霍爾效應在電動車中的應用

顧家國

(江蘇省大港中學　江蘇 鎮江　212028)

?

霍爾效應在電動車中的應用

顧家國

(江蘇省大港中學江蘇 鎮江212028)

霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾于1879年發現的.現在電動自行車已經進入千家萬戶，霍爾元件在電動車的控制電路中得到廣泛應用.這類元件可以分為兩大類:一類是線性元件，即輸出電壓和外界的磁感應強度成線性關系，主要控制電動車的運行速度.另一類是開關型元件，即當外界磁感應強度發生較大變化時，其輸出的是高或者低的脈沖電壓，主要是提供電機換向按規律變化的電流，克服傳統電機使用電刷換向容易磨損的問題，使電機實現無刷化旋轉.

1　霍爾元件的工作原理

霍爾效應是導電材料中的電流與磁場相互作用而產生電動勢的效應，從本質上講，霍爾效應是運動的帶電粒子在磁場中受洛倫茲力的作用而引起的偏轉.當帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中，這種偏轉就導致在垂直電流和磁場的方向上產生正負電荷在不同側的聚積，從而形成附加的橫向電場.

圖1

如圖1所示，磁場B位于z的正向，與之垂直的半導體薄片上沿x正向通以電流Is(稱為控制電流或工作電流)，假設載流子為電子(N型半導體材料)，它沿著與電流Is相反的x負向運動.由于洛倫茲力fL的作用，電子即向圖中虛線箭頭所指的位于y軸負方向的B側偏轉，并使B側形成電子積累，而相對的A側形成正電荷積累.與此同時,運動的電子還受到由于兩種積累的異種電荷形成的反向電場力fe的作用.隨著電荷積累量的增加，fe增大，當兩力大小相等(方向相反)時，fL=-fe，則電子積累便達到動態平衡.這時在A,B兩端面之間建立的電場稱為霍爾電場EH，相應的電勢差稱為霍爾電壓VH.

同時，電場作用于電子的力為

式中EH為霍爾電場強度，VH為霍爾電壓，l為霍爾元件寬度,當達到動態平衡時

(1)

設霍爾元件寬度為l，厚度為d，載流子濃度為n，則霍爾元件的工作電流為

(2)

由式(1)、(2)可得

(3)

應當注意，當磁感應強度B和元件平面法線成一角度時(如圖2)，作用在元件上的有效磁場是其法線方向上的分量Bcosθ，此時

VH=KHIsBcosθ

(4)

即霍爾電壓VH與Is和B的乘積成正比，與霍爾元件的厚度成反比，制造好的霍爾元件厚度確定，在控制電路中，通常使Is恒定，所加磁場B的變化就會引起霍爾電壓VH的變化，從而控制電動車的運行.

圖2

2　霍爾元件對電動車速度的控制

電動車調速部件的霍爾元件在調速轉把中，這是一種線性調速部件，樣式很多但工作原理是一樣的，它一般位于電動車的右邊，體積小、精確度高、靈敏度高、線性好、溫度穩定性好、可靠性高.霍爾轉把輸出電壓的大小，取決于霍爾元件周圍的磁感應強度.轉動轉把，磁鐵靠近或者遠離霍爾元件，改變了霍爾元件周圍的磁感應強度，也就改變了霍爾轉把的輸出電壓大小，達到調整電動車速度的目的.

3　霍爾元件對電動車剎車的控制

剎車信號是電機停止轉動的制動信號.電動車標準要求電動車在剎車制動時，控制器應能自動切斷對電機的供電.電動車剎車把的位置傳感元件有機械式微動開關和開關型霍爾元件兩種.當剎車時，開關型霍爾元件會在磁鐵靠近或者遠離的情況下，輸出信號發生高低電位的變化，控制器識別電動車是否處于剎車狀態，從而判斷控制器是否給電機供電.

4　霍爾元件對電動車電機旋轉的控制

直流電機在轉動過程中,繞組中的電流要不斷地改變方向,以使轉子向一個方向轉動.其中有刷電機是采用電刷與換向器通過機械接觸的方式進行換向的;而無刷電機則是通過開關型霍爾元件檢測出繞組實時運轉位置的信號,再通過微處理器或專用芯片對采集的信號進行處理,并實時控制相應的驅動電路對電機繞組進行控制，相當于通過霍爾元件檢測電機線圈的位置，適時改變電機中的電流方向，起到電機電刷的作用.由于無刷電機的換向是通過傳感器及相關電路進行的,所以這種電機沒有電刷與換向器的機械接觸與磨損,不需要經常換電刷等易損器件,從而可有效提高電機的使用壽命,減少維修.

5　霍爾元件對電動車速度表的控制

電動車電機中有磁鐵和用于記錄電機旋轉圈數的開關型霍爾元件，電機每轉動一圈，磁鐵和霍爾元件近距離靠近一次，霍爾元件輸出一次脈沖信號，然后通過數字電路的計算，直接顯示出里程數或行駛速度.

2016-01-24)