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有关传感器的设计
- 2021-06-30-

    有关传感器的设计。

    电流传感器是电力电子设备中不可缺少的一种测量器件,许多算法、保护机制的实现都与电流传感器有着密切的关系。(提供产品材料参考)

    建议在高电流应用中使用带有霍尔效应传感器IC的磁集成设备(>200A)。它在电流导体周围设置了铁磁集中器,并在传感器IC上设计了一个称为气隙的小窗口。下面是:

    整流器将由导体电流产生的磁通量集中到传感器芯片的气隙中心。核心效率以及电流感应系统的效率,关键取决于下列因素:

    磁材料

    选材时应综合考虑材料的磁导率、体电阻系数和成本。要保证磁心在高电流条件下不饱和,必须有高磁导率,但不能达到永磁材料的高度,以免在接触大电流后产生不必要的残余磁化而产生磁滞。由于硅钢(FeSi)、镍钢(FeNi)的高磁导率和高饱和度,已广泛应用于电力电子领域。

    该方法的缺点是电阻率低,易受电涡流(感应反向电流)的影响,使频域电流测量精度下降。要想较小化这个效应,就必须将合金转换成低导电材料,例如硅钢。

    此外,我们还提出了厚度为0.3mm的硅钢片层的层压,这样可以大大减少涡流(薄层和涡流越小),每层都需要用硅来提高效率。

    其它物质,如羰基铁、非晶态金属或铁氧体,乍一看可能颇具吸引力,但由于其磁性随时间退化(羰基铁),或因其磁滞性(非晶态物质)而不被推荐。虽然铁氧体更便宜,电阻率也更高(可以使涡流更小),但是它的导磁率更低,饱和度更低,不适合大电流。

    假定为圆形环状铁心,大小由外径(OD)、内径(ID)和厚度(T)确定。这两种方法都确定了气隙中的磁心截面。

场模拟,在一定气隙长度(E)和截面面积条件下,较优磁心宽度(W)为3~4毫米(按具体设计确定),以获得较优的磁密度(见下图)

    补充说明:

    饱和度随芯径增大而增大。同理,增大磁芯面积,饱和度也增加。切记,选择磁心直径(上图中OD和ID之间的宽度W不变)对磁心增益的影响很小,只影响饱和度。提出在导体与磁心之间留出3~4毫米间距,以保证磁芯在较高电流下不会饱和。

    间隙

    气体间隙E是磁心设计的重要参数,直接决定了系统增益的大小。空隙越小(在恒定范围内)增益越大。但是,如果气隙过小,铁心剩余滞后会很明显,当电流过大时,精度会降低。(根据具体设计推荐使用3-5毫米的间隙)。下面的图表给出了不同气隙条件下的增益。

    核心的形状

    它的核心是磁流集中到传感器上,而磁心的几何结构对系统的影响很小。一般来说,铁心是圆的,磁通量朝一个方向集中,避免了角度的影响。但是也可以使用矩形磁心,对于矩形磁心,可以采用圆滑的方法使矩形内角不产生磁集中效应。