馬達小教室:額定規格 ( I )

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之前有討論到馬達特性曲線的可信度,因此本篇做深度討論。

筆者對於馬達特性曲線不滿意的點,主要在輸出功率的定義,但這也僅是因為筆者有機械力學的背景,對能量的存在型態,會分為動能及位能兩種,而馬達輸出功率的部份,就只使用了動能的部份。當馬達不轉動時,會被定義為零輸出,因此輸出功率即為零。而筆者常用的比喻就是舉啞鈴,當我們把啞鈴舉起後,支撐不動,則在馬達的觀點,是沒有輸出能量的,但實際上我們反而要付出很多的力氣,才能真的維持不動。而在馬達的實務應用中,伺服馬達停在原地不動,確實也會需要穩定輸出轉矩;但因沒有轉速,而被視為沒有能量輸出,這點讓筆者覺得有討論的空間。

而對於一般使用者來說,最大的疑惑,更類似規格不符合,馬達標示的輸出能力與使用者實際使用的狀態不同。而這裡面其實不僅是馬達要背鍋,在電力系統中也有各自應背負的責任歸屬,我們來一一討論。

電源:
由馬達的轉矩方程式,其中T為轉矩、kt為轉矩常數、i為電流;此為最簡化的馬達轉矩方程式,主要是方便電控人員作為參考。因此可看到伺服馬達廠商都會提供轉矩常數kt,讓使用者利用輸入電流i,判斷目前輸出的轉矩值T。因此可以知道馬達的力量基本上依賴輸入電流i,但我們是否能提供足夠的電流? 首先要看電源端是否能提供。

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由下方的馬達特性表來看,馬達最大的輸出功率為557W,但需要在輸入電流達到30A的條件下。此時可以看看我們常買的延長線,大多標示耐電流為12或是15A而已,也就代表我們給不了那麼大的電流值,則此顆馬達在15A的情況下,僅剩412W的輸出。這就造成了實際使用效果不如預期的現象。

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因此,要確認馬達是否能達到輸出規格,首先要先確認電源端的限制條件。如使電池的話,就是放電能力,且電池還有使用後的電壓降問題,都會直接影響馬達的輸出規格。若是採用市電,就要看電流上限。若是採用電源供應器,則是電流及功率都有可能受到限制。

電控:
在選購伺服馬達時,會發現伺服馬達提供的TN特性曲線圖,並非斜直線,而是下圖中的紅色線條。看起來就像是轉矩及轉速,各自少了一截。轉矩仍然是被電流所限制的,主要是電子元件對於電壓、電流甚至是功率,都有其上限值,一但超過了,這些電子元件會受損,甚至燒毀。而轉速限制主要是因為伺服馬達目前大多使用數位編碼器(Encoder),高轉速時,編碼器所產出的訊號量太多,會導致控制器來不及處理;這也衍生了相關的倍頻及除頻的技術,來解決這問題。未來應該是直接改用類比訊號,才能一勞永逸。

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電控的限制,主要來自於成本的選擇,更高規格的電子元件是一定有的,但費用上十分驚人,因此不會無限制的上綱,也就緊縮了馬達的使用範圍。

馬達:
實際上,馬達本體也會有物理特性的限制條件,主要是過熱燒毀。可以看到,當輸入電流為30A時,雖然可以得到馬達最大輸出功率557W,但此時輸入功率為1109W,代表有(1109-557=552W)的熱會產生,經過長時間的累積後,若溫度達到馬達能承受的極限,就會導致馬達燒燬。因此馬達往往會標示一個額定規格是代表在此條件下工作,可以確保馬達不會燒壞;若要超過此規格,則短時間是沒問題的,長時間的話,溫度一但上升,則會有個溫度保護機制,使馬達降載或是停止工作。

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馬達本體主要的限制條件在於溫度,做好散熱,會讓馬達的可穩定的工作區間增加。但短時間的超載使用,其實來不及生成熱影響,因此要注意馬達標示中,會有最大與額定的差異,就在於可操作時間;最大可能就是幾秒或幾分鐘,額定通常指24小時不間斷的使用都沒問題。

重點整理:
馬達特性規格表,是最大可能的操作範圍。
真正的輸出能力會受到電源、電控及馬達本體散熱能力所限制。

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2024/12/30
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2024/12/25
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