【中華百科全書●工學●電動機】

楊籍富

【中華百科全書●工學●電動機】

 

電動機，俗稱馬達，係將電能經磁能做媒介，變換成機械能輸出之旋轉電機之總稱。

 

電動機使用直流電源者，稱為直流電動機，使用交流電源者，稱為交流電動機，交直流通用者稱為普用電動機。

 

在交流電動機中有同步電動機、感應電動機、換向電動機，且均可為單相機或多相機（多為三相機）。

 

電動機由結構原理上分類可分為：一、直流電動機（一）直流電動機：結構上分為激磁繞組與旋轉電樞兩部分。

 

基本組件為磁框、主極、電樞、中間極與補償繞組（大型直流電動機才有）、整流換向器、電刷、軸承及端架等。

 

（二）運轉原理：通電流之導體（即電樞），置於磁場中，此導體因電磁感應作用，即受到一定方向之推力，將此導體嵌置於圓筒型轉軸外緣，則產生轉矩推動轉軸旋轉，其轉向可由佛萊銘左手定則判定之。

 

又因通電流導體自N極被推往S極後，會產生相反方向之轉矩，故導體電流在N、S極交換區需改變方向，藉以維持相同方向轉矩，使之能循同一方向順利運轉。

 

為使電流交換方向，故在導體端側接裝換向整流子（Commutator），完成電流之換向。

 

直流電動機之基本造型，如圖一所示。

 

（三）激磁分類：直流電動機依其磁場繞組接續方式區分，可分為他激式、並激式、串激式及複激式，各式之結線圖，如圖二所示，其運轉特性各異。

 

1.他激式電動機：電動機之磁場繞組電源與電樞繞組電源各自獨立，此式電動機適合做轉速變換、正反轉控制。

 

若磁場強度一定時，轉速及轉矩隨電樞電壓之大小成正比變化。

 

2.並激電動機：電動機之磁場繞組與電樞繞組並聯接線，使用同一電源。

 

若電源電壓一定時，磁通約略一定，轉速因負載變化而產生之變化不大，其轉矩與轉速特性與他激式相似。

 

並激及他激式電動機於帶動負載運轉中，若其磁場繞組突然斷線或失磁，其電樞會快速飛奔到危險轉速，導致換向整流子毀損或其他連動機件之最重損壞，使用上對於失磁時立即切斷電樞電源之保護裝置，不可缺少。

 

3.串激電動機：電動機之磁場繞組與電樞繞組串接，流通同一電流。

 

此式電機之轉速隨負載輕重變化頗為劇烈，負載增大，轉速急速下降。

 

串激電動機啟動轉矩頗大，其轉矩約與電樞電流之平方成正比變化。

 

此電動機在無載時轉速頗高，有超速飛崩之危險，使用上應與機軸直接連結，使用齒輪耦合，避免空載發生超速危燬。

 

4.複激電動機：電動機之磁場繞組有並聯及串聯兩組，依其接線方式可區分為短複激與長複激。

 

短複激時，並聯繞組跨接於電樞兩端。

 

長複激時，並聯繞組之一端跨接於串聯繞組之外側。

 

複激電動機之並聯與串聯兩繞組產生之磁通方向相同者，稱為和複激。

 

方向相反者，稱為差複激。

 

和複激動作特性介於並激與串激間，差複激較罕用，多為特殊用途而設計。

 

二、同步電動機（一）同步電動機：同步電動機之結構與同步發電機相同，但能量轉換方式相反。

 

電動機是輸入電能輸出動能，發電機則輸入動能而輸出電能。

 

以三相同步電動機而言，其電樞繞組（假設為定部）輸入三相電源，三繞組之磁通即於氣隙中合成產生旋轉磁場，此旋轉磁場之轉速亦稱同步轉速Ns，可表示如下：Ns=120f/p每分轉。

 

式中f代表輸入電源頻率Hz，P代表電機之磁極數。

 

此電機之轉部，為可加入直流激磁而極數與定部旋轉磁場相同之轉子繞組。

 

轉子藉外力或其他方式加速至同步轉速時，將直流電源加入而形成另一機械式旋轉磁場。

 

由於定部磁場與轉部磁場磁極間同極性相斥、異極性相引作用，使轉子對定部旋轉磁場於保持某一相關角度而繼續以同步轉速運轉。

 

（二）運轉特性：同步電動機無法自行啟動，卻又必須於同步轉速方能運轉，故一般設計上，多以感應機方式啟動，即在其轉子表面埋置如鼠籠型感應機之短路導體棒，或如繞線型感應機轉子另加繞組，並以滑環引出後串上電阻再予短路，令其具有如同感應電動機之特性，能自行啟動。

 

然感應機轉速無法達到同步轉速，但在接近同步轉速時，將轉子激磁電流加入激磁繞組，利用磁極對磁極作用之力矩將轉子帶入同步轉速。

 

同步電動機在保持同步運轉中，將其激磁電流調整變化，能使輸入同步電動機之交流電源之電壓與電流間相位角發生變化。

 

適當激磁電流可使外加電壓、電流相位一致，使電動機對電源形成一電阻性負載。

 

降低激磁電流可使電流相位落後於電壓而形成一電感性負載，昇高激磁電流可使電流相位超前電壓形成電容性負載。

 

過量激磁以產生進相電流之運轉特性為工業及電力系統上廣泛採用，用以吸收一般電感性負載所造成落後電流產生過量虛功率之弊。

 

過量激磁同步電動機能提供進相電流以改善用電系統之電功率之特性，為其他類型電動機所無法企及。

 

三、感應電動機（一）三相感應電動機：三相感應電動機為工業動力上使用最廣者，其結構分為定部與轉部。

 

定部鐵心槽內埋置三相繞組，當接上三相電源後，定部繞組之磁通即合成產生旋轉磁場，其轉速即同步轉速Ns=120f/p每分轉。

 

轉部由短路之導體棒或繞線式組合成圓筒形。

 

依電磁感應作用，導體切割磁力線即感應電動勢，因各導體互相短路連接致產生短路電流。

 

此帶電流導體在定部旋轉磁場作用下，即產生轉矩，驅動轉部旋轉。

 

感應電動機轉子之轉速，恆較同步轉速為低，因轉子導體與旋轉磁場間必需保持相當之轉速差，俾使轉子導體能切割磁力線以感應電壓、產生電流以產生轉矩。

 

兩者之轉速差簡稱為轉差。

 

若以同步轉速Ns為衡量基準，將轉差除以同步轉速之值稱為轉差率（Slip），其關係可表示如下S=（Ns-N）/Ns，示中N代表轉子之實際轉速。

 

（二）動作特性：感應電動機啟動時，亦會發生較其滿載電流大三至五倍左右之啟動電流（較直流電動機輕微的多，因其具交流阻抗之故）。

 

一般使用上，在五馬力以上者其啟動電流需加以適當限制。

 

較常用之方法為利用定部繞組配線方式處理，以Y型連結方式啟動後再轉換成△型連結方式運轉。

 

若定部有多組繞組，則可採用部分繞組啟動，然後再將其他繞組並聯上去。

 

感應電動機之轉部若為繞線式者，則多採轉部繞組串接電阻方式以限制啟動電流，此電阻加以適切計算選擇，可使感應電動機獲得高啟動轉矩。

 

（三）單相感應電動機：結構上定部為單相繞組，轉部與三相感應電動機相同。

 

定部單相繞組接上單相交流電源，只能產生單純的交變磁場，無法如三相者可合成旋轉磁場。

 

故單相感應電動機需借助於啟動裝置，使之啟動後，方能逐步加速運轉。

 

單相感應電動機之交變磁場，學理上可將其分成大小相等（原磁場強度之一半）旋轉方向相反之兩旋轉磁場合成。

 

此兩旋轉磁場同時作用於轉子上，產生大小相等方向相反之轉矩，故轉子無法轉動，若將此動平衡關係破壞，例如以外力撥動轉子後，轉子即依撥動之方向逐漸加速轉動。

 

實體電機上，是以另加啟動繞組以破壞兩旋轉磁場之動平衡關係，使單相感應機能自行啟動與運轉。

 

單相感應電動機之啟動方法，常用的有裂相式、電容分相式、蔽極式及推斥式等，其基本結線方式如圖三所示。

 

裂相啟動式之定部除主繞組外，在相隔九十度電工角處另置有啟動繞組，其阻抗與主繞組不同，使在輸入電源時造成不平衡二相電流以獲得啟動轉矩，啟動繞組並且串接離心開關，此開關一般設定在百分之七十五同步轉速時跳開，切斷啟動繞組。

 

電容分相式之定部除阻繞組外，在相隔九十度電工角處，亦另置與電容串聯之啟動繞組，以將輸入電流分成不平衡二相，以獲得啟動轉矩。

 

此式電動機適當選擇電容器C值，可獲得較大之啟動轉矩。

 

蔽極式結構較特殊，其定部主極中另設一小極（蔽極），並穿以短路銅環，此銅環稱為蔽極線圈。

 

當主磁極繞組產生磁通時，銅環感應電壓產生短路電流，因而產生較主磁極磁通落後約九十度之副磁通，主副磁通相互作用即於氣隙中產生移動性磁揚，轉子上之導體切割移動性磁場即感應電壓產生短路電流以驅動轉子轉動。

 

此式電動機所能產生之轉矩甚小，效率亦差，惟其結構簡單堅固，故小功率輸出場合亦常使用。

 

四、特殊電動機（一）線性電動機：英文名為LinearMotor，此電機之運作方式為線性移動而非一般電機之旋轉動作，結構上分為定部與動部，動部移動之距離取決於定部軌道之長度。

 

線性電動機目前試驗性使用中，有感應式與同步式兩種。

 

感應式之動作原理類似於典型之感應電動機，即相當於將圓柱型感應機剖開扳成平面型，旋轉磁場變成水平移動磁場，藉感應作用產生力矩推動動部移動。

 

同步式線性電動機則類似於將典型同步電動機剖開扳成平面型，利用定極性磁極與水平移動磁場之推引作用，推動動部移動。

 

此式電動機可省卻機械傳動結構，惟其電工效率甚差，尚有諸多問題待克服。

 

（二）步進電動機：英文名為Stepmotor，是將同步電動機設計，俾使能工作於以脈衝電壓輸入，而非連續性交直流電壓輸入之特殊型式電動機。

 

其結構是於定部與轉部上，製作許多凸極，定、轉部之凸極數不相等。

 

一般在定部凸極繞上激磁線圈，轉部凸極為高導磁性材料或永久磁鐵。

 

當於定部適當線圈施加脈衝電壓時，利用磁阻不同之特性，將轉部牽動至磁阻最小之位置。

 

將輸入脈衝電壓加以程式化，順序施加於各定部線圈，轉部即按順序指令做步進動作。

 

步進電動機使用上有誤差不累積之獨特特性，即步進一階與步進數百萬階，其誤差值皆保持相同。

 

因此，步進電動機被廣泛應用於精密之數值控制系統上。

 

（三）伺服電動機：伺服（Servo）之意，即依指令而執行確實動作之意。

 

伺服電動機係指電動機之運作能確實依所給之指令完成指令所指示之動作。

 

此電機可為直流電動機、交流電動機、步進電動機等。

 

為求動作上能確實，其結構上常加以特別處理，諸如減低轉子慣量，附加掣煞裝置等，使用上常採用回授控制方式，俾以獲致位置、轉速、步進數等之正確動作。

 

（李清元）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=9360