Optimales Design von Dual Air | Hubei Hall Sensor Group Co., Ltd

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 239 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Fortschrittliche Sensortechnologie liefert genaue Informationen für eine transparente Überwachung und Echtzeitsteuerung des Stromnetzes. Tunnelmagnetowiderstandselemente (TMR) mit hoher Empfindlichkeit und Linearität bieten ein neues technisches Mittel zur Strommessung in Mittelspannungs-Gleichstromverteilungssystemen. In diesem Artikel werden ein TMR-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis und zwei Luftspalten und seine optimale Entwurfsmethode basierend auf dem minimalen Gleichmäßigkeitskoeffizienten des Magnetfelds vorgeschlagen. Die doppelte Luftspaltstruktur reduziert den durch die Exzentrizität des Drahtes verursachten Messfehler, und die Theorie und Modellierung des minimalen Gleichmäßigkeitskoeffizienten des Magnetfelds optimieren die Schlüsselparameter, wie den Innenradius des Magnetkerns und den Abstand der Luft -Lücke und die Flächengröße der Abschnittsseite. Abschließend wurde ein Sensorprototyp mit einem Nennmessstrom von ± 50 A entwickelt. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass der relative Fehler des vorgeschlagenen TMR-Stromsensors weniger als 0,2 % unter dem Nennstrom liegt. Daraus lässt sich schließen, dass der vorgeschlagene Sensor mit dem optimierten Design die Messgenauigkeit effektiv verbessert.

Fortschrittliche Sensortechnologie liefert genaue Informationen für die Überwachung und Steuerung des Energiesystems. In den letzten Jahren wurden mit der Entwicklung leistungselektronischer Geräte die dezentralen Stromquellen und Lasten mit leistungselektronischen Elementen, wie Photovoltaik, Batteriespeichern und Ladesäulen für Elektrofahrzeuge, zunehmend mit Stromverteilungssystemen verbunden. Dadurch werden zahlreiche transiente Wellenformen in das Netz eingespeist, was die Messung und Erfassung des Stroms erschwert. An Stromsensoren mit präziser DC-Hochstrommessung, breiter Frequenzcharakteristik und Kosten werden höhere Anforderungen gestellt1,2.

Mögliche Lösungen sind Stromsensoren mit magnetischem Sensor, wie Hall oder Tunnelmagnetowiderstand (TMR). Hall-Effekt-Sensoren gibt es schon seit Jahrzehnten und sie werden häufig eingesetzt. Allerdings weist der Hall-Effekt-Sensor inhärente Mängel auf, wie z. B. eine schwache Empfindlichkeit, eine geringe Linearität, aber eine Temperaturempfindlichkeit3,4. Das magnetische Sensorelement TMR der vierten Generation verfügt über fortschrittliche Eigenschaften in Bezug auf Empfindlichkeit, Stromverbrauch und Temperatureigenschaften5,6,7. Stromsensoren mit TMR-Elementen sind eine neue und bessere Wahl für die Strommessung komplexer Wellenformen, es müssen jedoch einige technische Probleme gelöst werden, wie z. B. die Struktur des Sensors, Parametereinstellungen usw.

Die erste Entwicklung waren vor einigen Jahren eisenlose TMR-Stromsensoren mit offener Regelkreisstruktur. Xu et al. haben einen differenziellen Ultraminiatur-Magnetsensor entwickelt, der den Strom von ± 150 A messen kann und dessen experimenteller Fehler im Temperaturbereich von −40 °C bis 105 °C weniger als ± 2 % beträgt. Shao et al. wendeten den TMR-Stromsensor auf den Überstromschutz von Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) an und schlugen einen Ringarray-TMR-Stromsensor zur Messung des IGBT-Stroms vor. Der entwickelte Stromsensor kann den Überstrom von 120 A innerhalb von 604 ns8 erkennen. Allerdings weist der TMR-Stromsensor mit offener Regelkreisstruktur zwei Hauptmängel auf: Erstens ist der Messbereich des Stromsensors durch den Linearitätsbereich des TMR-Sensorelements begrenzt, weshalb der Nennstrom dieses Stromsensortyps auf etwa a begrenzt ist Hundert Ampere. Zweitens reagiert dieser Stromsensortyp auf Temperaturänderungen und auch auf die Exzentrizität des stromdurchflossenen Leiters.

Um den Strommessbereich zu vergrößern und die Temperatureigenschaften zu verbessern, haben Wissenschaftler die Nullflusstechnologie in die Strommessung integriert9,10. Yang schlug einen Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis vor, der auf dem Nullflussprinzip11 basiert und einen Magnetkern und eine Rückkopplungswicklung verwendet, um eine Struktur mit geschlossenem Regelkreis zu bilden, um die Sensorempfindlichkeit zu verbessern und durch Temperatur und Hysterese verursachte Fehler erheblich zu reduzieren. In praktischen Anwendungen befindet sich der stromdurchflossene Leiter jedoch manchmal nicht im Zentrum des Magnetkreises. Der Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis ist gegen diesen Exzentrizitätsfehler nicht sehr resistent12. Cheng et al. analysierte systematisch verschiedene Eigenschaften des Magnetkerns, um die Einflussfaktoren des Magnetkerns des Stromsensors mit geschlossenem Regelkreis zu untersuchen13. Um das Problem zu lösen, dass der Magnetkern gesättigt sein könnte, schlug Li einen geschlossenen Kreis ohne Magnetkern vor, bei dem der aus der Rückkopplungsspule bestehende Magnet direkt auf das Sensorelement gewickelt ist14. Roland et al. schlug einen neuen kernlosen Stromsensor vor, der auf einer kreisförmigen Magnetfeldsensoranordnung basiert, und wandte das Prinzip des geschlossenen Regelkreises auf eine kreisförmige Anordnung an. Diese kernlose Struktur ist jedoch anfällig für Störungen durch äußere Magnetfelder. Es ist notwendig, die Gleichmäßigkeit der auf die ringförmige Anordnung 15 gewickelten Spulen strikt sicherzustellen, was bei einer kostengünstigen Massenproduktion schwierig zu erreichen ist. Darüber hinaus führen das Vorhandensein nahegelegener Störleiter und die Platzierung des Sensorelements zu Änderungen der am Luftspalt gemessenen magnetischen Induktionsintensität, was sich auch auf die Messgenauigkeit des Sensors auswirkt16. Die spezifische Quelle des Messfehlers muss noch eingehend analysiert werden, und es sollte eine verbesserte Methode für den Fehler ermittelt werden.

Um die oben genannten Probleme zu lösen, schlägt dieser Artikel einen TMR-Stromsensor mit geschlossenem Doppelluftspalt und einer optimalen Entwurfsmethode basierend auf dem Gleichmäßigkeitskoeffizienten des Magnetfelds vor. Der Abschnitt „Design eines TMR-Stromsensors mit geschlossenem Doppelluftspalt und geschlossenem Regelkreis“ analysiert die Struktur und Fehlerquelle des TMR-Stromsensors mit geschlossenem Doppelluftspalt und schlägt das Konzept des minimalen Gleichmäßigkeitskoeffizienten des Magnetfelds vor. Auf dieser Grundlage wird im Abschnitt „Parameteroptimierung basierend auf dem minimalen Gleichmäßigkeitskoeffizienten des Magnetfelds“ die optimale Designmethode des Sensors vorgeschlagen und die kritischen Parameter des Magnetkerns bestimmt. Im Abschnitt „Experimentergebnisse“ wird der entwickelte experimentelle Prototyp getestet.

In diesem Artikel wird ein TMR-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis und zwei Luftspalten und einem Eisenkern vorgeschlagen. Der vorgeschlagene TMR-Stromsensor verfügt über bessere Messeigenschaften mit einer kurzen Reaktionszeit, einer guten Linearität, einem geringen Exzentrizitätsfehler und einer geringeren Beeinflussung durch externe magnetische Störungen.

Der entworfene Dual-Luftspalt-TMR-Stromsensor und seine geschlossene Rückkopplungsschleife sind in Abb. 1 dargestellt. Die TMR-Elemente arbeiten im Zustand eines magnetischen Nullflusses durch den Magnetkern, die Kompensationsspule und den Rückkopplungssteuerkreis.

Struktur eines TMR-Stromsensors mit geschlossenem Regelkreis und doppeltem Luftspalt.

Sein Funktionsprinzip besteht darin, dass der Draht durch den konstruierten Magnetkern verläuft und zwei TMR-Elemente jeweils in der Mitte der beiden Luftspalte angeordnet sind. Der Differenzoperationsverstärker verstärkt die Ausgangssignale der TMR-Elemente und das verstärkte Signal treibt die Triode an, um einen Rückkopplungsstrom zu erzeugen. Die Rückkopplungsspule ist auf den Magnetkern gewickelt, wodurch die magnetische Feldstärke im Luftspalt abnimmt und schließlich auf Null sinkt. Zu diesem Zeitpunkt sind das von der Rückkopplungsspule erzeugte Magnetfeld und das vom Draht erzeugte Magnetfeld gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. Der gemessene Strom kann berechnet werden, indem der Strom an der Rückkopplungsspule durch den Abtastwiderstand gemessen wird. Das mathematische Modell ist in Abb. 2 dargestellt.

Mathematisches Modell eines TMR-Stromsensors mit geschlossenem Regelkreis und doppeltem Luftspalt.

Bei einem TMR-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis und doppeltem Luftspalt beträgt die Ausgangsspannung des Erfassungsabschnitts:

K1 und K2 sind die Empfindlichkeitskoeffizienten der TMR-Sensorelemente 1 bzw. 2 und G1 und G2 sind die Vergrößerungen der Differenzverstärker 1 bzw. 2. \({B}_{{\mathrm{TMR}}_{1}}\) und \({B}_{{\mathrm{TMR}}_{2}}\) sind die magnetische Induktionsintensität im Luftspalte, die von den beiden Sensorelementen erfasst werden. Das Luftspaltmagnetfeld ist die Differenz zwischen dem vom zu messenden Strom erzeugten Magnetfeld und dem Magnetfeld der Kompensationsspule:

BF ist die magnetische Rückkopplungsinduktion am Luftspalt:

Kcoil ist der Strom-Magnetfeld-Umwandlungskoeffizient der Kompensationsspule, der mit der Form der Spule und der Anzahl der Windungen zusammenhängt. Der Kompensationsspulenstrom wird durch den Leistungsverstärker des Sensors und den Widerstandswert der Kompensationsspule bestimmt:

In der Gleichung ist Vpp die Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers, Rcoil der Widerstandswert der Kompensationsspule und Rm der Widerstandswert des Abtastwiderstands. Daher ist der BF an beiden Luftspalten gleich.

Die erste Fehlerquelle besteht darin, dass die Leistung von TMR-Komponenten aufgrund des Herstellungsprozesses nicht ganz konsistent ist, sodass K1 und K2 in Gl. (1) sind nicht gleich. Für diesen Fehler können G1 und G2 über die Schaltung so angepasst werden, dass K1G1 = K2G2 ist.

Die zweite Fehlerquelle ist der Unterschied zwischen der magnetischen Flussdichte \({B}_{{gap}_{1}}\) und \({B}_{{gap}_{2}}\) am zwei Luftspalte. Aus der obigen Analyse geht hervor, dass der BF an den beiden Luftspalten gleich ist, daher sollten die von den Leitern erzeugten magnetischen Induktionsintensitäten B1 und B2 untersucht werden. Wenn sich der Leiter in der Mitte der Spule befindet, gilt gemäß dem Ampereschen Schleifengesetz:

Dabei ist H1 die magnetische Feldstärke im Magnetkern, H2 die magnetische Feldstärke des Luftspalts, r der durchschnittliche Radius des Magnetkerns und d die Länge eines einzelnen Luftspalts. Aufgrund der Kontinuität des magnetischen Flusses ist die magnetische Induktionsstärke des Kerns und des Luftspalts gleich:

Dabei ist µ die Permeabilität des Magnetkerns und µ0 die Permeabilität des Luftspalts. Da µ > > µ0, H1 < < H2:

Es ist ersichtlich, dass die magnetische Induktionsintensität, die der unter Spannung stehende Draht am Luftspalt des Magnetkerns erzeugt, proportional zum Strom des Drahtes ist.

Da sich der Leiter jedoch möglicherweise nicht im Mittelpunkt des Kreises befindet, ist die an den beiden Luftspalten erzeugte magnetische Induktionsintensität möglicherweise nicht gleich. Bei einem einzelnen Luftspalt kann nur der Wert von B1 oder B2 gemessen werden, was zu einem Exzentrizitätsfehler führt. Aber die Struktur mit doppeltem Luftspalt kann den Exzentrizitätsfehler reduzieren, indem das arithmetische Mittel von B1 und B2 gemessen und berechnet wird.

Die dritte Fehlerquelle besteht darin, dass sich die magnetische Feldstärke am Luftspalt abrupt ändert und die magnetische Feldverteilung im Luftspalt aufgrund des Einflusses des Streuflusses ungleichmäßig ist. Wenn in diesem Fall das TMR-Element nicht genau in der Mitte des Luftspalts platziert ist, werden die Ausgänge der beiden TMR-Sensorelemente aufgrund der Tatsache, dass sich der Draht in der Mitte des Magnetrings befindet, ziemlich unterschiedlich sein Inkonsistenz der Luftspalt-Magnetfeldumgebung, in der sie sich befinden. Je höher die Empfindlichkeit des TMR-Elements ist, desto größer ist die Verstärkung dieses Fehlers. In diesem Fall ist in Gl. (2), \({B}_{{\mathrm{TMR}}_{1}}\) ist nicht gleich \({B}_{{\mathrm{gap}}_{1}}\) und \({B}_{{\mathrm{TMR}}_{2}}\) ist nicht gleich \({B}_{{\mathrm{gap}}_{2}}\), was ist ein Hindernis für die Erzielung einer hochpräzisen Messung.

Aus der obigen Analyse geht hervor, dass die Optimierung des Magnetkreises zur Minimierung des durch die exzentrische Position des TMR-Sensorelements verursachten Messfehlers der entscheidende Punkt bei der Verbesserung der Messgenauigkeit des Sensors ist, ebenso wie der Positionsfehler des TMR-Elements hängt mit der Inhomogenität der Magnetfeldverteilung zusammen. Daher ist es möglich, den Magnetkreis zu optimieren, indem die geometrischen Parameter des Magnetkerns sinnvoll gestaltet werden, um den Messfehler zu reduzieren. In diesem Zusammenhang wird das Konzept des Magnetfeld-Gleichmäßigkeitskoeffizienten des Dual-Air-Gap-TMR-Stromsensors eingeführt und der Magnetfeld-Gleichmäßigkeitskoeffizient λ ist definiert als:

B0, Bmin und Bmax sind die magnetische Induktionsintensität des Zentrums des Beobachtungsbereichs im Luftspalt bzw. die minimalen bzw. maximalen Werte der magnetischen Induktionsintensität des Beobachtungsbereichs. Je näher der Gleichmäßigkeitskoeffizient des Magnetfelds bei 0 liegt, desto gleichmäßiger ist die Magnetfeldverteilung in der Region und desto kleiner ist der Messfehler. Daher werden die geometrischen Parameter des Kerns der Kompensationsspule mit dem Ziel des minimalen Gleichmäßigkeitskoeffizienten des Magnetfelds optimal ausgelegt, sodass das Magnetfeld jedes Luftspalts eine gute Gleichmäßigkeit aufweist, wodurch die Konsistenz der Magnetfeldumgebung sichergestellt werden kann in dem sich mehrere Sensorelemente befinden.

Es ist schwierig, theoretische mathematische Gleichungen zu verwenden, um die Gleichmäßigkeitskoeffizienten des Magnetfelds für verschiedene Parameter zu berechnen. Daher wird die Finite-Elemente-Simulation verwendet, um die Gleichmäßigkeitskoeffizienten des Magnetfelds zu simulieren und die Kernparameter des Designs zu optimieren. Das Simulationsmodell wird in der Finite-Elemente-Simulationssoftware Maxwell erstellt.

Das in dieser Arbeit erstellte Finite-Elemente-Simulationsmodell des Magnetkerns und seines Querschnitts ist in Abb. 3 dargestellt.

Das etablierte Finite-Elemente-Simulationsmodell.

Der Magnetkern dient hauptsächlich dazu, Magnetfelder zu sammeln, die Magnetfeldstärke zu verbessern und so die Empfindlichkeit und elektromagnetische Abschirmung zu verbessern. Der Schlüsselparameter des Magnetkerns ist die Permeabilität μr. Damit ist die Fähigkeit des Magnetkerns gemeint, magnetische Linien zu sammeln. Aus Sicht der Übertragungsfunktion kann eine hohe Permeabilität den Kompensationsmagnetfeldkoeffizienten Kp vergrößern. Wenn die Größe des Magnetrings und die Länge des Luftspalts bestimmt werden, ist die Änderungskurve von Kp in Abb. 4 dargestellt. Wie ersichtlich ist, ändert sich Kp nicht wesentlich, wenn μr bis zu einem gewissen Grad zunimmt. Daher reicht es aus, wenn μr 2 × 104 erreichen kann.

Die Variationskurve von Kp.

Darüber hinaus sind Koerzitivfeldstärke, magnetostriktive Eigenschaften, Temperaturstabilität usw. zu berücksichtigen. Daher wird Permalloy als Magnetkernmaterial ausgewählt, dessen magnetostriktive Wirkung und Anisotropie auf einem niedrigen Niveau liegen und die anfängliche Permeabilität 2 × 104 erreichen kann, die Koerzitivfeldstärke weniger als 2,4 A/m beträgt und der spezifische Widerstand hoch ist, was möglich ist Reduzieren Sie den Wirbelstromverlust des Magnetkerns.

Die Form des Magnetkerns umfasst hauptsächlich quadratische, runde, vieleckige usw. Die quadratischen und vieleckigen Strukturen werden hauptsächlich in Hochstromszenen wie Sammelschienen verwendet, und die Polygonverarbeitung ist komplex. In dieser Arbeit soll der ± 50 A Nennstrommesssensor entwickelt werden, der zum Mittelstrom gehört. Daher ist die Form des Magnetrings als Kreis und sein Querschnitt als Quadrat gestaltet.

Zu den zu optimierenden Parametern des Magnetkerns gehören der Magnetkern-Innenradius r, die Luftspaltlänge δ und die Seitenlänge l des Magnetkernquerschnitts. Gemäß der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Methode wird der Magnetfeldgleichmäßigkeitskoeffizient des zentralen Bereichs des Luftspalts, in dem sich das TMR-Element befindet, als Optimierungsindex berechnet.

Legen Sie zunächst andere Parameter fest, um den Innenradius r zu analysieren. Magnetfeldanalysen werden getrennt von drei Gruppenparametern durchgeführt: δ = 1,8 mm, l = 10 mm; δ = 2 mm, l = 10 mm; δ = 2 mm, l = 15 mm. Und r variiert von 30 bis 50 mm als Scanparameter mit 1 mm/Schritt. Abbildung 5 zeigt die Variationskurven von λ mit einer Variation von l für drei Gruppenparameter.

Die Variationskurve von λ für drei verschiedene Gruppenparameter.

λ ist klein und ändert sich nicht wesentlich und variiert, wenn l variiert. Je nach praktischen Anwendungsanforderungen wird der Innenradius des Magnetkerns r = 40 mm gewählt.

Unter Berücksichtigung der Elementgröße und seines möglichen Positionsversatzes wird die Luftspaltmitte von 6 mm × 6 mm als Platzierungsfläche festgelegt, um einen gewissen Spielraum beizubehalten. Damit ist die minimale Seitenlänge des Luftspalts gemeint. Stellen Sie r = 40 mm ein, da die Seitenlänge des Querschnitts des Magnetkerns größer als ein Viertel des Innenradius sein muss17, l variiert von 10 bis 20 mm mit 1 mm/Schritt. Unter Berücksichtigung der Dicke des Sensorelements variiert δ zwischen 1,8 mm und 3 mm mit 0,2 mm/Schritt. Die Variationskurven von λ sind in Abb. 6 zu sehen.

Die Variationskurve von λ für verschiedene δ und l.

Wie man sieht, nimmt λ mit zunehmender Seitenlänge l ab. λ nimmt mit zunehmender Luftspaltlänge δ zu, wenn l unverändert bleibt, aber λ ist immer kleiner als 0,1 %, wenn l > 14 mm, was bedeutet, dass das Luftspaltmagnetfeld gleichmäßig verteilt ist. Aus der obigen Abbildung ist ersichtlich, dass die Dosierleistung umso besser ist, je größer die Luftspaltseitenlänge und je kleiner die Luftspaltlänge ist. Der Luftspalt verbessert die Linearität des Magnetkerns und verringert die Remanenz. Wenn der Luftspalt jedoch zu groß ist, verringert sich die effektive Permeabilität des Kompensationsmagnetkerns. Wenn der Luftspalt zu groß ist, verringert sich die effektive Permeabilität des Kompensationsmagnetkerns. Je größer der Querschnitt des Magnetkerns ist, desto größer ist außerdem das Gesamtvolumen der Kompensationsspule, und beim Wickeln der Spule müssen mehr Lackdrähte verwendet werden, was den Spulenwiderstand und den Verlust erhöht. Daher sollte die Seitenlänge l des Luftspaltabschnitts nicht zu groß sein.

Abbildung 7 zeigt die Magnetfeldverteilung verschiedener l bei δ = 2,2 mm.

Magnetfeld unterschiedlicher l bei δ = 2,2 mm.

Gemäß Simulation und Analyse werden die geometrischen Parameter des Magnetkerns als r = 40 mm, δ = 2,2 mm und l = 15 mm ausgewählt. In diesem Fall weist die Magnetfeldumgebung, in der sich die beiden Sensorelemente befinden, eine gute Konsistenz auf, um die Anfälligkeit für Positionsabweichungen im Chipraum zu verringern.

Gemäß den oben genannten Struktur- und Optimierungsparametern wurde ein Stromsensor-Prototyp mit einem Nenntransformationsverhältnis von 50 A/2 V hergestellt, der eine Empfindlichkeit von 4,006 mV/A erreichte und über eine berührungslose, galvanisch getrennte Strommessung basierend auf dem geschlossenen Sensor verfügt. Loop-TMR-Technologie. Der Spitzenstrommessbereich beträgt ± 75 A, entsprechend 3 V Ausgang. Und die TMR-Elemente sind TMR2505, hergestellt von MultiDimension Technology Co., LTD. Es handelt sich um ein lineares Magnetfeldsensorelement mit Z-Achsen-Induktion, das eine hohe Empfindlichkeit und ausgezeichnete Temperaturstabilität aufweist.

Als aktuelles Sensortestschema wurde eine direkte Vergleichsmethode übernommen, die ausgereifter ist als die derzeitige indirekte Methode18. Das Prinzip misst die Verhältnisdifferenz zwischen dem Stromsensor-Prototyp und einem hochpräzisen Stromwandler, der als Standard-Stromwandler ausgewählt wurde. Die Versuchsplattform wurde wie in Abb. 8 gezeigt aufgebaut (Ergänzungstabelle 1).

Experimentelle Plattform.

Um die IV-Kennlinie des Stromsensors zu ermitteln, wurde das Experiment wie folgt durchgeführt. Wenn der Primärstrom Null ist und die Restausgangsspannung aufgezeichnet wird, beträgt die Offsetspannung V0 2,436 mV. Dann wird der Primärstrom schrittweise von − IPM auf − IPM erhöht (in gleichen Abständen IPN/10 Schritte). Die Daten wurden mit der Methode der kleinsten Quadrate verarbeitet. Abbildung 9 zeigt die I-V-Kennlinie des Stromsensors.

I–V-Kennlinie des Stromsensors.

Die Gleichung der linearen Regressionsgeraden lautet wie folgt:

Die Empfindlichkeit des Stromsensors wird als Steigung der linearen Regressionsgeraden definiert und beträgt 0,004006 V/A. Um die Linearität zu messen, wird der Primärstrom (DC) von 0 auf IPM, dann auf − IPM und zurück auf 0 zyklisch durchlaufen (in gleichen Abständen von IPM/10 Schritten). Der Linearitätsfehler εL ist die maximale positive oder negative Differenz ∆Lmax zwischen den gemessenen Punkten und der linearen Regressionslinie, ausgedrückt in % des gemessenen Nennausgangsspannungswerts VFS.

Abbildung 10 zeigt die Leistungsmerkmale der Linearität. Die Anpassungskurven für den Vorwärts- und Rückwärtsprozess stimmen gut überein und es entsteht kein merklicher Rücklaufunterschied. Der lineare Fehler kann mit der folgenden Formel berechnet werden.

Dabei ist VN der durchschnittliche Absolutwert der Ausgangsspannung, wenn der gemessene Strom I IPN und − IPN erreicht. Rechnerisch beträgt der Linearitätsfehler εL weniger als 0,03 %. Dies spiegelt wider, dass die Messleistung des Prototyps durch den Hystereseeffekt kaum beeinflusst wird.

Leistungsmerkmale der Linearität.

Darüber hinaus wird die Temperaturleistung des TMR-Kleinstromsensors getestet. Der eingestellte Änderungsbereich der Umgebungstemperatur beträgt −10 °C bis 60 °C, und der Temperaturänderungswert beträgt jeweils 10 °C. Das Ergebnis zeigt, dass der Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit (TCS) des Sensors 422,1 ppm/°C beträgt, was den Messanforderungen entspricht.

Um die Leistung des Dual-Luftspalt-Stromsensors bei der räumlichen Abweichung von Elektrokabeln zu ermitteln, wurden Vergleichsexperimente durchgeführt. Das schematische Diagramm der Drahtposition ist in Abb. 11 dargestellt. Position 1 ist die Mitte des Magnetkerns, wie die normale Position. Der Abstand zwischen Position 2 oder Position 3 und der Mitte des Magnetkerns beträgt 15 mm, und Position 2 und Position 3 liegen nahe am Luftspalt bzw. Magnetkern.

Diagramm von drei Positionen des elektrischen Weinstandorts.

Die relative Genauigkeit des Stromsensors bei räumlicher Abweichung ist in Abb. 12 dargestellt.

Relative Genauigkeit der räumlichen Abweichung.

Im gesamten Messbereich beträgt die relative Genauigkeit weniger als 0,44 % und der Variationsbereich in der Standardposition beträgt 0,14–0,44 %. Sie nimmt mit steigendem Strom ab und bleibt stabil, wenn der absolute Strom I mehr als 40 % von IPN beträgt. Die Leistung der anderen Positionen entspricht der von Position 1. Der geringfügige Unterschied tritt nur bei geringem Strom auf. Beispielsweise beträgt der maximale relative Fehler 0,48 % an Position 2, während er an Position 3 0,45 % beträgt, aber beide liegen sehr nahe bei 0,44 %. Die Experimente zeigten, dass das optimale Design des Stromsensors die Anfälligkeit für den räumlichen Abweichungseffekt erheblich verringern könnte. Darüber hinaus weist der relative Fehler bei der Messung von positivem und negativem Strom eine gute Symmetrie auf, was bedeutet, dass der Stromsensor die durch Hysterese verursachte Nichtlinearität unterdrücken kann.

Aus den Ergebnissen ist auch ersichtlich, dass bei einem Nennstrom von 50 A der relative Fehler nur 0,15 % beträgt. Wenn der gemessene Strom den Nennwert überschreitet, bleibt der Messfehler unverändert. Gemäß den Vorschriften relevanter Normen erfüllt der entwickelte Sensorprototyp die Anforderungen an eine Messgenauigkeit von 0,2-stufiger Genauigkeit.

Um die Messgenauigkeit des TMR-Sensors zu verbessern, schlägt dieser Artikel das Konzept des Magnetfeld-Gleichmäßigkeitskoeffizienten basierend auf der Analyse der Fehlerquelle vor und schlägt eine Entwurfsmethode zur Optimierung des Magnetkreises vor, die auf dem minimalen Magnetfeld-Gleichmäßigkeitskoeffizienten basiert. Basierend auf dem optimierten Design wird ein Sensor mit einem Nennmessstrom von ± 50 A und einem Spitzenmessstrom von ± 75 A entwickelt. Der Linearitätsfehler beträgt weniger als 0,03 % und die erreichte relative Genauigkeit beträgt weniger als 0,2 % bei einem Primärnennstrom von 50 A und weniger als 0,44 % über den gesamten Messbereich von − 75 bis 75 A, wenn das elektrische Kabel normal verläuft Position. Und die Testergebnisse zeigen, dass die Leistung des Prototyps nicht durch die Drahtposition oder die Stromrichtung beeinflusst wird. Der Fehler der Strommessung wird effektiv reduziert.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde vom National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2021YFB3201800) und dem State Grid Corporation of China Science and Technology Project: High Sensitivity MEMS Magnetic Sensing Elements and Sensors (unterstützendes Projekt) unterstützt.

China Electric Power Research Institute, Wuhan, 430070, China

Jicheng Yu, Zhaozhi Long, Siyuan Liang, Changxi Yue, Xiaodong Yin und Feng Zhou

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JY präsentierte die theoretische Analyse. ZL konzipierte die Experimente. SL führte die Experimente durch. CY und XY führten statistische Analysen und Zahlenerstellung durch. FZ führte die Experimente durch und kontaktierte die Fördermittel. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Jicheng Yu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yu, J., Long, Z., Liang, S. et al. Optimales Design eines Dual-Luftspalt-TMR-Stromsensors mit geschlossenem Regelkreis basierend auf einem minimalen Gleichmäßigkeitskoeffizienten des Magnetfelds. Sci Rep 13, 239 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26971-9

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Eingegangen: 28. September 2022

Angenommen: 22. Dezember 2022

Veröffentlicht: 05. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26971-9

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