FLUX的HALL电流传感器磁场仿真研究与分析

1. 引言

随着能源危机的不断加深，电能的利用越来越重要越广泛。为了提高电能的使用效率，适应环保要求，降低电网及电器设备电能污染，对电能的监测非常重要，而监测电量的HALL传感器更是核心部件。如何设计出高精度、准确性以及更长使用寿命的HALL传感器，对改善电能行业有着重要的意义和作用。传统的设计方法主要依靠设计人员的各自经验进行开发设计，有很大的不确定性，产品质量难以保证。本文针对传统设计中的不足，对HALL传感器中的关键磁场因素采用先进的仿真技术进行研究分析，结合优秀的仿真软件，有效的提高了HALL传感器的多项关键设计参数，大大地提高了产品的设计质量。

2 基于FLUX的传感器磁场仿真分析

2.1 FLUX电磁场有限元分析

FLUX是法国CEDRAT公司出品的一款功能强大的场有限元分析工具，它可以进行磁场，电场，热场以及它们之间耦合场的仿真分析，被广泛应用在各种工业领域。其中的磁场仿真分析功能更是强大，提供了一整套的仿真优化方案[1]。

FLUX 的磁场仿真过程如图3所示，软件本身具有自下向上的三维建模功能，同时也可以导入其它三维软件建立的模型。对3D模型的网格编织和划分有多种方式和类型。该软件提供了点元，线元，体元等多种网格单元元素，同时可以根据设计者的关注点不同选择特定的绘制网格方法。不同的应用环境需要不同的磁性材料，HALL传感器对材料的要求比较严格，为了提高仿真程度，物理属性设置过程中需要配置多项参数以拟合B(H)变化曲线。也可以从已经建立好的材料库中导入到分析程序。FLUX有强大而灵活的客户程序定制功能PyFlux计算机语言，提供从建立模型、网格绘制到物理属性边界条件设置的编程功能。设计者可以很灵活的根据要求编制程序实现特殊的功能。

HALL传感器磁路通常工作在线性区域，软件提供了SuperLU线性直接求解器，它是一款免费的、由ANSI/C语言编写的高斯消除算法程序模块，可以求解2D和3D模型。又针对模型的对称和非对称性，FLUX还提供了多种适应的迭代求解器：CG，BiCG，BiCGStab和GMRES等，另外有相应的求解器参数调整。

为了真实的反映传感器磁场的分布情况，非线性的求解常被用作验证分析。牛顿-拉普生算法广泛用在非线性的磁场求解，但其收敛性无法得到保证，FLUX使用改进的牛顿-拉普生算法可高效的进行磁场的分析计算。

为方便对计算结果进行研究和分析，软件提供了强大的后处理功能，对点，线，面，体以及域的各空间向量值都有多种显示处理：切面，栅格，路经，图表等等。2.2 HALL传感器仿真分析实例

磁补偿式HALL电流传感器的磁路是整个传感器有效工作的关键，其磁芯材料为坡莫合金，特点是磁导率较高而BS饱和较低，当测量电流IP较大时磁性材料很容易饱和，此时，传感器的输出已经不能和原边被测电流成线形关系，甚至严重失真，造成各项指标超差，给整个电器设备的控制系统提供错误、失真信号，会造成设备的误操作。按照上述的磁分析方法可以有效避免这种情况出现，设计出满足应用要求的传感器。下面LEM公司某系列HALL电流传感器为例进行磁路磁场分析。

LEM公司是国际知名的跨国公司,是电力电子传感器的先驱和发明者，专业从事电量传感器设计开发及生产。本实例传感器就是LEM公司广泛应用在工业控制领域、测量范围为200A的传感器。图2是它磁芯的3D结构图和有限元网格图，其初始设计为矩形等截面积结构，经过磁场分析，测量额定值IPN时磁芯部分已经饱和，传感器参数超标。改进后设计为近似矩形变截面积结构如图2-A。

在传感器的磁场分布分析中，需要关联传感器磁路，由于传感器工艺结构要求，磁芯结构中存在通孔，形成了局部磁回路，与系统主磁路不同，复杂化了分析过程，影响分析结果的真实性。因此，需要对磁芯模型进行磁路切割，如图2-B所示，红色曲面为切割面。

根据磁芯结构特点，选择适当的无限边界体来限制求解区域，如图2-C中的方体。它是代表边界区域，尺寸大小可以根据视觉效果比例设定。网格的划分应根据研究对象有所不同。对于补偿线圈和被测量电流导线，FLUX在求解的时候，按照磁势源来计算而不考虑其导线内部磁场分布。这大大优化了计算求解过程(图2-D)。

对该200安培传感器的求解应用线性求解器，计算结果如图3所示，从传感器磁芯体磁场分布色图(图3-A)中，可以知道磁芯体中磁场最大为0.7<0.8T，没有达到饱和满足测量范围要求。同时FLUX结果后处理提供磁场切面分布色图，图3-B中的X-Y，X-Z切面磁场可以分析磁体内部及周边磁场分布特点，而HALL器件气隙XYZ方向的磁场分布趋势图(图5-C)可以看出其中磁场非常微弱，验证了HALL器件起着感应零磁通的作用。上述仿真分析结果完全和传感器实际试验应用情况吻合。

3结论

FLUX软件在磁场分析方面功能强大，可以提供多方面的仿真分析以及结果后处理功能。基于该软件磁仿真分析有效的解决了传统电流传感器设计中依靠经验的低效和不足。通过LEM的200安培磁补偿式电流传感器的磁场仿真分析验证了该仿真流程的有效性，对于提高电流传感器的质量和可靠性起到了重要的作用，提高了产品设计开发得效率和速度，增强了企业对市场的快速反应力。同时也提高了应用传感器的电器设备的可靠性，对整个电能应用领域有着非常重要的意义。