自行車輪轂馬達型錄規格說明 ( I )

更新於 發佈於 閱讀時間約 8 分鐘

由於自行車輪轂馬達會特別針對自行車的需求,列出一些有別於傳統馬達規格標示的項目,故撰寫此文詳細說明自行車專用的輪轂馬達規格。附上台灣製造的輪轂馬達規格型錄檔案連結,請參考:

輪轂馬達型錄

自行車輪轂馬達的重要規格指標,可以從型號命名發掘之,其型號編碼規則如下:

型號編碼:123-4-5-6-789

第一碼:電壓;3是指36V,4是指48V

第二碼:時速;2是指行駛時速可達到25kph,3是指32kph,4是指45kph

第三碼:功率;3是指額定功率可達到350W,5是指500W,7是指750W

第四碼:安裝位置;F是指安裝於前輪,R是指後輪

第五碼:剎車形式;D是指碟煞,B是指鼓煞

第六碼:變速飛輪形式:T是指旋式飛輪,C是指卡式飛輪

第七~九碼:安裝軸寬(OLD);135是指安裝的自行車叉寬度為135mm


首先是輪轂馬達工作電壓,過往的電動自行車亦有使用過24V的經歷,現今的主流標準則為36V,但已逐漸往48V發展。由此發展趨勢可見,基本上是以12V為基數跳動變化,然而在48V的下一階段60V,會超過"安全超低電壓 (SELV)"的50V範圍,將使得電動自行車安全規範條件大幅變化,以確保人身安全;因此在非必要的情況下,48V已然達到一種極限。

在不考慮安全超低電壓的情況下,筆者所接觸到的後續工作電壓分別為72V與144V,不再以12V為基數變化,反而是36、72、144的倍數跳躍計算。

然而實際量測自行車電池的電壓值會發現,標示規格為36V的電池,充飽電後的量測電壓值甚至達到42V;這是受到內部的單顆鋰電池影響,正常的工作電位會落在3.5~3.7V之間,因此10顆串聯後,就會獲得一顆36V的組合電池;但有趣的是,單顆鋰電池充飽至極限時,最大電位將可達到4.2V。因此認真觀察自行車電池的使用,其實電池的工作電壓值是從42V操作到34V之間;低於34V就會顯示電池沒電,避免過度放電,影響電池壽命。

但對輪轂馬達而言,42V的輸出動力是與36V有所差異的;如下圖所示,其中藍色虛線段是42V條件下的表現,而紅色實線段即為36V的特性,落差約有17%。會需藉由自行車控制器,來抑制高壓時的輸出能力,使輪轂馬達即便在有電壓差異的情況下,仍然保持相同的輸出狀態;故在自行車輪轂馬達的規格標示上,係採用相對低壓時的特性為主,以確保騎乘者能夠擁有穩定的輸出結果。

42V與36V特性差別

42V與36V特性差別

第二項重要規格為時速,畢竟是用於交通工具上,各國對於速度的限制法規是明確標示的。普遍來說採用公制的國家,大多訂於25公里;英制的國家則為20英里,換算後約為32公里;此外也有些特殊規定有達到45公里的車種。而這些時速的差別,往往需要不同規格的輪轂馬達才能一一達成,因此是個重要的規格指標。

然而馬達常用的轉速單位為每分鐘迴轉速(RPM),需再加上輪胎尺寸規格下去運算後,才是交通工具所使用的時速單位。故在此處還隱藏了自行車輪的規格限制,也就是小徑車的馬達往往轉速較高,方可達到25公里的時速,若採用大輪徑的車款,則馬達轉速僅需要相對較慢的轉速,就可以達到限速值;由上述可知,常見的做法是利用小徑車的馬達具備了較高轉速的操作範圍,將其用於大輪徑的情況下,亦可達到速度目標。但還須注意,由於馬達的能量轉換效率會有變化,並非固定值,參考下列輪轂馬達特性數據表可知,若對應的輪徑轉速落在300~350RPM之間是高效率區,但若是操作在250~300RPM範圍時,效率的表現就相當不理想。

輪轂馬達特性數據表

輪轂馬達特性數據表

因此時速除了作為法定規範的限制條件外,還需要搭配自行車輪徑,以及馬達高效率操作區間,才會是最佳組合。

第三項指標為輪轂馬達功率,這部分其實很有討論空間;一般而言對電動交通工具來說,功率有三種可能性,分別為電能輸入功率、馬達動能輸出功率以及輪下輸出功率,常見簡稱為輪下馬力。其中電能輸入功率主要是探討耗電狀況,可以做為續航力的評估用途;若是馬達規格表上僅以功率標示,大多泛指馬達動能輸出功率,因馬達輸出功率較難量測,由馬達廠主動提供,才能方便消費者挑選馬達。本型號編碼的功率,亦是用來標示輪轂馬達輸出功率的。

對於交通工具而言,輪下功率才是最直接的動力輸出位置,甚至檢驗單位也是以輪下馬力作為測量標準。以下圖說明之,輪轂馬達的輸出功率如同紅色箭頭所示,需要透過幅條傳遞,最後經過輪胎皮與地面的摩擦力傳導出去,才是輪下馬力值。然而能量在傳輸的過程當中都會有損失,甚至輪胎尺寸、紋路及材質等等對於地面的摩擦輸出能力都會產生不同的能量耗損。一顆輸出功率為350W的輪轂馬達,在進行輪下馬力量測時,可能僅僅剩下300W的輸出能力;但由於輪轂馬達無法預估自行車的能量傳遞損失比例,故只能標示馬達本身的輸出功率規格。

輪轂馬達輸出功率與輪下馬力差異

輪轂馬達輸出功率與輪下馬力差異

依筆者個人經驗,目標為400W的電動自行車,配置400W的輪轂馬達後,實測到的輪下馬力會依不同的車款降至350~380W之間;此時需要適當的調升輪轂馬達輸出規格,以達到電動自行車的輪下功率至400W。

第四項之後的型號參數,都與自行車的配置有關聯性;本項就是在描述馬達安裝位置。一般而言電動自行車的馬達安裝有三個選項,分別為前、後輪及五通處;但針對輪轂馬達則僅能安裝於前、後輪的位置。目前主流偏向於安裝於後輪處,主要係前輪還要處理轉向工作,人在操作時的重量阻力感會增加;且前輪與路面的接觸穩定性較差,後輪往往有較多的重力承載,使得輪胎能穩固接觸地面,傳動表現較佳。但若車體較輕,整體配重又偏向後方時,過大的馬達動力反而容易產生前輪浮起的現象,也就是俗稱的"翹孤輪";這時將輪轂馬達安裝於前輪側,反而能提升自行車的安全性。

電動馬達安裝位置

電動馬達安裝位置

第五項則是自行車的剎車系統,對應於輪轂馬達需要的分類為夾剎、鼓剎、碟煞三種,實際自行車的剎車種類變化更多。夾剎則代表輪轂馬達不需要進行任何處理,因夾剎是固定於車架上,作用於輪框處;鼓剎則會分別要固定於車架及輪鼓馬達上,因此馬達外殼需有對應配置的安裝機構;碟煞則是需要將碟煞盤安裝於輪轂馬達外殼處,同樣需要有可供鎖附的機構。由上述可知,鼓剎及碟煞都會需要輪轂馬達有對應配合的機構,因此在整體外觀造型會有所不同。

第六項則是針對後輪才有的項目,因後輪還會安裝飛輪;除了依變速數量區分之外,其安裝介面也有所不同,本項就是在定義其安裝介面。其中旋式為傳統介面,利用螺紋固定的方式進行飛輪的安裝,因此在輪轂馬達外殼處會設計對應的螺紋機構,如下圖中的左側黃色處所示;而卡式飛輪則需要於馬達外殼處安裝一塔基結構,如下圖中的右側黃色處一般。可以明顯觀察到,兩者結構差異頗大,無法共用,因此會在型號上明顯標示分類之。

輪轂馬達飛輪安裝介面

輪轂馬達飛輪安裝介面

第七項有三碼,但主要是描述輪轂馬達安裝處的寬度,若是裝於自行車的前輪處,那便是前叉的叉寬間距;若為後輪處,則是後三角叉的叉寬間距;將此寬度尺寸轉移至輪轂馬達處就稱為軸寬。常見的自行車前叉寬度為90或100mm,主要是前叉處大多僅需要安裝輪子,最多就是採用碟煞的車款,會增加碟煞裝置所需要的空間;但若是胖胎車,則前叉亦有加大至135mm的規格。而後輪處除了基本的輪胎尺寸以及安裝對應的剎車機構之外,還需要考慮飛輪的尺寸空間,故後叉往往較為寬大,基本起跳為135或145mm,胖胎車則擴增至175或190mm,會受到自行車款設計影響變化種類較多,筆者亦曾遇過127mm較為特殊的情況,故需要較多位數來細分之。

附上台灣製造的輪轂馬達規格型錄檔案連結,請參考:

輪轂馬達型錄

重點整理:

自行車需對應的安裝條件較多,輪轂馬達須配合;特性反而沒那麼重要。


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