電動機的運轉及應用

電動機的運轉及應用

       電動機如依照其使用的目的來分類,則種類相當龐雜,如以轉動和移動而分類則,如前面所介紹的可分成普通電動機和線型電動機,而普通電動機因其使用之電源有交流電及直流電,而有所謂的交流馬達和直流馬達,在使用馬達前需先了解其使用的電源是直流電還是交流電,如果是交流電,還需知道它是三相還是單相的交流電,接錯電源會導致不必要的損失和危險。除此之外,應了解不同電動機的特性及啟動方法,圖 1 為以使用電源分類的概略馬達種類。

  圖 1 以馬達所使用的電源分類的概略馬達種類。

 

  不同設計的馬達有不同的啟動方式和動力特性,而適用於不同用途的機械中,例如有些馬達有高轉矩和扭力,而有些馬達則能定速旋轉,或者轉幾分之一圈,一般而言驅動機器的能力以輸出的功率來計算,馬達輸出功率的單位為「馬力」(Horse power 簡稱HP ) 1馬力(HP)=746瓦特(W),馬力愈高在單位時間裡輸出的功也愈大,在機械中主要的驅動馬達,都需要比較大的動力,而作為控制用途如定位、定速…等的馬達,則輸出功率較小。

一、直流馬達(DC motor):

    一般的直流馬達如圖 2 所示,包含周圍磁場(永久磁鐵或電磁鐵)、電刷、整流子等元件,電刷和整流子將外部所供應的直流電源,持續地供應給轉子的線圈,並適時地改變電流的方向,使轉子能依同一方向持續旋轉。

    圖 2 直流馬達包含定子磁場、電刷、整流子及轉子

    直流馬達的優點有速度調整容易,啟動轉矩較大等,但是電刷與整流子保養維修不易,因此有所謂的「無刷型直流馬達」,如圖 3 所示為電腦軟式磁碟機中轉動磁碟片的馬達,定子磁場的線圈如圖 4 左,轉子為圖 4 右之永久磁鐵。

    圖 3圖 4

    直流馬達廣泛地用在消費電子產品及玩具,如電動刮鬍刀、錄音機、錄影機、CD唱盤、模型汽車、火車等,而大輸出功率的直流電動機則使用在電車、快速電梯、工作母機等。

    圖5 直流馬達應用在吹風機中(交流電經整流成直流電) 圖6 直流馬達應用在時鐘

二、交流馬達 :

由於交流電的電壓和電流隨時間而變動,因此將交流電通過馬達的定子線圈,所產生的磁場並不是一個固定的磁場,而是隨時間而變化N極和S極的變動磁場,利用此特性,可經設計讓周圍磁場在不同時間、不同的位置推動轉子,使其持續運轉,就如同周圍站了一圈的同學,大家順序伸手去推中間那一位同學轉動一樣,大家推的時間不一樣,因此轉子的和力不等於零,因此若要轉子持續旋轉,我們必須讓周圍的磁場在不同的時間來產生N極或S極,所以周圍磁場的線圈常分為幾組,通以不同相位的交流電。

市電提供單相(圖7)和三相(圖8)的交流電,一般家庭都使用單相的電源,因此家庭裡使用的都是單相的交流馬達,為了在周圍磁場產生不同的相位,電容啟動馬達在一組周圍磁場線圈串接一個電容器(分相電容),以使與其他組線圈產生相位差,如電風扇、家庭用水加壓機等,如圖 9 電風扇使用單相交流馬達及分相電容。

在工廠裡三相的交流電動機,因結構單純、動作確實而廣泛地被採用,其接線如圖,需反方向旋轉時,只需將三相電源中的R相和T相兩條線交換即可。

 

                                                 圖 7

                                                                                                    圖 8

圖 9 電風扇使用單相交流馬達及分相電容

圖 10 利用分相電容啟動的單相交流馬達接線

 

在工廠裡三相的交流電動機,因結構單純、動作確實而廣泛地被採用,其接線如圖 11,需反方向旋轉時,只需將三相電源中的R相和T相兩條線交換即可。

圖 11

 

 

      馬達的設計上,除了利用交流電相位的變化以產生變動的磁場外,更可以利用變動的周圍磁場,以感應中間轉子以產生磁場,如此轉子可以不必再纏繞線圈,亦不需有炭刷等構造,而可簡化轉子的構造,如感應電動機(單相和三相)的鼠籠轉子,在積疊的鐵心中穿插銅棒或鋁棒,兩端利用短路環短路變成鼠籠型,經周圍變動磁場感應,產生渦流及磁力而旋轉,如圖 12 。

圖12 鼠籠轉子構造

 

        同步馬達(synchronous motor):在交流電產生的旋轉磁場中,裝入永久磁鐵轉子,轉子的速     度就完全依照旋轉磁場的速度而旋轉,被應用在計時器、機器進給裝置、事務機器等。

 

三、脈沖馬達

步進馬達(Stepping motor)是脈沖馬達的一種,在數位電路非常進步的今天,直流電源可以經過數位IC的處理,變成脈沖電流以控制馬達,這種馬達若以所規定的順序,將脈波加在周圍磁場,則轉子將以固定的角度做步級運轉,例如一個步進馬達可能將一圓周(360度)分成200步(step),一步即為1.8度,如果控制此馬達前進10步,即控制它轉18度,如此可做精密的角度或距離的控制(距離的控制可配合導螺桿而達成),因此廣泛地應用在位置及角度的控制上,如機器人、事務機器等,圖13、14 示微電腦軟式磁碟機中,控制磁頭前後移動找尋磁軌的步進馬達.。

                                                圖 13

                                               

                                                    圖 14

 

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