FLUX的HALL電流傳感器磁場(chǎng)仿真研究與分析

1. 引言

隨著能源危機(jī)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(yīng)環(huán)保要求，降低電網(wǎng)及電器設(shè)備電能污染，對(duì)電能的監(jiān)測(cè)非常重要，而監(jiān)測(cè)電量的HALL傳感器更是核心部件。如何設(shè)計(jì)出高精度、準(zhǔn)確性以及更長(zhǎng)使用壽命的HALL傳感器，對(duì)改善電能行業(yè)有著重要的意義和作用。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要依靠設(shè)計(jì)人員的各自經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，有很大的不確定性，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。本文針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的不足，對(duì)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(jié)合優(yōu)秀的仿真軟件，有效的提高了HALL傳感器的多項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，大大地提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(guó)CEDRAT公司出品的一款功能強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)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(dǎo)入其它三維軟件建立的模型。對(duì)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(diǎn)元，線元，體元等多種網(wǎng)格單元元素，同時(shí)可以根據(jù)設(shè)計(jì)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(yīng)用環(huán)境需要不同的磁性材料，HALL傳感器對(duì)材料的要求比較嚴(yán)格，為了提高仿真程度，物理屬性設(shè)置過(guò)程中需要配置多項(xiàng)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(kù)中導(dǎo)入到分析程序。FLUX有強(qiáng)大而靈活的客戶程序定制功能PyFlux計(jì)算機(jī)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(shè)置的編程功能。設(shè)計(jì)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(fèi)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(duì)模型的對(duì)稱和非對(duì)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(shí)的反映傳感器磁場(chǎng)的分布情況，非線性的求解常被用作驗(yàn)證分析。牛頓-拉普生算法廣泛用在非線性的磁場(chǎng)求解，但其收斂性無(wú)法得到保證，F(xiàn)LUX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(jì)算。

為方便對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究和分析，軟件提供了強(qiáng)大的后處理功能，對(duì)點(diǎn)，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(shí)例

磁補(bǔ)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(dǎo)率較高而B(niǎo)S飽和較低，當(dāng)測(cè)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(cè)電流成線形關(guān)系，甚至嚴(yán)重失真，造成各項(xiàng)指標(biāo)超差，給整個(gè)電器設(shè)備的控制系統(tǒng)提供錯(cuò)誤、失真信號(hào)，會(huì)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(jì)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(jìn)行磁路磁場(chǎng)分析。

LEM公司是國(guó)際知名的跨國(guó)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(jì)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)。本實(shí)例傳感器就是LEM公司廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域、測(cè)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(jì)為矩形等截面積結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)分析，測(cè)量額定值IPN時(shí)磁芯部分已經(jīng)飽和，傳感器參數(shù)超標(biāo)。改進(jìn)后設(shè)計(jì)為近似矩形變截面積結(jié)構(gòu)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(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(guò)程，影響分析結(jié)果的真實(shí)性。因此，需要對(duì)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(jù)磁芯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)限邊界體來(lái)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(jué)效果比例設(shè)定。網(wǎng)格的劃分應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象有所不同。對(duì)于補(bǔ)償線圈和被測(cè)量電流導(dǎo)線，F(xiàn)LUX在求解的時(shí)候，按照磁勢(shì)源來(lái)計(jì)算而不考慮其導(dǎo)線內(nèi)部磁場(chǎng)分布。這大大優(yōu)化了計(jì)算求解過(guò)程(圖2-D)。

對(duì)該200安培傳感器的求解應(yīng)用線性求解器，計(jì)算結(jié)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(dá)到飽和滿足測(cè)量范圍要求。同時(shí)FLUX結(jié)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(nèi)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(shì)圖(圖5-C)可以看出其中磁場(chǎng)非常微弱，驗(yàn)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(shí)際試驗(yàn)應(yīng)用情況吻合。

3結(jié)論

FLUX軟件在磁場(chǎng)分析方面功能強(qiáng)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(jì)中依靠經(jīng)驗(yàn)的低效和不足。通過(guò)LEM的200安培磁補(bǔ)償式電流傳感器的磁場(chǎng)仿真分析驗(yàn)證了該仿真流程的有效性，對(duì)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(jì)開(kāi)發(fā)得效率和速度，增強(qiáng)了企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)力。同時(shí)也提高了應(yīng)用傳感器的電器設(shè)備的可靠性，對(duì)整個(gè)電能應(yīng)用領(lǐng)域有著非常重要的意義。