電動自行車電機的效率

www.gzyongxun.cn 來源：寧波北斗科技有限公司總工程師周長進教授　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-4-28

寧波北斗科技有限公司總工程師周長進教授評價電動自行車性能的優劣最重要的指標是充電一次續駛里程。它除了和配置的電池容量大小等因素有關外，還與電動自行車驅動系統的效率密切相關。所謂效率，是指一系統（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，也可以是機械功率。對于電動機而言，輸入是電功率，輸出是機械功率。因為任何系統內總存在有損耗，所以效率總是小于1。電動自行車驅動系統效率ηs可表示為： ηs=ηC·ηm·ηT·ηR 式中 ηc——控制器效率 ηm= P2m/ P1m——電動機效率 P2m——電動機輸出機械功率 P1m——電動機輸入（即控制器輸出）電功率 ηT——傳動裝置效率對于直接驅動無傳動裝置的驅動方式，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。本文重點介紹電動自行車電機效率的相關問題。　　1.電動機效率電動機效率ηm= P2m/ P1m =（P1m－∑Pm ）/ P1m =1 －∑Pm / P1m 式中∑Pm為電機總損耗，主要包括機械損耗（軸承摩擦損耗、轉子空氣摩擦損耗、換向器和電刷間的機械磨損等）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。電動機負載后又產生銅損和附加損耗，因為它們隨負載大小而變化，又稱為可變損耗。顯然，電機的總損耗越小，其效率越高。換言之，要想提高電機效率，應采取降低損耗的措施。對于電動自行車用低速直接驅動電機，機械損耗較小，而鐵損亦不大。而高速(High Speed)電機（線繞式或印制繞組）+齒輪減速器系統，電機的機械損耗和減速器的磨損相對于低速電機較大，而鐵損較小。總之，對于電動自行車用電機，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，電機銅損PCu = I2Ra ，無論對于何種電機，只要額定功率、電壓相同，電樞電流I差別不大，因此，電機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電面積，但往往這又受到槽面積的制約，導致槽滿率過高，造成下線困難。要解決這一問題只好增加電樞鐵心長度，減小繞組串聯匝數，這樣又增加了電機的制造成本。所以提高效率和降低成本是矛盾的。這就是通常所說的設計高性能指標的電機并不困難，只要增加電機材料的用量則可達到。對于電動自行車用這種數量大而又追求高效率的電機而言，關鍵是設計制造出成本不高而又具有高效率的產品。電機重量基本反映出電機的有效材料用量。目前業內人士評價電機性能最關心的就是電機效率，而忽略了電機重量的不同，實際上，重量不同的電機其效率沒有可比性。一般來說，重量較重的電機應具有較高的效率。但由于電機設計技術的差異，也出現了重量輕而效率高的電機產品。目前電動自行車用幾種電機重量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 G=5.8～6.5Kg ηm =(75～78)% 低速無刷電機 G=4～5.8Kg ηm =(77～80)% 在此說明，電機額定功率越大時，其損耗所占比例相對較小，電機效率越高。　　2.電動機的最高效率ηmax 如前所述，電機損耗可分為基本上不隨負載大小變化的不變損耗和隨負載大小而改變的可變損耗。根據效率表達式，經數字推導證明，電機當可變損耗和不變損耗相等時，效率最高。電動自行車電機經測功機加載檢測，均給出一最高效率點，大家注意到，不同種類、不同規格的電機，最高效率點出現的位置明顯不同，例如低速有刷電機最高效率點位于3～5Nm區間，高速(High Speed)有刷電機ηmax位于5～8Nm，傳統低速無刷電機ηmax位于2～4Nm，新型低速無刷電機ηmax位于4～7.5Nm，高速(High Speed)無刷電機6～9Nm。產生這一現象的原因，根據最高效率出現的條件就很容易理解，即電機轉速越高，機械損耗越大，在鐵損變化不大時，不變損耗越大，在其他條件，如電樞電阻相同時，最高效率ηmax出現在負載電流、轉矩較大的區域。實際上，對最高效率出現區域影響最大的是電樞繞組電阻Ra，Ra越小，同樣電流時，產生的繞組銅損——可變損耗越小。所以最高效率ηmax出現在負載較大區域。對于轉速高，電樞繞組電阻小的電機，最高效率出現在更大的負載區。事實上，對于電動機而言，最重要的是電機的額定效率而不是最高效率。作為電機的最佳化設計，應使電機的運行點位于最高效率點附近。如果一臺電機的最高效率很高，而實際運行工作點遠遠偏離最高效率點，則這時談論最高效率是沒有什么實際意義的。不能用最高效率作為評價電機的指標。對于電動自行車而言，不同規格、不同的車速、正常行駛情況下，負載轉矩一般在4～8 Nm，如前所述，新型低速無刷電機的最高效率正好位于此區間。所以就運行效率而言，該電機具有優勢。　　3．電機的高效率平臺所謂高效率平臺，即在約定的高效率指標下，例80%，其負載轉矩ML（Nm）的范圍。如前所述，影響電機效率的主要參數是電樞繞組電阻Ra，而Ra的大小取決于主特材料——永磁體、導磁材料、導電材料等的用量。眾所周知，磁通和磁勢的相互作用產生電磁轉矩。若永磁體用量多，磁通大，產生一定的轉矩所需磁勢小。在繞組匝數一定的情況下，電流小，銅損小，效率高。Ra越小，可允許電樞電流I即使在較大范圍內變化（即負載變化較大），其產生的繞組銅損PCu = I2Ra也不至過大，電機仍具有較高效率，高效率平臺較寬。據此，對于功率、轉速接近，而額定電壓相同的電機，我們可通過測量電樞繞組的直流電阻Ra初步比較、判定電機的最高效率、額定運行效率的高低和高效率平臺的寬窄。在此，特別強調指出，有些廠商過分追求較寬的高效率平臺實在沒有必要。因為電動自行車在正常使用下，其轉矩ML=4～8Nm，只要在此范圍內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。起動和爬坡時所需轉矩不應作為電機設計的依據。其原因： 1）起動、爬坡和正常行駛相比，畢竟在時間上所占比例較小； 2）起動和爬坡對轉矩的要求可通過電機的轉矩過載來滿足； 3）過大的轉矩都是通以大電流來實現的，大電流將會對電池造成不允許的沖擊(Impuise)和嚴重破壞，大幅降低電池的循環壽命； 4）如果依起動和爬坡轉矩作為設計依據，將導致使用過多的主特材料，加大了成本。鑒于此，強調過寬的高效平臺，過分追求大轉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。對于任何產品，均應遵循“在滿足需要的前提下，盡量降低成本”的原則。這也許是我們在設計、使用等方面和世界(Mondi)先進水平存在的差距。　　4.有刷電機和無刷電機的比較因為 1）有刷電機的電樞繞組電阻一般大于無刷電機的電樞繞組電阻； 2）有刷電機存在有換向器和電刷的機械磨損； 3）有刷電機的換向器和電刷間存在接觸電阻； 4）有刷電機的電刷自身存在電阻。所以在使用同等材料的條件下，無刷電機的效率高于同規格的有刷電機。　　5.低速電機和高速(High Speed)電機的比較從電樞繞組電阻來看，一般情況下，高速(High Speed)電機的較小，低速電機的較大，所以在電流相同時，高速(High Speed)電機的銅損較小；從機械損耗來看，顯然，高速(High Speed)電機的大，再考慮到齒輪減速器的損耗，高速(High Speed)電機的總機械損耗遠大于低速電機；由以上兩方面來看，不難推斷，在負載轉矩ML<8Nm的情況下，低速電機的效率大于高速(High Speed)電機，而在負載較大時，高速(High Speed)電機的效率有可能高于低速電機。一般情況下，高速(High Speed)電機有較寬的高效率平臺。　　6.結論綜合以上分析，可得出以下結論：作為電動自行車用電機，不要追求過寬的高效率平臺和過大的輸出轉矩，應以滿足需要為目的。否則電機將消耗過多的主特材料，加大了制造成本，增加了電機體積和重量；在一般使用條件下，作為電動自行車驅動電機應選用高效區間位于4～8Nm的低速永磁無刷電機，以增加充電一次續駛里程；對于經常騎行在崎嶇不平，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+齒輪減速器的驅動系統，不過該系統壽命相對較低，使用一段時間后噪聲加大，需經常維護。