【最小的电机】一文看懂电机所有大学问，从原理、分类到应用

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电动车电机根据使用环境和使用频率的不同，形态也不同。

电动车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。电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。

组成结构

1.永磁式直流电机：

由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成。

定子磁极采用永磁体(永久磁钢)，有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。

转子一般采用硅钢片叠压而成，漆包线绕在转子铁心的两槽之间(三槽即有三个绕组)，其各接头分别焊在换向器的金属片上。

电刷是连接电源与转子绕组的导电部件，具备导电与耐磨两种性能。永磁电机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。

2.无刷直流电机：

由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。无刷直流电机的特点是无刷，采用半导体开关器件(如霍尔元件)来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点。

位置传感器按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)

3.高速永磁无刷电机：

由定子铁心、磁钢转子、太阳轮、减速离合器、轮毂外壳等组成。

电机盖子上面可以装上霍尔传感器，用以测速。

位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件(例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等)装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。电动汽车多用的是霍尔元件。

采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等)，当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位置而变化)。

定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

设备分类

用于电动汽车的驱动电机与常规的工业电机不同。电动汽车的驱动电机通常要求频繁的启动/停车、加速/减速，低速或爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大。而工业电机通常优化在额定的工作点。因此，电动汽车驱动电机比较独特，应单独归为一类。

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。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。旋转180°，线圈不动，霍耳元件感应到S极磁场，此时P1与R2截止，P2与R1导通，可以看到电流i’从电池正极经过R1、线圈、P2流到电池负极。通电线圈中的A点的电流i’方向是指向接线头的方向(矢量方向与i’矢量方向相反)，磁钢受到线圈的反作用力，一样产生向逆时针方向的旋转力矩。电动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耳元件(3相线圈有3个霍耳元件)，这样电机旋转时就更平稳，效率更高。当磁钢旋转时，霍耳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

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，无刷电机是靠霍耳元件感应信号由控制器完成电子换向。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。这种轮毂式电机由碳刷、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。

主要特性

无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动车，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。

工作原理

电动机(Motors)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机(电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速)。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向)方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

基本介绍

电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。在定子绕组旋转磁场的作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。这些机器中有些类型可作电动机用，也可作发电机用。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机;也有作直线运动的，称为直线电动机。

基本结构

一、三相异步电动机的结构，由定子、转子和其它附件组成。

(一)定子(静止部分)

1、定子铁心

作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。

构造：定子铁心一般由0.35～0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

定子铁心槽型有以下几种：

半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。

半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。

2、定子绕组

作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。

构造：由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：(保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘)。

(1)对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

(2)相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。

(3)匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。

电动机接线盒内的接线：

电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1(U1)、2(V1)、3(W1)，下排三个接线桩自左至右排列的编号为6(W2)、4(U2)、5(V2)，.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。

3、机座

作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。

构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。

(二)转子(旋转部分)

1、三相异步电动机的转子铁心：

作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。

构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机(转子直径在300～400毫米以上)的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

2、三相异步电动机的转子绕组

作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。

(1)鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。

(2)绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。

(三)相异步电动机的其它附件

1、端盖：支撑作用。

2、轴承：连接转动部分与不动部分。

3、轴承端盖：保护轴承。

4、风扇：冷却电动机。

二、直流电动机采用八角形全叠片结构，不仅空间利用率高，而且当采用静止整流器供电时，能承受脉动电流和快速的负载电流变化。

直流电动机一般不带串励绕组，适用于需要正、反转的自动控制技术中。根据用户需要也可以制成带串励绕组。中心高100～280mm的电动机无补偿绕组，但中心高250mm、280mm的电动机根据具体情况和需要可以制成带补偿绕组，中心高315～450mm的电动机带有补偿绕组。中心高500～710mm的电动机外形安装尺寸及技术要求均符合IEC国际标准，电机的机械尺寸公差符合ISO国际标准。

直流电动机的工作原理：

在图中，线圈连着换向片，换向片固定于转轴上，随电机轴一起旋转，换向片之间及换向片与转轴之间均互相绝缘，它们构成的整体称为换向器。电刷A、B在空间上固定不动。

在电机的两电刷端加上直流电压，由于电刷和换向器的作用将电能引入电枢线圈中，并保证了同一个极下线圈边中的电流始终是一个方向，继而保证了该极下线圈边所受的电磁力方向不变，保证了电动机能连续地旋转，以实现将电能转换成机械能以拖动生产机械，这就是直流电动机的工作原理。注意：每个线圈边中的电流方向是交变的。

2、直流发电机的工作原理：

如图，当用原动机拖动电枢逆时针方向旋转，线圈边将切割磁力线感应出电势，电势方向可据右手定则确定。由于电枢连续旋转，线圈边ab、cd将交替地切割N极、S极下的磁力线，每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的，线圈内的感应电动势是交变电动势，但由于电刷和换向器的作用，使流过负载的电流是单方向的直流电流，这一直流电流一般是脉动的。

操作方法

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先清洁操作场地，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：一定要按对角顺序松动螺钉，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，一定要按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，检查碳刷与刷握是否有碰擦，检查碳刷在刷握里是否能达到最大行程，注意碳刷与换相器的正确定位，以免卡坏碳刷或刷握。

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。检测36V正常，控制器输出5V、12V正常，电动机电阻正常。把电动机直接连接到36V电池上，电动机运转正常。

四、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。

观察霍耳元件安装空间位置判断无刷电机的相角， 120°和60°两种相角电机的霍耳元件安装空间位置不一样。

测量霍耳真值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°。

无刷电机的霍耳元件有5根引线，分别是霍耳元件的公共电源正极、公共电源负极、A相霍耳输出、B相霍耳输出和C相霍耳输出。我们可以利用无刷控制器(60°或120°)的5根霍耳引线，将无刷电机霍耳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，任意接在控制器霍耳信号引线的引线上。接通控制器电源，由控制器给霍耳元件供电，就可以检测到无刷电机的相角了。方法如下：用万用表的+20V直流电压挡，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，则测量出的霍耳真值信号应该是：100、110、111、011、001、000。调整三个霍耳元件引线的引脚顺序，让真值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，测量出的霍耳真值信号应该是按照100、110、010、011、001、101的规律变化，这样霍耳元件引线的通电相序就判断出来了。

如果想快速测出无刷电机是60°还是120°，用万用表的+20V直流电压挡，并将黑表笔接地线，红表笔分别测量三个引线的电压，出现三根线都有电压或都无电压时就确定是60°电机，否则就是120°

3、无刷电机的接线方法。无刷电机的线圈引线有3根，霍耳引线有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耳引线的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。

电动自行车大体可分三种。

1，直流轮毂电机，即有刷电机，两根引出线，外接PWM控制器。

2，交流轮毂电机，有带霍尔和不带霍尔传感的，三根引线以上，外接变频控制器。

3，直流无刷轮毂电机，内含电子换向器，两根引出线。外接PWM控制器。 一定要分清，不要被混淆。

技术要求

它们在负载要求、技术性能和工作环境等方面有着不同的特殊的要求：

1、电动汽车驱动电机需要有4-5倍的过载以满足短时加速或爬坡的要求;而工业电机只要求有2倍的过载就可以了。

2、电动汽车的最高转速要求达到在公路上巡航时基本速度的4-5倍，而工业电机只需要达到恒功率是基本速度的2倍即可。

3、电动汽车驱动电机需要根据车型和驾驶员的驾驶习惯设计，而工业电机只需根据典型的工作模式设计。

4、电动汽车驱动电机要求有高度功率密度(一般要求达到1kg/kw以内)和好的效率图(在较宽的转速范围和转矩范围内都有较高的效率)，从而能够降低车重，延长续驶里程;而工业电机通常对功率密度、效率和成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。

5、电动汽车驱动电机要求工作可控性高、稳态精度高、动态性能好;而工业电机只有某一种特定的性能要求。

6、电动汽车驱动电机被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气、及频繁振动等等恶劣环境下。而工业电机通常在某一个固定位置工作。

随着消费者的需求，电动车电机的发展也要与时俱进，消费者不仅要求电动车动力大，而且要求提速快，甚至提出更高的要求，在爬坡的时候，如果自动换挡或者一直都有着强大的扭矩，对于山地丘陵地形骑行中将会如履平地。