電動自行車性能優劣指標：電機的效率

www.guilinhy.com 來源：電動車商情網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2005-8-3 1

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。 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。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。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4～8Nm，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的大小取決于主體材料——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。 4.有刷電機和無刷電機的比較 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。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。