本文介绍了磁补偿式HALL电传播感器的工作道理及磁路，并根据传感器磁场磁路的特点对电磁场经典方程进行假设推表演电传播感器磁场有限元求解方程组。研究分析了FLUX软件的建模功能，网格编织特点，磁场仿真求解器道理和全部仿真求解分析流程。最后基于FLUX软件以LEM一款工业通用磁补偿式电传播感器为例进行周全的磁场仿真分析处理。这种磁场的仿真研究分析办法利于进步传感器设计效力和质量。

跟着能源危机的赓续加深，电能的应用越来越重要越广泛。为了进步电能的应用效力，适应环保请求，降低电网及电器设备电能污染，对电能的监测异常重要，而监测电量的HALL传感器更是核心部件。若何设计出高精度、精确性以及更长应用寿命的HALL传感器，对改良电能行业有侧重要的意义和感化。传统的设计办法重要依附设计人员的各自经验进行开辟设计，有很大年夜的不肯定性，产品德量难以包管。本文┞冯对传统设计中的不足，对HALL传感器中的关键磁场身分采取先辈的仿真技巧进行研究分析，结合优良的仿真软件，有效的进步了HALL传感器的多项关键设计参数，大年夜大年夜地进步了产品的设计质量。

图1 磁补偿式HALL 电传播感器工作道理

磁补偿式HALL电传播感器有测量精度高，线性度好，响应快，频带宽等诸多长处，被广泛的应用在各个工业范畴。其工作道理如图1所示，被测电流Ip 在磁芯中形成的磁场Bp 经由HALL器件感应放大年夜，并转换成电压旌旗灯号以驱动补偿功率电路产生补偿电流Is，带有 Is 的补偿线圈产生的磁场与进行补偿，直到均衡=-，此时有IsNs=IpNp， 即Is=Ip(Np/Is)。如许 Is 旌旗灯号就可以反竽暌钩被测旌旗灯号的变更，实现了测量的功能。大年夜上述过程可知HALL器件起着指导零磁通的感化，而线圈中的电流不克不及突变，该电流补偿过程是一个动态均衡过程[1]。
FLUX 是法国CEDRAT 公司出品的一款功能强大年夜的场有限元分析对象，它可以进行磁场，电场，热场以及它们之间耦归并的仿真分析，被广泛应用在各类工业范畴。个中的磁场仿真分析功能更是强大年夜，供给了一整套的仿真优化筹划[3]。

根据HALL传感器工作道理、磁阻和自感以及互感之间的关系，可以建立传感器磁路模型。在Flux仿真分析过程中须要接洽关系体系磁路模型（图2所示）。

图2 HALL 电传播感器的磁路模型

3. 传感器三维静磁场有限元求解道理

根据HALL 电传播感器电磁场特别特点，结合应用前提和情况的最坏情况，做如下假设，不影响仿真分析结不雅。

假设2：磁场仿真只愫系关系B 和H 磁场量，电场量E 和D 与体系解耦。

根据假设前提，Maxwell 电磁场方程组[2]可以从新列为：

根据方程（1）、（2），结合Biot-Savart 定律和Possion 矢量方程以及界线前提可以求解磁场变量，获得的HALL 传感器磁场有限元求解方程为：

4 基于FLUX 的传感器磁场仿真分析

4.1 FLUX 电磁场有限元分析

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法和类型。该软件供给了点元，线元，体元等多种网格单位元素，英国沃森WSEN进口传感器同时可以根据设计者的存眷点不合选择特定的绘制网格办法。不合的应用情况须要不合的磁性材料，HALL传感器对材料的请求比较严格，为了进步仿真程度，物理属性设置过程中须要设备多项参数以拟合B（H）变更曲线。也可以大年夜已经建立好的材料库中导入到分析法度榜样。FLUX有强大年夜而灵活的客户法度榜样定制功能PyFlux计算机说话，供给大年夜建立模型、网格绘制到物理属性界线前提设置的编程功能。设计者可以很灵活的根据请求编制法度榜样实现特别的功能。

图3. FLUX 磁场仿真分析流程图

FLUX软件求解方程组（1）（2），（3）有线性和非线性两种，而对于时变体系（忽视假设1）则采取Euler求解器。HALL传感器磁路平日工作在线性区域，软件供给了SuperLU线性直接求解器，它是一款免费的、由ANSI/C说话编写的高斯清除算法法度榜样模块，可以求解2D和3D模型。又针对模型的对称和非对称性，FLUX还供给了多种适应的迭代求解器：CG，BiCG，BiCGStab和GMRES等，别的有响应的求解器参数调剂。

为了真实的反竽暌钩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，但其收敛性无法获得包管，FLUX应用改进的牛顿-拉普生算法可高效的进行磁场的分析计算。


为便利对计算结不雅进行研究和分析，软件供给了强大年夜的后处理功能，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。
磁补偿式HALL电传播感器工作道理

对于HALL 电传播感器的磁性材料有：

4.2 HALL传感器仿真分析实例[3][4]

磁补偿式HALL电传播感器的磁路是全部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较大年夜时磁性材料很轻易饱和，此时，传感器的输出已经不克不及和原边被测电流成线形关系，甚至严重掉真，造成各项指标超差，给全部电器设备的┞菲握体系供给缺点、掉真旌旗灯号，会造成设备的误操作。按照上述的磁分析办法可以有效避免这种情况出现，设计出知足应用请求的传感器。下面LEM公司某系列HALL电传播感器为例进行磁路磁场分析。

LEM公司是国际有名的跨国公司,是电力电子传感器的前驱和创造者，专业大年夜事电量传感器设计开辟及临盆。本实例传感器就是LEM公司广泛应用在工业控制范畴、测量范围为200A的传感器。图4是它磁芯的3D构造图和有限元网格图，其初始设计为矩形等截面积构造，经由磁场分析，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构造如图4-A。

图4 VV200-P电传播感器构造和有限元网格图

在传感器的磁场分布分析中，须要接洽关系传感器磁路，因为传感器工艺构造请求，磁芯构造中存在通孔，形成下场部磁回路，与体系主磁路（图2）不合，复杂化了分析过程，影响分析结不雅的┞锋实性。是以，须要对磁芯模型进行磁路切割，如图4-B所示，红色曲面为切割面。

根据磁芯构造特点，选择恰当的无穷界线体来限制求解区域，如图4-C中的方体。它是代表界线区域，尺寸大年夜小可以根据视觉效不雅比例设定。网格的划分应根据研究对象有所不合。对于补偿线圈和被测量电流导线，FLUX在求解的时刻，按照磁势源来计算而不推敲其导线内部磁场分布。这大年夜大年夜优化了计算求解过程（图4-D）。

对该200安培传感器的求解应用线性求解器，计算结不雅如图5所示，大年夜传感器磁芯体磁场分布色图（图5-A）中，可以知道磁芯体中磁场最大年夜为0.7<0.8T，没有达到饱和知足测量范围请求。同时FLUX结不雅后处理供给磁场切面分布色图，图5-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偏向的磁场分布趋势图（图5-C）可以看出个中磁场异常微弱，验证了HALL器件起着感应零磁通的感化。上述仿真分析结不雅完全和传感器实际实验应用情况吻合。

图5 传感器磁场计算结不雅后处理图

5 结论
假设1：磁均衡体系为时不变体系，状况变量对时光有 d / dt=0

FLUX 软件在磁场分析方面功能强大年夜，可以供给多方面的仿真分析以及结不雅后处理功能。基于该软件磁仿真分析有效的解决了传统电传播感器设计中依附经验的低效和不足。经由过程LEM的200安培磁补偿式电传播感器的磁场仿真分析验证了该仿真流程的有效性，对于进步电传播感器的质量和靠得住性起到了重要的感化，进步了产品设计开辟得效力和速度，加强了企业对市场的快速反竽暌功力。同时也进步了应用传感器的电器设备的靠得住性，半数个电能应用范畴有着异常重要的意义。(end)