馬達小教室：功率 ( I )

功率(Power)並非是馬達的專有名詞，主要是針對能量的一種描述，其最基本的定義是"單位時間所作的功"。因此曬太陽也可以用功率來定義，太陽光本身就是一種能量的型式，在加上曬的時間，這兩種物理量混合後，就可稱為功率。

因此在不同的能量型態中，單位會有差異；在馬達中大多用瓦特(W)做單位，或是馬力(horsepower，hp)。馬力這名詞非常直觀，就是馬的力量大小，在經過瓦特(James Watt)本人拉了匹馬去實測後求得， 1hp = 750W 。這讓筆者非常好奇，當初怎麼不順便測個人力(humanpower)的數值出來，好讓以後有個共通的標準。但依筆者這幾年的經驗，目前業界普遍把人力定在200~250W之間；也就是一匹馬抵三個人。不過最近有個人跑贏馬的比賽，十分有趣。

嚴謹的功率(W)是用焦耳/秒（J/s）來定義的，其中秒(s)是時間單位，很容易理解；而焦耳則是1牛頓(N)作用力經過1米(m)距離所需的能量，這當中就包括了力跟距離兩個參數。由於大部份的馬達為旋轉的動力型式，因此這旋轉的力量，被稱為轉矩(Torque，N‧m)，其中包括了力(N)及離圓心的作用距離米(m)兩個參數。而時間的參數，則改成角速度(ω)或轉速(n)，馬達當中大多以每分鐘多少轉(Revolutions Per Minute，RPM)為單位，這當中的每分鐘，就是時間參數。這樣比對下來，其實馬達的功率"轉矩‧轉速"與"焦耳/秒"的定義，似乎不完全吻合。但目前已約定俗成的定義馬達的動能輸出功率(Pout，W)為轉矩乘上轉速，但要注意此為馬達(Motor)狀態，屬於電能輸入，動能輸出；若是發電機(Generator )則輸入與輸出的定義是顛倒的，變動能輸入，電能輸出。

另外焦耳在電學中的定義是1安培(A)電流通過1歐姆電阻(Ω)1秒(s)時間所需的能量，所以可以看到，電學焦耳本身已經有個時間單位量，在轉換為功率時，時間反而會消掉，這也是為什麼電能功率中沒有時間參數，若加入時間參數，則會變幾度電(千瓦小時，kw‧hr)的說法。又由於電壓、電流及電阻之間的相依性，考慮到電阻不好量測，因此將其轉換為電壓量，則變成了電壓乘上電流，定義為電能輸入功率(Pin，W)。這裡可以發現，馬達的電能輸入功率"電壓‧電流"與"焦耳/秒"的定義也有落差。

雖然看起來，馬達的功率定義，似乎嚴謹度都有些落差，但目前這些計算方式已為習知比對標準，因此我們可以由馬達輸入的電壓及電流資訊相乘後，求得馬達輸入功率，再加馬達輸出的轉矩與轉速相乘後，求得馬達輸出功率，最終來推斷馬達的效率。

這基本上會造成很有趣的圖型現象，基本上電力系統中，電壓值穩定輸出，則在輸入功率的值，只會跟電流變化，因此在馬達當中，大部份的輸入功率都是斜直線，常用的名稱如 Pin、PI、InputPower。

而輸出功率則會有三種樣式，主要是對應到不同的馬達。但有趣的特點就是，基本上像一座山，在頭尾兩端是零，中間高高的。主要是運算出來的結果，當馬達不轉時，轉速為零，則輸出功率即為零。但在最高轉速時，轉矩值也會驅近於零，則輸出功率也會變成零。就造就了輸出功率值繪製成圖型時，長得像一座山一樣，兩端低，中間高；常用的名稱如Pout、PO、OutputPower。

將電能輸入功率與動能輸出功率去做比較，就會產生效率(Efficiency，%)，常用的名稱如Eff、Efficiency。因此馬達的效率並非一恆定值，其實會針對不同操作負載情況一直變化。

由以上的說明，我們發現幾點要特別注意：

這當中就會隱藏一些盲區，如標示不清? 若A廠是標350W的功率(Pin)，B廠則是標250W功率(Pout)，則這兩顆可能使用結果是相同的。目前在交通工具類的標示是最為模糊的，過往的引擎系統，功率是僅用於輸出動能的部份，因此廠商習慣只提出一組功率規格給客戶參考；但至從有了電動車後，在評估續航力時，反而要使用電能的部份來定義，而且大部份的馬達當中，並未安裝轉矩感測器，因此並沒有轉矩值可提供，也就不會有實際的輸出動能功率值，這些都藏著很多不清楚的部份。

高效率等於省電? 需核對使用轉矩及轉速時的效率。另外筆者曾經將馬達操作在高轉速的低效率區，但在風扇的應用上，反而造成風能效率更高更省電的結果。

功率越大越好? 當馬達產品有了價格競爭後，為了省成本，產生一種特別的情況，是功率可以加大，但效率降低的產品。如1kw的馬達，效率50%，則輸出為500W，但B廠推銷1.5kw不加價的馬達，客人會覺得賺到，但實際上它降低成本，導致效率僅34%，代表輸出仍然只有500W。

重點整理：

馬達功率，藏了很多小惡魔。

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