葉震濤，鄒 艷，李 香（國(guó)家輕型電動(dòng)車及電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 無(wú)錫 214101）

電動(dòng)自行車電動(dòng)機(jī)功率實(shí)驗(yàn)室比對(duì)研究

葉震濤，鄒 艷，李 香
（國(guó)家輕型電動(dòng)車及電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 無(wú)錫 214101）

文章通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)功率的測(cè)試方法、測(cè)試條件、測(cè)試設(shè)備，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較分析，分析檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生差別的主要原因有熱平衡前后試驗(yàn)、直流電源紋波因數(shù)、電動(dòng)機(jī)裝夾、測(cè)功機(jī)性能等，并提出如何將檢測(cè)誤差降到最低的方法。而后通過(guò)比對(duì)試驗(yàn)，提出電動(dòng)機(jī)功率能力驗(yàn)證的必要性。

電動(dòng)自行車；電動(dòng)機(jī)；功率；影響；比對(duì)

0 引言

實(shí)驗(yàn)室比對(duì)及能力驗(yàn)證是判斷和監(jiān)控檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)能力的有效手段，是檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)通過(guò)外部措施補(bǔ)充其內(nèi)部質(zhì)量控制方法的技術(shù)。目前，電動(dòng)自行車電機(jī)功率能力驗(yàn)證方案在國(guó)內(nèi)尚未研究，在GB17761-1999《電動(dòng)自行車通用技術(shù)條件》中，規(guī)定了電動(dòng)機(jī)功率的技術(shù)指標(biāo)，但標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)試驗(yàn)過(guò)程詳細(xì)規(guī)定。我們調(diào)查了部分實(shí)驗(yàn)室，發(fā)現(xiàn)對(duì)于該指標(biāo)的測(cè)試細(xì)節(jié)略有差異。

為了解不同條件下，對(duì)電動(dòng)自行車用電動(dòng)機(jī)測(cè)試的差異，我們分別通過(guò)改變測(cè)試方法、測(cè)試條件、測(cè)試設(shè)備，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較分析，分析檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生差別的原因，并提出如何將檢測(cè)誤差降到最低的方法。

通過(guò)前期的調(diào)查、分析和試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)熱平衡前后試驗(yàn)、直流電源紋波因數(shù)、電動(dòng)機(jī)裝夾、測(cè)功機(jī)性能等原因是造成檢測(cè)結(jié)果差異的主因。

1　熱平衡對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的影響

GB17761-1999《電動(dòng)自行車通用技術(shù)條件》在6.1.7條，對(duì)電動(dòng)機(jī)功率（電動(dòng)機(jī)額定輸出功率）試驗(yàn)規(guī)定是“將電動(dòng)機(jī)接上額定直流電壓，加載到其額定轉(zhuǎn)矩，在測(cè)功儀上讀得其額定連續(xù)功率”。該條款內(nèi)容是依據(jù)直流有刷電機(jī)制訂的，但2004年后，電動(dòng)自行車用電動(dòng)機(jī)以直流無(wú)刷電機(jī)為主，并且電動(dòng)機(jī)必須通過(guò)控制器才能工作。于是，電動(dòng)機(jī)功率測(cè)試將電動(dòng)機(jī)固定在測(cè)功機(jī)上，連通電動(dòng)機(jī)、控制器、轉(zhuǎn)把，穩(wěn)壓電源與控制器連接，轉(zhuǎn)把開(kāi)度調(diào)整到最大，將輸入電壓調(diào)整到電動(dòng)自行車的額定工作電壓下運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，使用測(cè)功機(jī)逐漸加大轉(zhuǎn)矩至其額定轉(zhuǎn)矩，測(cè)量額定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速，通過(guò)計(jì)算得出輸出功率，或由測(cè)功機(jī)直接讀出輸出功率。

而歐盟電動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)EN 15194-2009《自行車-電動(dòng)助力自行車-EPAC兩輪自行車》第4.2.7條規(guī)定：“最大額定功率要在電機(jī)達(dá)到制造商規(guī)定的熱平衡狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量?！保ㄗⅲ簾崞胶馐侵鸽姍C(jī)部件的溫度變化不超過(guò)2K/小時(shí)。）

這兩份標(biāo)準(zhǔn)的核心區(qū)別在于是否熱平衡后測(cè)試。

根據(jù)電機(jī)功率平衡公式

電動(dòng)機(jī)總損耗包括空載損耗、銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗等，這些損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，向周圍介質(zhì)傳播，使得電動(dòng)機(jī)各部件溫度升高。而電動(dòng)機(jī)繞組的電阻R隨溫度升高而增大，工作電流下降，磁通量減少；當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，輸出功率減小。

為此用同一臺(tái)48V 350W直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，觀察溫度對(duì)電機(jī)效率影響的大小。在室溫為19.2℃下，通過(guò)測(cè)功機(jī)加載至輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定值，記錄十組電機(jī)輸出功率值，其平均值為331.7W。維持此負(fù)載值不變，待2.5小時(shí)電機(jī)達(dá)到熱平衡后（溫度約上升30K），再次測(cè)量十組電動(dòng)機(jī)效率，其平均值為330.3W，較冷態(tài)下輸出功率降低1.4W，誤差達(dá)到0.42%。試驗(yàn)驗(yàn)證了輸出功率隨溫度的升高而降低的理論。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。于電動(dòng)自行車至少可以連續(xù)工作1小時(shí)，屬于連續(xù)行駛的車輛；并且3C認(rèn)證的電動(dòng)自行車電動(dòng)機(jī)均為連續(xù)工作制（S1）。因此，根據(jù)實(shí)際工況，電動(dòng)自行車電動(dòng)機(jī)應(yīng)為連續(xù)工作制。而對(duì)于連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)，需要熱平衡后測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1　冷熱態(tài)電動(dòng)機(jī)效率對(duì)比

2　直流電源紋波因數(shù)的影響

直流電源紋波因數(shù)是衡量直流電源品質(zhì)好壞的主要參數(shù)。因?yàn)橹绷鞣€(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的，這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波。

電動(dòng)自行車采用蓄電池供電，不存在紋波問(wèn)題。而在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)時(shí)，采用直流穩(wěn)壓電源供電，直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓是通過(guò)工頻220V交流電源整流濾波得到，由于濾波不徹底，就會(huì)有剩余的交流成份，尤其是高頻諧波，對(duì)控制器的輸出PWM脈沖產(chǎn)生影響，從而影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

試驗(yàn)采用兩臺(tái)不同紋波峰值電壓的直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行，其中：1號(hào)電源的紋波峰值電壓為100mV（對(duì)應(yīng)紋波因數(shù)為0.12%），2號(hào)電源的紋波峰值電壓為250mV（對(duì)應(yīng)紋波因數(shù)為0.30%）。由于電源紋波對(duì)電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試結(jié)果與溫度無(wú)關(guān)，測(cè)試選擇在冷態(tài)下進(jìn)行。用這兩臺(tái)電源分別給48V 700W電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)供電，測(cè)功機(jī)加載到15.06N.m時(shí)，得到由1號(hào)電源供電的電動(dòng)機(jī)輸出功率為700.0W，2號(hào)電源供電的電動(dòng)機(jī)輸出功率為697.8W，輸出功率相差2.2W，誤差達(dá)到0.31%。可見(jiàn)，不同品質(zhì)的供電電源對(duì)電動(dòng)機(jī)效率測(cè)量精度有一定影響。

在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)法消除紋波對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響，應(yīng)盡量采用紋波因數(shù)小的直流穩(wěn)壓電源，保證測(cè)量精度。

圖1 電動(dòng)機(jī)裝夾圖

3　電動(dòng)機(jī)裝夾的影響

由于電動(dòng)機(jī)上沒(méi)有專門(mén)用于檢驗(yàn)的定位裝置，需要通過(guò)人為調(diào)節(jié)。通常測(cè)功機(jī)的一端通過(guò)頂尖定位在電動(dòng)機(jī)輸出軸的工藝孔上，另一端通過(guò)U型定位槽定位在電動(dòng)機(jī)輸出軸的螺紋端（見(jiàn)圖1）。如果裝夾不當(dāng)，測(cè)功機(jī)測(cè)量中心與電動(dòng)機(jī)中心線產(chǎn)生偏差，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的附加振動(dòng)，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)。

以同一臺(tái)36V 240W的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例，設(shè)計(jì)模式一：在電動(dòng)機(jī)與測(cè)功機(jī)中心精確對(duì)中，模式二：電動(dòng)機(jī)與測(cè)功機(jī)中心線稍有偏離；這兩種情況下測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　電動(dòng)機(jī)對(duì)中對(duì)輸出功率的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，模式一電動(dòng)機(jī)輸出功率波動(dòng)幾乎可以忽略不計(jì)；而模式二波動(dòng)率達(dá)到0.2%，而且兩者之間平均輸出功率也有差異。由此可以看到，由于電動(dòng)機(jī)與測(cè)功機(jī)對(duì)中不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差的加大。這中測(cè)量誤差屬于人為因素造成，可以通過(guò)提高試驗(yàn)人員技術(shù)水平、加強(qiáng)試驗(yàn)人員操作技能的培訓(xùn)方法，來(lái)降低甚至消除誤差。

4　測(cè)功機(jī)性能的影響

電動(dòng)自行車用電動(dòng)機(jī)屬于低速電機(jī)，低速電機(jī)的突出問(wèn)題是低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)輸出功率呈周期性變化。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)組成，其中定子鐵芯上的開(kāi)口槽和齒是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要原因；而相繞組電感的存在，使電動(dòng)機(jī)換相時(shí)相電流上升、下降速率不一致產(chǎn)生了換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。電動(dòng)機(jī)企業(yè)都在想方設(shè)法解決這些脈動(dòng)，但無(wú)法根除；如目前控制器以方波控制電動(dòng)機(jī)換相，無(wú)法解決這些脈動(dòng)。

為更清楚捕捉住轉(zhuǎn)矩的變化，客觀反映電動(dòng)機(jī)的真實(shí)運(yùn)行情況，采用高靈敏度的測(cè)功機(jī)，按每秒實(shí)時(shí)采集100次電動(dòng)機(jī)參數(shù)。試驗(yàn)采用了某48V 250W電動(dòng)機(jī)，采用10Nm轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)試，選取其中在1.1秒內(nèi)采集的110個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示輸出功率在263.9～268. 6W之間波動(dòng)。其波動(dòng)率見(jiàn)圖2。

圖2 某電動(dòng)機(jī)110個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)的偏差

從數(shù)據(jù)可知，電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)輸出功率實(shí)際是呈周期性波動(dòng)的，最大的電壓差達(dá)到4.7W，這將導(dǎo)致測(cè)量不確定度變大。實(shí)際在檢測(cè)過(guò)程中，為能測(cè)得較為精確的輸出功率，宜采用取平均值方法；目前檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)配備的測(cè)功機(jī)，則是通過(guò)采集一定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)的有效值，內(nèi)置算法得到電動(dòng)機(jī)各參數(shù)，能有效減少電動(dòng)機(jī)周期型波動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響，這時(shí)輸出功率的波動(dòng)率相對(duì)比較穩(wěn)定。當(dāng)然程序的優(yōu)劣也會(huì)影響到輸出功率，為此在選擇測(cè)功機(jī)時(shí)，除考慮精度外，還應(yīng)進(jìn)行低速性能的比對(duì)，保證檢測(cè)結(jié)果的正確。

另外應(yīng)關(guān)注測(cè)功機(jī)的量程，電動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩低于滿量程的20%時(shí)，測(cè)量精度無(wú)法保證。作為日常檢測(cè)，為保證檢測(cè)精度，還需監(jiān)視轉(zhuǎn)矩零點(diǎn)飄移值，避免轉(zhuǎn)矩零點(diǎn)飄移值超過(guò)允許范圍，造成檢測(cè)誤差。

5　比對(duì)情況

在以往的試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)即使相同的人員使用同一測(cè)試工具，測(cè)試結(jié)果也不盡相同，存在細(xì)微的差別。為此擬定比對(duì)計(jì)劃，制訂了電動(dòng)自行車的電動(dòng)機(jī)功率項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室比對(duì)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，完善了相關(guān)試驗(yàn)方法；定制了穩(wěn)定性較好的專用電動(dòng)機(jī)、匹配控制器。并選擇了6家不同地區(qū)的電動(dòng)自行車檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，在同一的試驗(yàn)方法下進(jìn)行比對(duì)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3　電動(dòng)機(jī)效率實(shí)驗(yàn)室比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出，即使在統(tǒng)一試驗(yàn)方法后，在不同的實(shí)驗(yàn)室中，同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)同一負(fù)載下測(cè)試得到的電動(dòng)機(jī)功率并不相同，最大差值達(dá)到8.8W，誤差在±2.0%。這與測(cè)試方法、測(cè)試條件、測(cè)試設(shè)備息息相關(guān)相關(guān)。只有將相關(guān)因素有效的控制，才能保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠。我們應(yīng)該從檢測(cè)各環(huán)節(jié)加以控制，提高檢驗(yàn)工作質(zhì)量，確保檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

6　結(jié)論

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接體現(xiàn)了一個(gè)技術(shù)機(jī)構(gòu)檢測(cè)水平的高低，只有通過(guò)實(shí)施電動(dòng)自行車的電動(dòng)機(jī)效率的實(shí)驗(yàn)室比對(duì)，可以提高檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的可信度和檢測(cè)水平，識(shí)別檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題并制定相關(guān)的補(bǔ)救措施。

（編輯：韓靈麗）

葉震濤（1971-），男，江蘇蘇州，碩士，高級(jí)工程師；研究方向：電動(dòng)自行車。