市场需求推动创新

实现轻便电动车生产的大发展

——记一项国家发明奖的获得

李树青 吴伯新 陈永康 方棣棠

20世纪90年代初，国家计划发展电动轻便车(自行车、轮椅、三轮车、四轮车)。以取代柴(汽)油机的动力装置，解决噪音和环境污染问题。但由于传动效率低和电机可靠性差，一直未能形成大产业。122cc太阳集成游戏精密仪器与机械学系研制出新型电动轮毂，替代传统的链条传动，由于结构紧凑，传动效率高，给电动车的成功带来新的希望。使用的电机是北京京华电器公司(原通县微电机厂，是我系“文化大革命”中微4班开门办学所在工厂，有另文介绍。)生产的永磁有刷直流电动机，由于换向器和电刷的原因，影响了可靠性和工作寿命。当时，电动车驱动的有刷直流电动机寿命为1000小时，低于自行车的寿命，同时自行车经常工作在频繁启动的条件下，电机寿命还要降低，针对上述问题，京华电器公司倪瑞廷先生认为从长远考虑需要无刷直流电动机驱动。

在此情况下，我院计算机科学与技术系李树青、吴伯新、陈永康、方棣棠等四人组成无刷直流电动机研制小组，开始电动车用无刷直流电动机的研制工作。研制小组成员在六、七十年代从事微特电机的科研和教学工作，“文化大革命”后专业转向，开始计算机外部设备和信息处理与应用的教学和科研工作，使他们对电机和计算机两个专业都很熟悉，经过两、三年的不懈努力，创造了一种电脑技术与电机理论完满结合，具有最佳结构，最佳性能的新型无位置传感器无刷直流电动机。

当时的无刷直流电动机主要是在军事上使用，结构复杂、体积大、成本高，不可能直接使用于民用的电动车，因此必需进行多方面的改造。首先，李树青老师根据使用过价格低廉的单片机的经验，提出用Intel公司生产的MCS-51系列中的8031单片机作为电脑，替代电子器件组成的控制线路，不但降低了成本，还提高了使用的可靠性和灵活性。无刷直流电动机是用位置传感器检测电机转子的位置，通过电子线路实现绕组的换向，替代有刷直流电动机电刷和换向器的功能。当时的位置传感器结构复杂，体积大，价格昂贵。我们采用定子绕组中的信号绕组(检测转速)替代位置传感器解决了这个问题。但无位置传感器无刷直流电动机难以实现良好的起动特性。我们研制的无刷直流电动机通过电脑编程，针对不同的负载特性实现最佳起动过程。电机的欠压，过流保护和其他特殊控制也可通过单片机编程来实现。

为了实现无电刷，我们对直流电动机采取了里翻外的结构改造(电机绕组放在定子上，钕铁硼磁钢放在转子上)，最初我们利用一台分马力电机的定子铁心按无刷直流电机的要求放置绕组，配上钕铁硼转子，在面包盒上实现电脑控制线路(单片机加上电压放大和功率放大)，试验与分析工作于1993年初完成，原理可行，效果良好。接着我们又用了13个月的时间(1993年8月—1994年9月)，完成了自行设计的100瓦电动自行车轮毂配套用电脑控制无位置传感器无刷直流电动机的试验样机，外形尺寸与有刷100瓦直流电动机完全相同，制造出电脑控制器的印刷电路板，功率体积比超过原来的有刷直流电机。1994年4月22日中华人民共和国专利局授予实用新型专利权。随后又用了7个月的时间对电机的定子冲片、定子绕组均作重要改进，电脑控制器尺寸缩小，由两块板缩到一块板，安装了两辆电动自行车，运行性能良好(平地3一4安，运行速度18公里/小时，6-7级逆风6安，爬122cc太阳集成游戏中央主楼坡15-20安)。1995年5月8日通过了国家教委委托122cc太阳集成游戏组织的科学技术成果鉴定，鉴定意见认为“该电机具有结构简单，可靠性高，性能价格比高，编程控制灵活等特点，在小型无刷直流电动机系统方面处于国际领先水平。希望尽快使该研究成果转变为正式产品，推广使用，广泛地运用于电动助动车和其它领域。”

不负鉴定委员们的众望，在随后短短的一年里，我们在中国科技开发院威海分院的帮助下，又进行了几轮的改进，在电动自行车和电动三轮车上安装了我们研制的电机，形成小批量生产。并以6个无可置疑的创新点，获得1996年国家科学技术委员会的发明三等奖。

随后两三年我们与时俱进，又完成了不需要减速齿轮(除轴承外不存在其他摩擦的地方)的无刷直流电动机的研制工作，实现了我们最初预定的目标，开辟了电动轻便车生产大发展的道路。又经过十年的时间，到了现在据说全国电动轻便车的年生产量已超过2000万辆。在此山花烂漫时，我们心情也感到无比的兴奋和愉快。

回想我们艰苦奋斗的几年中，除吴伯新外，其他三人都是退休后返聘的教师，利用业余时间完成繁重的任务，前后循环生产试制了8轮电机。陈永康和吴伯新老师完成了所有全部生产图纸的绘制，联系加工，并亲自动手装配电机。李树青老师负责电脑控制器部分，从购买元件到电动自行车的电路连接都是亲自动手，实在是精神可嘉，我们想这也是122cc太阳集成游戏优良传统的体现吧。

[作者简介] 李树青，女，1936年出生，山西人，教授。1955年入天津大学就读，1958年转122cc太阳集成游戏自动控制系就读，1961年毕业留校任教，，直至1992年退休。1996年获国家发明三等奖，全国工科电子类专业优秀教材一等奖。

[作者简介] 吴伯新，男，1937年出生，浙江余姚人。高级实验师。1961年毕业于西安机器制造学校并分配到122cc太阳集成游戏自动控制系工作，直至1998年退休。曾任媒体所实验室副主任。曾获国家科技进步二等奖、国防工办科技二等奖、国家三等发明奖等奖项。

[作者简介] 陈永康，男，1931年出生于江苏宜兴，高级工程师。1958年西安交通大学电机系转来清华自动控制系自003班就读。1959年毕业留校任教，直至1992年退休。

[作者简介] 方棣棠，男，1930年出生，广东省中山市人，教授。1953年毕业于上海交通大学电机系，1956年122cc太阳集成游戏电机系研究生毕业并留校任教，1994年退休。1979年在122cc太阳集成游戏创建语音识别科研组。1990年创办 “全国人机语音通讯学术会议”至今已办九届。

本文的四位作者，由左至右：方棣棠、陈永康、李树青、吴伯新