馬達介紹:串激馬達 ( II )

閱讀時間約 3 分鐘
本文會再深入串激馬達的特色作介紹。
首先,在前一篇中有告知,串激馬達屬於通用馬達的一種,使用直流電(DC)或交流電(AC)都可以順利運轉。但由於家中取得交流電使用比較方便,因此串激馬達主要針對交流電為主;直流電的部份,則有專屬的直流馬達。因此雖然有通用之名,但其實串激馬達都只採用交流電,通用這詞有點名不符實,因此大多只稱其為串激馬達。以台灣為例,家中電源主要是以110V 60Hz的交流電為主,因此串激馬達會針對此電源型態作設計。
之前在電阻篇當中有介紹,有部份馬達會利用電阻作為抑制電流的手段,串激馬達就是其中一種。因此串激馬達若想依靠加粗漆包線徑,來提高馬達效率,很可能反而得到成長速度更快的銅損,導致效率不增反降的情況。
由下列電路圖可看到,串激馬達的電阻值,主要來自於電樞(Armature)轉子線圈,圖中藍色範圍處,定子線圈及碳刷(Brush),這三部份為主。基本上碳刷在串激馬達當中的電阻佔比非常小,可忽略不計;但在直流馬達當中,影響比例會提高,需要注意。如此一來,電阻的調配,主要就是電樞轉子與定子線圈來分配。其中RA就是電樞轉子電阻,LA為電樞轉子電感,RB為碳刷電阻,RSR是右側定子線圈電阻,LSR為右側定子線圈電感,RSL是左側定子線圈電阻,LSL為左側定子線圈電感。
串激馬達電路圖
然而在實務上,還會盡量降低電樞轉子的漆包線圈用量。主要是電樞轉子上雖然有多組漆包線圈,但再運轉的當下,其實只有兩組線圈有真實作功,其它的都屬於閒置狀態。假設整顆電樞轉子上有20組漆包線圈,每次只有2組漆包線圈真實作動,代表每組線圈只負責運行36度的機械角區域而已。類似火車鐵軌,鋪了很長一段,但大部份時間,就只是放在那,當火車經過時,才有真正的實質意義,真實稼動率很低。由於電樞轉子的線圈,相對閒置率偏高,因此若要用做電阻的調配,那性價比實在不高。
電樞轉子
而定子漆包線圈的部份,使用率則是 100%,沒有閒置的問題。因此針對此部份做電阻的調配,是較為恰當的選擇。不過在生產工時上,還會有製程差異造成的選擇問題,這在後續討論生產技術時會再次討論;主要是串激定子繞線,採用傳統製程的繞線速度較慢,約為100~200RPM而已,在多圈數的設計時,會大幅增加生產工時。
串激定子
另外有趣的一點,串激馬達定子及電樞轉子的磁場變換頻率是不同的,外部定子的部份是依照交流電的頻率做磁場的切換,也就是市電的50或60Hz;轉子則還要增加了馬達轉速、極數與交流電頻率的影響。如下列方程式中,f(Hz)為電樞轉子磁場切換頻率,N(RPM)為馬達轉速,P為外部磁場極數,fAC(Hz)為交流電頻率。
電樞轉子磁場切換頻率
由上列數學式中可發現,電樞轉子內的磁場變化頻率遠高於定子部份。由於鐵損的產生因素之一,就是磁場的切換頻率,這代表定子側的鐵損小,而電樞轉子側的鐵損會遠大於定子。
日系馬達廠有注意到這一點,因此在使用串激馬達但仍想提高馬達效率的吸塵器應用當中,電樞轉子會採用高品質矽鋼片,以降低鐵損;而定子部份,採用一般矽鋼片即可。就可使串激馬達的效率提高,如此一來吸塵器的耗電量就比較低。
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