寧波中車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司，浙江寧波 315021

一、引言

隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，作為前端信號檢測的關(guān)鍵器件——傳感器凸顯的作用越來越明顯?；魻栯娏鱾鞲衅骶褪瞧渲幸环N，廣泛應(yīng)用于軌道交通、工業(yè)變頻、光伏及汽車等行業(yè)[1-2]。

霍爾電流傳感器可分為磁路、敏感元件及電路三個(gè)部分。此前，對于電路設(shè)計(jì)、磁路設(shè)計(jì)以及霍爾敏感元件的應(yīng)用多有研究，其中電路設(shè)計(jì)以及霍爾應(yīng)用部分研究較為深入，而磁路部分則多以規(guī)則等截面磁路為研究對象，通過磁電等效的方式對磁路進(jìn)行簡化計(jì)算，對于不均勻截面的磁路結(jié)構(gòu)未能深入計(jì)算分析[3-4]。

本文以一款方形母排穿心孔的閉環(huán)霍爾電流傳感器磁路結(jié)構(gòu)作為研究對象，分析不均勻磁路結(jié)構(gòu)的磁場分布及影響傳感器性能的關(guān)鍵要素，從而進(jìn)行改善和優(yōu)化，提升傳感器的性能。

二、傳感器原理及磁路結(jié)構(gòu)

1、傳感器的工作原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器通過副邊線圈的電流對原邊電流的反饋跟隨，在磁路中兩者產(chǎn)生的磁場相抵消后使得氣隙處的霍爾器件（HALL）始終處于零磁通的狀態(tài)。

圖1所示為傳感器工作原理圖，當(dāng)原邊電流在磁路中產(chǎn)生磁場時(shí)，副邊線圈會(huì)產(chǎn)生對應(yīng)大小的電流使得磁路中產(chǎn)生相反方向的磁場，并與原邊電流產(chǎn)生的磁場相抵消，使氣隙處的磁場處于零磁通狀態(tài)。原、副邊線圈匝數(shù)已知時(shí)，通過副邊線圈測量得到的電流大小就可以計(jì)算出原邊電流大小[5-6]。

2、疊片鐵芯的磁路結(jié)構(gòu)

傳感器的現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境是復(fù)雜多樣的，包括安裝接口以及原邊電流的載體銅母排尺寸形狀也各不相同。扁平狀銅母排是現(xiàn)場應(yīng)用中較為常見的一種，故而傳感器的母排穿心孔設(shè)計(jì)成扁平狀截面。同時(shí)為了遵循傳感器小體積設(shè)計(jì)原則，整個(gè)磁路設(shè)計(jì)成扁平矩形結(jié)構(gòu)，從而減小傳感器整體的體積。

由于矩形磁路的線圈整體繞制較為復(fù)雜，故而采用分體式線圈磁路結(jié)構(gòu)。即先繞制平直線圈，再將疊片鐵芯進(jìn)行對插后組裝成磁路結(jié)構(gòu)。圖2所示為傳感器疊片鐵芯磁路結(jié)構(gòu)示意圖。單片的C型鐵芯分別從兩側(cè)依次對插到副邊線圈1和副邊線圈2中形成傳感器的磁路。副邊線圈1中間為氣隙處，氣隙兩側(cè)為不重疊鐵芯，副邊線圈兩側(cè)為疊片鐵芯交叉重疊處，磁路另外兩邊的鐵芯因一側(cè)為單組另一側(cè)為兩組交叉而形成疊片間隙。

三、磁路分析計(jì)算

1、疊片鐵芯的磁場計(jì)算

若電路中的兩點(diǎn)間存在電位差，則這兩點(diǎn)間可能產(chǎn)生電流。同樣，在磁路中兩點(diǎn)間存在磁位差，則這兩點(diǎn)間可能產(chǎn)生磁通?？衫妙愃朴陔娐返碾娢环治龇▽Υ怕愤M(jìn)行分析，從而了解漏磁的分布[7]。

如圖3所示為疊片鐵芯磁路中的磁通分布示意圖。

由于副邊線圈集中繞制在磁路的上下兩邊，線圈產(chǎn)生的磁通被磁芯短路，磁勢落在周圍空氣，漏磁主要集中在線圈兩端，分別是線圈兩端之間的漏磁Φσ1、Φσ3以及兩線圈之間的漏磁Φσ2等。同時(shí)，因磁路左右兩側(cè)的疊片鐵芯之間存在著間隙，故而也會(huì)產(chǎn)生漏磁Φσ4。鐵芯的截面分別是A1、A2、A3以及A4，鐵芯內(nèi)部經(jīng)過的磁通分別是Φ1、Φ2、Φ3、Φ4。副邊線圈電流大小為I1，上邊線圈匝數(shù)為N1，下邊線圈匝數(shù)為N2，原邊電流大小為I2。

根據(jù)磁路的基爾霍夫定律，磁路中的任意節(jié)點(diǎn)的磁通之和等于零，有：

于是有：

根據(jù)安培環(huán)路定律，在電流產(chǎn)生的磁場中，磁場強(qiáng)度H沿著任意封閉的曲線進(jìn)行積分所得到的值等于此封閉的曲線中包圍的所有電流之和，即：

于是有：

其中，H1、H2、H3、H4—分別為磁鏈上磁通Φ1、Φ2、Φ3、Φ4對應(yīng)的磁場強(qiáng)度；

H0—?dú)庀短幋艌鰪?qiáng)度；

l1、l2—矩形磁路的長、寬尺寸；

g—?dú)庀洞笮　?/p>

根據(jù)磁通和磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系，有：

其中，μr—磁芯中的磁導(dǎo)率；

μ0—?dú)庀短幍拇艑?dǎo)率。

聯(lián)立（2）、（4）、（5）可得氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

其中，a—常系數(shù)；

b、c—和磁路截面積相關(guān)的系數(shù)；

Φσ—等效漏磁通。

由式（6）可見，傳感器磁路氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁路疊片間隙引起的漏磁、磁路各個(gè)磁鏈的截面積有關(guān)，下面結(jié)合Maxwell仿真軟件針對磁路進(jìn)行仿真分析。

2、疊片鐵芯的磁場仿真

Ansoft Maxwell是在低頻電磁場領(lǐng)域中著名的有限元軟件之一，廣泛應(yīng)用在各個(gè)工程電磁領(lǐng)域[8]。結(jié)合Maxwell仿真軟件，對現(xiàn)有模型進(jìn)行仿真分析，模型創(chuàng)建后如圖4所示。

銅母排上施加原邊電流激勵(lì)，大小從0A到1000A，以100A線性遞增。線圈1和線圈2上施加副邊電流激勵(lì)，原副邊之間的安匝比相等，對于磁場中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相反，對模型進(jìn)行靜電磁場求解，得到如圖5的磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

圖5中所示為原邊電流1000A時(shí)磁路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，由圖中可以看出，氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度較小。而從理論上來說，當(dāng)氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，副邊線圈電流才能精確地反應(yīng)原邊電流的大小，故而需考察氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。取氣隙中間點(diǎn)作為研究對象，提取仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著電流的增大而增加?？梢?，疊片對插磁路中由于漏磁、截面積不均勻等因素的影響，造成當(dāng)原副邊安匝比相等，產(chǎn)生磁通方向相反時(shí)，氣隙中還能產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度，不能滿足零磁通的要求，從而影響產(chǎn)品的測量精度等基本性能。

3、磁路模型優(yōu)化

由上述分析可知，影響磁路的主要因素有磁路的鐵芯疊片氣隙大小、磁路的橫截面積是否均勻等。基于此考慮，結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)制造能力，對原有的磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小疊片間的氣隙影響，同時(shí)使得環(huán)路上的截面積均勻。

圖7所示為優(yōu)化后的磁路模型圖。由于原先的C型鐵芯對插后所產(chǎn)生的中間疊片間隙以及截面積不均勻，故而為使鐵芯能夠緊密貼合，采取L型和C型鐵芯進(jìn)行對插的結(jié)構(gòu)方案，層間交叉疊片，從而使得整體鐵芯磁路平整，層間緊密貼合，避免產(chǎn)生疊片間隙，同時(shí)也使得優(yōu)化后的磁路各個(gè)截面積均勻分布。

采用Maxwell對優(yōu)化后的磁路模型進(jìn)行仿真分析，施加的原副邊電流激勵(lì)和原仿真模型的激勵(lì)相同。取氣隙處相同點(diǎn)作為研究對象，提取仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度基本穩(wěn)定在零附近，說明通過磁路的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，來改善原先磁路結(jié)構(gòu)存在的不足之處，利于產(chǎn)品性能的提升。

四、傳感器樣機(jī)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的磁路對產(chǎn)品性能的提升，分別對傳感器樣機(jī)以及安裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)磁路后的傳感器樣機(jī)進(jìn)行測試，收集數(shù)據(jù)分析基本誤差、線性度等基本性能，從而判斷磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實(shí)際狀態(tài)。

樣機(jī)的基本參數(shù)：

額定測量電流：1000A；

測量范圍：0A～±2000A；

額定測量輸出：200mA；

精度：<±0.5%；

線性度誤差：<0.1%。

將傳感器原邊輸入電流從0A到1000A，以200A為一個(gè)測試點(diǎn)記錄輸出，表1為原有傳感器經(jīng)過零點(diǎn)調(diào)試之后的數(shù)據(jù)，表2為裝配后無需調(diào)試直接測試的數(shù)據(jù)。從表中可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的精度σ由0.107%提升至0.040%以上，而零點(diǎn)輸出穩(wěn)定性、線性度等基本性能也均得到提升，同時(shí)減少了零點(diǎn)調(diào)試的工序。

表1 原有傳感器基本性能測試數(shù)據(jù)

表2 改造后傳感器樣機(jī)基本性能測試數(shù)據(jù)

yi—傳感器在第i個(gè)測量點(diǎn)上的輸出理論值；

YFS—滿量程理論輸出值。

y"i—擬合直線上第i個(gè)點(diǎn)的值；

YFS—滿量程理論輸出值。

擬合直線采用端基法，其直線方程為：

a—端基直線截距

—傳感器測量上限實(shí)際輸出信號的平均值；

—被測量為零時(shí)傳感器的實(shí)際輸出信號的平均值；

xmax，x0—傳感器測量上限輸入值和零輸入值。

經(jīng)過計(jì)算，表1擬合直線方程為y"=-0.049+0.199835x，表2擬合直線方程為y"=0.064+0.200016x。

五、結(jié)論

本文主要通過對現(xiàn)有疊片C型對插鐵芯的磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算和仿真分析，提出了現(xiàn)有磁路的不足以及影響產(chǎn)品基本性能的關(guān)鍵因素，在此條件上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用L+C型疊片鐵芯，從而改善磁路，提升產(chǎn)品基本性能。主要包括如下：

（1）優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)，避免原

先磁路中因疊片結(jié)構(gòu)造成的兩側(cè)間隙，使得鐵芯層與層之間疊片緊密，減少磁路中的漏磁通的影響；

（2）采用L+C型的疊片鐵芯結(jié)構(gòu)，使得鐵芯疊片之后的磁路截面積均勻，同時(shí)也減小了整個(gè)磁路的體積，使得產(chǎn)品性能穩(wěn)定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)小體積；

（3）通過優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)，改善產(chǎn)品的基本性能，精度從0.107%提升至0.040%以上，同時(shí)使得產(chǎn)品零點(diǎn)穩(wěn)定，批量生產(chǎn)一致性好，縮減了產(chǎn)品調(diào)試過程中的大量工時(shí)，利于在產(chǎn)品生產(chǎn)制造的同時(shí)降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)降本增效。