对话王健林马云哪一期:电动车电机技术专题

>> 电机是电动自行车的主要动力驱动部份，也就是电动自行车的心脏。电机好坏直接影响着电动自行车的性能。据业内专家介绍。目前国内电动自行车所用电机主要有有刷电机和无刷电机两种，有刷电机又有高速和低速之分。 

>> 有刷低速电机被电动自行车选用又名无刷无齿电机，它在电动自行车起动与爬坡时电流较大，性能较弱，目前一般极少被厂家采用。 

>> 有刷高速电机（3600转/分钟左右）目前被国内大多数电动自行车生产厂家所选用，它采用碳刷作为电机电源的两个触点，利用调速转把和控制器来控制，通过齿轮二次减速及超越离合器来达到电动自行车0-20公里/小时的无极调速。目前采用的这种有刷高速电机含金量高，电机减速齿轮强度较强，耐磨性好，设计合理，故返修率较低；而且维修更换齿轮和电机的成本较少，有效的降低了电动自行车的维修费用；并且有刷电机可以通过超越离合器和飞轮实现轻松人力骑行。 

>> 无刷电机目前被电动自行车生产厂家采用的一般都是无刷无齿电机。它的转速控制系统的造价比有刷高速电机的转速控制系统要高，控制器在使用中容易发生故障。装有无刷电机的电动自行车行驶速度必须到35公里/小时以上时，才能发挥其最佳的工作效率，但是我们知道电动自行车作为非机动车来管理，时速必须在20公里/小时以下，故无刷电机被电动自行车选用降低了工作效率，可取性不强。

从目前行业内普遍使用情况看，主要有两种电机：高效稀土永磁有刷电机与高效稀土永磁无刷电机目前市场上大多数电动自行车还停留在有刷电机阶段。有刷电机采用机械换向，对控制系统的技术要求较低，相对成本低于无刷电机，有刷电机的起动力矩略大于无刷电机。但致命的弱点是：寿命短、噪声大、效率低。它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏。同时磨损产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落下齿轮油中，使齿轮油加速干涸，电机噪声进一步增大。有刷电机使用到一年左右就需要更换内碳刷，你会发现充电一次行驶的里程不及新车买来时的三分之二，而且爬坡时动力不足，还会烧坏控制器。这是因为电机更换碳刷后，换向器也被磨出了一条凹槽，使碳刷接触面积减少，接触不良的碳刷通电后会产生火花并加快氧化换向器和铜片，导致上述不良现象。
　　　无刷电机以电子换向取代机械换向，技术上要优于有刷电机。由于无刷电机没有齿轮或减速装置，减少了电机磨损的不可靠性。它的效率在一定电流范围内比有刷电机效率高。无刷电机行驶起来几乎没有噪声，且寿命长达10年以上。据于两者比较，无刷电机要优于有刷电机。目前，已有一些电动自行车生产厂原先用有刷电机现改用了无刷电机。无刷电机肯定是今后电动自行车的发展方向。

　　消费者可从外观上来识别电机属于“有刷”还是“无刷”：首先，“无刷”电动车引线有8根，而“有刷”电动车引线为正负极有两根；其次、用手带动电机时，“无刷”电机前后转动都轻松，而“有刷”电机前转轻松，后转时比较紧

1　引　言
　　电动自行车的发展离不开其所采用的核心驱动元件——电机的发展，其实电机本身的发展自有其规律，但把电机与自行车结合起来研究将是一件十分有意义的事情。本文简述目前国内市场上电动自行车中所采用的各种直流电机的基本概况，指出其产品类型、结构、性能特点、使用场合等。

2　分　类
2.1　按电机类型分类
　　电动自行车所用直流电机按电机本身类型可分成以下几类。
2.1.1　普通永磁直流电动机
　　这类电机即为通常使用的永磁直流电动机。电机定子为铁氧体或钕铁硼永磁磁钢磁极，转子为普通直流电机转子，电机转速2000～4000r/min。这类电机需配备减速齿轮箱后才能用于电动自行车上。
2.1.2　普通无刷直流电机
　　将有刷直流电机改为无刷直流电机，所不同的是定子为多相散嵌绕组，而转子为永磁磁极。这类电机转速设计的较低，一般不需减速机构，电机转速500～1000r/min。电机装于自行车的中轴上(习惯称中置电机)。由于采用无刷电机，因此这类电机通过驱动线路控制很容易实现调速。
2.1.3　印制绕组、线绕盘式直流电机
　　采用这两种电机的主要目的是利用这类电机薄饼式结构特点，使电机整体便于在自行车上合理安放。这类电机转速较高，3000～4000r/min，电机功率较大。本类电机需要与减速齿轮机构相配才能用于电动自行车上。线绕盘式直流电机由于其绕组参数便于调整，因此设计上可使电机特性有较大的变化，能适应多种负载特性要求。
2.1.4　外转子无刷直流电机
　　这类电机轴向尺寸短，而铁心外径较大，因此结构上为扁平式，其电机结构和工作原理与普通无刷电机相类似，但该电机为外转子(定子磁钢)式无刷直流电机，电机极数较多，转速较低，在200r/min左右，无需减速齿轮，结构简单，安装在自行车后轮轴上。
2.2　按电机装在自行车上的位置分类
　　电动自行车用直流电机按其装在自行车上的位置可分成以下几类。
2.2.1　中置电机
　　装于自行车脚踏处中轴上，通过链条将动力传递到后轮上。这类电机安装时自行车脚踏处需进行较大改动，而后轮则不需做任何变动。
2.2.2　轮毂式电机
　　装于自行车后轮轴中心，电机工作时力矩直接加到后轮上，不工作时可像普通自行车那样人工骑行。

2.2.3　磨轮式电机
　　装在自行车后座上靠与后轮摩擦传递动力。这种结构为早期产品所采用，目前已很少看到这类电机。
2.2.4　旁褂式电机
　　旁褂式电机通过链传动驱动后轴，电机装在自行车侧面。

3　各类电机的特点
3.1　轮毂式印制绕组直流电机
　　轮毂式印制绕组直流电机是目前在电动自行车中采用最多的一种电机。之所以如此，是因为两方面的原因，一是这种电机结构上的特点：扁平，轴向尺寸小，便于安装。二是由于性能上的特点：运行起来性能稳定，可靠，损耗小，效率高，控制灵活。从生产角度讲，虽然该产品的技术上含量较高，但生产上并不难，其成本相对较低，只要注意控制其加工质量，把好各个生产关口，这类电机的批量生产成本会较低，效益(利润)会很大。
3.2　轮毂式无刷直流电机
　　轮毂式无刷直流电机与上类似，也有上述之特点。由于采用无刷控制技术，因而可省去减速齿轮箱，使电机结构简化。应该说，本类电机是电动自行车中结构上最简单的电机，其运行性能及控制方式也十分良好及灵活。该类电机制造成本不高，只要电机设计合理，性能优良，其组织批量生产将很容易，各工序均可形成流水线生产，这样就降低了成本。
3.3　中置式电机
　　凡将驱动电机装在自行车脚踏处的这种安装方式，其所采用的电机统称为中置式电机。这类电机是通过链轮链条传递动力至后轮。3.3.1普通无刷直流电机
　　这类电机即为通常使用的内转子式无刷直流电机，电机结构简单，已有相当成熟的加工手段，电机成本较低。由于采用无刷控制，因此电机性能优异。
3.3.2　普通永磁直流电机
　　这类电机是最普通的永磁直流电机，电机结构简单，工作稳定，可靠，生产加工成熟。定子可采用早期的铁氧体永磁材料，也可采用当今高性能稀土永磁材料钕铁硼。采用铁氧体磁钢电机性能要差一些，但电机成本低一些；而采用钕铁硼磁钢电机性能将十分好，比如转速低、效率较高、换向性能好等。

4　结　语
　　电动自行车离不开电机。电动自行车的发展也离不开电机的发展。由于电动自行车是一种家用电器产品，一方面，作为生产厂家，希望批量生产，只有批量上去了，效益才能产生。另一方面，作为使用者，要求电动自行车性能稳定、可靠，使用寿命长，维护简单，不经常出现故障，价格低。因此，要求生产厂家提高电动自行车电机的产品质量，提高性能，降低成本。可见，选择一种合适的电机作为电动自行车驱动电机就显得尤为重要。经过多年生产实践及了解到有关生产厂家的情况，认为印制绕组直流电机和外转子无刷直流电机为电动自行车首选电机。

无刷直流电动机因其无电刷和机械换向器，不需要减速装置，噪声低等优点，被广泛应用于电动自行车中，本文着重分析了无刷直流电动机的工作原理及结构、控制技术，以及在电动自行车中的应用特点。
关键词：无刷直流电动机；原理及结构；控制技术
    随着我国改革开放的深入和社会生产力的发展，人们生活节奏的加快，活动范围的不断扩大，人们希望获得一种轻便快捷、简单安全的交通工具。前几年，人们选择了燃油助动车，但由于燃油助动车采用小容量二冲程汽油发动机为动力，其废气排放浓度是一般轿车的3-5倍，其污染问题引起了社会各界和主管部门的高度重视。在上海、苏州等大中城市，于1996年便开始禁止燃油助动车上牌照。而电动自行车因为轻便、快捷，适应了现代人追求环保、效率、安全的需要，所以受到了广大消费者的普遍欢迎，得以再度兴起。1998年我国电动自行车的年产量约6万辆，1999年产量翻番，达13万辆，主要生产集中在华东地区。进入2000年以来，不少地区的销售情况也十分喜人，市场前景广阔。电动自行车并不是简单地在自行车上加上电池和电动机，而是包括电池、控制系统、传动系统、电机四大块，并且采用了很多的新技术和新材料。单从其驱动装置——电机来看就有很高的技术含量。电动自行车的电机经过十多年的发展，曾经有变频电机、开关磁阻电机、有刷直流电机、无刷电机等多种驱动方案。经过市场验证，目前较为成熟的有两大类：一类是带减速齿轮的有刷电机，有盘式结构和圆柱结构两种；另一类是不带减速齿轮的直接驱动的无刷直流电机。
1 工作原理与结构
1.1 工作原理一般所说的直流电动机是指具有换向器和电刷的直流电动机。在这种电动机中定子侧安装固定主磁极和电刷，转子侧安放电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载。然而由于电刷和换向器的存在，结果产生了一系列致命的弱点：a、结构复杂，可靠性差，故障多，需要维护，维护又困难，寿命短。b、换向火花形成电磁干扰。无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上，为去除电刷和换向器而研究开发的。由于无刷直流电动机没有电刷和换向器，它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩，就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。为实现这一点，就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。一般采用位置传感器来完成，由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去驱动功率器件，控制相应绕组电流的通、断。与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上，而电枢绕组安装在定子上。位置传感器也有相应的两部分，转动部分和电动机本体中转子同轴连接（转动部分通常由电机转子代替），固定部分与定子相连。

。如图1所示，在电动机装配过程中，首先调整好位置传感器的三个信号元件（a、b、c）与电机定子三相绕组（AX，BY，CZ）之间的相对位置，使得转子磁场转到定子某相绕组下时，该相绕组才导通，以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图1中，当电动机转子N极位于A（a）处，则传感器a元件感应出信号，使功率晶体管V1导通，A相绕组中便有电流通过，设其方向为A（流入）、X（流出），便产生水平向左的定子磁场，与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转；当N极旋转至B（b）处，b元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断，B 相绕组通过电流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至C（c）处，其动作过程与前两处相同。如此反复循环，电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位置为空间互差120°电角度，因此三相绕组轮流通电时间也因为每相120°。因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的，所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应，在电机安装时应加以注意。
1.2 结构电动自行车的电机受体积和成本限制，通常制成盘式电动机，安装在车轮的轮毂内，轮毂由辐条与车圈连接，直接带动车轮转动。由工作原理可知，无刷直流电动机除电动机本体外，还包括位置传感器和电子开关线路（即控制器）。

2 无刷直流电动机基本组成框图
电动机内部结构分定子和转子两部分。定子是由定子铁心，电枢绕组及其引出线，传感元件及其引出线，定子支架，轴等部分组成。定子电枢铁心是由硅钢片冲片叠压而成的，由于电机径向尺寸大，轴向尺寸短，定子铁心一般做成多对极多个槽数，以满足大力矩、低转速的要求。定子绕组的形式和多相的永磁同步电动机类似，它在实现能量转换过程中起着重要的作用。绕组相数多取三相，并采用Y型联接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，即为三相半控驱动方式。电机的转子为外转子形式，由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，...）组成，磁钢材料一般采用铁氧体、钕铁硼或钐钴（稀土磁钢）等。
2 控制技术
2.1 位置传感器
    由工作原理可知，位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。由于电动自行车的电机安装在轮毂内，对电机的尺寸和位置传感器体积的要求都比较高，考虑传感器的体积和性能，通常采用的传感器是磁敏式开关式传感器，目前使用最广泛的是霍尔元件集成电路。霍尔元件是根据霍尔效应制成的，即当有电流渡过和有磁场穿过霍尔元件时，元件内会产生霍尔电势，在磁场位置变化时霍尔电势会完全反映磁场的变化，这样就可起到传感位置的作用，根据转子磁极的位置来产生位置信号。为提高霍尔元件的驱动功率和工作可靠性，通常将霍尔元件与其他集成电路相结合构成一个开关型霍尔集成电路，在不增加电路封装体积的情况下，其输出信号可直接驱动功率晶体管。目前还出现了利用电机定子绕组的反电动势作为转子磁钢的位置信号，经数字电路处理，并送给逻辑开关电路去控制电机的换向，由于它省去了位置传感器，使得电机的结构更加紧凑，近年来的应用日趋广泛。
2.2 驱动控制电路
  驱动控制电路包括，位置信号处理电路，各相信号逻辑分配电路，功率放大电路，保护电路。

位置信号处理电路即为位置传感器获得的转子磁极的位置电信号。信号逻辑分配电路，是由于位置传感器所产生的信号一般不能直接用于控制功率放大电路，需经过信号逻辑分配电路处理后才能去控制逻辑开关单元。功率放大电路是驱动控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。关于保护电路，通常有下列几种，绕组中电流过流保护，总线电流保护，过压保护，欠压保护，过热保护，过速保护等；在所有无刷直流电动机驱动控制电路中，保护电路基本相同。目前，无刷直流电动机专用集成电路，已将各相信号逻辑分配电路，控制电路，以及保护电路集成在一起，使用起来更简便，体积小，可靠性更高。
3 应用特点及常见故障
3.1 应用特点
    无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动自行车，是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。（1）寿命长、免维护、可靠性高。在有刷直流电动机中，由于电机转速较高，电刷和换向器磨损较快，一般工作1000小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷方案中比较大的难题。所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。因此无刷直流电动机的优势很明显。（2）效率高、节能。一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于85%，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为76%。而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在70%左右。
3.2 常见故障
    无刷直流电动机的常见故障通常从其三个组成部分来检查。在不清楚故障部位时，首先应该检查电动机本体，其次是位置传感器，最后检查驱动控制电路。在电动机本体中，可能出现的问题是：A、电动机绕组接触不良，断线或短路。会造成电动机不转；电动机在某些位置能够起动，而在某些位置不能起动；电动机运行不平衡。B、电动机主磁极退磁，会使电动机转矩明显小，而空载转速高、电流大。在位置传感器上常见问题是霍尔元件损坏、接触不良、位置变化，都会使电动机输出转矩变小，严重时会使得电动机不动或在某一点来回振动。在驱动控制电路中最容易出现故障的是功率晶体管，即由于长期过载、过电压或短路使功率晶体管损坏。以上是对无刷电动机的常见故障进行的简单分析，在电动机实际运行时问题会是多种多样的，检查者应注意在没有确切把握情况时，不能随意通电，以免造成电动机的其他器件损坏。
4 结束语
    我国有关政府部门为解决能源和环保问题，鼓励电动自行车项目的开发和研制，为使电动车的开发和生产纳入标准化、法制化管理，1997年6月中国轻工总会发布了《电动自行车安全通用技术条件》行业标准；1999年5月国家质量技术监督局发布了《电动自行车通用技术条件》国家标准，这将为电机技术的进步和规模化生产提供了条件。同时无刷直流电动机以其优越的性能在电动自行车设计中被广泛的应用，无刷直流电动机的发展也将成为一个不可逆转的趋势。

在电动自行车行业，电机一般指电机总成，包括电机心、减速机构等。下面我们讲的电动自行车均指电机总成。

一、电机的拆卸

拆卸电机之前应首先拔开电机与控制器的引线，此时一定要记录下电机引线颜色与控制器引线颜色的一一对应关系。

打开电机端盖之前应清洁作场地，以防止杂物被吸在电机内的磁钢上。做好端盖与轮毂相对位置的标记。注意：一定要对角松动螺钉，以免电机外壳变形。

电机转子与定子的径向间隙叫气隙（空气间隙），一般电机的气隙在0.25-0.8mm之间，当拆卸完电机排除了电机故障之后，一定要对原来的端盖记号进行装配，这样可以防止二次装配后的扫膛现象。

二、电机内齿轮的润滑

如果有刷有齿轮毂电机与无刷有齿轮毂电机运行的噪音开始变大，或者更换了电机内的齿轮，应将齿轮所有齿面涂满润滑脂，一般使用3号润滑脂或厂家指定的润滑油。

三、电机的组装

在组装有刷电机之前，请检查刷握里面弹簧的弹性，检查炭刷与刷握是否有碰擦，检查炭刷在刷握里是否能达到最大行程，注意炭刷与换相器的正确定位，以免卡坏炭刷或刷握。

安装电机的时候，首先应清理电机部件表面的杂质，以免影响电机的正常运转，并且一定要将轮毂体固定结实，以免安装时由于受磁钢的强力吸引，造成部件相互撞击、损坏。