馬達介紹:感應馬達 ( III )

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本篇主要針對感應馬達的轉子槽設計作說明。

由於感應馬達的磁場為轉子感應生成的,因此轉子槽的設計,會影響生成的磁場型態,進而影響到馬達整體的輸出轉矩。在之前的介紹當中有提到感應馬達有無窮的可能性,但先概括四大類來進行分類說明。分別為
A:標準型式
B:深槽型式
C:雙槽型式
D:低電阻型式

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將四種型態對應的轉矩轉速特性線圖繪製如下,可發現不同槽型設計,其產出的特性曲線有很大的差異。A標準型以藍色線段標示,B深槽型以黃色線段標示,C雙槽型以綠色線段標示,D低電阻型以紅色線段標示。

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當初筆者看到這介紹時,可說是滿滿的問號,完全無法理解其變化的原因。依照冷次定律來說,需要導電材料,來協助渦流的生成,才能誘發感應磁場。轉子槽槽內的導電材料,就是為了滿足渦流路徑;因此轉子槽內的面積大小及材質,應該就是影響電阻值,來限制渦流的大小。

由上述冷次定率基本條件來看,D低電阻型的轉矩變化是可以理解的;當導電材料的電阻低時,可生成的渦流變大,代表感應磁場也增強,因此馬達會有較高的轉矩值,以及較弱的轉速表現。而B的深槽及C的雙槽設計,也都會比A的標準型獲得比較大的導電面積,因此應等同於D低電阻的表現。但由轉矩轉速特性線可以看到,B及C的初始趨勢確實拉高了;但在後期就逐漸回歸到標準型式的狀態,而不是D低電阻形式。

造成這現象的主要原因,就是集膚效應(Skin Effect)的影響;簡單的理解就是在高頻的情況下,電流僅在導體表層範圍作用,中間則無任何電流。這也是大型的電纜線,中間的部份可改為鋼絲增加強度,或是改為鋁材減輕重量的原因。維基百科中已有計算出銅導體的集膚深度與交流電品頻率關係,如下表所示。其實大部份的馬達漆包線圈,並不足以達到集膚效應。然而感應馬達的轉子,由於直徑夠大,因此在頻率不高的情況下,仍可滿足集膚效應。

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由於感應馬達轉子的轉速、電源頻率及極數等參數,都會改變轉子上面的渦流頻率。則馬達轉速越高時,轉子導體的電流會持續的偏向槽外側;此時B的深槽處及C的內側槽,上面都不會有電流反應,僅集中作用在偏外側槽上,這就是導致B跟C在高轉速時,其轉矩特性與A的標準型接近,而非是D的低電阻形式。

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感應馬達的轉子,需要考慮冷次定律之外,還要顧及集膚效益的影響,才讓感應馬達變得如此多彩多姿。而其它類型的馬達,要發生集膚效益,除非是使用到銅柱的超大型馬達,或是轉速超高的主軸馬達,才會需要考慮。

重點整理:
唯一一種任何規格都要考慮集膚效益的馬達。

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