电动自行车用电机
目前，电动自行车驱动系统所应用的电机按有无电刷来分，可分为永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机。按转速来分，有低速直接驱动永磁电机和高速永磁电机+减速器，它们的组合几乎涵盖了业界在用的所有电机。本文介绍它们的特点，并从多方面加以比较。1.永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机电磁式有刷直流电动机历史悠久，其理论、设计、制造技术成熟。随着铁氧体、铝镍钴永磁体的问世，永磁式有刷直流电机逐渐发展起来，尤其是在上世纪八十年代初，性能优异、成本低的钕铁硼稀土永磁的出现，民用永磁有刷电机得以突飞猛进的发展。所以在此次电动自行车热潮中，钕铁硼稀土永磁有刷直流电动机被广泛应用也是自然的事了。近些年，随着电机控制技术的进步，大功率、多功能的电子元器件的问世，永磁无刷电机在研发、制造、商品化方面的进展极为迅速，普遍被人们认为是未来电机的发展方向。从目前情况来看，大有取代应用在各领域的多种传统电机。其原因在于永磁无刷电机和其他电机相比，具有传统电机无法比拟的优越性。现仅对电动自行车用外转子永磁无刷电机和永磁有刷电机加以比较。1.1 性能方面1）效率我们讨论效率高低的前提条件是：两电机使用同种类、同型号的主特材料，且数量近似相同。因为有刷电机的换向器和电刷间的机械摩擦损耗，而且电动车用的有刷电机考虑到使用环境较为恶劣，电刷压力大于常规电机的电刷压力，这进一步增加了二者之间的磨耗；另一方面，有刷电机的铜损也大于无刷电机，这和电枢绕组电阻大小有关。除此之外，有刷电机还存在换向器和电刷间的接触电损耗和电刷本体的电损耗。因此，同样功率、转速的两种电机，无刷电机的效率高于有刷电机。2）功率密度功率密度是指单位质量（或体积）电机所能提供的功率。有刷直流电机受到换向火花的制约，其电磁参数不能取得太高，再加上和无刷电机相比，增加了换向器和电刷机构附件，所以同样功率、转速的两种电机，有刷电机消耗材料多，体积大，重量重，即功率密度低。3）寿命因为换向器和电刷间产生电火花及它们之间的机械磨损，电刷磨损到一定程度后可以更换，但换向器磨损到一定程度是不可修复的，即意味着电机寿命的终结。而无刷电机中不存在这种磨损，仅存在着有刷电机同样有的轴承磨损。所以无刷电机的寿命比有刷电机要长得多。4）振动和噪声作为电动自行车用电机，永磁有刷直流电机在起动加速过程中运转平稳，噪声小。而永磁无刷直流电机由于是一相一相换流，而不是有刷电机的一个元件一个元件的换向。再加上电机绕组电感的影响，使换流不是理想状态，从而引起转矩波动，当其波动频率和车体的共振频率接近或相等时，这种振动、噪声被放大，给人不舒服的感觉。当越过共振区到正常行驶状态，振动和噪声基本消失。5）加速性和过载能力电动自行车的加速性和过载能力完全取决于电机能够产生的最大电磁转矩。电磁转矩大，则电动车的加速快、过载能力大。众所周知，电磁转矩Me=KmImax,其中转矩常数Km对于电压、车速、胎径相同的电动自行车，相差不大，效率高的电机Km稍大，所以电磁转矩Me的大小基本上取决于控制器限流，限流值大，电磁转矩大，加速快、过载能力强。6）绕组温升和磁体热退磁作为电动自行车用驱动电机，大多采用外转子结构。有刷电机的有绕组定子铁心作为转子在外旋转，磁体和导磁轭作为定子在内静止不动。无刷电机则反之，磁体在外旋转，有绕组定子铁心在内静止不动。凡在外旋转者散热条件好，温升低。在内静止者散热条件差，温升高。据此不难分析，有刷电机绕组温升低，磁体散热条件不好。而无刷电机磁体散热条件好，不易退磁，绕组散热条件不好。考虑到绕组电阻的大小，浸漆状况，两种电机的绕组温升接近。7）工作可靠性就电动本体来说，因有刷电机存在换向器和电刷，二者之间既有接触，又有电气关联，关系相当复杂，涉及到力学、电磁学和化学等方面的问题，二者之间产生的换向火花是影响有刷电机可靠工作的最主要因素。相对而言，无刷电机因为用电子换向取代了有刷电机的机械换向，工作可靠性要高得多。8）电磁干扰有刷电机本体就是电磁干扰源，其换向器和电刷之间产生的换向火花可产生严重的电磁干扰。为了减小电磁干扰，有些有刷直流电机内或出线端采取了一些防干扰措施，比如，附加滤波装置。对于电动自行车这种数量巨大、到处行驶的产品，大量使用电磁干扰严重的有刷电机，将会产生严重的电磁污染，但这一问题至今还未引起有关部门重视，制造厂商也未采取防干扰措施，这将造成严重后果，而无刷电机基本上没有电磁干扰，这也是电动车厂商选用电机应考虑的因素之一。1.2 经济性有刷电机和无刷电机相比，部件较多，结构、制造工艺较复杂，经济性差。1）材料消耗由前所述，有刷电机的功率密度较低，所以对于功率、转速相同的电机，要达到同样的性能指标，在主特材料的消耗方面，有刷电机要大于无刷电机，况且有刷电机又有换向器及电刷结构部件。2）制造成本有刷电机部件多，结构、制造工艺复杂，制造成本高于无刷电机。3）运行费用有刷电机效率低，又需经常维护，显然有刷电机的运行费用高于无刷电机。1.3 维护、维修性对有刷电机的换向器和电刷，需定期进行维护，如更换电刷，弹簧姿态、压力调整，清除碳粉，清洗换向器表面，云母下刻等，进行这些工作，需要一定的技术，有些需要专业人员进行，而无刷电机一般不需维护。1.4 环境适应性一般来讲，有刷电机对使用环境有一定要求，如有酸、碱的场合，太潮湿、太干燥等都对有刷电机运转有一定影响，所以它的环境适应性差，而无刷电机对环境要求不高，环境适应性强。在此说明，与无刷电机匹配使用的控制器和有刷电机的控制器相比，技术、结构复杂，工作故障概率大一些，技术要求较高，成本也高。随着控制技术的进步、大规模集成元器件的出现，无刷电机的控制器所存在的问题将得到大改善或者彻底解决。2.低速直接驱动电机和高速电机+减速器目前国内用于电动自行车的电机从转速上来分主要有低速直接驱动电机和高速电机+减速器两种。电机又有盘式无铁心（含线绕式和印制绕组）电机和圆柱式有铁心电机之分，与此相关的减速器有链条减速，普通圆柱齿轮减速器（分一级、二级），伞形齿轮减速器，谐波齿轮减速器，行星齿轮减速器，磙子柔性减速器等，后两种近来才用于电动车电机。以下对低速电机和高速电机+减速器作一下比较。2.1 性能方面1）效率高速电机有较大的机械损耗，再加上减速器的摩擦损耗，所以高速电机的机械损耗远大于低速电机。铁损方面，低速有铁心电机高于高速无铁心电机，总的空载损耗高速电机为大。在绕组铜损方面，因相同电压的高速电机电枢绕组电阻小，同样功率、转速的电机铜损小，基于以上两方面的原因，低速电机在一定的负载范围内有较高的效率，而在大负载情况下，高速电机的效率有可能高于低速电机。根据分析，高速电机的最高效率出现在负载转矩较大的范围内，且有较宽的高效率平台。2）寿命就两电机的绕组温升对寿命的影响很难判断寿命长短，但从轴承和减速器两方面来看，高速电机的寿命较短。3）振动和噪声一般来说，低速电机的振动和噪声小，高速电机大，再考虑到减速器产生的振动和噪声，二者相比之下，在振动和噪声方面，低速电机具有高速电机无法比拟的优势。4）加速性和过载能力由分析，因为电机具有较小的绕组电阻，所以即使电枢绕组电流较大时也不至使绕组温升过高，效率过低。所以使用高速电机的电动车，在电池允许使用的安全电流下，可取较大的限流值，该车具有较快的加速性和较大的过载能力。5）绕组温升和磁体热退磁盘式（线绕式或印制绕组）高速电机因为电机本体被封闭在壳体内，散热条件差，因而导致绕组温升较高，磁体易发生热退现象。低速电机磁体散热条件良好，不会热退磁。6）工作可靠性从工作的可靠性而言，低速电机具有较高的可靠性是不言而喻的。高速电机+减速器的可靠性要差得多，尤其是减速器部件是最薄弱环节，发生故障的概率高。减少故障的措施是采用较好的材料，提高加工精度、经常维护，这往往又受到成本的制约。2.2 经济性高速电机本体消耗材料较少，但对盘式电机而言，因为电磁气隙较大，气隙磁密小，漏磁较大，永磁体没有得到充分利用。另一方面，和高速电机相配的减速器部件、零件加工精度要求高，这势必加大了制造成本。所以高速电机+减速器的售价一般高于同规格的低速电机。另外，减速器需定期维护、更换，其运行费用高。3. 结语综合以上分析，作为电动自行车用驱动电机，应首选低速永磁无刷电机，在其他特殊情况下，也可考虑其他方案。
