馬達小教室：四象限 ( II )

上期介紹了馬達的四象限定義，本期繼續介紹如何設計馬達，讓馬達僅能在固定象限運作。

雖然大部份的馬達都有能力做到四象限的操作；然在實務應用上，第一象限的單一轉向仍是主要工作目標，更多的是僅需要快慢的速度變化，而非轉向的改變，使用者併不期待馬達擁有第二象限的功能。

然而馬達為了讓力量傳遞平順，往往是個均勻對稱結構，在未做任何處理，僅僅是送電的情況下，馬達向左或是向右是隨機的。這就造成早期的動力系統，會需要以人力先推動後再啟動，才能依使用者想要的方向旋轉。

為了改善馬達隨機轉向的困擾，產生了三種傳統的馬達設計方案，來限制馬達的轉向。為什麼要說它傳統，因為自從有了電子控制技術後，就算不採用這些設計技巧，仍可控制馬達轉向，這些都變成了舊時代眼淚。

機械式：此人應是機械背景，略懂電磁學。善用物理結構的設計，在矽鋼片的形狀做改變，讓馬達原本均勻的磁場產生了強弱差，產生一組額外的磁阻力，使得送電時，極性有了強弱的差異，導制旋轉方向會由弱側往強側移動。此造型概念具有兩個好處，除了限制轉向的功能外，甚至是馬達停下來的位置狀態也變得可預期的，會停在磁組力最小處，啟動時可以不用判斷馬達位置而更為輕鬆。但有好就有壞，刪減的矽鋼片會造成磁場損失，馬達效率會略低於完整的圓型結構。此種設計目前仍用於電腦散熱風扇當中，主要是體積較小，工作電壓低，驅動電路也簡單的條件下，這是最輕鬆的馬達設計方案。

電磁式：從外觀上來看，也是在矽鋼片的均勻圓上做了一些變化，在某一側塞入了短路銅環，這代表設計者是電磁學的精通者，使用了冷次定律（Lenz's law）。在短路銅環處會誘發一抵抗磁場產生，導致圓型結構上的磁力有了強弱的差異，馬達啟動時會往強磁方向旋轉，達到限制轉向的效果。此種蔽極馬達(Shaded-pole motor)目前大量用於冰箱內，將冷空氣從冷凍室吹往冷藏室的風扇中。具有不需額外電控，結構單純，可工作的溫度範圍廣等優點，簡單的說，就是耐用好操價格低；最大的缺點就是效率差，最高效率也不到25%。雖然牌面上這效率低到令人髮指，但蔽極馬達基本上輸入功率大多低於20W以下，去優化所得到的節能效果仍然不彰，久而久之就變成了小隱形，沒人想要去討論它。

電路式：這就是感應馬達的限制方式，很基本電學的概念。由於電流類似水流，漆包線就像是水管一樣，當水龍頭打開後，要依序流經1、2、3、4處，會有一段時間差。因此送電時，各組線圈因電流經過所產生的磁場，也會有時間差異，進而達到影響馬達轉向的效果。這是個很簡單的辦法，但因電的作用速度快(註1)，當時間落差不夠大，會無法產生順序效果；因此僅適用於圈數多，電感值大的馬達，方能延遲電流作用時間。而感應馬達剛好用於高電壓，且需要依靠電阻來限制電流，因此每組線圈的圈數都很多，導致電感值大，造成磁場產生的時間差最為明顯。能想出這辦法，很歐洲(註2)，是個在基礎學理中琢磨很深，並妥善運用的高手。

重點整理：

無論是開放或是限制，都必須有對應的措施，才能達到理想的目標。

馬達設計不一定要高深的學問，很多時候基礎才是最重要的。

本篇討論了限制象限，下一篇可討論開放象限。

註1：電有多快，在自動控制中，基本上落差2階的S Domain 以上。

註2：此歐洲並非指歐氣，而是歐洲人作學問的方式讓筆者驚為天人。劍橋大學博士班學生第一年被教授要求看的書，竟然是筆者五專時的課本...

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