直流电动机简介

直流电动机简介

一、电动机的种类与原理

电动机即为工业界俗称的马达，总类依照使用的电源可成为直流马达（DC motor）与交流马达（AC motor）两大类，若再以控制方式、启动方式与绕组方式分类则可分成步进马达（stepping motor）、伺服马达（servo motor）、无刷马达、单相交流马达、三相感应马达、串激式直流马达、、分激式直流马达、与複激式直流马达等。

其中无刷马达又称作直流伺服马达（DC servo motor），直流伺服马达之特性与直流马达相似，两者的差异在于直流伺服马达利用角度编码器（encoder）与转速发电机（TG）将马达的转速、扭矩等物理量检出，再利用霍尔原件取代电刷，因此在结构上直流伺服马达除了感测器部分以外，其余均与一般的电动机相仿。以下分别讨论直流马达与无刷的构造与原理，以及各类马达性能之比较。

直流马达的构造与原理

图1为马达之基本构造示意图，一般的电动机在构造上可以分成五个部分：

1.电极（armature）或转子（rotor）

为马达旋转的部分，材质为永久磁铁、线圈（外接电源）、导线（无外接电源）或特殊形状之导磁材料。

2.场绕组（field）或定子（stator）

材质为永久磁铁或是线圈（外接电源）。

3.滑環（slip ring）或转向器（commutator，如直流马达之碳刷）

连接转子绕线至外部换向器用于改变电极绕线之电流方向，使用永久磁铁为转子材质的马达则无需滑環或转向器

4.轴承（bearing）

可使用滚珠、滚针、滚珠、含油自润轴承，主要提供转子稳固

5.马达控制器（motor controller）

包含控制马达的输出扭矩、速度或转角，以及大型马达起动、停止之顺序控制。控制器种类也相当多，如单相交流马达使用的电容分相启动器，直流马达使用的功率控制器、变频器、或是伺服马达

控制器等，都属于马达控制器。

虽然电动机的种类相当多，不过各种电动机的基本操作原理都相同，都是利用电流流过定子产生磁场，当转子也通上电流时由于切割定子所产生的磁力线而生成旋转扭矩造成电动机转子的转动。如图2所示，假设转子之绕组只有一组线圈时，当转子线圈通上电流时由于切割定子所产生的磁力线而生成旋转扭矩，致使转子转动，以图2而言，定子的磁力线由左至右，而转子的电流方向为由右方流入左方流出，因此生成的旋转扭矩使得转子顺时针旋转。

直流马达之基本构造均与图2类似，其他种类电动机的基本构造则只是在定子部分有所差异，例如交流感应电动机由于交流电源有相角差之缘故，因此定子的磁场由固定磁场变成旋转磁场，此外场绕组（定子）的接线方法也有所谓“Δ接法”、“Y接法”、“Y-Δ接法”。

无刷马达的构造与原理

电动机构造中滑環由于是采用接触式通电的方式，所以也称作电刷。在直流电机中常以石墨作为电刷的材质，电刷长期与电动机的转子摩擦会造成相当程度的噪音，同时也会因磨耗而需要考虑维修的问题。在交流电动机中电刷则采用金属材质制作，在长期磨耗下会造成间隙，容易在运转时发出火花，诸如此类的问题都对电动机的可靠度与安全性有相当程度的影响。

无刷马达就是在这样的需求下产生，无刷马达在构造上是利用永久磁铁作为转子，并且利用霍尔效应感应电动机转子的位置，当转子之相位为π/2时令定子激磁，如此可以达到最高的运转效率，利用这样的原理也可以使用在四行程机车引擎点火正时上。霍尔效应满足以下关系式：

其中V H为霍尔电压，I H为霍尔电流，为霍尔元件电磁系数，K为霍尔元件不平衡系数，B为磁通

密度。由以上公式可以了解霍尔电压与磁通密度（磁场强度）及霍尔电流成正比，因此当转子之磁轴与霍尔元件不同轴时，磁通较小，为了维持固定的霍尔电压必须增大霍尔电流，如此便能精确的算出定子的激磁顺序与时间。霍尔元件与直流马达所构成的无刷马达如图3所示

如图3所示，当转子磁轴与霍尔元件同轴时，霍尔元件与S极距离最短，因此磁通密度最高，此时造成霍尔元件A端子电压较大，使得电晶体Q1导通，则线圈L1内有i1电流流通，因此线圈L1呈激磁状态，依据右手定则得知线圈L1右侧为S极，故转子反转。当转子S极远离霍尔元件时造成磁通密度下降，因此A、B端不再产生霍尔电压电晶体Q1、Q2呈OFF状态，转子因受惯性作用继续反相旋转。当转子N极转至霍尔元件时，造成霍尔元件B端子电压较大，使得电晶体Q2导通，则线圈L2内有i2电流流通，因此线圈L2呈激磁状态，转子再度受磁力作用反转，依照如此程序转子持续转动。图3为有两组场绕组线圈因此称作二相无刷直流伺服马达，当控制精度要求更高时，可以增加场绕组线圈数目，因此工业上常使用的四相、五项无刷马达，即是指此类运用霍尔元件制成的无刷直流伺服马达。

无刷直流伺服马达由于利用霍尔元件感应激磁顺序与时间，因此又称作【电子换相马达】，利用霍尔元件感应激磁顺序与时间可以减少不必要的电能浪费，同时也可以适时的提供转子转动所需的电磁力，因此大幅度提升马达输出扭矩与效率

二、马达之特性曲线与运用方式

电动机之特性曲线时评估、运用电动机时的一项重要指标，电动机特性曲线通常指的就是转速-转矩曲线图，直流马达除了转-转矩曲线图以外通常还有电流-转矩曲线图。如图4所示为12伏特直流马达特性曲线图，横轴为输出转矩，纵轴则分别为转速、电流以及效率与输出功率。

直流马达与其他马达最大的差异在于其“转速-转矩”与“电流-转矩”特性均为线性关系，因此在一般需要做到转速、转矩控制的场合中，若控制精度不需很高的情况下，通常以直流马达作为制动器是较为经济的选择。

运用动力电动机时必须考量的因素包含输出负荷大小、马达输出扭力与转数曲线特性，同时也要考虑电源形式与运转模式。在运用直流马达时，必须注意它的工作电压，直流马达电源常见规格为DC 12V与DC 24V，交流马达则为AC 110V与AC 220V；另外还要知道输出扭矩大小（g-cm、kg-cm），以及转速（rpm），当然最好能有马达特性曲线，如电流转矩图与电流转速图等，以方便作为运用马达时的参考。计算扭力需求时，先计算欲旋转的物体转动惯量，再考虑旋转速度决定减速比，然后决定马达工作扭力值，即可依照马达特性选择适用形式。

以下便以表格的方式列出电动机之分类与驱动控制方法，可比较在不同的使用条件下各种电动机的优劣。