【專業介紹】伺服、步進、無刷、直流馬達種類,電動機廠商推薦、原理解析

馬達的雛形早在 1740 就已經出現,在經過兩百多年的發展後,馬達已經成為所有電機產品不可或缺的原件之一。更是現代機械科技的基礎。很多人都知道馬達會轉動,但卻不太清楚它的原理和構造。今天良品工研所不只要為大家說明馬達是如何運作的,也會介紹不同款式如伺服馬達、無刷馬達、直流馬達等常見的電動機類型及各自的運用。

延伸閱讀:

馬達是什麼?運作原理又為何?

馬達又稱電動機,是英文 Motor 的譯名。簡單來說,馬達就是一種可以將電能轉換為機械能,並驅動其他機械的裝置,通常會以轉動的方式運動。

馬達的運作原理非常簡單,使用的是最基本的電磁感應原理。馬達由定子 (不運動) 和轉子 (運動) 所組成,並藉由通電後產生的磁場,互相交互相斥相吸來達成運動的目的。

馬達轉動原理,影片中為直流馬達,直流馬達與交流馬達的區分稍後會說明

馬達的主要種類及形式

依電流類型區分 - 直流與交流馬達

直流 DC 馬達

直流馬達顧名思義就是以直流電驅動的馬達。通電線圈位於中央的轉子上,透過轉子磁場的改變進行轉動。因直流電電流方向固定的特性,傳統的直流馬達需要配備一組電刷來改變電流方向,否則電動機將被固定磁場鎖住。電刷的作用原理如下:

1. 電刷導電至轉子電圈,通電後開始轉動
2. 轉子轉動半圈後,接觸相反電刷
3. 相反電刷導入反向電流,磁場翻轉,繼續轉動

若覺得不清楚可以看下面的說明動畫

直流馬達的好處在於比較容易控制轉動速度,只須改變電壓大小即可控制轉速。但不適合在高溫或易燃等環境下操作。

直流馬達及電刷運作原理

延伸閱讀:

交流 AC 馬達

交流馬達與直流馬達不同,通電之電圈位於周圍的定子上。因交流電之電流方向會隨時間改變,在兩組或以上線圈的交互作用下,可讓中間的轉子在不同階段轉至不同角度,並達到連續旋轉的目的。

交流馬達可以在高溫、易燃等環境下操作,且不需定期清理電刷,但在控速上比較困難,因必須要控制交流電的頻率才可控制交流電動機的轉速

交流馬達及運作原理及電相圖變化

直流馬達的改良版 - 無刷馬達

直流無刷馬達 (BLDC 馬達)

傳統直流馬達使用電刷,會有磨損、噪音、火花、碳沉積等問題而需要定期清潔、更換。因此目前大多採用所謂的 Brushless DC Motor 直流無刷馬達 (BLDC 馬達),也就是不需要電刷的直流馬達。

那無刷馬達為何不需要電刷呢?無刷馬達擁有三組以上的線圈,藉由在不同時間供給每個線圈不同方向的電流,即可讓轉子不斷被吸引或推動而產生轉動。無刷馬達通常會搭配一組感測器和控制器,感應目前轉子的位置並決定電流方向。無刷馬達的運動原理較為複雜一點,建議搭配影片說明。

無刷電動機適合用在需高穩定性或不易清潔維修的工作環境,例如家用電器等。

無刷馬達透過改變多組電圈電流的方向驅動外圈的轉子

延伸閱讀:

隨電流頻率改變速度的交流馬達 - 同步馬達

同步馬達

同步馬達是交流馬達的一種,之所以名稱有同步,則是因為此種電動機的轉速與交流電的頻率相同,而不受電壓影響。只要電動機的負載低於其最大轉矩,轉速也不會受負載的影響,轉速穩定,效率高。

依訊號控制的方式分類 - 伺服馬達與步進馬達

伺服馬達

伺服馬達的英文為 Servomotor,泛指一切可依據指示命令改變動作行為的馬達。伺服馬達主要由感測器、放大器及控制器所組成。感測器是精密的位置檢測元件,通常是光電編碼器或解角器。

感測器會感測目前馬達旋轉的位置、轉速、狀態等,並將資訊透過放大器回饋至控制器中。控制器再將獲得的資訊依據事先的設定,轉換為不同動作的控制信號,並傳回馬達使其依照指示運作。

伺服馬達可以精準的控制馬達的速度,且控制範圍廣,更可以迅速做出加減速、正逆轉,輸出功率大且效率高,多用於需要高精密度控制的環境。

如前面所提,直流馬達因控制轉速方便,故大部分的伺服馬達皆為直流馬達,但仍有部分的交流伺服馬達。

伺服馬達的組成元件

延伸閱讀:

步進馬達

步進馬達的英文是 Stepper motor,是無刷直流馬達的一種。步進馬達同樣也是控制馬達轉動方式的一種,但與伺服馬達不同,步進馬達不須速度和位置感測器,純粹由電流觸發的脈衝訊號控制運動方式。步進馬達的定子和轉子皆呈現類似齒輪狀的結構,以達到精準的轉動角度控制。齒牙數量越多,表示馬達可以控制的最小角度 (步進角) 越小,也就越為精準。

步進馬達的運作原理與前面提到的無刷馬達相同,是藉由脈衝訊號改變不同組線圈電流的方向,以進行轉動角度的控制。以下是圖片及影片說明。

步進馬達簡化後的運作原理

步進馬達完整運作原理及步進角計算

專門降低轉速並增大轉矩的馬達 - 減速馬達

減速馬達

一般而言,若需要改變馬達轉速或增加輸出轉矩,必須自行加裝減速齒輪箱,不過亦有廠商貼心的將減速齒輪箱整合進馬達中,因此「減速馬達」就誕生囉!

藉由齒輪箱內的齒輪組合與變化,能夠將馬達原始輸出的轉速降低,並獲得較大的扭力,甚至還可透過巧妙的設計,改變出力軸的方向。

延伸閱讀:

馬達轉速計算公式

馬達的轉速主要以 RPM (Revolution per minute) 表示,也就是一分鐘幾轉。轉速及頻率該如何計算呢?計算轉速除了要考慮到馬達的頻率外,也會受到馬達的極數所影響。馬達轉速的計算公式如下:

RPM = f * 120/極數

其中 f 是頻率,以赫茲 HZ 表示。舉例來說 50 HZ 的馬達,極數為 4,則轉速為 1500 RPM。

常見馬達品牌推薦及介紹

目前台灣最主要的馬達品牌有東方及東元這兩家公司,以下稍微介紹一下,若有需要選購馬達的人,不妨從這兩家去了解相關的產品和型號。

東方馬達

東方馬達母公司位於日本,創立於 1950 年。專精於製造適合用於各個場所、用途的小型馬達及電動機。產品線橫跨:一般 AC 小型馬達、調速馬達、步進馬達及伺服馬達,另外也供應相關的控制器與電動模組產品。

東方馬達生產的小型馬達用途極廣,在精密加工的工廠、電子廠等各種需要高精度動作的環境中廣泛使用,甚至自動化餐廳也能發現其蹤跡。以下是簡介影片及選購指南。

官網連結:台灣東方馬達股份有限公司

選購指南:型錄下載

東元馬達

東元電機創立於 1956 年,為台灣本土品牌。早期由生產馬達發跡,隨後逐步擴展至重電、家電、資訊等領域。但仍然持續的對自身的馬達產品線進行改造和研發,並陸續取得符合 CNS、IEC、NEMA、GB、JIS、CE、UL等國際標準之認證。

與東方馬達相比,東元馬達較多大型馬達產品,更有耐壓、防爆、無火花等超過20種主要產品線。

官網連結:東元電機股份有限公司

選購指南:型錄下載

延伸閱讀:

注意事項

以上所有圖表、文字內容歡迎各位工程界的朋友供個人參考,或於社群網站分享。但嚴禁對任何內容做未授權的轉載、改寫或抄襲。若經發現以上行為我們將直接提告。

我們已盡量確認在文章中使用可公開使用之圖檔,但若仍侵犯到您的著作權,請立刻通知我們,我們會立刻下架相關內容。

另外若本文內容有所缺失或錯誤,歡迎馬上聯絡我們更正或提供建議,非常感謝您的幫助和指教。

請勿複製文字!