デュアルエアの最適設計

Scientific Reports volume 13、記事番号: 239 (2023) この記事を引用

1220 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

高度なセンサー技術は、電力網の透過的な監視とリアルタイム制御のための正確な情報を提供します。 高感度と直線性を備えたトンネル磁気抵抗 (TMR) 素子は、中電圧 DC 配電システムの電流測定に新しい技術手段を提供します。 本稿ではデュアルエアギャップ閉ループTMR電流センサと磁界の最小均一係数に基づく最適設計法を提案する。 デュアルエアギャップ構造により、ワイヤの偏心によって引き起こされる測定誤差が低減され、最小磁場均一係数の理論とモデル化により、磁気コアの内径、空気の距離などの重要なパラメータが最適化されます。 -ギャップとセクション側面の領域サイズ。 最後に、定格測定電流 ± 50 A のセンサー プロトタイプが開発されました。 実験結果は、提案されたTMR電流センサの相対誤差が定格電流の下で​​0.2%未満であることを示しています。 最適化された設計を備えた提案されたセンサーが測定精度を効果的に向上させるという結論を引き出すことができます。

高度なセンサー技術は、電力システムの監視と制御のための正確な情報を提供します。 近年、パワーエレクトロニクス機器の発展に伴い、太陽光発電、蓄電池、電気自動車の充電杭などのパワーエレクトロニクス素子を搭載した分散型電源や負荷と配電システムとの接続が進んでいます。 その結果、大量の過渡波形がグリッドに注入され、電流の測定と検出がより困難になります。 正確な DC 大電流測定機能、広い周波数特性、そして安価な電流センサーに対しては、より高い要求が寄せられています 1,2。

ホール磁気抵抗やトンネル磁気抵抗 (TMR) などの磁気センサーを備えた電流センサーが考えられるソリューションです。 ホール効果センサーは何十年も前から存在しており、広く応用されています。 ただし、ホール効果センサーには、感度が弱く、直線性が低いが温度に敏感であるなどの固有の欠陥があります3,4。 第 4 世代の磁気検出素子 TMR は、感度、消費電力、温度特性において高度な特性を備えています5,6,7。 TMR 素子を備えた電流センサーは、複雑な波形の電流測定に適した新しい選択肢ですが、センサーの構造やパラメーター設定など、いくつかの技術的問題を解決する必要があります。

鉄を使わないオープンループ構造ベースの TMR 電流センサーは、数年前に初めて開発されました。 徐ら。 は、± 150 A の電流を測定できる差動超小型磁気センサーを設計し、-40 °C ～ 105 °C2 の温度範囲で実験誤差は ± 2% 未満でした。 シャオら。 TMR 電流センサを絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) の過電流保護に適用し、IGBT 電流を測定するためのリング アレイ TMR 電流センサを提案しました。 設計された電流センサーは 604 ns8 以内に 120A の過電流を検出できます。 ただし、開ループ構造ベースの TMR 電流センサーには 2 つの主要な欠陥があります。まず、電流センサーの測定範囲は TMR センサー素子の線形性範囲によって制限されます。そのため、このタイプの電流センサーの定格電流は約 100 μm 以内に制限されます。百アンペア。 第 2 に、このタイプの電流センサーは温度の変化と、電流が流れる導体の偏心を感知できます。

電流測定範囲を拡大し、温度特性を改善するために、学者たちはゼロ磁束技術を電流測定に統合しました9,10。 Yang は、磁心とフィードバック巻線を使用して閉ループ構造を形成し、センサーの感度を向上させ、温度とヒステリシスによって引き起こされる誤差を大幅に低減する、ゼロ磁束原理に基づく閉ループ電流センサーを提案しました 11。 ただし、実際のアプリケーションでは、電流が流れる導体が磁気回路の中心にない場合があります。 閉ループ電流センサーは、この偏心誤差に対してあまり耐性がありません12。 チェンら。 は、閉ループ電流センサーの磁気コアの影響要因を研究するために、磁気コアのさまざまな特性を体系的に分析しました13。 磁気コアが飽和する可能性があるという問題に着目して、Li は磁気コアを使用せず、フィードバック コイルで構成されるソレノイドをセンサー素子 14 に直接巻く閉ループ回路を提案しました。 ローランドら。 は、円形磁場センサーアレイに基づいた新しいコアレス電流センサーを提案し、閉ループ原理を円形アレイに適用しました。 ただし、このコアレス構造は外部磁場の干渉を受けやすいです。 環状アレイ15に巻かれたコイルの均一性を厳密に確保する必要があり、低コストで大量生産する場合にはこれを達成することが困難である。 さらに、近くの干渉導体の存在とセンサー素子の配置により、エアギャップで測定される磁気誘導強度が変化し、センサーの測定精度にも影響します16。 測定誤差の特定の原因をさらに詳しく分析する必要があり、誤差に対する改善された方法を決定する必要があります。