anschlussleiters (4) verbunden ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromerfassungseinrichtung mit einem Stromleiter mit nicht-rechteckigem Querschnitt zum Leiten eines zu erfassenden Stroms, zumindest einem flächigen Anschlussleiter zum Zu- oder Abführen des zu erfassenden Stromes zu bzw. von dem Stromleiter, wobei der Stromleiter und der Anschlussleiter im Bereich eines Verbindungsabschnittes des Stromleiters unter Ausbildung einer Leiteranordnung miteinander verbunden sind, und mit einem magnetischen Modul mit einer Öffnung, wobei der Stromleiter durch die Öffnung geführt ist.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer Leiteranordnung für ein magnetisches Modul einer Stromerfassungseinrichtung.

Zur Stromerfassung sind verschiedenartige elektronische Stromzähler bekannt, welche zunehmend im Industrie- und Haushaltsbereich die mechanischen Ferraris-Zähler ablösen und die Stromerfassung mit unterschiedlich aufgebauten Anordnungen durchführen. Neben einer Stromerfassung mit Mess-Shunts, Rogowski-Spulen oder Hall-Elementen sind auch Stromwandler auf Basis von weichmagnetischen Ringkernen, insbesondere Ringbandkernen, als magnetische Module in elektronischen Zählern verbreitet. Ein magnetisches Modul (Stromwandler, Transformator) bewirkt eine galvanische Netztrennung und liefert eine präzise Messgröße in Form einer Signalspannung an einem Bürdenwiderstand. Die Anforderungen an Amplitudengenauigkeit, Phasengenauigkeit und Linearität werden durch IEC 62053, –21, –23 bzw. vormals 1036 in Europa sowie ANSI C12.xx in den USA festgelegt, und sind beispielsweise dem Firmenprospekt "VAC-Stromtransformatoren für elektronische Energie-Zähler", der Vacuumschmelze, Oktober 1998 zu entnehmen. Stromwandler für elektronische Energie-Zähler sind allgemein auch aus dem Firmenprospekt "Stromtransformatoren für elektronische Energie-Zähler" der Vacuumschmelze 2002 bekannt. Solche Stromwandler verwendende Energie-Zähler (auch Watthour-Meter genannt) dienen als amtlich zugelassenes Messmittel, um den von einem Verbraucher genutzten elektrischen Strom kostenmäßig gegenüber den Energie-Versorgungsunternehmen abzurechnen.

Bekannt ist ein Aufbau aus Stromschienen und einem dazu passenden Ringkern-Stromwandler zur Erfassung von Verbrauchsströmen in elektronischen Energiezählern. In den USA und anderen Ländern verbreitete steckbare Stromzähler haben auf der Rückseite genormte rechteckige Anschlussfahnen, welche bei einer Montage des Stromzählers in Steckplätze mit passenden Federkontakten eingeschoben werden. Diese Anschlüsse mit einem Querschnitt von ca. a × 2,5 mm dienen der Ein- und Ausleitung des Verbrauchsstromes, welcher bei 110 V-Systemen maximal ca. 200-480 Aeff beträgt. Als Dicke a des Querschnitts wird beispielsweise a = 19 mm bei einem maximalen Strom von I-max = 320A angesetzt. Üblicherweise werden die Ströme der drei Phasen des Wechselstromnetzes in den Stromzähler hinein, durch ein Stromerfassungs-System hindurch und wieder aus dem Stromzähler heraus geleitet. Eine elektronische Schaltung im Stromzähler erfasst die Ströme der drei Stromerfassungs-Systeme und errechnet aus Stromstärke und Phasenlage die verbrauchte Energie, wie dies beispielsweise aus US 4,887,028 bekannt ist.

Die derzeit preiswerteste Herstellung eines magnetischen Bauteils für hochwertige Stromwandler besteht in der Herstellung von Ringkernen, insbesondere Ringbandkernen, und der Bewicklung der isolierten bzw. gekapselten Kerne mit der entsprechenden Sekundärwicklung auf der Basis von Kupferlackdraht. Dafür geeignete Kerne sind beispielsweise bekannt aus der EP 1 131 830 und EP 1 129 459. Die EP 1 114 429 beschreibt Stromwandler für derartige Zwecke.

Eine Möglichkeit des konstruktiven Aufbaus eines Stromwandlers besteht darin, die Größe des Stromwandlers so auszuwählen, dass es möglich ist, eine Stromschiene beispielsweise der Größe 19 × 2,5 mm durch das Innenloch des Stromwandlers durchzustecken.

Eine Optimierung besteht darin, dem Bereich der Stromschiene, auf welcher der Stromwandler sitzen soll, einen runden Querschnitt zu geben. Dadurch kann das Innenloch des Stromwandlers kleiner werden und infolge ein kleinerer Ringbandkern eingesetzt werden, wobei dieser verfahrensbedingt dann entsprechend preiswerter ist. Selbst bei gleichem Einsatz an weichmagnetischem Bandmaterial und gleicher Wickelzeit für den Kern sind die Prozess-Schritte einer Wärmebehandlung und einer Beschichtung umso günstiger, je kleiner der Durchmesser des Kerns ist. Die Herstellung einer dafür geeigneten Stromschiene erfolgt durch die Bereitstellung einer U-förmigen Leiteranordnung mit verschiedenen Abschnitten. Ein zentraler Verbindungsabschnitt mit rundem Querschnitt dient als Element des Stromwandlers zum Hindurchführen durch die entsprechende Öffnung in dem Kern. Zwei Anschlussleiter mit rechteckigem Querschnitt dienen zum Anschließen des Stromleiters in Form der für sich bekannten Steckverbindungen. Die Leiteranordnung besteht somit aus drei Metallteilen mit zueinander verschiedenen Querschnitten, wobei die beiden Enden des runden Stromleiters an den abgeflachten Oberflächen der rechteckigen Anschlussleiter zu befestigen sind.

Zur Befestigung bekannt sind das Verbinden mittels Widerstands-Punktschweißen oder Hartlöten. Beide Verfahren erfordern jedoch eine aufwändige Prozesstechnik sowie einen hohen Energieeintrag für jeden zu erstellenden Verbindungspunkt. Als besondere Schwierigkeit ist die fertigungsbegleitende Überprüfung der Verbindungspunkte zur Absicherung der Qualität der Leiteranordnung zu sehen, da insbesondere das Schweißen im Sinne der DIN ISO 9001 als ein sogenannter spezieller Prozess einzustufen ist, wie dies aus Fügetechnik, Schweißtechnik, DVS-Verlag, ISBN 3-87155-786-2, Seite 328, 2004, bekannt ist. Besonders kritisch sind dabei die Einflüsse durch Oxid-Schichten auf den Verbindungspartnern, der Verschleiß der Elektroden sowie die fehlende Möglichkeit einer aussagefähigen, beispielsweise optischen oder elektrischen Prüfung der Verbindung.

Die Verbindungen einer solchen Leiteranordnung von drei Elementen mit an den Verbindungspunkten jeweils zueinander verschiedenen Querschnitten sollen eine große Lebensdauer von beispielsweise ca. 10-15 Jahren mit großer Zuverlässigkeit ermöglichen, so dass die Fertigung der Leiteranordnung sehr prozesssicher ausgeführt werden muss. Aus Gründen der elektrischen Leitfähigkeit werden entsprechende Stromschienen bzw. Leiteranordnungen überwiegend aus Kupfermaterial aufgebaut. Probleme ergeben sich dabei aber sowohl beim Hartlöten als auch beim Schweißen insbesondere durch die Erwärmung beim Erstellen der Verbindungspunkte, da die Wärme durch den Stromleiter auf den Stromwandler übertragen wird und diesen beschädigen kann.

Allgemein bekannt ist zum Verbinden zweier Metalle das sogenannte Kaltpress-Schweißen, welches beispielsweise beschrieben ist in der Übersicht über den Stand und die Entwicklungstendenzen des Kaltpress-Schweißens, J. Ruge, H. Preis und K. Thomas, Braunschweig, DVS-Bericht, Band 139, "Abbrennstumpfschweißen und Reibschweißen mit verwandten Verfahren", Seite 25, 1991. Aus dem Forschungsbericht "Untersuchung zum ultraschall-gestützten Kaltpress-Schweißen für Anwendungen in der Kleinteilfertigung", Institut für Schweißtechnik TU Braunschweig, Institut für Füge- und Strahltechnik Otto von Guericke, Universität Magdeburg, AiF Nr. 12494 BG/4 01.06.2000/30.09.2002 und aus "Informationen und Anwendungshinweise zur Tox-Verbindungstechnik der Firma Tox-Pressotechnik GmbH & Co. KG, Weingarten ist ein Durchsetzfügen als eine Art einer Vernietung zweier metallischer Körper bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Stromerfassungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Stromerfassungseinrichtung vorzuschlagen, welches eine einfache Fertigung bei sicherer Verbindung und möglichst geringer Belastung weiterer Komponenten bereitstellt.

Diese Aufgabe wird durch eine Stromerfassungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Stromerfassungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Dem gemäß ist eine Stromerfassungseinrichtung vorgesehen mit einem Stromleiter mit nicht-rechteckigem Querschnitt zum Leiten eines zu erfassenden Stroms, zumindest einem flächigen Anschlussleiter zum Zu- oder Abführen des zu erfassenden Stromes zu bzw. von dem Stromleiter, wobei der Stromleiter und der Anschlussleiter im Bereich eines Verbindungsabschnittes des Stromleiters unter Ausbildung einer Leiteranordnung miteinander verbunden sind, und mit einem magnetischen Modul mit einer Öffnung, wobei der Stromleiter durch die Öffnung geführt ist, wobei der Stromleiter im Bereich des Verbindungsabschnitts einen abgeflachten, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweist und eine flache Fläche des Verbindungsabschnitts des Stromleiters mit einer flachen Fläche des Anschlussleiters verbunden ist.

Außerdem umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Leiteranordnung für ein magnetisches Modul, insbesondere für einen Stromwandler einer Stromerfassungseinrichtung, bei dem ein Stromleiter mit nicht-rechteckigem Querschnitt mit einem flächigen Anschlussleiter verbunden wird, wobei bei dem Stromleiter der Querschnitt in einem Verbindungsabschnitt des Stromleiters abgeflacht wird, insbesondere mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet wird, und der abgeflachte Verbindungsabschnitt des Stromleiters mit dem Anschlussleiter verbunden wird.

Es kann zudem eine Stromerfassungseinrichtung vorgesehen werden, bei welcher der Querschnitt des Stromleiters abseits des Verbindungsabschnitts mit bogenförmiger, insbesondere runder Außenkontur, insbesondere ovaler oder runder Querschnittsform ausgebildet ist.

Die Stromerfassungseinrichtung kann mit zwei Verbindungsabschnitten am Stromleiter zum Verbinden des Stromleiters mit zwei Anschlussleitern ausgeführt sein.

Bei der Stromerfassungseinrichtung kann die Verbindung als Pressverbindung, insbesondere Kaltpressverbindung, ausgebildet ist.

Vorteilhaft ist insbesondere eine Stromerfassungseinrichtung, bei der. die Pressverbindung als Durchsetzfügeverbindung ausgebildet ist.

Es kann auch eine Stromerfassungseinrichtung vorgesehen werden, bei der die Pressverbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt und dem Anschlussleiter zweifach ausgebildet ist.

Des Weiteren kann der Stromleiter und der bzw. die Anschlussleiter als Metallteile aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet sind.

Das magnetische Modul kann als Stromwandler als Transformator ausgebildet sein.

Der Stromwandler weist bevorzugt einen Ringkern auf. Der Ringkern ist vorzugsweise als Ringbandkern ausgebildet. Vorteilhafterweise ist der Ringkern aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung ausgebildet.

Der Stromleiter kann zum Fixieren und/oder Ausrichten in einer Öffnung des Stromwandlers gegenüber dem sonstigen Querschnitt eine Verformung, insbesondere Verpressung aufweisen.

Die Kontaktstellen können im Bereich des Verbindungsabschnitts und/oder des Anschlussleiters von Metalloxiden befreit, gereinigt und/oder plasmaaktiviert sein. Vorteilhaft ist auch eine Stromerfassungseinrichtung, bei welcher der Stromleiter, der Verbindungsabschnitt und/oder der Anschlussleiter mittels einer Wärmebehandlung weichgeglüht sind.

Vorzugsweise wird die Verbindung als Pressverbindung mit Hilfe einer Durchsetzfügetechnik ausgeführt. Zur Anwendung kommt vorzugsweise ein Verfahren, bei dem Kontaktstellen vor dem Verbinden mit einer chemischen Behandlung, insbesondere Beizen, von Metalloxiden befreit werden. Die Kontaktstellen können dabei vor dem Verbinden mittels einer Plasmabehandlung an der Oberfläche gereinigt und/oder aktiviert werden. Vorteilhaft ist auch ein Verfahren, bei dem der Stromleiter, dessen Verbindungsabschnitt und/oder der Anschlussleiter vor dem Verbinden mittels einer Wärmebehandlung weichgeglüht wird bzw. werden.

Die Leiteranordnung stellt somit einen kosten-optimierten und langzeitstabilen Aufbau von Stromleitungsschienen dar. Auf einfache Art und Weise wird der Stromleiter mit dem nichtrechteckigen Querschnitt, insbesondere mit einem runden oder nahezu runden Querschnitt einerseits und andererseits zumindest ein Anschlussleiter mit einer flachen Oberfläche, insbesondere einem rechteckigen Querschnitt miteinander verbunden, wobei diese eine stabile und langlebige Verbindung aufweisen. Insbesondere im Falle einer Pressverbindung ohne den Einsatz von Hitze durch beispielsweise Löten oder Schweißen besteht der besondere Vorteil, dass über den Stromleiter keine Hitze an benachbarte Komponenten des Ringkerns und dergleichen übertragen wird. Die zweite Verbindung zwischen dem Stromleiter und einem zweiten Anschlussleiter kann gegebenenfalls vor dem Einsetzen des Stromleiters in der Öffnung des Stromwandlers bzw. Ringkerns erstellt werden, so dass letztendlich gegebenenfalls nur eine derartige Verbindung erforderlich ist.

Durch das Flachpressen der Enden einer Rundstange als Stromleiter, worauf der Stromwandler sitzt, werden flache Bereiche geschaffen, welche nach dem Übereinanderlegen mit den flachen Anschlussfahnen durch eine Kaltpressverbindung, z. B. Durchsatzfügen bzw. Clinchen dauerhaft und mit geringstem Übertragungswiderstand verbunden werden bzw. sind. Natürlich muss das Abflachen des Stromleiters nicht zwingend an den Enden erfolgen, sondern kann auch in einem sonstigen Bereich benachbart des Ringkerns bzw. Stromwandlers erfolgen.

Insbesondere eine Kaltverschweißung in Verbindung mit einer genieteten Verbindung erfordert einen hohen Umformungsgrad, so dass vorteilhafter Weise ein weiches Metall wie beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet wird. Durch eine entsprechende Vorbehandlung der Verbindungspartner, das heißt des Stromleiters und des bzw. der Anschlussleiter kann eine Kaltschweißverbindung bezüglich der elektrischen Eigenschaften, beispielsweise minimalem Übergangswiderstand und der Gasdichtigkeit weiter verbessert werden. Das sogenannte Kaltpressschweißen bietet den Vorteil eines Schweißverfahrens, bei dem eine Verbindung vollständig, ohne von außen zugeführter thermischer Energie allein durch Druckkraft zustande kommt. Das Durchsetzfügen stellt eine Vernietung dar, welche vorteilhafter Weise ohne Niet-, das heißt ohne Fremdwerkstoffe auskommt, indem der Werkstoff des einen beteiligten Partners, beispielsweise des Stromleiters, tief in eine sich bildende Aushöhlung in dem anderen Partner, beispielsweise dem Anschlussleiter, gepresst wird, wobei sich entsprechend der Form eines Press-Stempels und einer Matrize eine pilzförmige Hinterschneidung ausbildet, so dass eine form- und kraftschlüssige Verbindung erzielt wird.

Es bietet sich eine Vielzahl von Vorteilen durch die Verbindungstechnik bzw. den Aufbau der Leiteranordnung. Neben guten elektrischen Eigenschaften entsteht eine mechanisch sehr robuste Verbindung. Eine einfache Herstelltechnik ermöglicht Anlagen-Investitionen von nur 30-50% im Vergleich zu der entsprechenden Schweiß-/Hartlöt-Technik. Möglich ist eine einfache und preiswerte Wartung der Fertigungsanlagen im Vergleich zur Schweiß-/Hartlöt-Technik. Gegenüber der Schweiß-/Hartlöt-Technik erfolgt beim Einsatz einer Kaltschweiß-Verbindung keine Erwärmung der Metallteile, so dass keine gesonderte Kühlung notwendig ist, um einen Kunststoffüberzug des Stromwandlers zu schützen. Dämpfe, Funken oder Späne werden vermieden. Eine Qualitätssicherung ist durch die Kontrolle einfacher mechanischer Maße, beispielsweise der Dicke im ausgebildeten "Niet" möglich. Weiterhin sind die Energiekosten pro Verbindungsstelle bei der Herstellung drei- bis fünffach geringer als bei der Schweiß-/Hartlöt-Technik. Im Vergleich der Punktschweißtechnik zur Durchsetzfügetechnik sind die Kosten pro Verbindungspunkt unter der Berücksichtigung sogar der Investitionskosten, der Betriebskosten und der Werkzeugkosten im Verhältnis von etwa 5:1 beim Einsatz des Durchsetzfügens günstiger.

Da die Leiteranordnung zum Übertragen eines elektrischen Stroms dient, sind auch Erhitzungen der Leiteranordnung durch den Stromfluss insbesondere im Bereich der Verbindungspunkte zu berücksichtigen. Der elektrische Widerstand einer typischen U-förmigen Stromschiene beträgt etwa 100&mgr; Ohm. Bei einem Strom von etwa 200 A entsteht gemäß Pv = I2 × R in der Einheit eine Verlustleistung von 4 W, welche eine Erwärmung zur Folge hat. Dabei ist zu beachten, dass die Verbindungsstellen keine Einschnürung des Leitungs-Querschnittes darstellen. Bei einer schlechten Verbindung steigt die Temperatur dort bedingt durch den höheren Spannungsabfall deutlich über das Niveau der restlichen Anschlussteile und beschleunigt die Schädigung bzw. Alterung der Kontaktstelle. Dabei kann es zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes kommen. Dies ist ein kumulativer Prozess, der in weiter steigenden Temperaturen und schließlich in dem Versagen der Verbindungsstelle münden kann. Im Falle einer geschweißten oder insbesondere einer gelöteten Verbindung kann dies zum partiellen oder vollständigen Aufschmelzen des Verbindungspunktes durch Überhitzung führen. Ob Löt- oder Schweißbrücken langzeit-stabil sind, ist daher in der Regel sehr unsicher. Ein im Endstadium eines solchen Ausfall-Szenarios auftretender Lichtbogen kann die völlige Unterbrechung der elektrischen Verbindung zur Folge haben. Als Anforderung an die Verbindungsstelle muss daher eine niederohmige Verbindung mit gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit gefordert werden, so dass sich der Übergangswiderstand durch Erschütterungen, Vibration oder Stöße bei der Montage oder im späteren Einsatz nicht merklich erhöht.

Vorteilhafterweise bietet die erfindungsgemäße Stromerfassungseinrichtung bzw. das beschriebene Fertigungsverfahren eine niederohmige Verbindung mit gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit, welche selbst im Falle einer im Betrieb auftretenden Erhitzung beim Einsatz einer Durchsetzfügung eine trotzdem dauerhafte Verbindung ermöglicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

1 einzelne Fertigungsschritte bei der Fertigung einer Stromerfassungseinrichtung;

2 montierte Komponenten einer Stromerfassungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;

3 montierte Komponenten einer Stromerfassungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;

4 einen Querschnitt durch einen Durchsetzfügepunkt; und

5 eine beispielhafte für sich bekannte Schaltungs-Anordnung, bei welcher derartige Stromerfassungseinrichtungen eingesetzt werden.

1 zeigt Komponenten einer Stromerfassungseinrichtung in verschiedenen Fertigungsschritten. Als oberstes ist ein Stromleiter 1 dargestellt, welcher, wie in der Mitte dargestellt, durch eine Öffnung 20 eines Stromwandlers 2 hindurchgeführt ist. Der Stromleiter weist einen nicht-rechteckigen, insbesondere einen runden Querschnitt auf. Beispielsweise zur Verankerung innerhalb der Öffnung 20 des Stromwandlers 2 kann der Querschnitt des Stromleiters 1 in diesem Bereich auch leicht verformt sein, beispielsweise leicht abgeflacht oder oval anstelle kreisrund, um mit der Wandung der Öffnung 20 in Klemmeingriff zu treten. Anstelle eines kreisrunden Stromleiters 1 können prinzipiell aber auch Stromleiter mit anderen Querschnittsformen als kreisrunden Querschnittsformen eingesetzt werden. Prinzipiell sind beispielsweise auch Querschnitte in Form eines Oktetts, Quadrates oder gegebenenfalls Dreiecks oder Querschnitte mit welligem oder gezacktem Außenumfang einsetzbar, welche sich deutlich von einer flachen rechteckigen Form abheben.

Nach dem Durchführen des Stromleiters 1 durch die Öffnung 20 des Stromwandlers 2 wird das durch die Öffnung 20 des Stromwandlers 2 hindurchgeführte Ende des Stromleiters 1 zur Ausbildung eines Verbindungsabschnittes 3 abgeflacht. Auf besonders einfache Art und Weise erfolgt die Abflachung durch ein Quetschen, was insbesondere bei einem Stromleiter 1 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besonders einfach möglich ist. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Verbindungsabschnitt 3 des Stromleiters 1 einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf. Vorteilhaft umsetzbar sind prinzipiell aber auch andere Querschnitte, welche auf einer Seite eine Abflachung aufweisen, beispielsweise auch eine Abflachung durch Materialabtragung.

2 zeigt eine Endstufe einer bevorzugten Leiteranordnung aus dem Stromleiter 1 mit Verbindungsabschnitten 3 an beiden Enden, dem Stromwandler 2, durch dessen Öffnung 20 der Stromleiter 1 zwischen dessen Verbindungsabschnitten 3 hindurchführt, und mit zwei Anschlussleitern 4, welche als längliche, flache Steckstifte mit rechteckigem oder im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind. Zur Verbindung der Verbindungsabschnitte 3 mit den Anschlussleitern 4 werden die abgeflachten Verbindungsabschnitte 3 mit ihrer flachen Oberfläche auf der flachen Oberfläche der Anschlussleiter 4 aufgelegt und miteinander verbunden. Die Verbindung kann in beliebiger für sich bekannter Art und Weise erfolgen, beispielsweise auch durch Löten oder Schweißen. Besonders bevorzugt wird aber eine kalte Verbindung ohne Zufuhr von Wärme mittels beispielsweise Kaltpress-Schweißen und/oder Durchsetzfügen.

Ein über einen der beiden Anschlussleiter 4 und den entsprechenden Verbindungsabschnitt 3 in den Stromleiter 1 geführter Strom wird durch die Öffnung 20 des Stromwandlers 2 hindurchgeleitet und über den zweiten Verbindungsabschnitt 3 und den zweiten Anschlussleiter 4 abgeführt. Der durch den Stromwandler 2 hindurchgeführte Strom induziert in dem Stromwandler 2 einen Stromfluss, welcher über Leitungen 21 einer Auswerteschaltung zum Erfassen des geflossenen Stromes geführt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist eine Leiteranordnung dargestellt, bei der die beiden Verbindungsabschnitte 3 des Stromleiters 1 aus dem ursprünglich rundstangenförmigen Stromleiter 1 durch Pressung erzeugt wurden. Beim Pressen wird die Dicke der Stange reduziert und eine plane Fläche erzeugt. Mit Hilfe einer Verbindungstechnik auf Basis des Durchsetzfügens werden die Enden der Rundstange und die rechteckförmigen Anschlussfahnen, welche durch die Anschlussleiter 4 ausgebildet werden, miteinander verbunden. Durch die starke Umformung im Bereich der Verbindungspunkte des Durchsetzfügen entstehen knopfförmige Vernietungen 5, so dass mittels einer Kaltverschweißung eine mechanisch stabile Verbindung und ein guter elektrischer Kontakt für einen sicheren Stromfluss erzeugt werden. 4 stellt einen Querschnitt durch eine beispielhafte, mittels Durchsetzfügens erzeugte Verbindung eines Verbindungsabschnitts 3 und eines Anschlussleiters 4 dar. Durch die geeignete Auswahl eines Stempels nimmt das von dem Verbindungsabschnitt 3 in den Anschlussleiter 4 gedrückte Material einen pilzförmigen Querschnitt an und bildet eine Hintergreifung zur Ausbildung einer mechanisch hohen Stabilität in Art einer Niet. Dargestellt ist der Fall einer 8 mm breiten Vernietung mittels Durchsetzfügens, wobei aber auch andere Dimensionen entsprechend des jeweiligen Bedarfs gewählt werden können.

Bei einem Durchsetzfügepunkt der beispielhaften Größe von 8 mm zwischen zwei Kupferteilen mit den Dicken von je 2,4 mm ergab sich in ersten Versuchen eine Scherfestigkeit von mehr als 1600 N und eine Kopfzugfestigkeit von mehr als 1500 N.

2 zeigt eine Ausführungsform mit jeweils einem Durchsetzfügepunkt 5 zur Verbindung des entsprechenden Verbindungsabschnitts 3 mit dem benachbarten Anschlussleiter 4. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Leiteranordnung mit ebenfalls einem Stromleiter 1, dessen abgeflachte Verbindungsabschnitte 3 jeweils mit einem Anschlussleiter 4 verbunden sind, wobei für die Verbindungen jeweils zwei Durchsetzfügepunkte verwendet sind. Dadurch entsteht ein Verdrehschutz des Stromleiters 1 gegenüber den beiden Anschlussleitern. Skizziert ist außerdem, dass der Stromleiter 1 nicht zwingend geradlinig von einem Verbindungsabschnitt 3 zu dem anderen Verbindungsabschnitt 3 führen muss, sondern auch eine Biegung aufweisen kann.

5 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung einer Stromerfassungseinrichtung U zum Erfassen eines Stromflusses durch drei Leiter L1, L2, L3. In üblicher Art und Weise weist ein entsprechendes Kabel zusätzlich einen neutralen Leiter N auf. Die drei Leiter L1, L2, L3 sind unterbrochen und enden jeweils in einem Steckkontakt zum Einstecken eines Kontaktstiftes in Form der Anschlussleiter 4. Jedem der Leiter L1, L2, L3 sind somit zwei buchsenförmige Steckkontakt-Elemente 6 zugeordnet, in welche die beiden Anschlussleiter 4 der Leiteranordnung gemäß beispielsweise 2 oder 3 eingesteckt werden. Der die beiden Anschlussleiter 4 über die Verbindungsabschnitte 3 verbindende Stromleiter 1 führt durch die entsprechende Öffnung eines Stromwandlers 2, der beispielsweise wie gemäß 2 oder 3 ausgebildet sein kann.

Zum Beispiel sind drei Stromwandler 2 mit jeweils einer derart durchgeführten Leiteranordnung auf einer Platine mit einer Elektronik zur Auswertung bzw. Stromerfassung angeordnet und befestigt. Üblicherweise ist die Elektronik in einem Gehäuse aufgenommen, aus welchem entsprechend sechs solche Anschlussleiter 4 als Kontaktstifte zum Einstecken in entsprechende Steckkontakt-Buchsen 6 sowie ein weiterer Anschlussleiter als Kontaktstift für eine Verbindung mit dem neutralen Leiter N herausragen. Üblicherweise weist eine solche Elektronik auch eine oder mehrere Ausgabeeinrichtungen zum Ausgeben der erfassten Strommenge auf. Beispielsweise handelt es sich bei der Ausgabeeinrichtung um eine Anzeigeeinrichtung D. Auf der Anzeigeeinrichtung D oder einer sonstigen externen Schnittstelle werden die mittels Signalverarbeitung und gegebenenfalls Analog-/Digital-Wandlern in der Elektronik erfassten Strommengen ausgegeben.

Bei dem dargestellten Prinzip-Schaltbild eines elektronischen Stromzählers als Stromerfassungseinrichtung 0 wird somit mit drei Durchsteck-Stromwandlern aus den zu messenden drei Strömen mittels einer 1:N-Transformation und über Lastwiderstände jeweils ein individuelles Spannungs-Signal für eine Auswerte-Elektronik erzeugt und dieser zugeführt. Danach erfolgt die Anzeige der berechneten Energie mittels einer Ausgabeeinrichtung.

Bevorzugt wird somit ein Stromleiter-System bereitgestellt, welches zur Messung von elektrischen Strömen dient und aus insbesondere drei Metallteilen und einem Stromerfassungs-System ausgebildet ist. Das Stromleiter-System besteht dabei aus einem mittleren Teil als dem Stromleiter 1, welcher einen vorzugsweise runden Querschnitt hat und bei dem nach dem Aufstecken des Stromwandlers 2 als einem Stromerfassungs-System zumindest eines, insbesondere beide seiner Enden als Verbindungsabschnitt 3 flachgedrückt werden. Außerdem besteht das Stromleiter-System aus zwei weiteren Teilen in Art der Anschlussleiter 4 mit rechteckförmigem Querschnitt zur Ausbildung von Anschlussfahnen bzw. Kontaktstiften für eine Steckverbindung.

Die Verbindung der drei Teile erfolgt insbesondere als Kaltpress-Verbindung zum Ausbilden einer mechanisch und elektrisch guten Verbindung. Eine Kaltpress-Verbindung wird dabei vorzugsweise auf jeder Seite zweifach hergestellt, um somit bei gleichzeitiger Erhöhung des Verbindungs-Querschnittes eine zusätzliche Sicherung gegen Verdrehen zu erreichen. Vorzugsweise besteht das Stromerfassungs-System aus einem transformatorisch arbeitenden Stromwandler. Bevorzugt wird als Stromwandler ein Ringkern, insbesondere ein als Ringbandkern ausgebildeter Ringkern aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung. Die den Stromleiter 1 ausbildende runde Metallstange besitzt im mittleren Bereich bzw. in dem Bereich, welcher durch die Öffnung 20 des Stromwandlers 2 hindurchgeführt wird, vorzugsweise eine Verformung, insbesondere eine leichte Verpressung, wodurch der Stromwandler 2 beim Aufstecken auf den Stromleiter 1 in einer gewünschten Lage fixiert und damit befestigt wird.

Zur Verbesserung der Verbindung werden die Kontaktstellen vor dem Verbinden, insbesondere vor dem Durchsetzfügen in vorteilhafter Weise mit einer chemischen Behandlung wie Beizen von Metalloxiden befreit. Die Kontaktstellen werden vor dem Durchsetzfügen oder sonstigen Verbindung beispielsweise mit einer Behandlung in einem Plasma an der Oberfläche gereinigt bzw. aktiviert. Vorteilhaft ist auch, die Metallteile vor dem Durchsetzfügen durch eine Wärmebehandlung weich zu glühen.


Anspruch[de]
  1. Stromerfassungseinrichtung (0) mit

    – einem Stromleiter (1) mit nicht-rechteckigem Querschnitt zum Leiten eines zu erfassenden Stroms,

    – zumindest einem flächigen Anschlussleiter (4) zum Zu- oder Abführen des zu erfassenden Stromes zu bzw. von dem Stromleiter (1),

    – wobei der Stromleiter (1) und der Anschlussleiter (4) im Bereich eines Verbindungsabschnittes (3) des Stromleiters (1) unter Ausbildung einer Leiteranordnung miteinander verbunden sind, und mit

    – einem magnetisches Modul mit einer Öffnung (20), wobei der Stromleiter (1) durch die Öffnung (20) geführt ist,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – der Stromleiter (1) im Bereich des Verbindungsabschnitts (3) einen abgeflachten, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweist und eine flache Fläche des Verbindungsabschnitts (3) des Stromleiters (1) mit einer flachen Fläche des Anschlussleiters (4) verbunden ist.
  2. Stromerfassungseinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Querschnitt des Stromleiters (1) abseits des Verbindungsabschnitts (3) mit bogenförmiger Außenkontur ausgebildet ist.
  3. Stromerfassungseinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Querschnitt des Stromleiters (1) abseits des Verbindungsabschnitts (3) mit runder Außenkontur ausgebildet ist.
  4. Stromerfassungseinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Querschnitt des Stromleiters (1) abseits des Verbindungsabschnitts (3) mit ovaler Außenkontur ausgebildet ist.
  5. Stromerfassungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch mit zwei Verbindungsabschnitten (3) am Stromleiter (1) zum Verbinden des Stromleiters (1) mit zwei Anschlussleitern (4).
  6. Stromerfassungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei die Verbindung als Pressverbindung ausgebildet ist.
  7. Stromerfassungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei die Verbindung als Kaltpressverbindung ausgebildet ist.
  8. Stromerfassungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Pressverbindung als Durchsetzfügeverbindung (5) ausgebildet ist.
  9. Stromerfassungseinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Pressverbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt (3) und dem Anschlussleiter (4) zweifach ausgebildet ist.
  10. Stromerfassungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei der Stromleiter (1) und der bzw. die Anschlussleiter (4) als Metallteile aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet sind.
  11. Stromerfassungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das magnetische Modul als Transformator ausgebildet ist.
  12. Stromerfassungseinrichtung nach Anspruch 11, wobei der Transformator (2) einen Ringkern aufweist.
  13. Stromerfassungseinrichtung nach Anspruch 12, wobei der Ringkern als Ringbandkern ausgebildet ist.
  14. Stromerfassungseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Ringkern aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung ausgebildet ist.
  15. Stromerfassungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei der Stromleiter (1) zum Fixieren und/oder Ausrichten in einer Öffnung (20) des Stromwandlers (2) gegenüber dem sonstigen Querschnitt eine Verformung aufweist.
  16. Stromerfassungseinrichtung nach einem Anspruch 15, wobei die Verformung eine Verpressung ist.
  17. Stromerfassungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei Kontaktstellen im Bereich des Verbindungsabschnitts (3) und/oder des Anschlussleiters (4) von Metalloxiden befreit sind, gereinigt und/oder plasmaaktiviert sind.
  18. Stromerfassungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei der Stromleiter (1), der Verbindungsabschnitt (3) und/oder der Anschlussleiter (4) mittels einer Wärmebehandlung weichgeglüht sind.
  19. Verfahren zum Herstellen einer Stromerfassungseinrichtung (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem

    – ein Stromleiter (1) mit nicht-rechteckigem Querschnitt mit einem flächigen Anschlussleiter (4) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Stromleiter (1) der Querschnitt in einem Verbindungsabschnitt (3) des Stromleiters (1) abgeflacht wird, insbesondere mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet wird, und

    – der abgeflachte Verbindungsabschnitt (3) des Stromleiters (1) mit dem Anschlussleiter (4) verbunden wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Verbinden als Pressverbindung mit Hilfe einer Durchsetzfügetechnik durchgeführt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei dem Kontaktstellen vor dem Verbinden mit einer chemischen Behandlung von Metalloxiden befreit werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem Kontaktstellen vor dem Verbinden durch Beizen von Metalloxiden befreit werden.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem Kontaktstellen vor dem Verbinden mittels einer Plasmabehandlung an der Oberfläche gereinigt und/oder aktiviert werden.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei dem der Stromleiter (1), dessen Verbindungsabschnitt (3) und/oder der Anschlussleiter (4) vor dem Verbinden mittels einer Wärmebehandlung weichgeglüht wird bzw. werden.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






IPC
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