论电动机功率和效率对电动自行车性能的影响

文 / 天津市自行车研究院 白培钢　王志禹

论电动机功率和效率对电动自行车性能的影响

文 / 天津市自行车研究院 白培钢王志禹

一、电动机输出功率与输出扭矩

无论是有刷低速直流电动机、无刷低速直流电动机，还是高速有齿直流电动机，均用电动机额定功率这一重要参数作为型式试验的依据，它表示当电机工作在这个输出功率点时，电动机可以连续地可靠地运行。连续额定点越高表示电机的热性能越好，相应的设计成本与制造成本也越高。

电动机最大输出功率则取决于电动机的设计方案、制造和装配质量，即：包括永磁体的磁场强度和排列，电机线圈的槽数，定子和转子所产生的磁场之间的距离及相切角度等许多因素。电机额定输出功率越高表征电机解决热平衡越好。但是，高输出功率的电机未必适用于每一骑行人，因为带载骑行时，电机的额定功率选择得过大，电机就会经常处于轻载状态，自身的效能得不到发挥，降低运行效率，续行里程就会缩短。反之，电机的额定功率选择得过小，其工作电流要超过额定电流，造成电机内部损耗增大，发挥效率也会降低，甚至会影响其使用寿命，烧毁电机。因此，要根据车型、体重和负载情况选择电机的额定功率。

由于电动自行车是在负载状态下骑行，一般骑行人体重为50 kg以上，再考虑正常摩擦阻力、风阻和上坡等因素，电动机的最小输出功率大约为150 W，目前市场销售较好的电动自行车的输出功率一般可以达到240 W或350 W。以输出功率范围为240～350 W为例，显然，输出功率范围越大，输出扭矩值越高，电动自行车的加速和爬坡能力越强，骑行性能则越好。严格地讲，相同的扭矩作用于不同轮径的电动自行车其牵引力是不同的。即：

式中，T—扭矩（N·m）

F—牵引力(N)

R—车轮半径（m）

显然，牵引力与轮径成反比，轮径越小，牵引力越大。所以，牵引力才是真正衡量电动自行车加速和爬坡的重要指标。

二、电动机效率与效率区间

电动自行车效率是指电动机效率、控制器效率、机械传动和线束损耗的综合指标。而电动机的效率是指电机输出的机械能与电源所提供的电能之比，因为它可以反映在相同的电池、相同的容量、相同的路况、相同骑行负载条件下续行里程的长短，效率高则续行里程长，效率低则反之。购买电动自行车时，选购较高效率的电动机无疑是首先考虑的因素之一。

但是，电动机的效率仅考核最高效率点是远远不够的，必须要考虑效率区间，因为车辆负载是动态变化的，其工作电流会随着车辆负重状态、路况和行驶风阻的不同而发生很大的变化，追求某一个点的高效率而忽略工作区间的效率特性是没有任何意义的。因为从电动机负载特性曲线图可直观发现，有些电动机在小功率时效率较高，甚至超出标准规定值很多，而一旦输出扭矩增加，效率曲线急剧下降。骑行时往往表现为平坦路面速度很快，一旦遇到上坡、顶风或负载增加的情况，则速度就急剧下降，耗电量随之增大，续行里程大幅缩短。所以，观察效率曲线时，一般将效率值大于70%以上的区间称为电动机效率区间。若输出功率为240～350 W范围内均可保持70%以上的效率状态，最高效率达到80%以上时，也就是说车辆负载在较大的动态变化范围内，这种电机均可以在高效率区间运行。反之，如果电机效率范围较窄，不但耗电量增加，而且经常工作在低效率区间，电机内部容易发热，当温度过高时，磁钢会发生退磁，霍尔元件易损坏。长此以往，会造成效率进一步下降，进入恶性循环。所以，应该用效率区间的概念来代替单纯的电动机最高效率，效率区间是衡量电动自行车质量优劣的一个重要参数。