据中国自行车协会最新数据显示,目前我国电动自行车保有量逾2亿辆,年销量逾3000万辆。那么,就这两组数据而言,它对于整个行业及产销市场今后发展或预示着什么?乃值得推敲与探究。其中,年销量逾3000万辆这组数据是通过统计而得出来的,则相对准确,而保有量已超过2亿辆则更大程度上或是一种估算。比如,参考2010-2011年度相关数据显示其保有量约为1.2亿辆;又据2011至2013年度统计数据显示,连续3年的平均销量也都在3000万辆左右。很明显,若用这3年累计销量的总和、再加上原有1.2亿保有量,目前社会保有量似乎已超过2亿辆。其实不然,这是因为在过去的3年间,诸多生产厂家、包括规模企业,较多采用了“产品换购、低价促销”等营销方式,因而在每年所取得的约3000万辆销量之中,“替换量”则占了相当部分。也就是说,目前的实际“社会保有量”或尚未达到所估算的2亿辆。
当然,表面上看,我们分析上述两组数据的准确性似乎并非十分必要,但它却能够真实地反映出目前产销市场的实际状况,更能折射出整个行业当前的生存现状。比如,目前“产大于销、产能过剩、库存积压”日趋严重,而“增长见顶、销量下滑”之趋势也已成为不争的事实。种种迹象表明,我国电动自行车行业或已步入“发展瓶颈期”。显然,鉴于当前产销市场现状,如何来应对,或已成为诸多生产企业乃至整个行业能否可持续发展当务之急。然而,对于目前销售市场所呈现的“增长见顶、销量下滑”发展趋势,我们若将其归结于“消费市场或已趋于饱和”,那就过于简单、笼统,而且也不客观。为便于进一步分析和探究其真实原因所在,我们不妨将目前的消费市场、可大致划分为“既有消费市场”和“新增消费市场”两部分,来分别加以分析与研究。这将有助于找出制约行业及产销市场可持续发展的确切原因所在,以便探寻更为有效之解决途径(应对之策)。具体探讨如下:
就所谓“既有消费市场”而言,它对于产销市场的拉动将取决于现已使用产品“替换量”之多少。很显然,由于我们近几年来通过“产品换购”等方式,或已提前过度透支了该“既有消费市场”;因而欲通过进一步挖掘“替换量”、来拉动产销市场的可持续发展,它的作用及其效果已很有限。并且,预计短期内(今后2-3年内),“既有消费市场”之替换量还将会更为减少。而之所以做出这样的推断,其理由在于,若按照产品的替换(更换)周期,通常在5-8年之间来大致测算;那么,下一轮“替换量”增长高峰期至少(最快)也得在3年后或将出现。因此,更确切的讲,就目前销售(消费)市场所呈现的“增长见顶、销量下滑”之迹象,则更大程度上反映的是“既有消费市场”之替换量乃趋于减少。
那么,与“既有消费市场”之“替换量”相比,而所谓“新增消费市场”其销量增长空间、即社会保有量之容量,还有多大呢?这或许更值得我们关注和探究之问题,因为它更关乎到整个电动自行车行业及其产销市场能否可持续发展。现就此,我们给予更为具体的分析(供参考)。具体而言,回顾我国电动自行车产业(行业)发展过程或不难发现,而随着电动自行车的逐步普及与保有量的不断攀升,则传统自行车的保有量也随之下降;并且,二者间在数量上的“增加与减少”也大致相当。例如:在上世纪八九十年代传统自行车较为普及的鼎盛时期,据相关数据显示,其保有量逾5亿辆之多;而截止到2013年度的相关数据显示,我国自行车保有量则已下降至约为3.7亿辆。很明显,而目前电动自行车保有量已增至(趋于)2亿辆,这与传统自行车保有量的下降、其数量上基本吻合。由此可见,由于目前自行车保有量仍为电动自行车保有量的约2倍左右;那么,这就为电动自行车逐步替换传统自行车,仍然留有充裕的市场空间和较为有利的市场条件。
首先,就电动自行车的基本功能特征而言,它与传统自行车同为“非机动车”属性,因而驾驶电动自行车无需“机动两轮车”驾照、且综合使用成本也相对低廉,乃符合更广泛普通大众消费者的消费意愿与实际需求。再者,作为更多中低收入群体即更广泛人群的日常交通代步工具,它相比于传统自行车,不仅驾车更为轻松快捷、续航里程也相应延长;而且,与当前人们的工作、生活节奏相吻合,更与目前的道路设施、交通现状相匹配,如:可缓解交通高峰期拥堵、提高通勤效率和方便更多人出行,等等。因此,电动自行车逐步替代(替换)自行车、而成为更多普通百姓之“刚性需求”,仍然是现阶段的一种发展趋势。并且,其有利条件还在于:电动自行车的市场容量即社会保有量仍有较大提升空间,只不过随着电动自行车保有量的不断提升,而传统自行车的保有量将会随之下降,仅此而已。
但需要指出的是:就目前电动自行车消费市场现状来看,由于更多消费者对于产品的“经济实用性特点(性价比)”要求或更高;那么,如何在总体上给予产品更为客观准确的市场定位乃“至关重要”,它对于发掘更广泛消费市场、进一步提升普及率即社会保有量,或将起到决定性作用。然而,就“新增消费市场”的更有效发掘而言,目前诸多生产企业虽然也都在做,但“切入点”或过于局限且雷同,它对于拉动产销市场可持续发展的实际效果,或有待于验证。
例如,更具体的讲,随着更多新技术的相继出现、并成功移植应用于电动自行车产品的创新设计;或是由于我们急于摆脱“低端产品”的印象,来烘托出电动自行车乃“高科技、高档化及时尚化”产品;特别是,欲赢得更多年轻消费者的青睐,甚至提出所谓“搞定90后”便可以拉动产销市场的可持续发展,等等。其理由或出发点则源于,即便是产品价格偏高或也能够激发年轻人的消费欲望(购买意愿),这似乎已经找到了解决行业可持续发展的有效途径。其实不然,更为客观地讲,就更广泛消费市场的进一步发掘而言,它的局限性或是显而易见的。比如,我们在所谓“搞定90后”的同时,更不能忽略80后、70后乃至60、50后,这一更大、更广泛消费群体;而相比于90后,他们更倾向于“理性消费”,因而“物美价廉、经济实用”之产品乃他们的首选。
因此,我们如果能够在现有产品之基础上,做到(实现)产品“性价比”的更显著更高,将有助于“新增消费市场”的充分发掘。比如,我们在提升产品“技术含量及实用功能”的同时,若能够较大幅度的降低产品实施成本及产品价格。那么,它对于扩大市场需求、进一步提升普及率即社会保有量,继而拉动产销市场的可持续发展,无疑将会带来更为显著的实际效果。据此而言,笔者以为,我们或应该重新审视和探究:什么是电动自行车产品自身所要重点研究的所谓“核心技术”?以便找出影响产品成本(价格)的“关键要素(主要因素)”,这将有助于提出更有针对性的技术解决方案、并付诸实施。为此,我们不妨就电动自行车产品相关技术研究等有关问题,作如下进一步探讨(供参考)。
1 关于“电动自行车技术及其相关研究”之探讨
众所周知,电动自行车是由传统自行车增设“电驱动系统”演变而来,至于什么是电动自行车之“核心技术及其研究内容”?尤其是,真正属于电动自行车产品自身所要重点研究的“关键技术(核心部件)”,我们或不易给出简约明了的划分与界定。但就所增设的“电驱动系统”本身而言,概括地讲,其相关技术研究及其研究范畴或主要包括:“高能效”驱动电机(驱动系统)及其调速控制技术,“高性能”动力电池及其管理系统、以及充电技术等。而且,随着更多新技术的相继出现与成熟应用,也在不断丰富和影响着电动自行车产品的优化改进与创新设计。诸如,智能化、互联网(物联网)及GPS定位防盗技术的应用等等。
由此可见,所谓电动自行车技术及其相关研究,或更多体现于,它乃结合自身特点、充分运用现有成熟技术、最新技术,来不断丰富、优化及改进产品设计;并且,应以提升产品综合经济技术指标(如:高能效比、高性价比),作为电动自行车技术研究之核心内容。为此,更需要指出的是,我们在移植、借鉴即运用更多新技术,来不断丰富和优化产品设计的同时,或更应该强调和重视:对于“动力电池、驱动电机”两大基础性核心部件之不断改进,以期技术上能有较大突破。这是因为:它直接影响(涉及)整车产品综合经济技术指标(性价比)的进一步提升,更关乎到整个电动自行车行业及其产销市场的可持续发展。现就此作为本文研讨主题,我们展开如下相关问题的深入讨论。
2 关于制约行业可持续发展的技术原因分析及其优选解决方案探究
就技术角度而言,目前电动汽车产业发展是以电池技术(储能技术)创新研究为战略核心。而基于此技术发展思路,那么,电动自行车行业或也不例外,例如,较直观地讲,就“动力电池”技术创新而言,如果能够在现有电池产品及其技术研究之基础上,做到(实现)电池“能量密度(比容量)”的倍增、以至更大幅度的提升;那么,不但有助于整车产品的进一步优化设计,而且将会带来尤为显著的市场(商业)效果。比如,更具体地讲,随着我国现阶段经济与社会发展、以及新型城镇化建设的不断推进,现如今城市不断扩大、道路随之延伸,致使人们日常骑车出行距离亦相应延长。那么,若能够做到电池“能量密度(比容量)”的进一步(大幅)提高,不仅有利于实现整车“轻量化”设计,并且可大大提高续航能力(里程),则能充分满足更多、更广泛大众消费者的实际需求。显然,这对于发掘更广泛“刚性需求”市场,推动和促进电动自行车产品更为广泛之普及;从而进一步提升普及率即社会保有量,继而拉动整个行业及其产销市场可持续发展,将会带来更为显著的实际效果。
可是,就目前技术发展现状而言,对于“新一代”高能量密度电池产品的研制及其商品化开发,乃世界范围内所研究与亟待解决的技术难题;而且,就其研发周期(规律)而言,其难度更在于:即便是实验室研究获得突破,但要真正转化为“低成本、高性价比、以及高安全性能”之产品,仍需要有一定(或相当长)的时间过程。或因此,而在短期内尚难以投入商品化实际应用。鉴于此,我们通常可能会这样认为,制约我国电动自行车产业(行业)可持续发展的“技术瓶颈”,或由于“高能量密度电池”产品的研发,目前尚未能取得突破性进展。其实不然,若从宏观的角度看、或者更为客观地讲,就现阶段电动自行车行业发展而言,限于目前电池产品及其技术发展现状,我们不妨调整一下研究方向,换一种“技术思路”来思考并解决问题,或可以有效突破这一“所谓技术瓶颈”。
例如,我们可引入“能效比”之参数概念,作为衡量“电驱动系统”效能指标高低的依据,来判定及评估“电驱动系统”的改进效果(节能效果);并以全面提升整车产品综合经济技术指标(能效比、性价比),作为技术创新升级之“核心内容”即研究主题。而这样,或将使我们的技术思路(研究方向)更明晰,改进方法(技术措施)更捷径、更有效和更便于实施。具体而言,比如,我们如果能够在现有电动自行车产品之基础上,或者说同比与现有产品,做到驱动电机自身功效即“能效比(电磁转矩/电机轴功率)”的倍增、以至更大幅度提升;那么,它所产生的实际应用效果乃相当于(等效于):电池“能量密度(比容量)”的倍增、以至更大幅度提升。显然,它与现有产品同比,即可在“驱动扭矩、续航里程”均相同等前提下,便能减少(节省)“一半(1/2)及以上”的电池能量(能源)消耗。更具体的讲,若与现有产品同比,而在“电池容量配置相同”等前提下,则可以获得续航能力(里程)的“倍增、以至更大幅度”提升。
或者,更进一步讲,若与现有产品同比,而在“续航里程相同”等前提下,则能相应减少(节省)“一半(1/2)及以上”的电池容量配置。不仅如此,它还将给整车产品的进一步优化设计,大幅降低实施成本,显著提升其综合经济技术指标,将会产生积极地一系列显著变化,或将带来可谓“牵一发而动全身”之显著效果。比如,电池容量配置的相应减少,则可以减轻车架、车轮及轴等受力部件之载荷,有利于减少(节约)用材和进一步减轻整车重量。又比如,电池容量配置的相应减少,不仅仅是整车造价及购车费用相应降低,而对于电池到期(定期)更换之费用、以及“可减少充电费用”等长期综合使用成本将更为低廉,则“性价比”大幅提高。再比如,电池容量配置的相应减少,将有利于“快速充电”方案得以有效实施(更方便实现),则可以大大缩短电池充电时间,给产品使用者短时应急补充电能提供方便,实用性更为增强。
还比如,与现有产品同比,若在“电机驱动扭矩(电磁转矩)相同”之前提下,如果能够实现驱动电机自身功效(能效比)的进一步(大幅)提高,那么,所需驱动功率(电机额定功率)将更为减小;而这样,还可以有效降低“调速控制系统(装置)”制作成本,即:调速控制器的“功率器件”所需功率配置相应较小(功率器件所需耗散功率较小)。如此等等,不胜枚举。综前所述,很明显,我们仅从“预期效果”之分析就不难看出,欲更有效突破目前“电池技术”的瓶颈制约,我们选择提升电机自身功效(能效比)之改进方案,则是更为积极地解决途径。而它所带来的实际应用效果乃尤为显著的,包括节能效果、降本效果以及产品实用性能的提高等等。对此,本文还将在之后的讨论中,结合具体实施案例再给予进一步阐述。而为了能够充分说明上述解决途径(技术方案)的“有效性、合理性及其先进性”,我们不妨先就什么是电动自行车产品的“核心技术即研究主题”,作如下探讨,以便于之后我们对于相关问题的更深入讨论。
3 关于电动自行车“核心技术定义及其研究主题”之探讨
综合之前相关问题讨论及其分析,我们再来探讨什么是电动自行车之“核心技术”?尤其是,真正属于电动自行车产品自身所要重点研究的“关键技术(核心部件)”,或可以给出较为确切的“定义”。首先,就电动自行车“核心技术”之概念而言,根本上讲乃“电动”的概念,或者更具体的讲就是“电机”的概念。那么,它就与其它所有电器产品一样,如何来实现其“高效节能”设计,则应作为产品改进最为核心之研究内容。也就是说,对于驱动电机(电驱动系统)“节能技术”的研究,应作为电动自行车产品之核心技术、乃始终不变的研究主题。当然,就“电驱动系统”总体而言,电源部分是不可或缺的,也就是说,“动力电池”仍然是电动自行车产品“关键部件”之一。这是因为它所占整车成本比例相对较高,包括电池本身成本、以及电池到期(定期)更换等长期综合使用成本。因而电池本身性能的优劣将直接影响整车产品的品质与“性价比”。
然而,尽管如此,它也并非电动自行车产品本身所要重点研究之“核心技术”,其理由或在于,虽然“动力电池”与“驱动电机”二者同样都是电动自行车产品最为核心之“关键部件”,但对于二者所要重点研究之技术内容即研究主题,或有本质上的区别。具体的讲,就整车产品构成而言,“动力电池”其本身更大程度上或只是重要配件而已。因此,对其相关技术研究或应侧重于如何来提高电池“利用率”,如:可通过优化改进电池管理系统及充电技术,以相应减少电池“自放电”及电能(能源)损耗、延长电池循环使用寿命等。再者,进一步讲,对于电池技术(储能技术)的创新研究,更多涉及“材料、化学”等基础科学及其相关技术领域,而且乃世界范围内目前所重点研究之课题;这是因为它更关乎到诸多相关产业(如:电动汽车等产业)的技术进步与未来发展,而不仅限于电动自行车行业及其相关产品。另外,就整车优化设计而言,我们还可以通过提升驱动电机功效(能效比)等相关改进措施,来减少电池能量消耗及其容量配置,便能降低电池成本。
不仅如此,更需要指出的是,即便是我们通过优化改进电池管理系统及充电技术,或可以相应提高电池“利用率”,但就所能够带来的“节电效果(能效比的提高)、降本效果(性价比的提升)”而言,或是微不足道的。远不如:通过大幅提升驱动电机自身功效(能效比)来得显著。而且,对于电池充电技术等相关优化改进措施,或已经广泛应用于现有产品设计之中,则进一步优化改进空间或已极其有限。至此或可以说明,就“电池技术及其产品创新研究”而言,它并非电动自行车产品本身所要重点研究之核心技术。而与之相比,对于“驱动电机及其节能技术之研究”则不同,其重要性就在于:不但是“节能(节电)效果”显著,而且它将直接影响整车产品综合经济技术指标(性价比)的进一步提升,特别是“降本效果”乃尤为显著。据此可见,我们之所以将提升电驱动系统(驱动电机)功效即“能效比”,定义为(作为)电动自行车产品之“核心技术即研究主题”,是因为它更能体现出:电动自行车产品之“经济节能、低碳环保、轻量便捷”等诸多优点及其产品优势。
况且,限于目前的市场条件、技术条件、以及“相关技术标准限制”等前提下,如果能够实现驱动电机自身功效(能效比)的大幅提高,它对于现有产品之改进及其产销市场的可持续发展,将会带来更为显著的积极效果(市场效果)。对此,我们不妨作如下进一步探讨。
例如,我国电动自行车产业经过十余年的发展,尤其是近年来的快速发展,不仅现有“刚性需求市场(既有消费市场)”或趋于饱和,而且消费者对于产品实用性功能之要求亦相应提高。而为了适应和满足更广泛大众消费者的实际需求,目前在车型设计上或已发生了很大变化,最典型的就是省去了“脚踏驱动部”。比如,目前较为流行的“滑板型(踏板型)”等电动款车型,并已逐步成为市场上的主流车型。究其原因,或不难发现:省去“脚踏驱动部”,则使得鞍座及驾车者重心高度大大降低。其效果在于:与传统车型相比,可由原先的骑姿驾车方式变为坐姿驾车,驾车舒适性改善;尤其是,当停车及车辆起步前可由双脚着地支撑,而特别对于雨天穿雨披驾车出行时,则安全性将大大提高。显然,若从方便驾车和提高行车安全的角度考虑,或有它的合理性;并且,它与当前消费者的实际需求及消费(购买)意愿相吻合,故而能够赢得更多、更广泛大众消费者的青睐。
但问题是,电动款车型不足之处就在于,为满足“爬坡能力、续航里程”等相关实用性功能要求,不仅要求“驱动电机”功率配置相应较大,这使得“动力电池”的能量(电能)消耗及其容量配置相应增加,将导致整车造价、以及电池到期(定期)更换等综合使用成本或大幅增加;而且,更为关键的是,增大电机功率(额定功率)配置,将受到现行技术标准(国标)的限制。据此,或不难发现,就目前市场上主流车型之“电动款”产品而言,若按现行“国标”相关技术标准要求,一旦电机功率给予严格限制,那么,目前市场上大多产品或都将划归“超标车”范畴。这将会导致现有产品消费市场的进一步萎缩,则无益于行业及产销市场的可持续发展。但是,我们若是通过进一步(大幅)提升电机自身功效(能效比)之技术途径,则可以有效解决上述相关问题。具体探讨如下:
比如,按现行“国标”要求,电机额定功率上限指标为240W;那么,若与现有产品同比,如果能够做到(实现)电机自身“功效(能效比)”的倍增,即可获得“电磁转矩(驱动扭矩)”的倍增,则与现有产品480W电机所获得的电磁转矩(驱动扭矩)相当。由此可见,这既能规避现行技术标准对于电机功率(上限指标)的限制,也可满足消费者对于产品相关实用性功能(爬坡能力、续航里程)之要求,将更有助于产销市场的可持续发展。不仅如此,这里更需要作出补充说明的是,就电动自行车行业现阶段发展而言,我们寄望于“新国标”能够尽早颁布实施,它对于拉动产销市场的可持续发展或是有益的。比如,对于车速(最高限速)、裸车重量(不含电池重量)等相关指标均给予适当放宽,以及电动款车型无需安装脚蹬(即:脚踏驱动部)等等。而这些,“新国标”修订中较容易达成共识,但对于较大幅度的提高电机功率(上限指标)仍有相当难度。据悉,“新国标”的最终送审稿,已对电机功率指标做了相应的调整。然而,有一点或可以预计(预见)到的,那就是:作为非机动车属性的电动自行车,寄望于“新国标”将“电机功率(上限指标)”能给予适当放宽,但欲达到目前产品中“电动款(即所谓电摩款)”电机的功率,或是不现实的。
综上所述或表明,对于如何更有效突破现阶段行业发展瓶颈制约,当务之急更在于加速“关键技术(核心部件)”的全面转型升级;更具体的讲,就是:加快“高能效比”驱动电机的研发与技术升级。甚至可以说,我们只有掌握并拥有这一“核心技术”,方能“以不变应万变”,其现实意义更在于:既能合理规避“相关技术标准”的限制,也可有效突破目前“电池技术”的瓶颈制约,更能够充分满足产品相关实用性功能的设计要求,如:爬坡能力、续航里程以及“轻量化”设计等等。很显然,“高能效比”电机之概念及其技术升级方案的提出,若是能够达到“预期实际应用效果”。那么,它对于现有产品之改进与技术上之突破,或可谓“颠覆性的”;并且,就“更有效推动行业及产销市场的可持续发展”而言,也可谓“事半功倍”。
当然,前提是:限于目前的技术条件下,我们是否能够做到电机功效(能效比)的大幅提高?这才是解决问题之关键所在。否则,对于之前所有问题的讨论,将无任何实际意义。不仅如此,更不难想象是,就本文前述之“解决途径(技术方案)”而言,对其“可行性”通常都会提出诸多疑问;尤其是,对于“高能效比”电机之提法(技术观点),是否具备“可实施性”或产生质疑。而这也是本文所要着重探讨、乃须重点阐明之关键(核心)问题。为此,我们不妨作如下进一步探究,并就“高能效比”电机之概念及其研究主题给予深度解析,或有助于理解本文将在之后所给出的具体改进实施方案。
4 关于“高能效比”电机之概念及其研究主题解析
就我们通常所说的“高效节能”电机而言,它所要研究与解决的问题是,如何通过相应的优化措施、来减少电机本身做功所产生的各种损耗,以提高电机“效率”(即:提升电机的“能效等级”)。进一步讲,它是基于一定的“效力(效能)平台”来改进产品设计,而由于电机最高“效力(效能平台)”乃既定的,故无法做到电机功效(能效比)的倍增、以至更大幅度的提升。而与之相对照,这里需要着重强调和明确的是,所谓“高能效比”电机,它不同于我们通常所说的“高效节能”电机,其区别就在于,它不仅限于提高电机效率,而是在提高电机效率(提升能效等级)的同时,更注重于如何来实现电机的“高效力(做功能力)”,即:如何来实现由更小的轴功率(额定功率)、来获得更大的电磁转矩(额定转矩)。更直观地讲,比如,我们可以通过选择更高“效力(效能)”之技术平台,来实现电机“能效比(电磁转矩/电机轴功率)”的大幅提高;或者是说,基于“高效力(高效能)”技术平台所设计出的电机产品,它的做功能力即“电机效力”原本就较高。显然,这与我们通常所说的“高效节能”电机,乃截然不同的两个概念。
再进一步讲,就我们通常所说的“高效节能”电机而言,它是基于一定(既定)的“效力(效能)平台”,来探究如何使电机效率(电机轴功率/电机输入功率)获得相应提高,以减少电机本身做功所产生的“功率损耗”;也就是说,它侧重于如何来提升电机的“能效等级”;很明显,即便是我们将相关优化改进措施做到极致,电机效率也不可能超过1;因而所能够带来的节能(节电)效果甚微。而与之相对照,所谓“高能效比”电机及其研究主题,则在于(注重于)如何来选择“高效力(高效能)”之技术平台,以实现电机功效(能效比)的倍增、乃至更大幅度提升;它更侧重于如何来提升电机效力(做功能力)即“效能指标”。据上所述,应该不难看出:二者间的区别,不仅仅是“技术研究内容”有所不同,而且,就“更大幅度减少能源消耗即最终所能带来的节能效果”而言,乃并非同一“数量级”之概念。
当然,我们仅仅给出“高能效比”电机的“概念(或定义)”,乃远远不够的,还必须设定相应的前提条件来探讨问题。例如,我们可将现有产品多采用的“低速轮毂电机及其直驱方式”作为背景技术,并且,还应该在相同技术条件下来讨论问题。比如,电机有效元件的“体积、重量、材质”即原材料成本等等,应该相同或大致相当。否则,我们若以大幅增加“有效元件”的材料成本等方式(方法),或是能够做到电机功效(能效比)的大幅提升;但这既没有“可比性”也失去了研究价值。显然,限定前提条件来探讨研究“高能效比”电机的优化设计,乃更有实际意义(具有实际应用价值)。关于“高能效比”电机的具体优化设计方案,我们将在之后的讨论中、结合具体实施案例一并给出。而在此之前,有必要就“高能效比”电机的可行性即可实施性,为何会出现疑问(或产生质疑)其主要原因给予剖析,这将有助于之后我们对于相关问题的更深入讨论。
就为何会产生疑问(或质疑)的“理由”而言,并不难想象。比如,公知的,电机乃根据“电磁感应”基本原理而构成的;而且,由“转矩公式”可知,电机之额定转矩(电磁转矩)与电机额定功率(轴功率)成正比,而这一基础理论乃不容改变的。显然,若从表面上看,所谓“高能效比”电机之提法(技术观点),似乎有悖于上述“基础理论”。其实不然,据前述内容所给出的相关“概念、定义”可知,所谓“高能效比”电机,乃通过选择更高“效力(效能)”之技术平台,来实现电机“能效比(电磁转矩/电机轴功率)”的提升;或者说,电机“能效比”之提升乃通过选择“高效力(高效能)”技术平台来实现的,因而并不需要“基础理论”上的突破,这是因为:就该新的“技术平台即高效力(效能)平台”而言,它对于电机之“转矩∝功率”二者间关系并未有任何改变;仍然符合上述“基础理论”(该问题之后还将给予进一步阐明)。据上所述可见,导致质疑“高能效比”电机不具备“可实施性”的原因,或只是一种误解。诚然,除了上述“质疑理由(或误解)”之外,还有一个重要原因那就是:或是由于受到“先入为主”等主观或客观因素的影响,但我们仍停留于“惯性思维方式”来思考并解决问题,这难免会使我们的技术思路也存在局限性。就此探讨如下:
比如,就技术角度而言,电动自行车产品之所以能够在中国获得较广泛普及,或源于“轮毂电机”的出现而推动了产业发展;甚至可以说,没有“轮毂电机”的出现和广泛应用,也不可能成就我国电动自行车产业(行业)过去十余年的“辉煌”;再者,就现有产品多采用的轮毂电机驱动方式而言,或已成为现有产品常规设计中的一种“固定(固有)模式”;或者可以说,对于现有产品之优化改进,都是基于“轮毂电机”这一技术平台(基础平台)而展开的。并且,目前“低速轮毂电机技术”已相当成熟,尤其对于电机“能效等级(效率指标)之提升”或已趋于极限。鉴于此,可想而知,若在现有“轮毂电机”之基础上,欲做到(实现)电机功效(能效比)的倍增、乃至更大幅度提升,谈何容易,几乎是不可能做到的事。然而,笔者以为,正因为如此,才更有改进之必要。理由在于:其一,若轮毂电机无法做到其功效(能效比)的进一步提升,则说明它或存在技术局限性;其二,对于目前普遍采用的“低速轮毂电机及其直驱方式”,因为它原本就属于“低效力(效能)”技术平台(基础平台),或只是由于我们尚未有意识到而已。对此,我们不妨作如下更具体分析与探讨,或可以找到确切答案。
5 剖析现有产品之“轮毂电机驱动方式”技术局限性
就目前产品中普遍采用的低速轮毂电机而言,它采用的是“外转子(永磁体)”结构,是其优点但也是它最大的不足之处。具体而言,其优点在于,方便实现与车轮转速匹配,电机本体结构设计得以简化,且省去了传动连接装置(机构),传动效率提高。然而,它是以降低(牺牲)电机之“效力(效能指标)”为代价的。更具体的讲,由于低转速电机磁极数(极对数)要求较多,不仅功率密度相应较大、效率相对较低;而且,采用“外转子、内定子”结构时,由于“内定子”铁芯之绕组线槽一般为“梨形槽”(槽截面较小)、结构空间有限,则使得绕组(电磁线圈)可绕制空间受到限制,即:受到“槽满率”等多方面原因制衡。那么,进一步讲,据磁路设计(原理)可知,当磁路结构及相关参数一定时,磁动势(F)大小则取决于绕组激磁安匝(NI),即:F=NI。据此而言,若绕组“槽截面”较小,而使得电磁线圈可绕制“匝数(N)”减少(较少),则所需激磁(励磁)电流(I)将相应较大,因而所需励磁功率即“功率消耗”亦相应增加。
更进一步讲,若在保持定子绕组(电磁线圈)“安匝数(NI)”不变(即:“磁动势”不变)之前提下,通过“相应增加定子绕组匝数(N)”之改进措施,便可减少所需驱动电流(I),即可有效减少所需驱动功率,从而可方便做到电机“效力(效能)”的有效提升。据此而言,当我们采用“外定子”结构之电机时,或更容易做到这一点,这是因为“外定子”结构之电机同比与“内定子”结构之电机,当二者基本尺寸(质量比)大致相当前提下,采用“外定子”时,定子铁芯之绕组线槽为“梯形槽”,其“槽截面”明显大于“内定子”电机之“梨形槽”;故,我们通过相应增加绕组(电磁线圈)匝数,便能减少所需驱动电流(所需驱动功率),则“能效比”即“效力(效能)”相对较高。那么,反之,“内定子”结构之电机同比与“外定子”结构之电机,其“效能”则相对较低;尤其对于低转速电机(如:现有产品之低速轮毂电机)而言,其“效能”或更低。
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