霍爾效應(yīng)在電動車中的應(yīng)用

顧家國

(江蘇省大港中學(xué)　江蘇 鎮(zhèn)江　212028)

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霍爾效應(yīng)在電動車中的應(yīng)用

顧家國

(江蘇省大港中學(xué)江蘇 鎮(zhèn)江212028)

霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的.現(xiàn)在電動自行車已經(jīng)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(yīng)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(yīng)強度成線性關(guān)系，主要控制電動車的運行速度.另一類是開關(guān)型元件，即當(dāng)外界磁感應(yīng)強度發(fā)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(guī)律變化的電流，克服傳統(tǒng)電機使用電刷換向容易磨損的問題，使電機實現(xiàn)無刷化旋轉(zhuǎn).

1　霍爾元件的工作原理

霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)，從本質(zhì)上講，霍爾效應(yīng)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(zhuǎn).當(dāng)帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷在不同側(cè)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(dǎo)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(shè)載流子為電子(N型半導(dǎo)體材料)，它沿著與電流Is相反的x負(fù)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(fù)方向的B側(cè)偏轉(zhuǎn)，并使B側(cè)形成電子積累，而相對的A側(cè)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(dāng)兩力大小相等(方向相反)時，fL=-fe，則電子積累便達到動態(tài)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(yīng)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(dāng)達到動態(tài)平衡時

(1)

設(shè)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(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)磁感應(yīng)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(diào)速部件的霍爾元件在調(diào)速轉(zhuǎn)把中，這是一種線性調(diào)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(wěn)定性好、可靠性高.霍爾轉(zhuǎn)把輸出電壓的大小，取決于霍爾元件周圍的磁感應(yīng)強度.轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把，磁鐵靠近或者遠(yuǎn)離霍爾元件，改變了霍爾元件周圍的磁感應(yīng)強度，也就改變了霍爾轉(zhuǎn)把的輸出電壓大小，達到調(diào)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(zhuǎn)動的制動信號.電動車標(biāo)準(zhǔn)要求電動車在剎車制動時，控制器應(yīng)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(guān)和開關(guān)型霍爾元件兩種.當(dāng)剎車時，開關(guān)型霍爾元件會在磁鐵靠近或者遠(yuǎn)離的情況下，輸出信號發(fā)生高低電位的變化，控制器識別電動車是否處于剎車狀態(tài)，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(zhuǎn)的控制

直流電機在轉(zhuǎn)動過程中,繞組中的電流要不斷地改變方向,以使轉(zhuǎn)子向一個方向轉(zhuǎn)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(guān)型霍爾元件檢測出繞組實時運轉(zhuǎn)位置的信號,再通過微處理器或?qū)Ｓ眯酒瑢Σ杉男盘栠M行處理,并實時控制相應(yīng)的驅(qū)動電路對電機繞組進行控制，相當(dāng)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(guān)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(jīng)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(zhuǎn)圈數(shù)的開關(guān)型霍爾元件，電機每轉(zhuǎn)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(shù)字電路的計算，直接顯示出里程數(shù)或行駛速度.

2016-01-24)