馬達介紹:永磁馬達 ( I )

更新於 2024/07/11閱讀時間約 3 分鐘
理論上,有使用永久磁鐵的,就可以被稱為永磁馬達(Permanent Magnet Motor),直流馬達(DC Motor)其實也可以被稱為永磁馬達;但如今提到永磁馬達,都是專指永磁無刷馬達(Permanent Magnet Brushless Motor),並不包括直流有刷馬達(Brush Motor)。
實際上,永磁無刷馬達雖然少了探刷及整流子的換相機構,仍然需要做換相的行為。而用永磁馬達的換向原則就簡單多了,只要用異極相吸,同極相斥的規則就可以說明。永磁無刷馬達會把磁鐵的置於轉子當中,而定子處擺放漆包線圈,將漆包線圈視為電磁鐵,可以使用電控來決定漆包線圈生成N極或是S極;下圖為內轉式的永磁馬達。當我們希望轉子順時鐘旋轉時,則對於圖中旋轉箭頭處的N極磁鐵來說,就必須在它順時鐘旋轉的前方,產生一組S極的磁吸力,而後方則是產生N極的推斥力,就會迫使箭頭處的N極磁鐵順時針旋轉。
電子換相
因此有刷及無刷馬達,其實都要換相,才能順利運轉,只是從有刷馬達的機械式換相機構改為無刷馬達電子式的控制電路。在馬達上衍生的變化是有刷馬達的線圈是繞在轉子上面,磁鐵則是定子固定不動;無刷馬達是完全顛倒,線圈是繞在定子上面,磁鐵則是安裝於轉子上。在零件配置、生產製程甚至是生產設備其實都不同了,因此直流馬達與永磁馬達開始脫勾,也就變得合理多了。
有刷與無刷的換相轉變
永磁無刷馬達
此外,由於永磁無刷馬達,採用電子式換相電路,因此直流馬達機械式換相機構的壽命及火花問題,就變得不存在了。原本機械式換相機構的碳刷會有磨損的壽命限制,目前大多是一萬小時;但在電子式換相電路這壽命限制,會轉換成電路版上的電容壽命,改以完全充放電的次數計算,標準為6000次。假設都以一天工作8小時計算,則機械式換相機構可支撐3.4年,電子式換相電路可支撐16.4年,工作壽命大幅延長。
但在良率的計算標準來看,機械式換相機構內有碳刷、彈簧、連接線、碳刷架這四個元件;但一塊電路版上的元件數量絕對超過30件以上,若以每一個元件良率99%來計算,則機械式換相機構良率為96%,電子式換相電路的良率僅為70%。當然實務上電子零件的良率為PPM (百萬分之一),但只要零件數多,不良的風險就是增加,因此電子式換相電路的故障率會提高。且電子式換相電路的價格也遠高於機械式換相機構,價差為10倍以上。
而在抵抗異常狀態的表現上,機械式換相機構的強度也比較高,短時機內至少3倍以上的超規格使用,也不會對馬達造成損傷;只要在馬達溫度還未過熱燒毀之前停止使用,之後都會完全恢復。但電子式換相電路只要過載,就是電子元件燒毀,無法再次使用。
而在總綱中有提到,使用永久磁鐵作為磁場來源,其輸出的TN曲線為線性的,因此在馬達驅動控制上,十分方便。此外,在永久磁鐵的磁力越來越強的情況下,造成相同負載時,永磁馬達會有體積小,重量輕等優勢。且在壽命上的表現也十分良好,因此永磁馬達近年為發展的主流,市佔率逐漸侵食掉其它類型的馬達市場。但仍需注意電子式換相電路所帶來的價格壓力及風險,才能站穩市場。
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