閆四玉
(萊姆電子(中國)有限公司研發(fā)中心，北京，101300)
The study & analysis of magnetic field simulation of HALL current transducer based on FLUX
Yan Si-yu
(1. R&D center, Beijing LEM Electronics Co., Ltd. Beijing 101300, China)
[摘要]：介紹了磁補償式HALL電流傳感器的工作原理及磁路，并根據(jù)傳感器磁場磁路的特點對電磁場經(jīng)典方程進行假設推演出電流傳感器磁場有限元求解方程組。研究分析了FLUX軟件的建模功能，網(wǎng)格編織特點，磁場仿真求解器原理和整個仿真求解分析流程。最后基于FLUX軟件以LEM一款工業(yè)通用磁補償式電流傳感器為例進行全面的磁場仿真分析處理。這種磁場的仿真研究分析方法利于提高傳感器設計效率和質(zhì)量。
關鍵詞： 三維有限元仿真;FLUX;LEM電流傳感器;磁場仿真
[Abstract]：The working principle and magnetic circuit of the magnetic compensation HALL current transducer were introduced, and the finite element solved equations to current transducer was deduced according to its’ feature of magnetic field and circuit and classic electro-magnetic field equations. FLUX software modeling function, mesh feature, principal of magnetic solver and whole analysis process of magnetic simulation were studied. At last, one magnetic compensation current transducer, as an example, was analyzed through whole simulation process based on FLUX software. The method to analyze the magnetic field benefits improving the quality and design efficiency of transducer.
Key Words: 3D finite element simulation; FLUX; LEM current transducer; magnetic simulation
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，適應環(huán)保要求，降低電網(wǎng)及電器設備電能污染，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)的設計方法主要依靠設計人員的各自經(jīng)驗進行開發(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(tǒng)設計中的不足，對HALL傳感器中的關鍵磁場因素采用先進的仿真技術進行研究分析，結(jié)合優(yōu)秀的仿真軟件，有效的提高了HALL傳感器的多項關鍵設計參數(shù)，大大地提高了產(chǎn)品的設計質(zhì)量。
2. 磁補償式HALL電流傳感器工作原理
Fig.1 The principle of magnetic compensation HALL current transducer
磁補償式HALL電流傳感器有測量精度高，線性度好，響應快，頻帶寬等諸多優(yōu)點，被廣泛的應用在各個工業(yè)領域。其工作原理如圖1所示，被測電流 在磁芯中形成的磁場 經(jīng)由HALL器件感應放大，并轉(zhuǎn)換成電壓信號以驅(qū)動補償功率電路產(chǎn)生補償電流 ，帶有 的補償線圈產(chǎn)生的磁場 與 進行補償,直到平衡 ，此時有 ， 即 。這樣 信號就可以反映被測信號的變化，實現(xiàn)了測量的功能。從上述過程可知HALL器件起著指示零磁通的作用，而線圈中的電流不能突變，該電流補償過程是一個動態(tài)平衡過程[1]。
根據(jù)HALL傳感器工作原理、磁阻和自感以及互感之間的關系，可以建立傳感器磁路模型。在Flux仿真分析過程中需要關聯(lián)系統(tǒng)磁路模型(圖2所示)。
圖2 HALL電流傳感器的磁路模型
Fig.2 the magnetic circuit model of HALL current transducer
NSIS： 由線圈產(chǎn)生的安匝數(shù) (NP,S:原副邊線圈匝數(shù))
φ : 線圈產(chǎn)生的主磁通
φσ :線圈漏磁通
φσS : 氣隙漏磁通 (邊緣效應)
φδs :通過氣隙的磁通
R f : 鐵心磁阻
Rδ1 : 氣隙磁阻
Rσ1 : 漏磁阻
3. 傳感器三維靜磁場有限元求解原理
根據(jù)HALL電流傳感器電磁場特殊特點，結(jié)合應用條件和環(huán)境的最壞情形，做如下假設，不影響仿真分析結(jié)果。
假設1：磁平衡系統(tǒng)為時不變系統(tǒng)，狀態(tài)變量對時間有
假設2：磁場仿真只關聯(lián)B和H磁場量，電場量E和D與系統(tǒng)解耦。
根據(jù)假設條件，Maxwell電磁場方程組[2]可以重新列為：
------------------(1)
對于HALL電流傳感器的磁性材料有：
----------------------------------------(2)
根據(jù)方程(1)、(2)，結(jié)合Biot-Savart定律和Possion矢量方程以及邊界條件可以求解磁場變量，得到的HALL傳感器磁場有限元求解方程為：
----------------------------(3)
4 基于FLUX的傳感器磁場仿真分析
4.1 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，被廣泛應用在各種工業(yè)領域。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[3]。
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)設計者的關注點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置的編程功能。設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。
圖3. FLUX磁場仿真分析流程圖
Fig.3 The simulation and analysis flowchart of FLUX magnetic field
FLUX軟件求解方程組(1)(2)，(3)有線性和非線性兩種，而對于時變系統(tǒng)(忽略假設1)則采用Euler求解器。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還提供了多種適應的迭代求解器：CG，BiCG，BiCGStab和GMRES等，另外有相應的求解器參數(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。
4.2 HALL傳感器仿真分析實例[3][4]
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鍵，其磁芯材料為坡莫合金，特點是磁導率較高而BS飽和較低，當測量電流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系，甚至嚴重失真，造成各項指標超差，給整個電器設備的控制系統(tǒng)提供錯誤、失真信號，會造成設備的誤操作。按照上述的磁分析方法可以有效避免這種情況出現(xiàn)，設計出滿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)從事電量傳感器設計開發(fā)及生產(chǎn)。本實例傳感器就是LEM公司廣泛應用在工業(yè)控制領域、測量范圍為200A的傳感器。圖4是它磁芯的3D結(jié)構(gòu)圖和有限元網(wǎng)格圖，其初始設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。改進后設計為近似矩形變截面積結(jié)構(gòu)如圖4-A。
圖4 VV200-P電流傳感器結(jié)構(gòu)和有限元網(wǎng)格圖
Fig.4 the VV200-P current transducer structure and FEM mesh
在傳感器的磁場分布分析中，需要關聯(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(圖2)不同，復雜化了分析過程，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4-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?shù)臒o限邊界體來限制求解區(qū)域，如圖4-C中的方體。它是代表邊界區(qū)域，尺寸大小可以根據(jù)視覺效果比例設定。網(wǎng)格的劃分應根據(jù)研究對象有所不同。對于補償線圈和被測量電流導線，F(xiàn)LUX在求解的時候，按照磁勢源來計算而不考慮其導線內(nèi)部磁場分布。這大大優(yōu)化了計算求解過程(圖4-D)。
對該200安培傳感器的求解應用線性求解器，計算結(jié)果如圖5所示，從傳感器磁芯體磁場分布色圖(圖5-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5-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用情況吻合。
圖5 傳感器磁場計算結(jié)果后處理圖
Fig.5 the output figure of transducer field calculation post-process
5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)品設計開發(fā)得效率和速度，增強了企業(yè)對市場的快速反應力。同時也提高了應用傳感器的電器設備的可靠性，對整個電能應用領域有著非常重要的意義。
參考文獻：
[1] A. M. Ilyukovich. Hall's effect and its application in measurement techniques, [J] Measurement Techniques, Springer New York, 2005-1 623-626
[2] Bhag Singu Guru, Huseyin R.Hiziroglu. Electromagnetic field fundamentals [M]. China Machine press. Jan 2005 57-61
[3] FLUX10 2D&3D applications user’s guide volume 4 [M]. France, CEDRAT 2007,3-20
[4] Wilson, P.R.; Ross, J.N.; Brown, A.D. Simulation of magnetic component models in electric circuitsincluding dynamic thermal effects. [J] Power Electronics, IEEE Transactions on Volume 17, Issue 1, Jan 2002 55 – 65
作者介紹：
閆四玉 男 1975/11/29 洛陽人 身份證：410305197511292516。
碩士研究生學歷 主要研究領域工業(yè)控制與仿真
已發(fā)表論文5篇
聯(lián)系方式：15202931250(M)。ysy@lem.com
