霍尔效应在电动车中的应用

顾家国

(江苏省大港中学　江苏 镇江　212028)



霍尔效应在电动车中的应用

顾家国

(江苏省大港中学江苏 镇江212028)

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔于1879年发现的.现在电动自行车已经进入千家万户，霍尔元件在电动车的控制电路中得到广泛应用.这类元件可以分为两大类:一类是线性元件，即输出电压和外界的磁感应强度成线性关系，主要控制电动车的运行速度.另一类是开关型元件，即当外界磁感应强度发生较大变化时，其输出的是高或者低的脉冲电压，主要是提供电机换向按规律变化的电流，克服传统电机使用电刷换向容易磨损的问题，使电机实现无刷化旋转.

1　霍尔元件的工作原理

霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应，从本质上讲，霍尔效应是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力的作用而引起的偏转.当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场.

图1

如图1所示，磁场B位于z的正向，与之垂直的半导体薄片上沿x正向通以电流Is(称为控制电流或工作电流)，假设载流子为电子(N型半导体材料)，它沿着与电流Is相反的x负向运动.由于洛伦兹力fL的作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累.与此同时,运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力fe的作用.随着电荷积累量的增加，fe增大，当两力大小相等(方向相反)时，fL=-fe，则电子积累便达到动态平衡.这时在A,B两端面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势差称为霍尔电压VH.

同时，电场作用于电子的力为

式中EH为霍尔电场强度，VH为霍尔电压，l为霍尔元件宽度,当达到动态平衡时

(1)

设霍尔元件宽度为l，厚度为d，载流子浓度为n，则霍尔元件的工作电流为

(2)

由式(1)、(2)可得

(3)

应当注意，当磁感应强度B和元件平面法线成一角度时(如图2)，作用在元件上的有效磁场是其法线方向上的分量Bcosθ，此时

VH=KHIsBcosθ

(4)

即霍尔电压VH与Is和B的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，制造好的霍尔元件厚度确定，在控制电路中，通常使Is恒定，所加磁场B的变化就会引起霍尔电压VH的变化，从而控制电动车的运行.

图2

2　霍尔元件对电动车速度的控制

电动车调速部件的霍尔元件在调速转把中，这是一种线性调速部件，样式很多但工作原理是一样的，它一般位于电动车的右边，体积小、精确度高、灵敏度高、线性好、温度稳定性好、可靠性高.霍尔转把输出电压的大小，取决于霍尔元件周围的磁感应强度.转动转把，磁铁靠近或者远离霍尔元件，改变了霍尔元件周围的磁感应强度，也就改变了霍尔转把的输出电压大小，达到调整电动车速度的目的.

3　霍尔元件对电动车刹车的控制

刹车信号是电机停止转动的制动信号.电动车标准要求电动车在刹车制动时，控制器应能自动切断对电机的供电.电动车刹车把的位置传感元件有机械式微动开关和开关型霍尔元件两种.当刹车时，开关型霍尔元件会在磁铁靠近或者远离的情况下，输出信号发生高低电位的变化，控制器识别电动车是否处于刹车状态，从而判断控制器是否给电机供电.

4　霍尔元件对电动车电机旋转的控制

直流电机在转动过程中,绕组中的电流要不断地改变方向,以使转子向一个方向转动.其中有刷电机是采用电刷与换向器通过机械接触的方式进行换向的;而无刷电机则是通过开关型霍尔元件检测出绕组实时运转位置的信号,再通过微处理器或专用芯片对采集的信号进行处理,并实时控制相应的驱动电路对电机绕组进行控制，相当于通过霍尔元件检测电机线圈的位置，适时改变电机中的电流方向，起到电机电刷的作用.由于无刷电机的换向是通过传感器及相关电路进行的,所以这种电机没有电刷与换向器的机械接触与磨损,不需要经常换电刷等易损器件,从而可有效提高电机的使用寿命,减少维修.

5　霍尔元件对电动车速度表的控制

电动车电机中有磁铁和用于记录电机旋转圈数的开关型霍尔元件，电机每转动一圈，磁铁和霍尔元件近距离靠近一次，霍尔元件输出一次脉冲信号，然后通过数字电路的计算，直接显示出里程数或行驶速度.

2016-01-24)