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電動自行車電機(jī)的效率

www.sail-shipping.com 來源：寧波北斗科技有限公司總工程師周長進(jìn)教授　　　電動車商情網(wǎng) 作者：俠名類別：電動車維修時(shí)間：2004-4-28

寧波北斗科技有限公司總工程師周長進(jìn)教授評價(jià)電動自行車性能的優(yōu)劣最重要的指標(biāo)是充電一次續(xù)駛里程。它除了和配置的電池容量大小等因素有關(guān)外，還與電動自行車驅(qū)動系統(tǒng)的效率密切相關(guān)。所謂效率，是指一系統(tǒng)（裝置）的輸出功率和其輸入功率的比值，一般用η表示。輸出、輸入功率可以是電功率，也可以是機(jī)械功率。對于電動機(jī)而言，輸入是電功率，輸出是機(jī)械功率。因?yàn)槿魏蜗到y(tǒng)內(nèi)總存在有損耗，所以效率總是小于1。電動自行車驅(qū)動系統(tǒng)效率ηs可表示為： ηs=ηC·ηm·ηT·ηR 式中 ηc——控制器效率 ηm= P2m/ P1m——電動機(jī)效率 P2m——電動機(jī)輸出機(jī)械功率 P1m——電動機(jī)輸入（即控制器輸出）電功率 ηT——傳動裝置效率對于直接驅(qū)動無傳動裝置的驅(qū)動方式，ηT =1 ηR——輪胎效率它和輪胎寬度、和地面接觸面積大小、花紋、輪胎材料等有關(guān)。本文重點(diǎn)介紹電動自行車電機(jī)效率的相關(guān)問題。　　1.電動機(jī)效率電動機(jī)效率ηm= P2m/ P1m =（P1m－∑Pm ）/ P1m =1 －∑Pm / P1m 式中∑Pm為電機(jī)總損耗，主要包括機(jī)械損耗（軸承摩擦損耗、轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗、換向器和電刷間的機(jī)械磨損等）和鐵心損耗（含磁滯損耗和渦流損耗），二者又可稱為空載損耗或不變損耗。電動機(jī)負(fù)載后又產(chǎn)生銅損和附加損耗，因?yàn)樗鼈冸S負(fù)載大小而變化，又稱為可變損耗。顯然，電機(jī)的總損耗越小，其效率越高。換言之，要想提高電機(jī)效率，應(yīng)采取降低損耗的措施。對于電動自行車用低速直接驅(qū)動電機(jī)，機(jī)械損耗較小，而鐵損亦不大。而高速(High Speed)電機(jī)（線繞式或印制繞組）+齒輪減速器系統(tǒng)，電機(jī)的機(jī)械損耗和減速器的磨損相對于低速電機(jī)較大，而鐵損較小�？傊�，對于電動自行車用電機(jī)，其空載損耗均不大，約10～20W。在總損耗中占有較大比重的是電樞繞組銅損。眾所周知，電機(jī)銅損PCu = I2Ra ，無論對于何種電機(jī)，只要額定功率、電壓相同，電樞電流I差別不大，因此，電機(jī)銅損基本上取決于電樞繞組電阻Ra的大小，Ra越大，銅損也越大，效率低。要提高電機(jī)效率，最有效的措施是降低電樞繞組電阻Ra，具體來說就是增加繞組的導(dǎo)電面積，但往往這又受到槽面積的制約，導(dǎo)致槽滿率過高，造成下線困難。要解決這一問題只好增加電樞鐵心長度，減小繞組串聯(lián)匝數(shù)，這樣又增加了電機(jī)的制造成本。所以提高效率和降低成本是矛盾的。這就是通常所說的設(shè)計(jì)高性能指標(biāo)的電機(jī)并不困難，只要增加電機(jī)材料的用量則可達(dá)到。對于電動自行車用這種數(shù)量大而又追求高效率的電機(jī)而言，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)制造出成本不高而又具有高效率的產(chǎn)品。電機(jī)重量基本反映出電機(jī)的有效材料用量。目前業(yè)內(nèi)人士評價(jià)電機(jī)性能最關(guān)心的就是電機(jī)效率，而忽略了電機(jī)重量的不同，實(shí)際上，重量不同的電機(jī)其效率沒有可比性。一般來說，重量較重的電機(jī)應(yīng)具有較高的效率。但由于電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的差異，也出現(xiàn)了重量輕而效率高的電機(jī)產(chǎn)品。目前電動自行車用幾種電機(jī)重量G和額定效率η大致如下：高速(High Speed)有刷+齒輪減速器 G=3.2～3.5Kg ηm =(74～77)% 高速(High Speed)無刷+齒輪減速器 G=3.4～3.8Kg ηm =(75～78)% 低速有刷電機(jī) G=5.8～6.5Kg ηm =(75～78)% 低速無刷電機(jī) G=4～5.8Kg ηm =(77～80)% 在此說明，電機(jī)額定功率越大時(shí)，其損耗所占比例相對較小，電機(jī)效率越高。　　2.電動機(jī)的最高效率ηmax 如前所述，電機(jī)損耗可分為基本上不隨負(fù)載大小變化的不變損耗和隨負(fù)載大小而改變的可變損耗。根據(jù)效率表達(dá)式，經(jīng)數(shù)字推導(dǎo)證明，電機(jī)當(dāng)可變損耗和不變損耗相等時(shí)，效率最高。電動自行車電機(jī)經(jīng)測功機(jī)加載檢測，均給出一最高效率點(diǎn)，大家注意到，不同種類、不同規(guī)格的電機(jī)，最高效率點(diǎn)出現(xiàn)的位置明顯不同，例如低速有刷電機(jī)最高效率點(diǎn)位于3～5Nm區(qū)間，高速(High Speed)有刷電機(jī)ηmax位于5～8Nm，傳統(tǒng)低速無刷電機(jī)ηmax位于2～4Nm，新型低速無刷電機(jī)ηmax位于4～7.5Nm，高速(High Speed)無刷電機(jī)6～9Nm。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，根據(jù)最高效率出現(xiàn)的條件就很容易理解，即電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，機(jī)械損耗越大，在鐵損變化不大時(shí)，不變損耗越大，在其他條件，如電樞電阻相同時(shí)，最高效率ηmax出現(xiàn)在負(fù)載電流、轉(zhuǎn)矩較大的區(qū)域。實(shí)際上，對最高效率出現(xiàn)區(qū)域影響最大的是電樞繞組電阻Ra，Ra越小，同樣電流時(shí)，產(chǎn)生的繞組銅損——可變損耗越小。所以最高效率ηmax出現(xiàn)在負(fù)載較大區(qū)域。對于轉(zhuǎn)速高，電樞繞組電阻小的電機(jī)，最高效率出現(xiàn)在更大的負(fù)載區(qū)。事實(shí)上，對于電動機(jī)而言，最重要的是電機(jī)的額定效率而不是最高效率。作為電機(jī)的最佳化設(shè)計(jì)，應(yīng)使電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)位于最高效率點(diǎn)附近。如果一臺電機(jī)的最高效率很高，而實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離最高效率點(diǎn)，則這時(shí)談?wù)撟罡咝适菦]有什么實(shí)際意義的。不能用最高效率作為評價(jià)電機(jī)的指標(biāo)。對于電動自行車而言，不同規(guī)格、不同的車速、正常行駛情況下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般在4～8 Nm，如前所述，新型低速無刷電機(jī)的最高效率正好位于此區(qū)間。所以就運(yùn)行效率而言，該電機(jī)具有優(yōu)勢。　　3．電機(jī)的高效率平臺所謂高效率平臺，即在約定的高效率指標(biāo)下，例80%，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML（Nm）的范圍。如前所述，影響電機(jī)效率的主要參數(shù)是電樞繞組電阻Ra，而Ra的大小取決于主特材料——永磁體、導(dǎo)磁材料、導(dǎo)電材料等的用量。眾所周知，磁通和磁勢的相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。若永磁體用量多，磁通大，產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩所需磁勢小。在繞組匝數(shù)一定的情況下，電流小，銅損小，效率高。Ra越小，可允許電樞電流I即使在較大范圍內(nèi)變化（即負(fù)載變化較大），其產(chǎn)生的繞組銅損PCu = I2Ra也不至過大，電機(jī)仍具有較高效率，高效率平臺較寬。據(jù)此，對于功率、轉(zhuǎn)速接近，而額定電壓相同的電機(jī)，我們可通過測量電樞繞組的直流電阻Ra初步比較、判定電機(jī)的最高效率、額定運(yùn)行效率的高低和高效率平臺的寬窄。在此，特別強(qiáng)調(diào)指出，有些廠商過分追求較寬的高效率平臺實(shí)在沒有必要。因?yàn)殡妱幼孕熊囋谡Ｊ褂孟�，其轉(zhuǎn)矩ML=4～8Nm，只要在此范圍內(nèi)有較高效率則可滿足使用要求。而ML=10～20Nm，僅適于起動和爬坡。起動和爬坡時(shí)所需轉(zhuǎn)矩不應(yīng)作為電機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。其原因： 1）起動、爬坡和正常行駛相比，畢竟在時(shí)間上所占比例較�。� 2）起動和爬坡對轉(zhuǎn)矩的要求可通過電機(jī)的轉(zhuǎn)矩過載來滿足； 3）過大的轉(zhuǎn)矩都是通以大電流來實(shí)現(xiàn)的，大電流將會對電池造成不允許的沖擊(Impuise)和嚴(yán)重破壞，大幅降低電池的循環(huán)壽命； 4）如果依起動和爬坡轉(zhuǎn)矩作為設(shè)計(jì)依據(jù)，將導(dǎo)致使用過多的主特材料，加大了成本。鑒于此，強(qiáng)調(diào)過寬的高效平臺，過分追求大轉(zhuǎn)矩則違背了電動自行車的初衷。電動自行車就是電動自行車，它不是摩托車。對于任何產(chǎn)品，均應(yīng)遵循“在滿足需要的前提下，盡量降低成本”的原則。這也許是我們在設(shè)計(jì)、使用等方面和世界(Mondi)先進(jìn)水平存在的差距。　　4.有刷電機(jī)和無刷電機(jī)的比較因?yàn)?1）有刷電機(jī)的電樞繞組電阻一般大于無刷電機(jī)的電樞繞組電阻； 2）有刷電機(jī)存在有換向器和電刷的機(jī)械磨損； 3）有刷電機(jī)的換向器和電刷間存在接觸電阻； 4）有刷電機(jī)的電刷自身存在電阻。所以在使用同等材料的條件下，無刷電機(jī)的效率高于同規(guī)格的有刷電機(jī)。　　5.低速電機(jī)和高速(High Speed)電機(jī)的比較從電樞繞組電阻來看，一般情況下，高速(High Speed)電機(jī)的較小，低速電機(jī)的較大，所以在電流相同時(shí)，高速(High Speed)電機(jī)的銅損較��；從機(jī)械損耗來看，顯然，高速(High Speed)電機(jī)的大，再考慮到齒輪減速器的損耗，高速(High Speed)電機(jī)的總機(jī)械損耗遠(yuǎn)大于低速電機(jī)；由以上兩方面來看，不難推斷，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML<8Nm的情況下，低速電機(jī)的效率大于高速(High Speed)電機(jī)，而在負(fù)載較大時(shí)，高速(High Speed)電機(jī)的效率有可能高于低速電機(jī)。一般情況下，高速(High Speed)電機(jī)有較寬的高效率平臺。　　6.結(jié)論綜合以上分析，可得出以下結(jié)論：作為電動自行車用電機(jī)，不要追求過寬的高效率平臺和過大的輸出轉(zhuǎn)矩，應(yīng)以滿足需要為目的。否則電機(jī)將消耗過多的主特材料，加大了制造成本，增加了電機(jī)體積和重量；在一般使用條件下，作為電動自行車驅(qū)動電機(jī)應(yīng)選用高效區(qū)間位于4～8Nm的低速永磁無刷電機(jī)，以增加充電一次續(xù)駛里程；對于經(jīng)常騎行在崎嶇不平，坡度變化較大的道路(Strada)上的電動自行車也可選用高速(High Speed)無刷電機(jī)+齒輪減速器的驅(qū)動系統(tǒng)，不過該系統(tǒng)壽命相對較低，使用一段時(shí)間后噪聲加大，需經(jīng)常維護(hù)。