浅析电动车电机霍尔和检测仪的原理

文/ 江苏林海雅马哈摩托有限公司　蒋志伟

浅析电动车电机霍尔和检测仪的原理

文/ 江苏林海雅马哈摩托有限公司蒋志伟

摘要：随着无刷电机的普及与推广，电动车电机基本都已使用无刷电机，而无刷电机的故障中80%都是由于霍尔元件造成的。本文介绍了电机霍尔的工作原理和一款简易的电机霍尔检测仪的原理，从原理上进行分析，可以快速判断出电机霍尔的好坏，为维修提供方便。

一、电动车电机霍尔原理

（一）无刷电机的优点

无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动车，是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。

（1）寿命长、免维护、可靠性高。在有刷直流电动机中，由于电机转速较高，电刷和换向器磨损较快，一般工作1000小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷方案中比较大的难题。所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。因此无刷直流电动机的优势很明显。

（2）效率高、节能。一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于85%，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为76%。而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在70%左右。

（二）电机霍尔工作原理

电动车整车电气系统由电源、操作开关、显示模块、控制器和电机组成（图1）。其中电源是整个系统能量的来源；操作开关包括调速转把、刹把、前灯开关等；显示模块包括电池电量显示和速度显示等；控制器是整个系统的核心部件；电机是将电能转化为机械能的部件。

图 1

当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的平行于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，按照功能不同，又可分为线性器件和开关器件。电动车电机中的霍尔元件正是利用后者在磁场变化中，霍尔元件只呈现低电平（近0V）和高电平（近5V）的特点，判断电机磁场位置的变化，反馈给控制器，控制器根据位置不同给不同的相线电流驱动，达到连续转动的状态。

采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，从而实现电枢电流的换向，维持电机的正常运转。用电子开关器件代替传统的接触式转向器和电刷，具有可靠性高，无换向火花，机械噪声低等优点。

图 2

（三）电机相位

电动车用无刷电机常见的相位代数角有60°和120°两种。两者并无本质区别，外观上60°电机三个霍尔元件全部正面安装；120°电机只是将三个霍尔元件的中间一个反面安装，当然两者的驱动译码表也就不同了。

与120°电机不同，60°电机霍尔有000和111两个特殊状态，即三个霍尔全部输出低电平或高电平状态，而电机则没有000和111状态，因此需要控制器特别处理这两个特殊信号才能正常运转电机和控制器。

目前市场上已经出现了智能型无刷控制器，它具有自动识别电机相角的功能，能同时实现60°和 120°两种相角的无刷电机驱动。

图 3

（四）霍尔元件损坏原因

霍尔元件损坏的主要原因是瞬间高压击穿、元件质量问题等。一般霍尔元件的电流是比较小的，6MA-20MA左右，一般是由于电压击穿（尖脉冲电压，电机线圈容易产生），霍尔信号输出端短路引起损坏的。霍尔内部热稳定性不好，参数飘逸也是造成控制系统不正常的原因。

一旦电机中霍尔元件出现故障，电动车会出现无力、带不起负载等现场，需要及时处理。

二、霍尔检测仪原理

（一）万用表检测法

常规的检测方法有万用表检测

首先用万用表二极管档测量各个霍尔元件的压降，红笔接电机霍尔红色线，黑笔分别接电机黄、绿、蓝霍尔线，其压降读数应大概相同。再使用+20V直流电压档，黑笔接电机霍尔黑色线，红笔分别接电机黄、绿、蓝霍尔线，在测量每个霍尔元件的时候需要轻微转动电机，其电压读数应在0-5V间变化，有则证明该霍尔元件完好，反之，则该霍尔元件出现故障。

图 4

（二）霍尔检测仪

与第一种方法相比，该检测仪是集成电路的方法，更加方便直观。根据霍尔元件的特点，图4是检测仪的电路原理图。电源使用+5V电源，由3个发光二极管与3个电阻串联构成电机霍尔的检测回路，分别对应电机霍尔的蓝、黄、绿线。与电机霍尔连接后，转动电机，观察检测仪上的发光二极管。当霍尔元件正常工作时，仪器上的发光二极管依次循环点亮，如果其中的任意一个或两个霍尔元件发生损坏时，对应的发光二极管不亮或者长亮。由此快速判断出电机霍尔的好坏，为维修提供了方便。

（三）注意事项

由于霍尔元件本身体积较小，更换时应特别注意损坏，电烙铁功率不宜过大且焊接时间不宜过长，否则元件可能会被高温烫坏。更换时，还应佩戴防静电手环。

（编辑：傅金睿）