電動馬達是將電能轉變為機械能的一種裝置,採用電力與磁場來產生扭矩,以旋轉轉子提供機械運作。

視採用馬達的應用狀況而定,馬達是由電腦化的控制系統來控制,例如固態邏輯控制或可編程邏輯控制器 (PLC) 來控制與管理其扭矩、速度,以及提供的動作或能量。馬達控制器可能具備用於控制馬達的許多功能,其中包括但不限於啟動、停止、過電流保護、過載保護、反轉、速度變更、慢轉、插入與程序控制。馬達控制器可從簡單到複雜,並能控制一部馬達或馬達群組。

馬達依據採用的電能來源,廣泛分為兩類:交流馬達與直流馬達。

直流馬達類型:依據磁場線圈與電樞線圈電路的配線方式,有序列、分流/並聯,以及複合。其他的直流馬達類型有永久磁鐵 (PMDC) 馬達與他激馬達。

交流馬達類型: 交流感應馬達 (也稱為非同步馬達) 與同步馬達。其依據應用領域而進一步分類,例如單相、三相、鼠籠感應、雙電壓等。

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有刷直流 (BDC)

有刷直流 (BDC) 馬達從用於換向的「刷子」而得名。有刷直流馬達經常用於家用電器與車輛。其也在工業領域中佔有穩固的地位,因為具備有刷馬達獨有變更扭矩對速度比率的能力。BDC 的控制簡易,因為速度與扭矩和施加的電壓/電流成比例。

有刷直流馬達包含 4 個基本元件:定子、轉子 (或電樞)、刷子與整流器。轉子也稱為電樞,是由一或多個線圈構成。這些線圈通電時就會產生磁場。此轉子場的磁極會被吸引到定子產生的相反極,使轉子旋轉。在馬達旋轉時,線圈持續以不同的順序來通電,讓轉子產生的磁極不會超過定子產生的磁極。轉子線圈中磁場的切換稱為「換向」。可透過反轉刷子的極性 (亦即將電池的引線反轉) 而輕易反轉旋轉的方向 (順時針及/或逆時針)。

BDC 馬達有四種類型。永久磁鐵有刷直流馬達、並激有刷直流馬達、串激直流馬達,第四種是複激有刷直流馬達,這是並激與串激有刷直流馬達的組合。

無刷直流 (BLDC)

無刷直流 (BLDC) 馬達也稱為電子換向馬達。轉子上無刷,換向是在某些轉子位置上以電子方式進行。BLDC 馬達是具備獨特反電動勢波形的永磁同步馬達,使其行為類似於有刷直流馬達。BLDC 馬達不是直接以直流電壓電源來操作。但是其基本操作原理類似於直流馬達。

無刷直流馬達具備含永久磁鐵的轉子,以及含線圈的定子;BLDC 馬達基本上就是翻轉直流馬達。沒有刷子與整流器,線圈連接到控制電子裝置。控制電子裝置取代了整流器的功能,並將適當的線圈通電。通電方式會使線圈繞著定子旋轉,通電的定子線圈會引導轉子磁鐵,並在轉子對齊定子時切換。

無刷直流馬達最適合需要高可靠度、高效率、高單位工作容積功率的各種應用。一般而言,BLDC 馬達被視為能在寬廣的速度範圍中提供大量扭矩的高效能馬達。

交流感應馬達

在多數應用最常見的電動馬達之一名為感應馬達。這款馬達又稱為非同步馬達,因為轉子永遠以低於磁場的速度旋轉,所以稱為非同步交流馬達。其轉速低於其同步轉速。交流感應馬達不是單相就是多相。在居家、商業與某程度的工業應用中,單相電源系統的應用比三相系統來得廣泛。

馬達定子包含重疊的線圈偏移。主要線圈或定子連接到交流電源時,就會建立以同步速度旋轉的旋轉磁場。感應馬達中轉子的理論轉速取決於交流電源的頻率以及構成定子的線圈數量,且馬達無負載;此轉速接近旋轉磁場的轉速。它以固定轉速旋轉,除非您採用可變頻率驅動。

交流感應馬達的最大優點就是單純性。其只有一個活動零件:轉子,所以成本低廉、安靜、耐用,而且相對問題少。感應馬達可能會因為線圈的關係而相當沈重而且龐大。三相 IM 廣泛用於工業驅動、升降機、起重機,以及驅動車床等,因為其堅固可靠,而且價格經濟。單相 IM 專用於較小的負載,諸如風扇、幫浦、攪拌機、玩具、真空吸塵器、鑽孔機等家用裝置。

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永磁同步馬達 (PMSM)

永磁同步馬達 (PMSM) 是一種由永久磁鐵提供場激勵,而且具有正弦反電動勢波形的交流同步馬達。PMSM 介於感應馬達與無刷直流馬達之間。如同無刷直流馬達,定子上有永久磁鐵轉子和線圈。但是,具有線圈的定子結構用於在機器的氣隙中產生正弦通量密度,這一點又類似感應馬達。其功率密度高於具備相同額定數的感應馬達,因為沒有專用於產生磁場的定子功率。

透過永久磁鐵,PMSM 能在零速度產生扭矩,需要數位式控制的變流器以便操作。PMSM 通常用於高效能與高效率的馬達驅動。高效能馬達控制的特性是在馬達完整的轉速範圍中提供順暢旋轉、具備零速度的完整扭矩控制,以及快速的加速與減速。

為獲得這些控制能力,PMSM 採用向量控制技術。向量控制技術通常也稱為磁場導向控制 (FOC)。向量控制演算法的基本理念,是將定子電流分解為產生磁場的部分,以及產生扭矩的部分。經過分解後,就能獨立控制兩個元件。

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步進馬達

步進馬達是將完整旋轉劃分為多個等量步進的無刷直流電動馬達。它在每一步進會旋轉特定的增量距離。執行的步進數量用於控制馬達軸的旋轉角度。

步進馬達有內建輸出步進,因此本身具備一些控制位置的能力。它能非常精確控制步進馬達旋轉的量與速度。馬達執行的步進數量等於控制器發出的脈衝指令數量。步進馬達旋轉的距離與速度會與其脈衝指令的數量和頻率成比例。

步進馬達控制器可以是開放式迴圈或封閉式迴圈。兩者之間的差異是:開放式迴圈系統假定轉子依循的旋轉磁場是固定的,所以將固定功率提供給馬達。封閉式迴圈系統依據馬達的負載種類,以反餽來調整功率。大部分的馬達應用採用開放式迴圈系統,因為比較簡單而且便宜。

步進馬達有數項優點勝過其他類型的馬達。最突顯的優點之一就是非常精確的定位能力。經過多次旋轉後,仍然能到達相同的目標位置。標準的步進馬達擁有 +/-5% 的步進角度精確度。多個步進的誤差不會累積。

伺服馬達

伺服馬達是一種旋轉致動器或線性致動器,能以高反應能力、高精密能力來控制角度或線性位置、速度與加速。因為馬達能提供精確的旋轉角度與速度控制,所以能用於眾多設備,其應用涵蓋機器人、CNC 機器或自動化製造設備,通常作為步進馬達的高效能替代選擇。

伺服系統結合高效能伺服馬達與伺服放大器 (驅動),以達到極為精確的位置、速度或扭矩控制。伺服裝置具備可以精密控制的整合式齒輪與軸。伺服電路直接內建於馬達單元內,具備通常搭配齒輪的可定位軸。馬達以決定軸旋轉量的電氣訊號來控制。

在封閉式迴圈控制中,旋轉偵測器 (編碼器) 安裝於馬達上,並將馬達軸的旋轉位置/速度反饋回到驅動器。驅動器會計算控制器的脈衝訊號或類比電壓 (位置指令 / 速度指令) 和反饋訊號 (電流位置/速度) 的誤差,然後控制馬達旋轉,使誤差成為零。封閉式迴圈控制方法憑藉驅動器、馬達與編碼器來達成,因此馬達能執行高度精確的定位操作。在位置控制系統中,控制器輸入脈衝訊號,接著依據脈衝數量來控制速度與停止位置。

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