文 / 天津市自行車研究院 白培鋼　王志禹

論電動機(jī)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(jī)輸出功率與輸出扭矩

無論是有刷低速直流電動機(jī)、無刷低速直流電動機(jī)，還是高速有齒直流電動機(jī)，均用電動機(jī)額定功率這一重要參數(shù)作為型式試驗(yàn)的依據(jù)，它表示當(dāng)電機(jī)工作在這個輸出功率點(diǎn)時，電動機(jī)可以連續(xù)地可靠地運(yùn)行。連續(xù)額定點(diǎn)越高表示電機(jī)的熱性能越好，相應(yīng)的設(shè)計(jì)成本與制造成本也越高。

電動機(jī)最大輸出功率則取決于電動機(jī)的設(shè)計(jì)方案、制造和裝配質(zhì)量，即：包括永磁體的磁場強(qiáng)度和排列，電機(jī)線圈的槽數(shù)，定子和轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁場之間的距離及相切角度等許多因素。電機(jī)額定輸出功率越高表征電機(jī)解決熱平衡越好。但是，高輸出功率的電機(jī)未必適用于每一騎行人，因?yàn)閹лd騎行時，電機(jī)的額定功率選擇得過大，電機(jī)就會經(jīng)常處于輕載狀態(tài)，自身的效能得不到發(fā)揮，降低運(yùn)行效率，續(xù)行里程就會縮短。反之，電機(jī)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(jī)內(nèi)部損耗增大，發(fā)揮效率也會降低，甚至?xí)绊懫涫褂脡勖?，燒毀電機(jī)。因此，要根據(jù)車型、體重和負(fù)載情況選擇電機(jī)的額定功率。

由于電動自行車是在負(fù)載狀態(tài)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(fēng)阻和上坡等因素，電動機(jī)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(dá)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(qiáng)，騎行性能則越好。嚴(yán)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(biāo)。

二、電動機(jī)效率與效率區(qū)間

電動自行車效率是指電動機(jī)效率、控制器效率、機(jī)械傳動和線束損耗的綜合指標(biāo)。而電動機(jī)的效率是指電機(jī)輸出的機(jī)械能與電源所提供的電能之比，因?yàn)樗梢苑从吃谙嗤碾姵亍⑾嗤娜萘?、相同的路況、相同騎行負(fù)載條件下續(xù)行里程的長短，效率高則續(xù)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(jī)無疑是首先考慮的因素之一。

但是，電動機(jī)的效率僅考核最高效率點(diǎn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須要考慮效率區(qū)間，因?yàn)檐囕v負(fù)載是動態(tài)變化的，其工作電流會隨著車輛負(fù)重狀態(tài)、路況和行駛風(fēng)阻的不同而發(fā)生很大的變化，追求某一個點(diǎn)的高效率而忽略工作區(qū)間的效率特性是沒有任何意義的。因?yàn)閺碾妱訖C(jī)負(fù)載特性曲線圖可直觀發(fā)現(xiàn)，有些電動機(jī)在小功率時效率較高，甚至超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(xiàn)為平坦路面速度很快，一旦遇到上坡、頂風(fēng)或負(fù)載增加的情況，則速度就急劇下降，耗電量隨之增大，續(xù)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(qū)間稱為電動機(jī)效率區(qū)間。若輸出功率為240～350 W范圍內(nèi)均可保持70%以上的效率狀態(tài)，最高效率達(dá)到80%以上時，也就是說車輛負(fù)載在較大的動態(tài)變化范圍內(nèi)，這種電機(jī)均可以在高效率區(qū)間運(yùn)行。反之，如果電機(jī)效率范圍較窄，不但耗電量增加，而且經(jīng)常工作在低效率區(qū)間，電機(jī)內(nèi)部容易發(fā)熱，當(dāng)溫度過高時，磁鋼會發(fā)生退磁，霍爾元件易損壞。長此以往，會造成效率進(jìn)一步下降，進(jìn)入惡性循環(huán)。所以，應(yīng)該用效率區(qū)間的概念來代替單純的電動機(jī)最高效率，效率區(qū)間是衡量電動自行車質(zhì)量優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。