銻化銦InSb霍爾元件在無刷電機中的應用
2020/7/23 21:47:31 點擊：
根據人民對生活質量的高要求，家電的節能、噪聲、環保等慢慢成為人們購買電器的一個重要因素，新型直流無刷電機應運而生，低噪音、環保、低能耗的特點使其成為家電電機的首選。
直流無刷電機中較為重要的部件就是霍爾，因為霍爾具有非接觸式,安全性高,壽命,高穩定的優點,且能抗油污抗灰塵等不良環境帶來的影響。所以,霍爾在直流無刷電機中是關鍵部件,其作用是很大的。選擇霍爾的好壞,對直流無刷電機的品質有著直接的影響。用銻化銦(InSb)半導體制成霍爾元件靈敏度最高，也是使用最為廣泛的霍爾元件。無刷電機中的霍爾傳感器裝置采用銻化銦(InSb)霍爾元件或銻化銦(InSb)霍爾開關電路。霍爾傳感器通常與外部放大器電路連接，霍爾傳感器電路直接驅動電機繞組，大大簡化了電路。
工作原理：無刷直流電機使用永磁轉子將所需數量的霍爾傳感器設備放置在定子的適當位置。其輸出與定子繞組的相應電源電路相連。當轉子經過霍爾傳感器裝置附近時，永磁體轉子的磁場使勵磁霍爾傳感器裝置輸出電壓打開定子繞組電源電路，向相應的定子繞組供電，產生與轉子磁場極性相同的磁場，并排斥轉子繼續旋轉。在下一個位置，前一個位置的霍爾傳感器裝置停止工作，下一個霍爾傳感器裝置打開，使下一個繞組通電，產生排斥磁場，使轉子繼續轉動。這樣一個循環來維持馬達的工作。
在這里，霍爾傳感器裝置作為位置傳感器來檢測轉子磁極的位置。它的輸出使定子繞組電源電路通斷，同時也起開關的作用。當轉子磁極離開時，前霍爾傳感器裝置停止工作，下一個裝置開始工作，使轉子磁極始終面對推斥磁鐵。磁場和霍爾傳感器器件起到了定子電流換向的作用。
霍爾傳感器開關鎖定電路直接驅動電機。當磁場刺激鐵磁材料時，由于其高磁導率、低磁阻，磁力線集中在材料中。當材料平均時，磁力線的分布也是平均的。如果材料中有缺陷，如缺陷處有裂紋、孔等，則磁力線會彎曲，局部磁場會發生畸變。這種畸變可以通過霍爾傳感器探頭、位置、性能(孔或裂紋)和尺寸(如深度、寬度等)來檢測。該缺陷可以通過數據處理來識別。
三相直流無刷電機原理
三相無刷直流電機常采用兩兩導通的方式工作，兩兩導通指任意時刻逆變器只有2只開關管開通。無刷直流電機需要根據轉子位置來切換工作狀態，也就是說換相點是無刷直流電機正常工作必不可少的信息。圖1為三相無刷直流電機換相點示意圖，為便于理解，特給出了反電勢以及相電流波形，圖中ea，eb，ec代表三相相反電勢，由圖可見，對于三相無刷直流電機，每個電周期內有6個不同的換相點，也就是說每個電周期內電機換相6次。
霍爾傳感器常用來檢測無刷直流電機換相點。三相無刷直流電機需要3 個霍爾傳感器來檢測6 個不同的位置，霍爾傳感器的安裝有120° 安裝和60° 安裝2 種方式，120° 安裝指3 個霍爾傳感器互差120° （電角度），而60°安裝指3 個霍爾傳感器互差60° （電角度），2 種安裝方法對應霍爾傳感器的輸出信號如圖2 所示，圖2 中霍爾信號跳變的位置就是換相點。2 種安裝方式最大的區別在于采用60 ° 安裝時可以輸出“000”和“111”信號，而120° 安裝則不會輸出這2 個信號，通過這一點可以判斷霍爾傳感器的安裝方式。
不管采用哪種安裝方式，輸出的霍爾信號將每個電周期分為6 個區域，當轉子轉到某個區域時，特定的繞組通電，無刷直流電機即可正常運行，若霍爾信號與繞組關系不準確，電機將無法工作，甚至會造成電機或逆變器損壞。下面介紹一種無刷直流電機霍爾信號與繞組關系自學習方法。
三相直流無刷電機轉矩可以由下式來計算：
T =eaia + ebib + ecicω式中：ea ，eb ，ec 為三相相反電勢；ia ，ib ，ic 為三相相電流；ω 為電機角速度。空載時，在電機繞組中通以固定電流，電機轉子將轉到某一位置并停止，此時電機產生的轉矩零圖3中，Ⅰ～Ⅵ表示霍耳傳感器將電周期分成的6 個區域，當兩兩導通時，通電的兩相繞組電流大小相等，方相反，電機轉矩為零的點分布在各個區域的邊界上；當采用三三導通時，三相繞組均通電，若電流最大相的電流為I，那么其它兩相電流為－I/2，此時電機轉矩為零的點分布在各個區域的中間位置，如圖3 所示。通過以上分析可以知道，要使轉子轉到某一個區域，采用三三導通的方法要比兩兩導通的方法更加合理。
某一個特定的區域，正常工作時需要通電的直流無刷電機繞組是一定的，如圖3 中的區域Ⅰ，兩兩導通時需A 相和B相繞組通電，要想產生正轉矩，A 相繞組應通正電流，B 相繞組應通負電流，記為“A+B-”，要產生負轉矩則“B+A-”，其它區域內直流無刷電機繞組通電的情況如表1 所示。如果電機采用三三導通方式工作，可以根據反電勢很容易地得出繞組通電情況，這里就不再列舉。
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