CN113098223A - 一种基于霍尔效应的稀土永磁电机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于霍尔效应的稀土永磁电机及控制方法，包括：壳体以及设置在壳体内部的转子；所述壳体顶部设置有温控机构，所述温控机构顶部设置有至少一个径向进风口与至少一个径向出风口；所述壳体内壁设置有励磁线圈，所述转子一端设置有磁钢，所述磁钢外侧沿周向间隔设置有若干个永磁体；所述转子外侧设置有螺旋通道，所述转子内部沿轴线方向设置有轴向风道，所述转子内部设置有若干个冷却槽，若干个冷却槽间隔分布在所述轴向风道外侧，所述冷却槽内部设置有至少一个通孔，所述通孔连通所述轴向风道与所述冷却槽，所述壳体一端设置有轴向进风口，所述轴向进风口与所述轴向风道相配合。

Description

一种基于霍尔效应的稀土永磁电机及控制方法
技术领域
本发明涉及稀土永磁电机，尤其涉及一种基于霍尔效应的稀土永磁电机及控制方法。
背景技术
随着科技的发展，我国工业上各个领域都有着突飞猛进的进步，由于永磁同步电机有着效率高，精度高、质量好的优点，现在在很多方面被用作核心动力部件，并在很多环境中应用，因此电机运行的稳定性非常重要，霍尔效应是体现电学与磁场之间密切关系的物理现象，在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场力与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，这个现象称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
稀土永磁体一般具有导电性，当经过永磁体的磁通发生变化时，永磁体中将感应出电势，从而产生涡流，涡流的热效应会使永磁体发热。而永磁体对温度较为敏感，温度升高会导致永磁体磁性能下降，温度升高至永磁体耐温极限，永磁体会永久退磁，传统的永磁电机的冷却方式则是通过冷却油对转子进行冷却，冷却方式单一，冷却效果较差，造成转子摩擦损耗升高，转子寿命下降，此外在对电机进行运行状态监测过程中，没有通过设置点阵分布的霍尔元件进行监测，无法对非电量信号转化成电量信号进行间接测量，在进行非电量信号量化计算的过程中，步骤繁琐，误差较大，测量精度较差。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于霍尔效应的稀土永磁电机及控制方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于霍尔效应的稀土永磁电机，包括：壳体以及设置在壳体内部的转子；
所述壳体内部设置有腔体，所述腔体内部沿轴线方向配合设置有转子，所述转子端部设置有磁钢，所述磁钢外侧间隔设置有若干个永磁体；
所述壳体顶部设置有若干个霍尔元件，若干个霍尔元件点阵分布，若干个所述霍尔元件贯穿所述壳体，所述霍尔元件端部与所述腔体内壁平齐，
所述霍尔元件上设置有电源输入端与感应电势输出端，所述霍尔元件上设置有解调机构，所述解调机构能够将采集到的霍尔信号进行解调；
所述转子外侧设置有螺旋通道，所述转子内部沿轴线方向设置有冷却风道。
本发明一个较佳实施例中，所述壳体上设置有电源控制盒，所述电源控制盒与所述电源输入端连接。
本发明一个较佳实施例中，所述壳体内部设置有定子，所述定子外侧缠绕设置有励磁线圈。
本发明一个较佳实施例中，所述霍尔元件为霍尔电流传感器或霍尔电压传感器、霍尔相位传感器中的一种或两种以上的组合。
本发明一个较佳实施例中，所述永磁体为6个，任二所述永磁体间距相同，且所述永磁体为钕铁硼永磁体。
本发明一个较佳实施例中，所述永磁体为稀土永磁体，相邻所述永磁体之间设置有磁力隔离板。
本发明一个较佳实施例中，所述壳体一侧设置有可拆卸式齿轮，所述转子贯穿齿轮中心位置。
本发明一个较佳实施例中，所述电源控制盒上设置有显示屏。
为达到上述目的，本发明采用的第二种技术方案为：一种基于霍尔效应的稀土永磁电机的控制方法，包括以下步骤：
采集电机运行电流，检测该运行电流下产生的磁场信号；
构建三维磁场信号，建立调整电路模型；
将三维磁场信号与预设霍尔信号进行比较，得到偏差率；
判断所述偏差率是否大于预定偏差率阈值；
若大于，则生成修正信息；
根据修正信息进行电机运行状态调整。
本发明一个较佳实施例中，采集电机运行电流产生的磁场信号，对磁场信号进行建模；具体包括，
构建包络线，被测电流穿过包络线，检测包络线上的磁场强度；
根据磁场强度信息，生成霍尔电压信号，
检测霍尔元件的霍尔系数，对霍尔电压信号进行加权计算；
采用增益电路对霍尔电压信号进行归一化处理，得到结果信息；
将结果信息传输至平台，生成反馈信息；
通过反馈信息对包络线的分布路径进行调整。
本发明一个较佳实施例中，三维霍尔信号通过相互垂直的3个霍尔元件进行检测不同空间位置及不同空间角度的电流信号，并对电流信号进行叠加计算。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)采用霍尔元件作为传感单元，通过被测电流产生的磁场的大小实现对电流的测量，测量精度较高，并且通过霍尔元件进行测量过程中，可以有效实现测量信号与被测信号之间的电气绝缘，对外界干扰磁场具有较强的抗干扰能力。
(2)通过设置点阵分布的霍尔元件进行监测，能够非电量信号转化成电量信号进行间接测量，在进行非电量信号量化计算的过程中，缩减计算步骤，计算速度较快，且精度较高，。
(3)通过三维霍尔元件能够进行感测不同方向上的磁场，获得磁场在空间上的分布，并能够对空间位置及角度进行测量，测量精度较高，通过三维霍尔元件测量的结果能够对电机运行状态进行实时调整，保证电机始终处于安全高效的运行状态。
(4)通过在转子外部的螺旋通道，在转子旋转过程中，使冷却风形成旋流风，增加冷却时间，对转子进行快速冷却，冷却效果较好，提高电机的散热性能，降低转子在旋转过程中的温度，同时降低转子的重量，能够防止永磁体在高温时的退磁现象，增加电机的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的局部立体结构示意图；
图2是本发明的优选实施例的永磁电机另一角度结构示意图；
图3是本发明的优选实施例的转子结构示意图；
图4是本发明的优选实施例的基于霍尔效应的稀土永磁电机控制方法流程图；
图5是本发明的优选实施例磁场信号处理方法流程图；
图中：
1、壳体，2、电源控制盒，3、霍尔元件，4、电源输入端，5、解调机构，6、感应电势输出端，7、冷却风道，8、转子，9、齿轮，10、螺旋通道，11、磁钢，12、永磁体。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-2所示,本发明公开了基于霍尔效应的稀土永磁电机局部立体结构示意图；如图3所示，本发明公开了转子结构示意图；
一种基于霍尔效应的稀土永磁电机，包括：壳体1以及设置在壳体1内部的转子8；
壳体1内部设置有腔体，腔体内部沿轴线方向配合设置有转子8，转子8端部设置有磁钢11，磁钢11外侧间隔设置有若干个永磁体12；
壳体1顶部设置有若干个霍尔元件3，若干个霍尔元件3点阵分布，若干个霍尔元件3贯穿壳体1，霍尔元件3端部与腔体内壁平齐，
霍尔元件3上设置有电源输入端4与感应电势输出端6，霍尔元件3上设置有解调机构5，解调机构5能够将采集到的霍尔信号进行解调；
转子8外侧设置有螺旋通道10，转子8内部沿轴线方向设置有冷却风道7。
需要说明的是，采用霍尔元件3作为传感单元，通过被测电流产生的磁场的大小实现对电流的测量，测量精度较高，并且通过霍尔元件3进行测量过程中，可以有效实现测量信号与被测信号之间的电气绝缘，对外界干扰磁场具有较强的抗干扰能力。单个霍尔元件3可视为点磁场检测单元，霍尔元件3磁敏感区域所在位置的磁感应强度均匀，每个霍尔元件3只对垂直穿过其所在平面方向的磁场分量有感应，而对平行与所在平面方向上的磁场感应为零，建立三维霍尔元件3的过程中，霍尔元件3的霍尔系数一致，所有采用的霍尔元件3在相同激励和相同磁场的作用下，产生的霍尔电势相等，霍尔系数为霍尔电势与激励大小和磁场大小的比值。通过在转子8外部的螺旋通道10，在转子8旋转过程中，使冷却风形成旋流风，增加冷却时间，对转子8进行快速冷却，冷却效果较好，提高电机的散热性能，降低转子8在旋转过程中的温度，同时降低转子8的重量，能够防止永磁体12在高温时的退磁现象，增加电机的稳定性。
根据本发明实施例，壳体1上设置有电源控制盒2，电源控制盒2与电源输入端4连接。
根据本发明实施例，壳体1内部设置有定子，定子外侧缠绕设置有励磁线圈。
根据本发明实施例，霍尔元件3为霍尔电流传感器或霍尔电压传感器、霍尔相位传感器中的一种或两种以上的组合。
根据本发明实施例，永磁体12为6个，任二永磁体12间距相同，且永磁体12为钕铁硼永磁体12。
需要说明的是，钕铁硼永磁体12通过钕铁硼永磁材料烧结，饱和充磁以后的钕铁硼永磁材料剩余磁感应强度可达到1.47T，磁感应矫顽力可达992kA/m，最大磁能积高达397.9kj/m3。
根据本发明实施例，永磁体12为稀土永磁体12，相邻永磁体12之间设置有磁力隔离板。
根据本发明实施例，壳体1一侧设置有可拆卸式齿轮9，转子8贯穿齿轮9中心位置。
根据本发明实施例，电源控制盒2上设置有显示屏。
如图4所示，本发明公开了基于霍尔效应的稀土永磁电机控制方法流程图；
为达到上述目的，本发明采用的第二种技术方案为：一种基于霍尔效应的稀土永磁电机的控制方法，包括以下步骤：
S102，采集电机运行电流，检测该运行电流下产生的磁场信号；
S104，构建三维磁场信号，建立调整电路模型；
S106，将三维磁场信号与预设霍尔信号进行比较，得到偏差率；
S108，判断偏差率是否大于预定偏差率阈值；
S110，若大于，则生成修正信息；
S112，根据修正信息进行电机运行状态调整。
需要说明的是，通过设置点阵分布的霍尔元件3进行监测，能够非电量信号转化成电量信号进行间接测量，在进行非电量信号量化计算的过程中，缩减计算步骤，计算速度较快，且精度较高，通过三维霍尔元件3能够进行感测不同方向上的磁场，获得磁场在空间上的分布，并能够对空间位置及角度进行测量，测量精度较高，通过三维霍尔元件3测量的结果能够对电机运行状态进行实时调整，保证电机始终处于安全高效的运行状态，霍尔元件是利用霍尔效应原理制成的单个磁电传感器，霍尔器件具有很多优点,结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达MIH)Z,耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀，霍尔元件常规结构是二维平面,因此,也常称之为霍尔片。还有一种三维结构的霍尔元件,通常称为非平面霍尔元件。常规霍尔元件要求磁场垂直于霍尔元件,且在整个霍尔元件上是均匀磁场。
霍尔元件首先要有高灵敏度、大功率、高效率,要求材料同时具有高的霍尔迁移率和电阻率,其次,使用温度范围要宽；最后,元件的磁场线性度好,使用时匹配方便。
如图5所示，本发明公开了磁场信号处理方法流程图；
根据本发明实施例，采集电机运行电流产生的磁场信号，对磁场信号进行建模；具体包括，
S202，构建包络线，被测电流穿过包络线，检测包络线上的磁场强度；
S204，根据磁场强度信息，生成霍尔电压信号，
S206，检测霍尔元件3的霍尔系数，对霍尔电压信号进行加权计算；
S208，采用增益电路对霍尔电压信号进行归一化处理，得到结果信息；
S210，将结果信息传输至平台，生成反馈信息；
S212，通过反馈信息对包络线的分布路径进行调整。
需要说明的是，通过检测霍尔元件3的霍尔系数，并对电压信号进行归一化处理，处理有的信号相加，得到归一化后的总霍尔电势，能够有效消除单个霍尔元件3的霍尔系数之间的差异。
根据本发明实施例，三维霍尔信号通过相互垂直的3个霍尔元件3进行检测不同空间位置及不同空间角度的电流信号，并对电流信号进行叠加计算。
采用霍尔元件3作为传感单元，通过被测电流产生的磁场的大小实现对电流的测量，测量精度较高，并且通过霍尔元件3进行测量过程中，可以有效实现测量信号与被测信号之间的电气绝缘，对外界干扰磁场具有较强的抗干扰能力。需要说明的是，按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量,后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。
霍尔效应是研究电流通过有磁场垂直其平面的长方形金属片所发生的现象时,发现了金属片侧面产生微弱电位差的现象，当电流垂直于外磁场方向通过导电体时,在垂直于电流和磁场的方向,物体两侧产生电势差的现象称为霍尔效应。霍尔元件是利用霍尔效应原理制成的单个磁电传感器，霍尔器件具有很多优点,结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达MIH)Z,耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔元件首先要有高灵敏度、大功率、高效率,要求材料同时具有高的霍尔迁移率和电阻率,其次,使用温度范围要宽；最后,元件的磁场线性度好,使用时匹配方便。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于霍尔效应的稀土永磁电机，包括：壳体以及设置在壳体内部的转子；其特征在于，
所述壳体内部设置有腔体，所述腔体内部沿轴线方向配合设置有转子，所述转子端部设置有磁钢，所述磁钢外侧间隔设置有若干个永磁体；
所述壳体顶部设置有若干个霍尔元件，若干个霍尔元件点阵分布，若干个所述霍尔元件贯穿所述壳体，所述霍尔元件端部与所述腔体内壁平齐，
所述霍尔元件上设置有电源输入端与感应电势输出端，所述霍尔元件上设置有解调机构，所述解调机构能够将采集到的霍尔信号进行解调；
所述转子外侧设置有螺旋通道，所述转子内部沿轴线方向设置有冷却风道。
2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的稀土永磁电机，其特征在于：所述壳体上设置有电源控制盒，所述电源控制盒与所述电源输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于霍尔效应的稀土永磁电机，其特征在于：所述壳体内部设置有定子，所述定子外侧缠绕设置有励磁线圈。
4.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的稀土永磁电机，其特征在于：所述霍尔元件为霍尔电流传感器或霍尔电压传感器、霍尔相位传感器中的一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的稀土永磁电机，其特征在于：所述永磁体为6个，任二所述永磁体间距相同，且所述永磁体为钕铁硼永磁体。
6.根据权利要求5所述的一种基于霍尔效应的稀土永磁电机，其特征在于：所述永磁体为稀土永磁体，相邻所述永磁体之间设置有磁力隔离板。
7.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的稀土永磁电机，其特征在于：所述壳体一侧设置有可拆卸式齿轮，所述转子贯穿齿轮中心位置。
8.一种如权利要求1-7中任一权利要求所述的基于霍尔效应的稀土永磁电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集电机运行电流，检测该运行电流下产生的磁场信号；
构建三维磁场信号，建立调整电路模型；
将三维磁场信号与预设霍尔信号进行比较，得到偏差率；
判断所述偏差率是否大于预定偏差率阈值；
若大于，则生成修正信息；
根据修正信息进行电机运行状态调整。
9.根据权利要求8所述的一种基于霍尔效应的稀土永磁电机的控制方法，其特征在于：采集电机运行电流产生的磁场信号，对磁场信号进行建模；具体包括，
构建包络线，被测电流穿过包络线，检测包络线上的磁场强度；
根据磁场强度信息，生成霍尔电压信号，
检测霍尔元件的霍尔系数，对霍尔电压信号进行加权计算；
采用增益电路对霍尔电压信号进行归一化处理，得到结果信息；
将结果信息传输至平台，生成反馈信息；
通过反馈信息对包络线的分布路径进行调整。
10.根据权利要求9所述的一种基于霍尔效应的稀土永磁电机的控制方法，其特征在于：三维霍尔信号通过相互垂直的3个霍尔元件进行检测不同空间位置及不同空间角度的电流信号，并对电流信号进行叠加计算。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114977665A (zh) * 2022-06-15 2022-08-30 嘉兴学院 一种具有限速保护的电磁减速电动机
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