孝感到随州多少公里: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B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/h
V=π*D*N*60*10-6 =1.885*N*D*10-4 km/h
D——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=常数（V一定时）
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210W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。