电动车用电机效率

电动车用电机效率
评价电动自行车性能的优劣最重要的指标是充电一次续驶里程。

它除了和配置的电池容量大小等因素有关外，还与电动自行车驱动系统的效率密切相关。

所谓效率，是指一系统（装置）的输出功率和其输入功率的比值，一般用η表示。

输出、输入功率可以是电功率，也可以是机械功率。

对于电动机而言，输入是电功率，输出是机械功率。

因为任何系统内总存在有损耗，所以效率总是小于1。

电动自行车驱动系统效率ηs可表示为：ηs=ηC·ηm·ηT·ηR 式中ηc——控制器效率ηm= P2m/ P1m——电动机效率P2m——电动机输出机械功率P1m——电动机输入（即控制器输出）电功率ηT——传动装置效率对于直接驱动无传动装置的驱动方式，ηT =1 ηR——轮胎效率它和轮胎宽度、和地面接触面积大小、花纹、轮胎材料等有关。

本文重点介绍电动自行车电机效率的相关问题。

1.电动机效率电动机效率ηm= P2m/ P1m =（P1m－∑Pm ）/ P1m =1 －∑Pm / P1m 式中∑Pm为电机总损耗，主要包括机械损耗（轴承摩擦损耗、转子空气摩擦损耗、换向器和电刷间的机械磨损等）和铁心损耗（含磁滞损耗和涡流损耗），二者又可称为空载损耗或不变损耗。

电动机负载后又产生铜损和附加损耗，因为它们随负载大小而变化，又称为可变损耗。

显然，电机的总损耗越小，其效率越高。

换言之，要想提高电机效率，应采取降低损耗的措施。

对于电动自行车用低速直接驱动电机，机械损耗较小，而铁损亦不大。

而高速电机（线绕式或印制绕组）+齿轮减速器系统，电机的机械损耗和减速器的磨损相对于低速电机较大，而铁损较小。

总之，对于电动自行车用电机，其空载损耗均不大，约10～20W。

在总损耗中占有较大比重的是电枢绕组铜损。

众所周知，电机铜损PCu = I2Ra ，无论对于何种电机，只要额定功率、电压相同，电枢电流I差别不大，因此，电机铜损基本上取决于电枢绕组电阻Ra的大小，Ra越大，铜损也越大，效率低。

要提高电机效率，最有效的措施是降低电枢绕组电阻Ra，具体来说就是增加绕组的导电面积，但往往这又受到槽面积的制约，导致槽满率过高，造成下线困难。

要解决这一问题只好增加电枢铁心长度，减小绕组串联匝数，这样又增加了电机的制造成本。

所以提高效率和降低成本是矛盾的。

这就是通常所说的设计高性能指标的电机并不困难，只要增加电机材料的用量则可达到。

对于电动自行车用这种数量大而又追求高效率的电机而言，关键是设计制造出成本不高而又具有高效率的产品。

电机重量基本反映出电机的有效材料用量。

目前业内人士评价电机性能最关心的就是电机效率，而忽略了电机重量的不同，实际上，重量不同的电机其效率没有可比性。

一般来说，重量较重的电机应具有较高的效率。

但由于电机设计技术的差异，也出现了重量轻而效率高的电机产品。

目前电动自行车用几种电机重量G和额定效率η大致如下：高速有刷+齿轮减速器G=3.2～3.5Kg ηm =(74～77)% 高速无刷+齿轮减速器G=3.4～3.8Kg ηm =(75～78)% 低速有刷电机G=5.8～6.5Kg ηm =(75～78)% 低速无刷电机G=4～5.8Kg ηm =(77～80)% 在此说明，电机额定功率越大时，其损耗所占比例相对较小，电机效率越高。

2.电动机的最高效率ηmax 如前所述，电机损耗可分为基本上不随负载大小变化的不变损耗和随负载大小而改变的可变损耗。

根据效率表达式，经数字推导证明，电机当可变损耗和不变损耗相等时，效率最高。

电动自行车电机经测功机加载检测，均给出一最高效率点，大家注意到，不同种类、不同规格的电机，最高效率点出现的位置明显不同，例如低速有刷电机最高效率点位于3～5Nm区间，高速有刷电机ηmax位于5～8Nm，传统低速无刷电机ηmax位于2～4Nm，新型低速无刷电机ηmax位于4～7.5Nm，高速无刷电机6～9Nm。

产生这一现象的原因，根据最高效率出现的条件就很容易理解，即电机转速越高，机械损耗越大，在铁损变化不大时，不变损耗越大，在其他条件，如电枢电阻相同时，最高效率ηmax出现在负载电流、转矩较大的区域。

实际上，对最高效率
出现区域影响最大的是电枢绕组电阻Ra，Ra越小，同样电流时，产生的绕组铜损——可变损耗越小。

所以最高效率ηmax出现在负载较大区域。

对于转速高，电枢绕组电阻小的电机，最高效率出现在更大的负载区。

事实上，对于电动机而言，最重要的是电机的额定效率而不是最高效率。

作为电机的最佳化设计，应使电机的运行点位于最高效率点附近。

如果一台电机的最高效率很高，而实际运行工作点远远偏离最高效率点，则这时谈论最高效率是没有什么实际意义的。

不能用最高效率作为评价电机的指标。

对于电动自行车而言，不同规格、不同的车速、正常行驶情况下，负载转矩一般在4～8 Nm，如前所述，新型低速无刷电机的最高效率正好位于此区间。

所以就运行效率而言，该电机具有优势。

3．电机的高效率平台所谓高效率平台，即在约定的高效率指标下，例80%，其负载转矩ML（Nm）的范围。

如前所述，影响电机效率的主要参数是电枢绕组电阻Ra，而Ra的大小取决于主特材料——永磁体、导磁材料、导电材料等的用量。

众所周知，磁通和磁势的相互作用产生电磁转矩。

若永磁体用量多，磁通大，产生一定的转矩所需磁势小。

在绕组匝数一定的情况下，电流小，铜损小，效率高。

Ra越小，可允许电枢电流I即使在较大范围内变化（即负载变化较大），其产生的绕组铜损PCu = I2Ra也不至过大，电机仍具有较高效率，高效率平台较宽。

据此，对于功率、转速接近，而额定电压相同的电机，我们可通过测量电枢绕组的直流电阻Ra初步比较、判定电机的最高效率、额定运行效率的高低和高效率平台的宽窄。

在此，特别强调指出，有些厂商过分追求较宽的高效率平台实在没有必要。

因为电动自行车在正常使用下，其转矩ML=4～8Nm，只要在此范围内有较高效率则可满足使用要求。

而ML=10～20Nm，仅适于起动和爬坡。

起动和爬坡时所需转矩不应作为电机设计的依据。

其原因：1）起动、爬坡和正常行驶相比，毕竟在时间上所占比例较小；2）起动和爬坡对转矩的要求可通过电机的转矩过载来满足；3）过大的转矩都是通以大电流来实现的，大电流将会对电池造成不允许的冲击和严重破坏，大幅降低电池的循环寿命；4）如果依起动和爬坡转矩作为设计依据，将导致使用过多的主特材料，加大了成本。

鉴于此，强调过宽的高效平台，过分追求大转矩则违背了电动自行车的初衷。

电动自行车就是电动自行车，它不是摩托车。

对于任何产品，均应遵循“在满足需要的前提下，尽量降低成本”的原则。

这也许是我们在设计、使用等方面和世界先进水平存在的差距。

4.有刷电机和无刷电机的比较因为1）有刷电机的电枢绕组电阻一般大于无刷电机的电枢绕组电阻；2）有刷电机存在有换向器和电刷的机械磨损；3）有刷电机的换向器和电刷间存在接触电阻；4）有刷电机的电刷自身存在电阻。

所以在使用同等材料的条件下，无刷电机的效率高于同规格的有刷电机。

5.低速电机和高速电机的比较从电枢绕组电阻来看，一般情况下，高速电机的较小，低速电机的较大，所以在电流相同时，高速电机的铜损较小；从机械损耗来看，显然，高速电机的大，再考虑到齿轮减速器的损耗，高速电机的总机械损耗远大于低速电机；由以上两方面来看，不难推断，在负载转矩ML<8Nm 的情况下，低速电机的效率大于高速电机，而在负载较大时，高速电机的效率有可能高于低速电机。

一般情况下，高速电机有较宽的高效率平台。

6.结论综合以上分析，可得出以下结论：作为电动自行车用电机，不要追求过宽的高效率平台和过大的输出转矩，应以满足需要为目的。

否则电机将消耗过多的主特材料，加大了制造成本，增加了电机体积和重量；在一般使用条件下，作为电动自行车驱动电机应选用高效区间位于4～8Nm的低速永磁无刷电机，以增加充电一次续驶里程；对于经常骑行在崎岖不平，坡度变化较大的道路上的电动自行车也可选用高速无刷电机+齿轮减速器的驱动系统，不过该系统寿命相对较低，使用一段时间后噪声加大，需经常维护。