馬達介紹:感應馬達 ( I )

馬達介紹:感應馬達 ( I )

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老實說,感應馬達(Induction Motor)是筆者覺得最難設計的馬達,本文先從其特徵開始說起。

感應馬達為目前市佔率最高的馬達,至少60%以上的馬達都是感應馬達,如家中的電風扇、吊扇、洗衣機、冷氣、冰箱、抽水馬達等等,都有感應馬達的存在;但近年逐漸被永磁馬達取代,因永磁馬達有效率高、體積小、容易控制等因素。而感應馬達可以搶佔大量市場其實得利於交流電(AC)的普及,感應馬達及通用馬達是唯二可直接使用交流電就運轉的馬達,因此家中主要的電源型態為交流電時,使得感應馬達及通用馬達有了龐大的生存空間,因此有了較高的市佔率。

感應馬達是唯一一個非同步馬達(Asynchronous Motor),因此有個對應的專屬名詞,滑差(Slip),就是在評估其非同步的程度;可參考下列滑差數學式,nsync為同步轉速,nm為轉子轉速。而同步是指馬達轉速是否跟電源頻率一致,也就是交流電中的50或60Hz;口語一點的說法,就是馬達是否有跑得跟電一樣快,一樣就是同步,不一樣就是非同步,或稱異步。至於為何會產生這異步的現象,其實可參考安哥拉圓盤內的詳細說明,主要是異步的情況下,感應磁場才會生產。

滑差數學式

滑差數學式

但比較有趣的點是,當電跑太快,誘發的磁場的生成力不足時,轉子就不會真實旋轉;微弱的作用力產生,僅能讓馬達轉子抖動,如同下圖中的右側端點。而導電材料跑得跟電一樣快的時候,也就是同步狀態,則磁場也不會生成,因此沒有力量產生,如同下圖中的左側原點。

滑差與轉矩關係圖

滑差與轉矩關係圖

由於不同的滑差比例,會影響感應馬達的轉矩輸出,因此感應馬達的轉矩轉速特性線圖(TN Curve)也十分特殊,如下圖所示。然而,這還不是最麻煩的一點,由於感應馬達的磁場是誘發出來的感應磁場,我們可以在轉子上設計不同的導電材尺寸、造型及材質等等,都會改變感應磁場的強弱,都會改變輸出特性的變化,因此下圖僅是其中一種可能而已。

轉矩轉速特性線圖

轉矩轉速特性線圖

由上述可知,感應馬達其實是個有無窮可能的馬達,其特性曲線可完全客制化調整。但這優點在實務上,變成了缺點;工廠的生產管理變複雜,客戶也往往不知道該如何挑選適合的產品,甚至同樣標示1馬力的感應馬達,A廠跟B廠作出來的特性曲線不同時,使用者會得到不同的工作轉速。這些實務上的困擾使得感應馬達有了標準的作業規格書,會明確的定義感應馬達的尺寸、造型、繞線條件、材質、製作方式等等,使廠商按圖施工,如此一來就可以得到固定的特性曲線,客戶在挑選馬達時,也不會有疑慮。

但這後果就變成了,各家馬達廠所做出的感應馬達,缺乏自主特色,僅能比拼價格,也導致被戲稱為稱重賣的馬達。

重點整理:
感應馬達其實很難,也有很多可能性,但被市場機制所扼殺。

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