2014-中国电动自行车产业“新一轮技术变革元年”(二)

——浅谈:“新国标”环境下之“技术变革”将迎来产销市场又一个“十年辉煌”

来源:   中国电动车网特约评论员、特邀撰稿人 宋子奎   2014/3/3   浏览6089次   

 

【提要】1.引言及“新一轮技术变革”概述;2.技术背景、制约因素以及“未来十年”国内刚性需求市场预期;3.探究现有产品之“低速轮毂电机直驱方式”的技术局限性;4.“新一轮技术变革”之途径及其“低成本”优选解决方案;5.“革新中置电机及其驱动方式”乃现阶段技术变革之道;6.“新一轮技术变革”有益于产销市场可持续发展;7.“新一轮技术变革”有助于产业整体跨入“锂电化时代”;8.“新国标”环境下之“技术变革”将迎来产销市场又一个“十年辉煌”;9.结语。

 

4.“新一轮技术变革”之途径及其“低成本”优选解决方案

就现有技术条件而言,与突破电池技术之解决方案相比,我们通过“更有效提升驱动电机功效(效能)、来大幅减少电池能量消耗及其容量配置”,或乃“新一轮技术变革”之有效解决途径。那么,对于如何来提升电机“功效”,笔者的理解,或应该包括“效率与效力”两个方面的优化改进内容。而所谓提高“效率”,则是基于一定(设定)的“效能平台”、来实施其优化改进。更直观地讲,也就是:当电机主要参数、基本尺寸以及结构常数等一定时,它的最大“效力(即:效能平台)”乃既定的。因此,我们所作的优化改进,也只是如何使功率损耗趋于更小;而且,我们即便是将相关优化改进措施做到极致,效率也不可能超过1,否则将变为“永动机”,有悖于能量守恒原理。

 

而对于如何提高驱动电机之“效力”,乃基于(选择)“更高效能”之技术平台,来较大幅度提升其“能效比(驱动扭矩/驱动功率)”,以实现由较小的功率输入来获得较大的扭矩输出。或者是说,提高效力,所要解决的问题则在于:如何使功率消耗趋于更小(其中,功率损耗仅占很少部分)。或者进一步讲,即在满足所需驱动扭矩之前提下,如何来更有效减少电能(能源)之消耗。当然,基于“更高效能”之技术平台,再通过进一步优化(细化)设计,来提高其效率(即减少功率损耗),则将使电机“功效(能效比)”获得更有效提升。

 

据上所述可见,就现有产品之“低速轮毂电机及其直驱方式”而言,其优点或在于它省去了传动装置,传动效率高,无机械传动装置所产生的功率损耗。因而,提高效率乃仅针对于电机本体(本身)而言,而经过多年来的不断优化改进,目前低速轮毂电机技术已相当成熟,包括“正弦波、同步变频技术”的应用等等。但这些,更多只是对电机性能的一些改善,而对于效力及功效的提升或是“微不足道”的;也就是说,基于“低速轮毂电机及其直驱方式”这一“效能平台”,欲进一步提升其“功效”之优化改进空间已不大。

 

至此,我们或可以对现有“低速轮毂电机”技术实用性及其商业价值,给出较为客观的评估,即:优点是驱动系统效率较高(无传动装置产生的功率损耗);而不足之处在于,当用于低速车辆时,其功效(即:能效比)的进一步提升则受到限制。但这对于现阶段乃至未来消费市场所需产品的进一步改进而言,其不足可谓“致命性”缺陷,因而必须做出改变。而“新一轮技术变革”之必要性或在于此。

 

综上所述或表明:探寻“更高效能”之技术平台来改进产品设计,乃当务之急。然而,很有趣的是,所谓“高效能技术平台”,则已经存在于现有技术之中,或是我们尚未能充分发掘与更有效利用而已。比如,我们仍可以选择“外置式电机”作为驱动电机,不仅可避免车轮毂特定结构的限制,更利于电机本体的优化设计和“功效(效能)”的提升;而且,还可充分利用机械传动装置,来构成“低成本、延寿型减速器”(关于“延寿型减速器”参考实施案例之后给出);这样,我们就可以选择高转速电机、并实施“减速增矩”传动方式,即可方便实现“驱动系统功效(效能)”的大幅提升。

 

具体而言,我们可选用“内转子永磁体”结构的“高转速中置电机”,并采用链传动即“减速增矩”传动方式(关于链传动方式的优化改进措施之后给出),而且仅采用“一级链传动”方式,至少可获得“减速比”为3左右;那么,与轮毂电机直驱方式同比,中置电机转速为其3倍,则电机定子铁芯磁极数(极对数)仅为低速轮毂电机的1/3。就此而言,公知的,电机转速越高(极对数越少),则体积(外径尺寸)越小。这样,我们就可以通过相应(适当)增加其“质(重)量比”,即通过增大电机外径(径向尺寸)、来相应增大定子铁芯之绕组“槽截面”;而且,选用“外定子”结构之电机时,它的结构特征及其有利条件在于,外定子铁芯之“绕组槽截面”为梯形槽;那么,当在保持磁路截面即铁芯截面(极靴部分)不变时,通过相应增加定子铁芯的外径(径向尺寸),则“绕组槽截面(梯形槽)”便能获得显著增加。

 

据上所述,更需要指明的是,现有产品之低速轮毂电机,由于采用的是“内定子”结构,其内定子铁芯之绕组线槽为“梨型槽”,而且,低转速电机“磁极数(极对数)”较多则结构空间受到限制,因而无法做到“槽截面”的大幅增加。至此可见,外置式(中置式)高转速电机相比于低转速轮毂电机,其改进效果(技术优势)就在于,我们可通过大幅增加定子铁芯之绕组槽截面、来较大幅度的增加“绕组(电磁线圈)匝数”,即:在保持定子绕组(电磁线圈)“安匝数(IN)”不变(即:磁感应强度不变)之前提下,通过“相应增加定子绕组(电磁线圈)匝数”之改进措施,便可有效减少所需驱动电流(即:所需驱动功率),从而可方便做到电机“效力(功效)”的显著提升,继而减少电池能量消耗及其容量配置(降低电池成本)。

 

但仍需要进一步说明的是,通常以为,增加电机外径尺寸(即增大其质量比),或将导致电机“体积与成本”的大幅增加。其实不然,这是因为:高转速电机“磁极数(极对数)”相对较少,其体积(外径尺寸)原本就小于低转速电机,而增大其“质量比”则仅针对于高转速电机本身而言。据此可见,高转速电机(如:高转速中置电机)同比与低转速电机(如:低转速轮毂电机),适当(合理)增加其“质量比”,其“体积及其原材料成本”并未有明显增加,或仅与低转速电机大致相当。但不同的是,其“功效(能效比)”则可获得显著提升;而且,更需要指明的是:上述改进措施,乃充分运用现有成熟技术、以及常规技术手段即可方便做到的,无技术瓶颈制约,实施难度相对较低,因而更利于推广应用和广泛普及。所以,就现有技术条件而言,则可作为新一轮技术变革之“低成本”优选解决方案。

 

5.“革新中置电机及其驱动方式”乃现阶段技术变革之道

综上所述可见,与“低转速轮毂式电机及其直驱方式”相比,采用外置式(中置式)高转速电机、并实施“减速增矩”传动方式,则可获得驱动系统功效即“能效比(驱动扭矩/驱动功率)”的大幅提升。但前提条件是:为满足(适应)产品“运行工况”等相关技术性能要求,则“减速传动装置”的耐用性能及工作可靠性仍需要作进一步改进和完善。现就本文前述相关内容中,所提到的“低成本、延寿型减速器”及其具体实施例,推荐如下(以供参考):

 

该“延寿型减速器”,与现有机动摩托车所采用的“链传动减速器(即:链传动方式)”相类似,比如:在链传动系统(装置)中设有“缓冲部(件)”,当车辆在起步或提速时(即:链传动装置加载瞬间),可起到有效地缓冲作用;从而使传动装置各部件相互间的瞬间受力强度大大减轻,链轮与链条间的磨损程度亦相应减轻,其耐用性能及工作可靠性显著改善。并且,在此基础上又作了进一步改进,具体为:将原来装于机动摩托车后轮毂部位的“缓冲部(件)”改为“联轴器”形式,并与“中置电机”其转轴构成“一体化设计”(具体实物请参见前文提供的样机图片),因而,更便于装配和有利于降低实施成本。概而言之,它的设计原理、基本结构及其缓冲效果,都与现有机动摩托车所采用的链传动装置相类似。但区别及其改进效果还在于:

 

其一,将“缓冲部”前移中置,可简化后轮毂部位设计,则“后置大径减速链轮(或飞轮)”之内圈,可与车轮毂之“管状螺纹连接部”之间,实施“螺纹连接”(即与现有普通自行车其装配方式完全相同)。不仅便于装配,而且,车轮(毂)本体构造及整车构成更为简约,有助于“低成本、简约化”设计,则整车综合实施成本进一步降低。

 

其二,与机动摩托车在其后轮毂部位、由铝质材料所构成的“缓冲部”相比,将“缓冲部”改为联轴器形式(参见前文所提供的实物图片所示),其本体结构更为紧凑、体积减小、用材量减少,实施成本低廉;不仅更便于加工,而且可选用钢质材料制作,结构强度及耐用性能相应提高,使用寿命延长,则综合性价比更高。

 

而之所以推荐如上所述之&

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