FLUX的HALL電流傳感器磁場仿真研究與分析

1. 引言

隨著能源危機的不斷加深，電能的利用越來越重要越廣泛。為了提高電能的使用效率，適應(yīng)環(huán)保要求，降低電網(wǎng)及電器設(shè)備電能污染，對電能的監(jiān)測非常重要，而監(jiān)測電量的HALL傳感器更是核心部件。如何設(shè)計出高精度、準確性以及更長使用壽命的HALL傳感器，對改善電能行業(yè)有著重要的意義和作用。傳統(tǒng)的設(shè)計方法主要依靠設(shè)計人員的各自經(jīng)驗進行開發(fā)設(shè)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(tǒng)設(shè)計中的不足，對HALL傳感器中的關(guān)鍵磁場因素采用先進的仿真技術(shù)進行研究分析，結(jié)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(shè)計參數(shù)，大大地提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。

2 基于FLUX的傳感器磁場仿真分析

2.1 FLUX電磁場有限元分析

FLUX是法國CEDRAT公司出品的一款功能強大的場有限元分析工具，它可以進行磁場，電場，熱場以及它們之間耦合場的仿真分析，被廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)領(lǐng)域。其中的磁場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 的磁場仿真過程如圖3所示，軟件本身具有自下向上的三維建模功能，同時也可以導(dǎo)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型。該軟件提供了點元，線元，體元等多種網(wǎng)格單元元素，同時可以根據(jù)設(shè)計者的關(guān)注點不同選擇特定的繪制網(wǎng)格方法。不同的應(yīng)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(shè)置過程中需要配置多項參數(shù)以擬合B(H)變化曲線。也可以從已經(jīng)建立好的材料庫中導(dǎo)入到分析程序。FLUX有強大而靈活的客戶程序定制功能PyFlux計算機語言，提供從建立模型、網(wǎng)格繪制到物理屬性邊界條件設(shè)置的編程功能。設(shè)計者可以很靈活的根據(jù)要求編制程序?qū)崿F(xiàn)特殊的功能。

HALL傳感器磁路通常工作在線性區(qū)域，軟件提供了SuperLU線性直接求解器，它是一款免費的、由ANSI/C語言編寫的高斯消除算法程序模塊，可以求解2D和3D模型。又針對模型的對稱和非對稱性，F(xiàn)LUX還提供了多種適應(yīng)的迭代求解器：CG，BiCG，BiCGStab和GMRES等，另外有相應(yīng)的求解器參數(shù)調(diào)整。

為了真實的反映傳感器磁場的分布情況，非線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性的磁場求解，但其收斂性無法得到保證，F(xiàn)LUX使用改進的牛頓-拉普生算法可高效的進行磁場的分析計算。

為方便對計算結(jié)果進行研究和分析，軟件提供了強大的后處理功能，對點，線，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傳感器仿真分析實例

磁補償式HALL電流傳感器的磁路是整個傳感器有效工作的關(guān)鍵，其磁芯材料為坡莫合金，特點是磁導(dǎo)率較高而BS飽和較低，當(dāng)測量電流IP較大時磁性材料很容易飽和，此時，傳感器的輸出已經(jīng)不能和原邊被測電流成線形關(guān)系，甚至嚴重失真，造成各項指標超差，給整個電器設(shè)備的控制系統(tǒng)提供錯誤、失真信號，會造成設(shè)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(xiàn)，設(shè)計出滿足應(yīng)用要求的傳感器。下面LEM公司某系列HALL電流傳感器為例進行磁路磁場分析。

LEM公司是國際知名的跨國公司,是電力電子傳感器的先驅(qū)和發(fā)明者，專業(yè)從事電量傳感器設(shè)計開發(fā)及生產(chǎn)。本實例傳感器就是LEM公司廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)圖和有限元網(wǎng)格圖，其初始設(shè)計為矩形等截面積結(jié)構(gòu)，經(jīng)過磁場分析，測量額定值IPN時磁芯部分已經(jīng)飽和，傳感器參數(shù)超標。改進后設(shè)計為近似矩形變截面積結(jié)構(gòu)如圖2-A。

在傳感器的磁場分布分析中，需要關(guān)聯(lián)傳感器磁路，由于傳感器工藝結(jié)構(gòu)要求，磁芯結(jié)構(gòu)中存在通孔，形成了局部磁回路，與系統(tǒng)主磁路不同，復(fù)雜化了分析過程，影響分析結(jié)果的真實性。因此，需要對磁芯模型進行磁路切割，如圖2-B所示，紅色曲面為切割面。

根據(jù)磁芯結(jié)構(gòu)特點，選擇適當(dāng)?shù)臒o限邊界體來限制求解區(qū)域，如圖2-C中的方體。它是代表邊界區(qū)域，尺寸大小可以根據(jù)視覺效果比例設(shè)定。網(wǎng)格的劃分應(yīng)根據(jù)研究對象有所不同。對于補償線圈和被測量電流導(dǎo)線，F(xiàn)LUX在求解的時候，按照磁勢源來計算而不考慮其導(dǎo)線內(nèi)部磁場分布。這大大優(yōu)化了計算求解過程(圖2-D)。

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

3結(jié)論

FLUX軟件在磁場分析方面功能強大，可以提供多方面的仿真分析以及結(jié)果后處理功能?；谠撥浖欧抡娣治鲇行У慕鉀Q了傳統(tǒng)電流傳感器設(shè)計中依靠經(jīng)驗的低效和不足。通過LEM的200安培磁補償式電流傳感器的磁場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(shè)計開發(fā)得效率和速度，增強了企業(yè)對市場的快速反應(yīng)力。同時也提高了應(yīng)用傳感器的電器設(shè)備的可靠性，對整個電能應(yīng)用領(lǐng)域有著非常重要的意義。