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作者:王崇飛(1999-08-12);推薦:徐業良(2000-05-08);最後更新:徐業良(2010-06-12)
附註:本文為元智大學機械系大四自動化機械設計實務課程教材。

直流電動機簡介

1.     電動機的種類與原理

電動機即為工業界俗稱的馬達,種類依照使用電源可分成直流馬達(DC motor)與交流馬達(AC motor)兩大類,若再以控制方式、啟動方式與繞組方式分類則可分成步進馬達(stepping motor)、伺服馬達(servo motor)、無刷馬達(霍爾馬達)、單相交流馬達、三相感應馬達、串激式直流馬達、分激式直流馬達、與複激式直流馬達等。

無刷馬達又稱作直流伺服馬達(DC servo motor),直流伺服馬達之特性與直流馬達相似,兩者的差異在於直流伺服馬達利用角度編碼器(encoder)與轉速發電機(TG)將馬達的轉速、扭矩等物理量檢出,再利用控制器將回授訊號作運算,達到控制直流伺服馬達的輸出特性,同時利用霍爾元件取代電刷,因此在結構上直流伺服馬達除了感測器部份以外,其餘均與一般的電動機相仿。以下分別討論直流馬達與無刷馬達的構造與原理,以及各類馬達性能之比較。

1.1 直流馬達的構造與原理

1為馬達之基本構造示意圖,一般的電動機在構造上可以分成5個部份:

(1)    電樞(armature)或轉子(rotor)

為馬達旋轉的部份,材質為永久磁鐵、線圈(外接電源)、導線(無外接電源)或特殊形狀之導磁材料。

(2)    場繞組(field)或定子(stator)

材質為永久磁鐵或是線圈(外接電源)。

(3)    滑環(slip ring)或換向器(commutator,如直流馬達之碳刷)

連接轉子繞線至外部換向器用於改變電樞繞線之電流方向,使用永久磁鐵為轉子材質的馬達則無需滑環或換向器。

(4)    軸承(bearing)

可使用滾珠、滾針、滾柱、含油自潤軸承,主要提供轉子穩固的支撐。

(5)    馬達控制器(motor controller)

包含控制馬達的輸出扭矩、速度或轉角,以及大型馬達起動、停止之順序控制。控制器種類也相當多,如單相交流馬達使用的電容分相啟動器,直流馬達使用的功率控制器、變頻器、或是伺服馬達控制器等,都是屬於馬達控制器。

1. 馬達之基本構造

雖然電動機的種類相當多,不過各種電動機的基本操作原理都相同,都是利用電流流過定子產生磁場,當轉子也通上電流時由於切割定子所產生的磁力線而生成旋轉扭矩造成電動機轉子的轉動。如圖2所示,假設轉子之繞組只有一組線圈時,當轉子線圈通上電流時由於切割定子所產生的磁力線而生成旋轉扭矩,致使轉子轉動,以圖2而言,定子的磁力線由左至右,而轉子的電流方向為由右方流入左方流出,因此生成的旋轉扭矩使得轉子順時針旋轉。

2. 電動機基本原理示意

直流馬達之基本構造均與圖2類似,其他種類電動機的基本構造則只是在定子部份有所差異,例如交流感應電動機由於交流電源有相角差之緣故,因此定子的磁場由固定磁場變成旋轉磁場,此外場繞組(定子)的接線方法也有所謂“Y接法”、“Δ接法”、或是“Y-Δ接法”。

無刷馬達的構造與原理

電動機構造中滑環由於是採用接觸式通電的方式,所以也稱作電刷。在直流電機中常以石墨作為電刷的材質,電刷長期與電動機的轉子摩擦會造成相當程度的噪音,同時也會因磨耗而需要考慮維修的問題。在交流電動機中電刷則採用金屬材料製作,在長期磨耗下會造成間隙,容易在運轉時發出火花,諸如此類的問題都對電動機的可靠度與安全性有相當程度的影響。

無刷馬達就是在這樣的需求下產生,無刷馬達在構造上是利用永久磁鐵作為轉子,並且利用霍爾效應感應電動機轉子的位置,當轉子之相位為時令定子激磁,如此可以達到最高的運轉效率,利用這樣的原理也可以使用在四行程機車引擎點火正時上。霍爾效應滿足以下關係式:

                                                                                  (1)

其中為霍爾電壓,為霍爾電流,為霍爾元件電磁係數,K為霍爾元件不平衡係數,B為磁通密度。由式(1)可以瞭解霍爾電壓與磁通密度(磁場強度)及霍爾電流成正比,因此當轉子之磁軸與霍爾元件不同軸時,磁通較小,為了維持固定的霍爾電壓必須增大霍爾電流,如此便能精確的算出定子的激磁順序與時間。霍爾元件與直流馬達所構成的無刷馬達如圖3所示。

3. 無刷直流伺服馬達

如圖3所示,當轉子磁軸與霍爾元件同軸時,霍爾元件與S極距離最短,因此磁通密度最高,此時造成霍爾元件A端子電壓較大,使得電晶體Q1導通,則線圈L1內有i1電流流通,因此線圈L1呈激磁狀態,依據右手定則得知線圈L1右側為S極,故轉子反轉。當轉子S極遠離霍爾元件時造成磁通密度下降,因此AB端不再產生霍爾電壓電晶體Q1Q2OFF狀態,轉子因受慣性作用繼續反向旋轉。當轉子N極轉至霍爾元件時,造成霍爾元件B端子電壓較大,使得電晶體Q2導通,則線圈L2內有i2電流流通,因此線圈L2呈激磁狀態,轉子再度受磁力作用反轉,依照如此程序轉子持續轉動。圖3因為有兩組場繞組線圈因此稱作二相無刷直流伺服馬達,當控制精度要求更高時,可以增加場繞組線圈數目與霍爾元件數目,因此工業上常使用的四相、五相無刷馬達,即是指此類運用霍爾元件製成的無刷直流伺服馬達。

無刷直流伺服馬達由於利用霍爾元件感應激磁順序與時間,因此又稱作「電子換相馬達」,利用霍爾元件感應激磁順序與時間可以減少不必要的電能浪費,同時也可以適時的提供轉子轉動所需的電磁力,因此大幅提升馬達輸出扭矩與效率。

2.     直流馬達之特性曲線與選用方式

電動機之特性曲線是評估、選用電動機時的一項重要指標,電動機特性曲線通常指的就是轉速-轉矩曲線圖,直流馬達除了轉速-轉矩曲線圖以外通常還有電流-轉矩曲線圖。如圖4所示為12伏特直流馬達特性曲線圖,橫軸為輸出轉矩,縱軸則分別為轉速、電流以及效率與輸出功率。

  

4. 直流馬達特性曲線圖

直流馬達與其他馬達最大的差異在於其“轉速-轉矩”與“電流-轉矩”特性均為線性關係,因此在一般需要做到轉速、轉矩控制的場合中,若控制精度不需很高的情況下,同常以直流馬達作為致動器是較為經濟的選擇。

選用動力電動機時必須考量的因素包含輸出負荷大小、馬達輸出扭力、與轉速曲線特性,同時也要考慮電源形式與運轉模式。在選用直流馬達時,必須注意它的工作電壓,直流馬達電源常見規格為DC12VDC24V,交流馬達則為AC110VAC220V;另外還要知道輸出扭矩大小(g-cmkg-cm),以及轉速(rpm),當然最好能有馬達特性曲線,如電流轉矩圖與電流轉速圖等,以方便作為選用馬達時的參考。計算扭力需求時,先計算欲旋轉的物體轉動慣量,再參考旋轉速度決定減速比,然後決定馬達工作扭力值,即可依照馬達特性選擇適用型式。

以下便以表格的方式列出電動機之分類與驅動控制方法,可比較在不同的使用條件下各種電動機的優劣。

1. 各種馬達比較

 

三相感應馬達

單相感應馬達

直流馬達

伺服馬達

步進馬達

驅動訊號

交流

交流

直流

直流/交流

脈衝

控制方式

工業電子/變頻器

工業電子/變頻器

工業電子

閉迴路/Encoder

開迴路/步級角

應答時間

 

 

 

0.15sec

0.2sec

優點

高速大轉矩

構造簡單

構造簡單

高速高應答

低價位高精度

缺點

體積龐大

需啟動器

出力較小

複雜、價高

失步、噪音

運用場合

大動力提供

較小動力提供

小動力提供

高速高精度

低速高精度