电动车电机基础知识

电机的命名
　　电动车根据其使用环境与使用频率的不同，所装配的电机形式也不同。不同形式的电机其特点也不一样。国标关于电动车用电机的命名标准如下：
　　派生代号，用大写汉语拼音字母表示
　　性能参数代号，用二位阿拉伯数字表示
　　产品名称代号，用大写汉语拼音字母表示机座号，以机壳外径（mm）表示
　　产品名称代号
　　SYT：铁氧体永磁式直流伺服电动机
　　SYX：稀土永磁式直流伺服电动机
　　SXPT：铁氧体永磁式线绕盘式直流电动机
　　SXPX：稀土永磁式线绕盘式直流电动机
　　SWT：铁氧体永磁式无刷直流伺服电动机
　　SWX：稀土永磁式无刷直流伺服电动机
　　SN：印制绕组直流伺服电动机
　　SR：开关磁阻电动机
　　YX：三相异步电动机
　　电机的分类
　　目前电动车上使用的电机普遍采用永磁直流电机。所谓永磁电机，是指电机线圈采用永磁体激磁，不采用线圈激磁的方式。这样就省去了激磁线圈工作时消耗的电能，提高了电机机电转换效率，这对使用车载有限能源的电动车来讲，可以降低行驶电流，延长续行里程。后面我们讲的各种电动车用电机均指永磁电机。
　　电动车用电机按照电机的通电形式来分，可分为有刷电机和无刷电机两大类；按照电机总成的机械结构来分，一般分为“有齿”（电机转速高，需要经过齿轮减速）和“无齿”（电机扭矩输出不经过任何减速）两大类。
对无刷电机而言，根据电机是否具有位置传感器，又分为有位置传感器无刷电机和无位置传感器无刷电机。
对于无位置传感器的无刷电机，必须要先将车用脚蹬起来，等电机具有一定的旋转速度以后，控制器才能识别到无刷电机的相位，然后控制器才能对电机供电。由于无位置传感器无刷电机不能实现零速度启动，所以在2000年以后生产的电动车上用得较少。目前电动车行业内使用的无刷电机，普遍采用有位置传感器无刷电机。
　 电动自行车用无刷电机的磁钢数量比较多，线圈一般有3组，每组线圈都有相应的霍尔元件(3相线圈有3个霍尔元件)，这样电机旋转时就更平稳，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3路与下3路功率管的导通与截止。
　　有刷电机、无刷电机的比较
　　可以这样来理解有刷电机与无刷电机的通电原理上的区别：有刷电机是由碳刷与换向器进行机械换向，无刷电机是靠霍尔元件感应信号由控制器完成电子换向。
　　电机的机械结构
　　有刷电机和无刷电机的通电原理不一样，其内部结构也不一样。对轮毂式电机而言，电机力矩的输出方式（是否经过齿轮减速机构减速）不一样，其机械结构也不一样。
　　1、常见高速有刷电机的内部机械结构：这种轮毂式电机由内置高速有刷电机心、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机属于内转子电机。
2、常见低速有刷电机的内部机械结构：这种轮毂式电机由炭刷、换相器、电机转子、电机定子、电机轴、电机端盖、轴承等部件组成。低速有刷无齿轮毂式电机属于外转子电机。
　　3、常见高速无刷电机的内部机械结构：这种轮毂式电机由内置高速无刷电机心、行星摩擦滚子、超载离合器、输出法兰、端盖、轮毂外壳等部件组成。高速无刷有齿轮毂电机属于内转子电机。
　　4、常见低速无刷电机的内部机械结构：这种轮毂式电机由电机转子、电机定子、电机轴、电机端盖、轴承等部件组成。低速无刷无齿轮毂式电机属于外转子电机。
　　电机的接线方法
　　由于换向方式不一样，有刷电机和无刷电机不但内部结构不一样，而且在接线方式上的区别也非常大。
　　1、有刷电机的接线方法。有刷电机一般有正负两根引线。一般红线是电机正极，黑线是电机负极。如果将正负极交换接线，只是会使电机反转，一般不会损坏电机。
　　2、无刷电机相角的判断。无刷电机的相角是无刷电机的相位代数角的简称，指无刷电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。电动车用无刷电机常见的相位代数角有120°与60°两种。
　　观察霍尔元件安装空间位置判断无刷电机的相角， 120°和60°两种相角电机的霍尔元件安装空间位置不一样。
　　测量霍尔信号判断无刷电机的相角
需要先说明一下的是什么叫无刷电机的磁拉力角。无刷电机的磁钢数量一般是12片、16片或18片,其对应的定子槽数是36槽、48槽或54槽。电机在静止状态时，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置恰好为定子槽凸极的位置。磁钢不会停在定子槽心的位置，这样转子与定子的相对位置只有36种、48种或54种这有限的几个位置。因此无刷电机的最小磁拉力角就是360/36°、360/48°或360/54°。
无刷电机的霍尔元件有5根引线，分别是霍尔元件的公共电源正极、公共电源负极、A相霍尔输出、B相霍尔输出和C相霍尔输出。我们可以利用无刷控制器（60°或120°）的5根霍尔引线，将无刷电机霍尔元件引线的正负电源接好，将其余A、B、C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机的相角了。   
方法如下：用万用表的20V直流电压档，并将黑表笔接地线，红表笔分别测量三个引线的电压情况，记录下3根引线的高低电压。轻微转动电机，让电机转过一个最小磁拉力角度，再次测量并记录下3根引线的高低电压，如此测量记录6次。我们用1表示高电位，用0表示低电位，那么如果是60°无刷电机，连续转动6个最小磁拉力角度，则测量出的霍尔电压信号应该是：100、110、111、011、001、000。调整三个霍耳元件引线的引脚顺序，让电压的信号严格按照上面的真值顺序变化，这样对于60°无刷电机的A、B、C三个相位就判断出来了。
　　如果是120°无刷电机，连续转动6个最小磁拉力角度，测量出的霍尔电压信号应该是按照100、110、010、011、001、101的规律变化，这样霍尔元件引线的通电相序就判断出来了。
　　3、无刷电机的接线方法。无刷电机的线圈引线有3根，霍尔引线有5根，这8根引线必须和控制器相应引线一一对应，否则电机不能正常转动。
　　一般讲来，60°和120°相角的无刷电机，需要由与之相对应的60°和120°相角的无刷电机控制器来驱动，两种相角的控制器不能直接互换。60°相角的无刷电机与60°相角控制器相连的8根线的正确接线有两种，一种正转，一种反转。
　　因为对于120°相角的无刷电机，通过调整线圈引线的相序和霍耳引线的相序，电机与控制器相连的8根线的正确接线可以有6种，其中3种接法电机正转，另外3种接法电机反转。
　　如果无刷电机反转，表明无刷控制器与无刷电机的相角是匹配的，我们可以这样来调整电机的转向：将无刷电机与无刷控制器的霍尔引线的A、C交换接线；同时将无刷电机与无刷控制器的主相线A、B交换接线。


无刷电动机机霍尔相线电压的测量
将电动机与控制器连接好并接通电源。选用数字式万用表的2 0 V直流电压档并确认霍尔电源电压为5 V(控制器不同霍尔电源电压有4.5 V或6.2 5 V的不同情况)。将万用表黑表笔接霍尔接地线，红表笔接霍尔相线蓝色线(黄色或绿色线)，用手慢慢转动后轮，万用表即显示0 V或5 V为正常（实际测量时该电压有时偏低)。若长期处于高电位5 V或长期处于低电位0V，则表明与蓝色线相连的霍尔元件损坏或霍尔引线异常，其他相线电压的测量与此相同。


输入控制器的信号
1、闸把开关信号
用来切断电动机旋转的驱动信号，即制动信号。电动自行车闸把上装有位置传感器，该传感器有机械式和霍尔感应式两种。其工作原理是：当电动自行车需要制动时，握下闸把，位置传感器将制动信号传递给控制器，控制器接到制动指令后，立即停止对电动机供电。
    机械式传感器有2根引线，闸把开关有常开或常闭式，市场上常闭式采用的不多，常开式运用广泛。霍尔感应式传感器有3根引线，即信号线(黄)、电源线(红)和接地线(黑)。霍尔式传感器，有常低和常高电压之分，市场上常低电压采用不多，常高电压运用广泛。需要注意的是，机械式闸把防水性差，易损坏触点，可靠性差，相对价格便宜，而霍尔感应式闸把防水性好，故障率低，相对价格较高。
     2、调速信号是电动机的驱动信号。调速转把安装在右手把位置，转动调速转把可控制车速。其控制器方式有接触式(开关式)和非接触式(传感器式)两种。调速转把引线有3根，电源线(+5 V红线)、信号线(绿线)和接地线(黄线)。接触式一般是电阻型，因其故障率较高，已经被淘汰。目前在电动自行车上广泛使用的是霍尔调速转把。
      霍尔调速转把有正把(1 V-4．2 V)和反把(4．2 V-1 V)，但正、反调速转把可以相互转换。方法是：拆开调速转把，改变调速转 把内磁钢工作面位置就可改变调速转把的输出电压。若为双磁钢，可分别将两磁钢都转180°，若为单磁钢，只需将磁钢反转180°即可。


如何更换无刷电动机霍尔元件
1、先确定霍尔元件已经损坏，为保证电动机换相准确，应将三个霍尔元件同时更换。
2、用金属工具拨开霍尔引脚上的护套并将霍尔元件在凹槽拨出。用电烙铁将霍尔元件的引脚与连接线焊开后取出旧的霍尔元件。
    3、用电烙铁将新霍尔元件引脚上挂上锡，可方便焊接。但电烙铁与霍尔引脚的时间不能超过35秒钟，以免损坏霍尔元件。
4、将霍尔元件凹槽清理干净后，将混合好的AB胶涂在新霍尔元件的周边并将霍尔元件推到凹槽底部待AB胶凝固后才可放手。应在霍尔引脚下面垫上绝缘纸，避免引脚与绕组线接触。
5、霍尔元件的三个引脚与引线的连接。把霍尔元件有字面朝上，中间的引脚为地线、右侧引脚为电源端、左侧引脚为信号线。


无刷电动机空载电流过大的原因
     无刷电动机空载电流过大，会导致电动机行驶无力、发热，甚至造成电动机不同程度的损坏。无刷电动机空载电流过大的原因和排除如下：
    1、电动机轴承缺油或损坏，应对轴承加以润滑或予以更换。
    2、电动机绕组局部短路，应修理或更换。
    3、电动机绝缘电阻过小，应分解电动机，烘烤绕组即可。
4、电动机轴与轴承的配合间隙过小，应研磨轴颈。
5、电动机磁钢脱落或严重失磁，应予以粘接或更换电动机。
6、负载过大，应减轻载重。


无刷电动机有异常响声
无刷电动机由于省去了电刷和换向器等部件，故电动机正常工作时，无刷电动机的噪声很小或无噪声。若无刷电动机有异常声响，则表明无刷电动机存，在故障隐患，应予以检修。引起无刷电动机有异常声响的原因有以下几点：
    1、控制器损坏或控制器输入信号极性相反，导致电动机运行时发出有节律的“咯啦"声，并伴随有振动现象。
    2、电动机轴承因损坏而发出“哗啦”的噪声。
    3、电动机磁钢失磁或移位。
    4、电动机转子扫膛时，定子和转子相碰而发出有节奏的响声。


    有刷电动机空载电流过大的故障原因
1、电动机内部机械阻力较大，如轴承缺油或损坏，导致电动机转动受阻。
2、电动机磁钢脱落或退磁。
3、有刷电动机的换向片上积炭较为严重，导致局部换向片短路。
4、电动机绕组局部短路。
5、电动机的正、负极引线间有短路现象。


怎样用简单的方法判断无刷电动机绕组的故障
将电动机3根较粗的主相线-短接在一起，不需打开电源，转动后轮进行一下测试：若转动后轮很费力或转不动，表明电动机绕组完好。若转动后轮较为轻松，则表明电动机绕组断路短路或接触不良。若电动机在某位置可转动，而在另一位置不能转动，则表明电动车运转不平衡，故障可能是绕组接触不良、短路或断路等。