阅读说明：本技术 同轴电阻器 (Coaxial resistor ) 是由 U·黑茨勒 于 2018-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种同轴电阻器(1),其具有用于沿相反的方向传导待测量的电流的向前导体(6)和返回导体(7),并且具有由电阻材料制成的电阻器元件,所述电阻器元件布置在向前导体(6)或返回导体(7)中,使得电流流过电阻器元件。本发明提出,相对于电流流动方向,至少内部的返回导体(7)的横截面是矩形的,这简化了同轴电阻器(1)的制造。由于该设计,消除了由热电电压、电阻器元件的TC和不均匀的电流分布引起的误差。(The invention relates to a coaxial resistor (1) having a forward conductor (6) and a return conductor (7) for conducting a current to be measured in opposite directions, and having a resistor element made of a resistive material, which is arranged in the forward conductor (6) or the return conductor (7) such that the current flows through the resistor element. The invention proposes that at least the inner return conductor (7) is rectangular in cross section with respect to the current flow direction, which simplifies the manufacture of the coaxial resistor (1). Due to this design errors caused by the thermoelectric voltage, the TC of the resistor element and the uneven current distribution are eliminated.)

同轴电阻器

技术领域

本发明涉及一种用于测量电流的同轴电阻器。

背景技术

从WO 2007/068409 A1(DE 10 2005 059 561 A1)中已知这种同轴电阻器，并在图6中示出。待测量的电流经由管状导体供应，然后沿相反的方向通过返回导体回流，所述返回导体也是管状的并且与导体同轴地布置。沿相反方向的该电流流动的优势在于，由电流产生的磁场在内侧的某些区域很大程度上相互抵消。在此，向前导体和返回导体的横截面是圆形的，但在只有几微欧的非常低的电阻值的情况下与相对较高的制造花费相关联，主要是由于难以布置电压连接和相关的附加错误源。

对于本发明的技术背景，参考DE 10 2014 011 593 B4。

发明内容

因此，本发明基于提供相应改进的同轴电阻器的任务。

该任务通过根据权利要求1的根据本发明的同轴电阻器来解决。

本发明提出，同轴电阻器至少在内部的返回导体的情况下具有有角的横截面，这大大简化了生产，因为返回导体在此可由有角的板组成。

与已知的同轴电阻器一样，根据本发明的同轴电阻器首先具有用于传导待测量的电流的向前导体和返回导体，其中，向前导体和返回导体同轴地布置并串联地电连接，使得电流在向前导体和反向导体中沿相反的电流流动方向流动。该沿相反方向的电流流动是有利的——正如在开始时关于现有技术已经提到的那样——因为由向前导体和反向导体中的电流产生的磁场在实际电阻器元件的区域中在很大程度上抵消了(见下文)。

另外，与已知的同轴电阻器一样，根据本发明的同轴电阻器包括由电阻材料(例如，铜-锰-镍合金)制成的电阻器元件，其中，电阻器元件布置在向前导体或返回导体中，使得电流流过电阻器元件。根据欧姆定律，电阻器元件两端的电压降与电流成正比，因此是待测量的电流的度量。这使得能够实现根据四线技术的电流测量，这例如也从EP 0 605 800A1中已知。

现在，根据本发明的同轴电阻器与上述已知的同轴电阻器的不同之处在于，至少内部的返回导体的在与电流流动方向成直角的剖切平面中的横截面是有角的、特别是矩形的。在本发明的一优选实施例中，返回导体的横截面是正方形，但是该横截面也可具有其它矩形形状。另外，本发明还提供了返回导体的横截面可以是三角形、五边形或一般性多边形的可能性。如上面简要提到的那样，有角的横截面具有以下优势：返回导体可由多个平坦的板组成，这大大简化了根据本发明的同轴电阻器的生产。

在根据本发明的同轴电阻器的情况下，返回导体可选地以及向前导体由多个平坦的、优选矩形的板组成，所述板可被组装以形成向前导体或返回导体。

在本发明的一优选实施例中，向前导体和返回导体均由矩形板组成。在此，优选的是使向前导体的一个板平行于返回导体的一个板。在该实施例中，返回导体和向前导体都具有有角的横截面。

然而，替代地，也可仅内部的返回导体具有有角的横截面，而外部的向前导体可具有滚圆的横截面。例如，外部的向前导体可具有圆形横截面并且因此是管状的。在这种情况下，外部的向前导体由此按惯例设计为管，而内部的返回导体由多个板组成，以简化制造过程。

上述电阻器元件可布置在外部的向前导体或内部的返回导体中。唯一的决定性因素是待测量的电流流过电阻器元件，使得电阻器元件的压降根据欧姆定律形成待测量的电流的度量。

然而，在本发明的一优选实施例中，电阻器元件布置在内部的返回导体中。这是有利的，因为通过位于同轴电阻器内的测量电路简化了在无磁场空间中的电阻器元件处的电压测量，如仍在详细描述的那样。

在本发明的一优选实施例中，用于电流供给和电流流出的两个连接部分以及向前导体和返回导体由大块的铜板制成，以便减小在高电流下电源线中不可避免的功率损耗。

在本发明的一优选实施例中，电阻器元件始终布置在嵌入件中，其中，嵌入件被嵌入向前导体或返回导体中，并跨接在向前导体或返回导体中的横向于电流流动方向延伸的间隙。因此，待测量的电流流过包括电阻器元件的嵌入件，从而向前导体或返回导体中的横向于电流流动方向延伸的间隙可防止不期望的越过嵌入件的分流连接。

具有电阻器元件的嵌入件优选地由具有两个由导体材料(例如铜)制成的板状导体元件的复合材料板和沿着电流方向位于板状导体元件之间的由电阻材料(例如铜锰镍合金)制成的板状电阻器元件构成。这种复合材料板例如由EP 0 605 800 A1已知，并且可廉价地由复合材料带生产。

另外，根据本发明的同轴电阻器优选地包括用于待测量电流的供应或流出的由导体材料(例如，铜)制成的板状连接部分，其中，向前导体和返回导体分别连接至两个连接部分之一。

一方面向前导体和返回导体与另一方面连接部分之间的电连接可通过例如钎焊(例如硬钎焊)或熔焊来实现。另外，向前导体和返回导体以及嵌入件也可通过钎焊(例如硬钎焊)或熔焊而彼此连接，以实现向前导体和返回导体的期望的串联连接。

上面已经简要地提到，用于电流供给和电流消耗的两个连接部分由平坦的、优选矩形的板组成。另外，应注意，这些板状连接部分优选地与向前导体和返回导体成直角定向。另外，应当注意，用于电力供应或电流流出的板状连接部分优选地彼此平行地布置。向前导体和返回导体可由此布置在板状连接部分上。

上面已经提到，根据欧姆定律，电阻器元件两端的降压是待测量的电流的度量。优选地，一个电压抽头接触嵌入件的电压侧导体元件，而该对中的另一个电压抽头接触嵌入件的接地侧导体元件。

然而，在优选实施例中，不仅提供一对电压抽头，而是多对电压抽头在空间上分布。每对电压抽头由此提供电压测量值，从而可在此从各电压测量值计算出平均值。以此方式，可考虑同轴电阻器中电流分布的不均匀性。基本上，从DE 10 2013 005 939 A1中已知在不同点处的电压测量的该原理，从而该专利申请的内容可完全归属于本说明书。

电压抽头可在电压侧或接地侧具有至少两个由导体材料制成的接触部(即双重抽头)，以便实现与印刷电路板的良好热接触。这对于补偿不期望的热电电压是有利的。

一方面电压抽头与另一方面复合材料板(嵌入件)的导体元件之间的连接可例如通过钎焊(例如硬钎焊)、熔焊或烧结来进行。

还应该提到的是，电压抽头可由铜或与嵌入件的复合材料相同的复合材料制成，尤其是由与嵌入件的复合材料相同批次的复合材料制成。

为了形成电压侧抽头或接地侧电压抽头，本发明可包括冲压部件，所述冲压部件连接到嵌入件(复合材料板)的电压侧或接地侧导体元件。

为了与印刷电路板电连接，冲压部件可具有接触凸片，所述接触凸片也可能是可弯曲的。在优选实施例中，有利的是，在由一种导体材料制成的一对电压抽头中，由复合材料制成的较窄且可能较薄的接触凸片在接地侧居中地布置在电压侧的两个接触凸片之间。这具有下述优势，由于接触凸片(双重、更厚、更宽且导热性更好的)的横截面明显更大，因此，高压侧(电压侧)的温度可经由良好的热传导有效地传递到印刷电路板，使得印刷电路板的钎焊连接部处的温度与嵌入件的电压侧钎焊连接部处的温度相同。由此，分流结构的完整温差施加在复合材料片上，使得温度电压补偿能够正确地起作用。

冲压部件电气地且机械地连接到嵌入件(复合材料板)的导体元件。例如，这可以是烧结连接、钎焊连接(例如，硬钎焊连接)或熔焊连接。例如，在烧结联接的情况下，这可借助于银烧结膏来实现，该银烧结膏预先在铜导体元件上以结构化方式印刷并干燥。烧结层可例如由纯银组成，其厚度在30μm至70μm之间，这取决于烧结膏的印刷密度。

在本发明的一优选实施例中，冲压部件的厚度约为0.3mm，但是在本发明的范围内，冲压部件的其它厚度也是可能的。

在此还应该提及的是，至少一个(例如，大量生产的)冲压部件和相关的复合材料板(嵌入件)优选地由相同的复合材料、特别是相同批次的复合材料带组成。这对于补偿热电电压是有利的。

上面已经简要地提到过，根据欧姆定律，电阻器元件两端的电压降是待测量的电流的度量。为了测量该压降，优选地提供可布置在返回导体内侧的测量电路。该测量电路优选地位于印刷电路板上，所述印刷电路板联接至冲压部件的接触凸片，其中，印刷电路板优选地相对于向前导体和返回导体中的电流流动方向横向地、特别是成直角地布置。该印刷电路板优选在其前边缘处具有用于连接到电压抽头的端子(例如，焊盘)，以便测量电阻器元件两端的压降。一方面电压抽头和另一方面印刷电路板之间的连接可以使用上述冲压部件的接触凸片来进行。

印刷电路板的外部横截面优选地与内部的返回导体的内部横截面相匹配，使得印刷电路板填充内部的返回导体的自由内部横截面直至形成周向间隙。上述冲压部件的接触凸片在此可跨接印刷电路板和返回导体之间的周向间隙，并接触印刷电路板。如果内部的返回导体具有正方形横截面，则印刷电路板也优选为正方形。在内部的返回导体的横截面为三角形的情况下，印刷电路板也优选为三角形。因此，优选地为返回导体的每个板分配印刷电路板的前边缘，使得印刷电路板可以容易地接触返回导体的板中的所有嵌入件。

印刷电路板优选具有多个印刷电路板面，因此是多层的。平衡电阻器可位于第一印刷电路板面中(例如，在上侧上)，其中，平衡电阻器分别分配有单独的电压抽头对，以便为各个电压测量值加权，如例如从DE 10 2013 005 939 A1已知的那样。

另外，第一印刷电路板面还可容纳用来补偿电阻器元件和/或温度传感器的温度相关性的电阻器。

第二印刷电路板面容纳也用于温度补偿的由铜制成的电阻器。这例如也可由两个并联连接的电阻器组成，这可使来自双重抽头的两个测量电压平均化。另外，电路板还可以具有第三和第四印刷电路板面。例如，用于热补偿的铜连接表面可在印刷电路板的下侧位于铜电阻器的区域中。

例如，从DE 10 2016 008 415.4中已知热电电压的补偿，因此该较早的专利申请的内容也完全并入本说明书中。

还应提到的是，根据本发明的同轴电阻器优选具有相对高的连续电流承载能力，其可以为至少1kA、2kA、3kA、4kA或甚至5kA。

优选的导体材料是铜或铜合金。替代地，导体材料也可以是铝或铝合金。

还应提到的是，导体材料优选具有比电阻材料更高的电导率。

例如，在本发明的范围内，铜-锰-镍合金、例如Cu82Mn12Ni4(例如

)可用作电阻材料。替代地，也可使用镍铬合金或其它电阻合金作为电阻材料。

然而，电阻器元件的电阻材料优选具有在1·10^-8Ωm至50·10^-7Ωm范围内的电阻率。

另一方面，整个同轴电阻器的电阻值优选在0.1μΩ至1mΩ的范围内。

还应提到的是，同轴电阻器的电阻值优选为对温度非常恒定，其温度系数小于500ppm/K、200ppm/K或甚至50ppm/K。

附图说明

本发明的其它有利的改进方案在从属权利要求中给出或者利用附图在下文与对本发明的优选实施方式的描述一起进行更详细的说明。附图示出了：

图1A是沿着图1B中的剖面线A-A的根据本发明的同轴电阻器的剖视图，

图1B是根据图1A的同轴电阻器的视图，

图1C示出了根据本发明的同轴电阻器的一部分，该部分具有连接部分和附接的返回导体的板，

图1D是带有嵌入的嵌入件的板状返回导体的视图，

图1E是通过图1D所示的带有嵌入件的返回导体的剖视图，

图2A是通过具有用于接触的冲压部件的嵌入件和印刷电路板的简化剖视图，

图2B是根据图2A的结构的视图，

图3A是用于具有十二对电压抽头的测量电路的印刷电路板的视图，

图3B是图3A中的一对电压抽头的放大细节图，

图4示出了说明各对电压抽头的电压测量值的加权的示意图，

图5是说明热应力的补偿和电阻器元件的TC的补偿的简化电路图，以及

图6是根据现有技术的常规同轴电阻器的透视图。

具体实施方式

附图示出了用于根据已知的四线技术测量电流I的根据本发明的同轴电阻器1。

待测量的电流I经由由导体材料(例如铜)制成的板状连接部分2引入到同轴电阻器1中，并经由由相同的导体材料制成的板状连接部分3再从同轴电阻器1中引出。

两个连接部分2和3各自具有用于螺纹件通过的孔4和5，从而例如可以将两个连接部分2和3与电流条螺纹连接在一起。

待测量的电流I沿箭头方向从连接部分2首先流过向前导体6，然后沿相反的方向流过返回导体7至连接部分3。向前导体6和返回导体7分别由导体材料(例如铜)组成，并沿相反的方向引导待测量的电流I。这是有利的，因为一方面由向前导体6中的电流I产生的磁场与另一方面由返回导体7中的电流I产生的磁场在内侧相互抵消。

向前导体6由四个矩形板组成，所述矩形板与连接部分2成直角定向并布置在连接部分2的上侧上。返回导体7和向前导体6的矩形板通过钎焊连接8a或8b连接到上部连接部分2或连接部分3的上侧。

向前导体6的矩形板在其上侧也通过钎焊连接9连接到返回导体7的矩形板。

应当注意，返回导体7的矩形板被一分为二并且被间隙10分开，所述间隙10防止电流在返回导体7的两个相邻部分之间流动。

间隙10由嵌入件11跨接，嵌入件中的每一个都嵌入返回导体7的相邻板中的肩部中并与之连接。

嵌入件11在图1D和1E中详细示出，并且由两个由导体材料(例如铜)制成的板状导体元件12、13和位于中间的由电阻材料(例如)制成的电阻器元件14组成。嵌入件12、13例如可由复合材料带制成，例如由EP 0 605 800 A1已知的那样。因此，待测量的电流I在流过返回导体时流过嵌入件11并进而也流过电阻器元件14。嵌入件11的电阻器元件14上的压降U(见图2A)由此根据欧姆定律形成待测量的电流的度量。该压降经由布置在印刷电路板15上的测量电路来测量，其中，印刷电路板15布置在返回导体7内侧并与电流流动方向成直角定向。

由于电阻器内的电流分布的预期的不均匀性，因此形成大量的电压抽头对，其测量值以合适的方式平均化。

在较低电流或较高电阻值的简化版本中，嵌入件可形成包括返回导体7的完整的返回导体。

设置两个冲压部件16、17，用于印刷电路板15与嵌入件11的两个板状连接部分12、13的电连接，如特别是从图2A和2B中可以看出的那样。

优选地，两个冲压部件16、17通过烧结连接而连接到嵌入件11的两个板状连接部分12和13。为此，首先将银烧结膏印刷在导体元件12和13上并干燥。然后在低温烧结过程中(250℃-260℃)精确地施加冲压部件16、17。烧结的连接层由纯银组成，厚度在30μm至70μm之间，具体取决于烧结膏的按压密度。一方面冲压部件16、17与另一方面导体元件12、13之间的该连接还未损坏地经受之后的钎焊处理，在该钎焊处理中，整个同轴电阻器1被钎焊。通过铜和银的强烈扩散，连接变得更加稳定。但是，该连接也可以制成熔焊连接或硬钎焊连接。

电压侧冲压部件16具有两个相邻的接触凸片18、19，其中，接触凸片20形成在接地侧冲压部件17上，所述接触凸片20居中地在电压侧压部件16的两个接触凸片18、19之间。如图2A所示，接触凸片18-20相应地弯曲以接触印刷电路板15。在组装期间，印刷电路板15搁置在弯曲的接触凸片18-20的作为定位辅助的肩部上。接触凸片18、19一起形成高压侧(电压侧)上的电压抽头，而接触凸片20形成低压侧(接地侧)上的电压抽头。

印刷电路板15与嵌入件11之间的大量焊料连接确保了印刷电路板15与同轴电阻器1之间的连接的良好强度，从而弯曲的接触凸片18-20允许在由于温度变化而产生张力的情况下实现一定的机械补偿。

电压侧(高压侧)的双重接触凸片18、19具有以下优势：通过经由接触凸片18、19(双重、短长度、宽接触和极高的导热率)的良好的热传导，电压侧的温度被有效地传递至印刷电路板15。由此，分流结构的整个温差施加在复合材料端子20上，使得热电电压补偿能够正确地起作用。

接地侧的冲压部件17由与嵌入件11相同的复合材料带组成，以便能够尽可能优化地补偿嵌入件中不可避免的热电电压。优选地，批量生产的冲压部件17甚至由相同批次的相同复合材料带组成。

图3A和3B示出了印刷电路板15的细节。图3A示出了在实现的情况下，每个嵌入件11形成三对电压抽头。图3B示出了对于每对电压抽头，印刷电路板15具有两个用于接触凸片18、19的连接焊盘21、22和用于接触凸片20的中央连接焊盘23。

还应提到的是，印刷电路板15为多层，并具有位于其顶侧上的R_SYM对称电阻器，其中，R_SYM对称电阻器的任务是加权各个电压抽头对的电压测量值，如下例如由DE 10 2013005 939A1已知的那样。

另外，印刷电路板15的顶侧还带有补偿电阻器R_KOMP，以补偿电阻器元件的温度相关性，例如从DE 10 2016 008 415.4中已知的那样。

图4显示了简化的等效电路图，以说明各电压抽头对的各电压测量值的加权。电阻器R0、R1、……、Rn是各嵌入件11中的电阻器元件14。电阻器Ra、Rb对应于图3B中的平衡电阻器R_SYM。例如在DE 10 2013 005 939 A1中描述了该电路的功能，因此参考该较早的专利申请。

最后，图5示出了等效电路图，以说明通过复合材料端子20的补偿热电压Uth。例如，在DE 10 2016 008 415.4中描述了这种热电压补偿的功能，因此也可参照该较早的专利申请。

该图还示出了并联连接的两个铜电阻器R_CU1和R_CU2，这两个铜电阻器R_CU1和R_CU2布置在印刷电路板15的第二平面中并且从电压侧上的铜端子发出并且用作用于TC补偿的温度传感器。另外，两个电阻器R_CU1和R_CU2计算电压侧的两个电势值的平均值。

本发明不限于上述优选实施例。而是，同样利用了根据本发明的思想并因此落入保护范围内的大量的变型和修改是可能的。特别地，本发明还相对于分别引用的权利要求独立地要求保护从属权利要求的主题和特征。因此，本发明包括各个发明方面，它们彼此独立地享有保护。

附图标记列表

1 同轴电阻器

2 用于电流供给的板状连接部分

3 用于电流消耗的板状连接部分

4 连接部分中的用于紧固连接接触的孔

5 连接部分中的用于紧固连接接触的孔

6 向前导体

7 返回导体

8a 向前导体与板状连接部分之间的钎焊连接

8b 返回导体与板状连接部分之间的钎焊连接

9 向前导体与返回导体之间的钎焊连接

10 返回导体中的间隙

11 返回导体中的复合材料嵌入件

12、13 嵌入件的板状导体元件

14 嵌入件的板状电阻器元件

15 印刷电路板

16 用于电压分接的电压侧冲压部件

17 用于电压分接的接地侧冲压部件

18、19 电压侧冲压部件的用于接触印刷电路板的接触凸片

20 接地侧冲压部件的用于接触印刷电路板的接触凸片

21、22 印刷电路板中的用于电压侧接触片的连接焊盘

23 印刷电路板中的用于接地侧接触凸片的连接焊盘

I 通过同轴电阻器的电流

Ra、Rb 印刷电路板中的平衡电阻器

R_CU1、R_CU2 用于补偿温度相关性的电阻器

R_KOMP 印刷电路板上的补偿电阻器

R0、……、Rn 电阻器元件

R_MESS 电阻器元件

R_SYM 印刷电路板上的平衡电阻器

U 电阻器元件两端的压降

U_TH 由复合材料制成的接地侧冲压部件中的热电电压

U1、……、Un 电阻器元件R0、……、Rn两端的压降