馬達設計小工具:功率、轉矩、轉速與效率 ( I )

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筆者一開始僅是想要利用功率值來獲取馬達轉矩資訊,畢竟電壓、電流及轉速三項馬達相關資訊都十分容取得,但偏偏就是轉矩值是一大難關。但若在已知馬達能量轉換效率的情況之下,則可利用輸入功率以及效率、轉速的值,進而計算出馬達當下的轉矩,其中的數學關係式如下,Pin代表輸入功率,是電壓V與電流i的乘積,而η是馬達能量轉換效率,Pout為輸出功率,是轉矩T與ω角速度的乘積,而ω角速度則可僅一步轉換為N轉速(RPM)的表示式。

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如此一來,即可利用容易量取的電壓、電流及轉速資訊,來換算獲得馬達轉矩值。檔案連結如下,請自行取用:

功率、轉矩、轉速與效率

然而,實務上還有一項困擾,就是馬達的能量轉換效率值非單一固定值,如下圖所示,往往還會針對不同轉速條件而有不同的效率表現;而廠商所標示的馬達效率當然是指圖中紅色圓點處的最高效率值,實際應用上有極大的機率並非工作在馬達最大效率點,甚至操作在低效區域都是有可能的。

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甚至使用者根本不知道馬達最佳效率的情況大有人在,因此頗難預估到馬達效率值,也就難以藉此獲得馬達輸出轉矩;所幸正常情況下,馬達的最高效率與功率有關,功率越小的馬達往往效率越低,而功率大的馬達則效率約高,粗略預估可以參考下表。

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此時就可以藉由量取到的馬達工作電壓及電流值,計算出的馬達的功率範圍,進而預估到馬達最高的能量轉換效率值,才能做下一步的運算。

為了計算出工作轉速下的效率值,如下圖所示,筆者以最高效率點為端點,利用轉速作為判斷式,從最高效率遞減,即可簡單的利用轉速資訊來判斷對應當下轉速的效率值。

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然而要特別注意的是,對於小工具的使用者而言,轉速資訊是需要量測到兩筆的,其中包括了拆除負載情況下的馬達最高轉速,以及安裝上負載之後的實際工作轉速,才能憑藉此計算方式獲取對應轉速的馬達轉換效率。因為有了無載的馬達最高轉速之後,方可求得最高效率點之轉速,也才能劃分為左右區域來求得工作轉速對應到最高效率轉速之間的關係,進而計算出工作轉速點的效率值。

額外的小知識,其實馬達最高效率點,大多位於馬達最高轉速的83%附近,因此當量得馬達最高轉速之後,是可以快速預測馬達最高效率的工作轉速;不過,若是加入了電控調整後就不準確了,利用電控將馬達調整至此轉速工作,也不代表操作在最高效率點,因工作電壓及最高轉速值會受到電控調整而改變。

由上述可以,本馬達設計小工具,需要輸入馬達工作電壓、電流、無載最高轉速以及付載下的工作轉速,總計四項馬達相關資訊,之後就能自動預估馬達效率,進而計算出對應此工作轉速下的轉矩值。

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檔案連結如下,請自行取用:

功率、轉矩、轉速與效率

重點整理:

會產生此份小工具,往往是筆者想要獲取負載的真實所需轉矩值,就會使用。雖精準度仍有所不足,但至少有個量,不會像個無頭蒼蠅亂試。


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