电动车主要零部件霍尔元件的作用和结构

一、霍尔元件1．霍尔元件的作用和结构电动机霍尔元件用于无刷电动机中，其作用是告知控制器何时改变电动机电流方向。

不同电动机安装霍尔元件的正反位置有多种。

一般情况下，60°相位角的3个霍尔元件应平行放置；120°相位角的3个霍尔元件也应平行放置，但中间一个霍尔元件呈翻转状态。

霍尔元件在电动机上的放置位置如图2-32所示，其外形如图2-33所示。

图2-32 霍尔元件在电动机上的位置图2-33 霍尔元件的外形2．霍尔元件引脚功能的判断（1）直观判断法将霍尔元件正放（即霍尔元件表面带字母的面朝上），中间脚为霍尔接地端，左脚为霍尔电源正端，右脚为霍尔信号输出端（即接霍尔相线），其引脚功能如图2-34所示。

图2-34 霍尔元件的引脚功能（2）霍尔导线的颜色无刷电动机上与控制器相连的霍尔线有5根，一般黑色线接霍尔接地端，红色线接霍尔电源正端，其余的黄、蓝、绿线接霍尔信号输出端（即接霍尔相线），如图2-35所示。

图2-35 根据霍尔导线分辨霍尔元件引脚功能3．霍尔元件的测量霍尔元件的故障主要有霍尔元件脱落、霍尔集成电路失效、霍尔引线断开等。

当怀疑霍尔元件损坏时，应按以下方法进行测量。

方法一：通过测量霍尔相线电压来判断霍尔元件的好坏。

①把电动机与控制器连接好，并接通电源，按图2-36所示方法测量霍尔电源电压。

选用数字式万用表的20V直流电压挡，让黑表笔接霍尔元件的黑色导线，红表笔接霍尔元件的红色电源线，即测霍尔元件的电源电压，一般为5V，但也有4.5V 或6.25V的，实际测量时有可能偏小。

图2-36 霍尔电源线的测量②在霍尔元件引线及连接无异常的情况下，可进行以下测量：若霍尔电源电压为5V，用万用表黑表笔接黑色线，红表笔接蓝色线（或黄色线、绿色线），用手慢慢转动后轮，万用表显示0V或5V为正常，有时略低于5V也为正常，测量方法如图2-37所示。

若长期处于高电位5V，或长期处于低电位0V，则表明蓝色线对应的霍尔元件损坏。

其他霍尔元件的测量可以依此类推。

方法二：不分解电动机，通过测量霍尔引线间的电阻来判断霍尔元件的好坏。

①将电动机与控制器相连的插接器去掉，同时把数字式万用表的挡位旋钮旋至“二极管”挡。

②使万用表的红表笔接霍尔接地线，黑表笔分别接霍尔相线（即蓝、绿、黄色线），3个电阻值应基本一致。

然后将黑、红表笔对调，分别测量三线阻值，也应一致。

若所测某相阻值与其他两相阻值相差悬殊，则表明该线相对应的霍尔元件异常。

方法三：分解电动机，对霍尔元件进行直接测量。

选用数字式万用表的电阻挡，让红表笔接中间的接地端，黑表笔接左边的电源正端时，其电阻为无穷大（即显示“1.”），呈断路状态，如图2-38所示。

若黑表笔接右边的输出端，红表笔不动时，其电阻一般为400～900（对于不同霍尔元件，该电阻有所不同），否则表明霍尔元件损坏。

图2-38 用数字式万用表测量霍尔元件二、碳刷、碳刷架和碳刷弹簧1．碳刷的结构碳刷固定在有刷电动机的碳刷盒内，如图2-39所示。

为通过大电流，碳刷可用低阻值的铜石墨制成，其外形如图2-40所示。

有刷电动机上的碳刷有1对或2对，其中1对的较多。

碳刷有正极和负极之分，正极碳刷与控制器驱动线正极相连，一般为黄色线；负极碳刷与控制器驱动线负极相连，一般为绿色线。

碳刷在碳刷弹簧的作用下贴靠在换向器上。

图2-39 碳刷在电动机上的位置图2-40 碳刷的外形2．碳刷的选择碳刷是与换向器滑动接触的部件，碳刷材料的成分和接触特性的好坏直接影响到电动机运行时换向的好坏和它的磨损程度。

碳刷的接触特性主要指一对碳刷接触压降（因正、负极碳刷下的接触电压不相等，故用一对碳刷接触压降来评价）和摩擦系数，这些因素影响到电动机运转时碳刷与换向器之间的接触损耗（包括电损耗和摩擦损耗）和磨损程度。

影响碳刷接触特性的主要因素有圆周速度、电流密度和施于碳刷的单位面积上的压力等。

对于电动自行车用直流电动机，圆周速度不大，一般都能满足要求。

对这种直流电动机的碳刷提出以下要求。

1.因为电动自行车采用低压电源，因此一对碳刷接触压降不能过大，一般应在1V以下，这样功率损耗较小。

2.若按照用户使用两年不用更换碳刷，按每天骑行2h计算，碳刷的寿命应在1500h左右。

碳刷的寿命是由它允许磨损的高度决定的，而允许磨损高度则由允许弹簧的最小压力和碳刷磨短后在刷盒中运行的稳定性决定。

3.碳刷截面积的大小应符合碳刷允许电流密度的要求。

电流密度过大，易引起发热，温度过高，摩擦系数增大，极易引起火花，甚至电动机不能正常运行。

4.换向器的磨损应在允许范围内，运行噪声要小。

碳刷分石墨碳刷、电化石墨碳刷和金属石墨碳刷三大类。

低压直流电动机宜采用金属石墨碳刷，因为它的一对碳刷接触压降小（一般在1.5V以下），耐磨性较好，使用寿命长，并适合于圆周速度低的电动机。

3．刷盒尺寸和碳刷弹簧压力刷盒在电动机上的位置如图2-41所示，其外形如图2-42所示。

刷盒的作用是将碳刷固定在应有位置上，但又要保证碳刷在刷盒中能自由活动，配合间隙既不能太大又不能太小。

若配合间隙太大，电动机运转时碳刷可能在换向器表面产生倾斜和跳动，从而影响换向。

若配合间隙大小，当碳刷在负载下发热膨胀时可能卡死。

碳刷弹簧的作用是施于碳刷一定的压力，以保证碳刷与换向器在电动机运转时始终有良好的接触。

碳刷弹簧在电动机上的位置如图2-43所示，其外形如图2-44所示。

施于碳刷的单位面积压力增大，碳刷与换向器的接触电阻就减小，则电损耗减小，但摩擦损耗增大。

总损耗呈马鞍形变化，而在总损耗最小时的单位压力下，碳刷的磨损率也最小。

所以，选择施于碳刷的压力时，应考虑电动机运行中总损耗和碳刷磨损最小时相应的单位压力，对于金属石墨碳刷，这个压力一般在1.5～2.5N/cm2之间。

在确定初始压力时，应考虑碳刷在磨损过程中缩短时弹簧因伸长其压力会减小的因素。

施于碳刷的单位压力减小到低于某一极限时，碳刷与换向器之间的接触就开始不稳定，容易出现机械性火花，这时就应该更换碳刷了。

图2-41 刷盒在电动机上的位置图2-42 刷盒的外形图2-43 碳刷弹簧在电动机上的位置图2-44 碳刷弹簧的外形4．碳刷的磨合碳刷与换向器表面接触的好坏和接触面积的大小，直接影响直流电动机换向性能的好坏、火花的大小和碳刷的速度。

所以，电动机装配完成后应对其进行空载磨合，磨合的目的是增大碳刷与换向器的接触面积（一般应使接触面积达到80%以上）。

这样在负载时才能保证良好的换向。

为缩短磨合时间，可以用提高电压的方法使电动机转速提高，但要考虑电动机的机械强度，转速不能高出额定转速过多。

未经磨合的碳刷与换向器的接触面不够，即为局部接触，使接触处电流密度增大，造成换向不良，造成电动机出厂后返修率增大。

5．碳刷装置的保养与检修碳刷装置主要由碳刷、刷盒和碳刷弹簧组成。

1.在使用过程中，碳刷会逐渐磨损，当碳刷的长度小于规定的磨损极限（新碳刷长度的2/3）时，应更换碳刷。

2.沿碳刷的中心线方向，碳刷弹簧对碳刷的压紧力称为碳刷弹簧的张力。

弹力过小会影响碳刷与换向器的紧密接触，弹力过大会加速碳刷与换向器的磨损。

碳刷弹簧的张力应符合电动机制造厂的规定（一般为5～10N）。

3.引起碳刷弹簧张力改变的主要因素是碳刷弹簧变形、折断以及碳刷磨损等。

当碳刷弹簧变形时，应予以矫正。

碳刷严重磨损，即长度小于规定的磨损极限时应予以更换。

4.碳刷装在刷盒中，碳刷在刷盒中应能自由滑动，无卡滞现象。

新研磨的碳刷应在电动机轻负荷下磨合1h后再转入大负荷工作。

三、换向器1．换向器的结构换向器在有刷电动机上的位置如图2-45所示，其外形如图2-46所示。

换向器由许多截面呈矩形的换向片沿圆周围合而成。

换向片之间用云母绝缘，云母的位置如图2-47所示。

图2-45 换向器在电动机上的位置图2-46 换向器的外形图2-47 换向片间的云母电动机绕组的各线圈按一定顺序与换向片相连（焊接或铆接）。

绕组内的电流由碳刷经换向器到达。

换向器的材料是铜合金，如镉铜、银铜等。

材料不同，它的硬度、耐磨度与碳刷的接触电阻及导电性能等都会有差别。

2．换向器的保养与检修换向器与碳刷处于滑动摩擦的工作状态。

在长期工作中，换向器会出现污损、烧蚀和云母突起等现象，这些都会影响换向器的正常工作。

①换向器工作表面有油污或有碳刷磨损下来的粉粒等其他污损物时，可用棉纱或汽油擦洗干净，如图2-48所示。

图2-48 用棉纱擦除换向器表面的异物②换向器烧蚀较轻微时，可用金相砂纸抛光。

③由于换向片的磨损比云母快，为防止随换向片的磨损使云母突起，云母应低于换向片0.5～0.8mm。

云母突起不仅影响碳刷与换向器的正常工作，而且在碳刷与换向器的接触部位会出现强烈的电火花，加剧换向片的烧蚀。

因此，当云母突起时，用锯片割削云母片，使之低于换向片0.5～0.8mm，如图2-49所示。

图2-49 割削云母片用人造云母绝缘的换向器，因人造云母与换向片的磨损速度相近，因此一般不需要将云母片割低。

四、有刷电动机绕组1．有刷电动机绕组的结构有刷电动机绕组在电动机上的位置如图2-50所示。

绕组绕在环形铁芯上，转子环形铁芯的外形如图2-51所示。

通电的绕组在定子磁场的作用下产生作用力，驱使电动机转动。

图2-50 有刷电动机绕组在电动机上的位置图2-51 有刷电动机环形铁芯的外形电动机绕组与换向器的换向片相连，再经换向片和碳刷与外电路相连。

电动机的转子与定子间的气隙一般为0.25～0.40mm，如图2-52所示。

2．有刷电动机绕组的故障修理有刷电动机绕组的常见故障有断路、搭铁和短路。

图2-52 有刷电动机转子与定子间的气隙（1）有刷电动机绕组断路有刷电动机绕组断路后，电动机输出功率会明显降低；绕组多处断路后，电动机绕组通过的电流会出现很大的波动或完全丧失工作能力。

由于电流波动（时有时无），在碳刷与换向器间出现强烈的电火花，使与断路绕组相连接的换向片很快烧蚀。

绕组断路一般需要整体更换电动机或重新绕制。

绕组仅有一处断路时，可将与断路绕组相连接的两个换向片连接起来，使这一支路的其他绕组恢复工作能力，这一应急的修复方法称作“跳接法”。

跳接修复的绕组可继续工作，但因有效的工作匝数减少，电动机的输出功率也相应减小。

因机械损伤而造成绕组断路时，一般可从表面查找到断路处，对此可予以连接并做好绝缘处理。

此外，因绕组与换向片的连接处脱焊而造成断路时，可重新焊好。

（2）有刷电动机绕组搭铁绕组因绝缘损坏直接与环形铁芯相通时，电动机绕组内的电流经搭铁处短路，会造成电动机输出功率明显降低。

绕组搭铁时，可试用火花烧蚀法排除故障，即将36V或48V的蓄电池组的负极接换向器的换向片，用正极的引线瞬时触及铁芯，时间为1～2s。

由于搭铁部位的接触电阻通常比较大，在较大电流通过后会在局部产生高温或出现电火花，使搭铁处烧蚀，往往可排除较轻微的搭铁故障。