第三章　电动机结构原理与维修

第一节　电动机的结构原理

一、电动机的分类与型号编制

1.电动机的分类

电动机是驱动车轮旋转的动力源，它是通过蓄电池将电能转化成机械能，驱动电动自行车车轮转动的部件。电动机的分类如图3-1所示。

按照电动机的通电形式来分，可分为有刷电动机和无刷电动机两大类；按照电动机总成的机械结构来分，一般分为“有齿”（电动机转速高，需要经过齿轮减速）和“无齿”（电动机转矩输出不经过任何减速）两大类。

有刷有齿电动机和无刷有齿电动机又称高速电动机，有刷无齿电动机和无刷无齿电动机又称低速电动机；轮毂电动机又分为有刷轮毂电动机和无刷轮毂电动机。

2.电动机型号的编制

电动自行车电动机的型号命名按国家标准，由机座号、电动机型式代号、性能参数代号和派生代号组成。其中机座号以机壳外径（单位为mm）表示；产品名称代号用大写汉语拼音字母表示；性能参数代号用三位阿拉伯数字表示；派生代号用大写汉语拼音字母表示；电动机的命名标准如下。

其中，电动机型式代号的含义见表3-1。

二、电动机的组成与工作原理

1.有刷电动机的组成与工作原理

有刷电动机主要由定子、转子、炭刷、磁钢和换向器等组成，如图3-2所示。

①有刷（或无刷）电动机工作时不转动的部分叫做定子，轮毂式有刷（或无刷）无齿电动机的电动机轴也叫定子，这种电动机又称为定子电动机。有刷或无刷直流电动机的转动部分称为转子，又称为电枢，轮毂式有刷或无刷无齿电动机的外壳也叫转子，此种电动机又称为外转子电动机。定子和转子只是相对而言的。转子一般采用钢件车制，其内壁贴有永磁材料，电动自行车用的直流无刷电动机的转子，通常贴有16块高效稀土磁铁。转子部分主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、轴承和风扇等组成。

②电枢绕组用以通过电流并产生感应电动势以实现机电能量转换。它主要由一定数目的电枢绕组按一定的规律连接而成，绕组用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁芯槽内，并用槽楔压紧。无刷电动机内绕组的排列顺序叫作相序。

③电刷装置的作用是把直流电压、直流电流引入或引出。它主要由电刷、刷握和导电铜丝辨等组成。电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷把内用压紧弹簧以一定的压力安放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。

在有刷电动机转动时，通过换向器把电能传送给绕组。其主要成分是炭：刷握就是有刷电动机内盛装并固定电刷的槽，电刷易磨损，应定期维护更换，并清理积炭。

换向器是在有刷电动机转子转动时，相互绝缘的条状金属交替接触电刷正负极，使电流方向交替转换，从而使有刷电动机绕组换向。

无刷电动机的换向是靠控制器来完成的，而有刷电动机的换向则由换向器和电刷共同完成。其作用是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。

2.直流电动机的工作原理

当电动机接通电源，直流电通过换向器输入绕组（在转子上）时，绕组两端分别与两个换向器相连，电刷不断地接触和断开换向片。随着电枢的转动，换向片将外界的直流电不断地中断和连接，并送入不同的绕组，使电动机绕组得到的不是方向不变的直流电，而是不断改变方向的类似交流电。

绕组电流的大小和方向不断地变化，于是在转子绕组中产生交变磁砀，转子在交变磁场的作用下旋转。

转矩的大小与磁场的磁通及通过电枢电流的大小成正比。如果要改变电动机的旋转方向，可将磁场（或电枢）正、负接头反接，使磁场正、负极相反（或电枢电流方向相反），即可改变电动机的旋转方向。

3.无刷直流电动机的组成与工作原理

（1）无刷电动机的组成　无刷直流电动机由转子和定子两大部分组成，如图3-3所示。

（2）无刷直流电动机的工作原理　无刷直流电动机采用方波自控式永磁同步电动机，以霍尔传感器取代电刷换向器，霍尔传感器的信号线传递电动机里面磁钢相对于绕组线圈的位置，根据3个霍尔传感器的信号能知道此时应该怎样给电动机的线圈供电（不同的霍尔信号，应该给电动机绕组提供相对应方向的电流），也就是说霍尔传感器状态不一样，线圈的电流方向不一样。

霍尔信号传递给控制器，控制器通过粗线（不是霍尔线）给电动机绕组供电，电动机旋转，磁钢与绕组（准确地说是缠在定子上的线圈，其实霍尔一般安装在定子上）发生转动，霍尔传感器感应出新的位置信号，控制器粗线又给重新改变电流方向的电动机绕组供电，电动机继续旋转（当绕组和磁钢的位置发生变化时，绕组必须对应地改变电流方向，这样电动机才能继续向一个方向运动，否则电动机就会在某一个位置左右摆动，而不是连续旋转），这个过程就是电子换向。

无刷直流电动机由直流电源供电，借助位置传感器来检测转子的位置，所检测出的信号触发相应的电子换相线路，以实现无接触式换相。

无刷直流电动机用电子开关和位置传感器代替电刷及换向器，将直流电转换成模拟三相交流电，通过调制脉宽，改变其电流大小来改变转速。

4.电动三轮车的电动机

电动三轮车常用电动机是直流电动机，有永磁电动机和串励电动机两类。电动机旋转的部分叫作转子，不运转动的部分叫作定子。永磁电动机的转子或者定子有一个是永久磁铁，另一个则是漆包线绕制的线包。

（1）差速电动机的结构　差速电动机由原动力电动机、传动齿轮副、齿轮箱体及差速器所构成。其中原动力电动机由定转子、磁钢、线束、霍尔电动机、电动机盖、高温导线组成。差速器由两个行星锥齿轮、行星锥齿轮轴、两个半轴锥齿轮、差速器壳、行星齿轮球面减摩垫片、半轴锥齿轮、减摩垫片等组成。

（2）差速电动机的特点　差速电动机的外形如图3-4所示，其特点如下。

①采用汽车技术，全齿轮传动，结构紧凑、轻巧，安装拆卸简单方便。

②双轮驱动，整机输出扭矩大，负载能力强，爬坡性能好。

③双刹车性能，刹车稳定，电动机具有双向滑行功能，可脚踏骑行，大大增加续行里程。

④差速电动机内部采用全机油润滑及冷却，工作温度在50～60℃，确保磁钢永不退磁。

⑤差速电动机根据汽车转向原理设计，使电动三轮车转向轻巧、灵活，抗侧倾能力强。

⑥与同类电动机相比，节电30％，超低噪声。

三、电动机的识别

1.电动机的接线

电动机的连接是保证其正常工作，接受控制器正确控制的基础。其接线分为有刷电动机接线和无刷电动机接线两种。

（1）有刷电动机接线　有刷电动机有红、黑两根较粗的引线，如图3-5所示。其中红线接电动机的正极，黑线接电动机的负极。接错线时电动机会出现反转，但不会损坏电动机，此时，只需将红、黑引线交换一下位置就可使电动机恢复正常工作。

（2）无刷电动机接线　无刷电动机的引线较多，一般有三根电动机线圈引线、三根霍尔信号线和两根霍尔电源线，如图3-6所示。

无刷电动机的各个线圈在一个通电周期里，线圈内部电流方向改变的角度就是无刷电动机的相位角。电动自行车电动机常用的相位角有120°和60°两种。60°或120°相位角的无刷电动机，需要由与其对应的60°和120°相位角的无刷控制器来驱动，相位角不同的控制器不能直接互换。

2.无刷电动机相位角的识别

无刷电动机相位角的判断有观察霍尔元件和测量电动机夹角两种方法。

（1）通过霍尔元件的安装位置进行判断　无刷电动机有三个霍尔元件肩负着告知控制器何时改变电流方向的任务。不同的相位角，安装霍尔元件的位置有所不同。一般情况下，60°相位角的三个霍尔元件应平行放置；120°相位角的三个霍尔元件也应平行放置，但中间一个霍尔元件呈翻转状态，如图3-7所示。

（2）测量无刷电动机的相位角　无刷电动机的磁钢和定子槽是成对应关系的。磁钢数量一般为12片、16片、18片，它们分别对应的槽数为36槽、48槽、54槽，电动机的最小磁拉力角也分别为360°/36、360°/48、360°/54。

无刷电动机有三根霍尔引出线，分别为公共霍尔电源的正极和负极，A、B、C相为霍尔输出。将无刷电动机三根霍尔引出线与控制器连接起来，打开电源开关，由控制器给霍尔元件供电，可以检测无刷电动机的相位角。具体方法为，将万用表挡位开关调至+5V直流电压挡，然后将红表笔接+5V线，黑表笔分别测量三根引出线的高、低电压情况，并记录下三根引出线的高、低电压值。稍转一个最小磁拉力角度，再次测量并记录下霍尔引出线的高、低电压值，重复6次。用1表示高电位，用0表示低电位。

直流无刷电动机和直流无刷控制器要倒出正确的相序。将电动机引线和控制器上相对应的线插接好，而三根电动机霍尔相线（细线）与三根电动机线（粗线）对控制器的接法共有36种，最简单的方法是每种状态逐一试验。换接时可以不断试验，但要仔细并按一定程序，每次拧转把的幅度不要太大（否则有损控制器）。若电动机转动时抖动或噪声特别大，则表明该状态下接线是错误的。若电动机出现反转情况，则在知道控制器相序的情况下，把控制器霍尔相线A、C互换，电动机线A相与B相也互换，就可变为正转了。