螺旋式滚筒硬币分离计数包装机的设计（含三维SW及8张CAD图纸）
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附录1：外文翻译平面磁电阻与磁选矿厂有宽带电力电子应用非接触式电流传感器摘要高频电力电子变换器需要无损、准确和隔离的电流测量。通过印刷电路（PCB）轨迹的高频电流在迹线周围产生不均匀的磁场。而且非均匀的磁场可以通过磁场集中器（MCONs）使用导电材料进行归一化。在这项研究中，已经提出了一种新的技术，使用磁电阻（MR）传感器与平面磁集中器（MCON）利用导电材料的高频无接触电流检测。研究了不同的MCONs对各向异性磁共振（AMR）传感器高频无接触电流检测性能的影响。实验表明，配备了不同的MCONs的AMR传感器相对于快速上升阶跃电流的性能。利用不同的MCONs对传感器响应进行详细的频率分析，以确定对电流传感器的检测带宽的影响。1 介绍高频变换器中电流信息的提取是当前的主要挑战之一。高频功率电子学随着近年来高频功率电子学的发展和新一代宽禁带（WBG）功率器件的引入，无源元件以及电路体积变得非常小型化。为了快速、有效和高效地控制功率变换器，无损、准确的电流测量是一个基本的先决条件。传统的电流传感技术不再适用于高频转换器中的电流测量。因此，有必要研究替代的方法和技术来测量电流。这些方法应该产生具有快速、准确、拓扑无关和无损的当前SEN源。此外，使用允许高频功率转换器（1 MHz）的WBG半导体具有更高的电压器件（30 V）需要隔离的电流传感器。基于霍尔效应的传感器和基于磁电阻（MR）的传感器是隔离和非接触电流检测的最流行的解决方案之一。霍尔效应传感器广泛应用于不同的应用领域，多年来观察到了显著的性能改进1 -5。使用具有高载流子迁移率的材料（例如GaAs和InAs）制造霍尔元件，导致了1 MHz（6）的灵敏度和检测带宽的显著改善。然而，该技术要求主电流路径被中断并通过感测装置。基于霍尔元件的非接触电流传感器的引入是通过平面磁场集中器（MCONs）7、8的应用而实现的。霍尔元件响应磁场，这是正常的迹线取向。因此，与常规方法不同，霍尔元件被放置在磁集中器下面，该磁场集中器向传感器提供正常场。这些磁集中器利用铁磁材料将磁场集中在霍尔传感元件上。最先进的基于非接触霍尔效应的电流传感器的带宽限制在250 kHz（7），8，从而使它们不适用于高频（1 MHz）的无接触电流测量。MR传感器可以基于金属合金和半导体来开发，从而提高设计灵活性。MR传感器具有良好的灵敏度和测量精度，因为它们比基于霍尔效应的传感器具有更少的漂移。它们可以响应AC和DC场，并且具有非常高的检测带宽，这使得它们成为电力电子转换器中高频电流检测的有吸引力的选择。与基于霍尔效应的传感器不同，MR传感器对水平磁场进行响应，该水平磁场能够利用诸如铜（Cu）或铝（Al）的导电材料作为平面MCONs。几个研究小组正在研究技术，以提高霍尔效应以及基于MR和GMR的电力电子应用设备的灵敏度（9）-（17）的电流感应的灵敏度和准确度。在这项研究中，我们提出了一种新的技术，使用MR传感器的平面磁集中器（MCON）利用导电材料的增强带宽非接触电流检测。研究了不同的MCONs对各向异性磁共振（AMR）传感器高频无接触电流检测性能的影响。市售AMR传感器霍尼韦尔HMC1021S18被用作非接触电流监测装置。AMR传感器被用于检测由定制设计的步进电流发生器产生的非常快的瞬态电流的电流。设计了六种不同材料和厚度的磁集中器（MCONs），分析了在检测到20A的快速瞬态电流对传感器性能的影响。记录了具有不同MCONs的传感器响应，并对A进行了详细的分析。分析了MCONs的作用。用不同的MCONs对传感器响应进行频率分析，分析MCONs对AMR传感器的传感性能和检测带宽的影响。2 MR传感器的MCON在典型的电力电子应用中，MR传感器被放置在印刷电路板（PCB）上的当前汽车行驶轨迹的顶部或下方（底层），如图1所示。传感器与电流迹线没有物理接触，并且通过传感器芯片内的AMR传感元件检测通过迹线的电流产生的磁场。当低频电流通过PCB迹线时，由电流产生的磁场是均匀的并且均匀分布在电流迹线周围。图1（a）和（b）在低频和高频电流下可视化磁场分布。与AMR传感器的默认检测轴相交的磁通线产生响应。在传感器输出中，正比于跟踪中的电流MAG。然而，在高频下，由于趋肤效应，流过迹线的大部分电流集中在迹线的边缘附近。高频电流产生的磁通线在迹线周围不再均匀，大部分磁通线集中在电流迹线的边缘附近。感测元件附近的场分布非常弱，并且由传感器检测到相对较弱的场。其结果是，传感器在高频电流传感中给出了其灵敏度的假印象。然而，用MCONs对磁场进行归一化，在传感区域中产生均匀的场分布，并且增强了传感器的检测带宽。一种放大和归一化由高频电流产生的磁场的方法是在传感器周围折叠载流迹线（9）。这种方法也被用于平面Rogowski线圈，其中线圈被夹在迹线19-22之间。如果应用允许这样的布局修改，该方法可以很好地应用于点场检测器，例如磁阻（MR）传感器。然而，有可能实现MCONS，其能够在没有或最小PCB布局修改的情况下，在承载高频电流的PCB迹线上形成和放大场。MR元件对磁场场的水平分量作出响应，而霍尔效应元件则响应于磁场的垂直分量来进行精确传感。与MR传感器相关联的这种独特性质可以在设计磁场磁场归一化目的的MCONs时得到很大程度的利用。在一般情况下，当暴露在导电表面上时，利用电磁场反射特性，通过传感器使磁场正常化和增强。理想情况下，需要具有零场吸收的超导体表面以获得最大性能。然而，使用具有良好导电性的材料，例如具有特定尺寸和厚度的Cu或Al，可以在很大程度上实现磁场归一化。MCON的材料、尺寸和厚度在磁场归一化和MR传感器的性能方面起着很大的作用。为了清楚地了解Mcon对电流轨迹周围磁场分布的影响，采用有限元方法MAG-NEICS（FEMM）电磁解算器进行了详细的仿真研究。图2和3分别给出了10和20 A电流的模拟结果，示出了与常规电流迹线相比，MCON技术的磁场分布的变化。在1盎司PCB铜轨迹上进行模拟，其宽度为150密耳。电流通过PCB迹线在远离观察者的方向上。电流从直流变化到5 MHz，以了解磁场对磁场分布的影响。长度和宽度分别为0.19和0.15的MCONs放置在距PCB迹线3.07毫米的距离处，这是从PCB迹线到放置在PCB上的芯片顶部的距离。对于直流电流，由电流产生的磁场是均匀的并且均匀分布在迹线周围。直流磁场不受麦肯的影响，如图所示是不变的。由20 A电流产生的磁场的幅度高于由10 A电流产生的磁场，并且在这两种情况下，磁场都不受MCONs的影响。然而，当5 MHz电流通过迹线时，由于趋肤效应，迹线产生的大部分磁场集中在迹线的边缘附近。其结果是，作为有效感测区域的迹线的中段附近的场是不均匀的。图2（b）示出了在5兆赫的模拟结果，没有MCon（左）和Cu MCONs的厚度分别为1密耳（中间）和5密耳（右），分别为10 A电流。可以清楚地看出，高频电流的非均匀磁场分布被集中、归一化并使用MCONs均匀化。磁通密度（B）和磁场强度（H）在从电流迹线的2.1毫米处测得的磁场强度表明，使用MCONs增加了B和H值。如图2（c）所示，在Al MCONs电流为10毫安（左）和10密耳（右）厚度的情况下，可以观察到类似的结果。5 MIL铜Mon在场密度方面表现出最显著的改善，B值从0.702增加到0.992 Mt。磁通密度的变化是B（0.992 0.702）MT0.29 MT2.9 G。从制造商数据表（18）考虑的MR传感器的灵敏度是Sm1 mV/（V-TT）。ASSEM在后处理电路中的桥电压为5 V，增益为20（在后面的部分中解释），输出在5 mIL Cu MCON中的相关电压增益为VB SM 5 20290 mV。通过实现5 mIL铜Mon，传感器输出的5兆赫电流的10微震幅度理论上可以提高290毫伏，这相当于传感器响应的11.6%改善。如图3（b）和（c）所示，20 A电流的模拟结果在感测区域中磁场集中和归一化方面显示了类似的结果。因此，改变MCon的材料和厚度，可以实现不同水平的磁场归一化。3 MCON性能的实验验证A 实验装置为了评价Mcon对MR传感器（18）作为电流测量装置的性能的影响，开发了几种测试电路。图4示出了设计用于在配备不同的MCONs时评估AMR传感器的性能的硬件设置的电路图。使用定制设计的快速高架阶梯电流发生器产生电流脉冲，该电流脉冲用作AMR传感器的参考电流。阶跃电流产生器可以产生高达20 A的电流脉冲，其过渡时间约为5纳秒，这使得我们能够分析到50 MHz的感测带宽。载流PCB迹线和MR传感器被放置在厚度为1.57毫米的PCB的相对侧上。在PCB的底层上实现了带有1盎司Cu的载流轨迹，而MR传感器被放置在图4。评估不同MCONs的AMR传感器性能的硬件设置电路图。顶层使得电流轨迹与传感元件之间的距离为2.1毫米。AMR传感器的输出由差分增益20进一步放大，这是用高速分量（205 MHz，506 V/s s）实现的，因此它不限制感兴趣的频率范围。图5示出了为实验而开发的硬件原型。在这项研究中，AMR传感器用六种不同配置的MCONs进行评估。使用具有优异导电性的材料如Cu和Al来配置MCONs。MCONs的长度和宽度分别为0.19和0.15，匹配AMR传感器SOIC8芯片的顶部尺寸。采用不同的MCONs厚度对传感器输出进行观测。Cu MCONs使用三种不同厚度的1, 5和10密耳，而Al MCONs用5, 10和22密耳厚。MCON被一次放置在AMR传感器的顶部，并且观察到传感器相对于具有高达20 A的幅度的快速上升阶跃电流的响应。图6示出了配备1 MIL Cu Mcon的步进电流发生器和AMR传感器的实验装置。B.实验结果 在图7中示出了AMR传感器对10A量级的快速上升阶跃电流的响应。绿色波形对应于在步进电流发生器板中使用小功率电阻器的参考电流测量。黄色波形对应于AMR传感器与任何MCON的响应。当跟踪中没有电流时，传感器输出偏置在2.5 V。随着10的轨迹中的阶跃电流，达到3.08 V的稳态传感器响应。图7。AMR传感器对10的响应，没有MCon的阶跃电流。刻度：X轴：1s/div，y轴：5 v/div（绿色），200 mV/div（黄色）。3.1传感器在相同的操作条件下使用上述MCON的六种不同配置进行评估。在图8中示出了配备有不同材料和厚度的MCONs的AMR传感器的响应。显然，配备MCON的传感器无论使用的MCON的类型如何，都表现出更好的响应。在所有情况下，稳态都比没有MCon的情况快得多。这是因为，通过使用导电材料如Cu和Al，实现了MCON，使感测元件区域中的磁场归一化。在图8中给出的结果表明，当配备1, 5和10密耳Cu MCONs时，AMR传感器响应分别达到1.16、0.83和0.86s的3.08 V的稳态。同样，对于Al MCONs，分别在0.91、0.87和0.86 s时达到3.08 V的稳定状态，McON厚度分别为5, 10和22密耳。为了更好地理解在配备MCON时传感器的瞬态响应的改善，确定上升时间至稳态值的80%。对于没有MCon的情况，确定稳定状态的上升时间为80%s，而对于具有1, 5和10密耳厚度的铜MCON，上升时间为稳态的80%，分别为0.46、0.44和0.44s。同样，对于5、10和22密耳的Al MCONs，稳态值的上升时间分别为0.46、0.45和0.45s。从阶跃电流测试的实验结果示出，5 MIL铜显示出相对于10 A阶电流的AMR传感器响应的最显著的改善。从实验中捕获的数据输出到MATLAB进行进一步的比较和分析。图9示出了没有任何MCON实现的AMR传感器响应的时间DO主要结果，以及配备5 MIL Cu MCon时的时间DO主要结果。C 讨论从图中可以清楚地看出，当与5 MIL Cu MCon一起使用时，相对于20 A阶电流的传感器响应得到显著改善。为了验证MCON对AMR传感器响应的影响的一致性，重新设计阶跃电流产生器以产生20 A阶电流和传感器响应。在不使用任何MCON的情况下观察，然后与先前实验中使用的六个不同的MCONs进行观察。图10示出了没有使用MCon的传感器响应的示波器捕获，并且图11示出了具有20个阶跃电流的六个不同MCON的AMR传感器响应。绿色波形对应于参考阶跃电流，黄波形式对应于传感器响应。20阶跃电流的稳态传感器输出为3.5 V。当不使用MCon时，传感器输出达到3 V时的3.5 V稳态。当配备有1, 5和10密耳的Cu MCON时，响应变得更快，在2.4、0.8和0.8 s S处达到稳态。集体地。在Al MCONs的情况下，观察到类似的趋势，达到3.5 V的稳定状态。对于厚度为5, 10、22密耳的MCONs分别为0.9、0.87和0.86s。然而，一旦考虑到使用MCONs可能实现的最大场归一化，进一步增加厚度不会导致来自传感器的更好的响应。因此，不再需要传感器达到稳定状态所需的时间。对于10和20两个阶跃电流瞬变，从5到10密耳增加Cu McN的厚度导致与AMR传感器类似的响应。Al的厚度从10到22密耳也有类似的趋势。对阶梯电流的传感器响应没有任何改善。实验的另一个重要的观察是，5 MIL Cu和10 MIL Al Mcon所实现的磁场归一化几乎是相似的，尽管5 MIL Cu McN产生的响应比Al稍厚。这一结果使我们得出结论，作为一种导电材料，作为磁场的MCON，也不使磁场化，与Al相比，Cu在尺寸方面提供更轻和更薄的溶液。为了观察MCR性能对AMR传感器瞬态响应时间的一致性，分别用具有2, 5, 10、15和20 A大小的阶跃电流对传感器性能进行评估。在每种情况下，AMR传感器响应分析没有MCon和配备5 MIL-Cu MCon。图13给出了从2到20 A的电流的实验中的稳态传感器输出。从图中可以看出，传感器输出在20 A时的线性误差为16.67%。重要的是要注意，这种线性误差是传感器特性和N固有的。OT受MCONS实施的响。MCONs的影响主要是在SENSOR输出的瞬态性能和稳定状态不受影响。图14示出了传感器输出上升时间随不同电流幅值达到稳定状态的变化。可以观察到，使用MCONs显著地改善了响应时间。在没有MCon和传感器输出的MCON的情况下，随着电流大小的变化，稳定时间的上升时间是相当恒定的。这验证了通过改善MCONs来改善AMR传感器的瞬态性能所实现的性能与不同的电流一致。为了进一步分析实验数据，使用Matlab对来自图12所示的20步进电流测试的捕获数据进行频率分析。图15示出了图12所示的传感器的时域响应的频率分析。从图15所示的结果可以看出，与没有MCon的情况相比，MCON情况下的传感器响应的带宽得到了改善。详细分析表明，不使用任何MCON的AMR传感器的感测带宽（3分贝响应）为1.21 MHz。如
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