馬達小教室:電壓 ( II )

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本文要來解釋電壓、馬達轉速與圈數間的關係。

基本上,馬達轉速與電壓成正比,這在馬達的電氣方程式中有直接描述到,其中V代表電壓,ω就是馬達角速度。由此可直觀的看到,當電壓越高時,馬達轉速就會越高。

馬達電氣方程式

馬達電氣方程式

這點在搖控車、搖控飛機中最明顯,會直接使用KV值作為馬達的規格標準,其單位為RPM/V。若KV值為1000的馬達,就代表每一伏特(V)就對應每分鐘1000轉(RPM),當搖控車內的電池為3.3V時,馬達轉速就會達到3300RPM。這就代表另一種有趣的涵義,只要電壓一直給上去,馬達就會越轉越快。

但由上一篇中,我們明明解釋了電壓僅是一種電位狀態的表示,而非實際能量,為何會造成電壓越高則轉速越高的影響? 其實仍然是電流的關係,由於馬達內部的線圈電阻是一個固定值,因此電壓越高時,也代表電流越大,進而造成馬達轉矩增加;而轉矩扣除掉負載需求後,能量就會由力量轉換成速度型式,使馬達轉速增加。

電壓方程式

電壓方程式

理解了電壓為何會造成轉速增加後,就代表只要一直增加電壓值,馬達就能越轉越快。但這件事,合理嗎??? 最大的困擾會在電流,電壓可以無窮的增加,但電流不行;因為電壓是狀態,但電流是實際的能量源,電流無法無窮的供應,且還有銅損產生的熱,這些實實在在的物理現象,導致我們無法單純的依靠電流來提供能量。

由於馬達是磁場與電場的交互作用,當無法完全依賴電場時,那就轉而向磁場來要能量。由轉矩方程式中可發現,除了電流之外,還有其它項的因素可以使用,而N代表導體圈數,也就是馬達繞線圈數,這會增加馬達內的磁場作用力。然而增加了馬達圈數,也代表電阻值會增加,會限制電流大小,使輸入電流值下降。但由於提高了電壓,增加線圈拉高電阻值造成的影響被抵消了。因此我們常可發現,高電壓的馬達,往往繞線圈數比較多,就是在調整馬達中磁場與電場的比例,是馬達設計中很重要的調配技巧。當遇到大功率的馬達時,基本上都會提高電壓值,以降低電流值,其實在馬達中的涵義就是更改電場與磁場的比例;因大電流造成的困擾實在太多了,除了銅損外,也會造成電源端的負擔,如電池規格要加大、電源導線要加粗等情況。

轉矩方程式

轉矩方程式

但由電感的說明中也提及了圈數增加,會導致電流進入速度變慢,使得馬達加速能力變差,這點也是馬達設計中需要考慮的。馬達設計往往就是在幾個相互影響的關係中,找到最佳的協調點。因此在馬達界中,沒有最好的馬達,只有最適合的馬達。

重點整理:
高電壓的馬達圈數多,是妥善利用高電壓特點,提高磁場佔比,降低電場負擔。
沒有最好的馬達,只有最適合的馬達。

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