顧家國(guó)

(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(dòng)車中的應(yīng)用

顧家國(guó)

(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(dòng)自行車已經(jīng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶，霍爾元件在電動(dòng)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(qiáng)度成線性關(guān)系，主要控制電動(dòng)車的運(yùn)行速度.另一類是開關(guān)型元件，即當(dāng)外界磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生較大變化時(shí)，其輸出的是高或者低的脈沖電壓，主要是提供電機(jī)換向按規(guī)律變化的電流，克服傳統(tǒng)電機(jī)使用電刷換向容易磨損的問(wèn)題，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)，從本質(zhì)上講，霍爾效應(yīng)是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng).

圖1

如圖1所示，磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng).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(duì)的A側(cè)形成正電荷積累.與此同時(shí),運(yùn)動(dòng)的電子還受到由于兩種積累的異種電荷形成的反向電場(chǎng)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(shí)，fL=-fe，則電子積累便達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.這時(shí)在A,B兩端面之間建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)EH，相應(yīng)的電勢(shì)差稱為霍爾電壓VH.

同時(shí)，電場(chǎng)作用于電子的力為

式中EH為霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度，VH為霍爾電壓，l為霍爾元件寬度,當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)

(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(qiáng)度B和元件平面法線成一角度時(shí)(如圖2)，作用在元件上的有效磁場(chǎng)是其法線方向上的分量Bcosθ，此時(shí)

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(chǎng)B的變化就會(huì)引起霍爾電壓VH的變化，從而控制電動(dòng)車的運(yùn)行.

圖2

2　霍爾元件對(duì)電動(dòng)車速度的控制

電動(dòng)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(dòng)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(qiáng)度.轉(zhuǎn)動(dòng)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(qiáng)度，也就改變了霍爾轉(zhuǎn)把的輸出電壓大小，達(dá)到調(diào)整電動(dòng)車速度的目的.

3　霍爾元件對(duì)電動(dòng)車剎車的控制

剎車信號(hào)是電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)信號(hào).電動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)要求電動(dòng)車在剎車制動(dòng)時(shí)，控制器應(yīng)能自動(dòng)切斷對(duì)電機(jī)的供電.電動(dòng)車剎車把的位置傳感元件有機(jī)械式微動(dòng)開關(guān)和開關(guān)型霍爾元件兩種.當(dāng)剎車時(shí)，開關(guān)型霍爾元件會(huì)在磁鐵靠近或者遠(yuǎn)離的情況下，輸出信號(hào)發(fā)生高低電位的變化，控制器識(shí)別電動(dòng)車是否處于剎車狀態(tài)，從而判斷控制器是否給電機(jī)供電.

4　霍爾元件對(duì)電動(dòng)車電機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制

直流電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,繞組中的電流要不斷地改變方向,以使轉(zhuǎn)子向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng).其中有刷電機(jī)是采用電刷與換向器通過(guò)機(jī)械接觸的方式進(jìn)行換向的;而無(wú)刷電機(jī)則是通過(guò)開關(guān)型霍爾元件檢測(cè)出繞組實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)位置的信號(hào),再通過(guò)微處理器或?qū)Ｓ眯酒瑢?duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理,并實(shí)時(shí)控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)繞組進(jìn)行控制，相當(dāng)于通過(guò)霍爾元件檢測(cè)電機(jī)線圈的位置，適時(shí)改變電機(jī)中的電流方向，起到電機(jī)電刷的作用.由于無(wú)刷電機(jī)的換向是通過(guò)傳感器及相關(guān)電路進(jìn)行的,所以這種電機(jī)沒有電刷與換向器的機(jī)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(jī)的使用壽命,減少維修.

5　霍爾元件對(duì)電動(dòng)車速度表的控制

電動(dòng)車電機(jī)中有磁鐵和用于記錄電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的開關(guān)型霍爾元件，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)，然后通過(guò)數(shù)字電路的計(jì)算，直接顯示出里程數(shù)或行駛速度.

2016-01-24)