直流馬達的簡介 @ 曾教授與古董保時捷

1.直流馬達為甚麼會轉動

圖一為一個簡單的直流馬達示意圖。當線圈通電後，轉子周圍產生磁場，轉子的左側受力向上被推離左側的磁鐵，並被吸引到右側，從而產生轉動。轉子依靠慣性繼續轉動。當轉子運行至垂直位置時電流變換器將線圈的電流方向逆轉，線圈所產生的磁場亦同時逆轉，使這一過程得以重複。

圖二為一個完整的直流馬達線路圖，電流由電池正極出發，經過電刷與整流子後，沿著導線流入電樞線圈中，電樞線圈的導線通入電流在磁場中受磁場作用，產生一個作用力作用在電樞線圈上。同理，出來電樞線圈的電流，流經導線亦產生一個相反但大小相同的作用力，此兩作用力使馬達的轉子轉動。

圖一：馬達轉動方法

圖二：馬達的運轉示意圖

2.直流馬達的構造

直流馬達內部構造有三個最重要的部分:用來產生扭矩的電樞(轉子，armature)，用來產生磁場的永久磁鐵或激磁線圈，以及使流經電樞線圈的電流具有固定方向性的整流子(commutator)三部分。其中，電樞通常是由電樞線圈及鐵心所構成。整流子片通常是由銅或銀銅合金構成。導電用的刷子，一般都是以碳棒構成的。

圖三:直流馬達的構造

3.直流馬達的分類

直流馬達可由建立磁場的方式分為兩種，一種是以永久磁鐵來產生磁場，稱作直流永磁馬達，另一種是以線圈激磁的方式來產生磁場。而根據線圈激磁的方式不同，又可分為他激式(separately excited)直流馬達與自激式（self excited）直流馬達。自激式直流馬達的自激磁系統有三種接線方式，分別是並激式（shunt excited）、串激式（series excited）和複激式（compound excited），如下圖所示。

圖四:直流馬達的分類

4.永磁無刷直流馬達

永磁無刷直流馬達在性能上具有功率密度大、高效率、啟動扭矩大、散熱性高等等的優點，是未來電動交通工具發展所選用馬達的趨勢。但它仍然存在缺點:如果設計不良或操作不當，有機會導致永久磁鐵的退磁。而且，永磁同步馬達不需要透過外界能量就可以維持磁場，但這也造成從外部控制磁場為困難。因此需要透過MOSFET、IGBT等電力器件和控制技術來控制。

圖五:永磁無刷直流馬達運作情形

5.自激式直流馬達

自激式直流馬達的自激磁系統有三種接線方式，分別是並激式、串激式和複激式。

圖六為並激式直流馬達接線圖，我們在定子線圈外並聯一個可變電阻器，可以減少流經定子線圈的電流，同時也會減少磁通。而並激式馬達在空載時的轉速，大約與激磁線圈的電阻成正比，且和電樞所受的電壓無關。因此，在激磁電阻為定值的前提下，需要定速運轉時，我們可以考慮使用並激式直流馬達。

圖七為串激式直流馬達接線圖，串激式的特徵為激磁電流與電樞電流相同，因此磁通與電樞電流是正比關係。串激式直流馬達適用於需要高啟動扭矩的情況，如果遇到空載或低負載時，有失速之虞。

圖八為複激式直流馬達接線圖，複激式直流馬達兼具並激與串激的特徵，當電樞電流很小時，並激式的特徵較為突出；當電樞電流增加時，串激式的特徵會逐漸變明顯。

圖六:並激式直流馬達接線圖

圖七:串激式直流馬達接線圖

圖八:複激式直流馬達接線圖

6.他激式直流馬達

他激式的特徵是:當我們調整定子線圈電流時，磁通(磁力線，magnetic flux)的變化範圍很大；反之，如果不調整定子線圈的電流，磁通將會是定值，此時分激式將具有永磁式的特性。而且，當磁通趨近於零時，馬達轉速會變很大。換句話說，在馬達低負載時，只要磁通變得很小，馬達轉速就會變得很高。

由於他激式激磁電阻所用的電源與電樞電阻所用的電源是獨立的，因此電樞電壓與磁場強度也是不互相干擾的。考慮到馬達應用於電動個人輔具，不需要高功率的輸出，也較不會有空載情形。並且直流馬達相較於感應馬達、開關磁阻馬達等，發展技術已經很成熟、具有較佳的控制性，因此本研究選用他激式直流馬達做為能源系統的核心。

圖九:他激式直流馬達接線圖

7.直流馬達的等效電路模型

下圖為外激式直流馬達的等效電路模型，在電樞線圈的電路模型中包含了電樞電阻(armature resistance)R_a、電樞電感(armature inductance)L_a與一個因馬達旋轉時磁力線在線圈上切割所感應之反電動勢(back emf)，馬達轉軸之旋轉角速度以ω表示，相關參數符號如下表所示。

其電壓方程式可由克希荷夫電流定律(Kirchhoff Circuit Laws)求得