1、电动车电机按结构分（二）按结构分 有内磁转子和外磁转子之分，内磁转子主要用于柱式 电动机，属于中速 以上品种；外 磁转子则用于轮毂型电动机，属低速型。 （）按外形结构形式分有柱式和轮毂式两种。 按电动机的外形可分为轮毂式直流电动机和柱式直流电动机，这是经常使用的；还有一种是盘形直流电动机一般 比较少用。所谓轮毂式 电动机，其外形像一个 $#% 摩托车的制动鼓，只是尺寸稍微大一点，由于 外形像轮毂，所以称之为轮毂式直流电动机。它的特点是中心轴固定，外壳可以输出转矩并带动车轮转动。 柱式电动机，外形是圆柱形，外壳固定，由中心轴输 出转矩。这种 电动机多用于链式 传动或带传动的电动车，如滑板车、两轮
2、、三轮 电动车。柱式电动机分为有刷和无刷两种柱式无刷直流电动机。柱式电动机都是外壳固定，有刷 电枢为转子，无刷的则磁钢为转子。柱式电动机多用于中轴链条驱动的助型和动力箱式驱动的电动 自行车。 “柱式有刷 电动机。无论高中低速，主要是用于链传动、齿轮传动、中轴谐波传动，以 及摩擦驱动等。如悍马的链传动，新开发的锥齿轮传动，福岳的中轴驱动和倍特的摩擦驱 动等。 轮毂式直流电动是电动 自行车使用最多的一种。又可分有刷和无刷，有刷 的大部 分是盘形电枢加 内减速机构。轮毂式 电动机安装在前轮或后轮上。由于是直接驱动车轮，所 以电动机的转速、转矩等输出性能要符合最不利状态下的要求。轮毂式直流电动机是电动
3、 自行车独有的一种形式。 轮毂式电动机是外壳转动，但 内部结构却有完全不同的三种形式： 轮毂式有刷盘形电枢直流电动机，盘形电枢是高转速的，电动机 内部需要设齿轮减速机构。轮毂式有刷低转速大转矩无齿轮传动直流电动机。 轮毂式无刷直流电动机，是一种低转速大转矩型电动机。盘型电枢有刷 电动机属于无铁心高转速 电动机，对车体速度变化不敏感，因此对 电 动机无冲击伤害，它的起动力强，绕组电流变化小，耗 电相对较低；这种 电动车可以爬过的 坡度是 ，此时电动机的最大输出转矩是 ，电动机最大电流为 。 “# $%& ($) 两种新型无刷 电动机 柱式高速无刷 电动机。这种 电动机具有减速箱，减速后经小链轮子
4、链条输出转矩， 它的机动性较强，既可以后轮驱动，也可以中轴驱动。它既具有无刷 电动机 的优点，又具 有高速 电动机的优点，起动能力和爬坡能力强。 可以发电并回充的无刷 电动机组。目前，有 由深圳百利港公司研制推 出的 +,- . ( 型车用 自发电无刷 电动机组。构造。由自发电无刷 电动机、配套控制器、智能充电器和暂时储能器组成。电动机 定子电枢全封闭，中间为定子，右侧为磁钢转子，左边为端盖。电枢有三相同芯绕组，转子 设置 $/ 对磁钢 。 !工作原理。此 电动机又称二合一复合 电动机。这种 电动机在全程运行中将驱动 电 动机的部分损耗磁能和行驶中部分动能转化为 电能，将发出的电能经整流后储存
5、。当控 制器停止工作时，立即通过特殊充电器分阶段 向电池充电。电动机发电电流可达到 $)。 一般车用 电动机不能充电 车用 电动机在非电动状态下骑行时，是能够发 电的，表现为大灯、电喇叭等在没有 电 源供 电的条件下，都能继续发挥作用电动机发电回充电池功能在双动力汽车上是不可缺少的，当双动力 电动汽车在郊外 以燃油发动机驱动车辆快速行驶时，电动机发电经升压斩波器或专用充电器对 电池充电。 就 目前看，电动 自行车发电回充的意义是不大的，对于说 明书特别说 明可 以发 电、充 电的，才能真正可以为电池补充电能，并能延长 电动 自行车的续驶里程，但应当核实。 无刷 电动机，在没有升压斩波器的情况下
6、，如果能使电动机发电电压高于电池现有 电 压，电流可能稍有回充，它可以通过功率管的旁路管续流二极管流进 电池，但在经过 续流二极管时不免会克扣电流，真正流进 电池的能量不仅是有限的、而且也不稳定。有刷 电动机的控制器 电路则根本不允许 电流回充，电动机发 电到达不了电池。而且在运行状 态下不能同时充电，充电时不能驱动运行。 电动 自行车常用 电动机的分类和特点见表 ! “ !。 电动 自行车常用的电动机的分类和特点 二、电动 自行车电动机的结构与工作原理 有刷 电动机和无刷 电动机的通 电原理不一样，有刷 电动机是 由电刷与换 向器进行机 械换 向，无刷 电动机是靠霍尔元件感应信号 由控制器完
7、成 电子换 向，其 内部结构也不一 样。对轮毂式电动机而言，电动机转矩的输出方式（是否经过齿轮减速机械减速 ）不一样， 其机械结构也不一样。 !, 有刷直流电动机 电动 自行车的有刷直流电动机从外形结构上看有： 柱式； 盘式； 轮毂式等 有刷 电动机工作时，线圈和换 向器旋转，磁钢和 电刷不转。电动 自行车用有刷 电动机 的电刷一般有 ! 个或 “ 个，换 向器片与线圈有很多组，这样 电动机旋转时就更平稳，效率 更高。 有刷 电动机的结构原理 柱式有刷直流电动机。柱式有刷直流电动机的定子是磁钢、转子是电枢绕组，通过 电枢轴端的电刷和换 向铜片组成的换 向系统向电枢绕组馈 电。定子磁钢一般为一对
8、或两 对。 这种 电动机主要用于中轴驱动和后载式动力箱。减速机构主要有三种： 平行轴齿 轮减速机构； 行星轮，多为套筒轴的同轴减速机构； 用齿轮 的直角减速机构。三者 “ # 中第二种属常用的，第三种较少使用。有的电动 自行车 已经采用了谐波减速机构。 !）轮毂式有刷直流电动机。轮毂式低转速大转矩无齿轮传动有刷直流电动机定转子 相对转速是车轮的转速，因此不需要用齿轮减速，也可以称它为柱式有刷直流电动机的异 型结构。只是将装有 电枢的定子外壳变成了转子，将装有磁钢 的内转子变成了不动 的定 子。定子上的磁钢数量增至 $ % & 对，转子 电枢 的槽数 ( % $& 个，电刷 固定在 内定子上，
9、向器固定在 电枢的一端，放射形排列成个环形平板，中间的孔可以穿过定子的轴。 !常见低速有刷 电动机的内部机械结构如 图 # ) & 所示，这种轮毂式 电动机 由电刷、 换相器、电动机转子、电动机定子、电动机轴、电动机端盖、轴承等部件组成。低速有刷无 齿轮毂式电动机属于外转子电动机。 “常见高速有刷 电动机的内部机械结构如图 # ) * 所示，这种轮毂式电动机 由内置高 速有刷 电动机芯、减速齿轮组、超越离合器、轮毂端盖等部件组成。高速有刷有齿轮毂式 电动机属于内转子电动机。 轮毂式有刷盘形直流电枢 电动机。轮毂式有刷 电动机必须用盘形电枢。轮毂 电动 机外形的径 向尺寸大、轴 向尺寸小，也正适
10、合于采用盘形电枢。盘形电枢本身就是一个没 有铁心的转子，重量很轻，转动惯量的绝对值很小，非常容易起动。由于它的径厚比大，所以相对转动惯量却是较大的，能得到较大的转矩。 盘形电枢的绕组结构有很多种，主要结构特点是绕线呈放射状排列，绕组线圈由两层 图 ! “ # 低速有刷 电动机 内部机械结构 或两层 以上的偶数层构成，层间设绝缘，各层绕组的端头集中在盘的中心部位按一定的连 接方式焊接，之后铺平，表面镀上耐磨金属，磨平磨光成为换 向器片。 盘形电枢直流电动机如图 ! “ $ 所示。由于是高转速，需装备减速机构，与其他 电动 机不同，可制成轮毂 电动机直驱车轮，为防止停止驱动后影响车轮 自由转动，也
11、防止 电动 机不工作时车轮通过减速机构带动 电枢转动，一般要增设超越离合器或是棘轮棘爪机构，使外壳可以随车轮 自由转动，不会带动减速机构和 电枢。 （）有刷 电动机的接线方法 % 有刷 电动机一般有正、负两根引线。一般红线是电动机正极，黑线是电动机负极。如 果将正负极交换接线，只是会使电动机反转，一般不会损坏 电动机。 无刷直流电动机 无刷 电动机的线圈与位置传感器是固定在 电动机轴上 的，是定子 的一部分，不能旋 图 ! “ # 高速有刷 电动机的内部机械结构 转。无刷 电动机的旋转部件是磁钢 。无刷直流电动机有： 柱式结构，电枢设在固定不动的外壳内，转子设在主轴上，磁钢设在转子外圆周围，称
12、为内转子无流电动机，它有较 高的转速 。“盘形转子的无刷直流 电动机，磁钢为扁片形，成环形设在盘形转子 的平面 上，一侧为 $ 极，另一侧为 % 极。电枢则固定在转子的两侧，绕组与磁钢相对应。#外磁 转子的轮毂 电动机等三种形式。 电动 自行车用无刷 电动机的磁钢数量 比较多，线圈一般有 & 组，每组线圈都有相应的 霍尔元件（ 相线圈有 个霍尔元件），这样 电动机旋转时更平稳，效率更高。当磁钢旋转 & & 时，霍尔元件感应到磁场方 向变化后给出相应控制信号，无刷控制器根据此信号控制着上 & 路与下 & 路功率管的导通与截止。 （）无刷直流电动机的基本组成及工作原理 图 ! “ # 盘形电枢有齿
13、轮传动的有刷直流轮毂式电动机 剖面结构 %）整体外形及半剖图 无刷直流电动机，由电子开关线路、永磁同步电动机 以及位置传感器等组成。其原理 如图 ! “ !& 所示，组成如图 ! “ ! 所示。 图 ! “ !& 直流无刷 电动机原理框图 !）常见高速无刷 电动机的内部机械结构如图 ! “ ! 所示，这种轮毂式 电动机 由内置 高速无刷 电动机心、行星摩擦滚子、超越离合器、输 出法兰、端盖、轮毂外壳等部件组成。 高速无刷有齿轮毂 电动机属于内转子电动机。 ）常见低速无刷 电动机的内部机械结构如图 ! “ !( 所示。 无刷电动轮毂电动机的定子绕组一般制成多相，如采用三相。转子由稀土永久磁钢按一
14、 定极对数（ ， ）组成， 为极对数。图 是最基本的无刷电动机电路图。 ) * + ! !“ !* 图 ! “ ! 直流无刷 电动机的组成框图 图 ! “ !# 高速无刷 电动机 内部机械结构 图 ! “ !$ 低速无刷 电动机的内部机械结构 图中电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与 电子开关线路 中相应 的开关器件 相连接， 相、 相、 相绕组分别与功率开关管 、 、 相接。带有小永磁体的跟 % & ()! ()# ()$ 踪转子所属位置传感器，与电动机的转轴相连接并同步运转。当电动机 的定子绕组的某 图 ! “ !# 直流无刷 电动轮毂结构原理 一相通 电时，该电流与转子永久磁钢的磁极
15、所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子 旋转，再 由位置传感器的霍尔元件将转子磁钢的位置信号变换成电信号，去控制 电子开关 线路。每相依次下去，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相 电流随转子位置的变 而按一定的次序换相。由于与转子同步转角的跟踪转子同步触发位置传感器的霍尔元 件，保证了电子开关线路的导通次序，因而起到机械换 向器 的换 向作用，即定子绕组在位 置传感器霍尔元件 、 、 的控制下，一相一相地依次馈 电，实现了电子换相。 $ $ $ ! % & （）无刷直流电动机的结构 % 无刷直流电动机 由定子和转子两大部件组成，有的增设了位置传感器，也有的无位置 传感器。结构具有多种形
16、式，如柱型、轮毂型，转子铁心分有槽和无槽等。电动 自行车使 用的主要是外磁转子、内磁转子、有槽 电枢或无槽 电枢等类型的直流电动机。 !）定子。定子是电动机运行时的不动部分。车用无刷 电动机包括轮毂式（其 中有盘 形电枢、盘形转子和外磁转子）盘式和柱式，它们定子的含义有所不同。 ! 内定子：内定子就是原来普通直流电动机带电枢的转子。 内定子电枢的制作和所采用的材料与一般直流电动机的转子没有什么区别。电枢铁心仍采用 电工专用硅钢冲压成带齿槽的环形冲片。 “外定子：外定子无刷直流电动机就是传统的用得最多外形为柱状的电动机，如图 ! ! 所示。 这种 电动机的外壳既是机座又是装 电枢绕组的铁心 固定
17、壳。外定子 由硅钢冲片、分 图 ! “ !# 外定子电动机结构 $）转子 %）定子和霍尔传感器 布在冲片槽 内的绕组、机壳、端盖等组成。 &）转子。转子是指 电动机的可转动部分，由磁轭、磁钢及可以支持其旋转的轴承等组 成。其主要作用是在 电动机的气隙内产生足够 的磁感应强度，并与通 电后的定子绕组磁 场相互作用产生转矩驱动 自身并带动负荷运转。与定子一样，转子也有 内转子、外转子之 分，分别与内外定子配合。盘形 内磁转子则与轴 向排列的盘形电枢相配合。内转子：有一对或多对磁极，一般在 四对 以下， 极、 极有轴 向排列和径 向排列。为防止去极效应，磁钢的端部要加软磁材料做的极靴，靴的外缘弧形经
18、加工后要与定子磁 轭间保持最小的间隙，以取得最大的磁通。转子的轴要采用 )* 等非导磁材料。内转子 和外定子配合的形式多用于柱式电动机和盘形电动机，转速高，需要减速机构。 “外转子：电动 自行车专用的轮毂式无刷直流 电动机采用 的是外转子型的。这个外 壳有两道鼓缘，每道鼓缘上均匀分布着 !+ 个幅条孔，外壳就是借这 & , !+ 个辐条孔与车 轮圈编合成一体。或是电动机外壳不设辐条孔，而改为螺栓孔，直接与小径车轮的轮圈相 嵌合。主要用于电动 自行车的轮毂式外磁转子无刷直流电动机，要求低转速大转矩。 -）电枢绕组。定子绕组是无刷直流 电动机本体一个最重要 的部件。当电源接通后， 电流流入绕组产生
19、磁场，并与转子永磁磁场相互作用而产生 电磁转矩。当电动机带动负 荷运转起来以后，转子永磁磁场的磁力线就开始切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应 电动势（反电势），吸收一定的电功率并通过转子输出机械功率，实现了将 电能转换成机械 能的过程。 绕组分好多种，无刷直流电动机经常采用 的是： 单层绕组和双层绕组； 集 中绕组 ! “ 和分布绕组； 整数槽绕组和分数槽绕组； 短距绕组矩绕组。 一个绕组的两个有效绕组边沿圆圈相隔的距离，称为绕组的节距，一般用定子 内的槽 数或它与极距的比值 来表示。当绕组的节距与极距相等时，称为整距（或全距 ）绕组；节 距小于极距时，称为短矩绕组；在特殊情况下，节距也可以
20、大于极矩，称为长距绕组。 在无刷直流电动机 内，绕组又可分为单层绕组和双层绕组。每个槽 内放置一个绕组 边时，称为单层绕组；每个槽 内放置两绕组边，且分为上下层时，称为双层绕组。 集中绕组和分布绕组：单层绕组每相每极仅一个绕组，或双层绕组每相每极有两个绕 组时，称为集中绕组。单层绕组每相每极有两或多个绕组，或双层绕组每相每极有两个以 上绕组时，称为分布绕组。 无刷 电动机的接线方法 无刷 电动机相角的判断。无刷 电动机 的相角是无刷 电动机 的相位代数角的简称， 无刷 电动机各线圈在一个通 电周期里面线圈内部 电流方 向改变 的角度，电动车用无刷 电动机常见的相位代数角有 “#$%与 &$%两
21、种。 !观察霍尔元件安装空间位置判断无刷 电动机的相角。 “#$%和 &$%两种相角电动机的霍尔元件安装空间位置不一样。&$%与 “#$%无刷 电动机 的霍尔元件安装图分别如图 “ “& 和图 “ “( 所示。 无刷 电动机 霍尔元件安装图 “测量霍尔真值信号判断无刷 电动机的相角。 无刷 电动机的磁钢数量一般是 片、 片或 片，其对应的定子槽数是 槽、 槽 “# “& “) !& *) 霍尔元件安装图 或 ( 槽。电动机在静止状态时，转子磁钢 的磁力线有沿磁阻最小方 向行走 的特性，因此 转子磁钢所停顿的位詈恰好为定子槽凸极的位置。磁钢不会停止在定子槽心 的位置，这 样转子与定子的相对位置只
22、有 种、种或 种这有 限的几个位置。因此无刷 电动机 的最小磁拉力角就是 、 或 。 无刷 电动机的霍尔元件有 根引线，如图 ! “ !+ 所示，分别是霍尔元件的公共 电源正 极、公共 电源负极、 相霍尔输 出、 相霍尔输 出和 相霍尔输 出。可 以利用无刷控制器 （ 或 ）的 根霍尔引线，将无刷 电动机霍尔元件引线的正负电源接好，将其余 、 、 三个相位传感器的引线，任意接在控制器霍尔信号引线的引线上。接通控制器 电源，由 控制器给霍尔元件供 电，就可 以检测到无刷 电动机 的相角 了。方法如下：用万用表 的 0 %1 直流电压档，将黑表笔接地线，红表笔分别测量三个引线的电压情况，记录下 )
23、 根引 线的高低 电压。轻微转动 电动机，让电动机转过一个最小磁拉力角度，再次测量并记录下 根引线的高低 电压，如此测量记录 * 次。用 ! 表示高电位，用 % 表示低 电位。 如果是 *%&无刷 电动机，连续转动 * 个最小磁拉力角度，则测量 出的霍尔真值信号应 该是： 调整三个霍尔元件引线的引脚顺序，让真值的信号严格 按照上面的真值顺序变化，这样对于 无刷 电动机的 、 三个相位就判断出来了。 *%& - . / 如果是 !$%&无刷 电动机，连续转动 * 个最小磁拉力角度，测量出的霍尔真值信号应该 是按照 的规律变化，这样霍尔元件引线的通 电相序就判断出来 了。 分析 *%&与 !$%&
24、无刷 电动机霍尔真值信号，可以发现它们第一个状态都是 !%，第二个 状态都是 ，可以认为状态的 代表 电动机的 相线， 状态中第二个 代表 相 线，剩下的一个引线就是 相霍尔引线了。需要说明的是，此时还不能判定 !$ 真值就是 代表了 无刷 电动机的 、 相位（可能是 、 或 、 、 ）。只是在维修实践当中， 需要知道 !($)无刷 电动机的相序就可以了。 无刷 电动机线头 (）无刷 电动机的接线方法。无刷 电动机的线圈引线有 + 根，霍尔引线有 , 根，如 图 ! !* 所示。这 # 根引线必须和控制器相应引线对应，否则电动机不能正常转动。 一般来讲， 和相角的无刷 电动机，需要 由与之相对
25、应的 和 相角的无刷 -$) !($) -$) !($) 电动机控制器来驱动，两种相角的控制器不能直接互换。-$) 相角无刷 电动机与 -$)相角 控制器相连接的 # 根线的正确接线有两种，一种正转，一种反转。 因为对于 !“#$相角的无刷 电动机，通过调整线圈引线的相序和霍尔引线的相序，电动 机与控制器相连的 % 根线的正确接线可以有 & 种，其中 种接法 电动机正转，另外 种接 法 电动机反转。 如果无刷 电动机反转，说明无刷控制器与无刷 电动机的相角是匹配的，可以这样来调 整电动机的转 向：将无刷 电动机与无刷控制器 的霍尔引线 、 交换接线；同时将无刷 电 ( ) 动机与无刷控制器的主相线 、 交换接线。 下一节控制器( * 注：目前市场上 已经有智能无刷控制器，这种智能无刷控制器具有 自动识别电动机相 角的功能，能同时实现 &#$和 !“#$两种相角的无刷 电动机的驱动。上一条： 第二节 电动自行车用电动机（一） 下一条： 第三节 直流 电动机控制器
