4 霍爾設(shè)計(jì)

通過上述典型案例分析，可將霍爾安裝方式分為“有骨架”和“無(wú)骨架”兩類。對(duì)比兩類霍爾傳感器可得出下表：

表4.1 有骨架霍爾與無(wú)骨架霍爾對(duì)比

通過對(duì)比可知有骨架型霍爾在體積和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上都高于無(wú)骨架霍爾。本節(jié)將會(huì)以有骨架霍爾為例，講解霍爾傳感器設(shè)計(jì)方法。

4.1 霍爾插槽的選擇

霍爾插槽，即霍爾安裝位置，一般該位置可位于齒中心或槽中心，兩者均可準(zhǔn)確反應(yīng)磁場(chǎng)變化情況。不論是齒中心還是槽中心，均需要按照電機(jī)所選擇的槽極配合來(lái)選擇在哪一槽（齒）安裝霍爾元器件，當(dāng)三個(gè)元器件安裝完成后能夠以60°或120°相位角進(jìn)行輸出即為正常。對(duì)于60°與120°的選擇，需要以控制器程序?yàn)闇?zhǔn)，采用不同的角度，輸出信號(hào)也不同，如下表所示

表4.2 120°分布情況下霍爾輸出情況

表4.3 60°分布情況下霍爾輸出情況

大部分控制器廠商均以120°分布的輸出信號(hào)來(lái)編寫程序，若采用60°則需要重新調(diào)試程序，建議以120°分布作為設(shè)計(jì)值。

當(dāng)確定好電角度設(shè)計(jì)值之后，就需要確定機(jī)械角度，來(lái)決定安裝的具體槽（齒），以一對(duì)極電機(jī)為例：

圖4.1 120°分布霍爾安裝位置示意圖

圖4.2 60°分布霍爾安裝位置示意圖

通過圖片可以看出，對(duì)于一對(duì)極電機(jī)，電角度120°分布，機(jī)械角度就需要120°分布；電角度60°分布，機(jī)械角度就需要60°分布。

當(dāng)電機(jī)極數(shù)增多時(shí)，霍爾布置的機(jī)械角度就會(huì)隨之縮小，例如四對(duì)極電機(jī)采用120°分布，則霍爾安裝的機(jī)械角度等于120/4=30°。計(jì)算過程如下：

再以典型的8極48槽電機(jī)為例：

1 若選擇的電角度分布為120°，則霍爾安裝機(jī)械角度需間隔30°。

2 考慮到電機(jī)槽數(shù)為48，每槽所占機(jī)械角度為7.5°。

3 確定每4槽（齒）安裝一個(gè)霍爾傳感器即可。

圖4.3 8極48槽電機(jī)120°分布霍爾安裝示意圖

通過上述步驟計(jì)算，即可確定各霍爾安裝位置，對(duì)于不同槽極配合的電機(jī)也可通過相同的方法確定。第一步確定霍爾電角度分布，第二步確定霍爾機(jī)械角度分布，第三步計(jì)算需要間隔多少槽安裝霍爾傳感器。

4.2 霍爾徑向位置的選擇

在確定霍爾插槽位置后，需要確定霍爾在徑向上所處的位置，即確定霍爾檢測(cè)到磁場(chǎng)的具體位置。該位置的選擇直接影響霍爾跳變的精度，即跳變沿是否會(huì)超前或滯后于換向點(diǎn)。

圖4.4 磁鐵磁力線分布圖

通過上圖可以看出，離磁鐵越遠(yuǎn)的位置磁力線越稀疏，即磁場(chǎng)強(qiáng)度越弱，離磁鐵越近的位置磁力線越密，即磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)。根據(jù)前述的霍爾原理，當(dāng)檢測(cè)到磁場(chǎng)強(qiáng)度高于或者低于閾值時(shí)，霍爾信號(hào)發(fā)生跳變，所以選擇檢測(cè)的具體位置即是選擇霍爾跳變的電角度。

在考慮該距離時(shí)需要對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的分布情況進(jìn)行仿真或測(cè)量，同時(shí)需要考慮霍爾安裝位置是否會(huì)對(duì)鐵芯產(chǎn)生影響，是否會(huì)對(duì)裝配造成不便。下面以8極48槽電機(jī)為例，來(lái)確定霍爾徑向檢測(cè)位置：

圖4.5 8極48槽電機(jī)磁密分布

1 定子繞組在經(jīng)過Q軸時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同向電勢(shì)（反電勢(shì)過零點(diǎn)），所以霍爾需要檢測(cè)是否經(jīng)過Q軸，遂取Q軸磁場(chǎng)進(jìn)行分析。

2 通過對(duì)計(jì)算出的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，可以得出在圖示測(cè)量點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度為80Gs

圖4.6 Q軸放大圖

3 查閱芯片資料后選取跳變閾值為80Gs芯片作為霍爾芯片，封裝選擇插件形式。

4 確認(rèn)霍爾檢測(cè)點(diǎn)位置是否與第二步中挑選的位置相同，如下圖所示，圖中“E”點(diǎn)位置即為霍爾檢測(cè)點(diǎn)，其到霍爾元器件表面位置約為0.5mm。

圖4.7 封裝尺寸圖

5 “E”點(diǎn)到表面位置與測(cè)量點(diǎn)距定子內(nèi)徑距離相同，可以選擇該封裝霍爾傳感器使用，設(shè)計(jì)時(shí)使器件表面與定子內(nèi)表面在同一平面即可。

4.3 霍爾軸向位置的選擇

在選定霍爾安裝槽及徑向位置后，需要確認(rèn)霍爾軸向的安裝位置，即深入定子鐵芯的距離。通過上一小節(jié)的封裝尺寸圖可以看出，霍爾檢測(cè)點(diǎn)距霍爾上端面有1.44mm的距離，軸向位置的基礎(chǔ)要求是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)能夠包裹霍爾檢測(cè)點(diǎn)，所以霍爾至少需要深入定子鐵芯1.44mm以上，對(duì)于一般設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，將整個(gè)霍爾元器件插入定子鐵芯較為合理，所以在設(shè)計(jì)時(shí)元器件下表面一般低于鐵芯端面1mm，如下圖所示：

圖4.8 霍爾軸向安裝位置示意圖

4.4 霍爾定位的選擇

霍爾定位方式視具體情況而定，對(duì)于定位較差的霍爾，可能會(huì)出現(xiàn)以下問題：

1 霍爾信號(hào)不變，不能隨磁場(chǎng)變化做出跳變。

2 霍爾信號(hào)跳變沿與反電勢(shì)過零點(diǎn)的電角度差過大。

3 霍爾信號(hào)占空比不準(zhǔn)確，不是精確的50%占空比。

4 兩相霍爾信號(hào)之間的電角度差值與設(shè)計(jì)值不符。

出現(xiàn)以上問題的原因均有可能是因?yàn)榛魻栐骷獗砻娣ň€與電機(jī)徑向不平行。所以在設(shè)計(jì)定位方式時(shí)需要以“霍爾元器件外表面法線與電機(jī)徑向平行”為目標(biāo)。

定位方式一般分為兩種，一種是骨架定位，一種是鐵芯開槽定位。

4.4.1 鐵芯開槽定位：

鐵芯開槽定位（前文輪轂電機(jī)方案）需要在定子沖片上單獨(dú)沖壓出霍爾安裝槽，使用沖片的精度保證霍爾安裝的精度，由于量產(chǎn)鐵芯在沖壓模具上能夠保證非常小的尺寸公差，所以該方案在霍爾信號(hào)精度上較為可靠，但由于霍爾元器件裸露在電機(jī)箱體內(nèi)，對(duì)電機(jī)箱體的密封性提出了較高要求，需要在電機(jī)全壽命周期內(nèi)保證箱體不進(jìn)水、泥、沙等雜質(zhì)，否則很容易對(duì)電機(jī)傳感器造成損傷。

4.4.2 骨架定位：

在定子鐵芯工作環(huán)境不穩(wěn)定的情況下，一般選擇使用霍爾骨架定位，例如電機(jī)運(yùn)行過程中有泥沙進(jìn)入、電機(jī)所處箱體內(nèi)有其他旋轉(zhuǎn)部件、工作環(huán)境中金屬雜質(zhì)較多等情況，使用帶骨架的霍爾能夠保證沒有裸露出的導(dǎo)電體，線束也能夠按照骨架限制的方向引出，有著優(yōu)秀的裝配一致性。

骨架定位形式主要結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖4.12 骨架主要結(jié)構(gòu)圖

骨架的主要定位方式如下：

1 霍爾骨架齒部外表面與定子鐵芯槽開口處配合，該配合需要槽開口在沖制時(shí)留出足夠的寬度，骨架齒部外表面設(shè)計(jì)形狀與該槽開口相配合，配合后使得骨架齒部外表面不超過定子鐵芯外表面，同時(shí)保證裝配后骨架不松動(dòng)。

2 霍爾傳感器通過骨架齒部?jī)?nèi)的霍爾插槽進(jìn)行定位，插槽形狀應(yīng)與霍爾元器件的封裝形式相同，并且確保霍爾元器件外表面法線與電機(jī)徑向平行。

3 通過螺栓與定子鐵芯進(jìn)行固定，確保軸向不發(fā)生竄動(dòng)。