微电机 2003年 第 36卷 第 6期 (总第 135期 )
设计与研究· DESIGN ＆ RESEARCH
无刷直流电机中霍尔元件的空间配置
王 萍 ,王正茂 ,姚 刚 ,周保航
(西安交通大学 ,陕西 西安 710049)
摘 要: 介绍了无刷直 流电机转子的主要 结构和霍尔元 件在无刷 直流电机中 放置的位 置 ,分析 了霍尔元 件放置于 定子槽内的各种情况对电机转矩的影响。 关键词: 无刷直流电动机 ;霍尔元件 ;电枢绕组 ;磁钢 中图分类号: T M 345 文献标识码: A 文章编号: 1001- 6848( 2003) 06- 0016- 03
2 无刷直流电机转子结构形式 [2]
无刷直流电机转子没有笼式绕组 ,大多数无刷 直流电机转子磁钢为表面式 ,磁钢基本上做成 180° 电角度 ,如图 3所示。有时为了节省材料 ,降低成本 , 将转子磁钢做成 120°电角度 ,如图 4所示。用于无刷 电机 120°磁钢结构缺点较多。
3 定子绕组形式对放置霍尔元件的影 响 [3]
图 9 前极尖通电时电流分布
4. 3 后极尖通电 如图 6所示 ,当转子转过 30°时 , B相带一槽将
处于 S极 下 ,在 后面的 30°转动 中 ,将 产生反 向转 矩 , Y相带一槽将处于 N 极下 ,在后面的 30°转动中
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图 10 120°磁钢结构电流分布
从图 10b、 c看出 ,通电绕组有许多导体不在磁 极面下 ,不产生有用电磁转矩 , 因而 120°磁钢结构 不太好 ,除性能差外 ,还会产生许多死点。
1. 2 锁存型霍尔位置传感器
锁存型霍尔元件与 普通开关型霍尔元件有区 别 ,它的动作值在 S极 ,返回值在 N极下 ,这种电路 在无刷直流电机交变磁场作用下 ,输出波形占空比 接近 50% ,其输出特性如图 2所示。
收稿日期: 2003- 07- 02
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图 1 开关型霍尔元件输出特性
图 2 锁存型霍尔元件输出特性
无刷直流电机是指具有直流电机外部特性的电 子换相电机 ,有位置传感器电机是其最基本的一种 形式 ,霍尔元件传感器以其优良的特性及很小的体 积获得广泛的应用。
1 霍尔位置传感器
无刷直流电机霍尔位置传感器一般分为开关型 与锁存型两种。
1. 1 开关型霍尔元件 [1 ]
其特点为: 当外加磁感应强度从负值增加到某 一 BOP值 (动作值 ) ,输出由高电平翻转为低电平。如 果磁感应强度由正值向负值方向降低 , 在小于 BO P 一定数值的 B RP值 (返回值 ) 时 ,输出由低电平翻转 为高电平。实际上 ,只有 S极对单极性开关型霍尔元 件起作用。其输出特性如图 1所示 ,当转子磁极占转 子空间位置小于 180°时 ,作为位置传感器的开关型 霍尔元件输出波形占空比一般大于 50% 。
对称的双层短距绕组霍尔元件可以放置在极相 组的中间位置 ,如图 7所示。从图中可以看出通电的 绕组位于 N 极与 S极中间 ,其 正反转工作性 能相 同。
图 7 双层短距绕组通电情况Байду номын сангаас
4 通电绕组位于磁极中间位置或位于 前极尖 或后 极尖 位置时 对无 刷直 流电 机转矩的影响
4. 1 通电绕组位于 N、 S极中间位置
3. 1 单层绕组
当每极每相槽数 q为奇数时 ,霍尔元件可以放 置在各相带的中间槽内 , 定转子展开图如图 5a 所 示 ,此瞬间 Z、 B、 C、 Y相带通电 ,刚好处于 N 极与 S 极中间 ,电机正反转性能相同 ,而且在旋转 40°电角 度时间内 ,通电导体与磁极磁场较强的部分耦合产 生较大的力矩 ,且力矩大小基本不变 ,如图 5b所示。 在图 5b所示的瞬间后 , Z相带的一槽带电导体将与 N 极作用 ,产生和原来方向相反的作用力 , C相带一 槽带电导体将与 S极作用产生反向力 ,使合成力矩 减小。
Hal l El ements Pl acement f or Brushl ess DC Motor W AN G Pi ng , W AN G Zheng - m ao, YAO Gang , ZHO U Bao- hang
( Xi 'an Jiao tong U niv er sity , Xi 'a n 710049, China ) Abstract: This paper describes the st ructure of ro to r a nd ho w to place Ha ll elements fo r Brushless D C moto r , ana ly ses so me different situations when to place Ha ll elements in sta tor slo t and the thing which a ffec ts mo to r to rque. Key words: bursh less DC mo to r; Hall elements; ar mature w inding; alnico
一槽和 C相带一槽都转到无磁极位置 ,因而不产生 力矩 ,总体力矩仍为正向 ,电机仍保持正向转动。
图 8 q= 1时电流分析
4. 2 前极尖通电
对于要求正反转的无刷直流电机 ,为了正反转 性能的一致 ,换相瞬间通电绕组位于磁极中间是必 要的。对于要求一个转向的电机 ,则换相瞬间通电导 体位于磁极的前极尖最好。转动过程中 ,载流导体都 处于同磁极极面下 ,输出转矩大且脉动小。
[2] 唐 任远 .现 代永 磁电 机 [M ].北 京: 机 械工 业出 版 社 , 1 99 7.
[3 ] 王 正 茂 . 电 机 学 [ M ]. 陕 西: 西 安 交 通 大 学 出 版 社 , 2 00 1.
作 者简 介: 王 萍 ( 1979- ) ,女 ,现就 读于 西安 交 通大 学 ,硕 士研究生 ,主要从 事电力电子 技术和电 机控制 方面的 研究。
当 q为偶数时 ,一般转子磁钢做的稍长一些 ,霍 尔元件放置在各相带的中间位置 ,绑在绕组的端部 (图略 )。与 q为奇数时情况相同 ,无刷电机正反转工 作性能相同。如果将霍尔元件放置在定子槽口内 ,那
图 6 q为偶数时霍尔元件位 置
显然 ,霍尔元件位置从相带中间位置左移或右 移了 12槽距角 ,在 q= 2时为 15°电角度。电流方向如 图 6所示 ,转子将向左转 ,一般一个状态转子转 60° 电角度 ,如果转子转过 30°电角度 ,通电的 B相导体 将有部分位于 S极面下 ,将产生向右的力 ,此时合成 转矩将减小。 另一方面 ,如果通电的绕组相带为 Z、 B、 C、 Y,但电流方向相反 ,转子转向向右 ,电磁转矩 将没有以上的缺点。总之 ,两个旋转方向电机性能有 差别。 3. 2 双层短距绕组
6 试验验证
做了无刷直流电机样机 ,含 180°和 120°两种磁 极结构 ,进行了验证 ,结论与上述分析相吻合。在 180° 磁极结构的无刷直流电机中 ,换相瞬间前极尖通电 型 ,电机性能最好 ,但反向性能不好。磁极在中间位置 通电 ,正反转性能相同 ,后极尖通电最好不用。
参考文献:
[ 1] 谭建成 .电机 控制专用 集成电路 [M ].北京: 机 械工业 出版社 , 1997.
图 9为前极尖通电时电流分布情况 ,其中 A、 Z、 X、 C相带通电 ,电流方向如图 9所示。 所谓前极尖 是指转子进入位置传感器的那一个极尖 ,所谓后极 尖是指旋转时离开位置传感器的极尖。 当电机转子 转过 60°电角度时 , A、 Z、 X、 C仍处于 N极和 S极极 面的中间地带 ,产生较大的电磁转矩 ,而没有相反的 转矩产生 ,所以工作性能最好。
将产生反向力矩 ,使电机电磁转矩减小 ,电机从图 6 瞬间转过 60°时 ,则 B相带两槽电流进入 S极区 , Y 相带两槽电流进入 N 极区 ,使磁场转矩接近零。
5 120°磁钢转子
磁钢设计成 120°,结构如图 4所示 ,通电瞬间情 况如图 10所示。从图 10a可看出前极尖通电时 ,电机 能正常前进 ,但 A相带一槽、 X相带一槽不处于磁极 极面下 ,不产生力矩。 磁极转过 45°电角度后 Z相带
在电机中 ,为了获得对称的电势和磁势 ,首先要
无刷直流电机中霍尔元件的空间配置 王 萍 王正茂 姚 刚 ,等
图 3 180°磁钢结构
图 5 q为奇数时霍尔元件位 置
么放置的位置如图 6所示。
图 4 120°磁钢结构
求其具有对称的电枢绕组 ,对于三相电机 ,所谓对称 的电势和磁势 ,要求 A、 B、 C三相的电势和磁势在幅 值上相等 ,在时 间与空间相位上互差 120°电角度。 所谓三相对称绕组 , 其相带排列次序为 A、 Z、 B、 X、 C、 Y,每个相带为 60°电角度。 霍尔位置传感器元件 较小 ,一般放置在各相带绕组的中间位置 ,可以放置 在 A、 Z、 B三个相带的中间位置 ,即为 60°间隔放置 , 也可以放置在 A、 B、 C相带位置 ,即为 120°间隔放 置。 无论怎样放置 ,在一定范围内 ,位置传感器的一 个状态对应着转子磁极与定子绕组的相对位置。
如图 5所示 q= 3的绕组 ,通电绕组在通电 (换 — 17 —
微电机 2003年 第 36卷 第 6期 (总第 135期 )
相 )瞬间位于 N、 S极中间位置 ,当转子磁极转过 2T 电角度即 40°电角度时 ,原本位于 S极面下 Z相带 的一槽电流开始处于 N 极下 , 产生相反的力矩 ,原 本位于 N 极面下的 C相带一槽电流开始位于 S极 下 ,亦产生相反方向的力矩 ,如图 5b所示 ,从而使转 子在 40°～ 60°电角度的范围内转矩发生下降。 如果 每极每相 q= 1槽 ,情况有所好转 ,其换相瞬间电流 分布如图 8a所示。 图 8b为转过 60°电角度后 ,通电 导体仍在原极面下 ,不产生反方向力矩 ,所以一些无 刷直流电机采用 q= 1的绕组。