割草機由動力來源可區分(燃油引擎動力)以及(電動馬達動力)這2大類。
燃油引擎又分(二行程汽油引擎)以及(四行程汽油引擎)這2種。
電動馬達也有分為(交流馬達)以及(直流馬達)這2種。
直流馬達又有分為(直流碳刷馬達)以及(直流無刷馬達)這2種。
每一種產品各有其優缺點，分述如下:
- 燃油引擎工作原理:
- 燃油引擎可分為外燃機和內燃機，汽油引擎就是屬於內燃機。
- 內燃機的工作原理就是將燃油透過化油器霧化，並和空氣混和成可燃氣體後，送到汽缸內，汽缸內有活塞執行往復運動，將混和氣體壓縮後，點火燃燒使混和氣迅速膨脹，推動活塞快速運動。
- 所以內燃機往復運動有4個行程:(進氣)、(壓縮)、(爆炸)、(排氣)，如此循環將燃油的熱能轉為動能，透過曲軸將往復運動轉為迴轉運動以輸出動力。
- 活塞在汽缸內高壓高速運動，如果沒有潤滑很快就磨損，所以還需要有潤滑系統。
- 燃油引擎在爆炸行程時會產生很大的音爆，所以需安裝消音器來降低噪音。
- 所以燃油引擎需要有:(空氣過濾)、(化油氣)、(汽缸)、(活塞)、(曲軸)、(進排氣閥門)、(點火系統)、(潤滑系統)、以及(消音系統)。
- 二行程汽油引擎
- 二行程汽油引擎將進氣和壓縮合併為一個行程、爆炸和排氣合併為一個行程，所以只有2個行程。
- 二行程汽油引擎每兩個行程就有一個動力行程，也就是每轉1圈就有一次爆炸，所以動力輸出較大。
- 進排氣閥門利用汽缸開口位置來替代，活塞運動移動到開口位置來進氣或排氣。
- 採用傳統化油氣來混和燃油和空氣，容易受到氣壓變化的影響而燃燒不完全，所以在高山上動力會降低且汙染會增加。
- 潤滑系統是在汽油內混和2-4%機油來潤滑，由於機油無法燃燒，會隨著廢氣排到大氣中，是造成嚴重空汙的主因。
- 由於消音器體積很大成本高，而且會降低約15%的動力輸出，所以有些引擎會只裝排氣管，造成很大的運轉的噪音。
- 所以二行程汽油引擎無法通過四期環保的規範，在20年前交通工具就禁止銷售。
- 但是二行程汽油引擎有小型、輕量、高動力的優勢，所以傳統割草機還是會採用。
- 四行程汽油引擎
- 四行程汽油引擎就將進氣、壓縮、爆炸、排氣，各占1個行程，所以每轉2圈才有1次爆炸，所以動力輸出較小，大約相當於同排氣量的二行程引擎的60%。
- 需要有進氣閥門、排氣閥門、以及閥門正時系統，來確保進排氣閥門啟閉的時序。
- 採用傳統化油器來混和燃油和空氣，容易受到氣壓的影響而燃燒不完全，所以在高山上動力會降低且汙染會增加。
- 潤滑系統有兩種，第1種和二行程引擎一樣將機油混和到汽油內，汙染較高，第2種為採用機油和汽油分開，機油只做潤滑用，所以排氣汙染較低。
- 因此搭配傳統化油器可以通過4期環保，但是仍然無法通過5期環保的規定。
- 現在台灣由6期環保進入7期環保，環保要求越來越嚴格，傳統化油器引擎已經無法通過環保規定而禁用。
- 由於四行程引擎結構複雜、動力較小、重量較重、成本較高，所以傳統割草機很少使用，台灣大部分汽油引擎割草機還是採用二行程。
- 電動馬達
- 電力驅動的馬達主結構分為定子和轉子這2個組件，定子固定不動，轉子則會轉動以輸出動能。
- 電動馬達其能量來源為電能，可分為交流電和直流電這2大類
- 交流電的來源是電力公司提供，台灣電力規格為AC110V-60Hz
- 直流電的來源是由電池供電，由於單顆電池的電壓較低，例如鉛酸電池為0V，李鐵電池為3.2V，鋰三元電池為3.6V。
- 需要較高電壓就採串聯，需要較大容量就採並聯，所以一個電池組是由很多顆的電芯串聯加並聯所組合而成。
- 交流馬達
- 交流電就是電流會正負交互變化，台灣電力為每秒變化60次，也就是60Hz。
- 如果採用交流電的電動割草機，就需要一條10-15公尺的電源線，所以工作範圍有限
- 由於交流電壓高達110V，所以要注意電源線是否有破損，以及割草機不要碰到水，以免有觸電的風險。
- 交流電動割草機價格便宜，適合一個小庭院使用。
- 直流有刷馬達
- 直流電一般都是由電池供電，電池組的電壓都比較低，大約12V-36V之間。
- 直流有刷馬達的轉子有一組碳刷，轉子上有3組以上的線圈連接1組整流子，碳刷壓在整流子上，當馬達轉動時整流子，就會將炭刷上的連接線圈的電流改變方向，如此連續運轉。
- 由於直流碳刷馬達有碳刷壓著，所以運轉阻力較大，加上碳刷接觸電阻較大，所以無法流過大電流(大約10A以下)，加上電池供電的電壓較低，所以輸出功率不大。
- 應用在割草機上動力較小，大約在200W以下，適合歐美家庭當成修邊機使用，也就是大草皮用乘坐式割草機修剪完後，再用修邊機將牆角、石頭縫、或是樹木旁的小枝修剪，作業時間大約10-15分鐘左右。
- 早期電動割草機給人的印象 (貴、沒力、撐不久)，指的就是這一類的修邊機。
- 直流無刷馬達(BLDC)
- 直流無刷馬達的定子固定不動，需要一組馬達控制器，將電池的電力轉換為旋轉磁場，所以不需碳刷和整流子，因此可以流過很大的電流(可以高達100A以上)。
- 所以電池的低電壓也能產生很高的動力，具有小型、輕量、高動力的特性。
- 直流無刷馬達有分(內轉無刷)和(外轉無刷)這2種型式。
- 內轉無刷馬達定子在外面而轉子在內部，轉速較高扭力較低，如果要當割草機使用就需要減速齒輪降低轉速，所以會安裝在割草機的尾端，用傳動軸傳到割草機前端的割草頭，所以重量較重，且傳動損失較大。
- 外轉無刷馬達的定子在裡面而轉子在外面，透過線圈槽數和磁鐵的極數，可以搭配出最適合割草機的運轉速度，沒有傳動軸也沒有減速齒輪，所以可以安裝在割草機最前端的割草頭直接割草。
- 無刷馬達的轉子大都是用永久磁鐵，採用稀土的釹鐵硼強力磁鐵，就可以工作在更高溫度且動力更強。
- 所以適當設計的外轉無刷馬達，最適合應用在電動割草機上，其輸出功率已經可以挑戰汽油引擎動力。
- 電池的選擇
- 馬達輸出的能量來自電池供電，高功率的無刷馬達就需要能輸出高電能的電池。
- 要替代二行程汽油引擎，馬達輸出功率需要1馬力(HP)以上(1HP=746W)，以效率80%計算，輸出1馬力連續1小時，所須電力大約1度電(1000Wh)。
- 電池儲存的能量計算為電壓(V)x容量(Ah)，例如電池電壓36V(伏特)，電池容量30Ah(安時)，這個電池所儲存的能量為36Vx30Ah =1080W/h(瓦時)。
- 1000W/h一般就稱為1度電。
- 由於電池很怕過度充電和過度放電，所以不能將所儲存的電能全部用完，實務上都會保留15-20%的電能不要用，所以電池認證時就以能放出的電能當作(額定容量)。
- 常見電池種類有1次電池和2次電池，1次電池俗稱乾電池，用完不能充電，2次電池用完可以再充電，俗稱充電電池。
- 適合割草機使用的充電電池有3種: (鉛酸電池)、(鋰鐵電池)、以及(鋰三元電池)。
- 鉛酸電池的能量密度低，除了車載式割草機外，手持割草機很少使用。
- 鋰鐵電池的能量密度較鉛酸電池高5倍，安全性高，但是1度電的重量高達8公斤以上，用在高動力的割草機其續航力就顯不足。
- 鋰三元電池的能量密度是鋰鐵電池的2倍，所以1度電重量在4公斤以上，加上外殼和保護板重量大約6公斤左右，這麼重的電池只能採揹負式。
- 所以要能替代二行程汽油引擎割草機最適合的組合為:(外轉無刷馬達)搭配(鋰三元)高容量電池。
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