交流馬達的種類有哪些?怎麼選?專業製造商大揭密!

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馬達是自動化工業不可或缺的一環,也是生活中最常見的電器設備之一,可以依照馬達使用的電力類型,分為直流馬達與交流馬達。交流馬達又可以說是應用範圍最廣的馬達種類,那麼交流馬達是怎麼運作的?又有哪些細分的種類呢?今天就讓國帥來介紹以設計簡單、價格便宜而被廣泛使用的交流馬達!
 

交流馬達是什麼?

交流馬達是交流電動機的俗稱,是將電能轉成機械能後再轉成動能的一個驅動裝置,由於使用的電源是採用AC交流電,因此稱作交流馬達。結構上由一個定子繞組和一個轉子組成,定子在馬達運轉時靜止不動,而轉子則透過軸承,繞軸轉動。定子與轉子中間的空間稱做氣隙,能夠讓轉子轉動時不會與定子有所干涉。

〈延伸閱讀〉馬達分類:直流馬達與交流馬達
 

交流馬達的運轉原理

交流馬達運轉的原理是透過電流的磁效應(電流產生磁場),根據佛萊明左手定則 (Fleming's left hand rule)來產生磁場,拇指代表導體運動方向,食指代表磁場方向,而中指代表電流方向。在導體通電時,導體周圍會產生新的磁場,此磁場會與原本的磁場產生互相推擠而產生作用力。交流馬達是由定子與轉子所組成,由於定子固定不動,轉子便會根據交互作用產生作用力的方向運動。


弗萊明左手定則

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定子

定子在交流馬達運轉時為固定不動的單元,常見由鐵心與銅線繞組組合而成,鐵心結構可由厚度0.3-0.5mm的矽鋼片堆疊而成,透過線圈繞組產生電流磁效應,產生推力進一步使轉子旋轉。典型交流馬達的定子包含分散繞組定子與集中繞組定子。分散式繞組的線圈是按造一定規律與節距繞在鐵心上,通電後形成不同的磁極,交流馬達絕大多數都是使用分布式繞組的定子。集中式繞組則是將繞成矩形的線圈,嵌在凸型定子鐵心上,直流馬達與通用馬達較常採用此型式。

馬達定子組成
馬達分散式繞組與集中式繞組


轉子

交流馬達的轉子可以分成鼠籠型轉子與繞線型轉子。鼠籠型轉子結構是由鋁水灌注在堆疊的矽鋼片中,在內部產生鼠籠條的形狀,後並在矽鋼片兩端壓鑄出短路端環。若講求更好的導電性與效率(例如電動車用馬達),也可以用銅取代鋁。鼠籠型又可以分成A、B、C、D等不同類型的鼠籠,在交流馬達的出力及啟動特性上各有不同表現。繞線型轉子的繞組與定子相似,可透過可變電阻來調整轉速,但結構複雜,穩定性差,目前大部分功能已被搭配變頻器的鼠籠式馬達取代。
交流馬達轉子

交流馬達的種類

同步馬達

運轉原理:
同步馬達是同步電動機的俗稱,與異步電動機(非同步馬達)都屬於交流馬達,同步與異步最大的差別在於轉子的部分加入了永久磁鐵或電磁鐵。馬達轉動時,轉子會隨著定子磁場以相同的速度旋轉。不像直流電機,轉速會受到電壓改變,同步馬達的轉速是恆定的,只能透過變頻器改變定子磁場的頻率,進一步改變轉速。由於通電相對於靜止的轉子,定子旋轉磁場速度過快,因此交流馬達中的同步馬達無法自行啟動,因此需要透過阻尼繞組(類似感應電動機原理)或降低電源頻率等方式來啟動。

應用:
交流馬達中所謂的同步馬達,顧名思義就是轉速與所給的電源頻率相同,因此轉速固定,不會受到負載變化而變動,適用於需要定速運轉的機械,像是空氣壓縮機、研磨機、粉碎機等等。小型的計時器、唱片、磁帶驅動器,也是一種同步交流馬達,利用單向交流電源產生磁場。另外同步馬達也可以應用在線路功率因素改善,與維持線路電壓穩定(同步調相機)。
 

伺服馬達

運轉原理:

伺服馬達(Servomotor)是泛指可以依據指令命令改變動作的馬達,因此廣義包含了能夠反饋訊號控制的交流馬達與直流馬達。伺服馬達由感測器、放大器與控制器組合而成一個閉迴路,先透過感應器偵測電機旋轉的位置、轉速,並透過放大器回傳訊號到控制器,再讓控制器經由事先設定的條件做判斷,將放大的訊號轉成不同的控制訊號來控制馬達,做出相對應的轉速與動作。直流伺服馬達可以透過電壓改變轉速,控制簡單因此被廣泛使用,交流伺服馬達多使用在感應馬達與直流無刷馬達,交流馬達為了改變頻會使用變頻器來調控速度。


應用:

交流馬達與直流馬達中的伺服馬達皆可以進行精準的定位控制與速度控制。凡是對於位置、力矩、速度有一定精度要求的應用,都適合使用伺服馬達。像是冶金用的冷連軋機、自動送料機,電纜用的拉絲機、高速編織機,石化用的擠壓機,抽油機,紡織業的紡紗機、精紡機,電子製造業晶圓加工機、雷射切割機,無塵室搬送機械手臂、食品包裝封口機、塑膠成型機、紙張傳送設備等等。

 

磁阻馬達

運轉原理:
磁阻馬達屬於交流馬達中同步馬達的一種,利用轉子磁阻變化產生轉矩來使馬達轉動,採用磁路具有最小路徑移動的磁阻力推動轉子,定子磁場會持續領先轉子磁極。結構上此類交流馬達的定子採用集中繞組,類似直流有刷馬達的結構,轉子可單純由疊壓的矽鋼片組成,不需要任何繞組與昂貴的永久磁鐵,也沒有溫度與退磁限制。磁阻馬達的缺點在於其轉矩漣波(ripple),造成振動與噪音,因此馬達電路控制相對複雜,導致應用不易。

應用:
磁阻馬達具有高效率,不需要稀土材料的優勢,在交流馬達中的地位近年來持續被重視與發展,但是由於磁阻會隨著轉子位置改變,控制卻較一般馬達複雜許多,在控制不當時會造成噪音與震動,因此目前還未被市場廣泛應用。洗衣機、冷氣機等小型家電為可行的應用領域,而電動載具的磁阻馬達目前仍在萌芽的階段。
 

感應馬達

單相馬達

運轉原理:
單相感應馬達屬於非同步電動機,是極常見的一種交流馬達,使用交流單相電源供電。繞於定子的線圈通過電流後會在定子鐵心產生旋轉磁場,此旋轉磁場穿過轉子 的二次繞組後與旋轉磁場發生切割磁場之作用而產生感應電動勢。交流馬達定子上的旋轉磁場與轉子磁場相互切割產生的作用力,即是推動轉子轉動的力量,此力量便是一般所稱的轉矩。單相馬達在靜止時會產生大小相同但方向相反的轉矩互相抵銷,因此需要透過啟動線圈、電容器等方式才能啟動。

應用:
交流馬達中的單相感應馬達通用於一般商用及家用電器,由於單相交流電源取得容易,因此這類交流馬達應用非常廣泛。單相感應電動機構造簡單堅固、價格便宜、維護容易,可運用在農業機械、醫療產業、水泥工業、空氣壓縮機、起重機、食品攪拌機、工業機械、包裝機、水泵、電冰箱、冷氣機、洗衣機、鐵捲門等等,生活中大大小小的東西都可能會用到。

〈產品連結〉麵粉攪拌機馬達
 

三相馬達

運轉原理:
三相馬達與單相馬達同屬於交流馬達,運轉原理也很類似。對三相交流馬達供電後,電流會在定子繞組產生磁場與轉子的感應磁場交互作用,進而推動轉子旋轉。由於轉子並未通電,磁場是由定子“感應”而來,因此又稱感應馬達。與單相交流馬達不同的是三相交流馬達可以透過三相電源120度的相位差,產生旋轉磁場驅使轉子啟動,不需要電容器、離心開關等配件,結構更為簡單。

應用:
三相馬達屬於感應馬達的一種,是工業設備最常用的交流馬達之一,由於感應馬達結構簡單,不需要永久磁鐵,材料取得容易,也不像直流馬達有碳刷更換需求,因此三相交流馬達應用範圍很廣泛,例如捷運的牽引馬達、冶金工具、自動化設備、工具機、水泵、鼓風機、跑步機、紡織機、升降梯、醫療設備、電動載具都會用到,電動車的驅動核心也是採用三相交流馬達。

〈產品連結〉泵浦用IEC標準馬達
〈延伸閱讀〉感應馬達是什麼?詳細說明一篇看懂!

 

為什麼要選擇感應馬達(交流馬達)?

使用壽命

感應馬達屬於沒有磁鐵的非同步交流馬達,因為沒有使用磁鐵,可以操作在較高溫的環境,沒有高溫退磁與材料取得的問題,另外因為交流馬達沒有碳刷,不必定期更換零件,在維護及保養上很方便,最多僅需要潤滑軸承即可。感應馬達從19世紀末發展至今已經過百年,是非常穩定且成熟的交流馬達,也是工業社會中不可或缺的一環。
 

結構簡單

交流馬達種類許多,感應馬達較伺服馬達、磁阻馬達或同步馬達更有優勢的地方在於其簡單與穩定的結構、容易取得的材料(不須要稀土磁鐵),在以交流電作為動力的機械中,感應電動機佔了90%左右,各個產業應用都非常普遍。
 

高效率

隨著各國對於馬達能源效率的規範,交流感應馬達又是應用最廣泛的一類,因此近年來各國政府均對此類交流馬達訂有最低效率的規範。IE3即代表國際電工委員會所訂定的感應馬達效率標準,同等於美國Premium優級效率。選用IE3高效率交流馬達,可以降低能源消耗,節省電費。
 

結論

交流馬達是可以將電能轉換成動能的驅動設備。國帥在交流馬達中感應馬達類的設計與製造方面已經有超過35年的歷史,不論是標準馬達或客製化馬達,在各個產業都累積大量的製作與應用經驗,並且具備亞太第一間馬達UL安全規範與能源效率測試實驗室,能夠為客戶快速設計、驗證並且量產出品質穩定、具備高度競爭力的交流馬達。

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