什麽是馬達?電機的作用和種類、歷史和工作原理及構造

1.什麽是馬達?馬達的作用

馬達是一種利用電能產生機械能的裝置。它們被用於各種移動物品，從洗衣機、電風扇和空調等熟悉的家用電器到ATM（自動櫃員機）和自動檢票機等社會基礎設施相關物品。
從這個意義上說，可以說當今生活的所有人都受益於馬達的好處。除電動馬達外，產生機械動力的動力源還包括引擎和蒸汽機。
然而，馬達具有其他動力源所不具備的三個特點。

1.能量轉換效率高

例如，典型引擎的熱效率據說為 30% 至 40%。這意味著只有30%至40%的輸入能量被用作電力，其餘60%至70%作為熱量被浪費。
另一方面，馬達的能量轉換效率超過80%。這樣，與引擎相比，能量可以轉化為動力，而不會浪費。

2.結構簡單，易於控制

引擎由許多機械部件組成，每個部件都必須具有高精度。此外，許多感測器用於電子控制發動機，使得控制變得複雜。
與引擎相比，電機結構更簡單，可以直接用電力驅動，適合精確的電氣控制。

3.幹淨的

也不要忘記這一點。由於引擎燃燒汽油並將其轉化為動力，因此不可避免地會排放二氧化碳 (CO2)。另一方面，馬達本身不排放氣體。
隨著碳中和趨勢的加速，人們對馬達寄予厚望。

由於具有上述特點，目前馬達已經成為各種設備和設備的動力源和控制裝置。今後，其應用領域還將進一步增加。

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本節對步進馬達的機制和特性進行更詳細的說明。

2.電機歷史

電機是在社會技術創新的浪潮中發明和發展的。
最初，人類使用人力或畜力移動物體。無論在古代還是在今天，人類利用自己的力量移動物體一直是司空見慣的事。另外，據說馬車在西元前就已經發明了，眾所周知，日本的平安貴族也使用牛車。
然而，無論使用多少槓桿和滑輪，以人力或畜力，速度和力量都是有限的。

1700年代末到1800年代發生的工業革命使這種權力發生了重大變化。
動力遠遠超過人和動物的蒸汽機出現，以工廠為基礎的機器工業建立。社會結構從農業社會轉向工業社會。此外，蒸汽機車、蒸汽汽車、輪船的發展極大地改變了交通和物流的形式。然而，蒸汽機有體積大、重量重的缺點。

發明家和研究人員開始尋找蒸汽機的替代能源。馬達就是在這些變化中應運而生的。
1821年，英國科學家麥可·法拉第發現了電動機和發電機的原理。 1831年他發現了電磁感應定律。這將應用於電機。
繼法拉第之後，美國托馬斯·達文波特等人又研發出了DC馬達（直流馬達），但很難投入實際使用。

第一個實用馬達應該是尼古拉·特斯拉發明的雙層AC感應馬達 (交流感應馬達) 。特斯拉1888年為驅動自己發明的馬達開發出了多相感應發電機，並於1889年獲得了專利。由此，馬達將逐步投入實用。

此後，馬達不僅起到了動力源的作用，還起到了控制裝置的作用，並將繼續發展。目前，日本國內電力的50%被馬達消耗。馬達與人類生活息息相關，是文明的支柱。

3.山洋電氣電機的歷史

山洋電氣電機的歷史可以追溯到20世紀上半葉。

首先，我們在1932年開發了一種用於無線電通訊設備的發電機，其原理結構與電動機相同。 1952年，為軍用通訊電源製造的旋轉馬達轉為民用。山洋電氣已成為電信和電源領域的主要製造商。

1952年，我們接獲電機試驗研究所（現在的產業技術綜合研究所）開發伺服馬達的委託，開始研究。很快我們就完成了第一台國產伺服馬達。最初，需求沒有想像中那麼多，產品也沒有問世，但這成為了今天以伺服馬達為支柱的山洋電氣的基礎。

伺服馬達完成後，又完成了日本國內首臺步進馬達和日本國內首臺風扇。在開發上述“國產首款”產品的同時，乘著OA (辦公自動化) 和FA (工廠自動化) 的潮流，在全球範圍內推出各種馬達。

4.馬達的基本原理、構造和工作原理

基本上，馬達利用磁鐵的特性來旋轉：「不同的磁極相互吸引」和「同性的磁極相互排斥」。
例如，想像一下用於無線電控制的小型馬達。小型馬達具有一個帶有旋轉軸的線圈和位於線圈兩側的永久磁鐵，永久磁鐵具有北極和南極。

當馬達通電時，線圈變成電磁體。如果你把線圈想像成一塊有北極和南極的磁鐵，可能會比較容易理解。

然後，北極永久磁鐵與線圈的北極相斥，南極永久磁鐵與線圈的南極相斥。這也意味著N極永磁體和線圈的S極相互吸引，S極永磁體和線圈的N極相互吸引。
這導致線圈繞旋轉軸旋轉 180 度。

但是，僅憑這一點，線圈就會在180度旋轉的狀態下停止。這是因為N極的永磁鐵和線圈的S極相互吸引，S極的永磁鐵和線圈的N極相互吸引。再轉180度，怎麽把旋轉軸轉360度呢?

因此，透過改變流經線圈的電流方向，可以交換N極和S極的位置。
在先前停止的狀態下，N極永久磁鐵和線圈的S極相互吸引，且S極永磁體和線圈的N極相互吸引。在那裡，電流通過電刷並使用稱為換向器的組件來改變流動方向，交換線圈的北極和南極。
然後，永久磁鐵的N極和線圈的N極相互排斥，並且永久磁鐵的S極和線圈的S極相互排斥。同時，永久磁鐵的N極與線圈的S極相互吸引，永久磁鐵的S極與線圈的N極相互吸引。這會導致線圈額外旋轉 180 度。現在它已經旋轉了 360 度。

透過重複這一系列的動作，馬達不斷地旋轉。
從這裡開始，我們將介紹「作為動力源的馬達」和「作為控制裝置的馬達」。

5.作為動力源的馬達的種類

作為設備和設備動力源的馬達，根據供應電源主要分為“DC馬達”和“AC馬達”2種。

什麽是直流電機?

「直流馬達」是透過直流電運轉的馬達。
它們用於各種各樣的事物，從日常用具到工廠使用的設備。
直流馬達有兩種類型：有刷直流馬達和無刷直流馬達。電刷是向線圈傳輸電力的部件。

帶電刷的DC馬達內側為線圈，外側為永久磁鐵，通過電刷通入直流電，使轉子 (旋轉軸) 旋轉。這就是最初介紹的採用簡單結構制成的馬達，可用於遙控和模型等。

此馬達的特點是轉速基本上與電壓成比例增加。
例如，當有刷直流馬達由電池供電時，連接兩節電池時比使用一顆電池時旋轉得更快。然而，改變流經線圈的電流方向的換向器和碳刷不斷地相互接觸，因此如果長時間運行，它們就會磨損，因此需要定期維護。

另一方面，無刷直流馬達（BLDC馬達）內部具有永久磁鐵，外部具有線圈，是透過電流控制電路使線圈通電來旋轉內部永久磁鐵的馬達。
沒有電刷不僅減少了維護頻率，而且電刷不會留下任何磨損殘留物，因此可以在清潔的環境中使用。然而，它需要馬達外部的電路來控制電流的方向，並且比有刷直流馬達更昂貴。

什麽是交流馬達?

「交流馬達」是透過流動交流電運轉的馬達。外面有一個線圈，裡面有一個「籠形」轉子。
交流馬達的特徵是不需要換向器、電刷或控制電路。由於其結構簡單且製造成本低廉，因此被廣泛應用於各種應用，包括電風扇和吸塵器等家用電器、水泵和輸送機以及工業設備。

6.作為控制裝置的馬達的主要種類

用於精細控制設備和設備動作的馬達中，“步進馬達”和“伺服馬達”就是典型的例子。

步進電動機

步進電機是轉子旋轉一定角度 (位置) 的電機。

請想象一下模擬手表。秒針每秒移動一次。步進電機可以像這樣控制固定角度的運動。除模擬時鐘外，還用於印表機、空調的百葉窗、ATM、售票機、自動檢票機的門係統等。

以正確的角度旋轉轉子的結構很簡單。步進電機的轉子上有好幾條槽。然後給馬達通電，轉子只要按預期的溝槽移動就會斷電。這將使轉子以精確的角度旋轉並停止。

例如，兩相步進電機一般有200條槽。一周旋轉360度分成200份，所以1條溝的運動角度是1.8度。假如想讓馬達旋轉18度，就需要給馬達通電，等10個溝槽的轉子動起來後，就會斷電。

要控制步進電機，必須有控制器。控制器的作用是向步進電機發送指示其移動程度的信號。首先，作為前提，把從通電到斷電的整個過程算作一個脈衝。然後，控制器向步進電機發送1個脈衝信號 (脈衝信號) 後，轉子旋轉1個槽後停止。

像剛才的例子一樣，假設將帶有200條溝槽的二相步進馬達旋轉18度。在這種情況下，控制器將發送10脈衝信號。然後，接收到信號的步進馬達在相當於10條溝槽的18度旋轉後停止。

因此，控制步進電機需要控制器。

伺服馬達

伺服馬達與步進馬達相同，是以旋轉轉子達到所需角度為目的的馬達。不過，伺服電機和步進電機有明顯的區別。

伺服電機的轉子沒有槽。因此，不存在轉子以1.8度為單位旋轉的限制，因此，如果使用解析度高的感測器，就能以100萬:1的精密角度停止轉子。

感測器是控制它所必需的。對於伺服馬達，該感測器可準確掌握轉子的旋轉位置，因此可按預期角度使其停止。另外，停止後也繼續監視，如果停止角度偏離，則立即自動修正。

3.最後

以上，我們介紹了馬達的作用和類型、歷史、工作原理和結構。
了解馬達的特性將有助於您選擇最合適的馬達並提高設備性能。
山洋電氣經營各種電機。如果您對馬達選型有任何疑問，請與我們聯絡。

發布日期：2022-08-05 00:00