电机(electric motor)也称为电动机或马达,是现今工业自动化不可或缺的重要核心之一。电机依照其原理、构造、特性与应用方式的不同,已衍生发展出各式各样的种类。本文将深入探讨电机的不同种类、广泛的应用领域以及选购时的应注意的事项。
电机用途
电机广泛应用于各个领域,从重工业、人造卫星、火星地表探测仪到民生用品、无人机与玩具,都能看到电机为产业和日常生活带来了便利和效能提升
工业用
- 起重机
- 船舶车辆
- 升降机或电梯
- 电动手扶梯
- 输送带
- 风扇
- 铁卷门
民生用
在日常生活中,电机随处可见。从家用电器,再到现代绿色交通工具的驱动系统,电机都为这些产品的运行和性能提供了不可或缺的支持。
- 电风扇
- 洗衣机
- 冷气机
- 吹风机
- 电动牙刷
- 吸尘器
- 电动自行车
- 无人机
常见的电机种类
常见的分类方式,是以供给电机的电源来分类,分成直流电机与交流电机。
直流电机
直流电机的工作原理是利用直流电流通过线圈产生磁场,磁场产生的力与永磁铁相互作用使电机转动,并且适时地改变电流的方向,使转子能依同一方向持续旋转。直流电的电流方向固定,速度调整范围很大,运用的产品也很广泛,手工具、家电、工业设备等都可见到直流电机的应用。直流电机又可分为有刷直流电机与无刷直流电机两种。
有刷直流电机
主要由永磁铁组成的定子、轴心与线圈组成的转子、换向器(集电环)、电刷(碳刷)所构成。直流电源使用电刷接触换向器将电流传输到电机的线圈产生磁场,与永久磁铁的磁场作用后驱动转子旋转。有刷直流电机的优点是价格低廉、易于制造和维护;但缺点是效率较低、噪音较大。电刷因为长时间与换向器接触摩擦而损耗,所以需要定期更换电刷。
无刷直流电机
无刷直流电机是以电子控制器来控制电机线圈中的电流,透过电气性的电流切换来使电机驱动,减少因摩擦而产生的电机耗损。无刷直流电机优点是效率较高、噪音较低、可靠性高;但缺点是价格较高、制造和维护上较复杂。
有刷直流电机与无刷直流电机的差异:
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有刷直流马达 |
无刷直流马达 |
工作原理 |
使用电刷和换向器来将电流传输到马达的线圈 |
使用电子控制器来控制线圈中的电流 |
效率 |
较低 |
较高 |
噪音 |
较大 |
较小 |
成本 |
低 |
高 |
制造和维护 |
较简单 |
较复杂 |
碳刷更换 |
定期 |
无需更换 |
交流电机
交流电机主要由一个定子绕组和一个转子组成,电机运转时定子静止不动,当交流电电流通过定子上的铜线绕组时会产生磁场,推动转子旋转。交流电机主要的类别有:
感应电机
感应电机是一种最常见的交流电机,特点是构造简单,制作材料取得容易,制造成本相对较低且应用范围广泛。感应电机又可依据供应电源的不同,分成单相感应电机与三相感应电机。感应电机常见家用电器、商业用或工业用设备,例如洗衣机、冰箱、冷气机、铁卷门、跑步机、食品机械、包装机械、电动车、各种自动化设备等。
伺服电机
伺服电机(servo motor)是一种能够精确控制旋转位置、速度和输出力矩的电机。伺服电机系统主要由伺服电机、位置传感器和驱动器(控制器)组成。驱动器根据输入的指令,可以精准而稳定地控制电机速度、旋转与输出力矩。因此对于需要精确控制电机转速、力矩、位置的应用,都需要使用伺服电机,但缺点是价格也较高。伺服电机广泛应用于工业自动化控制、工具机、机器人、食品加工机械、橡塑料机械等领域。
调速电机
单相感应式电机可以利用附加的转速发电机及速度控制器,调整电机的转速。三相感应式电机则可以透过变频器来改变电机转速,达到调整速度的需求。
减速电机
又称齿轮电机,是利用加装的齿轮减速机来降低电机转速,同时增加电机的输出扭力。提升电机的输出扭力等于是提升了电机的负载能力,也就是提高了电机的工作能力。
高效率电机
电机效率是指电机将电能转化为转动的机械能的比例。电机效率越高,意味着它可以将更多的电能转化为机械能,等同于减少电能的损耗。电机的效率通常以百分比表示,例如效率80%表示电机可以将80%的电能转化为机械能。国际上通常使用国际电工委员会所订定IE等级来表示电机的效率,IE1、IE2、IE3和IE4分别代表不同的效率等级。数字越大代表效率越高,也越省电。台湾则是采用CNS14400作为电机效率标准。
直流无刷电机與交流电机的比较:
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直流无刷电机 |
交流电机 |
工作原理 |
转子线圈(电枢)通电后产生电磁场,与定子的永久磁铁产生作用力而旋转 |
定子绕组线圈通电后产生旋转磁场,吸引转子旋转运动 |
效率 |
较高 |
较低 |
成本 |
较高 |
较低 |
选用电机注意事项
在选择时应根据具体的应用需求来决定。感应式交流电机可以在较高温的环境下运作,维护保养上较为方便,广泛应用于工业领域。直流电机相较于交流电机,较不适合在高温的环境下操作,在控制转速方面较为简单,速度调整范围也较大,常应用于小型电动工具、家电及玩具上。此外,以下是选用电机时需要考虑的因素:
- 功率:电机的功率是指电机运转时可以输出的最大能量,通常以瓦特(W)为计算单位。功率越大,电机可以输出的力矩越大,意谓着可以带动的负载越重,当然电机的体积与重量也就越大。
- 转速:指电机每分钟旋转的圈数,以转速/分钟(rpm)为计算单位。转速越高,电机旋转的速度越快,但输出的扭矩就越小。
- 电源:确认电机所使用的电源为交流电还是直流电,运转时所需的电压(V)与电流(A)各为多少。电压越高,电机可以输出的功率越大。电流越大,电机所消耗的电也越多。
- 效率:效率越高,电机所消耗的电能越少,但制造成本与价格也越高。
- 噪音:电机在运转时会产生振动与噪音,甚至与固定装置或其他零件共振产生更大的声响。某些特定的应用设备或使用环境,对于电机运转噪音有较严格的要求与限制。
- 安全规格或认证:国际上对于包括电机在内的电气、电子技术及相关技术,都有相对应的安全规格要求以彻底验证、评估及衡量产品或零件的安全性。例如欧盟地区的CE、美国的UL、加拿大的CSA等。
- 价格:电机的价格会因上述的种类、功率、转速、电压、电流、效率、噪音等因素而异。应依据需求,在质量的前提下选择合适的产品。
结论
电机又称电动机,可以将电能转化成动能来驱动其他装置或设备。电机不仅种类繁多,性能持续提升,应用层面也从工业领域,走入我们的日常生活。选择电机产品时,除了应注意所应用的机器设备及环境,也要了解电机的特性,再依实际的需求来选择合适的产品。世协拥有30年以上电机与减速机的制造销售经验,产品已取得各项国际认证,质量稳定,符合市场需求,销售全球50国。欢迎
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