日本电动自行车技术发展综述

日本电动自行车技术发展综述（本文发表于“中国自行车”杂志2004.01）涂翘甲，高级工程师（天津市电机研究所）摘要：详细阐述日本电动自行车技术发展的过程，希望借此来促使我国电动自行车走上健康发展的道路。

关键词：电动自行车电机中轴驱动器传感器近年来，我国电动自行车的发展十分迅速。

据不完全统计，2002年电动自行车产量已经超过了160万辆。

五年间，全国电动自行车产量翻了27倍多。

我国电动自行车的发展，总体上取得了很大进步，如整车质量，主要零部件质量都有很大提高，但是比起生产数量的增长，生产和科技水平的提高显得十分苍白，甚至有些方面发生了大的偏差。

业内有识之士指出，中国的电动自行车发展已经有些“走火入魔”了，绝非危言耸听。

日本电动自行车的开发始于十几年前。

1989年YAMAHA公司首先开发成功电动自行车原型机，1993年7月公开发布，1994年4月进入市场销售，这是真正意义上的世界第1台商品电动自行车。

YAMAHA 公司称这种电动自行车为PAS(Power Assist System助力系统电动自行车)。

次年、本田、三洋、松下、普利斯通等著名公司也先后推出自己的电动自行车产品。

YAMAHA公司的最早期产品与我国现在标准的电动自行车相似，在斜梁上安放有密封铅酸电池，但是很快就改进为镍镉电池。

安全、可靠、舒适、简洁和轻量化始终是日本电动自行车追逐的目标。

本文期望通过对日本电动自行车技术发展的多方位深入探讨来促进我国电动自行车的健康发展。

日本电动自行车技术发展有以下几方面的明显特点：简洁的外观日本电动自行车的外观，崇尚“简洁至上”的原则，没有多余的“花哨”。

YAMAHA公司2003年6月推出PZ26D/24D型电动自行车，虽然是豪华（精装）版，但是国人看来，是最简洁不过了。

除了在中轴部位安装了中轴驱动器和鞍座下方有小型电池外，不俗的外观和普通自行车没有丝毫差别，给人予一种舒适和赏心悦目的感觉。

没有一款日本电动自行车象我国目前的电动自行车那样，大量使用塑料装饰件和摩托化的外观。

日本电动自行车主流产品有2种尺寸规格：26英寸和24英寸。

也有少数22英寸和20英寸规格的。

过小尺寸不利于人力骑行，续程也较短。

本田公司有一款可折叠式电动自行车，尺寸只有16英寸，便于折叠后放置在汽车的后备箱内。

应当指出，日本的电动自行车中，有一部分商品前后轮尺寸不同，一般此类电动自行车前轮比后轮小一挡，如前轮22英寸，后轮则为24英寸。

先进可靠的驱动器日本电动自行车有2类驱动方式，一类是中轴驱动，另一类是轮毂式。

目前，中轴驱动是主流产品。

YAMAHA公司在2000年及以前生产的电动自行车全部采用中轴驱动，2001年起开始采用小轮毂驱动，2002年2月后又重新在部分产品中恢复使用中轴驱动方式。

2003年4月以后产品完全采用新型中轴驱动方式。

三洋公司是日本“轮毂”派的典型代表，最先采用大轮毂驱动。

细长的柱式换向器电机经过3级齿形同步带减速。

控制器的电路板就封闭在轮毂内，斜楔式的力矩传感器能可靠地将链条传递过来的转矩变换成和位移成正比的电信号，实现1:1的力矩控制。

2001年2月三洋公司开发了一款比先前小一些的后轮毂驱动，2003年3月以后三洋公司开始采用小轮毂前轮驱动方式。

三洋公司称前轮的电驱动与后轮的人力驱动为“双轮驱动系统”，认为此系统可以达到轻量化和结构紧凑的双重效果。

早期的中轴驱动产品，电机轴与中轴正交。

电机的转矩要通过一级伞齿轮传动来改变输出轴方向。

因此电机的尺寸偏向于细长。

电机的转速很高（约4000rpm），3级减速。

为了减少噪声和获得较大的速比，第1级减速采用摩擦滚子减速（也称柔性滚子减速，即普通行星齿轮减速系统的齿轮改为光滑无齿的滚子和柔性轮）传动，此种传动系统要求有极高加工精度，光洁度，材质和热处理要求也特别高。

2001年到2002年期间，“轮毂”派大有压倒“中轴”派的势头，连“中轴”派旗手YAMAHA公司都一度转向“轮毂”派。

2003年以后，渐渐显出“中轴”派的强劲势头。

松下公司和本田公司则始终如一地采用中轴驱动方式。

新型中轴驱动方式的电机轴和中轴平行，电机尺寸的长径比（电机铁芯长度比直径）减小。

平行轴的减速系统容易制造。

笔者认为，中轴驱动电动自行车之所以得到肯定和推广，主要是由于以下几个原因：1．机械和电机设计灵活，不象电动轮毂的设计同时受到轴向和径向尺寸的限制。

2．中轴驱动系统刚性好，可靠性高，密封性好，容易安装转矩和速度传感器。

3．前后轴与自行车相同，有足够大的强度和刚性。

一些电动轮毂为了要获得小的尺寸和大的减速比，不得不把轮毂轴设计成（两个）半轴结构，从而影响到轴的刚性和强度。

4．后轴可以安装内装式3速变速轴或外6速变速系统，从而获得多重速度和助力系统的最佳组合。

以下是新型双轴中轴驱动器的结构示意图（图1）。

图1新型中轴驱动的特点是采用双轴驱动系统。

双轴驱动系统把电驱动轴与人力驱动轴分开，因此有两个链轮。

在此以前，采用单轴驱动系统，电驱动与人力驱动共用一个链轮输出。

双轴驱动系统有高的转换效率，结构紧凑，小的减速比（可用1级减速），并且容易兼顾电驱动与人力驱动。

松下公司的“ViVi”型电动自行车中轴驱动器重量仅3.6kg，比老型号中轴驱动器重量减轻12%，效率提高了3%，噪声降低了3%，电气控制系统内置。

该驱动器已经申请了专利。

高性能电动机日本电动自行车的电机早期产品几乎都采用铁氧体永磁直流电机，2002年以后逐步向无刷直流电机过渡，目前已经基本完成了向无刷直流电机的过渡。

除了前两种主流电机外，也有极少数公司采用过矢量控制的交流电机（如丸石公司1997年生产的SP243-M型和ATORAX公司生产的RACS26-MF3型）。

个人认为，尽管交流电机的结构特别简单，然而，矢量控制的交流电机单位体积的输出功率没有前两种电机高，且控制系统比无刷电机复杂得多，目前不会在电动自行车中得到广泛应用。

日本电动自行车的电机转速在2000-4000rpm范围内，前者用2级减速，而后者为3级减速。

如果用一级减速，电机的转速就有可能低到1000-1400rpm。

1级减速或2级减速的中轴驱动器系统在整个运行区有平坦和高的效率平台（见“关于电动自行车电机效率和功率的讨论”中国自行车杂志2003年第9期），运行特别经济。

电机的转速越高，电机的体积和重量就越小，电机和减速系统的机械损耗就越大，效率曲线的最高点越偏向于高功率端。

日本电动自行车不采用目前在我国盛行的低速电动轮毂，无论是有刷还是无刷的。

高速电机采用铁氧体磁瓦就能满足要求而没有必要用稀土永磁，中低速电机可以考虑采用稀土永磁。

日本电动自行车电机设计者高明之处在于用最经济的材料和工艺满足各项技术要求。

没有一家公司在广告或样本中宣扬自己采用何种等级的磁性材料，冷轧矽钢片牌号和几毫米厚的磁瓦等等。

而在我国，制造商常常以用“最好”的材料，“最多”的材料来炫耀自己的产品“水平”。

于是呼，用户也学着JS 们的腔调，在购买电动车时问：“这台电动自行车的电机磁瓦几毫米厚？”。

着实让我们无法回答。

日本电动自行车的电机的标称额定功率一般为180-250W（大多数为235W）。

由于转速高，过载能力很大，根据本人的经验估计，瞬时功率能达到额定功率的200%以上。

YAMAHA的26V电动自行车骑行数据分析表明，限流控制在18A时，实际峰值功率可达到250W以上。

松下公司最新中轴驱动器的无刷直流电机采用了“ARUMAJIRO”技术（已申请专利），该技术在电机设计时考虑了用3相分数槽集中绕组。

先在单个有骨架的齿外分别绕好线圈，然后将12个这样的齿成型在一起，形成定子。

松下公司的无刷直流电机具有高功率密度和特别好的绕线工艺，且无需昂贵的专用绕线机和专用胎具。

因此电机有最高的槽满率，最小的直流电阻。

松下公司声称，这种电机的效率可达85%，噪声57db，比平面直流（有刷）电机效率提高13%，噪声降低11%。

先进的智能转矩控制方式按照日本相关标准的规定，电动自行车只允许采用比例助力控制系统，不允许采取全电动模式。

一般，控制器根据骑行速度分3段管理。

时速0-15km/h时，电动自行车比例助力驱动（通常电力/人力为1:1）；15-24km/h时，递减比例助力驱动；超过24km/h时，驱动系统将不提供电力驱动。

比例助力驱动模式提高了骑行的安全性，大大增加了一次充电的续程，明显减轻了整车重量，同时起到代步和键身的双重效果。

是现代电动自行车的发展方向。

比例助力驱动的特点是电力与人（骑行）力具有一定的比例。

人在骑行时，脚蹬每转动一圈，其人力输出转矩按照交流电全波整流输出相似的正弦曲线变化，每一转输出2个半波。

脚蹬在最高位置和最低位置时输出转矩为最小（接近或等于零），对应于波底；脚蹬在前、后两个水平位置时输出转矩最大，对应于波峰。

如果助力比例为1:1时，电力的输出转矩波形应当接近于人力的输出转矩波形。

用一块模拟式的直流电流表可以清楚地监测到上述结果。

因为直流电机（有刷、无刷）的电流与输出转矩近似成正比，所以电流的变化反映了转矩的变化。

电力输出按照比例跟踪人力输出的功能，通过以下过程实现：人力（脚踏力）转矩传感器将转矩变换为电压与电机电流（转矩）分别送到单片微机MCU的I/O （A/D）口——比较两个讯号大小——如果人力转矩传感器的输出讯号增大，控制器的输出电流将随之增加，电动机转矩也就增加；反之，如果人力转矩传感器的输出讯号减小，控制器的输出电流也将随之减小，电动机转矩也就减小。

整个调整过程是非常快而连续的。

骑行时感觉不到转矩的冲击。

比例助力驱动系统的技术关键在于转矩的采样；建立数学模型；算法及运算速度；PWM（脉宽调制）控制输出等。

通常运算速度不需要太高，因为电动自行车是一个大的惯性系统，正因为如此，算法中PI（比例-积分）调节系统是必须的。

顺便指出，迄今为止，我还没有看到国内具有日本技术水平的比例助力驱动系统。

国内所谓的“1:1助力系统”（虚假广告！）完全不同于日本的比例助力驱动系统，因为人力转矩和电力转矩输出都不检测（只有个别电动自行车仅检测人力转矩，输出控制的也不是电流而是电压），根本不存在任何比例控制。

转矩传感器按照灵敏度划分，可分为高灵敏度和低灵敏度的两种。

高灵敏度转矩传感器是一种接触式的传感器，实际上就是一个高耐磨的合成膜电位器。

它的位移大，输出电压高（可达3伏），可直接驳接MCU的I/O（A/D）口，但是骑行时有极微小的链条（或中轴）松动的感觉（如果不提醒，一般是感觉不到的）。

下面是日本某公司的转矩传感器的输入——输出曲线（图2）。

图2中的横坐标为脚踏转矩，纵坐标为输出电压（高灵敏型）。

最新的转矩传感器采用非接触式磁致伸缩变换器（日本称为磁歪式），它属于低灵敏度的转矩传感器。