浅谈霍尔传感器在无刷直流电机中的应用

　　直流电机   　　直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。   　　组成结构   　　直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。   　　定子   　　（1）主磁极   　　主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。   　　铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，   　　（2）换向极   　　换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。   　　（3）机座   　　电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个：   　　一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；   　　二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。   　　（4）电刷装置   　　电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。   　　转子   　　（1）电枢铁心   　　电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。   　　一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。   　　（2）电枢绕组   　　电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。   　　（3）换向器   　　在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，   　　使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。   　　（4）转轴   　　转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。   　　工作原理   　　直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。   　　直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，   　　靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。   　　感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。   　　导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

　　无刷直流电机的工作原理本质上与有刷电机类似，有刷直流电机采用机械的电刷和换向器对绕组中的电流进行换向。而无刷电机采用电子方式对绕组电流换向。

　　直流电机中转矩是通过永磁体磁场和绕组中的电流相互作用产生的，在有刷电机中，换向器通过切换电枢绕组实现电枢电流的换向与合适的磁场。而无刷直流电机中，霍尔位置传感器探测转子旋转磁场的位置，通过逻辑与驱动电路，给相应的绕组激励。总的说来，绕组根据电机永磁体的磁场作出反应，从而产生需要的转矩。如图1是一种三相8极（四对磁极）无刷直流电机基本组成：

　　旋转的永磁体转过双极型数字霍尔传感器时，会使双极型数字霍尔传感器状态发生改变。如上图中8极磁体无刷直流电机中，每两个南极之间相隔90度，霍尔传感器相隔120度放置，此时霍尔传感器之间电角度相隔30度。南极靠近时，双极型数字霍尔传感器转换工作状态，当第一个数字霍尔传感器在0度电角度转为工作状态时，第二个数字霍尔传感器在30度电角度时工作，第三个数字霍尔传感器在60度电解时工作。

　　当北极经过双极数字型霍尔传感器时，数字霍尔传感器会转为释放状态，旋转的8极磁体的每个北极与相邻的南极之间为45度，因此，数字霍尔传感器在磁体转过45度后，会由工作状态转为释放状态。如图2为数字霍尔传感器控制的输出电平状态。

　　上述三个双极型数字霍尔传感器的输出作为转子位置的编码器使用，将磁体的位置和极性信息作为信号发送给逻辑电路，用于开断H形桥式功率管，如图3，三相无刷直流电机典型驱动电路。

　　图中R1，S1，T1可以由上述信号驱动，而R2，S2，T2由上述信号反相后驱动。这样，根据旋转磁体的位置，每对功率管会相应地开通或判断，从而以正确的顺序、在正确的时间为电机绕组提供电流。

　　数字霍尔元件的选型，需根据安装要求（即转子磁场方向）与霍尔元件的感应方向，进行合理选择。

 

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