就现有低速两轮电动车之产品,之所以大多都采用轮毂电机直接驱动车轮转动之方式,不仅仅是可以省去传动机构,以提高其耐用性能和工作可靠性;而它的最显著优点还在于无传动机构功率损耗,传动效率高。我国在轮毂电机开发应用方面尚处于较先进水平,诸如:采用同步变频电机,并通过增加外转子磁钢宽度与厚度、以及选用高等级永磁体材料来增大磁通量等,用于改善电机动力性能和提高效能;还包括对调速控制系统的优化,可根据不同工况使电机处于高效率工作区域等等。这些改良与优化最主要目的之一,在于能提高驱动系统工作效率,即:在满足所需驱动扭矩之前提下,更有效降低电机所耗功率,则可相应降低蓄电池的能量消耗。由此而产生的效果在于:或可相应减少蓄电池的容量配置,实现轻量化;或可相应延长其续行里程。又比如,为能进一步提高驱动电机之功效,或可采用小轮径满盘电机,即:通过减小轮径相应提高电机转速,以及通过增加电机外转子径向尺寸来延长驱动力臂等,以期工作效率得以更有效提高。显而易见,就轮毂电机驱动方式本身而言,前述改进之效果无疑是较为显著的,它与改良及优化之前相比,或可提高功效20~30%,一些知名品牌在其产品介绍中,称其功效或提高1.2~1.5倍之多。
但笔者以为,或由于受轮毂电机其特定结构的限制,则进一步提升空间有限。也就是说,在新材料、新工艺以及新的技术方案尚未出现之前,即使将上述改良及优化做到极至,或很难实现其工作效率有更大幅度的提高。其原因在于:就轮毂电机直驱方式而言,若用于高速车辆则相对趋于合理,这是因为高速车辆可充分利用电机的高转速实现其高效能,从而大幅提高工作效率,例如,它可在不增加电机输入功率(额定功率)之前提下,方便做到电机输出转矩的较大幅度提高(该问题之后再作进一步讨论);而低速车辆则不然,由于电机转速需要与车轮转速相匹配,则电机的转速受到一定限制,因而限制了其工作效率的更有效提高。也就是说,高速车辆同比与低速车辆、在单位时间内行驶距离则更长,而耗能相当。由此可见,低速车辆采用轮毂电机直驱方式,其经济性与合理性或有待商榷。而现有产品中多采用的低速轮毂电机直驱方式之不足或在于:若要增加续行里程,则需进一步增加蓄电池的容量配置,这不仅会使成本增加,而且也使整车自重过大;继而导致行驶惯性相应增大,则使制动效果变差,以致影响行车安全。
对于如何更有效提高低速两轮电动车(包括电动自行车和电动轻摩)之续行能力,一直是行业所研究与探讨之课题,或由于受轮毂电机其特定结构的限制,而使得现有解决方案中或局限于如下几种方式:其一,通过选配轻量化高效能的动力电池,以减轻整车重量;例如,现逐步推广使用的锂电池等,但目前成本偏高、且电池的安全性能及综合性价比尚不及铅电池;显然,该解决方案或更多依赖于在电池技术开发上有所突破,并形成规模化及工业化生产,方能有效降低其成本。其二,是通过改良低速轮毂电机之结构、以及对调速控制系统的优化,从而进一步提高驱动系统之效能,继而可相应降低蓄电池的能量消耗。其三,是通过对蓄电池充电技术的革新改进(如:三段式充电技术方案等),则可相应提高电池利用率等等。
而笔者以为,上述解决方案之实际应用效果,远不及优化及改进传动方式来得显著。因此,我们不仿换一种解决问题的思路,不再局限于低速轮毂电机驱动方式,例如,现有低速电动三轮车通常采用的差速电机驱动及传动方式,以及包括高速轮毂电机驱动方式等。公知的,采用差速电机驱动方式(即:采用小功率高速电机实施减速增力之传动方式),其优点在于可获得显著的增力效果,则能较大幅度减少动力电池容量配置,利于实现轻量化或增加续行里程。
当然,差速传动之不足,不仅仅是减速机构存在一定的功率损耗,而如何改善与提高减速机构之传动效率、耐用性能、使用寿命及工作可靠性则更为重要;尤其对于电动自行车及电动轻摩等两轮车型,选用差速传动方式或给传动系统设计带来不便,这或许是现有车辆多选用低速轮毂电机直驱方式的主要原因之一。对此问题笔者以为,传动方式的选择是否更趋合理,则在于是否有利于产品之综合经济技术指标的更有效提升;就低速两轮电动车之差速传动方式而言,若采用更为恰当合理及高效率的传动结构设计、并相应提高减速机构的耐用性能及工作可靠性(优化及改进措施之后再作探讨),或可成为较佳驱动方式之一;而它的最明显优势就在于:同比于低速轮毂电机直驱方式,其工作效率之提高幅度尤为显著。就此问题探讨如下:
现有用于差速传动之高速电机,其转速至少达3000r/min以上,而电动自行车之车轮转速通常在400r/min左右,则二者间的减速比(传动比)为8左右。理论上讲,减速比为8则可相应提高工作效率8倍,而实际提高幅度则取决于传动效率。就现有制造技术和实施条件,实现传动效率η≥0.8则是方便做到的(该问题之后再作进一步探讨)。那么,且设减速机构传动效率η≥0.8,而减速比为8,则同比于低速轮毂电机驱动方式,其工作效率至少可提高6倍以上;或者是说,差速传动之电机(原动机)所需功率仅为低速轮毂电机的1/6。据此,或可相应节省蓄电池5/6的容量配置;或者是同比续行能力可提高6倍,若按现有车辆平均续行里程约50公里计,则同比续行里程可增至300公里以上。可是,上述相关指标之对比,似乎缺少了必要条件(前提),即:高速电机同比与低速电机,二者的额定功率相同其输出转矩也应该相同,否则上述相关指标之对比则不能成立。
然而,公知的,电机之转矩与“功率/转速”成正比,即转速越高,转矩越小。很显然,若要提高差速电机驱动之工作效率,则要相应提高电机功效;也就是说,在不增加电机输入功率(额定功率)之前提下,需要进一步提高电机的输出转矩;或者是说,“在保持转矩不变之前提下减小电机输入功率(额定功率)”。据如上所述,笔者以为,就现有技术及实施条件则是能够方便做到的,例如,我们或可通过合理增加高速电机的“质(重)量比”等改进措施,来提高其功效以增加输出转矩(或减小输入功率)。就此问题进一步探讨如下:
公知的,额定功率相同之电机,其转速愈高,电机的质(重)量、体积和成本将愈小。据此,我们可通过改变电机之结构常数等,即可提高功效以增加高速电机之转矩;比如,可通过增大磁路(铁芯)截面及增加绕组匝数等来增加磁动势;以及通过优化及改进定、转子结构设计,来进一步提高电机效率等等。如上所述可见,当额定功率相同时,若要获得与低速电机相同的转矩,则高速电机同比与低速电机、二者的“质(重)量比”及体积或大致相当;当然,二者的造价(原材料成本)亦大致相当。但不同的是,电机转速愈高一般效率愈高,而选用高速电机或更为经济。据上所述显而易见,采用差速电机驱动方式(即采用高速电机实施减速増力之传动方式),同比于低速轮毂电机直驱方式,在获得相同输出扭矩之前提下,则可大幅度降低(减小)电机之所需功率,从而使动力电池的能量消耗大幅减少,继而可大幅度减少动力电池的容量配置。由此可见,采用如上所述之解决方案,即可实现整车的轻量化、低造价以及续行里程的增加等。下面就低速两轮电动车之常用差速传动方式及其传动效率;并就如何改善差速传动之减速机构其耐用性能及工作可靠性等问题,作进一步探讨。
1、高速轮毂电机传动方式:通过由“太阳轮及行星齿轮”等构成的减速机构来增加输出扭矩,增力效果较为显著。但不足之处在于:与电机构为一体的减速机构难于实现液态油润滑,机构磨损较快,寿命受到影响。为改善减速机构耐用性能,或可采用相互独立的“分腔”设计方案,即:“由液态油润滑的减速机构与电机之间、通过轴联接等方式而组成一体”之设计方案。而这可能会导致其体积较大、以及轴向尺寸的增加,因而不便于整车优化设计,并且成本也相应增加,则性价比不高。但高速轮毂电机相比于低速轮毂电机,其优点则在于工作效率能获得有效提高。因此,解决好其耐用性能即使用寿命之问题,并采用更为经济合理的传动结构设计、来减小体积和有效降低其成本,或成为较理想的驱动方式之一。
2、外置式差速电机传动方式:与高速轮毂电机相比,由于不受车轮毂之特定结构的限制,方便实现“小功率大扭矩”之高速电机的优化设计,其优点还在于:与电机(原动机)构为一体的减速机构方便实现液态油润滑;不仅使用寿命长且结构简单、便于制造及成本低廉。但它的不足之处在于:外置式差速电机与车轮毂之间须配有“过渡传动连接装置”,而它的耐用性能及工作可靠性将直接影响驱动系统性能及整车品质。对上述不足及其改善措施,我们作如下具体分析与探讨。
外置式差速电机的安装形式,通常有“侧挂式”或“中置式”,具体改进措施参考如下:
(1)侧挂式:该传动方式基本属轴系传动范畴,其优点是便于获得大的传动比;而不足之外在于:为改善整车配重和优化外观设计,则要求其结构较为紧凑;若选用柱状电机及涡轮涡杆减速机构,则传动效率低。对此可作如下改进:①减速机构宜采用平行轴齿轮传动,则能显著提高其传动效率;②为方便与车轮毂实施传动连接,或可采用传统的链传动连接方式,但须有效解决其耐用性能及工作可靠性等问题(对此改进可参照后述“中置式”解决方案)。
(2)中置式:与“侧挂式”方案相比,便于整车配重及利于优化外观设计,而它的更主要优点或在于:①与高速轮毂电机驱动方式相比,不仅方便实施且电机及其减速机构使用寿命长,性价比较高;②与低速轮毂电机驱动方式相比,则能大幅度减少动力电池容量配置,利于整车轻量化设计和大幅降低生产成本。它的具体构成方案或可以是这样的——
该“中置式”方案其传动系统之基本架构,类似于现有机动摩托车中所采
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