電動自行車無刷直流電機(jī)及驅(qū)動方式的優(yōu)缺點

董 鮑

電動自行車無刷直流電機(jī)及驅(qū)動方式的優(yōu)缺點

董 鮑

（杭州哲峰金屬制品有限公司，浙江 杭州 311231）

近年來，電動自行車以其低碳環(huán)保，節(jié)能便捷的特點，越來越受到消費者的青睞。電機(jī)是整車的動力輸出部分，也是整車的核心部分，電機(jī)的好壞，決定了整臺車的質(zhì)量與使用壽命的長短，所以選擇一臺性價比好的電機(jī)顯得至關(guān)重要。

電機(jī)；電機(jī)驅(qū)動；功率；效率

目前，市場上所用的電機(jī)有兩種，輪轂電機(jī)和中置電機(jī)，中置電機(jī)由于成本高昂，傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，目前市場占有率低，本文著重分析輪轂電機(jī)。輪轂電機(jī)按照裝的驅(qū)動位置不同，又分為前驅(qū)輪轂電機(jī)和后驅(qū)輪轂電機(jī)，前輪轂電機(jī)裝在前輪作為動力源，后驅(qū)輪轂電機(jī)裝在后輪作為動力源，兩者電機(jī)的主要構(gòu)造是相同的，主要不同點是外形裝配尺寸和后輪轂電機(jī)多了一個裝自行車飛輪的機(jī)械部分。

1 輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)

輪轂電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、減速機(jī)構(gòu)離合器、輪轂外殼等主要配件組成。

1.1 電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)

電機(jī)的定子主要是由鐵芯和線圈繞組構(gòu)成，鐵芯由0.2～0.5mm硅鋼片疊壓而成，每單片硅鋼片表面有一層絕緣層，減少渦流損耗，從而減少電機(jī)發(fā)熱。定子又分為外轉(zhuǎn)子定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子定子，如圖1、2所示。

外轉(zhuǎn)子電機(jī)一般轉(zhuǎn)速較低，極對數(shù)多，轉(zhuǎn)矩較大，而內(nèi)轉(zhuǎn)子極對數(shù)少，電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，調(diào)速范圍比較大，通過大的減速比也能達(dá)到較大的轉(zhuǎn)矩，對于要求高轉(zhuǎn)速的場合，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)有一定的優(yōu)勢。

圖1 外轉(zhuǎn)子定子鐵芯

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)子定子鐵芯

關(guān)于線圈繞組，直流電機(jī)線圈繞組多采用分?jǐn)?shù)槽繞組，采用分?jǐn)?shù)槽繞組主要優(yōu)點在于：①電樞沖片齒槽數(shù)減少，便于沖片和鐵芯的制作；②可以大大減少繞組線圈端部長度，節(jié)省銅材，減少電樞漏抗，提高電機(jī)效率，增加電機(jī)換向的穩(wěn)定性；③減少齒槽效應(yīng)；④減少電機(jī)的發(fā)熱量［1］。

1.2 電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子一般由磁軛和永磁體構(gòu)成，由于輪轂電機(jī)要求較高，永磁體一般選用高性能的銣鐵硼磁鋼，如35SH、38SH等高性能的磁鋼，而磁軛，也就是承載磁鋼的載體，一般選用低碳鋼或硅鋼片疊壓而成，因為這兩種材料導(dǎo)磁性能較好，硅鋼片導(dǎo)磁性能要好于低碳鋼，但成本略高于低碳鋼。

1.3 減速機(jī)構(gòu)和離合器

輪轂電機(jī)經(jīng)過減速后，得到較高的扭矩和較低的轉(zhuǎn)速，目前市場上輪轂電機(jī)減速機(jī)構(gòu)一般是由一級或二級尼龍齒輪來減速，另外還有一種行星輪摩擦減速，如圖3、4所示。

圖3 尼龍齒輪減速

圖4 摩擦輪減速

1.4 輪轂電機(jī)的外殼

考慮到輕便，市場上電動自行車電機(jī)外殼一般都是由鋁壓鑄成形后，再精加工而成，這里不再贅述。

2 輪轂電機(jī)的重要工作電參數(shù)及其特性

電機(jī)的重要參數(shù)可分為工作電壓、電流、額定功率、效率、扭矩、轉(zhuǎn)速。

2.1 工作電壓

電動自行車輪轂電機(jī)工作電壓也就是通常說的額定電壓有DC24V、DC36V、DC48V、DC72V，考慮到成本問題，市場上主要以額定電壓DC24V和DC36V的直流電機(jī)居多，具體情況根據(jù)用戶的需求來定。

2.2 電流

電機(jī)的電流涉及“空載電流”“額定電流”“堵轉(zhuǎn)電流”3種，下面逐一分析。

2.2.1 空載電流?？蛰d電流就是電機(jī)在沒有負(fù)載的情況下，通電以后電機(jī)的工作電流。空載電流大小跟電機(jī)的效率及發(fā)熱有密切的關(guān)系，空載電流越小，功率因數(shù)越高，反映電機(jī)自身損耗就越小，發(fā)熱也會越小，反之電機(jī)自身損耗就越大，發(fā)熱也就會越大。

2.2.2 額定電流。額定電流就是電機(jī)在額定負(fù)載情況下的工作電流，就輪轂電機(jī)自身結(jié)構(gòu)的特殊性，I=P/U，一般來講，24V的輪轂電機(jī)一般額定電流范圍在6.5～10.2A，36V的輪轂電機(jī)的額定電流大致在4～7A。

2.2.3 堵轉(zhuǎn)電流。堵轉(zhuǎn)電流就是電機(jī)不是在額定負(fù)載情況下而是在非正常情況下，電機(jī)處于過載狀態(tài)，這時電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為零，但仍有轉(zhuǎn)矩輸出，此時的工作電流的大小可衡量一個電機(jī)過載能力的大小，堵轉(zhuǎn)電流越大，電機(jī)過載能力越強(qiáng)，堵轉(zhuǎn)電流越小，電機(jī)過載能力越小，堵轉(zhuǎn)電流一般是電機(jī)額定電流的1.2倍左右，當(dāng)然不建議電機(jī)長時間處于過載工作狀態(tài)下，這樣的話，電機(jī)很容易燒掉。電機(jī)工作時，由于控制器具有限流保護(hù)作用，一般電機(jī)不會在電機(jī)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作［2］。

2.3 功率

通常談到的電機(jī)功率，大多指電機(jī)的額定功率，多是指在額定電壓和額定負(fù)載下電機(jī)輸出的功率。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)功率的設(shè)計原則有兩種，分別是按照“發(fā)熱原則”和“性能原則”，電動自行車由于其能源的特殊性，很顯然其輪轂電機(jī)是遵循性能原則設(shè)計的，性能原則包括電氣性能、機(jī)械性能和其他附屬性能。自行車上輪轂電機(jī)功率一般在150～350W，目前市面上用的比較多的前驅(qū)電機(jī)額定功率有150、180、250W這3種類型。一般來說，電動自行車以20km/h的速度在平地上恒速行駛，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載在80kg和無風(fēng)的條件下，經(jīng)測試一般消耗的功率在90～130W，平均消耗功率為110W左右，如果遇到有風(fēng)和上坡情況，電機(jī)的輸出功率180W，也足以滿足騎行要求，基于成本和其他方面的綜合考慮，市場上以額定功率180W輪轂電機(jī)最多。

2.4 效率

電機(jī)的效率是衡量電機(jī)能量利用率高低的重要指標(biāo)，效率越高，電機(jī)自身的各種損耗（鐵損、銅損、機(jī)械損耗、其他雜散損耗）就越小，通俗地講就是電機(jī)效率越高，電池越省電，一次續(xù)行的里程越遠(yuǎn)。廠家認(rèn)為既然電機(jī)效率越高越省電，那就盡力提高電機(jī)效率，但這里面還涉及成本問題，因為大幅度提高電機(jī)的效率是以增加電機(jī)的有效材料（永磁材料、銅線、導(dǎo)磁材料）為代價的，傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計有一些重要理論，就是電機(jī)的效率提高1%，有效材料要多消耗10%。所以，單從提高效率來講，性價比很低，不符合市場需求。

2.5 電機(jī)轉(zhuǎn)速

一般談?wù)撾姍C(jī)的轉(zhuǎn)速是指電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)速，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速按照設(shè)計原則，一般源轉(zhuǎn)速在2 000～4 000r/min，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)減速以后，輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速一般在160～340r/min，目前市場上以 160r/min、190r/min、210r/min、260r/min幾種為主，用戶一般告知電機(jī)裝在多大尺寸的車子上，要求整車時速是多少，就可以計算出用戶需要的額定轉(zhuǎn)速的電機(jī)。

用戶需要的轉(zhuǎn)速N=［整車時速（km/h）×1 000］/［3.14×輪徑×0.025 4×60］。目前，國內(nèi)對于電動車時速管理不夠規(guī)范，如果出口歐洲，根據(jù)歐洲的EN15194標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制規(guī)定整車時速不能超過25km/h。

2.6 電機(jī)的扭矩

電機(jī)的扭矩也是電機(jī)的一個重要參數(shù)，其是衡量電機(jī)爬坡性能的一個重要指標(biāo)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩越大爬坡能力越強(qiáng)。目前，正常騎行的話，電機(jī)輸出的扭矩大概在5～9Nm，電動自行車運(yùn)行的是一個區(qū)間而不是一個點。

3 中置電機(jī)

中置電機(jī)，就是裝在自行車中軸上的電機(jī)，其直接帶動自行車牙盤轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動整車前進(jìn)。中置電機(jī)和輪轂最大的區(qū)別在于機(jī)械部分，電氣部分相似，其機(jī)械部分較為復(fù)雜，故障率較高，制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪轂電機(jī)，目前市場占有率很低，這里不再詳細(xì)介紹。

4 不同驅(qū)動類型的優(yōu)缺點

由于電機(jī)裝的位置和自身結(jié)構(gòu)不同，所以形成的驅(qū)動方式也不一樣，下面筆者簡單分析各種電機(jī)裝在車子不同位置上形成不同驅(qū)動類型的優(yōu)缺點。

4.1 前輪輪轂電機(jī)驅(qū)動優(yōu)缺點

4.1.1 優(yōu)點。①對于電動自行車來說，前輪輪轂電機(jī)驅(qū)動，整車的動力輸出在前輪，從工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和受力分析來講，前驅(qū)驅(qū)動力的分配較為合理。金屬桿件壓和拉的受力狀態(tài)完全不同，受拉只涉及金屬桿件的強(qiáng)度問題，不存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，而當(dāng)金屬桿件受壓時，壓力的作用點必須在金屬桿件的斷面中心點上，稍微有點偏差的話，金屬桿件就容易發(fā)生變形或彎曲，甚至被破壞。為了斷面系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量達(dá)到要求，就要加大結(jié)構(gòu)面的受力面積，從而增加成本，更增加車身的重量，所以說拉優(yōu)于推，遇到較差的路況，不易發(fā)生事故。②對于前輪驅(qū)動來說，在同等條件下，整車越障能力相對較強(qiáng)，在不平路段、石子路面、坑凹路、泥濘路以及雪后的冰雪路面，用前輪驅(qū)動可以做到相對平穩(wěn)順利。③電動自行車采用前輪驅(qū)動，便于電動自行車合理配重，電動自行車的電源配置多采用中置和后置配置，這樣的話造成后輪負(fù)載過大，由于車架構(gòu)造和軸距不同，后輪的分配電池重量的比例也不同，一般不少于50%，騎行者體重的60%分配在后輪上，從而使整車的負(fù)載配置不合理。④對于輪轂電機(jī)，騎行過程中，相對于中置電機(jī)，噪音很小。⑤前輪驅(qū)動，一旦發(fā)生電機(jī)故障，拆卸維修方便。

4.1.2 缺點。由于受到整車外觀的影響，電機(jī)的外形尺寸會受到一定影響，從而限制前驅(qū)電機(jī)的功率。

4.2 后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動優(yōu)缺點

4.2.1 優(yōu)點。①電機(jī)驅(qū)動裝在后輪，相對前驅(qū)電機(jī)來講，其不受外形影響，外形尺寸可以做大一些，電機(jī)的功率也可以相應(yīng)做大一些，在不同情況下，可以更好地滿足消費者對動力的需求。②后輪輪轂電機(jī)騎行中的噪音相對于中置驅(qū)動的電機(jī)來講，要小得多。

4.2.2 缺點。①發(fā)生故障，維修不方便。由于電機(jī)驅(qū)動裝在后輪，勢必要和變速飛輪、剎車以及一些電氣線裝在一起，電機(jī)發(fā)生故障后，拆卸維修很不方便。②同等功率條件下，后輪轂驅(qū)動越障能力沒有前驅(qū)越障能力強(qiáng)，在不同路面情況下，安全系數(shù)沒有前驅(qū)驅(qū)動高。③對于后驅(qū)輪轂驅(qū)動來講，整車負(fù)載比例分配不合理，后輪承擔(dān)超過60%的負(fù)載比重，故障率會相對高一些。

4.3 中置電機(jī)驅(qū)動優(yōu)缺點

4.3.1 優(yōu)點。①對中置驅(qū)動的整車來說，啟動更有力，中置電機(jī)不受外形限制，相對于前后輪轂電機(jī)來講，電機(jī)的功率可以做得更大，扭矩更大，整車的動力更強(qiáng)。②中置電機(jī)的效率很高，輪轂電機(jī)設(shè)計時受到外形的影響，只能以犧牲效率來滿足輪子外形要求，而中置電機(jī)不需要考慮這些，設(shè)計以高效率為準(zhǔn)則。

4.3.2 缺點。①該類型電機(jī)驅(qū)動，噪音很大，鏈輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生摩擦噪聲，而前后輪轂電機(jī)驅(qū)動，沒有噪音。②中置電機(jī)的經(jīng)濟(jì)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前后輪轂電機(jī)。

［1］徐翹甲，王萬軍，陳文龍.關(guān)于電動自行車電機(jī)效率和功率的討論［J］.中國自行車，2003（9）：29-31.

［2］崔萬安.電動自行車前輪驅(qū)動研究［J］.電動自行車，2006（1）：37-39.

Analysis on Advantages and Disadvantages of Brushless DC Wheel Motor and Driving Mode of Electric Bicycle

Dong Bao
（Hangzhou Zhefeng Metalwork Co.,Ltd.，Hangzhou Zhejiang 311231）

In recent years,electric bicycles with its low-carbon environmental protection,energy saving and convenient features,more and more favored by consumers,and the motor is the power output part of the vehicle,but also the core part of the vehicle,the motor is good or bad that determinesthe quality of the entire bicycle and the length of life,all thatchoose a cost-effective motor is very important.

motor；motordrive；power；efficiency

TM33；U484

A

1003-5168（2017）09-0035-03

2017-08-03

董鮑（1985-），男，助理工程師，研究方向：機(jī)電一體化。