无刷直流电机中霍尔传感器空间安放位置研究

无刷直流电机中霍尔传感器空间安放位置研究

0 引言

霍尔位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供的换向信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组的换向导通[1]。初步实验结果表明，电枢反应和位置传感器的改变对霍尔检测信号影响较大，直接影响了电机绕组的换流，引起电机力矩波动从而带来噪音。文中针对引起霍尔传感器位置检测误差的主要因素进行了分析，并且通过对样机电机的三维有限元仿真计算，得到了霍尔传感器检测漏磁场的分布，为霍尔传感器的安放位置提供了依据。

1 霍尔安放位置问题

1.1 产生霍尔传感器位置检测误差的因素

产生霍尔传感器位置检测误差的因素主要有以下两方面：①霍尔传感器的参数；②传感器安装位置处的磁场变化[2]。

①磁密滞环宽度

开关型霍尔元件只有在检测到磁场到达某一数值时，霍尔开关接通；而磁感应强度降低到某一数值以下，霍尔开关断开，因此输出信号的过零点与磁密过零点并不重合。而这些事件的触法点叫吸合点和释放点。开关型产品一般都给出吸合点和释放点的最大和最小磁感应强度，保证在最大吸合点和最小释放点所有开关接通或断开，但某一开关可能在这两个极限值之内吸合或释放。虽然某些产品不给出某一元件在两极限值之内的具体切换点，但保证有最小滞环，这一特性使得输出信号不会因为输入信号的微小波动而发生错误的跳变，以防抖动。实际应用中霍尔传感器的输出信号与绕组反电势之间期望的相位关系只能在一个方向上实现[3]。在另一个方向上将出现位置检测误差，如位置误差值为磁密滞环宽度，等于二倍的磁密门槛值；式中s 是从0 到D 值之间磁密随转子转角的平均变化率。如果传感器敏感的磁密按幅值为0.3T 的正弦函数变化，霍尔传感器的门槛值为0.01mT，则在一个电周期内位置误差为θ = arcsin（2*0.01/0.3）=3.85° 。

由式(1)可知，霍尔检测位置误差值可以通过选择滞环宽度小的霍尔传感器或者通过合理的计算安装位置处的磁密来选择合适的安装位置以获得高的磁密的变化率来进行抑制。

②霍尔传感器的磁密敏感区

永磁电机中的磁铁在霍尔传感器正面产生磁场，且随着所产生磁场大小的变化，霍尔传感器接通或断开。当磁感应强度B 与霍尔传感器的平面法线成一角度θ 时，实际上作用于霍尔传感器的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcosθ 。因此，当霍尔传感器的安装有角度偏差时，传感器的有效磁场将发生变化，此时的偏差角为θ ，由此产生的误差值既取决于这个夹角θ ，又取决于敏感区法线方向上磁密的变化程度[4]。因此，可以通过尽可能的减小传感器的装配误差以起到抑制这种误差的效果。

1.2 转子磁钢所产生的磁场变化对霍尔检测误差的影响转子磁钢产生霍尔传感器检测位置所需的磁密，永磁体所产生磁场的不均匀或转子的不同心会造成一周内磁场变化的不一致；此外，传感器通常安装在永磁体电机的端部，直接用电机的转子作为自己的转子，感应出所需要的磁场，但是当绕组通电流后，强的端部电枢反应会使位置检测处的磁场严重畸变，造成位置检测误差[5]。

2 对永磁电机端部磁场进行三维有限元分析

2.1 永磁电机的三维有限元模型

对永磁电机中传感器安装区域内的磁场分析时不能忽略永磁体的边缘效应与铁磁材料的弥散效应，因此二维有限元法不适于在此进行磁场的定量计算。使用三维有限元法可以实现对整个电机端部磁场的定性和定量分析，进行不同位置处的磁场分析，以确定传感器的安装位置[6]。文中在定子

铁心上以一个大齿的中心线为起点，至相邻的槽中心线范围之间等间距取三条采样线，则永磁电机的三维模型及其采样线的选取如所示。

不计铁磁材料的饱和效应，依据叠加原理电机端部磁场可以认为是永磁体与电枢电流单独作用产生磁场的合成，对上述所建模型分别求解绕组不通电和绕组通电情况下采样线上的磁场分布，求解方法为转子旋转，当转子磁极中心线与某采样线重合时计算磁场，提取该采样线上磁感应强度分布曲线。电机模型的轴向尺寸关系如所示。由定子中心处作为轴向长度的始端，霍尔所检测漏磁场分布集中在z 轴L0~L0+ΔL范围内。

2.2 齿槽对霍尔漏磁场检测的影响

当绕组不通电，仅有永磁体作用时，由永磁体产生的磁密矢量图、磁密分布云图以及磁密值沿轴向的变化如所示，其中图中line1、line2、line3 分别为齿中心线处采样线，齿槽中心线之间以及槽中心线处的采样线。由于霍尔传感器安装于绕组端部靠近定子铁心处，由图显示在仅有永磁体作用时，霍尔检测漏磁场受齿槽影响较小，因此在确定霍尔安装位置时可以不考虑齿槽的影响。

2.3 绕组端部电枢反应对霍尔检测漏磁场的影响

在考虑绕组端部电枢反应对霍尔检测漏磁场影响时，由于电枢电流是时变的，在不影响分析结果正确的前提下，建模时只采用三相绕组的一种通流状态来分析。绕组中电枢电流采用如下设置：a 相电流最大，b 相电流和c 相电流方向与a 相相反，幅值为峰值的一半。永磁体此时没有充磁，认为为空气。则定子铁心内的磁密矢量图、磁密分布云图以及磁密值沿轴向的变化如所示，由图中看出，电枢反应磁场相比永磁体产生的磁场小，且从中可以清楚的看到，当坐标点大于0 L 时，即处于定子端部表面上方时，电枢反应磁场衰减的很快，相比较而言，由于采样线line3 在定子的槽中心线处，采样磁感应强度值为主极磁场与电枢绕组磁场的线性叠加，所以相比较而言line3 上的磁感应强度与采样线line1、line2的磁感应强度比较，呈现出更大的递增趋势。这主要时因为定子铁心磁饱和导致铁心内磁感应强度不再呈线性增长。

现在考察霍尔检测磁场所在区间z = L0 ~ L0 + ΔL，由与知，如若霍尔传感器安装于采样线的z=11mm 位置时，霍尔检测的漏磁场的幅值

为B=0.45T~0.6T。此处的永磁无刷直流电机采用开关霍尔作为位置传感器，开关型霍尔工作时，所检测的漏磁场感应强度幅值必须大于使霍尔电压信号翻转的阀值磁感应强度。设阀值磁感应强度最大值为op B ，所检测的磁感应强度最大值为m B ，则必须满足m op B ≥ B ，否则开关型霍尔传感器将无法触发。

对比图中的各曲线，霍尔检测漏磁场幅值受一定的电枢反应的影响，因此理想霍尔安装的位置在定子的齿中心线line1 处，且在z 轴方向上z = L ~ L + ΔL的范围内越靠近z = L 位置处越好。

3 结论

文中主要针对引起霍尔传感器位置检测误差的各种主要因素进行了分析，并且通过对样机电机的三维有限元仿真计算，得到了霍尔传感器检测漏磁场的分布，总结影响霍尔传感器安装的最佳位置，为霍尔传感器的安放位置提供了依据。

计算机硕士论文

[参考文献] (References)

[1] 王萍，王正茂，姚刚等. 无刷直流电机中霍尔元件的空间配置[J]. 微电机，2003 年，第6 期：16-18.

[2] 徐征，李铁才. 霍尔传感器位置检测误差的分析及解决方案[J]. 中国电机工程学报，2004 年，第1 期：168-173.

[3] 谭建成. 多级分数槽集中绕组无刷电机霍尔传感器位置确定方法分析[J]. 微电机，2008 年：57-61.

[4] 李勇. 定位力矩HALL 元件信号误差对永磁同步电机噪声的影响研究[J]. 电子器件，2008 年，第3 期：1007-1010.

[5] 王俊. 霍尔传感器及其性能优化[J]. 电子元器件与可靠性，2008，第2 期：10-14.

[6] 涂翘甲. 无刷直流电机用开关型霍尔传感器[J]. 技术与开发，2007，第7 期：25-28.