電動自行車用電機

www.mydingqi.com 來源：電動車商情　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-6-30

目前，電動自行車驅動系統所應用的電機按有無電刷來分，可分為永磁有刷直流電動機和永磁無刷直流電動機。按轉速來分，有低速直接驅動永磁電機和高速(High Speed)永磁電機+減速器，它們的組合幾乎涵蓋(Guy)了業界在用的所有電機。本文介紹它們的特點，并從多方面加以比較。 1.永磁有刷直流電動機和永磁無刷直流電動機電磁式有刷直流電動機歷史悠久，其理論、設計、制造技術成熟。隨著鐵氧體、鋁鎳鈷永磁體的問世，永磁式有刷直流電機逐漸發展起來，尤其是在上世紀八十年代初，性能優異、成本低的釹鐵硼稀土永磁的出現，民用永磁有刷電機得以突飛猛進的發展。所以在此次電動自行車熱潮中，釹鐵硼稀土永磁有刷直流電動機被廣泛應用也是自然的事了。近些年，隨著電機控制技術的進步，大功率、多功能的電子元器件的問世，永磁無刷電機在研發、制造、商品化方面的進展極為迅速，普遍被人們認為是未來(Futura)電機的發展方向。從目前情況來看，大有取代應用在各領域的多種傳統電機。其原因在于永磁無刷電機和其他電機相比，具有傳統電機無法比擬的優越性。現僅對電動自行車用外轉子永磁無刷電機和永磁有刷電機加以比較。 1.1 性能方面 1）效率我們討論效率高低的前提條件是：兩電機使用同種類、同型號的主特材料，且數量近似相同。因為有刷電機的換向器和電刷間的機械摩擦損耗，而且電動車用的有刷電機考慮到使用環境較為惡劣，電刷壓力大于常規電機的電刷壓力，這進一步增加了二者之間的磨耗；另一方面，有刷電機的銅損也大于無刷電機，這和電樞繞組電阻大小有關。除此之外，有刷電機還存在換向器和電刷間的接觸電損耗和電刷本體的電損耗。因此，同樣功率、轉速的兩種電機，無刷電機的效率高于有刷電機。 2）功率密度功率密度是指單位質量（或體積）電機所能提供的功率。有刷直流電機受到換向火花的制約，其電磁參數不能取得太高，再加上和無刷電機相比，增加了換向器和電刷機構附件，所以同樣功率、轉速的兩種電機，有刷電機消耗材料多，體積大，重量重，即功率密度低。 3）壽命因為換向器和電刷間產生電火花及它們之間的機械磨損，電刷磨損到一定程度后可以更換，但換向器磨損到一定程度是不可修復的，即意味著電機壽命的終結。而無刷電機中不存在這種磨損，僅存在著有刷電機同樣有的軸承磨損。所以無刷電機的壽命比有刷電機要長得多。 4）振動和噪聲作為電動自行車用電機，永磁有刷直流電機在起動加速過程中運轉平穩，噪聲小。而永磁無刷直流電機由于是一相一相換流，而不是有刷電機的一個元件一個元件的換向。再加上電機繞組電感的影響，使換流不是理想狀態，從而引起轉矩波動，當其波動頻率和車體的共振頻率接近或相等時，這種振動、噪聲被放大，給人不舒服的感覺。當越過共振區到正常行駛狀態，振動和噪聲基本消失。 5）加速性和過載能力電動自行車的加速性和過載能力完全取決于電機能夠產生的最大電磁轉矩。電磁轉矩大，則電動車的加速快、過載能力大。眾所周知，電磁轉矩Me=KmImax,其中轉矩常數Km對于電壓、車速、胎徑相同的電動自行車，相差不大，效率高的電機Km稍大，所以電磁轉矩Me的大小基本上取決于控制器限流，限流值大，電磁轉矩大，加速快、過載能力強。 6）繞組溫升和磁體熱退磁作為電動自行車用驅動電機，大多采用外轉子結構。有刷電機的有繞組定子鐵心作為轉子在外旋轉，磁體和導磁軛作為定子在內靜止不動。無刷電機則反之，磁體在外旋轉，有繞組定子鐵心在內靜止不動。凡在外旋轉者散熱條件好，溫升低。在內靜止者散熱條件差，溫升高。據此不難分析，有刷電機繞組溫升低，磁體散熱條件不好。而無刷電機磁體散熱條件好，不易退磁，繞組散熱條件不好。考慮到繞組電阻的大小，浸漆狀況，兩種電機的繞組溫升接近。 7）工作可靠性就電動本體來說，因有刷電機存在換向器和電刷，二者之間既有接觸，又有電氣關聯，關系相當復雜，涉及到力學、電磁學和化學等方面的問題，二者之間產生的換向火花是影響有刷電機可靠工作的最主要因素。相對而言，無刷電機因為用電子換向取代了有刷電機的機械換向，工作可靠性要高得多。 8）電磁干擾有刷電機本體就是電磁干擾源，其換向器和電刷之間產生的換向火花可產生嚴重的電磁干擾。為了減小電磁干擾，有些有刷直流電機內或出線端采取了一些防干擾措施，比如，附加濾波裝置。對于電動自行車這種數量巨大、到處行駛的產品，大量使用電磁干擾嚴重的有刷電機，將會產生嚴重的電磁污染，但這一問題至今還未引起有關部門重視，制造廠商也未采取防干擾措施，這將造成嚴重后果，而無刷電機基本上沒有電磁干擾，這也是電動車廠商選用電機應考慮的因素之一。 1.2 經濟性有刷電機和無刷電機相比，部件較多，結構、制造工藝較復雜，經濟性差。 1）材料消耗由前所述，有刷電機的功率密度較低，所以對于功率、轉速相同的電機，要達到同樣的性能指標，在主特材料的消耗方面，有刷電機要大于無刷電機，況且有刷電機又有換向器及電刷結構部件。 2）制造成本有刷電機部件多，結構、制造工藝復雜，制造成本高于無刷電機。 3）運行費用有刷電機效率低，又需經常維護，顯然有刷電機的運行費用高于無刷電機。 1.3 維護、維修性對有刷電機的換向器和電刷，需定期進行維護，如更換電刷，彈簧姿態、壓力調整，清除碳粉，清洗換向器表面，云母下刻等，進行這些工作，需要一定的技術，有些需要專業人員進行，而無刷電機一般不需維護。 1.4 環境適應性一般來講，有刷電機對使用環境有一定要求，如有酸、堿的場合，太潮濕、太干燥等都對有刷電機運轉有一定影響，所以它的環境適應性差，而無刷電機對環境要求不高，環境適應性強。在此說明，與無刷電機匹配使用的控制器和有刷電機的控制器相比，技術、結構復雜，工作故障概率大一些，技術要求較高，成本也高。隨著控制技術的進步、大規模集成元器件的出現，無刷電機的控制器所存在的問題將得到大改善或者徹底解決。 2.低速直接驅動電機和高速(High Speed)電機+減速器目前國內用于電動自行車的電機從轉速上來分主要有低速直接驅動電機和高速(High Speed)電機+減速器兩種。電機又有盤式無鐵心（含線繞式和印制繞組）電機和圓柱式有鐵心電機之分，與此相關的減速器有鏈條減速，普通圓柱齒輪減速器（分一級、二級），傘形齒輪減速器，諧波齒輪減速器，行星齒輪減速器，磙子柔性減速器等，后兩種近來才用于電動車電機。以下對低速電機和高速(High Speed)電機+減速器作一下比較。 2.1 性能方面 1）效率高速(High Speed)電機有較大的機械損耗，再加上減速器的摩擦損耗，所以高速(High Speed)電機的機械損耗遠大于低速電機。鐵損方面，低速有鐵心電機高于高速(High Speed)無鐵心電機，總的空載損耗高速(High Speed)電機為大。在繞組銅損方面，因相同電壓的高速(High Speed)電機電樞繞組電阻小，同樣功率、轉速的電機銅損小，基于以上兩方面的原因，低速電機在一定的負載范圍內有較高的效率，而在大負載情況下，高速(High Speed)電機的效率有可能高于低速電機。根據分析，高速(High Speed)電機的最高效率出現在負載轉矩較大的范圍內，且有較寬的高效率平臺。 2）壽命就兩電機的繞組溫升對壽命的影響很難判斷壽命長短，但從軸承和減速器兩方面來看，高速(High Speed)電機的壽命較短。 3）振動和噪聲一般來說，低速電機的振動和噪聲小，高速(High Speed)電機大，再考慮到減速器產生的振動和噪聲，二者相比之下，在振動和噪聲方面，低速電機具有高速(High Speed)電機無法比擬的優勢。 4）加速性和過載能力由分析，因為電機具有較小的繞組電阻，所以即使電樞繞組電流較大時也不至使繞組溫升過高，效率過低。所以使用高速(High Speed)電機的電動車，在電池允許使用的安全電流下，可取較大的限流值，該車具有較快的加速性和較大的過載能力。 5）繞組溫升和磁體熱退磁盤式（線繞式或印制繞組）高速(High Speed)電機因為電機本體被封閉在殼體內，散熱條件差，因而導致繞組溫升較高，磁體易發生熱退現象。低速電機磁體散熱條件良好，不會熱退磁。 6）工作可靠性從工作的可靠性而言，低速電機具有較高的可靠性是不言而喻的。高速(High Speed)電機+減速器的可靠性要差得多，尤其是減速器部件是最薄弱環節，發生故障的概率高。減少故障的措施是采用較好的材料，提高加工精度、經常維護，這往往又受到成本的制約。 2.2 經濟性高速(High Speed)電機本體消耗材料較少，但對盤式電機而言，因為電磁氣隙較大，氣隙磁密小，漏磁較大，永磁體沒有得到充分利用。另一方面，和高速(High Speed)電機相配的減速器部件、零件加工精度要求高，這勢必加大了制造成本。所以高速(High Speed)電機+減速器的售價一般高于同規格的低速電機。另外，減速器需定期維護、更換，其運行費用高。 3. 結語綜合以上分析，作為電動自行車用驅動電機，應首選低速永磁無刷電機，在其他特殊情況下，也可考慮其他方案。