降低用電流傳感器和鐵磁芯進(jìn)行大電流測(cè)量時(shí)的渦流影響

　　引言

　　用周圍的鐵磁芯測(cè)量母線排電流是一種常見(jiàn)技術(shù)。對(duì)于電動(dòng)汽車充電等高于200A的大電流測(cè)量，Allegro建議使用專業(yè)的電流傳感器，比如與磁芯結(jié)合使用的A1367(圖1)。交流輸入往往在磁芯中產(chǎn)生渦流，這些渦流可以改變受測(cè)磁場(chǎng)，降低電流測(cè)量精度。本文重點(diǎn)討論交流電對(duì)電流測(cè)量的影響。請(qǐng)注意，本文中的所有結(jié)果均來(lái)自Ansys Maxwell軟件進(jìn)行的電磁仿真。

　　圖1：采用磁芯和Allegro A1367構(gòu)成的典型大電流測(cè)量系統(tǒng)。

　　測(cè)量原理

　　理想情況下，氣隙中的磁場(chǎng)H與母線排或電流導(dǎo)線中的輸入電流I完全成比例。因此，用線性磁場(chǎng)傳感器測(cè)量該磁場(chǎng)，并表征輸入電流和磁場(chǎng)之間的系數(shù)以測(cè)量該輸入電流就足夠了。該系數(shù)SC稱為耦合因子或核心靈敏度。然而，該耦合因子僅在有限的電流和頻率范圍內(nèi)是恒定的，該系數(shù)的任何變化都會(huì)導(dǎo)致輸入電流測(cè)量誤差，典型的精度要求在測(cè)量電流的幾個(gè)百分點(diǎn)內(nèi)。

　　渦流電流

　　渦流是倫茨定律(Lenz’s Law)的直接效應(yīng)，它表明了由于變化的磁場(chǎng)在導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向和大小，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是與導(dǎo)致感應(yīng)電流的磁場(chǎng)變化相反。在使用鐵磁芯的交流電流傳感器應(yīng)用中，隨切向磁場(chǎng)的變化，會(huì)在芯內(nèi)部感應(yīng)出渦電流。圖2是YZ橫截面示意圖，表示大鐵芯中的渦電流。這些渦流產(chǎn)生與激勵(lì)磁場(chǎng)Hexc相反的感應(yīng)磁場(chǎng)Heddy。這在傳感器層面上表現(xiàn)為測(cè)量的核心靈敏度SC降低，或者說(shuō)是電流測(cè)量誤差。

　　圖2：大磁芯中的渦流示意圖。

　　為了減小渦流，必須切斷磁芯中的電流路徑。使用薄片層疊芯可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這些薄片必須彼此電隔離。

　　層疊可以通過(guò)Y方向，或者通過(guò)Z方向疊片來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖3)。渦流雖然還存在，但幅度已經(jīng)減小。

　　圖3：疊層鐵芯和相應(yīng)的渦流：軋制(左)和堆疊(右)

　　A1367典型應(yīng)用

　　這里考慮將Allegro A1367LKT線性傳感器IC應(yīng)用于典型的高電流應(yīng)用。此應(yīng)用中的最大峰值電流為600A，幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示。沿Z軸的核心長(zhǎng)度為6mm。磁芯由鐵磁材料制成，如具有典型磁特性的晶粒取向硅鋼，如圖5所示。初始相對(duì)磁導(dǎo)率為10000，飽和時(shí)的磁極化為1.8T。注意，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，不考慮磁滯，磁芯電阻率為45μΩ/cm。

　　圖4：磁芯設(shè)計(jì)。

　　圖5：核心磁特性。