小議電動自行車電機(jī)的工作原理與障礙分析

于泊

摘要：本文以生活中常見的交通工具——電動自行車為研究對象，結(jié)合高中知識和一部分專業(yè)知識進(jìn)行分析。希望能有助于我們從理論上解釋一些新興機(jī)械，更有助于我們感受物理學(xué)知識的邏輯美與應(yīng)用美。

關(guān)鍵詞：電機(jī)；安培力；電刷；電氣故障

中圖分類號：G632.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1992-7711（2016）08-0128

作為一名高中生，筆者喜歡在課外觀察那些運(yùn)用物理學(xué)方面知識的機(jī)械，并嘗試運(yùn)用已學(xué)會的高中物理知識對其解釋。如本文就是圍繞電動自行車的電機(jī)的原理及故障分析試用高中知識進(jìn)行討論，電動自行車這種生活中常見的新興交通工具，盡管原理相比較其他機(jī)械不是很難，但當(dāng)利用知識自己完成分析與討論后，筆者仍感受到莫大的滿足，并更加激發(fā)了筆者對運(yùn)用物理學(xué)解決生活中問題的興趣與熱情。

電動自行車是具有電力驅(qū)動、腳踏驅(qū)動、電力和腳踏并用等功效的綠色環(huán)保交通工具。電動自行車的原理和結(jié)構(gòu)都不復(fù)雜，可以認(rèn)為是在自行車的基礎(chǔ)上加一套電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。蓄電池經(jīng)過一個控制器給一個電機(jī)送電，電機(jī)放在后車輪中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動自行車的行進(jìn)。作為主要動力系統(tǒng)，電機(jī)無疑是電動自行車整體中最為關(guān)鍵的部分。

對于電機(jī)，其主要任務(wù)為將蓄電池供給的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)使車輪前進(jìn)的機(jī)械能。常見電機(jī)一般為永磁直流電動機(jī)。為達(dá)到10N.m以上的運(yùn)行力矩，電動機(jī)的功率應(yīng)在100～200w范圍內(nèi)，工作電壓為24V或36V，該電機(jī)要求起動力矩大，效率高，重量輕，并有一定的過載能力。驅(qū)使車輪方式有兩種，一種為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)通過鏈傳動或直接摩擦帶動車輪，另一種為外轉(zhuǎn)子直流電機(jī)通過行星齒輪減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動輪轂轉(zhuǎn)動，（這種電動機(jī)也叫輪轂式電動機(jī)）這種方式具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)高中知識可得，通電導(dǎo)線在磁場中會受到安培力，安培力力大小與電流同磁場間夾角有關(guān)。當(dāng)磁場方向與電流方向平行，根據(jù)F=BILsin（L，B）知，安培力為零。假設(shè)一個無法及時改變電流方向的電機(jī)，除去摩擦等耗能因素，因?yàn)槟芰康氖睾?，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子將只會半圈半圈的來回翻轉(zhuǎn)，無法提供有效的持久動力。而有刷電機(jī)和無刷電機(jī)都巧妙地解決了這一問題。

當(dāng)有刷電機(jī)工作時線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動的換相器和電刷來完成的。有刷電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子受到方向不變的安培力，從而使電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)以帶動負(fù)載。有刷電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分以上，經(jīng)減速器和超越離合器及外殼一起組成電動輪轂總成，其轉(zhuǎn)速為170-180轉(zhuǎn)/分，適應(yīng)了自行車以20km/h左右的速度行駛。該結(jié)構(gòu)的可靠性高，成本較低，騎行較舒適，但也存在以下缺點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)的電刷和換向器有機(jī)械磨損和噪聲、火花等，（2）系統(tǒng)的先進(jìn)性和檔次不夠高。

用于電動自行車的無刷電動輪轂，實(shí)際上由兩部分組成。一是直接外轉(zhuǎn)子式的無刷電機(jī)系統(tǒng)，二是可以實(shí)現(xiàn)電子換向的專用控制系統(tǒng)，無刷電機(jī)依據(jù)于現(xiàn)代IC技術(shù)和功率電子器件的發(fā)展而逐漸成熟。簡單而言，依靠改變輸入到無刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成一個繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動，電機(jī)就轉(zhuǎn)起來了，電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系，因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟婋娏餍枰娮诱{(diào)速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以保證其正常穩(wěn)定的運(yùn)行。該技術(shù)較為先進(jìn)，在磨損和噪音等問題上有極大的改善。并因此提高了壽命。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障時，一般可從機(jī)械故障與電氣故障兩方面討論。對于機(jī)械故障可能原因有常見幾種：

1. 由于電機(jī)本身密封不良，加之環(huán)境跑冒滴漏，使電機(jī)內(nèi)部進(jìn)水或進(jìn)入其它帶有腐蝕性液體或氣體導(dǎo)致問題出現(xiàn)。

2. 由于軸承損壞，軸彎曲等原因致使定、轉(zhuǎn)子磨擦（俗稱掃膛）引起鐵心溫度急劇上升，燒毀槽絕緣、匝間絕緣，從面造成繞組匝間短路或?qū)Φ亍胺排凇?。?yán)重時會使定子鐵心倒槽、錯位、轉(zhuǎn)軸磨損、端蓋報廢等。

3. 由于長時間過載或過熱運(yùn)行，繞組絕緣老化加速，絕緣最薄弱點(diǎn)碳化引起匝間短路等問題。

4. 電機(jī)繞組絕緣受機(jī)械振動（如啟動時大電流沖擊，所拖動設(shè)備振動等）作用，使繞組出現(xiàn)匝間松馳、絕緣裂紋等不良現(xiàn)象，破壞效應(yīng)不斷積累，最終導(dǎo)致最先碳化的絕緣破壞直至出現(xiàn)燒毀繞組現(xiàn)象。

而對于電氣故障，則需通過測量其電壓或電流進(jìn)行分析判斷了。比如以下為電機(jī)的幾種常見類型：

（1）電機(jī)空載電流大，其原因一般為電機(jī)內(nèi)部機(jī)械摩擦大，線圈局部短路，磁鋼退磁。檢驗(yàn)方法為：打開電源，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把，使電機(jī)高速空載轉(zhuǎn)動10s以上。等電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定以后，測量此時電機(jī)的空載最高轉(zhuǎn)速N1。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，行駛200m距離以上，開始測量電機(jī)的負(fù)載最高轉(zhuǎn)速N2。空載/負(fù)載轉(zhuǎn)比=N2÷N1。當(dāng)電機(jī)的空載/負(fù)載轉(zhuǎn)速比大于1.5時，說明電機(jī)的磁鋼退磁已經(jīng)相當(dāng)厲害了，應(yīng)該更換電機(jī)里面整套的磁鋼。

（2）電機(jī)發(fā)熱，其原因一般為電流大引起，通過高中知識可知，設(shè)電機(jī)電流為I，電機(jī)的輸入電動勢為E1，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的反電動勢為E2，則與電機(jī)線圈電阻R之間的關(guān)系是：I=（E1-E2）÷R。R或E2變小都會引起電流變大，R變小一般是線圈短路或開路引起的，E2減少一般是磁鋼退磁引起的。

（3）電機(jī)乏力，其原因較復(fù)雜，若排除以上提到的電機(jī)本身故障，則該問題一般與電池容量，未充滿電等其他因素有關(guān)。

以上是筆者對電動自行車電機(jī)原理從機(jī)械到電氣知識的膚淺的了解和認(rèn)識，是筆者將高中物理知識與現(xiàn)實(shí)生活相結(jié)合的開始，這也是筆者高中學(xué)習(xí)興趣所在和未來事業(yè)的發(fā)展方向。隨著知識和閱歷的豐富，筆者會不斷地探索、進(jìn)取和提高。

（作者單位：河北省孟村回民中學(xué) 061400）