基于FeSiB/PZT-82/FeSiB磁電復合材料的分芯閉環(huán)電流傳感器研究

辛明勇,王景琦,徐長寶,王 宇,張紫嫣,魯彩江

(1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院,貴州貴陽 550005;2.西南交通大學機械工程學院,四川成都 610031)

0 引言

目前,以磁場檢測為原理的非接觸式電流傳感器在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用,主要分為電流互感器[1]、霍爾器件[2]、光纖電流互感器[3]和巨磁阻(GMR)元件[4]等,但均需穩(wěn)定的外部電源進行供電;而基于磁電復合材料的交流傳感器在電路中相當于一個無源二端元件,因而不存在上述問題。

根據安培定律,載流導線周圍會產生交流或直流磁場,渦流磁場的強度H取決于導線中的電流I和敏感元件與載流導線間的距離r(H=I/2πr)。在交流激勵磁場的作用下,磁致伸縮相會發(fā)生形變,并通過層間的機械耦合作用將這一形變傳遞至壓電相,從而使壓電相產生電極化,完成從磁場到電場的轉換[5],磁電電流傳感器結構簡單、靈敏度高、無需外部供能和低成本受到越來越多的研究關注[6-7]。目前已經提出了很多基于磁電復合材料的電流傳感器,主要通過使用矩形磁電復合材料測量50 Hz交流[8-10]、直流[11]或脈沖電流[12],主要分為疊層開環(huán)結構[8-10]和穿芯閉環(huán)結構[13-14]。

疊層開環(huán)結構可采用單端夾持懸臂梁[8-10]和兩端自由梁[15]。采用兩端自由梁時,其工作在非諧振模態(tài),因此靈敏度較低[15]。單端夾持懸臂梁可將傳感器諧振頻率調至被檢測頻率,如工頻50 Hz,進而可獲取較大的靈敏度。例如,2019年,吳宇等[9-10]提出了一種具有自偏置磁-機-電耦合效應的新型電流傳感器,傳感器中SrFe12O19薄帶的大矯頑磁場為磁致伸縮層提供了所需的偏置磁場,實現了自偏置效應,同時該傳感器采用懸臂梁結構實現了諧振頻率可調的功能。懸臂梁開環(huán)式電流傳感器可以獲得較大的靈敏度,但是由于其單端固定,在測量過程中容易受到外界振動和雜散磁場的干擾,同時還需嚴格保證導線與敏感元件的相對位置。

為了增加磁電電流傳感器的檢測靈敏度,研究者們利用磁場匯聚磁芯,構建了穿芯閉環(huán)結構[13-14]。2012年,重慶大學張吉濤等[13]設計了一種閉環(huán)式高靈敏度(42.6 mV/A)電流傳感器,其主要由磁芯結構和Terfenol-D/PZT/Terfenol-D磁電復合材料構成。2014年,張吉濤等[14]提出了一種用于工頻小電流檢測的新型電流傳感器,其核心是由自偏置SmFe2/PZT/SmFe2磁電材料和鐵基納米晶磁環(huán)構成。但上述兩種傳感器不具有開合功能,為了解決這個問題,2021年,魯彩江等[16]設計了一種基于Terfenol-D/PZT/Terfenol-D磁電材料的分芯式電流傳感器,測量結果表明,對于10 A～1 kA的50 Hz工頻電流,其測量靈敏度可達52.79 mV/A,線性度約為99.88%。值得注意的是,該傳感器實現了開合功能,便于實際測量使用。

但是,對于閉環(huán)式電流傳感器,其大多數都采用巨磁致伸縮材料Terfenol-D,材料磁導率較低、磁滯較大;同時,對直流偏置磁場的要求較高,只有在較大的偏置磁場下,才能使其發(fā)揮更好的性能,不利于實際使用。

基于以上,本文提出了一種分芯閉環(huán)磁電電流傳感器,其由高磁導率、低磁滯的FeSiB/PZT-82/FeSiB(FPF)磁電復合材料、3塊硅鋼磁芯和一對永磁體組成。相較于無磁芯結構(疊層開環(huán)結構),它具有更高的靈敏度和線性度,同時具有較好的時間穩(wěn)定性,可以用于載流導線的工頻小電流測量。

1 有限元仿真分析

本文使用COMSOL有限元軟件對載流導線周圍的磁場分布進行仿真分析,如圖1(a)所示。圖1(b)展示了FeSiB磁致伸縮層表面的磁場強度Bac分布,其中FeSiB層的尺寸為37 mm×10 mm×1 mm。通過對比可以發(fā)現,FeSiB層使載流導線周圍的磁場強度Bac分布發(fā)生了明顯的變化,可以感應其產生的渦流磁場。

(a)載流導線周圍的磁場分布

(b)FeSiB磁致伸縮層表面的磁場強度Bac分布圖1 電流I=20 A時,載流導線周圍和FeSiB磁致伸縮層的磁場強度分布

為了進一步分析磁芯及導線位置偏移對FeSiB層中磁感應強度分布的影響,建立了如圖2所示的仿真模型,主要包括無磁芯的疊層開環(huán)結構和分芯閉環(huán)結構模型。在仿真中,激勵電流采用邊電流,與磁芯寬度方向平行,初始位置置于磁芯的幾何中心處。磁芯的橫截面積為8 mm×20 mm,FeSiB/PZT/FeSiB(FPF)磁電材料位于磁芯凹槽的中心處。其中空氣域材料、壓電材料屬性設置為Air;磁芯材料屬性設置為Soft Iron,相對磁導率4000;磁致伸縮層材料屬性采用自定義材料FeSiB,相對磁導率10 000。為了方便求解,使計算過程快速收斂,將所有材料的電導率設置為0.001 S/m,對計算結果影響非常小。其中空氣域表面設置為磁絕緣。

(a)疊層開環(huán)模型 (b)分芯閉環(huán)模型 (c)分芯閉環(huán)模型尺寸圖2 基于FPF復合材料電流傳感器仿真模型

設置邊電流頻率為50 Hz、大小為15 A,疊層開環(huán)結構、分芯閉環(huán)結構中磁致伸縮FeSiB層的磁場強度Bac及其矢量分布分別如圖3(a)、圖3(b)所示?？梢钥闯?磁芯結構會影響FeSiB層的磁場強度Bac分布,為了進一步分析,選擇FeSiB層的中心點如圖3(a)點A、圖3(b)點B為分析點。結果表明,在相同電流的激勵下,分芯閉環(huán)結構中FeSiB層的Bac約為開環(huán)結構的36倍,說明分芯閉環(huán)磁芯能夠顯著提升磁致伸縮材料對磁場的匯聚性能,電流傳感性能更優(yōu)。

(a)疊層開環(huán)結構

(b)分芯閉環(huán)結構圖3 電流頻率為50 Hz、大小為15 A時,磁致伸縮FeSiB層磁場強度Bac分布

根據磁路基本定理(忽略漏磁和氣隙的影響),得到載流導線在FeSiB層引起的磁通量Φac:

(2)

式中:I為激勵電流;lF、μF、SF分別為FeSiB磁致伸縮層的長度、相對磁導率和橫截面積;lC、μC、SC分別為硅鋼磁芯的長度、相對磁導率和橫截面積。

由于FeSiB層和磁芯的橫截面積在同一個數量級,可假設SF=SC。由式(2)可得到FeSiB層的磁場強度Bac為:

(3)

根據式(3),FeSiB層表面的磁場強度正比于磁致伸縮材料和磁芯的相對磁導率μF、μC。相較于無磁芯結構,分芯閉環(huán)磁芯中μC大小顯著提高,增強了傳感器的磁匯聚能力,進而獲得更高的電流靈敏度。

由于在實際測量過程中難以保證導線和FPF復合材料的相對位置固定不變,因此進一步分析2種結構中,導線與FPF復合材料相對位置發(fā)生改變對FeSiB層磁場強度Bac分布的影響。仿真結果如圖4、圖5所示,改變導線X、Y軸坐標,使其分別沿著X、Y方向移動,每次使導線移動1 mm。對其X坐標、Y坐標進行參數化掃描,坐標范圍均為-10 mm～10 mm。最后分別以導線在坐標原點時點A、點B的磁場強度為參考值,根據式(4)～式(5),計算導線位于不同X、Y坐標處FeSiB層的磁場強度的相對誤差。

圖4 導線沿X方向偏移時,FeSiB層表面磁場強度Bac的相對誤差

圖5 導線沿Y方向偏移時,FeSiB層表面磁場強度Bac的相對誤差

(4)

(5)

式中:B0為導線位于坐標原點時分析點(A、B)的磁場強度;BX、BY分別為導線位于不同X、Y坐標下分析點(A、B)的磁場強度。

可以看出引入磁芯結構后,當導線沿著X、Y方向移動時,FeSiB層表面的磁通量雖然會發(fā)生改變,但是其相對誤差極小。當導線在磁芯中心X方向上移動±10 mm時,其最大誤差≤0.79%;當導線在磁芯中心Y方向上移動±10 mm時,其最大誤差≤4.05%。因此采用分芯閉環(huán)結構既可以提高FPF敏感元件對磁場的匯聚能力,也可以有效解決磁電電流傳感器受到敏感元件和導線的相對位置影響的問題。

2 器件制備與實驗系統(tǒng)

2.1 FPF器件制備

根據文獻[17]的研究結果,采用L-T工作模式下的FeSiB/PZT-82/FeSiB(FPF)磁電復合材料作為本文中的磁傳感元件,其結構如圖6(a)所示。其中,磁致伸縮相采用了具有優(yōu)良磁致伸縮特性的非晶態(tài)合金薄膜材料FeSiB(上下各6層),沿長度方向磁化,尺寸為36 mm×6 mm×30 μm,相對磁導率為10 000,磁致伸縮系數為2.7×10-6。壓電陶瓷PZT-82作為壓電相,沿厚度方向極化,尺寸為38 mm×6 mm×0.5 mm。磁致伸縮材料FeSiB對稱地分布在壓電陶瓷PZT的上下面,并通過環(huán)氧樹脂膠水黏合在一起;制備好的FPF磁電復合材料如圖6(b)所示。圖6(c)為實驗中采用的3塊硅鋼磁芯。

(c)硅鋼磁芯和NdFeB永磁體實物圖圖6 FeSiB/PZT-82/FeSiB磁電敏感元件

硅鋼磁芯與FeSiB/PZT-82/FeSiB磁電敏感元件構成環(huán)形磁路,匯聚載流導線產生的渦流磁場。在外界交變磁場的作用下,FeSiB磁致伸縮層沿長度方向發(fā)生形變,該形變通過膠層傳遞給壓電層,在PZT板的2個電極上產生相應頻率和幅值的輸出電壓。

2.2 實驗設置

圖7為電流測試系統(tǒng)的原理圖。本實驗采用導線中的電流作為激勵源,所需幅值較大,因此,通過功率放大器(GF-200 W)對信號發(fā)生器(Tektronix AFG3021C)產生的頻率為50 Hz的小交流信號進行放大,同時在功率放大器的輸出端串聯了一個功率為200 W的監(jiān)測電阻用來充當負載并起到限流的作用。導線中的電流可以由電流探頭(Tektronix TRCP300)連接至示波器(Tektronix TBS1202B)進行監(jiān)測。電流傳感器的輸出電壓由示波器和鎖定放大器(SR830)共同檢測,其中鎖相放大器信噪比為常數,SNR=18。

圖7 電流測試系統(tǒng)原理圖

3 實驗結果及討論

圖8顯示了當激勵頻率為1 kHz時,不同偏置磁場下FeSiB/PZT/FeSiB磁電復合材料的磁電電壓系數αME,f=1 kHz。在Hdc=8 Oe(1 Oe=1 000/4π A/m)時,αME,f=1 kHz達到最大,約為244 mV/(cm·Oe);αME,f=1 kHz隨著Hdc的增大而減小。

圖8 f=1 kHz,FPF磁電復合材料磁電電壓系數αME,f=1 kHz隨偏置磁場Hdc的變化曲線

圖9顯示了當載流導線電流為4 A,頻率為50 Hz和偏置磁場分別為0、4 Oe時,FPF電流傳感器的輸入輸出波形圖?？梢杂^察到零偏置下,傳感器輸出電壓出現了倍頻現象,這是因為磁致伸縮材料FeSiB此時工作在非線性區(qū),因此,后續(xù)測量均在偏置磁場Hdc=4 Oe的條件下進行。同時,可以看出,當Hdc=4 Oe時,傳感器輸出電壓的波形對于激勵電流的波形具有良好的跟隨性,存在的相位差極小。

圖9 I=4 A和Hdc=0、4 Oe時,FPF磁電復合材料輸入輸出波形圖

圖10顯示了在直流偏置磁場為4 Oe、載流導線頻率為50 Hz,電流大小在0.1～10 A范圍內時,含有磁芯結構的分芯閉環(huán)電流傳感器和無磁芯結構的FeSiB/PZT-82/FeSiB磁電復合材料的輸出特性圖。采用最小二乘法擬合,本文所提出的分芯閉環(huán)電流傳感器靈敏度S(擬合直線的斜率)可達17.379 mV/A,約為疊層開環(huán)結構的35倍;其最大偏差=0.54 mV,根據最大偏差的絕對值與輸出滿刻度的比值可以得出線性度誤差為±0.63%。從圖10中可直觀看到,含有磁芯結構的分芯閉環(huán)傳感器的輸出電壓與電流有良好的近似線性關系(線性度為99.99%),而疊層開環(huán)結構線性度僅為99.4%。實驗結果表明磁匯聚結構可對載流導線周圍的磁場起到匯聚的作用,進而有效增強磁致伸縮層中磁感應強度,提高傳感器的靈敏度,這在小電流測量環(huán)境下特別重要。

圖10 分芯閉環(huán)FPF電流傳感器和疊層開環(huán)FPF復合材料的輸入輸出特性

4 結論

本文提出了一種采用硅鋼磁芯與FeSiB/PZT-82/FeSiB磁電復合材料的弱電流傳感器,能夠對工頻下的小電流(0～10 A)進行高精度的測量,結構簡單緊湊,使用不受電池或外部供電限制。文中搭建了整個實驗系統(tǒng),并且通過仿真和實驗比較了分芯閉環(huán)結構和疊層開環(huán)結構電流傳感器的輸入輸出特性,結果證明在有磁芯結構下,FPF電流傳感器的靈敏度(17.379 mV/A)約為無磁芯FeSiB/PZT-82/FeSiB復合材料的35倍。同時,該電流傳感器具有較好的線性度(99.99%)和穩(wěn)定性。