霍爾傳感器磁路結(jié)構(gòu)仿真分析與優(yōu)化

寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司，浙江寧波 315021

一、引言

隨著信息化時代的發(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部分。此前，對于電路設(shè)計、磁路設(shè)計以及霍爾敏感元件的應(yīng)用多有研究，其中電路設(shè)計以及霍爾應(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行簡化計算，對于不均勻截面的磁路結(jié)構(gòu)未能深入計算分析[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，副邊線圈會產(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，通過副邊線圈測量得到的電流大小就可以計算出原邊電流大小[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)計成扁平狀截面。同時為了遵循傳感器小體積設(shè)計原則，整個磁路設(shè)計成扁平矩形結(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、磁路分析計算

1、疊片鐵芯的磁場計算

若電路中的兩點間存在電位差，則這兩點間可能產(chǎn)生電流。同樣，在磁路中兩點間存在磁位差，則這兩點間可能產(chǎn)生磁通。可利用類似于電路的電位分析法對磁路進行分析，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，因磁路左右兩側(cè)的疊片鐵芯之間存在著間隙，故而也會產(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，磁場強度H沿著任意封閉的曲線進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)的磁場強度；

H0—氣隙處磁場強度；

l1、l2—矩形磁路的長、寬尺寸；

g—氣隙大小。

根據(jù)磁通和磁場強度之間的關(guān)系，有：

其中，μr—磁芯中的磁導(dǎo)率；

μ0—氣隙處的磁導(dǎo)率。

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

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)強度與磁路疊片間隙引起的漏磁、磁路各個磁鏈的截面積有關(guān)，下面結(jié)合Maxwell仿真軟件針對磁路進行仿真分析。

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)用在各個工程電磁領(lǐng)域[8]。結(jié)合Maxwell仿真軟件，對現(xiàn)有模型進行仿真分析，模型創(chuàng)建后如圖4所示。

銅母排上施加原邊電流激勵，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，原副邊之間的安匝比相等，對于磁場中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度方向相反，對模型進行靜電磁場求解，得到如圖5的磁場磁感應(yīng)強度分布圖。

圖5中所示為原邊電流1000A時磁路中的磁感應(yīng)強度分布圖，由圖中可以看出，氣隙處的磁感應(yīng)強度較小。而從理論上來說，當(dāng)氣隙的磁感應(yīng)強度為零時，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)強度。取氣隙中間點作為研究對象，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)強度隨著電流的增大而增加。可見，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，氣隙中還能產(chǎn)生磁感應(yīng)強度，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?；诖丝紤]，結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)制造能力，對原有的磁路結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，減小疊片間的氣隙影響，同時使得環(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，同時也使得優(yōu)化后的磁路各個截面積均勻分布。

采用Maxwell對優(yōu)化后的磁路模型進行仿真分析，施加的原副邊電流激勵和原仿真模型的激勵相同。取氣隙處相同點作為研究對象，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，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、傳感器樣機驗證

為了驗證優(yōu)化后的磁路對產(chǎn)品性能的提升，分別對傳感器樣機以及安裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)磁路后的傳感器樣機進行測試，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)化的實際狀態(tài)。

樣機的基本參數(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為一個測試點記錄輸出，表1為原有傳感器經(jīng)過零點調(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，而零點輸出穩(wěn)定性、線性度等基本性能也均得到提升，同時減少了零點調(diào)試的工序。

表1 原有傳感器基本性能測試數(shù)據(jù)

表2 改造后傳感器樣機基本性能測試數(shù)據(jù)

yi—傳感器在第i個測量點上的輸出理論值；

YFS—滿量程理論輸出值。

y"i—擬合直線上第i個點的值；

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

—傳感器測量上限實際輸出信號的平均值；

—被測量為零時傳感器的實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)進行理論計算和仿真分析，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，同時也減小了整個磁路的體積，使得產(chǎn)品性能穩(wěn)定的同時實現(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，同時使得產(chǎn)品零點穩(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，利于在產(chǎn)品生產(chǎn)制造的同時降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)降本增效。