董 鲍

电动自行车无刷直流电机及驱动方式的优缺点

董 鲍

（杭州哲峰金属制品有限公司，浙江 杭州 311231）

近年来，电动自行车以其低碳环保，节能便捷的特点，越来越受到消费者的青睐。电机是整车的动力输出部分，也是整车的核心部分，电机的好坏，决定了整台车的质量与使用寿命的长短，所以选择一台性价比好的电机显得至关重要。

电机；电机驱动；功率；效率

目前，市场上所用的电机有两种，轮毂电机和中置电机，中置电机由于成本高昂，传动机构复杂，故障率高，目前市场占有率低，本文着重分析轮毂电机。轮毂电机按照装的驱动位置不同，又分为前驱轮毂电机和后驱轮毂电机，前轮毂电机装在前轮作为动力源，后驱轮毂电机装在后轮作为动力源，两者电机的主要构造是相同的，主要不同点是外形装配尺寸和后轮毂电机多了一个装自行车飞轮的机械部分。

1 轮毂电机的结构

轮毂电机主要由定子、转子、减速机构离合器、轮毂外壳等主要配件组成。

1.1 电机的定子结构

电机的定子主要是由铁芯和线圈绕组构成，铁芯由0.2～0.5mm硅钢片叠压而成，每单片硅钢片表面有一层绝缘层，减少涡流损耗，从而减少电机发热。定子又分为外转子定子和内转子定子，如图1、2所示。

外转子电机一般转速较低，极对数多，转矩较大，而内转子极对数少，电机转速较高，调速范围比较大，通过大的减速比也能达到较大的转矩，对于要求高转速的场合，内转子电机有一定的优势。

图1 外转子定子铁芯

图2 内转子定子铁芯

关于线圈绕组，直流电机线圈绕组多采用分数槽绕组，采用分数槽绕组主要优点在于：①电枢冲片齿槽数减少，便于冲片和铁芯的制作；②可以大大减少绕组线圈端部长度，节省铜材，减少电枢漏抗，提高电机效率，增加电机换向的稳定性；③减少齿槽效应；④减少电机的发热量［1］。

1.2 电机的转子结构

转子一般由磁轭和永磁体构成，由于轮毂电机要求较高，永磁体一般选用高性能的铷铁硼磁钢，如35SH、38SH等高性能的磁钢，而磁轭，也就是承载磁钢的载体，一般选用低碳钢或硅钢片叠压而成，因为这两种材料导磁性能较好，硅钢片导磁性能要好于低碳钢，但成本略高于低碳钢。

1.3 减速机构和离合器

轮毂电机经过减速后，得到较高的扭矩和较低的转速，目前市场上轮毂电机减速机构一般是由一级或二级尼龙齿轮来减速，另外还有一种行星轮摩擦减速，如图3、4所示。

图3 尼龙齿轮减速

图4 摩擦轮减速

1.4 轮毂电机的外壳

考虑到轻便，市场上电动自行车电机外壳一般都是由铝压铸成形后，再精加工而成，这里不再赘述。

2 轮毂电机的重要工作电参数及其特性

电机的重要参数可分为工作电压、电流、额定功率、效率、扭矩、转速。

2.1 工作电压

电动自行车轮毂电机工作电压也就是通常说的额定电压有DC24V、DC36V、DC48V、DC72V，考虑到成本问题，市场上主要以额定电压DC24V和DC36V的直流电机居多，具体情况根据用户的需求来定。

2.2 电流

电机的电流涉及“空载电流”“额定电流”“堵转电流”3种，下面逐一分析。

2.2.1 空载电流。空载电流就是电机在没有负载的情况下，通电以后电机的工作电流。空载电流大小跟电机的效率及发热有密切的关系，空载电流越小，功率因数越高，反映电机自身损耗就越小，发热也会越小，反之电机自身损耗就越大，发热也就会越大。

2.2.2 额定电流。额定电流就是电机在额定负载情况下的工作电流，就轮毂电机自身结构的特殊性，I=P/U，一般来讲，24V的轮毂电机一般额定电流范围在6.5～10.2A，36V的轮毂电机的额定电流大致在4～7A。

2.2.3 堵转电流。堵转电流就是电机不是在额定负载情况下而是在非正常情况下，电机处于过载状态，这时电机输出转速为零，但仍有转矩输出，此时的工作电流的大小可衡量一个电机过载能力的大小，堵转电流越大，电机过载能力越强，堵转电流越小，电机过载能力越小，堵转电流一般是电机额定电流的1.2倍左右，当然不建议电机长时间处于过载工作状态下，这样的话，电机很容易烧掉。电机工作时，由于控制器具有限流保护作用，一般电机不会在电机堵转状态下工作［2］。

2.3 功率

通常谈到的电机功率，大多指电机的额定功率，多是指在额定电压和额定负载下电机输出的功率。工业标准电机功率的设计原则有两种，分别是按照“发热原则”和“性能原则”，电动自行车由于其能源的特殊性，很显然其轮毂电机是遵循性能原则设计的，性能原则包括电气性能、机械性能和其他附属性能。自行车上轮毂电机功率一般在150～350W，目前市面上用的比较多的前驱电机额定功率有150、180、250W这3种类型。一般来说，电动自行车以20km/h的速度在平地上恒速行驶，标准负载在80kg和无风的条件下，经测试一般消耗的功率在90～130W，平均消耗功率为110W左右，如果遇到有风和上坡情况，电机的输出功率180W，也足以满足骑行要求，基于成本和其他方面的综合考虑，市场上以额定功率180W轮毂电机最多。

2.4 效率

电机的效率是衡量电机能量利用率高低的重要指标，效率越高，电机自身的各种损耗（铁损、铜损、机械损耗、其他杂散损耗）就越小，通俗地讲就是电机效率越高，电池越省电，一次续行的里程越远。厂家认为既然电机效率越高越省电，那就尽力提高电机效率，但这里面还涉及成本问题，因为大幅度提高电机的效率是以增加电机的有效材料（永磁材料、铜线、导磁材料）为代价的，传统电机设计有一些重要理论，就是电机的效率提高1%，有效材料要多消耗10%。所以，单从提高效率来讲，性价比很低，不符合市场需求。

2.5 电机转速

一般谈论电机的转速是指电机额定输出转速，电机的额定转速按照设计原则，一般源转速在2 000～4 000r/min，经过减速机构减速以后，轮毂电机输出转速一般在160～340r/min，目前市场上以 160r/min、190r/min、210r/min、260r/min几种为主，用户一般告知电机装在多大尺寸的车子上，要求整车时速是多少，就可以计算出用户需要的额定转速的电机。

用户需要的转速N=［整车时速（km/h）×1 000］/［3.14×轮径×0.025 4×60］。目前，国内对于电动车时速管理不够规范，如果出口欧洲，根据欧洲的EN15194标准，强制规定整车时速不能超过25km/h。

2.6 电机的扭矩

电机的扭矩也是电机的一个重要参数，其是衡量电机爬坡性能的一个重要指标，电机的转矩越大爬坡能力越强。目前，正常骑行的话，电机输出的扭矩大概在5～9Nm，电动自行车运行的是一个区间而不是一个点。

3 中置电机

中置电机，就是装在自行车中轴上的电机，其直接带动自行车牙盘转动，进而带动整车前进。中置电机和轮毂最大的区别在于机械部分，电气部分相似，其机械部分较为复杂，故障率较高，制造成本远远大于轮毂电机，目前市场占有率很低，这里不再详细介绍。

4 不同驱动类型的优缺点

由于电机装的位置和自身结构不同，所以形成的驱动方式也不一样，下面笔者简单分析各种电机装在车子不同位置上形成不同驱动类型的优缺点。

4.1 前轮轮毂电机驱动优缺点

4.1.1 优点。①对于电动自行车来说，前轮轮毂电机驱动，整车的动力输出在前轮，从工程结构稳定性和受力分析来讲，前驱驱动力的分配较为合理。金属杆件压和拉的受力状态完全不同，受拉只涉及金属杆件的强度问题，不存在结构稳定性问题，而当金属杆件受压时，压力的作用点必须在金属杆件的断面中心点上，稍微有点偏差的话，金属杆件就容易发生变形或弯曲，甚至被破坏。为了断面系数和转动惯量达到要求，就要加大结构面的受力面积，从而增加成本，更增加车身的重量，所以说拉优于推，遇到较差的路况，不易发生事故。②对于前轮驱动来说，在同等条件下，整车越障能力相对较强，在不平路段、石子路面、坑凹路、泥泞路以及雪后的冰雪路面，用前轮驱动可以做到相对平稳顺利。③电动自行车采用前轮驱动，便于电动自行车合理配重，电动自行车的电源配置多采用中置和后置配置，这样的话造成后轮负载过大，由于车架构造和轴距不同，后轮的分配电池重量的比例也不同，一般不少于50%，骑行者体重的60%分配在后轮上，从而使整车的负载配置不合理。④对于轮毂电机，骑行过程中，相对于中置电机，噪音很小。⑤前轮驱动，一旦发生电机故障，拆卸维修方便。

4.1.2 缺点。由于受到整车外观的影响，电机的外形尺寸会受到一定影响，从而限制前驱电机的功率。

4.2 后轮轮毂电机驱动优缺点

4.2.1 优点。①电机驱动装在后轮，相对前驱电机来讲，其不受外形影响，外形尺寸可以做大一些，电机的功率也可以相应做大一些，在不同情况下，可以更好地满足消费者对动力的需求。②后轮轮毂电机骑行中的噪音相对于中置驱动的电机来讲，要小得多。

4.2.2 缺点。①发生故障，维修不方便。由于电机驱动装在后轮，势必要和变速飞轮、刹车以及一些电气线装在一起，电机发生故障后，拆卸维修很不方便。②同等功率条件下，后轮毂驱动越障能力没有前驱越障能力强，在不同路面情况下，安全系数没有前驱驱动高。③对于后驱轮毂驱动来讲，整车负载比例分配不合理，后轮承担超过60%的负载比重，故障率会相对高一些。

4.3 中置电机驱动优缺点

4.3.1 优点。①对中置驱动的整车来说，启动更有力，中置电机不受外形限制，相对于前后轮毂电机来讲，电机的功率可以做得更大，扭矩更大，整车的动力更强。②中置电机的效率很高，轮毂电机设计时受到外形的影响，只能以牺牲效率来满足轮子外形要求，而中置电机不需要考虑这些，设计以高效率为准则。

4.3.2 缺点。①该类型电机驱动，噪音很大，链轮转动产生摩擦噪声，而前后轮毂电机驱动，没有噪音。②中置电机的经济成本远远高于前后轮毂电机。

［1］徐翘甲，王万军，陈文龙.关于电动自行车电机效率和功率的讨论［J］.中国自行车，2003（9）：29-31.

［2］崔万安.电动自行车前轮驱动研究［J］.电动自行车，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

董鲍（1985-），男，助理工程师，研究方向：机电一体化。