論電動機功率和效率對電動自行車性能的影響

文 / 天津市自行車研究院 白培鋼　王志禹

論電動機功率和效率對電動自行車性能的影響

文 / 天津市自行車研究院 白培鋼王志禹

一、電動機輸出功率與輸出扭矩

無論是有刷低速直流電動機、無刷低速直流電動機，還是高速有齒直流電動機，均用電動機額定功率這一重要參數作為型式試驗的依據，它表示當電機工作在這個輸出功率點時，電動機可以連續地可靠地運行。連續額定點越高表示電機的熱性能越好，相應的設計成本與制造成本也越高。

電動機最大輸出功率則取決于電動機的設計方案、制造和裝配質量，即：包括永磁體的磁場強度和排列，電機線圈的槽數，定子和轉子所產生的磁場之間的距離及相切角度等許多因素。電機額定輸出功率越高表征電機解決熱平衡越好。但是，高輸出功率的電機未必適用于每一騎行人，因為帶載騎行時，電機的額定功率選擇得過大，電機就會經常處于輕載狀態，自身的效能得不到發揮，降低運行效率，續行里程就會縮短。反之，電機的額定功率選擇得過小，其工作電流要超過額定電流，造成電機內部損耗增大，發揮效率也會降低，甚至會影響其使用壽命，燒毀電機。因此，要根據車型、體重和負載情況選擇電機的額定功率。

由于電動自行車是在負載狀態下騎行，一般騎行人體重為50 kg以上，再考慮正常摩擦阻力、風阻和上坡等因素，電動機的最小輸出功率大約為150 W，目前市場銷售較好的電動自行車的輸出功率一般可以達到240 W或350 W。以輸出功率范圍為240～350 W為例，顯然，輸出功率范圍越大，輸出扭矩值越高，電動自行車的加速和爬坡能力越強，騎行性能則越好。嚴格地講，相同的扭矩作用于不同輪徑的電動自行車其牽引力是不同的。即：

式中，T—扭矩（N·m）

F—牽引力(N)

R—車輪半徑（m）

顯然，牽引力與輪徑成反比，輪徑越小，牽引力越大。所以，牽引力才是真正衡量電動自行車加速和爬坡的重要指標。

二、電動機效率與效率區間

電動自行車效率是指電動機效率、控制器效率、機械傳動和線束損耗的綜合指標。而電動機的效率是指電機輸出的機械能與電源所提供的電能之比，因為它可以反映在相同的電池、相同的容量、相同的路況、相同騎行負載條件下續行里程的長短，效率高則續行里程長，效率低則反之。購買電動自行車時，選購較高效率的電動機無疑是首先考慮的因素之一。

但是，電動機的效率僅考核最高效率點是遠遠不夠的，必須要考慮效率區間，因為車輛負載是動態變化的，其工作電流會隨著車輛負重狀態、路況和行駛風阻的不同而發生很大的變化，追求某一個點的高效率而忽略工作區間的效率特性是沒有任何意義的。因為從電動機負載特性曲線圖可直觀發現，有些電動機在小功率時效率較高，甚至超出標準規定值很多，而一旦輸出扭矩增加，效率曲線急劇下降。騎行時往往表現為平坦路面速度很快，一旦遇到上坡、頂風或負載增加的情況，則速度就急劇下降，耗電量隨之增大，續行里程大幅縮短。所以，觀察效率曲線時，一般將效率值大于70%以上的區間稱為電動機效率區間。若輸出功率為240～350 W范圍內均可保持70%以上的效率狀態，最高效率達到80%以上時，也就是說車輛負載在較大的動態變化范圍內，這種電機均可以在高效率區間運行。反之，如果電機效率范圍較窄，不但耗電量增加，而且經常工作在低效率區間，電機內部容易發熱，當溫度過高時，磁鋼會發生退磁，霍爾元件易損壞。長此以往，會造成效率進一步下降，進入惡性循環。所以，應該用效率區間的概念來代替單純的電動機最高效率，效率區間是衡量電動自行車質量優劣的一個重要參數。