電動自行車無刷直流電機及驅動方式的優缺點

董 鮑

電動自行車無刷直流電機及驅動方式的優缺點

董 鮑

（杭州哲峰金屬制品有限公司，浙江 杭州 311231）

近年來，電動自行車以其低碳環保，節能便捷的特點，越來越受到消費者的青睞。電機是整車的動力輸出部分，也是整車的核心部分，電機的好壞，決定了整臺車的質量與使用壽命的長短，所以選擇一臺性價比好的電機顯得至關重要。

電機；電機驅動；功率；效率

目前，市場上所用的電機有兩種，輪轂電機和中置電機，中置電機由于成本高昂，傳動機構復雜，故障率高，目前市場占有率低，本文著重分析輪轂電機。輪轂電機按照裝的驅動位置不同，又分為前驅輪轂電機和后驅輪轂電機，前輪轂電機裝在前輪作為動力源，后驅輪轂電機裝在后輪作為動力源，兩者電機的主要構造是相同的，主要不同點是外形裝配尺寸和后輪轂電機多了一個裝自行車飛輪的機械部分。

1 輪轂電機的結構

輪轂電機主要由定子、轉子、減速機構離合器、輪轂外殼等主要配件組成。

1.1 電機的定子結構

電機的定子主要是由鐵芯和線圈繞組構成，鐵芯由0.2～0.5mm硅鋼片疊壓而成，每單片硅鋼片表面有一層絕緣層，減少渦流損耗，從而減少電機發熱。定子又分為外轉子定子和內轉子定子，如圖1、2所示。

外轉子電機一般轉速較低，極對數多，轉矩較大，而內轉子極對數少，電機轉速較高，調速范圍比較大，通過大的減速比也能達到較大的轉矩，對于要求高轉速的場合，內轉子電機有一定的優勢。

圖1 外轉子定子鐵芯

圖2 內轉子定子鐵芯

關于線圈繞組，直流電機線圈繞組多采用分數槽繞組，采用分數槽繞組主要優點在于：①電樞沖片齒槽數減少，便于沖片和鐵芯的制作；②可以大大減少繞組線圈端部長度，節省銅材，減少電樞漏抗，提高電機效率，增加電機換向的穩定性；③減少齒槽效應；④減少電機的發熱量［1］。

1.2 電機的轉子結構

轉子一般由磁軛和永磁體構成，由于輪轂電機要求較高，永磁體一般選用高性能的銣鐵硼磁鋼，如35SH、38SH等高性能的磁鋼，而磁軛，也就是承載磁鋼的載體，一般選用低碳鋼或硅鋼片疊壓而成，因為這兩種材料導磁性能較好，硅鋼片導磁性能要好于低碳鋼，但成本略高于低碳鋼。

1.3 減速機構和離合器

輪轂電機經過減速后，得到較高的扭矩和較低的轉速，目前市場上輪轂電機減速機構一般是由一級或二級尼龍齒輪來減速，另外還有一種行星輪摩擦減速，如圖3、4所示。

圖3 尼龍齒輪減速

圖4 摩擦輪減速

1.4 輪轂電機的外殼

考慮到輕便，市場上電動自行車電機外殼一般都是由鋁壓鑄成形后，再精加工而成，這里不再贅述。

2 輪轂電機的重要工作電參數及其特性

電機的重要參數可分為工作電壓、電流、額定功率、效率、扭矩、轉速。

2.1 工作電壓

電動自行車輪轂電機工作電壓也就是通常說的額定電壓有DC24V、DC36V、DC48V、DC72V，考慮到成本問題，市場上主要以額定電壓DC24V和DC36V的直流電機居多，具體情況根據用戶的需求來定。

2.2 電流

電機的電流涉及“空載電流”“額定電流”“堵轉電流”3種，下面逐一分析。

2.2.1 空載電流。空載電流就是電機在沒有負載的情況下，通電以后電機的工作電流。空載電流大小跟電機的效率及發熱有密切的關系，空載電流越小，功率因數越高，反映電機自身損耗就越小，發熱也會越小，反之電機自身損耗就越大，發熱也就會越大。

2.2.2 額定電流。額定電流就是電機在額定負載情況下的工作電流，就輪轂電機自身結構的特殊性，I=P/U，一般來講，24V的輪轂電機一般額定電流范圍在6.5～10.2A，36V的輪轂電機的額定電流大致在4～7A。

2.2.3 堵轉電流。堵轉電流就是電機不是在額定負載情況下而是在非正常情況下，電機處于過載狀態，這時電機輸出轉速為零，但仍有轉矩輸出，此時的工作電流的大小可衡量一個電機過載能力的大小，堵轉電流越大，電機過載能力越強，堵轉電流越小，電機過載能力越小，堵轉電流一般是電機額定電流的1.2倍左右，當然不建議電機長時間處于過載工作狀態下，這樣的話，電機很容易燒掉。電機工作時，由于控制器具有限流保護作用，一般電機不會在電機堵轉狀態下工作［2］。

2.3 功率

通常談到的電機功率，大多指電機的額定功率，多是指在額定電壓和額定負載下電機輸出的功率。工業標準電機功率的設計原則有兩種，分別是按照“發熱原則”和“性能原則”，電動自行車由于其能源的特殊性，很顯然其輪轂電機是遵循性能原則設計的，性能原則包括電氣性能、機械性能和其他附屬性能。自行車上輪轂電機功率一般在150～350W，目前市面上用的比較多的前驅電機額定功率有150、180、250W這3種類型。一般來說，電動自行車以20km/h的速度在平地上恒速行駛，標準負載在80kg和無風的條件下，經測試一般消耗的功率在90～130W，平均消耗功率為110W左右，如果遇到有風和上坡情況，電機的輸出功率180W，也足以滿足騎行要求，基于成本和其他方面的綜合考慮，市場上以額定功率180W輪轂電機最多。

2.4 效率

電機的效率是衡量電機能量利用率高低的重要指標，效率越高，電機自身的各種損耗（鐵損、銅損、機械損耗、其他雜散損耗）就越小，通俗地講就是電機效率越高，電池越省電，一次續行的里程越遠。廠家認為既然電機效率越高越省電，那就盡力提高電機效率，但這里面還涉及成本問題，因為大幅度提高電機的效率是以增加電機的有效材料（永磁材料、銅線、導磁材料）為代價的，傳統電機設計有一些重要理論，就是電機的效率提高1%，有效材料要多消耗10%。所以，單從提高效率來講，性價比很低，不符合市場需求。

2.5 電機轉速

一般談論電機的轉速是指電機額定輸出轉速，電機的額定轉速按照設計原則，一般源轉速在2 000～4 000r/min，經過減速機構減速以后，輪轂電機輸出轉速一般在160～340r/min，目前市場上以 160r/min、190r/min、210r/min、260r/min幾種為主，用戶一般告知電機裝在多大尺寸的車子上，要求整車時速是多少，就可以計算出用戶需要的額定轉速的電機。

用戶需要的轉速N=［整車時速（km/h）×1 000］/［3.14×輪徑×0.025 4×60］。目前，國內對于電動車時速管理不夠規范，如果出口歐洲，根據歐洲的EN15194標準，強制規定整車時速不能超過25km/h。

2.6 電機的扭矩

電機的扭矩也是電機的一個重要參數，其是衡量電機爬坡性能的一個重要指標，電機的轉矩越大爬坡能力越強。目前，正常騎行的話，電機輸出的扭矩大概在5～9Nm，電動自行車運行的是一個區間而不是一個點。

3 中置電機

中置電機，就是裝在自行車中軸上的電機，其直接帶動自行車牙盤轉動，進而帶動整車前進。中置電機和輪轂最大的區別在于機械部分，電氣部分相似，其機械部分較為復雜，故障率較高，制造成本遠遠大于輪轂電機，目前市場占有率很低，這里不再詳細介紹。

4 不同驅動類型的優缺點

由于電機裝的位置和自身結構不同，所以形成的驅動方式也不一樣，下面筆者簡單分析各種電機裝在車子不同位置上形成不同驅動類型的優缺點。

4.1 前輪輪轂電機驅動優缺點

4.1.1 優點。①對于電動自行車來說，前輪輪轂電機驅動，整車的動力輸出在前輪，從工程結構穩定性和受力分析來講，前驅驅動力的分配較為合理。金屬桿件壓和拉的受力狀態完全不同，受拉只涉及金屬桿件的強度問題，不存在結構穩定性問題，而當金屬桿件受壓時，壓力的作用點必須在金屬桿件的斷面中心點上，稍微有點偏差的話，金屬桿件就容易發生變形或彎曲，甚至被破壞。為了斷面系數和轉動慣量達到要求，就要加大結構面的受力面積，從而增加成本，更增加車身的重量，所以說拉優于推，遇到較差的路況，不易發生事故。②對于前輪驅動來說，在同等條件下，整車越障能力相對較強，在不平路段、石子路面、坑凹路、泥濘路以及雪后的冰雪路面，用前輪驅動可以做到相對平穩順利。③電動自行車采用前輪驅動，便于電動自行車合理配重，電動自行車的電源配置多采用中置和后置配置，這樣的話造成后輪負載過大，由于車架構造和軸距不同，后輪的分配電池重量的比例也不同，一般不少于50%，騎行者體重的60%分配在后輪上，從而使整車的負載配置不合理。④對于輪轂電機，騎行過程中，相對于中置電機，噪音很小。⑤前輪驅動，一旦發生電機故障，拆卸維修方便。

4.1.2 缺點。由于受到整車外觀的影響，電機的外形尺寸會受到一定影響，從而限制前驅電機的功率。

4.2 后輪輪轂電機驅動優缺點

4.2.1 優點。①電機驅動裝在后輪，相對前驅電機來講，其不受外形影響，外形尺寸可以做大一些，電機的功率也可以相應做大一些，在不同情況下，可以更好地滿足消費者對動力的需求。②后輪輪轂電機騎行中的噪音相對于中置驅動的電機來講，要小得多。

4.2.2 缺點。①發生故障，維修不方便。由于電機驅動裝在后輪，勢必要和變速飛輪、剎車以及一些電氣線裝在一起，電機發生故障后，拆卸維修很不方便。②同等功率條件下，后輪轂驅動越障能力沒有前驅越障能力強，在不同路面情況下，安全系數沒有前驅驅動高。③對于后驅輪轂驅動來講，整車負載比例分配不合理，后輪承擔超過60%的負載比重，故障率會相對高一些。

4.3 中置電機驅動優缺點

4.3.1 優點。①對中置驅動的整車來說，啟動更有力，中置電機不受外形限制，相對于前后輪轂電機來講，電機的功率可以做得更大，扭矩更大，整車的動力更強。②中置電機的效率很高，輪轂電機設計時受到外形的影響，只能以犧牲效率來滿足輪子外形要求，而中置電機不需要考慮這些，設計以高效率為準則。

4.3.2 缺點。①該類型電機驅動，噪音很大，鏈輪轉動產生摩擦噪聲，而前后輪轂電機驅動，沒有噪音。②中置電機的經濟成本遠遠高于前后輪轂電機。

［1］徐翹甲，王萬軍，陳文龍.關于電動自行車電機效率和功率的討論［J］.中國自行車，2003（9）：29-31.

［2］崔萬安.電動自行車前輪驅動研究［J］.電動自行車，2006（1）：37-39.

Analysis on Advantages and Disadvantages of Brushless DC Wheel Motor and Driving Mode of Electric Bicycle

Dong Bao
（Hangzhou Zhefeng Metalwork Co.,Ltd.，Hangzhou Zhejiang 311231）

In recent years,electric bicycles with its low-carbon environmental protection,energy saving and convenient features,more and more favored by consumers,and the motor is the power output part of the vehicle,but also the core part of the vehicle,the motor is good or bad that determinesthe quality of the entire bicycle and the length of life,all thatchoose a cost-effective motor is very important.

motor；motordrive；power；efficiency

TM33；U484

A

1003-5168（2017）09-0035-03

2017-08-03

董鮑（1985-），男，助理工程師，研究方向：機電一體化。