馬達介紹:磁阻馬達 ( I )

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由於永磁馬達內部仍有磁阻力的作用,要先介紹磁阻馬達才好理解。

在筆者的個人經歷中,已有三種磁阻馬達,在下圖中由左至右排列,分別為開關磁阻馬達(Switched Reluctance Motor)、磁通切換磁阻馬達(Flux Switching Motor)、同步磁阻馬達(Synchronous Reluctance Motor)。在開關磁阻馬達,也有人稱為切換式磁阻阻馬達,主要是針對英文Switched的翻譯差異。另外,其實所有的磁阻馬達都是同步馬達,因此同步磁阻馬達這名稱就有點尷尬,它其實是比較針對使用分佈繞以降低轉矩漣波的磁阻馬達。

磁阻馬達種類

磁阻馬達種類

但其基本原理,都是電磁鐵的概念;使用電磁鐵的磁吸力將導磁材料吸過來,這種力量被稱為磁阻力,因此這類型的馬達,都被稱為磁阻馬達。當希望磁阻馬達順時鐘旋轉,則依下圖的六四配開關磁阻馬達來說,只要A相送電後,接者序B相送電,最終C相送電,再重覆至A相開始,就是順時鐘旋轉。反之,逆時鐘旋轉,僅需改為A相、C相、B相,再重覆至A相開始即可。

旋轉規則

旋轉規則

而磁阻力的轉矩計算,十分麻煩,這也就造成磁阻馬達的輸出特性曲線圖十分奇特;類似一個反向的2次方曲線,與串激馬達這種也是使用電磁鐵的馬達形態相同。因此筆者有一陣子覺得,磁阻馬達會取代串激馬達,就如同永磁馬達取代直流馬達一般,將機械式的換相機構改為電子式的換相電路;但目前磁阻馬達有其它的缺點,如轉矩表現非線性、轉矩漣波過大、容易產生振動噪音、效率表現不如永磁馬達等因素,導致磁阻馬達無法持續發展。

磁阻馬達輸出特性曲線圖

磁阻馬達輸出特性曲線圖

而磁阻馬達的阻礙,其實與它的轉矩來源有很大的關係。下列數學式為磁阻馬達轉矩方程式,其中T為轉矩,i為電流,L為電感,θ為角度。由數學式當中,可以先簡單的看出,由於磁阻馬達轉矩與電流呈現2次方關係,因此馬達特性曲線圖會有2次曲線,也就可以理解。相信比較難理解的是後面電感對角度的微分項,而微分的要素還包括了角度及電流;但簡單一點的說法,就是磁阻馬達的轉矩,還跟電感的變化量有關係。

磁阻馬達轉矩方程式

磁阻馬達轉矩方程式

主要是電感是會受到電磁作用的影響,導致數值變化;導致磁阻馬達的數學式需要將導磁材料的相對角度及電流大小值,都標示出來。如下圖所示,當定子與轉子的矽鋼片齒部對正時,其漆包線圈上會量到一個最大電感值;而當定子與轉子齒部完全錯位時,電感值最小。

電感變化

電感變化

另外就是電流值的強弱變化,也會導致電感值有變化,如下圖所示。

電感變化

電感變化

磁阻馬達的轉矩,由於這種不同角度的電感變化差異,會使轉矩跟著於不同角度時產生轉矩的強弱變化,就如同開車踩油門一樣,一下踩到底,一下就放開,因此其轉矩漣波的表現就會十分明顯,讓使用者感覺到振動或噪音。

重點整理:
降低轉矩漣波為重要課題,但這其實也降低了輸出轉矩值。

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