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電動自行車用電機(jī)

www.bomingjun.com 來源：電動車商情　　　電動車商情網(wǎng) 作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-6-30

目前，電動自行車驅(qū)動系統(tǒng)所應(yīng)用的電機(jī)按有無電刷來分，可分為永磁有刷直流電動機(jī)和永磁無刷直流電動機(jī)。按轉(zhuǎn)速來分，有低速直接驅(qū)動永磁電機(jī)和高速(High Speed)永磁電機(jī)+減速器，它們的組合幾乎涵蓋(Guy)了業(yè)界在用的所有電機(jī)。本文介紹它們的特點(diǎn)，并從多方面加以比較。 1.永磁有刷直流電動機(jī)和永磁無刷直流電動機(jī) 電磁式有刷直流電動機(jī)歷史悠久，其理論、設(shè)計、制造技術(shù)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(jī)逐漸發(fā)展起來，尤其是在上世紀(jì)八十年代初，性能優(yōu)異、成本低的釹鐵硼稀土永磁的出現(xiàn)，民用永磁有刷電機(jī)得以突飛猛進(jìn)的發(fā)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(jī)被廣泛應(yīng)用也是自然的事了。近些年，隨著電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，大功率、多功能的電子元器件的問世，永磁無刷電機(jī)在研發(fā)、制造、商品化方面的進(jìn)展極為迅速，普遍被人們認(rèn)為是未來(Futura)電機(jī)的發(fā)展方向。從目前情況來看，大有取代應(yīng)用在各領(lǐng)域的多種傳統(tǒng)電機(jī)。其原因在于永磁無刷電機(jī)和其他電機(jī)相比，具有傳統(tǒng)電機(jī)無法比擬的優(yōu)越性�，F(xiàn)僅對電動自行車用外轉(zhuǎn)子永磁無刷電機(jī)和永磁有刷電機(jī)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(jī)使用同種類、同型號的主特材料，且數(shù)量近似相同。因為有刷電機(jī)的換向器和電刷間的機(jī)械摩擦損耗，而且電動車用的有刷電機(jī)考慮到使用環(huán)境較為惡劣，電刷壓力大于常規(guī)電機(jī)的電刷壓力，這進(jìn)一步增加了二者之間的磨耗；另一方面，有刷電機(jī)的銅損也大于無刷電機(jī)，這和電樞繞組電阻大小有關(guān)。除此之外，有刷電機(jī)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(zhuǎn)速的兩種電機(jī)，無刷電機(jī)的效率高于有刷電機(jī)。 2）功率密度功率密度是指單位質(zhì)量（或體積）電機(jī)所能提供的功率。有刷直流電機(jī)受到換向火花的制約，其電磁參數(shù)不能取得太高，再加上和無刷電機(jī)相比，增加了換向器和電刷機(jī)構(gòu)附件，所以同樣功率、轉(zhuǎn)速的兩種電機(jī)，有刷電機(jī)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(chǎn)生電火花及它們之間的機(jī)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(fù)的，即意味著電機(jī)壽命的終結(jié)。而無刷電機(jī)中不存在這種磨損，僅存在著有刷電機(jī)同樣有的軸承磨損。所以無刷電機(jī)的壽命比有刷電機(jī)要長得多。 4）振動和噪聲作為電動自行車用電機(jī)，永磁有刷直流電機(jī)在起動加速過程中運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小。而永磁無刷直流電機(jī)由于是一相一相換流，而不是有刷電機(jī)的一個元件一個元件的換向。再加上電機(jī)繞組電感的影響，使換流不是理想狀態(tài)，從而引起轉(zhuǎn)矩波動，當(dāng)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(dāng)越過共振區(qū)到正常行駛狀態(tài)，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(jī)能夠產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩大，則電動車的加速快、過載能力大。眾所周知，電磁轉(zhuǎn)矩Me=KmImax,其中轉(zhuǎn)矩常數(shù)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(jī)Km稍大，所以電磁轉(zhuǎn)矩Me的大小基本上取決于控制器限流，限流值大，電磁轉(zhuǎn)矩大，加速快、過載能力強(qiáng)。 6）繞組溫升和磁體熱退磁作為電動自行車用驅(qū)動電機(jī)，大多采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。有刷電機(jī)的有繞組定子鐵心作為轉(zhuǎn)子在外旋轉(zhuǎn)，磁體和導(dǎo)磁軛作為定子在內(nèi)靜止不動。無刷電機(jī)則反之，磁體在外旋轉(zhuǎn)，有繞組定子鐵心在內(nèi)靜止不動。凡在外旋轉(zhuǎn)者散熱條件好，溫升低。在內(nèi)靜止者散熱條件差，溫升高。據(jù)此不難分析，有刷電機(jī)繞組溫升低，磁體散熱條件不好。而無刷電機(jī)磁體散熱條件好，不易退磁，繞組散熱條件不好�？紤]到繞組電阻的大小，浸漆狀況，兩種電機(jī)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(jī)存在換向器和電刷，二者之間既有接觸，又有電氣關(guān)聯(lián)，關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，涉及到力學(xué)、電磁學(xué)和化學(xué)等方面的問題，二者之間產(chǎn)生的換向火花是影響有刷電機(jī)可靠工作的最主要因素。相對而言，無刷電機(jī)因為用電子換向取代了有刷電機(jī)的機(jī)械換向，工作可靠性要高得多。 8）電磁干擾有刷電機(jī)本體就是電磁干擾源，其換向器和電刷之間產(chǎn)生的換向火花可產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。為了減小電磁干擾，有些有刷直流電機(jī)內(nèi)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(shù)量巨大、到處行駛的產(chǎn)品，大量使用電磁干擾嚴(yán)重的有刷電機(jī)，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁污染，但這一問題至今還未引起有關(guān)部門重視，制造廠商也未采取防干擾措施，這將造成嚴(yán)重后果，而無刷電機(jī)基本上沒有電磁干擾，這也是電動車廠商選用電機(jī)應(yīng)考慮的因素之一。 1.2 經(jīng)濟(jì)性有刷電機(jī)和無刷電機(jī)相比，部件較多，結(jié)構(gòu)、制造工藝較復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性差。 1）材料消耗由前所述，有刷電機(jī)的功率密度較低，所以對于功率、轉(zhuǎn)速相同的電機(jī)，要達(dá)到同樣的性能指標(biāo)，在主特材料的消耗方面，有刷電機(jī)要大于無刷電機(jī)，況且有刷電機(jī)又有換向器及電刷結(jié)構(gòu)部件。 2）制造成本有刷電機(jī)部件多，結(jié)構(gòu)、制造工藝復(fù)雜，制造成本高于無刷電機(jī)。 3）運(yùn)行費(fèi)用有刷電機(jī)效率低，又需經(jīng)常維護(hù)，顯然有刷電機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用高于無刷電機(jī)。 1.3 維護(hù)、維修性對有刷電機(jī)的換向器和電刷，需定期進(jìn)行維護(hù)，如更換電刷，彈簧姿態(tài)、壓力調(diào)整，清除碳粉，清洗換向器表面，云母下刻等，進(jìn)行這些工作，需要一定的技術(shù)，有些需要專業(yè)人員進(jìn)行，而無刷電機(jī)一般不需維護(hù)。 1.4 環(huán)境適應(yīng)性一般來講，有刷電機(jī)對使用環(huán)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有一定影響，所以它的環(huán)境適應(yīng)性差，而無刷電機(jī)對環(huán)境要求不高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。在此說明，與無刷電機(jī)匹配使用的控制器和有刷電機(jī)的控制器相比，技術(shù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作故障概率大一些，技術(shù)要求較高，成本也高。隨著控制技術(shù)的進(jìn)步、大規(guī)模集成元器件的出現(xiàn)，無刷電機(jī)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(qū)動電機(jī)和高速(High Speed)電機(jī)+減速器目前國內(nèi)用于電動自行車的電機(jī)從轉(zhuǎn)速上來分主要有低速直接驅(qū)動電機(jī)和高速(High Speed)電機(jī)+減速器兩種。電機(jī)又有盤式無鐵心（含線繞式和印制繞組）電機(jī)和圓柱式有鐵心電機(jī)之分，與此相關(guān)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(jī)。以下對低速電機(jī)和高速(High Speed)電機(jī)+減速器作一下比較。 2.1 性能方面 1）效率高速(High Speed)電機(jī)有較大的機(jī)械損耗，再加上減速器的摩擦損耗，所以高速(High Speed)電機(jī)的機(jī)械損耗遠(yuǎn)大于低速電機(jī)。鐵損方面，低速有鐵心電機(jī)高于高速(High Speed)無鐵心電機(jī)，總的空載損耗高速(High Speed)電機(jī)為大。在繞組銅損方面，因相同電壓的高速(High Speed)電機(jī)電樞繞組電阻小，同樣功率、轉(zhuǎn)速的電機(jī)銅損小，基于以上兩方面的原因，低速電機(jī)在一定的負(fù)載范圍內(nèi)有較高的效率，而在大負(fù)載情況下，高速(High Speed)電機(jī)的效率有可能高于低速電機(jī)。根據(jù)分析，高速(High Speed)電機(jī)的最高效率出現(xiàn)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大的范圍內(nèi)，且有較寬的高效率平臺。 2）壽命就兩電機(jī)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(jī)的壽命較短。 3）振動和噪聲一般來說，低速電機(jī)的振動和噪聲小，高速(High Speed)電機(jī)大，再考慮到減速器產(chǎn)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(jī)具有高速(High Speed)電機(jī)無法比擬的優(yōu)勢。 4）加速性和過載能力由分析，因為電機(jī)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(jī)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(jī)因為電機(jī)本體被封閉在殼體內(nèi)，散熱條件差，因而導(dǎo)致繞組溫升較高，磁體易發(fā)生熱退現(xiàn)象。低速電機(jī)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(jī)具有較高的可靠性是不言而喻的。高速(High Speed)電機(jī)+減速器的可靠性要差得多，尤其是減速器部件是最薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)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(jīng)常維護(hù)，這往往又受到成本的制約。 2.2 經(jīng)濟(jì)性高速(High Speed)電機(jī)本體消耗材料較少，但對盤式電機(jī)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(jī)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(jī)+減速器的售價一般高于同規(guī)格的低速電機(jī)。另外，減速器需定期維護(hù)、更換，其運(yùn)行費(fèi)用高。 3. 結(jié)語綜合以上分析，作為電動自行車用驅(qū)動電機(jī)，應(yīng)首選低速永磁無刷電機(jī)，在其他特殊情況下，也可考慮其他方案。