技術園地：深度解析電動自行車電機技術

m.guilinhy.com 來源：電動車商情網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2008-1-10

什么叫電機？答：電機是將電池電能轉換成機械能，驅動電動車車輪旋轉的部件。

●什么叫繞組？
答：電樞繞組是直流電機的核心部分，是銅質漆包線繞制的線圈。當電樞繞組在電機的磁場中旋轉都會產生電動勢。

●什么叫磁場？
答：在永磁體或電流周圍所發生的力場及凡是磁力所能達到的空間或磁力作用的范圍。

●什么叫磁場強度？
答：定義載有 1 安培電流的無限(nfiniti)長導線在距離導線 1/2 米遠處的磁場強度為 1A/m （安培 / 米，國際單位制 SI ）；在 CGS 單位制（厘米 - 克 - 秒）中，為紀念奧斯特對電磁學的貢獻，定義載有 1 安培電流的無限(nfiniti)長導線在距離導線 0.2 厘米遠處的磁場強度為 10e （奧斯特）， 10e=1/4.103/m ，磁場強度通常用 H 表示。

●什么叫安培定則？
答：用右手握住導線，讓伸直的大拇指的方向跟電流方向一致，那么彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環繞方向。

●什么叫磁通？
答：磁通又叫磁通量：設在勻強磁場中有一個與磁場方向垂直的平面，磁場的磁感應強度為 B ，平面的面積為 S ，我們定義磁感應強度 B 與面積 S 的乘積，叫做穿過這個面的磁通量。

●什么是定子？
答：有刷或無刷電機工作時不轉的部分。輪轂式有刷或無刷無齒電機的電機軸叫做定子，此種電機可以叫做內定子電機。

●什么是轉子？
答：有刷或無刷電機工作時轉動的部分。輪轂式有刷或無刷無齒電機的外殼叫做轉子，此種電機可以叫外轉子電機。

●什么叫碳刷？
答：有刷電機里面頂在換相器表面，電機轉動的時候，將電能通過轉相器輸送給線圈，由于其主要的成分是碳，稱為碳刷，它是易磨損的。應定期維護更換，并清理積碳。

●什么是刷握？
答：在有刷電機里面盛裝并保持碳刷位置的機械導槽。

●什么是換相器？
答：有刷電機里面，具有相互絕緣的條狀金屬表面，隨電機轉子轉動時，條狀金屬交替接觸電刷的正負極，實現電機線圈電流方向的正負交替變化，完成有刷電機線圈的換相。

●什么是相序？
答：無刷電機線圈的排列順序。

●什么是磁鋼？
答：一般用于稱呼高磁場強度的磁性材料，電動車電機都采用釹鐵錋稀土磁鋼。

●什么叫電動勢？
答：由電機的轉子切割磁力線而產生，其方向與外加電源相反，故稱為反電動勢。

●什么是有刷電機？
答：電機工作時，線圈和換向器旋轉，磁鋼和碳刷不轉，線圈電流方向的交替變化是靠隨電機轉動的換向器和電刷來完成的。在電動車行業有刷電機分為高速(High Speed)有刷電機和低速有刷電機。有刷電機和無刷電機有很多區別，從字上可以看出有刷電機有碳刷，無刷電機沒有碳刷

●什么是低速有刷電機？有何特點？
答：在電動車行業中，低速有刷電機是指輪轂式低速大轉矩無齒輪傳動有刷直流電動機，電機定轉子相對轉速就是車輪的轉速。定子上的磁鋼為 5~7 對，轉子電樞的槽數為 39~57 個。由于電樞繞組固定在輪子外殼內，借助轉動的外殼，熱量容易散發。轉動的外殼又編織著 36 根輻條，更有利熱的傳導。

●有刷有齒電機的特點？
答：有刷電機中因為有電刷，其主要隱患就是“電刷磨損”，用戶應該注意到有刷電機又分為有齒和無齒兩種。目前許多廠家選用有刷有齒電機，它是一種高速(High Speed)電機，所謂“有齒”就是通過齒輪減速機構，將電機轉速調低（因國標規定電動車時速不得超過 20 公里，故電機轉速應在 170 轉 / 每分鐘左右）。由于是高速(High Speed)電機通過齒輪減速，其特點是啟動時騎行者感覺動力強勁，而且爬坡能力較強。但是電動輪轂是封閉的，只是在出廠前加注了潤滑劑，用戶很難進行日常保養，而且齒輪本身也有機械磨損，一年左右因潤滑不足導致齒輪磨損加劇，噪音增大，使用時電流也增大，影響電機和電池壽命。

●什么是無刷電機？
由于控制器提供不同電流方向的直流電，來達到電機里面線圈電流方向的交替變化。無刷電機的轉子和定子之間沒有電刷和換向器。

●電機如何實現換相 ?
答：無刷或有刷電機在轉動時，電機里面線圈的通電方向需要交替變換，從而達到電機能連續轉動。有刷電機的換相靠換相器和電刷共同完成，無刷電機靠控制器來完成。

●什么是缺相？
答：無刷電機或無刷控制器的三相電路中，有一相不能工作。缺相分主相位缺相和霍爾缺相。表現為電機抖動不能工作，或轉動無力且噪音大。控制器在缺相狀態下工作是很容易燒毀的。

●電機常見的種類有哪幾種？
答：常見的電機有：有刷有齒輪轂電機、有刷無齒輪轂電機、無刷有齒輪轂電機、無刷無齒輪轂電機、側掛電機等。

●從電機的種類上怎么區分是高低速電機？
答： A 有刷有齒輪轂電機、無刷有齒輪轂電機屬于高速(High Speed)電機；
B 有刷無齒輪轂電機、無刷無齒輪轂電機屬于低速電機。

●電機的功率是怎么定義的？
答：電機的功率是指電機所輸出的機械能與電源所提供的電能之比。

●為什么要選擇電機的功率？選擇電機功率的意義何在？
答：電機額定功率的選擇是一個很重要很復雜的問題。負載時，如果電機額定功率過大，電機就經常處于輕載運行，電機本身的容量得不到充分的發揮，變成“大馬拉小車”，同時電機運行效率低、性能不好，都會增加運行費用。反過來，電機額定功率要求得小，那便是“小馬(Pony)拉大車”，電機電流超過額定電流，電機內耗損加大，效率低時小事，重要的是影響電機的壽命，即使過載不多，電機的壽命也會減少較多；過載較多，會破壞電機絕緣材料的絕緣性能甚至燒毀。當然，電機額定功率小，可能根本就拖動不了負載，會使電機長時間處
于啟動狀態而過熱損壞。所以應該嚴格按照電動車運行情況選定電機的額定功率。

●一般直流無刷電機為什么要有三個霍爾？
答：簡要的說，直流無刷電機為了能轉動，必須使定子線圈的磁場和轉子永久磁體的磁場之間始終存在一定的角度。轉子轉動的過程也就是轉子磁場方向改變的過程，為了使二者磁場存在角度，到一定的程度后，定子線圈的磁場方向必須改變。那么怎么知道要改變定子磁場的方向了呢？那就靠那三個霍爾了。可以認為那三個霍爾肩負著告訴控制器何時改變電流方向的任務。

●無刷電機霍爾的耗電量大致范圍是多少？
答：無刷電機霍爾的耗電量大致范圍是 6m A-20m A 不等。

●一般電機在多高的溫度下能夠正常工作？電機最多能夠承受多高的溫度？
答：如果測量電機蓋(Guy)的溫度超過環境溫度 25 度以上時，表明電機的溫升已經超出了正常的范圍，一般電機溫升應該在 20 度以下。一般電機線圈是由漆包線繞而成，而漆包線在溫度高于 150 度左右時其漆膜會因為溫度過高而脫落，造成線圈短路。當線圈溫度在 150 度以上時電機外殼所表現出的溫度在 100 度左右，所以如果以其外殼溫度為依據則電機所承受的最高溫度為 100 度。

●電機的溫度應在 20 攝氏度以下，即電機端蓋(Guy)的溫度超過環境溫度應小于 20 攝氏度，但電機發熱超過 20 攝氏度的原因是什么？
答：電機發熱的直接原因是由于電流大引起的。一般可能是線圈短路或開路、磁鋼退磁或電機效率低等造成，正常情況則是電機長時間大電流運轉。

●什么原因導致電機會發熱？這是一個怎樣的過程？
答：電機負載運行時電機內有功率損耗，最終都將變成熱能，這就會使電機溫度升高，超過了周圍環境溫度。電機溫度比環境溫度高出的值稱為升溫。一旦有了升溫，電機就要向周圍散熱；溫度越高、散熱越快。當電機單位時間發出的熱量等于散出的熱量時，電機溫度不再增加，而保持著一個穩定不變的溫度，即處于發熱與散熱平衡的狀態。

●一般點擊允許溫升是多少？電機的溫升對電機中的哪個部分影響最大？是怎么定義的？

答：電機負載運行時，從盡量發揮它的作用出發，所帶負載即輸出功率越大越好（若不考慮機械強度）。但是輸出功率越大、損耗功率越大，溫度越高。我們知道，電機內耐溫最薄弱的東西是絕緣材料，如漆包線。絕緣材料耐溫有個限度，在這個限度內，絕緣材料的物理、化學、機械、電氣等各方面性能都很穩定，其工作壽命一般約為 20 年。超過這個限度，絕緣材料的壽命就急劇縮短，甚至會燒毀。這個溫度限度，稱為絕緣材料的允許溫度。絕緣材料的允許溫度，就是電機的允許溫度；絕緣材料的壽命，一般就是電機的壽命。

環境溫度隨時間、地點而異，設計電機時規定取 40 攝氏度為我國標準環境溫度。因此絕緣材料或電機的允許溫度減去 40 攝氏度即為允許溫升，不同絕緣材料的允許溫度是不一樣的，按照允許溫度的高低，電機常用的絕緣材料為 A 、 E 、 B 、 F 、 H 五種。按環境溫度為 40 攝氏度計算，這五種絕緣材料及其允許溫度和允許溫升如下表所示：

等級	絕緣材料	允許溫度	允許溫升
A	經過浸漬處理的棉、絲、紙板、木材等，普通絕緣漆	105	65
E	環氧樹脂、聚脂薄膜、青殼紙，三酸纖維，高度絕緣漆	120	80
B	用提高了耐熱性能的有機漆作粘合劑的云母、石棉、和玻璃纖維組合物	130	90
F	用耐熱優良的環氧樹脂粘合或浸漬的云母、石棉和玻璃纖維組合物	155	115
H	用硅有樹脂粘合或浸漬的云母、石棉或玻璃纖維組合物，硅有橡膠	180	140

●怎樣測量無刷電機的相角？
答：接通控制器電源，由控制器給霍爾元件供電，就可以檢測到無刷電機的相角了。方法如下：用萬能表的 +20V 直流電壓檔，并將紅表筆接 +5V 線，黑筆分別測量三個引線的高低電壓，按 60 度及 120 度電機的換相表對照即可。

●為什么任意一臺直流無刷控制器和直流無刷電機不能隨意接上就能正常轉動起來？為什么直流無刷會有倒相序之說？
答：一般來說直流無刷電機在實際運動中是這樣一個過程：電機轉動 ---- 轉子磁場方向改變 ---- 當定子磁場方向和轉子磁場方向的夾角到 60 度電角度時 ---- 霍爾信號改變 ---- 相線電流方向改變 ---- 定子磁場向前跨越 60 度電角度 ---- 定子磁場方向和轉子磁場方向夾角為 120 度電角度 ---- 電機繼續轉動。這樣我們就明白了，霍爾有六種正確的狀態。當特定的霍爾告訴控制器時，控制器就有特定的相線輸出狀態。所以倒相序就是要完成這樣的一個任務，就是使定子的電角度始終按一個方向以 60 度電角度步進。

●如果 60 度的無刷控制器用在 120 度的無刷電機上會有什么狀況？反之又如何？
答：都會倒至缺相現象，不能正常轉動；但捷能所采用的控制器是一種智能型無刷控制器能夠自動識別 60 度電機或 120 度電機，從而可以兼容適配二種電機，使得維修更換更加方便。

●直流無刷控制器和直流無刷電機怎樣能倒出正確的相序？
答：第一步要保證霍爾線的電源線和地線與控制器上相對應的線插好，而三個電機霍爾線與三個電機線對控制器的接法共有 36 種，最簡單而笨的方法是每種狀態逐一試驗。換接時可以不斷電進行，但一定要仔細，也要有一定的次序。要注意每次擰轉不要太大，如果電機轉動不順利，則這種狀態就是不對的，轉把擰的太大就有損控制器，如果出現反轉的情況，在知道控制器的相序的情況下就是把控制器霍爾線 a 、 c 互換，點擊線 A 相與 B 相互換，即可倒為正轉。最后驗證接得正確方法是大電流運轉時正常。

●如何用 120 度無刷控制器控制 60 度電機？
答：在無刷電機霍爾信號線 b 相與控制器采樣信號線之間加方向線路即可。

●有刷高速(High Speed)電機和有刷低速電機有什么直觀上的區別？
答： A. 高速(High Speed)電機有超越離合器，往一個方向轉輕松，往另一個方向轉費盡；低速電機雙向轉斗一樣輕松。
B. 高速(High Speed)電機的車轉動時噪音較大，低速電機轉動噪音較小。有經驗的人很容易憑耳朵識別。

●什么是電機的額定運行狀態？
答：在電機運行時，若各個物理量都與它的額定值一樣，就稱為額定運行狀態，在額定運行狀態下工作，電機能可靠的運行，并具有最好的綜合性能。

●電機的額定轉矩是怎么計算出來的？
答：點擊軸上輸出的額定轉矩可以用 T2n 表示，其大小是輸出的機械功率額定值除以轉交速度(Tempo)的額定值，即 T2n=Pn 其中 Pn 的單位為 W 、 Nn 的單位為 r/min 、 T2n 單位是 N.M, 如果 PNM 單位用 KN ，系數 9.55 改為 9550 。
故可以得出如果在電機額定功率相等的條件下，電機的轉速低其轉矩越大。

●電機的啟動電流是怎么定義的？
答：一般要求電機的啟動電流不能超過其額定電流的 2~5 倍，這也是為什么在對控制器上作限流保護的一個重要原因。

●市場(Rialto)上銷售的電機轉速為什么越來越高？及有何影響？
答：●供應商方面提速可以降低成本，同樣是低速點擊，速度(Tempo)高了線圈匝數就少了，也省了硅鋼片，磁鋼數目也少了，購買者認為高速(High Speed)就好。

●額定速度(Tempo)工作時，其功率不變，但在低速區時效率明顯低了，也就是啟動無力。

●效率低，需要用大電流啟動，騎行時電流也大，對控制器的限流要求大，對電池也不好。

●出現電機異常發熱情況怎么維修？
答：維修處理的方法一般為更換電機，或進行維修保。

●電機的空載電流大于參考表極限數據時表明電機出現了故障，產生的原因有哪些？怎么維修
答：點擊內部機械摩擦大；線圈局部短路；磁鋼退磁；直流電機換相器積碳。維修處理的方法一般那為更換電機，或更換碳刷，清理積碳。

●各種電機的無故障最大極限空載電流是多少？

電機形式	額定電壓 24V 時	額定電壓 36V 時
側掛電機	2.2A	1.8A
高速(High Speed)有刷電機	1.7A	1.0A
低速有刷電機	1.0A	0.6A
高速(High Speed)無刷電機	1.7A	1.0A
低速無刷電機	1.0A	0.6A

●電機空轉電流如何測量？
答：將萬用表置于 20A 檔位，將紅黑表筆竄連接在控制器的電源輸入端。打開電源，再電機不轉的情況下，記錄下此時萬用表的最大電流 A1 。轉動轉把，使電機高速(High Speed)空載轉動 10s 以上，等待電機轉速穩定后，開始觀察并記錄此時萬用表的最大數值 A2 。電機空載電流 =A2-A1 。

●電動車常用電機的比較：

電機形式	傳動形式	電機效率	爬坡性能	維護周期	體積	維護內容	噪音	成本
無刷無齒	無刷低速外轉子電機、直接驅動	〉 80%	一般	無	大	無	小	低
無刷有齒	高速(High Speed)無刷電機、行星齒輪減速	〉 83%	好	3 年左右	小	潤滑齒輪	中	高
有刷有齒	高速(High Speed)有刷電機、 2 級齒輪減速	〈 78%	好	1 年左右	大	更換碳刷、潤滑齒輪	大	高
有刷無齒	低速有刷外轉子電機、直接驅動	〈 76%	差	2 年左右	小	更換碳刷、清理積碳	小	低

●如何識別電機的好壞？關鍵看哪些參數？
答：主要是空載電流和騎行電流的大小，與正常值對比，及電機效率和扭矩的高低，以及電機的噪聲、振動和發熱量，最好的方法是用測功機測試效率曲線。

● 180W 和 250W 電機有何區別？對控制器有何要求？
答： 250W 的騎行電流大，對控制器的功率余量及可靠性要求較高。

●為什么在標準環境下，電動車的騎行電流會因電機的額定不同而不同？
答：眾所周知，標準條件下，以額定負載 160W 來計算，在 250W 的直流電機上騎行電流為 4 — 5A 左右，而在 350W 直流電機上騎行電流略高一些。舉個例子：如果電池電壓為 48V ，兩個電機 250W 和 350W ，其額定效率點都為 80% ，則 250W 電機的額定工作電流為 6.5A 左右，而 350W 電機的額定工作電流為 9A 左右。而一般電機的效率點是工作電流偏離額定工作電流越遠，其值越小，同在 4 — 5A 的負載情況下，在 250W 的電機效率為 70% ， 350W 的電機效率為 60% ，則在 5A 的負載下，
250W 的輸出功率為 48V*5A*70%=168W
350W 的輸出功率為 48V*5A*60%=144W
而 350W 電機為了使輸出功率滿足騎行要求即達到 168W （差不多是額定負載），則只有使電源增加，從而使效率點增高。

●為什么在同樣的環境下， 350W 的電機要比 250W 的電機的電動車的續行里程短？
答：由于同樣的環境下， 350W 電機的電動車騎行電流大所以在電池一樣的情況下，其續行里程會短。

●對于電動助力車廠家應該怎么去選擇電機？根據什么去選擇電機？
答：對于電動車來說其電機選擇的最關鍵因素是電機額定功率的選擇。
電機額定功率選擇一般分為三個步驟：
第一步，計算負載功率 P
第二步，根據負載功率，預選電機的額定功率及其他。
第三步，校核預選電機。一般先校核發熱溫升，再校核過載能力，必要時校核啟動能力。都通過了，預選的電機便選定了；通不過從第二步重新進行，直到通過為止。
切忌在滿足負載的要求下，電機的額定功率越小越經濟。
第二步做好后，要根據環境溫度的不同進行溫度校正，額定功率是在國家標準環境溫度為 40 攝氏度前提下進行的。若環境溫度常年都較低或都比較高，未來(Futura)充分利用電機的容量，應對電機的額定功率進行修正。例如常年溫度偏低，電機世紀額定功率應比標準規定 Pn 高，相反，常年溫度偏高的，應降低額定功率使用。
總體來說，在環境溫度確定的情況下，選擇電動車的電機應根據電動車的騎行狀態來定，電動車的騎行狀態越能使電機接近額定工作狀態越好，而電動車的騎行狀態一般是根據路況而定的。如天津市路面平整，則小功率電機足夠；如果要用較大功率的電機，則會造成能源的浪費，造成續行里程短。如果在重慶山路多，則適宜用功率較大的電機。

● 60 度直流無刷電機比 120 度直流無刷電機更有勁，對嗎？為什么？
答：從市場(Rialto)發現在和很多客戶溝通的時候，普遍存在著這樣一個謬誤！認為 60 度電機比 120 度有勁。我們認為這大概是生產 60 度無刷電機廠家的一種宣傳。從無刷電機的原理上以及事實證明，其實 60 度電機也好， 120 度電機也罷！所謂度數只是用來告訴無刷控制器什么時候該讓惦記的哪兩根相線導通而已。根本沒有誰比誰更有勁之說！ 240 度和 300 度也是一樣，沒有誰比誰更有勁之說。