什麼是無刷直流馬達?

瞭解高效率馬達的原理及應用:1/3

馬達將供應的電能轉換為機械能。常用的馬達類型很多,其中,無刷直流馬達(BLDC)因為高效率及優異的可控性,而廣泛用於各種應用中。相對於其他類型的馬達,BLDC馬達具有省電的優勢。

馬達是傳遞動力的機器

當工程師面臨設計電氣設備以執行機械工作的挑
戰時,可能會思考如何將電氣訊號轉換為能量。而驅動器及馬達就是能將電氣訊號轉換為運動的裝置,使加諸於馬達上的電能轉換為機械能。

有刷直流馬達是最簡單的一種馬達。在這種馬達中,電流通過放置在固定磁場內的線圈時,於線圈周圍產生磁場,由於每個線圈都被固定磁場的同性磁極推開並受到異性磁極的吸引,使線圈組件旋轉。為保持旋轉狀態,必須使電流不斷的反向,讓線圈的極性連續翻轉,使線圈不斷「追逐」異性的固定磁極。藉由使固定的導電刷與旋轉的換向器(commutator)接觸,供電給線圈,而換向器的旋轉造成了通過線圈的反向電流。換向器及電刷是區別有刷直流馬達與其他種類馬達的關鍵元件。圖1顯示有刷馬達的一般原理。

圖1:有刷直流馬達的運作。

圖1:有刷直流馬達的運作。

固定的電刷供應電能至旋轉的換向器。換向器轉動時,持續翻轉進入線圈的電流方向,顛倒線圈的極性使線圈保持向右旋轉。換向器旋轉是因為其連接在裝有線圈的轉子上。

常見馬達類型

馬達類型以電源類型(交流或直流)及其產生旋轉的方法(圖2)而有所不同。以下將簡要說明各類馬達的特性及用途。

圖2:各種馬達類型

圖2:各種馬達類型

有刷直流馬達設計簡單且容易控制,廣泛用於打開與閉合光碟托盤。在汽車中,經常用以降下、升起及定位電動車窗。這些馬達成本低,故適合許多應用。但缺點是電刷及換向器因為持續接觸而容易較快磨耗,需要頻繁更換及定期維護。

步進馬達由脈衝驅動,隨著每一個脈衝旋轉至特定的角度(步進)。由於以接收到的脈衝數量準確地控制旋轉,這些馬達廣泛用於位置調整。舉例來說,其經常用於傳真機和印表機的進紙控制,因為這些裝置按照固定的段數進紙,能輕鬆地關聯至脈衝計數。而由於馬達會在脈衝訊號中斷後立即停止旋轉,故亦能輕鬆進行暫停控制。

由於同步馬達的旋轉頻率與供應的電流頻率相同。這類馬達經常用於驅動微波爐內的轉盤,利用馬達單元中的減速機取得適當的轉速來加熱食物。然而感應馬達的轉速亦會隨頻率而改變,但並非同步移動。這種馬達過去經常用於電風扇和洗衣機內。

還有許多常用的馬達類型。本節將說明無刷直流馬達的優點及應用。

BLDC馬達是如何驅動的?

顧名思義,無刷直流馬達不使用電刷。若為有刷馬達,電刷透過換向器將電流送入轉子上的線圈內。那麼無刷馬達如何將電流傳遞至轉子線圈?不需要,因為線圈不在轉子上。相反的,轉子是一個永久磁鐵,線圈不會旋轉,而是固定在定子上。因為線圈固定不動,故不需要電刷及換向器。(參見圖3。)

有刷馬達是藉由控制轉子上線圈產生的磁場進行旋轉,但靜止磁鐵產生的磁場是固定不變。如欲改變轉速,需改變線圈的電壓。若為BLDC馬達,是永久磁鐵在旋轉,藉由改變周圍固定線圈產生的磁場方向,使其旋轉。如欲控制旋轉,需調整進入線圈的電流大小及方向。

圖3:BLDC馬達。

圖3:BLDC馬達。

由於轉子為永久磁鐵,其轉動方式是經由外部線圈所產生的磁場,故不需要電刷及換相器。

BLDC馬達的優點

在定子上有三個線圈的BLDC馬達,會有六條從這些線圈延伸出的電線(每個線圈兩條)。大部分的使用方式為將其中三條導線在內部連接,而另外三條導線則從馬達本體拉出(不像前述有兩條導線從有刷馬達拉出)。在BLDC馬達殼體內接線比單純連接電池的正極和負極要複雜,將於本系列第二節中詳細說明此等馬達的工作原理。以下將說明BLDC馬達的優點並進行總結。

效率是其中的一大優勢,因為這些馬達可持續控制在最大旋轉力(扭力)上。相反的,有刷馬達旋轉時只有在特定位置才能達到最大扭力。有刷馬達若要能提供與無刷馬達相同的扭力,必須使用更大的磁鐵,這就是即使小型BLDC馬達仍能提供大功率的原因。

與第一項有關的第二項優勢在於可控性。利用反饋機制,可控制BLDC馬達精準地提供所需要的扭力及轉速。另一方面,精準控制可降低能耗及溫升,若馬達由電池供電,則可延長電池壽命。

而且因為沒有電刷,BLDC馬達還具備高耐用性且產生的電氣雜訊(electric noise)極低。若為有刷馬達,電刷及換向器會因為持續移動接觸而磨耗,並在接觸時產生火花。其中,電氣雜訊就是電刷通過換向器間隙時容易發生之強烈火花的結果。這也是在必須避免電氣雜訊的應用中,經常優先選用BLDC馬達的原因。

BLDC馬達理想的應用場合

我們已經知道BLDC馬達能提供高效率、可控性,而且具有較長的使用壽命。那有什麼應用較為合適呢?因為高效率且長壽,使其廣泛用於連續運轉的裝置中。像是洗衣機、空調及其他消費性電子產品,因其高效率有助於大幅降低功耗,近年來也用在風扇上,吸塵器的驅動也是用BLDC馬達來達成。只需要變更控制的方法,即可大幅提高馬達的轉速,這是BLDC馬達絕佳可控性的一個實例。

BLDC馬達也用於硬碟的驅動,在此情況下,其耐用性使硬碟機能長時間可靠運作,同時其能源轉換效率亦有助於在降低,在能耗變得日益重要的領域中達成此目標。

未來的應用更寬廣

我們預期未來將可看到更多BLDC馬達的應用。例如:可能將廣泛地用於驅動服務型機器人,即在製造領域之外提供服務的機器人。有些人可能認為步進馬達較適合此等應用,因為能利用脈衝精準地控制位置。但BLDC更適合用以控制力道。使用步進馬達,若要使機械手臂固定在定點位置上,通常需要較大且連續的電流來維持。

若使用BLDC馬達,所需要的不過是與外力成比例的電流,進而進行更高能源轉換效率的控制。BLDC馬達亦可取代高爾夫球車及代步車內的有刷直流馬達。除更高的效率外,BLDC馬達亦能實現更精準的控制,因而進一步延長電池壽命。

BLDC馬達也非常適合無人機的應用。精準控制的能力使其特別適合多旋翼無人機,因為必須藉由精準控制每個旋翼的轉速,才能控制無人機的姿態。

本節中,我們詳細說明BLDC馬達為何能帶來絕佳的效率、可控性及長使用壽命。但仍須要謹慎及適當的控制,才能充分發揮這種馬達的潛力。下一節中,我們將說明這種馬達的工作原理。

了解高效馬達的原理及正確的使用方法

  1. 什麼是無刷直流馬達
  2. BLDC馬達的控制
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