電動自行車電動機功率實驗室比對研究

葉震濤，鄒 艷，李 香（國家輕型電動車及電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 無錫 214101）

電動自行車電動機功率實驗室比對研究

葉震濤，鄒 艷，李 香
（國家輕型電動車及電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 無錫 214101）

文章通過改變電動機功率的測試方法、測試條件、測試設(shè)備，對測試結(jié)果進行比較分析，分析檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生差別的主要原因有熱平衡前后試驗、直流電源紋波因數(shù)、電動機裝夾、測功機性能等，并提出如何將檢測誤差降到最低的方法。而后通過比對試驗，提出電動機功率能力驗證的必要性。

電動自行車；電動機；功率；影響；比對

0 引言

實驗室比對及能力驗證是判斷和監(jiān)控檢驗機構(gòu)能力的有效手段，是檢驗機構(gòu)通過外部措施補充其內(nèi)部質(zhì)量控制方法的技術(shù)。目前，電動自行車電機功率能力驗證方案在國內(nèi)尚未研究，在GB17761-1999《電動自行車通用技術(shù)條件》中，規(guī)定了電動機功率的技術(shù)指標(biāo)，但標(biāo)準(zhǔn)未對試驗過程詳細(xì)規(guī)定。我們調(diào)查了部分實驗室，發(fā)現(xiàn)對于該指標(biāo)的測試細(xì)節(jié)略有差異。

為了解不同條件下，對電動自行車用電動機測試的差異，我們分別通過改變測試方法、測試條件、測試設(shè)備，對測試結(jié)果進行比較分析，分析檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生差別的原因，并提出如何將檢測誤差降到最低的方法。

通過前期的調(diào)查、分析和試驗，我們發(fā)現(xiàn)熱平衡前后試驗、直流電源紋波因數(shù)、電動機裝夾、測功機性能等原因是造成檢測結(jié)果差異的主因。

1　熱平衡對檢驗結(jié)果的影響

GB17761-1999《電動自行車通用技術(shù)條件》在6.1.7條，對電動機功率（電動機額定輸出功率）試驗規(guī)定是“將電動機接上額定直流電壓，加載到其額定轉(zhuǎn)矩，在測功儀上讀得其額定連續(xù)功率”。該條款內(nèi)容是依據(jù)直流有刷電機制訂的，但2004年后，電動自行車用電動機以直流無刷電機為主，并且電動機必須通過控制器才能工作。于是，電動機功率測試將電動機固定在測功機上，連通電動機、控制器、轉(zhuǎn)把，穩(wěn)壓電源與控制器連接，轉(zhuǎn)把開度調(diào)整到最大，將輸入電壓調(diào)整到電動自行車的額定工作電壓下運行電動機，使用測功機逐漸加大轉(zhuǎn)矩至其額定轉(zhuǎn)矩，測量額定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速，通過計算得出輸出功率，或由測功機直接讀出輸出功率。

而歐盟電動車標(biāo)準(zhǔn)EN 15194-2009《自行車-電動助力自行車-EPAC兩輪自行車》第4.2.7條規(guī)定：“最大額定功率要在電機達到制造商規(guī)定的熱平衡狀態(tài)下進行測量?！保ㄗⅲ簾崞胶馐侵鸽姍C部件的溫度變化不超過2K/小時。）

這兩份標(biāo)準(zhǔn)的核心區(qū)別在于是否熱平衡后測試。

根據(jù)電機功率平衡公式

電動機總損耗包括空載損耗、銅耗、鐵耗、機械損耗等，這些損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，向周圍介質(zhì)傳播，使得電動機各部件溫度升高。而電動機繞組的電阻R隨溫度升高而增大，工作電流下降，磁通量減少；當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，電動機轉(zhuǎn)速降低，輸出功率減小。

為此用同一臺48V 350W直流無刷電機進行比對測試，觀察溫度對電機效率影響的大小。在室溫為19.2℃下，通過測功機加載至輸出轉(zhuǎn)矩達到額定值，記錄十組電機輸出功率值，其平均值為331.7W。維持此負(fù)載值不變，待2.5小時電機達到熱平衡后（溫度約上升30K），再次測量十組電動機效率，其平均值為330.3W，較冷態(tài)下輸出功率降低1.4W，誤差達到0.42%。試驗驗證了輸出功率隨溫度的升高而降低的理論。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。于電動自行車至少可以連續(xù)工作1小時，屬于連續(xù)行駛的車輛；并且3C認(rèn)證的電動自行車電動機均為連續(xù)工作制（S1）。因此，根據(jù)實際工況，電動自行車電動機應(yīng)為連續(xù)工作制。而對于連續(xù)工作制電動機，需要熱平衡后測試相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1　冷熱態(tài)電動機效率對比

2　直流電源紋波因數(shù)的影響

直流電源紋波因數(shù)是衡量直流電源品質(zhì)好壞的主要參數(shù)。因為直流穩(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的，這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波。

電動自行車采用蓄電池供電，不存在紋波問題。而在實驗室檢測時，采用直流穩(wěn)壓電源供電，直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓是通過工頻220V交流電源整流濾波得到，由于濾波不徹底，就會有剩余的交流成份，尤其是高頻諧波，對控制器的輸出PWM脈沖產(chǎn)生影響，從而影響電動機轉(zhuǎn)速。

試驗采用兩臺不同紋波峰值電壓的直流穩(wěn)壓電源進行，其中：1號電源的紋波峰值電壓為100mV（對應(yīng)紋波因數(shù)為0.12%），2號電源的紋波峰值電壓為250mV（對應(yīng)紋波因數(shù)為0.30%）。由于電源紋波對電動機效率測試結(jié)果與溫度無關(guān)，測試選擇在冷態(tài)下進行。用這兩臺電源分別給48V 700W電動機的控制系統(tǒng)供電，測功機加載到15.06N.m時，得到由1號電源供電的電動機輸出功率為700.0W，2號電源供電的電動機輸出功率為697.8W，輸出功率相差2.2W，誤差達到0.31%?？梢?，不同品質(zhì)的供電電源對電動機效率測量精度有一定影響。

在實際試驗過程中，無法消除紋波對電動機效率的影響，應(yīng)盡量采用紋波因數(shù)小的直流穩(wěn)壓電源，保證測量精度。

圖1 電動機裝夾圖

3　電動機裝夾的影響

由于電動機上沒有專門用于檢驗的定位裝置，需要通過人為調(diào)節(jié)。通常測功機的一端通過頂尖定位在電動機輸出軸的工藝孔上，另一端通過U型定位槽定位在電動機輸出軸的螺紋端（見圖1）。如果裝夾不當(dāng)，測功機測量中心與電動機中心線產(chǎn)生偏差，會引起電動機的附加振動，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)波動。

以同一臺36V 240W的無刷直流電動機為例，設(shè)計模式一：在電動機與測功機中心精確對中，模式二：電動機與測功機中心線稍有偏離；這兩種情況下測量，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2　電動機對中對輸出功率的影響

試驗結(jié)果顯示，模式一電動機輸出功率波動幾乎可以忽略不計；而模式二波動率達到0.2%，而且兩者之間平均輸出功率也有差異。由此可以看到，由于電動機與測功機對中不當(dāng)，會導(dǎo)致測量誤差的加大。這中測量誤差屬于人為因素造成，可以通過提高試驗人員技術(shù)水平、加強試驗人員操作技能的培訓(xùn)方法，來降低甚至消除誤差。

4　測功機性能的影響

電動自行車用電動機屬于低速電機，低速電機的突出問題是低速時轉(zhuǎn)矩脈動大，導(dǎo)致電動機輸出功率呈周期性變化。轉(zhuǎn)矩脈動是由齒槽轉(zhuǎn)矩脈動和換相轉(zhuǎn)矩脈動組成，其中定子鐵芯上的開口槽和齒是轉(zhuǎn)矩脈動的主要原因；而相繞組電感的存在，使電動機換相時相電流上升、下降速率不一致產(chǎn)生了換相轉(zhuǎn)矩脈動。電動機企業(yè)都在想方設(shè)法解決這些脈動，但無法根除；如目前控制器以方波控制電動機換相，無法解決這些脈動。

為更清楚捕捉住轉(zhuǎn)矩的變化，客觀反映電動機的真實運行情況，采用高靈敏度的測功機，按每秒實時采集100次電動機參數(shù)。試驗采用了某48V 250W電動機，采用10Nm轉(zhuǎn)矩進行測試，選取其中在1.1秒內(nèi)采集的110個連續(xù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示輸出功率在263.9～268. 6W之間波動。其波動率見圖2。

圖2 某電動機110個連續(xù)數(shù)據(jù)的偏差

從數(shù)據(jù)可知，電動機的實時輸出功率實際是呈周期性波動的，最大的電壓差達到4.7W，這將導(dǎo)致測量不確定度變大。實際在檢測過程中，為能測得較為精確的輸出功率，宜采用取平均值方法；目前檢驗機構(gòu)配備的測功機，則是通過采集一定時間內(nèi)數(shù)據(jù)的有效值，內(nèi)置算法得到電動機各參數(shù)，能有效減少電動機周期型波動對數(shù)據(jù)的影響，這時輸出功率的波動率相對比較穩(wěn)定。當(dāng)然程序的優(yōu)劣也會影響到輸出功率，為此在選擇測功機時，除考慮精度外，還應(yīng)進行低速性能的比對，保證檢測結(jié)果的正確。

另外應(yīng)關(guān)注測功機的量程，電動機測功機的轉(zhuǎn)矩低于滿量程的20%時，測量精度無法保證。作為日常檢測，為保證檢測精度，還需監(jiān)視轉(zhuǎn)矩零點飄移值，避免轉(zhuǎn)矩零點飄移值超過允許范圍，造成檢測誤差。

5　比對情況

在以往的試驗中，我們發(fā)現(xiàn)即使相同的人員使用同一測試工具，測試結(jié)果也不盡相同，存在細(xì)微的差別。為此擬定比對計劃，制訂了電動自行車的電動機功率項目實驗室比對作業(yè)指導(dǎo)書，完善了相關(guān)試驗方法；定制了穩(wěn)定性較好的專用電動機、匹配控制器。并選擇了6家不同地區(qū)的電動自行車檢驗機構(gòu)，在同一的試驗方法下進行比對。試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3　電動機效率實驗室比對試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出，即使在統(tǒng)一試驗方法后，在不同的實驗室中，同一臺電動機同一負(fù)載下測試得到的電動機功率并不相同，最大差值達到8.8W，誤差在±2.0%。這與測試方法、測試條件、測試設(shè)備息息相關(guān)相關(guān)。只有將相關(guān)因素有效的控制，才能保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠。我們應(yīng)該從檢測各環(huán)節(jié)加以控制，提高檢驗工作質(zhì)量，確保檢驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

6　結(jié)論

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接體現(xiàn)了一個技術(shù)機構(gòu)檢測水平的高低，只有通過實施電動自行車的電動機效率的實驗室比對，可以提高檢驗機構(gòu)產(chǎn)品的可信度和檢測水平，識別檢驗機構(gòu)存在的問題并制定相關(guān)的補救措施。

（編輯：韓靈麗）

葉震濤（1971-），男，江蘇蘇州，碩士，高級工程師；研究方向：電動自行車。