电动车三大核心部件是:电动机、控制器、电池。电机是电动自行车的主要动力驱动部份,也就是电动车的心脏。电机的好坏直接影响着电动车的性能。
按照电机类别分为:无刷直流电机、有刷有齿直流电机、有刷无齿直流电机等。
(1)有刷高速电机。有电刷效率高,过载爬坡能力强、起动力矩大,但稍有噪声。
(2)无刷电机。无电刷,无减速器,具有免维护、无噪声优点。但控制器复杂,起动电流大,过载上坡能力较差。
(3)有刷低速电机。有电刷,无减速器、结构简练,成本较低。但效率较低,上坡、过载能力较差。目前应用较多的是有刷高速电机。
有刷低速电机被电动自行车车选用又名有刷无齿电机,它在电动自行车起动与爬坡时电流较大,性能较弱,目前一般极少被厂家采用。
有刷高速电机(3600转/分钟左右)目前被国内大多数电动自行车生产厂家所选用,它采用碳刷作为电机电源的两个触点,利用调速转把和控制器来控制,通过齿轮二次减速及超越离合器来达到电动自行车0-20公里/小时的无极调速。目前采用的这种有刷高速电机含金量高,电机减速齿轮强度较强,耐磨性好,设计合理,故返修率较低;而且维修更换齿轮和电机的成本较少,有效的降低了电动自行车的维修费用;并且有刷电机可以通过超越离合器和飞轮实现人力骑行。
无刷电机目前被电动自行车生产厂家采用的一般都是无刷无齿电机。它的转速控制系统的造价比有刷高速电机的转速控制系统要高,控制器在使用中容易发生故障。装有无刷电机的电动自行车行驶速度必须达到35公里/小时以上时,才能发挥其最佳的工作效率,但是我们知道电动自行车作为非机动车来管理,时速必须在20公里/小时以下,故无刷电机被电动自行车选用降低了工作效率,可取性不强。现在它被采用的主要一点是噪音小。
高效稀土永磁有刷电机与高效稀土永磁无刷电机。目前市场上大多数电动自行车还停留在有刷电机阶段。有刷电机采用机械换向,对控制系统的技术要求较低,相对成本低于无刷电机,有刷电机的起动力矩略大于无刷电机。但致命的弱点是:寿命短、噪声大、效率低。它长期使用碳刷磨损严重,较易损坏。同时磨损产生了大量的碳粉尘,这些粉尘落下齿轮油中,使齿轮油加速干涸,电机噪声进一步增大。有刷电机使用到一年左右就需要更换内碳刷,充电一次行驶的里程不及新车买来时的三分之二,而且爬坡时动力不足,还会烧坏控制器。这是因为电机更换碳刷后,换向器也被磨出了一条凹槽,使碳刷接触面积减少,接触不良的碳刷通电后会产生火花并加快氧化换向器和铜片,导致上述不良现象。
无刷电机以电子换向取代机械换向,技术上要优于有刷电机。由于无刷电机没有齿轮或减速装置,减少了电机磨损的不可靠性,它的效率在一定电流范围内比有刷电机效率高。无刷电机行驶起来几乎没有噪声,且寿命长达10年以上。据于两者比较,无刷电机要优于有刷电机。目前,已有一些电动自行车生产厂原先用有刷电机现改用了无刷电机。无刷电机肯定是今后电动自行车的发展方向。
现有电机需要逾越的技术障碍
电动自行车发展到现在,人们还从未像今天这样关注电动自车行的爬坡能力。更有甚者把爬坡能力的大小作为衡量电动自行车性能的最重要指标,整车厂把爬坡能力强作为卖点,消费者把它作为选购电动自行车的依据。现以实例计算分析,现有电机加强爬坡能力所需付出的代价以及带来的严重后果:
1.电动自行车携带的能源有限,而爬坡需消耗较多的能量。
2.国标GB17761规定了电机的额定连续输出功率应不大于240瓦,远低于可爬4.5度坡、输出功率为数千瓦的燃油车。
3.爬坡阻力和转矩的计算:
电动自行车在爬坡过程中,受三种阻力,即轮胎和地面间的滚动摩擦力Fg、迎风阻力Ff和爬坡阻力Fα。为简化起见,在此忽略前两种阻力,
仅计及爬坡阻力Fα,其大小等于
Fα=G×sinα(N)
式中G=车重+载重(N)
α=坡度角(°)
爬坡转矩Mα
Mα=Fα×RL=G?sinα×RL(Nm)
式中RL=轮胎半径(m)
近期不断出现可爬12度坡的报导,也有报导可爬15度甚至16度坡,下面就以12度坡为例计算所需转矩。
依标准,G=车重+载重=(40+75)Kg
=1128(N)
18″车,轮胎半径RL=0.228(m)
将数据代入上式,则所需爬坡转矩
Mα=1128×sinα12×0.228=53.5(Nm)
考虑到滚动阻力和迎风阻力,电机所提供的转矩
M>Mα=53.5Nm
而现有电机最大扭矩以500W400转电机为例只有十几牛米,1000W也不过二十几牛米显然与号称的12度坡、16度坡不相符。
4.电机的反电势系数Ke和转矩常数Km
电机的反电势系数Ke由多个电机参数,如绕组系数Kw,每相串联匝数W(对于有刷电机为 每支路串联匝数),电枢直径Da,有效铁芯长度lδ,气隙磁密Bδ等所决定。对于一台已经制作完成的电机,Ke基本上为一定值。
对于额定电压、转速相同的电机,即使类型不同、设计不同的电机,反电势系数Ke没有明显的差别,当然效率高的电机Ke稍大。在一定的电磁单位制下,转矩常数Km和反电势系数Ke在数值上是相等的,例如,对于18″36V车速V=25Km/h的电动自行车所用电机,两参数如下:
Km≈1Nm/A
Ke≈1VS/rad
5.爬坡所需电流(峰值)计算
由转矩平衡方程:
Me=Mo+ML
=Mo+Mg+Mf+ Mα
式中 Me=KmImax—电磁转矩(Nm)
Imax—最大电流(A)
Mo—电机空载转矩(Nm)
Mg—轮胎和地面间的阻力矩(Nm)
Mf—迎风阻力矩(Nm)
为计算简单起见,忽略Mo、Mg和Mf,则有
Me≥Mα
KmImax≥Mα
Imax≥Mα/Km=53.5/1=53.5(A)
也就是说,对于配备36V电源,车速为25 Km/h的18″车,要爬12度坡其峰值电流,要大于53.5A才可行,对于车速更高、轮胎直径小的电动自行车,其转矩常数Km更小,则需要更大的电流。