馬達小教室:功率 ( I )

2022/06/20閱讀時間約 5 分鐘
功率(Power)並非是馬達的專有名詞,主要是針對能量的一種描述,其最基本的定義是"單位時間所作的"。因此曬太陽也可以用功率來定義,太陽光本身就是一種能量的型式,在加上曬的時間,這兩種物理量混合後,就可稱為功率。
因此在不同的能量型態中,單位會有差異;在馬達中大多用瓦特(W)做單位,或是馬力(horsepower,hp)。馬力這名詞非常直觀,就是馬的力量大小,在經過瓦特(James Watt)本人拉了匹馬去實測後求得, 1hp = 750W 。這讓筆者非常好奇,當初怎麼不順便測個人力(humanpower)的數值出來,好讓以後有個共通的標準。但依筆者這幾年的經驗,目前業界普遍把人力定在200~250W之間;也就是一匹馬抵三個人。不過最近有個人跑贏馬的比賽,十分有趣。
James Watt 瓦特
嚴謹的功率(W)是用焦耳/秒(J/s)來定義的,其中秒(s)是時間單位,很容易理解;而焦耳則是1牛頓(N)作用力經過1米(m)距離所需的能量,這當中就包括了力跟距離兩個參數。由於大部份的馬達為旋轉的動力型式,因此這旋轉的力量,被稱為轉矩(Torque,N‧m),其中包括了力(N)及離圓心的作用距離米(m)兩個參數。而時間的參數,則改成角速度(ω)或轉速(n),馬達當中大多以每分鐘多少轉(Revolutions Per Minute,RPM)為單位,這當中的每分鐘,就是時間參數。這樣比對下來,其實馬達的功率"轉矩‧轉速"與"焦耳/秒"的定義,似乎不完全吻合。但目前已約定俗成的定義馬達的動能輸出功率(Pout,W)為轉矩乘上轉速,但要注意此為馬達(Motor)狀態,屬於電能輸入,動能輸出;若是發電機(Generator )則輸入與輸出的定義是顛倒的,變動能輸入,電能輸出。
轉矩
馬達輸出功率
另外焦耳在電學中的定義是1安培(A)電流通過1歐姆電阻(Ω)1秒(s)時間所需的能量,所以可以看到,電學焦耳本身已經有個時間單位量,在轉換為功率時,時間反而會消掉,這也是為什麼電能功率中沒有時間參數,若加入時間參數,則會變幾度電(千瓦小時,kw‧hr)的說法。又由於電壓、電流及電阻之間的相依性,考慮到電阻不好量測,因此將其轉換為電壓量,則變成了電壓乘上電流,定義為電能輸入功率(Pin,W)。這裡可以發現,馬達的電能輸入功率"電壓‧電流"與"焦耳/秒"的定義也有落差。
馬達輸入功率
雖然看起來,馬達的功率定義,似乎嚴謹度都有些落差,但目前這些計算方式已為習知比對標準,因此我們可以由馬達輸入的電壓及電流資訊相乘後,求得馬達輸入功率,再加馬達輸出的轉矩與轉速相乘後,求得馬達輸出功率,最終來推斷馬達的效率。
這基本上會造成很有趣的圖型現象,基本上電力系統中,電壓值穩定輸出,則在輸入功率的值,只會跟電流變化,因此在馬達當中,大部份的輸入功率都是斜直線,常用的名稱如 Pin、PI、InputPower。
而輸出功率則會有三種樣式,主要是對應到不同的馬達。但有趣的特點就是,基本上像一座山,在頭尾兩端是零,中間高高的。主要是運算出來的結果,當馬達不轉時,轉速為零,則輸出功率即為零。但在最高轉速時,轉矩值也會驅近於零,則輸出功率也會變成零。就造就了輸出功率值繪製成圖型時,長得像一座山一樣,兩端低,中間高;常用的名稱如Pout、PO、OutputPower。
永磁馬達特性曲線圖
將電能輸入功率與動能輸出功率去做比較,就會產生效率(Efficiency,%),常用的名稱如Eff、Efficiency。因此馬達的效率並非一恆定值,其實會針對不同操作負載情況一直變化。
由以上的說明,我們發現幾點要特別注意:
  1. 馬達系統中,功率一詞可用在兩個地方,若未明確告知,則普遍是針對電能。
  2. 馬達效率會隨使用狀況變化,有"高效能馬達"但很耗電的可能。
  3. 馬達功率定義嚴謹度不足,改採產品來定義能效,如冷氣機改採冷房效果。
這當中就會隱藏一些盲區,如標示不清? 若A廠是標350W的功率(Pin),B廠則是標250W功率(Pout),則這兩顆可能使用結果是相同的。目前在交通工具類的標示是最為模糊的,過往的引擎系統,功率是僅用於輸出動能的部份,因此廠商習慣只提出一組功率規格給客戶參考;但至從有了電動車後,在評估續航力時,反而要使用電能的部份來定義,而且大部份的馬達當中,並未安裝轉矩感測器,因此並沒有轉矩值可提供,也就不會有實際的輸出動能功率值,這些都藏著很多不清楚的部份。
高效率等於省電? 需核對使用轉矩及轉速時的效率。另外筆者曾經將馬達操作在高轉速的低效率區,但在風扇的應用上,反而造成風能效率更高更省電的結果。
功率越大越好? 當馬達產品有了價格競爭後,為了省成本,產生一種特別的情況,是功率可以加大,但效率降低的產品。如1kw的馬達,效率50%,則輸出為500W,但B廠推銷1.5kw不加價的馬達,客人會覺得賺到,但實際上它降低成本,導致效率僅34%,代表輸出仍然只有500W。
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馬達功率,藏了很多小惡魔。
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