一、電動車電機種類和構造

電動自行車車用電動機有兩大類，五個品種。兩大類是：有刷電機和九州無刷電機；五個品種是有刷電機有齒輪傳動和無齒輪傳動，無刷電機有傳感器、無傳感器和盤形電樞齒輪減速無刷電機。

1．輪轂式有齒輪傳動有刷直流電動機

該電機一半是盤形電樞有刷電機，另一半是齒輪減速兼傳動系統（圖4-1）。盤形電樞是高速轉動的轉子，構造圖4-1b。電機的轉矩是通過軸傳遞給第一級齒輪，經齒輪減速帶動輪轂外動。

圖4-1 輪轂式有齒輪傳動有刷直流電動機構造圖

（a）磁鋼排列的方法 （b）電機剖面圖

有刷有齒輪轂電機的盤形電樞，是薄片形，體積很小，重量特輕，安裝方便。繞組編制好之后，用樹脂加玻璃纖維放進模內熱成型，之后在5000r/min的轉速下高速旋轉，試驗2min，偏轉、跳動和電樞的強度指標應當合格。

電機在運行中由于電刷和換向器摩擦，又有齒輪嚙合減速，所以有刷電機的聲音比無刷電機聲音大。

2．輪轂式無齒輪傳動有刷直流電動機

為了適應輪轂結構，簡化電機，將有刷電動機設計成電樞放在外邊做轉子，磁鋼放在電機之內做定子，多塊磁鋼配多個繞組，組成轉速為180r/min左右的低速電機。

由圖4-2a中看到這種電機外轉子中尚未經過壓力整形的電樞繞組，在繞組以內是平面環狀整齊排列的換向片。圖4-2b是放在外轉子上的間隔排列著10塊磁鋼的定子，在中間的轂板上開有兩個孔，電刷的刷握就設在孔的背側，電刷帶著導線被彈簧從刷握中彈出。

從圖中能看到定子的軸端套有一個螺母，防止在加工中損傷軸的螺紋，把電刷整理好裝入刷握中，將這一端送進圖4-2a的孔中，電刷就可以接觸在換向器平面上，借助彈簧的彈力，對換向器壓緊，而磁鋼正好進入外轉子繞組中，只留一個很小的環形氣隙。這個環形氣隙的直徑越大，電機產生的轉矩也越大。

3．無刷直流電動機

把無齒輪傳動的有刷直流電動機定、轉子內外對調，將繞組改成三個相做定子，磁鋼裝在電機外殼內，取消電刷和換向器，在電樞繞組中間安裝三個霍耳傳感器，這就成為一臺無刷直流電動機。它的外形與圖4-4相同。電樞內定子如圖4-5a所示，從圖中可以看到繞組嵌入定子鐵心后的形狀，三相繞組引線經壓板固定后，從軸的一端空心引出，從軸的兩端部各銑出對應的兩個平面，可以裝入車的前*或后*的*口內，上緊螺母，在運行時產生反力矩。對有傳感器的電樞，3個霍耳傳感器按120°均勻安裝在繞組有引線一端貼近外轉子磁鋼的地方。每個傳感器有3根引線，其中電源線和地線是共用的，合并后變成5根總引線，與繞組引線從軸孔中引出。

圖4-3 輪轂電機外形

圖4-4 無刷電機繞組定子和外磁轉子及其磁鋼排列

無刷直流電機的外轉子由7~20對或更多的n、s極互相交替的釹鐵硼磁鋼強度的磁場強度高，相對價格也較低。釹鐵硼磁鋼的居里點低，但外殼的散熱條件好。

相反，內磁轉子或內磁定子則采用居里溫度較高的磁鋼如釤鈷合金或其他磁場強度滿足要求的磁鋼，要求居里溫度應不低于400℃。

4．無刷有齒輪減速電機

和有刷盤形電樞有齒輪傳動電機結構基本相同，它也有一個靈巧的盤形電樞，甚至磁鋼排列也是一致的，本質區別是它沒有換向器，有霍耳位置檢測裝置。它們更大的區別在控制器，有功率換向電路為電樞的每個相提供電流，有霍耳信號譯碼和編碼，以根據檢測到磁鋼n極位置，確定供電相位或方向。簡單地講，它具有有刷有齒輪傳動電機的構造，卻又有無刷電機的原理。

二、電機的檢查和測量

（一）準備工作

電機檢查和測量需要的工具，根據自己的規模和修理能力而定。本文按全面檢測車用電機要求介紹，不一定所有的維修站都按照介紹來裝備。至于個人，無論是業余修理還是進行研究，更得從自己長遠打算和需要而定，請不要盲目設置，與朋友交換使用是最經濟合理的辦法。

1．常用工具?

首先應當準備一些常用的、不可缺少的修理工具，拆卸電機還要準備鋁合金（或銅）扁鏟，拆解電機殼蓋，要用比電機外殼材質軟的工具，防止沖傷電機外殼。

2．拉軸器是拆卸軸或軸承的工具，又稱拉拔器。

3．儀器設備萬用表（50mf級）、50v電壓表、10a電流表、開口變壓器、轉速表、轉矩傳感器或電機檢測儀、可調電源箱等。

4．參考配置的儀器如繞組匝間耐壓測試儀，短路測試儀，線圈圈數測量儀，電樞檢測儀等。電機轉速是檢查電機時經常要掌握的，轉速儀有接觸式和非接觸式。接觸式轉速儀不適于輪轂電機測試，應使用非接觸式，有條件的可購置一臺非接觸式高精度激光轉速表。

（二）電機的測試項目

車用直流電動機的測試項目主要著重于性能方面，性能檢測中發現問題，再進一步測量和分析，如繞組、換向器、軸承，以及轉子和電樞中心偏斜率、氣隙等。有些項目是大型電機或是制造廠執行的質量檢查標準，我們在使用和修理中有的不必要，有的做不到。車用電機修理應當按實際需要，根據自己的能力和條件而定。力學和特性方面的檢測項目應當包括轉矩、轉速、效率、時間常數、堵轉電流等。目前已經有許多種檢測電機的儀器設備產品，而且技術相當完善，可以完成從自動測量、計算、分析、得出結果，到打印等全部工作。

1．電機轉速的測量

有接觸式和遙測式。接觸式的，如手持轉速表可以用于柱式電機軸的輸出轉數，對軸的轉動中心進行檢測；車用輪轂電機則可用遙測式轉速表測量。遙測的也就是非接觸式的，有幾種可以使用：

（1）數字式轉速表：這種表的原理是將物體的轉速變成脈沖，測量脈沖頻率，即得到轉速。這類轉速表有磁電式、電容式、霍耳元件式和光電式。常用的是光電轉速表，如dt2234a型，有5~6000r/min和1000~10000r/min兩種。缺點是需要反光紙。反光紙是消費品，需要更換。

（2）較好的是頻閃式儀器：這種轉速儀用途廣泛，操作簡單，體積小，量程寬，精度高，用閃點測量可達150000r/min，精度為1%，不用接觸即可測量物體轉速。

2．電機轉矩測量

（1）輪轂電機檢測分析儀：如圖4-8所示，這是一臺功能相當理想的電機檢測設備，它可測定電機轉矩、轉速何效率等項目。設備分兩部分：一是數據測取部分——轉矩傳感器；一是根據測得數據分析并得出結果的部分——電腦分析儀，實際是安裝了專用軟件的電腦，它可用鍵盤操作設定要進行測定和分析的項目，也可用鼠標點擊選擇窗口中的項目，檢測結果顯示在屏幕上，也可打印出來。

圖4-8 電動自行車輪轂電機檢測分析儀

（a）轉矩傳感器測試儀 （b）電腦分析儀

直流電動機檢測時還需測定功率、效率等，需要電源，想精確地測量就得用標準的可調電源箱。整個測試過程如圖4-9所示。當測試全過程完成后，電腦屏幕上可顯示各種分析數據和特性曲線，還可將結果打印出來。

圖4-9 電機檢測儀工作流程

根據公式T=9.55P/n，可知轉矩T與功率P成正比，與轉速n成反比。而P=U×I，即功率P也與電壓U和電流I成正比，效率則是在某區段是上升的，超過某點則效率下降。

（2）渦流測功機：又叫渦流閘、渦流測矩器。適用于測定靜態轉矩，對小功率電機，加配一臺測力傳感器后也能測定動態轉矩。其構造如圖4-10所示。

圖4-10 渦流測功儀兩視圖

視圖4-10a中，1是接受電機轉矩的軸，1軸帶動圓鋼盤5在極靴10內轉動，10通過連接橫桿11與可偏轉的磁極2相連。從圖4-10b中又看到，磁極是兩組并互相垂直，每個磁極兩端各配有線圈，對線圈通電可產生磁通，通過四個橫桿11傳遞給四對極靴10，由于極靴存在磁通，圓盤在轉動時產生渦流，并帶動極靴轉動一定的角度，極靴則又帶動磁極和固定磁極的軸9轉動，轉軸9的端部安裝有指針8和平衡錘4，根據圓盤渦流的大小，指針和平衡錘從靜止位置隨轉軸轉動，指示刻度盤3上的讀數值，這就是測定的轉矩。其中的平衡錘、刻度和勵磁線圈的電流都是預先經過試驗確定的，并分幾個檔次的備件待用。

這種轉矩測功機雖然結構形式老些，精度不十分精確，但結構簡單，使用方便，調節平滑，造價不高，特別適用。

（3）新型電機檢測儀：新型檢測儀器——測功儀，已經脫離了原來的原理，進而采用更先進、更簡單、更精確、更快捷、更輕便的模式。先進技術包括轉矩變形軸貼片、變形圓盤貼片、磁粉、磁滯等技術。貼片主要通過變形時貼片電阻值發生變化導致電流變化，換算成各種有用數據達到測量效果。

新型電機測功儀已經微型化、集成電路化，利用微小的變化信息，傳送到測量電路，再送到電腦，經預先編制的專用軟件分析綜合得出多項結果，通過打印機繪制曲線圖和報告。測試設備簡單而精確，是過去老式設備所不能比的。老式設備也不能適應現有車用電機的檢測要求。近年來，為適應電動自行車的發展和輪轂電機大量生產，而為此開發的電子儀器越來越多，技術也越來越先進。

①電機檢測包括電機、電機+控制器、整車條件下電機的檢測、測定不同條件電機工作性能等。因此，電機檢測設備不僅是電機生產、電動自行車裝車前、裝車后對電機檢測，也是修理過程不可或缺的設備。

根據國標GB17761—1999《電動自行車通用技術條件》，對車用電機檢測項目分三種條件：

a、電動自行車電機空載性能：測定電壓、電流、轉速；

b、電動自行車惦記負載性能：測定電壓、電流、轉速、轉矩；

c、電動自行車惦記過載性能：測定電壓、電流、轉矩。

②電機檢測儀又稱電機測功機，新型測功儀分磁粉型和磁滯型兩種。兩種類型的特點如下：

a、磁粉型：適合于低轉速、大轉矩電機的檢測。缺點是內部磁粉有摩擦、起始轉矩較大。

b、磁滯型：適合于高轉速、小轉矩，甚至高達10000r/min以上和低至毫牛米（mN·m）電機的檢測。缺點是體積大、價格高、大轉矩下容易燒毀，必須有足夠完善的冷卻措施，連續檢測受到限制。

3、電機檢測項目的意義

檢測項目與電機性能和經濟性能有著密切的關系，比如：

⑴轉矩：這是電機輸出數據中重要的項目電機工作主要是靠轉矩。因此，電機檢測數據中，轉矩列為重要項目。通過電機轉矩測量，可推算電機功率和其他力學參數。

轉矩是電動自行車在加速、上坡和頂風運行時最重要的動力和保證。

⑵時間常數：是衡量電機通電后快速動作的重要指標。通電后，在空載下轉速由0至空載額定轉速的0.632倍所需時間。起動時間：在設定條件下，電機由靜止到空載轉速所需時間。

⑶轉速：電機轉速必須工作在設計的要求點附近，對電動自行車來講，還要求它的速度響應快。

⑷效率和綜合效率：效率低的電機只消耗能量而不出力，非常不經濟，是由于設計不合理或發生故障時出現的不正常現象。電動自行車電機效率應當和控制器一同測定綜合效率。測定綜合效率可以在轉矩傳感器上，將電機接入控制器，在不同調速階段測定電機輸出功率，同時在控制器與電源間加檢測系統，測定同一時間內消耗的電能，然后計算出綜合效率。有刷電機系統的綜合效率應不低于75%，無刷電機系統不低于85%。

⑸堵轉：電機因超負荷而停轉，這時繞組沒有反電勢抵抗電流的增長，使線圈溫度在適時間內迅速升高并可能燒毀。這種情況下，電機的電流極限和溫升速度關系到電機的命運。

⑹其他：磁場的測量，繞組的電感、噪聲、損耗（包括銅損、鐵損、機械損耗、雜散損耗等）、動平衡和靜平衡等，對電機來講都是重要的指標。

磁鋼的場強是設計時確定的，一般不允許磁鋼退磁。否則，影響電機性能和壽命。磁鋼退磁會造成電機飛轉。繞組電感影響線圈電流的增長和消退，這對在高頻率下工作的無刷電機非常重要。噪聲是電動自行車整車指標之一與其他機動車相比，電動自行車的噪聲小得多。這些都應當符合國家標準和規范。

繞組是電機產生電磁轉矩的重要部件，是電機設計三大要素之一。繞組的設計和運行中繞組狀態，影響著電機的性能。繞組容易發生的問題是：不絕緣、線圈間短路、繞組之間短路、斷路等。

三、電動機的故障檢測與排除

有刷電機故障

有刷電機故障主要有不起動、運轉失常、過快、過慢、怪聲、火花等。

1、不起動原因

主要是斷路。分繞組斷路，繞組與換向器間斷路，電刷導線脫落，彈簧失效，以及電刷或換向器磨損等。

⑴繞組斷路：用萬用表或mA表測量換向器相對的兩個銅片時，與其他部位電阻不同。找到有故障的換向片后，一個表筆先固定不動，另一個表筆左右移動。若指針讀數有變化，可斷定這個銅片所接的線圈斷開；若無論如何移動，阻值總是較大，則可斷定另一只表筆所接觸的換向片斷路。用mA表時，電源電壓不應超過3V，遇到斷路時，mA表讀數最小或沒有數值。

⑵線圈與換向器銅片開焊：運行中與線圈斷路表現相同，但容易檢查，用竹針撥動線圈端頭與銅片的焊點部件，開焊或虛焊處有活動跡象或立即分離，只要重新焊接即可。若是線圈斷路，而且在繞組內部，不好解決。若只有一兩個斷點，可以在換向片處給以短路連接；斷點較多，只有修換一個繞組，應當衡量其經濟性和合理性。

⑶少數線圈斷開：有時一兩個線圈斷開并不影響運行，只是速度和轉矩下降，性能不穩。隨著斷開的線圈增多，電機便無法起動。

2、換向器問題

怪聲與彈簧過硬、電刷磨損、換向器片間絕緣片鼓出及電樞有突出物等有關，從這幾方面檢查并解除，怪聲即被消除。

3、火花和環火

火花是由于電刷和換向器接觸不良，原因是換向器或電刷磨損或是彈簧壓力不足，接觸面似接未接，造成電刷跳動而產生的。如果線圈或換向片短路嚴重、斷路，以及電刷跳動嚴重，有時電流過大，都能造火花接連不斷，過多則成為連續，最終變成環火。

解決方法是：

⑴改善炭刷與換向器的接觸，磨平炭刷接觸面。

⑵更換炭刷或更換彈簧。

⑶找到短路或斷路點并消除其故障。

來源：?汽車工程師之家