馬達

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各種大小馬達及當作尺寸比較用之9伏特電池

電動機(Electric motor),又稱為馬達摩打電動馬達,是一種將電能轉化成機械能,並可再使用機械能產生動能,用來驅動其他裝置的電氣設備。大部分的電動馬達通過磁場和繞組電流,在電機內產生能量。

電動機與發電機原理基本一樣,其分別在於能量轉化的方向不同:發電機是藉由負載(如水力、風力)將機械能、動能轉為電能;若沒有負載,發電機不會有電流流出。電動機和電力電子、微控器配合已形成一新學門,稱為電動機控制。

歷史[編輯]

1827年的馬達

1740年,第一個電動馬達是由蘇格蘭僧侶安德魯·戈登(Andrew Gordon)創建的簡單的靜電設備。1827年,匈牙利物理學家安幼思·傑德利克(ÁnyosJedlik)開始嘗試用電磁線圈進行實驗。傑德利克解決一些技術問題後,稱他的設備為「電磁自轉機」。雖然只用於教學目的,但第一款傑德利克的設備已包含今日直流馬達的三個主要組成部分:定子,轉子和換向器。

1835年,美國一位鐵匠湯馬斯·達文波特(Thomas Davenport)製作出世界上第一台能驅動小電車的應用馬達,並在1837年申請了專利。由於主要動力電池成本極高,在商業上不成功,達文波特破產。一些發明家繼續發展應用馬達,但都遇到了同樣電池發電成本的問題。

1845年,英國物理學家惠斯頓(Wheatstone)申請線性馬達的專利,但原理於1960年代才被重視,而設計了實用性的線性馬達,目前已被廣泛在工業上應用。

1870年代初期,世界上最早可商品化的馬達由比利時電機工程師Zenobe Theophile Gamme所發明。1888年,美國著名發明家尼古拉·特斯拉應用法拉第的電磁感應原理,發明交流馬達,即為感應馬達。

1902年,瑞典工程師丹尼爾森利用特斯拉感應馬達的旋轉磁場觀念,發明了同步馬達。1923年,蘇格蘭人James Weir French 發明三相可變磁阻型(Variable reluctance)步進馬達

1962年,藉霍爾元件之助,實用之DC無刷馬達終於問世。1980年代,實用之超音波馬達開始問世。

原理[編輯]

此圖中旋轉磁場是由三個不同相位線圈產生的磁場向量形成

馬達的旋轉原理的依據為佛來明左手定則或是右手開掌定則,當一導線置放於磁場內,若導線通上電流,則導線會切割磁場線使導線產生移動。電流進入線圈產生磁場,利用電流的磁效應,使電磁鐵在固定的磁鐵內連續轉動的裝置,可以將電能轉換成動能。與永久磁鐵或由另一組線圈所產生的磁場互相作用產生動力

電動機的種類很多,以基本結構來說,其組成主要由定子轉子所構成。定子在空間中靜止不動,轉子則可繞軸轉動,由軸承支撐。定子與轉子之間會有一定空氣間隙(氣隙),以確保轉子能自由轉動。機殼(場軛)需要用高導磁係數材料製成 , 要當作磁路用。

直流馬達的原理是定子不動,轉子依交互作用所產生作用力的方向運動。交流馬達則是定子繞組線圈通上交流電,產生旋轉磁場,旋轉磁場吸引轉子一起作旋轉運動

種類[編輯]

依磁場方向分類[編輯]

依使用電源分類[編輯]

  • 直流馬達:使用永久磁鐵或電磁鐵、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。
  • 交流馬達:將交流電通過馬達的定子線圈,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
  • 脈衝馬達:電源經過數位IC晶片處理,變成脈衝電流以控制馬達,步進馬達就是脈衝馬達的一種。

依構造分類[編輯]

  • 同步馬達:特點是恆速不變與不需要調速,起動轉矩小,且當馬達達到運轉速度時,轉速穩定,效率高。
  • 感應馬達:特點是構造簡單耐用,且可使用電阻或電容調整轉速與正反轉,典型應用是風扇壓縮機冷氣機
  • 可逆馬達:基本上與感應馬達構造與特性相同,特點馬達尾部內藏簡易的剎車機構(摩擦剎車),其目的為了藉由加入摩擦負載,以達到瞬間可逆的特性,並可減少感應馬達因作用力產生的過轉量。
  • 步進馬達:特點是脈衝馬達的一種,以一定角度逐步轉動的馬達,因採用開迴路(Open Loop)控制方式處理,因此不需要位置檢出和速度檢出的回授裝置,就能達成精確的位置和速度控制,且穩定性佳。
  • 伺服馬達:特點是具有轉速控制精確穩定、加速和減速反應快、動作迅速(快速反轉、迅速加速)、小型質輕、輸出功率大(即功率密度高)、效率高等特點,廣泛應用於位置和速度控制上。
  • 線性馬達:具有長行程的驅動並能表現高精密定位能力。
  • 其他:旋轉換流機(Rotary Converter)、旋轉放大機(Rotating Amplifier)等。

用途[編輯]

大型馬達

電動機用途眾多,大至重型工業,小至小型玩具都有其蹤跡。在不同的環境下都會選擇不同類型的電動機,以下是一些例子:

民生用品

工業與商業用途

使用安全[編輯]

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。馬達轉動後若沒有接負載或負載很輕使得馬達轉速快,則感應電動勢較強,此時馬達兩端電壓為{?},電源提供電壓減去感應電壓,因此電流減弱。

若馬達的負載很重,轉速慢則相對感應電動勢較小,也因此電源需提供較大電流(功率)以對應所需的較大功率來輸出/作功。

參看[編輯]

參考資料[編輯]

  • 宋揚曙。1990。電機機械。全華科技圖書股份有限公司。
  • 劉蘊陶。1996。電機學。文京圖書有限公司。
  • 蕭進松、謝承達。1996。電機機械。全華科技圖書股份有限公司。
  • 陳祺銘。1990。小型電動機的基礎與微電腦控制。復文書局。
  • 許正道。1989。機電整合入門。復文書局
  • 李適中。1991。直流馬達速度控制.伺服系統(基礎篇)。全華科技圖書股份有限公司。
  • 陳熹棣。1989。步進馬達應用技術。全華科技圖書股份有限公司。
  • 李清元。2002。伺服馬達的類別與應用。電機月刊第12 卷第8期。
  • 盧明智、陳政傳。2002。感測與轉換—感測器原理與應用實習。台科大圖書股份有限公司。
  • 江正雍譯。1993。伺服控制系列(10)—無人搬運車之位置控制技術。機械月刊第19卷第1期。
  • 江正雍譯。1993。伺服控制系列(13)—AC伺服控制應用實務(上)。機械月刊第19卷第6期。