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摘要：本文以生活中常见的交通工具——电动自行车为研究对象，结合高中知识和一部分专业知识进行分析。希望能有助于我们从理论上解释一些新兴机械，更有助于我们感受物理学知识的逻辑美与应用美。
关键词：电机；安培力；电刷；电气故障
中图分类号：G632.0 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2016）08-0128
作为一名高中生，笔者喜欢在课外观察那些运用物理学方面知识的机械，并尝试运用已学会的高中物理知识对其解释。如本文就是围绕电动自行车的电机的原理及故障分析试用高中知识进行讨论，电动自行车这种生活中常见的新兴交通工具，尽管原理相比较其他机械不是很难，但当利用知识自己完成分析与讨论后，笔者仍感受到莫大的满足，并更加激发了笔者对运用物理学解决生活中问题的兴趣与热情。
电动自行车是具有电力驱动、脚踏驱动、电力和脚踏并用等功效的绿色环保交通工具。电动自行车的原理和结构都不复杂，可以认为是在自行车的基础上加一套电机驱动机构组成。蓄电池经过一个控制器给一个电机送电，电机放在后车轮中，电机的旋转带动自行车的行进。作为主要动力系统，电机无疑是电动自行车整体中最为关键的部分。
对于电机，其主要任务为将蓄电池供给的电能转化为驱使车轮前进的机械能。常见电机一般为永磁直流电动机。为达到10N.m以上的运行力矩，电动机的功率应在100～200w范围内，工作电压为24V或36V，该电机要求起动力矩大，效率高，重量轻，并有一定的过载能力。驱使车轮方式有两种，一种为内转子电机通过链传动或直接摩擦带动车轮，另一种为外转子直流电机通过行星齿轮减速机构直接驱动轮毂转动，（这种电动机也叫轮毂式电动机）这种方式具有效率高、结构紧凑、节省空间的优点。
根据高中知识可得，通电导线在磁场中会受到安培力，安培力力大小与电流同磁场间夹角有关。当磁场方向与电流方向平行，根据F=BILsin（L，B）知，安培力为零。假设一个无法及时改变电流方向的电机，除去摩擦等耗能因素，因为能量的守恒，该电机的转子将只会半圈半圈的来回翻转，无法提供有效的持久动力。而有刷电机和无刷电机都巧妙地解决了这一问题。
当有刷电机工作时线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。有刷电机由定子和转子两大部分组成，定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使转子受到方向不变的安培力，从而使电机持续旋转以带动负载。有刷电机的输出转速为3000转/分以上，经减速器和超越离合器及外壳一起组成电动轮毂总成，其转速为170-180转/分，适应了自行车以20km/h左右的速度行驶。该结构的可靠性高，成本较低，骑行较舒适，但也存在以下缺点：（1）传统的电刷和换向器有机械磨损和噪声、火花等，（2）系统的先进性和档次不够高。
用于电动自行车的无刷电动轮毂，实际上由两部分组成。一是直接外转子式的无刷电机系统，二是可以实现电子换向的专用控制系统，无刷电机依据于现代IC技术和功率电子器件的发展而逐渐成熟。简单而言，依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁鋼转动，电机就转起来了，电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系，因为输入的是直流电电流需要电子调速器将其变成3相交流电，还需要从遥控器接收机那里接收控制信号，控制电机的转速，以保证其正常稳定的运行。该技术较为先进，在磨损和噪音等问题上有极大的改善。并因此提高了寿命。
当电机运行出现故障时，一般可从机械故障与电气故障两方面讨论。对于机械故障可能原因有常见几种：
1. 由于电机本身密封不良，加之环境跑冒滴漏，使电机内部进水或进入其它带有腐蚀性液体或气体导致问题出现。
2. 由于轴承损坏，轴弯曲等原因致使定、转子磨擦（俗称扫膛）引起铁心温度急剧上升，烧毁槽绝缘、匝间绝缘，从面造成绕组匝间短路或对地“放炮”。严重时会使定子铁心倒槽、错位、转轴磨损、端盖报废等。
3. 由于长时间过载或过热运行，绕组绝缘老化加速，绝缘最薄弱点碳化引起匝间短路等问题。
4. 电机绕组绝缘受机械振动（如启动时大电流冲击，所拖动设备振动等）作用，使绕组出现匝间松驰、绝缘裂纹等不良现象，破坏效应不断积累，最终导致最先碳化的绝缘破坏直至出现烧毁绕组现象。
而对于电气故障，则需通过测量其电压或电流进行分析判断了。比如以下为电机的几种常见类型：
（1）电机空载电流大，其原因一般为电机内部机械摩擦大，线圈局部短路，磁钢退磁。检验方法为：打开电源，转动转把，使电机高速空载转动10s以上。等电机转速稳定以后，测量此时电机的空载最高转速N1。在标准测试条件下，行驶200m距离以上，开始测量电机的负载最高转速N2。空载/负载转比=N2÷N1。当电机的空载/负载转速比大于1.5时，说明电机的磁钢退磁已经相当厉害了，应该更换电机里面整套的磁钢。
（2）电机发热，其原因一般为电流大引起，通过高中知识可知，设电机电流为I，电机的输入电动势为E1，电机旋转的反电动势为E2，则与电机线圈电阻R之间的关系是：I=（E1-E2）÷R。R或E2变小都会引起电流变大，R变小一般是线圈短路或开路引起的，E2减少一般是磁钢退磁引起的。
（3）电机乏力，其原因较复杂，若排除以上提到的电机本身故障，则该问题一般与电池容量，未充满电等其他因素有关。
以上是笔者对电动自行车电机原理从机械到电气知识的肤浅的了解和认识，是笔者将高中物理知识与现实生活相结合的开始，这也是笔者高中学习兴趣所在和未来事业的发展方向。随着知识和阅历的丰富，笔者会不断地探索、进取和提高。
（作者单位：河北省孟村回民中学 061400）
关键词：电机；安培力；电刷；电气故障
中图分类号：G632.0 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2016）08-0128
作为一名高中生，笔者喜欢在课外观察那些运用物理学方面知识的机械，并尝试运用已学会的高中物理知识对其解释。如本文就是围绕电动自行车的电机的原理及故障分析试用高中知识进行讨论，电动自行车这种生活中常见的新兴交通工具，尽管原理相比较其他机械不是很难，但当利用知识自己完成分析与讨论后，笔者仍感受到莫大的满足，并更加激发了笔者对运用物理学解决生活中问题的兴趣与热情。
电动自行车是具有电力驱动、脚踏驱动、电力和脚踏并用等功效的绿色环保交通工具。电动自行车的原理和结构都不复杂，可以认为是在自行车的基础上加一套电机驱动机构组成。蓄电池经过一个控制器给一个电机送电，电机放在后车轮中，电机的旋转带动自行车的行进。作为主要动力系统，电机无疑是电动自行车整体中最为关键的部分。
对于电机，其主要任务为将蓄电池供给的电能转化为驱使车轮前进的机械能。常见电机一般为永磁直流电动机。为达到10N.m以上的运行力矩，电动机的功率应在100～200w范围内，工作电压为24V或36V，该电机要求起动力矩大，效率高，重量轻，并有一定的过载能力。驱使车轮方式有两种，一种为内转子电机通过链传动或直接摩擦带动车轮，另一种为外转子直流电机通过行星齿轮减速机构直接驱动轮毂转动，（这种电动机也叫轮毂式电动机）这种方式具有效率高、结构紧凑、节省空间的优点。
根据高中知识可得，通电导线在磁场中会受到安培力，安培力力大小与电流同磁场间夹角有关。当磁场方向与电流方向平行，根据F=BILsin（L，B）知，安培力为零。假设一个无法及时改变电流方向的电机，除去摩擦等耗能因素，因为能量的守恒，该电机的转子将只会半圈半圈的来回翻转，无法提供有效的持久动力。而有刷电机和无刷电机都巧妙地解决了这一问题。
当有刷电机工作时线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。有刷电机由定子和转子两大部分组成，定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使转子受到方向不变的安培力，从而使电机持续旋转以带动负载。有刷电机的输出转速为3000转/分以上，经减速器和超越离合器及外壳一起组成电动轮毂总成，其转速为170-180转/分，适应了自行车以20km/h左右的速度行驶。该结构的可靠性高，成本较低，骑行较舒适，但也存在以下缺点：（1）传统的电刷和换向器有机械磨损和噪声、火花等，（2）系统的先进性和档次不够高。
用于电动自行车的无刷电动轮毂，实际上由两部分组成。一是直接外转子式的无刷电机系统，二是可以实现电子换向的专用控制系统，无刷电机依据于现代IC技术和功率电子器件的发展而逐渐成熟。简单而言，依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁鋼转动，电机就转起来了，电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系，因为输入的是直流电电流需要电子调速器将其变成3相交流电，还需要从遥控器接收机那里接收控制信号，控制电机的转速，以保证其正常稳定的运行。该技术较为先进，在磨损和噪音等问题上有极大的改善。并因此提高了寿命。
当电机运行出现故障时，一般可从机械故障与电气故障两方面讨论。对于机械故障可能原因有常见几种：
1. 由于电机本身密封不良，加之环境跑冒滴漏，使电机内部进水或进入其它带有腐蚀性液体或气体导致问题出现。
2. 由于轴承损坏，轴弯曲等原因致使定、转子磨擦（俗称扫膛）引起铁心温度急剧上升，烧毁槽绝缘、匝间绝缘，从面造成绕组匝间短路或对地“放炮”。严重时会使定子铁心倒槽、错位、转轴磨损、端盖报废等。
3. 由于长时间过载或过热运行，绕组绝缘老化加速，绝缘最薄弱点碳化引起匝间短路等问题。
4. 电机绕组绝缘受机械振动（如启动时大电流冲击，所拖动设备振动等）作用，使绕组出现匝间松驰、绝缘裂纹等不良现象，破坏效应不断积累，最终导致最先碳化的绝缘破坏直至出现烧毁绕组现象。
而对于电气故障，则需通过测量其电压或电流进行分析判断了。比如以下为电机的几种常见类型：
（1）电机空载电流大，其原因一般为电机内部机械摩擦大，线圈局部短路，磁钢退磁。检验方法为：打开电源，转动转把，使电机高速空载转动10s以上。等电机转速稳定以后，测量此时电机的空载最高转速N1。在标准测试条件下，行驶200m距离以上，开始测量电机的负载最高转速N2。空载/负载转比=N2÷N1。当电机的空载/负载转速比大于1.5时，说明电机的磁钢退磁已经相当厉害了，应该更换电机里面整套的磁钢。
（2）电机发热，其原因一般为电流大引起，通过高中知识可知，设电机电流为I，电机的输入电动势为E1，电机旋转的反电动势为E2，则与电机线圈电阻R之间的关系是：I=（E1-E2）÷R。R或E2变小都会引起电流变大，R变小一般是线圈短路或开路引起的，E2减少一般是磁钢退磁引起的。
（3）电机乏力，其原因较复杂，若排除以上提到的电机本身故障，则该问题一般与电池容量，未充满电等其他因素有关。
以上是笔者对电动自行车电机原理从机械到电气知识的肤浅的了解和认识，是笔者将高中物理知识与现实生活相结合的开始，这也是笔者高中学习兴趣所在和未来事业的发展方向。随着知识和阅历的丰富，笔者会不断地探索、进取和提高。
（作者单位：河北省孟村回民中学 061400）