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电动助力车因结构简单、噪音小、环保、节能等，深受广大群众的欢迎。电动机助力车结构原理大同小异，主要是由电瓶、控制器、转把、电刹车、仪表灯光转向系统和直流电动机等组成。供电有24V、36V、48V三种，电动机分为直流有刷、无刷(现多为无刷直流电机)。本文以无锡佳胜牌无刷直流电动机(功率500W，供电48V，电流12A，相位角120°)为例，对无刷电动机进行剖析，根据实物绘制出电动机定子平面展开图见图1。同时还以北京TDR55Z-5型“风速七代”电动车无刷直流电机控制器进行剖析。测绘电路图(见图2)，供参考。 一、助力车专用无刷直流电动机的机械转矩输出方式和结构 1．常见的直流电动机的电枢是旋转的、而助力车上的电动机电枢是静止不旋转的，而旋转部分是与车轮连成一体的磁极组。 2．电动机定子(电枢)和转子(车轮)结构中，定子是由0．5mm厚的硅钢片叠合起来，它的外围表面上均匀分布着36个槽，铁芯中间用铝合金做支架，再装在车轴上。在槽内嵌有三相绕组，A—X、B—Y、C—Z，分别在空间位置互相间隔120°，镶嵌在槽内。三相绕组的末端．X、Y、Z、连接在一起，形成星形接法。见图1。三相绕组采用10股线径φ0．59mm的高强漆包并绕而成。同时采用三只霍尔元件做每相磁极位置传感器，按一定角度分别镶嵌在定子铁芯外围表面上的三个凹槽内。见图1。电动机引线用8根不同颜色的绝缘导线从车轴的中心孔引出与外部的控制器连接。其中黄线(A)、绿线(B)、蓝线(C)三根粗线为三相电源线。细线、红、黑为传感器电源线，另外三根黄、绿、蓝为传感器输出线。 3．转子和车轮为一体，由铝合金铸造而成。在车轮的轮毂内径上粘贴一圈稀土永磁钢、共40条，组成20对磁极，因而这台电动机的极数为20极。在轮毂两侧上有端盖和轴承。 二、电动机工作原理分析 电子开关换向应用在直流低速电动机上是一项新技术。因无碳刷减少了直流电动机在运行中产生的噪音，碳刷接触换向器产生火花造成电磁波的干扰和磨损后更换的麻烦及高故障率等。电子开关换向器(控制器)主要是由集成电路、驱动开关、(PWM)脉宽调制电路、功率场效应管、传感器等组成。当电动机工作时，首先由安放在定子铁芯上的三只开关型霍尔元件检测到磁极位置，以开关方式发出数字脉冲信号(二值信息)，提供给控制器、控制器得到信息后，集成电路按预先设定的逻辑开关程序，根据传感器(霍尔元件)信号按顺序分别送至三只驱动模块，同时也送入PWM脉宽调制信号，使六只功率场效应管按时序顺序分别导通和截止，使电枢上的每相绕组得到正负方向变化的电流，形成电子换向，使电枢建立旋转磁场。功率场效应管的导通和截止时间由转把信号控制(PWK)脉宽调制电路的方波占空比来实现无级调速。 该机的转子采用稀土永磁做磁极，因此转子磁通φ是固定的。在这种情况下电枢电压U与电流Is及反电动势Es之间有如下关系：U=Es+IsRs，而反电动势Es=Ceφn，则n=U-IsRs／Ceφ，从这个关系式可以看出，当电动机负载一定时，电动机的转速与电压及磁通φ有关，因此电枢上的电磁转矩是和电压的平方成正比，因而只要改变电枢的端电压就能实现无级调速。调速的方法很多，但采用PWM脉宽调制方式可增强转子的转矩输出硬度，因而不同于其他改变导通角度降压的调速方式。 由上可知直流电动机无论是电子换向还是有刷换向。只要磁极的对数和磁通φ固定，电机端电压变化，必然使转子的转速发生变化，转速的变化又使换向的次数发生变化，电机端电压、转速、换向频率、它们之间是一种逻辑循环关系。 该机是模拟三相交流供电，可按交流电求出电机的转速。见公式n=f60／P，已知无刷直流电机的转子磁场是由20磁极组成，也就是说每当车轮旋转一周时(转子旋转一周)，每相霍尔元件就分别给出20次脉冲信号，控制器得到信息后，输出模拟三相交流电使电枢上的每相绕组的电流方向相应也是正负换向20次，即20周／秒。所以周期为T=0．05秒，因频率与周期是互为倒数关系，这台电动机的最低转速为n=60r／min。这时的电动机端电压为8．2V。当电动机端电压提高到36．9V时，也就是说脉宽调制有效值在76％左右(是该车的最高电机端电压)，其电压约提高了4．5倍，同时转速和换向频率也增加了4．5倍，这时的电动机转速为4．5x60r／min=270r／min，所以说这台电动机的最高转速为270r／min。这时的换向频率是f=Pn／60=90Hz。 通过上面数据可求出这台助力车的最高行驶车速，已知车轮直径：D=0．41m，即Dxπ=L，0．41m×3．14=1．287m(周长)，1．287m×270r／min×h=1．287m×270r／min×60=20．8km／n。因电动机的转速差S的存在，这台车最高行驶车速约20km／小时左右。转载请注明转自“维修吧-  http://www.”  三、故障车检修实例 1．佳胜牌助力车无刷电机，起步困难，噪音大，需加外力才能启动，行驶无力，车速下降。 检修：用万用表测试传感器上的红线(+)和黑线(-)时有4．5V的直流电压，传感器供电正常，再用正表笔和红线(+)接触，用负表笔分别测试传感器上的三根输出线(黄、绿、蓝线)，同时用手转动车轮(转子)都应有0～3．7V的脉冲电压。但当测到绿线时转动车轮无任何反映，说明传感器绿线断或霍尔元件损坏，造成该相没有输出位置信号，导致主电源绿线缺相。拆开电机将电枢从转子中抽出，只接通控制器传感器电路、接通钥匙开关，用正表笔接触红线(+)负表笔接触绿线、用一块磁铁去接近该相霍尔元件(视磁铁为N极)，这时表上应有3．7V左右的直流电压，再用磁铁的另一面(视为S极)去接近霍尔元件表面，这时表上的电压读数应变为0V。而测绿线B相无任何反映，说明该相霍尔元件已损坏(型号为S41型，开关型霍尔元件)。因该电机相位角是120°，所以安装霍尔元件时一定耍将B相的霍尔元件有型号面朝下安放(相位角60°的电机三个霍尔元件型号面均朝上)。这一点一定要注意，否则电机不能正常工作。将损坏的霍尔元件拆除，用同型号的新霍尔元件换上并用二合一胶粘牢，待干后将电机重新装好，通电试车正常，故障排除。 2．北京新日TDR55Z-5型“风速七代”无刷电动助力车，有时接通钥匙开关时，电动机即高速旋转，转把失灵，时而正常，时而不正常。 检修：出现故障时将转把插头拔掉，电动机仍快转不停。打开控制器，用表测试脉宽调制块SG3524N 12脚(见图2)，当转动转把时，有0．75～0．35V的可变电压，用示波器可见到可变的脉宽波形，说明脉宽调制电路正常。这时发现和12脚连接的三极管V1 2N5551的c极开焊，补焊后试车正常。从图2可看出当V12N5551 c极开焊后，使三只驱动开关块IR201的②脚由原低电位变为高电位，因而电动机出现高速状态，转把失灵。 3．新日无刷电动车，转把归回原位后电动机(车轮)慢转不停，其他正常。 检修：说明故障在转把上，用一新转把换后故障排除。可用以下方法检测转把好坏，将转把上的红线(+)和黑线(-)接5V直流电压，绿线和黑线接电压表，这时电压应为0．8V左右，当转动转把时表上的电压应随转把的转动角度在0．8～4．2V之间变化，否则说明转把已 损坏。转把上使用的霍尔元件属线性磁感元件。如换后电动机高速旋转，说明转把线接反，这时将红线和绿线对掉即可。如转把黑线断，车轮也会出现高速旋转现象。 4．新日无刷电动助力车，接通钥匙开关后电动机噪音大且不转。 检修：检查发现电动机后轴引线扭转处破皮，换新线后试车电动机仍噪音大且不转，说明控制器已损坏。用一新控制器换上后，试车正常。故障原因是用户更换后轮胎时没有把车轴螺母拧紧，行驶时因螺母松动造成引线扭动磨破皮而短路，导致控制器里的功率场效应管损坏。 5．钱江牌无刷36V直流电机助力车，车行驶正常，轻按刹车闸把时电动机反而加速，电动机不断电。 检修：测试刹车闸把上的两个霍尔元件的输出电压，不刹车时为0V，刹车时为3．9V，说明正常。测试电动机的端电压同时转动转把有0～30V的变化电压，电机的转速也变化可调，说明电动机及供电系统正常。 当轻按刹车闸把时电动机加速(前后刹车闸把一样)，这时电动机端电压已升为38．5V，说明刹车信号电压已直接加到了功率场效应管的控制极，使功率场效应管完全导通，使电机的端电压增加了五分之一左右，造成电机加速(极易发生交通事故)。原因是控制器里的脉宽调制集成块TL494损坏，换上新集成块后故障排除。 |
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