BLDC霍尔安装位置

无刷直流电机中霍尔传感器空间安放位置

研究

张诚诚

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001）

摘要：霍尔传感器在永磁无刷直流电机中起到检测转子位置的作用，因此应准确检测电机气隙漏磁场。文中分析了产生霍尔传感器位置检测误差的因素检测，并利用Ansoft仿真软件进行了电机气隙磁场和电枢反应磁场的三维场计算，得到了霍尔传感器所检测漏磁场的分布，得到了永磁无刷直流电机中霍尔传感器的安装位置。为通过磁场分析的方法在电机中获取霍尔元件最佳安装位置的有效实现提供了参考。

关键词：永磁无刷直流电机；霍尔位置传感器；电枢反应

中图分类号：TM341

Space placement research of the hall sensors for BLDCM

Zhang Chengcheng

(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology,

Harbin 150001)

Abstract: The hall sensors of the BLDCM can detect rotor position, so it should detect the airgap magnetic field exactly. We analyz the position-measuring error, and use the Ansoft 3D to analyse armature reaction and its influences to hall sensors detecting signal and receive the airgap magnetic field, then receive the position of the hall sensors. The content provides that the magnetic field analyzing for the motor we acquire the best placement for the hall sensors are efficient.

Keywords: BLDCM; hall sensors; armature reaction

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；而磁感应强度降低作者简介：张诚诚（1985-），女，硕士研究生，电机本体. E-mail: zhangchch2008@https://www.wendangku.net/doc/0d13650525.html,

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，如图1，位置误差值为

/s D θ=+ (1)

式(1)中，D 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

°arcsin θ=+（2*0.01/0.3）=3.85。

图1 滞环造成的霍尔位置检测误差

Fig.1 The position-measuring error induced by hysteresis loop

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cos B θ。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，如图2所示，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。

图2 霍尔安装偏差角

Fig.2 The deflection angle of hall sensors

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图3所示。

图3 永磁电机模型及其采样线

Fig.3 The model of the Permanent magnet motor and lines

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图4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00~+L L L Δ范围内。

图4 电机模型的轴向尺寸关系

Fig.4 The axial size of the motor model

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图5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。

(a) 永磁体产生的磁密矢量图 (b)永磁体产生的磁密云图

(c) 绕组不通电时三条采样线上的磁密分布曲线

图5 永磁体所产生磁场结果

Fig.5 The magnetic field result induced by permanent magnets

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图6所示，由图中看出，电枢反应磁场相比永磁体产生的磁场小，且从图6(c)中可以清楚的看到，当坐标点大于0L 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。

(a) 电枢反应所产生的磁密矢量图 (b) 电枢反应所产生的磁密云图

(c)仅绕组通电时采样线上的磁密分布曲线

图6 电枢反应所产生的分析结果

Fig.6 The magnetic field result induced by armature reaction

现在考察霍尔检测磁场所在区间00~z L L L =+Δ，由图5与图6 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00~z L L L =+Δ的范围内越靠近0z 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。

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