电动自行车电机效率和功率

电动自行车电机效率和功率长期以来，电动自行车电机的效率和功率成为“说不清”的问题，无论是有关标准的叙述，还是 商品的样本、铭牌标注；无论是专业人员还是销售、采购人员，电动自行车电机的效率和功率始终没有 一个公认和明确的定义。所以重新讨论电动自行车电机的效率和功率问题是十分必要的。 工业标准电机的设计，大体上有2 类原则：1.发热原则： 电机的绕组、永磁材料或导电部分，主要的结构部分（如轴承）在经济使用寿命期（工业电机为15-20 年，电刷允许定期更换）内允许安全运行的极限温度。一般对于上述部位分别有明确的温度（或温升） 限制，不同的材料也有不同的允许极限温度。例如以聚酯薄膜聚酯纤维纸为槽绝缘和高强度聚酯漆包线 组成的电气系统为B级绝缘。连续运行时允许的绕组温升极限为80K （用电阻法检测）。2.性能原则：性能原则包括电气性能，机械性能和其它性能等。电气性能通常指力能指标（如效率、功率因数），转 速，转速变化率，转矩，短时过载能力，换向等。机械性能一般有外形和安装尺寸限制（如在轴向或径 向尺寸上有所限制），转动惯量，材质，极限转速等。其它性能一般有噪声，振动，可靠性，性能/价 格比，特殊环境用途等。根据用途，电机大体可以分为2类。一类为驱动用，另一类为控制用。很显然，电动自行车用的电机， 应当归为驱动用电机。在长期的实践中，工业驱动用的电机标准，巧妙地将上述2 个原则融汇成一个整 体。如交流电机的温升和效率实际上都非常接近标准的上限，你很难说它属于“发热原则”设计还是“性 能原则”设计。温升和效率同时满足标准上限的电机通常效率值并不算高。还有一种“高效率”电机， 通常比普通电机效率高 4-7%（与功率、转速等有关），它的温升就非常低，属于“性能原则”设计。对于短时使用的（如阀门电机，有时几天，甚至一年才能运行一次）电机，通常没有考虑效率的必要， 在保证基本性能要求的条件下，应当用“发热原则”设计。反之我们也可以说，一台电机的额定功率是 不确定的，按照“发热”或“性能”来确定，同一台电机的额定功率在相当大的范围内是变值。电动自行车由于它的能源的特殊性，电机设计应当采用“性能原则”设计，即尽可能将电机效率设计得 高一些。通常高效率电机的温升不会发生问题。相信很多人会说：“那我们就把电机效率设计的高高的，不就成了吗？”。不成！因为提高效率是以有 效材料（铜线、导磁材料，永磁材料）的付出为代价，即效率越高，材料消耗越多，成本越高，电机也 越重。传统的电机设计有一种经典理论，即效率提高1%，有效材料要多消耗10%。对于电动自行车电机 来说，想要大幅度提高效率不仅仅是单纯的材料成本问题，整车重量和体积恐怕都是不允许的。 上面我们说过，电动自行车电机设计应当采用“性能原则”设计，那么如何确定一个标准性能呢？ 电动自行车的车体状态参数（轮胎花纹，规格，充气状态），和骑行状态参数（骑行速度，路面状况）复杂，还无法用用一个标准的参数去描述骑行状态。一般来说，在以20Km/h的速度恒速平地骑行、标 准负载质量（75千克）和无风的条件下，电动自行车消耗的功率为95-115W,平均功率为105W，我们 可以认为这就是电动自行车“标准骑行状态”时的电机功率。考虑到在有弱风和非连续性的小的坡度下 也能骑行（允许速度有所降低），而且要有一定的动态性能（加速度），电机的功率150-180W也足够 了。电动自行车在城市骑行经常运行于起动-加速-恒速-减速-制动状态，恒速状态常常是十分短暂的。在加速过程中，电机的极限输出转矩或功率（更准确的说应当是转矩，因为功率还与转速有关）取决于控制器的限流。3倍额定电流（标准骑行状态105W时电流，36V时大约为3.6-4.0A，与电机效率有关）为12A（24V为18A），可以获得大约3倍的额定转矩。如果要想获得更好的动态性能和爬坡性能，就要求电机的额定功率达到200 W以上，此时电机在“标准骑行状态”运行，可能并不是最省电的。 大量的计算和实践表明，对于电动自行车电机，其性能差异主要是电机的转速，而不是有刷或无刷电机。 对中、高速电机带2-3级减速机构（俗称有齿电机）和低速不带减速机构的直接驱动电机（俗称无齿电 机）进行比较，并用一个统计的曲线（20km/h，610mm电动自行车）来描述（图1）。由曲线可以看到，低速电机（无齿电动轮毂）在A区和B区附近有较高的效率，一般可以达到82-73%。 在C区（加速运行状态）效率表现较差。减速电动机则有相反的表现，即在3区（标准骑行状态）效率 逐渐呈现上升的趋势，总体平均值比低速电机低一些，一般在72-78%之间（与减速器有关）。在加速 区表现比低速电机好，效率的最大值发生在C区甚至D区。在D区，低速电机的表现比减速电动机差很 多，不过限流区是非工作区，所以没有实际意义。单就效率指标而言，低速电动轮毂和减速电动机相比， 都没有压倒优势，可以说各有优缺点，目前不可能排斥掉任何一方。 由于电动自行车运行的特殊性，用单一的“标准骑行状态”也不是完全合理的。如果用一个统计的加权 系数来修正效率曲线，并取A, B, C三个实际运行区间曲线下所包络的面积来确定“等效”的效率，是 比较客观的，不过这样会使数据的处理变的特别复杂，难以操作，尤其在电动自行车这个行业。所以我 们还是认为引入“标准骑行状态”是必要的。具体来说“标准骑行状态”就是功率P2=105W （可以通过进一步认证确定更合适的数值）车速 V=20km/hV二n*D*N*60*10-6 =1.885*N*D*10-4 km/hD计算轮径，mm（实际骑行时车胎直径会比空载时车胎直径小一些）N转速，r/min以610mm电动自行车为例，电动轮毂的转速是N=106103.3/D=106103.3/610=174 r/min转矩 M=9.55*P2/N=9.55*105/174=5.76 Nm 之所以引入功率概念而不是转矩，是因为在一定的车速下，不同的轮径转矩不同，而功率基本相同。 P2=M*N/9.55=D/2*F*N/9.55=K*F*V=M 数（V 定时）F电动自行车驱动力（水平分量）M=D/2*F如果标准中同时规定在“标准骑行状态”105W和C区的中间点，约150-180W两种状态下的效率（或效 率平均值）就可以规范电动自行车的实际运行性能。105W时功率称为“标准骑行功率”；150-180W的 输出功率可以规定为“额定功率”。目前有许多企业用效率曲线的最高点作为产品的“额定”状态是错误的。因为无论是低速电动轮毂还是 减速电动机，其“工作点”都不在效率曲线的最高点。再者，电动自行车运行是一个区段而不是一个点。另一误区是商家竭力把自己的产品功率标注得很大，有时甚至超过了电机可能达到的最大功率（也许功 率也与销售价格成正比吧！）。由于电机输出功率P2=M*N/9.55随着转矩M的增加（电流成比例增加），而转速N却在减少，所以P2有一个最大值，当电机的转矩小 于负载转矩时，电机就制动了（N=0），此时电机的转矩最大（电流也达到最大，称为短路），而输出 功率 P2=0。对于低速电动轮毂来说，最大功率一般做不大。例如额定转速为180 r/min的电机，最大功率达到210 W就不错了。转速越高，最大功率也越大。额定转速2000 r/min以上的电机，最大功率达到400W就不 足为奇了。就电机的额定功率问题。YAMAHA认为他们将电机的额定功率定在235W（我们国家标准定在240W是否参 考了日本技术条件，不知道），是因为他们的电动自行车可能运行在日本的丘陵地带，这是他们的国情。YAMAHA的电动机毫无例外的采用高速电机（有刷无刷均如此）235W的额定功率并不难达到。我们国内 的中轴驱动用的电机（转速约2000r/min）也能达到这个水平，甚至力能指标还比日本高一些。应当指 出高速电机（4000r/min左右）可能要用到3级齿轮减速或2级摩擦减速（YAMAHA和国内有一家企业生 产的迷你轮毂曾经用过），电机空载电流较大，效率的最高点有可能超出实际运行区，而进入限流区， 电动自行车实际耗电较大，并不一定节能。