陈厚松

(桂林凯杰印制电机公司，广西桂林541004)

随着电动自行车行业的不断发展，我公司生产的印制电机也越来越广泛地应用在电动自行车行业，并经过几年的实用考核，真正适应了这一领域的要求，无刷电机在这个行业的发展过程中，曾经多次进入但由于其本身的一些固有缺点，几上几下一直未能全面进入经受实践考验。为了能让电动自行车行业更快速健康的成长，本文就印制电机与无刷电机在各项性能上做一简单分析比较，希望借此能促使印制电机与无刷电机更全面地发展，更好地为电动自行车行业服务。

电动自行车作为一新兴家电产品，老百姓最关心的就是其适用性、舒适性，以及对环境是否有危害等。这些反映到电动自行车的驱动部分——电机上就可简单地分为力矩波动、起动转矩、机械特性、寿命噪声等指标。

1 力矩波动

直流电机的力矩波动反映到电动自行车整车上，就会造成整车骑行抖动、打颤，从而影响骑行者的舒适感，在这一点上无刷电机抖动最大，尤其是低速运行时更明显，特别在速度为10～15km/h时，恰恰这正是电动自行车最常用的骑行速度。有刷电机次之，最好的应该是印制电机。

直流电机的电磁转矩：

T_em∝Φ_δF_asinθ

式中，Φ_δ为气隙磁通，F_a为电枢磁势，θ为气隙磁通与电枢磁势F_a的夹角，当θ=90°时，T_em为最大电磁转矩。

印制电机由于其换向片数即为电机的导条数，因而其θ角的变化是所有电机中最小的。比有刷电机和无刷电机都小很多，因而力矩波动非常小。对于简单的三相无刷电机θ角则在30°～150°范围内变化，因而转矩波动很大，特别在低速运行时转速均匀性差，骑行者可很明显地感觉到电动自行车的抖动。

为了弥补这一缺点，建议无刷电机生产厂家，采用以下措施。

①使用较多极对数。

②采用较多的绕组相数。

③用桥式开关电路。

④气隙磁场设计成梯形。

⑤使电枢电磁按正弦波形变化。

2 起动转矩

电机起动转矩性能的优劣反映在整车上就是电动自行车反应灵敏性，即快速响应性等，在这方面应该是印制电机最优，有刷直流电机次之，无刷直流电机最差。

电机起动转矩=C_mΦδI_st

在起动时，由于电机反电势为零，因此电枢起动电流为I_st=(U-ΔU)/R，其值为正常工作时的几倍到十几倍，随着电动机的起动，电机反电势增加，电流逐渐减小，最后达到正常值。电机的起动转矩与起动电流成正比，因此电机的起动转矩也很大，印制电机由于无铁心，转动惯量小，因而反应极为迅速，其机械时间常数可达到毫秒级，这也是印制电机广泛用于军事领域的原因之一。无刷电机的起动转矩除与起动电流有关外，还与转子相对于电枢绕组位置有关，转子位置不同时，起动转矩也不同。即当转子所处位置不同时，转子磁场与电枢磁场之间的夹角也是不同的，因此，产生的起动转矩也是变化的。无刷电机如果在其处于电枢反应直轴去磁分量较大时起动，其瞬间电流将会更大，因而会造成磁钢退磁，并伤害电池，同时控制器的安全也会受到影响。

为了防止这现象的发生，无刷电机厂家大都采用限流起动，禁止零起动，或采用慢速起动等方式，这也是采用无刷电机的电动自行车起动较慢，反应最不灵敏的主要原因。

3 机械特性

电机机械特性反映在电动自行车整车上可以视为其爬坡性能好坏，印制电机不含铁心，所以电机过载时仅仅是铜耗增加，因此，效率损失不会加大很多，因而在大扭矩负载时，其效率仍很高，特别是相比于无刷电机会高出很多。

无刷电机由于减少了电刷损耗，再加上用于自行车领域时，它不需加齿轮减速因而其效率点，在某一特定领域比较高，但当电机处于过载大电流时，由于功率管的饱和管压降，随集电极变化而显著变化(见图1)，因此大量的电压损耗在功率管上，造成整个无刷电机效率大大下降。

因此，无刷电机在大负载条件下，电枢电流变大，管压降变化更大，这样n=U-IU-IR/K_e，所以无刷电机机械特性在大电流时会下降很快。

这样也造成无刷电机爬坡性能差，同样条件下，爬同样的坡无刷电机的速度仅为有刷电机的一半。同时大电流也会造成电池的损坏，很多厂家，为了降低其危害性将电流限得很低，这样对于老百姓来说又增加了其不方便性。图2为电动自行车用无刷电机毂和印制电机轮毂性能曲线图。

4 噪声、寿命

无刷电机基本上可以做到无噪声，这与有刷电机的电刷噪声和齿轮磨合声相比，是无刷电机的最大优点。也是目前有刷电机迫切需要改进的方面。寿命，对于无刷电机理论上可以很长，如果出问题则主要出在控制器上，因而控制器的稳定与否将决定无刷电机的寿命长短。直流有刷电机随着电刷性能改变，转子质量的提高，其寿命也可以达到数千小时，高的可以做到上万小时，基本可满足用户要求。其各项性能的优缺点如表1所示。

作者简介：

陈厚松(1968-)，男，工程师，主要研究印制电机及控制