FLUX的HALL電流傳感器磁場(chǎng)仿真研究與分析

1. 引言

隨著(zhù)能源危機的不斷加深，電能的利用越來(lái)越重要越廣泛。為了提高電能的使用效率，適應環(huán)保要求，降低電網(wǎng)及電器設備電能污染，對電能的監測非常重要，而監測電量的HALL傳感器更是核心部件。如何設計出高精度、準確性以及更長(cháng)使用壽命的HALL傳感器，對改善電能行業(yè)有著(zhù)重要的意義和作用。傳統的設計方法主要依靠設計人員的各自經(jīng)驗進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計，有很大的不確定性，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。本文針對傳統設計中的不足，對HALL傳感器中的關(guān)鍵磁場(chǎng)因素采用先進(jìn)的仿真技術(shù)進(jìn)行研究分析，結合優(yōu)秀的仿真軟件，有效的提高了HALL傳感器的多項關(guān)鍵設計參數，大大地提高了產(chǎn)品的設計質(zhì)量。

2 基于FLUX的傳感器磁場(chǎng)仿真分析

2.1 FLUX電磁場(chǎng)有限元分析

FLUX是法國CEDRAT公司出品的一款功能強大的場(chǎng)有限元分析工具，它可以進(jìn)行磁場(chǎng)，電場(chǎng)，熱場(chǎng)以及它們之間耦合場(chǎng)的仿真分析，被廣泛應用在各種工業(yè)領(lǐng)域。其中的磁場(chǎng)仿真分析功能更是強大，提供了一整套的仿真優(yōu)化方案[1]。

FLUX 的磁場(chǎng)仿真過(guò)程如圖3所示，軟件本身具有自下向上的三維建模功能，同時(shí)也可以導入其它三維軟件建立的模型。對3D模型的網(wǎng)格編織和劃分有多種方式和類(lèi)型。該軟件提供了點(diǎn)元，線(xiàn)元，體元等多種網(wǎng)格單元元素，同時(shí)可以根據設計者的關(guān)注點(diǎn)不同選擇特定的繪制網(wǎng)格方法。不同的應用環(huán)境需要不同的磁性材料，HALL傳感器對材料的要求比較嚴格，為了提高仿真程度，物理屬性設置過(guò)程中需要配置多項參數以擬合B(H)變化曲線(xiàn)。也可以從已經(jīng)建立好的材料庫中導入到分析程序。FLUX有強大而靈活的客戶(hù)程序定制功能PyFlux計算機語(yǔ)言，提供從建立模型、網(wǎng)格繪制到物理屬性邊界條件設置的編程功能。設計者可以很靈活的根據要求編制程序實(shí)現特殊的功能。

HALL傳感器磁路通常工作在線(xiàn)性區域，軟件提供了SuperLU線(xiàn)性直接求解器，它是一款免費的、由ANSI/C語(yǔ)言編寫(xiě)的高斯消除算法程序模塊，可以求解2D和3D模型。又針對模型的對稱(chēng)和非對稱(chēng)性，FLUX還提供了多種適應的迭代求解器：CG，BiCG，BiCGStab和GMRES等，另外有相應的求解器參數調整。

為了真實(shí)的反映傳感器磁場(chǎng)的分布情況，非線(xiàn)性的求解常被用作驗證分析。牛頓-拉普生算法廣泛用在非線(xiàn)性的磁場(chǎng)求解，但其收斂性無(wú)法得到保證，FLUX使用改進(jìn)的牛頓-拉普生算法可高效的進(jìn)行磁場(chǎng)的分析計算。

為方便對計算結果進(jìn)行研究和分析，軟件提供了強大的后處理功能，對點(diǎn)，線(xiàn)，面，體以及域的各空間向量值都有多種顯示處理：切面，柵格，路經(jīng)，圖表等等。2.2 HALL傳感器仿真分析實(shí)例

磁補償式HALL電流傳感器的磁路是整個(gè)傳感器有效工作的關(guān)鍵，其磁芯材料為坡莫合金，特點(diǎn)是磁導率較高而B(niǎo)S飽和較低，當測量電流IP較大時(shí)磁性材料很容易飽和，此時(shí)，傳感器的輸出已經(jīng)不能和原邊被測電流成線(xiàn)形關(guān)系，甚至嚴重失真，造成各項指標超差，給整個(gè)電器設備的控制系統提供錯誤、失真信號，會(huì )造成設備的誤操作。按照上述的磁分析方法可以有效避免這種情況出現，設計出滿(mǎn)足應用要求的傳感器。下面LEM公司某系列HALL電流傳感器為例進(jìn)行磁路磁場(chǎng)分析。

LEM公司是國際知名的跨國公司,是電力電子傳感器的先驅和發(fā)明者，專(zhuān)業(yè)從事電量傳感器設計開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)。本實(shí)例傳感器就是LEM公司廣泛應用在工業(yè)控制領(lǐng)域、測量范圍為200A的傳感器。圖2是它磁芯的3D結構圖和有限元網(wǎng)格圖，其初始設計為矩形等截面積結構，經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)分析，測量額定值IPN時(shí)磁芯部分已經(jīng)飽和，傳感器參數超標。改進(jìn)后設計為近似矩形變截面積結構如圖2-A。

在傳感器的磁場(chǎng)分布分析中，需要關(guān)聯(lián)傳感器磁路，由于傳感器工藝結構要求，磁芯結構中存在通孔，形成了局部磁回路，與系統主磁路不同，復雜化了分析過(guò)程，影響分析結果的真實(shí)性。因此，需要對磁芯模型進(jìn)行磁路切割，如圖2-B所示，紅色曲面為切割面。

根據磁芯結構特點(diǎn)，選擇適當的無(wú)限邊界體來(lái)限制求解區域，如圖2-C中的方體。它是代表邊界區域，尺寸大小可以根據視覺(jué)效果比例設定。網(wǎng)格的劃分應根據研究對象有所不同。對于補償線(xiàn)圈和被測量電流導線(xiàn)，FLUX在求解的時(shí)候，按照磁勢源來(lái)計算而不考慮其導線(xiàn)內部磁場(chǎng)分布。這大大優(yōu)化了計算求解過(guò)程(圖2-D)。

對該200安培傳感器的求解應用線(xiàn)性求解器，計算結果如圖3所示，從傳感器磁芯體磁場(chǎng)分布色圖(圖3-A)中，可以知道磁芯體中磁場(chǎng)最大為0.7<0.8T，沒(méi)有達到飽和滿(mǎn)足測量范圍要求。同時(shí)FLUX結果后處理提供磁場(chǎng)切面分布色圖，圖3-B中的X-Y，X-Z切面磁場(chǎng)可以分析磁體內部及周邊磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，而HALL器件氣隙XYZ方向的磁場(chǎng)分布趨勢圖(圖5-C)可以看出其中磁場(chǎng)非常微弱，驗證了HALL器件起著(zhù)感應零磁通的作用。上述仿真分析結果完全和傳感器實(shí)際試驗應用情況吻合。

3結論

FLUX軟件在磁場(chǎng)分析方面功能強大，可以提供多方面的仿真分析以及結果后處理功能?；谠撥浖欧抡娣治鲇行У慕鉀Q了傳統電流傳感器設計中依靠經(jīng)驗的低效和不足。通過(guò)LEM的200安培磁補償式電流傳感器的磁場(chǎng)仿真分析驗證了該仿真流程的有效性，對于提高電流傳感器的質(zhì)量和可靠性起到了重要的作用，提高了產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)得效率和速度，增強了企業(yè)對市場(chǎng)的快速反應力。同時(shí)也提高了應用傳感器的電器設備的可靠性，對整個(gè)電能應用領(lǐng)域有著(zhù)非常重要的意義。