馬達小教室:四象限 ( II )

2022/06/29閱讀時間約 3 分鐘
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。
非均勻矽鋼片
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。
短路環
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。
馬達線圈
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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