小議電動自行車電機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，結合高中知識和一部分專業知識進行分析。希望能有助于我們從理論上解釋一些新興機械，更有助于我們感受物理學知識的邏輯美與應用美。

關鍵詞：電機；安培力；電刷；電氣故障

中圖分類號：G632.0 文獻標識碼：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用物理學方面知識的機械，并嘗試運用已學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的原理及故障分析試用高中知識進行討論，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械不是很難，但當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，并更加激發了筆者對運用物理學解決生活中問題的興趣與熱情。

電動自行車是具有電力驅動、腳踏驅動、電力和腳踏并用等功效的綠色環保交通工具。電動自行車的原理和結構都不復雜，可以認為是在自行車的基礎上加一套電機驅動機構組成。蓄電池經過一個控制器給一個電機送電，電機放在后車輪中，電機的旋轉帶動自行車的行進。作為主要動力系統，電機無疑是電動自行車整體中最為關鍵的部分。

對于電機，其主要任務為將蓄電池供給的電能轉化為驅使車輪前進的機械能。常見電機一般為永磁直流電動機。為達到10N.m以上的運行力矩，電動機的功率應在100～200w范圍內，工作電壓為24V或36V，該電機要求起動力矩大，效率高，重量輕，并有一定的過載能力。驅使車輪方式有兩種，一種為內轉子電機通過鏈傳動或直接摩擦帶動車輪，另一種為外轉子直流電機通過行星齒輪減速機構直接驅動輪轂轉動，（這種電動機也叫輪轂式電動機）這種方式具有效率高、結構緊湊、節省空間的優點。

根據高中知識可得，通電導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。當磁場方向與電流方向平行，根據F=BILsin（L，B）知，安培力為零。假設一個無法及時改變電流方向的電機，除去摩擦等耗能因素，因為能量的守恒，該電機的轉子將只會半圈半圈的來回翻轉，無法提供有效的持久動力。而有刷電機和無刷電機都巧妙地解決了這一問題。

當有刷電機工作時線圈和換向器旋轉，磁鋼和碳刷不轉，線圈電流方向的交替變化是隨電機轉動的換相器和電刷來完成的。有刷電機由定子和轉子兩大部分組成，定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉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入電樞繞組，產生電樞電流，電樞電流產生的磁場與主磁場相互作用產生電磁轉矩，使轉子受到方向不變的安培力，從而使電機持續旋轉以帶動負載。有刷電機的輸出轉速為3000轉/分以上，經減速器和超越離合器及外殼一起組成電動輪轂總成，其轉速為170-180轉/分，適應了自行車以20km/h左右的速度行駛。該結構的可靠性高，成本較低，騎行較舒適，但也存在以下缺點：（1）傳統的電刷和換向器有機械磨損和噪聲、火花等，（2）系統的先進性和檔次不夠高。

用于電動自行車的無刷電動輪轂，實際上由兩部分組成。一是直接外轉子式的無刷電機系統，二是可以實現電子換向的專用控制系統，無刷電機依據于現代IC技術和功率電子器件的發展而逐漸成熟。簡單而言，依靠改變輸入到無刷電機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幾何軸心旋轉的磁場，這個磁場驅動轉子上的永磁磁鋼轉動，電機就轉起來了，電機的性能和磁鋼數量、磁鋼磁通強度、電機輸入電壓大小等因素有關，更與無刷電機的控制性能有很大關系，因為輸入的是直流電電流需要電子調速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機那里接收控制信號，控制電機的轉速，以保證其正常穩定的運行。該技術較為先進，在磨損和噪音等問題上有極大的改善。并因此提高了壽命。

當電機運行出現故障時，一般可從機械故障與電氣故障兩方面討論。對于機械故障可能原因有常見幾種：

1. 由于電機本身密封不良，加之環境跑冒滴漏，使電機內部進水或進入其它帶有腐蝕性液體或氣體導致問題出現。

2. 由于軸承損壞，軸彎曲等原因致使定、轉子磨擦（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對地“放炮”。嚴重時會使定子鐵心倒槽、錯位、轉軸磨損、端蓋報廢等。

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

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

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

（1）電機空載電流大，其原因一般為電機內部機械摩擦大，線圈局部短路，磁鋼退磁。檢驗方法為：打開電源，轉動轉把，使電機高速空載轉動10s以上。等電機轉速穩定以后，測量此時電機的空載最高轉速N1。在標準測試條件下，行駛200m距離以上，開始測量電機的負載最高轉速N2。空載/負載轉比=N2÷N1。當電機的空載/負載轉速比大于1.5時，說明電機的磁鋼退磁已經相當厲害了，應該更換電機里面整套的磁鋼。

（2）電機發熱，其原因一般為電流大引起，通過高中知識可知，設電機電流為I，電機的輸入電動勢為E1，電機旋轉的反電動勢為E2，則與電機線圈電阻R之間的關系是：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）電機乏力，其原因較復雜，若排除以上提到的電機本身故障，則該問題一般與電池容量，未充滿電等其他因素有關。

以上是筆者對電動自行車電機原理從機械到電氣知識的膚淺的了解和認識，是筆者將高中物理知識與現實生活相結合的開始，這也是筆者高中學習興趣所在和未來事業的發展方向。隨著知識和閱歷的豐富，筆者會不斷地探索、進取和提高。

（作者單位：河北省孟村回民中學 061400）