電動腳踏車用電動機知識

電刷有什麼用

電動腳踏車用電動機的作用就是將蓄電池的電能轉換為機械能，以便驅動電動腳踏車車輪旋轉。電動腳踏車採用的電動機分為有刷直流電動機和無刷直流電動機兩大類。常見的電動腳踏車用電動機的實物外形如下圖所示。

提示：有刷直流電動機對外只有兩條引線，無刷直流電動機對外有8條引線。

1．有刷直流電動機

（1）有刷直流電動機的識別

有刷直流電動機就是採用了電刷（俗稱碳刷）的直流電動機。有刷直流電動機靠換向器（俗稱整流子）和電刷配合來改變電流極性，自動完成換向（相），換向器和電刷裝在電動機內部。有刷直流電動機又分為高速型和低速型兩種。

有刷直流電動機的優點是驅動電路簡單、過載能力強、容易控制，而它的主要缺點是成本較高、故障率高、維修難度大。

有刷直流電動機故障率高的主要原因：

一是電刷因磨損容易發生打火等故障；

二是磁鋼散熱條件差，容易退磁。

電刷磨損不僅與時間有關，而且與電流大小以及電刷含銀量有關，大部分電刷的使用壽命為2000h 左右。

注意：

電刷的含銀量實際是指含銀量或含銅量高低。由於銀的價格較高，所以目前的含銀量多是指含銅量。若顏色發紅則含銅量高，若顏色發黑則含銅量低。含銅量高的電刷損耗小、發熱量低、抗磨性好，但對換向器損害大；含銅量低的電刷電流大時發熱嚴重，自身抗磨能力差，但是對換向器損害小。

方法與技巧：將不同電刷對頭串聯，接到放電電路，摸溫度、測壓降就可以知道含銅量的高低。若溫度低、壓降小則說明含銅量高，否則含銅量低。

（2）有刷直流電動機的工作原理

下圖所示為有刷直流電動機的工作原理示意圖。

有刷直流電動機的定子上安裝了永久磁鐵（磁鋼），由它構成主磁極N和S，在轉子上安裝了定子鐵芯和繞組，繞組的兩端接換向器的銅片，再透過銅片與電刷相接。由於控制器輸出的驅動電壓加到電刷正、負極上，所以當換向器的條狀銅片交替與電刷的正、負極接觸時，繞組就能透過換向器得到交替變化的導通電流，使繞組產生不同方向的電動勢，從而產生交變磁場，吸引轉子旋轉。電動機繞組兩端的電壓越高，磁場強度越大，轉子轉動的轉矩也越大，電動機的轉速也就越快。因此，透過調整繞組兩端所加電壓大小就可實現電動機轉速的調整，而改變繞組的供電方向可改變電動機的旋轉方向。

2．無刷直流電動機

（1）無刷直流電動機的特點

無刷直流電動機就是未採用電刷的電動機。為了實現換向，無刷直流電動機採用了三極體和位置感測器（霍爾元件）代替電刷和換向器。由於此類電動機取消了電刷和換向器，所以不僅消除了電磁干擾、降低了機械噪聲，而且延長了使用壽命。但此類電動機的控制器（電動機驅動、控制電路）比較複雜，成本增加，並且低速啟動時輕微抖動。

（2）無刷直流電動機的工作原理

無刷直流電動機的執行原理與專用電動機的執行原理相似，都是透過給兩相繞組通電使它產生一定的磁場。磁通具有走最短路徑的特點，從而使轉子和定子的相對位置發生了變化。當按照一定的順序為不同的兩相繞組供電時，可使電動機內部的磁場旋轉起來，從而使電動機轉動。電動機通電順序不同，電動機轉動的方向也就不同。如下圖所示，無刷直流電動機由電動機主體、位置感測器及電子換向開關電路3 個基本部分組成。其中位置感測器的定子和電子換向開關電路相當於一個靜止的換向器，與位置感測器旋轉著的“電刷”一起組成一個沒有機械接觸的電子換向裝置。

定子繞組分別與相應的電子換向開關電路連線。為了保持定子繞組電流與磁場極性相對關係不變，設有檢測轉子位置的感測器，使定子繞組能隨轉子位置變化依次通電。位置感測器是一種無機械接觸的檢測轉子位置的裝置，由感測器定子和感測器轉子構成，它們分別裝在定子機殼內和轉子軸上。由位置感測器提供的訊號透過控制器內的解碼器處理，再透過放大器放大後就可按一定順序觸發電子換向開關電路。

目前，無刷直流電動機常用的感測器定子為霍爾感測器，感測器的轉子為永磁體。電子換向開關電路中各功率器件分別與相應的各相定子繞組串聯，各功率器件的導通與截止取決於位置感測器的檢測訊號。繞組電路可以是一相一相依次導通，也可以是兩相兩相依次導通。電動機繞組兩端電壓越高，磁場強度越大，轉子轉動的轉矩也越大，電動機的轉速也就越快，反之轉速越慢。因此，透過調整繞組兩端所加電壓的大小就可實現電動機轉速的調整。

當主轉子N極在定子Y位置時，垂直換向感測器將產生X方向上的電動勢，此訊號使電子開關導通，與此串聯的定子X繞組中將有電流流過，並使定子X極磁化為S極，以吸引轉子旋轉90°，N極到達定子X位置，此時垂直換向感測器輸出為0，水平換向感測器將產生Y方向電動勢，並使定子Y極磁化為S極，以吸引轉子繼續旋轉90°。因此，對於不同的主轉子位置，換向感測器依次輸出不同的訊號，使主定子繞組按 X→Y→Z→X→Y 的迴圈順序輪流通電，形成旋轉磁場，吸引轉子旋轉。