第三章　電動機結構原理與維修

第一節(jié)　電動機的結構原理

一、電動機的分類與型號編制

1.電動機的分類

電動機是驅動車輪旋轉的動力源，它是通過蓄電池將電能轉化成機械能，驅動電動自行車車輪轉動的部件。電動機的分類如圖3-1所示。

按照電動機的通電形式來分，可分為有刷電動機和無刷電動機兩大類；按照電動機總成的機械結構來分，一般分為“有齒”（電動機轉速高，需要經過齒輪減速）和“無齒”（電動機轉矩輸出不經過任何減速）兩大類。

有刷有齒電動機和無刷有齒電動機又稱高速電動機，有刷無齒電動機和無刷無齒電動機又稱低速電動機；輪轂電動機又分為有刷輪轂電動機和無刷輪轂電動機。

2.電動機型號的編制

電動自行車電動機的型號命名按國家標準，由機座號、電動機型式代號、性能參數代號和派生代號組成。其中機座號以機殼外徑（單位為mm）表示；產品名稱代號用大寫漢語拼音字母表示；性能參數代號用三位阿拉伯數字表示；派生代號用大寫漢語拼音字母表示；電動機的命名標準如下。

其中，電動機型式代號的含義見表3-1。

二、電動機的組成與工作原理

1.有刷電動機的組成與工作原理

有刷電動機主要由定子、轉子、炭刷、磁鋼和換向器等組成，如圖3-2所示。

①有刷（或無刷）電動機工作時不轉動的部分叫做定子，輪轂式有刷（或無刷）無齒電動機的電動機軸也叫定子，這種電動機又稱為定子電動機。有刷或無刷直流電動機的轉動部分稱為轉子，又稱為電樞，輪轂式有刷或無刷無齒電動機的外殼也叫轉子，此種電動機又稱為外轉子電動機。定子和轉子只是相對而言的。轉子一般采用鋼件車制，其內壁貼有永磁材料，電動自行車用的直流無刷電動機的轉子，通常貼有16塊高效稀土磁鐵。轉子部分主要由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉軸、軸承和風扇等組成。

②電樞繞組用以通過電流并產生感應電動勢以實現機電能量轉換。它主要由一定數目的電樞繞組按一定的規(guī)律連接而成，繞組用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵芯槽內，并用槽楔壓緊。無刷電動機內繞組的排列順序叫作相序。

③電刷裝置的作用是把直流電壓、直流電流引入或引出。它主要由電刷、刷握和導電銅絲辨等組成。電刷是石墨或金屬石墨組成的導電塊，放在刷把內用壓緊彈簧以一定的壓力安放在換向器的表面，旋轉時與換向器表面形成滑動接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。

在有刷電動機轉動時，通過換向器把電能傳送給繞組。其主要成分是炭：刷握就是有刷電動機內盛裝并固定電刷的槽，電刷易磨損，應定期維護更換，并清理積炭。

換向器是在有刷電動機轉子轉動時，相互絕緣的條狀金屬交替接觸電刷正負極，使電流方向交替轉換，從而使有刷電動機繞組換向。

無刷電動機的換向是靠控制器來完成的，而有刷電動機的換向則由換向器和電刷共同完成。其作用是將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內的交變電流，或將繞組內的交變電動勢轉換為電刷端上的直流電動勢。

2.直流電動機的工作原理

當電動機接通電源，直流電通過換向器輸入繞組（在轉子上）時，繞組兩端分別與兩個換向器相連，電刷不斷地接觸和斷開換向片。隨著電樞的轉動，換向片將外界的直流電不斷地中斷和連接，并送入不同的繞組，使電動機繞組得到的不是方向不變的直流電，而是不斷改變方向的類似交流電。

繞組電流的大小和方向不斷地變化，于是在轉子繞組中產生交變磁碭，轉子在交變磁場的作用下旋轉。

轉矩的大小與磁場的磁通及通過電樞電流的大小成正比。如果要改變電動機的旋轉方向，可將磁場（或電樞）正、負接頭反接，使磁場正、負極相反（或電樞電流方向相反），即可改變電動機的旋轉方向。

3.無刷直流電動機的組成與工作原理

（1）無刷電動機的組成　無刷直流電動機由轉子和定子兩大部分組成，如圖3-3所示。

（2）無刷直流電動機的工作原理　無刷直流電動機采用方波自控式永磁同步電動機，以霍爾傳感器取代電刷換向器，霍爾傳感器的信號線傳遞電動機里面磁鋼相對于繞組線圈的位置，根據3個霍爾傳感器的信號能知道此時應該怎樣給電動機的線圈供電（不同的霍爾信號，應該給電動機繞組提供相對應方向的電流），也就是說霍爾傳感器狀態(tài)不一樣，線圈的電流方向不一樣。

霍爾信號傳遞給控制器，控制器通過粗線（不是霍爾線）給電動機繞組供電，電動機旋轉，磁鋼與繞組（準確地說是纏在定子上的線圈，其實霍爾一般安裝在定子上）發(fā)生轉動，霍爾傳感器感應出新的位置信號，控制器粗線又給重新改變電流方向的電動機繞組供電，電動機繼續(xù)旋轉（當繞組和磁鋼的位置發(fā)生變化時，繞組必須對應地改變電流方向，這樣電動機才能繼續(xù)向一個方向運動，否則電動機就會在某一個位置左右擺動，而不是連續(xù)旋轉），這個過程就是電子換向。

無刷直流電動機由直流電源供電，借助位置傳感器來檢測轉子的位置，所檢測出的信號觸發(fā)相應的電子換相線路，以實現無接觸式換相。

無刷直流電動機用電子開關和位置傳感器代替電刷及換向器，將直流電轉換成模擬三相交流電，通過調制脈寬，改變其電流大小來改變轉速。

4.電動三輪車的電動機

電動三輪車常用電動機是直流電動機，有永磁電動機和串勵電動機兩類。電動機旋轉的部分叫作轉子，不運轉動的部分叫作定子。永磁電動機的轉子或者定子有一個是永久磁鐵，另一個則是漆包線繞制的線包。

（1）差速電動機的結構　差速電動機由原動力電動機、傳動齒輪副、齒輪箱體及差速器所構成。其中原動力電動機由定轉子、磁鋼、線束、霍爾電動機、電動機蓋、高溫導線組成。差速器由兩個行星錐齒輪、行星錐齒輪軸、兩個半軸錐齒輪、差速器殼、行星齒輪球面減摩墊片、半軸錐齒輪、減摩墊片等組成。

（2）差速電動機的特點　差速電動機的外形如圖3-4所示，其特點如下。

①采用汽車技術，全齒輪傳動，結構緊湊、輕巧，安裝拆卸簡單方便。

②雙輪驅動，整機輸出扭矩大，負載能力強，爬坡性能好。

③雙剎車性能，剎車穩(wěn)定，電動機具有雙向滑行功能，可腳踏騎行，大大增加續(xù)行里程。

④差速電動機內部采用全機油潤滑及冷卻，工作溫度在50～60℃，確保磁鋼永不退磁。

⑤差速電動機根據汽車轉向原理設計，使電動三輪車轉向輕巧、靈活，抗側傾能力強。

⑥與同類電動機相比，節(jié)電30％，超低噪聲。

三、電動機的識別

1.電動機的接線

電動機的連接是保證其正常工作，接受控制器正確控制的基礎。其接線分為有刷電動機接線和無刷電動機接線兩種。

（1）有刷電動機接線　有刷電動機有紅、黑兩根較粗的引線，如圖3-5所示。其中紅線接電動機的正極，黑線接電動機的負極。接錯線時電動機會出現反轉，但不會損壞電動機，此時，只需將紅、黑引線交換一下位置就可使電動機恢復正常工作。

（2）無刷電動機接線　無刷電動機的引線較多，一般有三根電動機線圈引線、三根霍爾信號線和兩根霍爾電源線，如圖3-6所示。

無刷電動機的各個線圈在一個通電周期里，線圈內部電流方向改變的角度就是無刷電動機的相位角。電動自行車電動機常用的相位角有120°和60°兩種。60°或120°相位角的無刷電動機，需要由與其對應的60°和120°相位角的無刷控制器來驅動，相位角不同的控制器不能直接互換。

2.無刷電動機相位角的識別

無刷電動機相位角的判斷有觀察霍爾元件和測量電動機夾角兩種方法。

（1）通過霍爾元件的安裝位置進行判斷　無刷電動機有三個霍爾元件肩負著告知控制器何時改變電流方向的任務。不同的相位角，安裝霍爾元件的位置有所不同。一般情況下，60°相位角的三個霍爾元件應平行放置；120°相位角的三個霍爾元件也應平行放置，但中間一個霍爾元件呈翻轉狀態(tài)，如圖3-7所示。

（2）測量無刷電動機的相位角　無刷電動機的磁鋼和定子槽是成對應關系的。磁鋼數量一般為12片、16片、18片，它們分別對應的槽數為36槽、48槽、54槽，電動機的最小磁拉力角也分別為360°/36、360°/48、360°/54。

無刷電動機有三根霍爾引出線，分別為公共霍爾電源的正極和負極，A、B、C相為霍爾輸出。將無刷電動機三根霍爾引出線與控制器連接起來，打開電源開關，由控制器給霍爾元件供電，可以檢測無刷電動機的相位角。具體方法為，將萬用表擋位開關調至+5V直流電壓擋，然后將紅表筆接+5V線，黑表筆分別測量三根引出線的高、低電壓情況，并記錄下三根引出線的高、低電壓值。稍轉一個最小磁拉力角度，再次測量并記錄下霍爾引出線的高、低電壓值，重復6次。用1表示高電位，用0表示低電位。

直流無刷電動機和直流無刷控制器要倒出正確的相序。將電動機引線和控制器上相對應的線插接好，而三根電動機霍爾相線（細線）與三根電動機線（粗線）對控制器的接法共有36種，最簡單的方法是每種狀態(tài)逐一試驗。換接時可以不斷試驗，但要仔細并按一定程序，每次擰轉把的幅度不要太大（否則有損控制器）。若電動機轉動時抖動或噪聲特別大，則表明該狀態(tài)下接線是錯誤的。若電動機出現反轉情況，則在知道控制器相序的情況下，把控制器霍爾相線A、C互換，電動機線A相與B相也互換，就可變?yōu)檎D了。