电动自行车用电动机知识

电动自行车用电动机的作用就是将蓄电池的电能转换为机械能，以便驱动电动自行车车轮旋转。电动自行车采用的电动机分为有刷直流电动机和无刷直流电动机两大类。常见的电动自行车用电动机的实物外形如下图所示。

提示：有刷直流电动机对外只有两条引线，无刷直流电动机对外有8条引线。

1．有刷直流电动机

（1）有刷直流电动机的识别

有刷直流电动机就是采用了电刷（俗称碳刷）的直流电动机。有刷直流电动机靠换向器（俗称整流子）和电刷配合来改变电流极性，自动完成换向（相），换向器和电刷装在电动机内部。有刷直流电动机又分为高速型和低速型两种。

有刷直流电动机的优点是驱动电路简单、过载能力强、容易控制，而它的主要缺点是成本较高、故障率高、维修难度大。

有刷直流电动机故障率高的主要原因：

一是电刷因磨损容易发生打火等故障；

二是磁钢散热条件差，容易退磁。

电刷磨损不仅与时间有关，而且与电流大小以及电刷含银量有关，大部分电刷的使用寿命为2000h 左右。

注意：电刷的含银量实际是指含银量或含铜量高低。由于银的价格较高，所以目前的含银量多是指含铜量。若颜色发红则含铜量高，若颜色发黑则含铜量低。含铜量高的电刷损耗小、发热量低、抗磨性好，但对换向器损害大；含铜量低的电刷电流大时发热严重，自身抗磨能力差，但是对换向器损害小。

方法与技巧：将不同电刷对头串联，接到放电电路，摸温度、测压降就可以知道含铜量的高低。若温度低、压降小则说明含铜量高，否则含铜量低。

（2）有刷直流电动机的工作原理

下图所示为有刷直流电动机的工作原理示意图。

有刷直流电动机的定子上安装了永久磁铁（磁钢），由它构成主磁极N和S，在转子上安装了定子铁芯和绕组，绕组的两端接换向器的铜片，再通过铜片与电刷相接。由于控制器输出的驱动电压加到电刷正、负极上，所以当换向器的条状铜片交替与电刷的正、负极接触时，绕组就能通过换向器得到交替变化的导通电流，使绕组产生不同方向的电动势，从而产生交变磁场，吸引转子旋转。电动机绕组两端的电压越高，磁场强度越大，转子转动的转矩也越大，电动机的转速也就越快。因此，通过调整绕组两端所加电压大小就可实现电动机转速的调整，而改变绕组的供电方向可改变电动机的旋转方向。

2．无刷直流电动机

（1）无刷直流电动机的特点

无刷直流电动机就是未采用电刷的电动机。为了实现换向，无刷直流电动机采用了三极管和位置传感器（霍尔元件）代替电刷和换向器。由于此类电动机取消了电刷和换向器，所以不仅消除了电磁干扰、降低了机械噪声，而且延长了使用寿命。但此类电动机的控制器（电动机驱动、控制电路）比较复杂，成本增加，并且低速启动时轻微抖动。

（2）无刷直流电动机的工作原理

无刷直流电动机的运行原理与专用电动机的运行原理相似，都是通过给两相绕组通电使它产生一定的磁场。磁通具有走最短路径的特点，从而使转子和定子的相对位置发生了变化。当按照一定的顺序为不同的两相绕组供电时，可使电动机内部的磁场旋转起来，从而使电动机转动。电动机通电顺序不同，电动机转动的方向也就不同。如下图所示，无刷直流电动机由电动机主体、位置传感器及电子换向开关电路3 个基本部分组成。其中位置传感器的定子和电子换向开关电路相当于一个静止的换向器，与位置传感器旋转着的“电刷”一起组成一个没有机械接触的电子换向装置。

定子绕组分别与相应的电子换向开关电路连接。为了保持定子绕组电流与磁场极性相对关系不变，设有检测转子位置的传感器，使定子绕组能随转子位置变化依次通电。位置传感器是一种无机械接触的检测转子位置的装置，由传感器定子和传感器转子构成，它们分别装在定子机壳内和转子轴上。由位置传感器提供的信号通过控制器内的解码器处理，再通过放大器放大后就可按一定顺序触发电子换向开关电路。

目前，无刷直流电动机常用的传感器定子为霍尔传感器，传感器的转子为永磁体。电子换向开关电路中各功率器件分别与相应的各相定子绕组串联，各功率器件的导通与截止取决于位置传感器的检测信号。绕组电路可以是一相一相依次导通，也可以是两相两相依次导通。电动机绕组两端电压越高，磁场强度越大，转子转动的转矩也越大，电动机的转速也就越快，反之转速越慢。因此，通过调整绕组两端所加电压的大小就可实现电动机转速的调整。

当主转子N极在定子Y位置时，垂直换向传感器将产生X方向上的电动势，此信号使电子开关导通，与此串联的定子X绕组中将有电流流过，并使定子X极磁化为S极，以吸引转子旋转90°，N极到达定子X位置，此时垂直换向传感器输出为0，水平换向传感器将产生Y方向电动势，并使定子Y极磁化为S极，以吸引转子继续旋转90°。因此，对于不同的主转子位置，换向传感器依次输出不同的信号，使主定子绕组按 X→Y→Z→X→Y 的循环顺序轮流通电，形成旋转磁场，吸引转子旋转。