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(yīng)用美。

關(guān)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(fā)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(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，可以認為是在自行車的基礎(chǔ)上加一套電機驅(qū)動機構(gòu)組成。蓄電池經(jīng)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(zhuǎn)帶動自行車的行進。作為主要動力系統(tǒng)，電機無疑是電動自行車整體中最為關(guān)鍵的部分。

對于電機，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(yīng)在100～200w范圍內(nèi)，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(qū)使車輪方式有兩種，一種為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機通過鏈傳動或直接摩擦帶動車輪，另一種為外轉(zhuǎn)子直流電機通過行星齒輪減速機構(gòu)直接驅(qū)動輪轂轉(zhuǎn)動，（這種電動機也叫輪轂式電動機）這種方式具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間的優(yōu)點。

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，除去摩擦等耗能因素，因為能量的守恒，該電機的轉(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(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機轉(zhuǎn)動的換相器和電刷來完成的。有刷電機由定子和轉(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，從而使電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)以帶動負載。有刷電機的輸出轉(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：（1）傳統(tǒng)的電刷和換向器有機械磨損和噪聲、火花等，（2）系統(tǒng)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(zhuǎn)子式的無刷電機系統(tǒng)，二是可以實現(xiàn)電子換向的專用控制系統(tǒng)，無刷電機依據(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(zhuǎn)的磁場，這個磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動，電機就轉(zhuǎn)起來了，電機的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強度、電機輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無刷電機的控制性能有很大關(guān)系，因為輸入的是直流電電流需要電子調(diào)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(zhuǎn)速，以保證其正常穩(wěn)定的運行。該技術(shù)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(xiàn)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(huán)境跑冒滴漏，使電機內(nèi)部進水或進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?。嚴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(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(nèi)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(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把，使電機高速空載轉(zhuǎn)動10s以上。等電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定以后，測量此時電機的空載最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速N2?？蛰d/負載轉(zhuǎn)比=N2÷N1。當電機的空載/負載轉(zhuǎn)速比大于1.5時，說明電機的磁鋼退磁已經(jīng)相當厲害了，應(yīng)該更換電機里面整套的磁鋼。

（2）電機發(fā)熱，其原因一般為電流大引起，通過高中知識可知，設(shè)電機電流為I，電機的輸入電動勢為E1，電機旋轉(zhuǎn)的反電動勢為E2，則與電機線圈電阻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）電機乏力，其原因較復(fù)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(guān)。

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(xiàn)實生活相結(jié)合的開始，這也是筆者高中學習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、進取和提高。

（作者單位：河北省孟村回民中學 061400）