直流馬達是什麼？3大點教你原理、結構、轉速與控制

你對直流馬達熟悉嗎？

直流馬達是怎麼運作的？直流馬達有哪些特性？

我們從直流馬達的基礎出發，

在對直流馬達的原理和結構有了基本了解後，

我們接著介紹如何對直流馬達進行控制，

利用DC-DC變換器調節供給馬達的電壓，

並在需要改變直流馬達的旋轉方向時使用H橋電路，

再藉由調整開關的PWM佔空比來控制轉速和轉矩。

本篇為《電力電子學圖鑑》的學習整理，

如果有興趣的朋友可以去看看，並從中瞭解到更多生活中電力電子學的應用。

一、直流馬達的原理與結構

直流馬達，顧名思義，是使用直流電的馬達。

說到直流馬達的原理，首先會提到機械換向：

在直流馬達中，電刷和換向器一起改變轉子線圈中電流的方向，此即機械換向，

以保持轉子在定子（圖中的永磁體）磁場中的持續旋轉。

與無刷直流馬達的電子換向不同，直流馬達的機械換向仰賴物理接觸，

所以在運作過程中會產生摩擦，進而磨損，但同時也因為是機械換向，

讓馬達結構相對簡單且易於控制。

瞭解了機械換向後，我們知道它是用來確保轉子持續旋轉，

那麼直流馬達中是如何開始轉動呢？

當直流馬達接通電源後，轉子線圈內通過電流，

而根據弗萊明左手定則（圖中的紅色箭頭），

轉子線圈在定子產生的磁場中受到一個垂直於線圈平面的力，

這個力產生轉矩，從而驅動馬達的轉子開始轉動。

在這個過程中，電刷和整流子的作用就是確保轉子線圈中的電流方向適時改變，

以維持轉矩的方向，從而使馬達能夠持續旋轉。

原理可見以下這部生動的影片來加強印象：

（影片有提到洛倫茲定律，即描述一個帶電粒子在磁場中運動所受到的力，

而弗萊明左手定則是洛倫茲定律在直流馬達的應用）

關於直流馬達的結構：

定子：定子是馬達的靜止部分，它可以由永久磁鐵（永磁體）製成，也可以是電磁鐵。在電磁鐵的配置中，通過定子繞組流過直流電來產生一個恆定（靜態）的磁場，讓轉子在其中旋轉。
轉子：轉子是馬達的旋轉部分，包含線圈，這些線圈在電刷和整流子的作用下通電。通電以後，在定子產生的磁場中產生電磁力，這股力推動轉子旋轉。
電刷和整流子：直流馬達的關鍵部分，負責實現機械換向。電刷是導電材料製成的，與轉子上的整流子接觸，而整流子隨轉子旋轉，通過物理接觸改變線圈中電流的方向，從而使轉子持續旋轉。

直流馬達因其設計簡單和成本效益而被廣泛應用於各種設備中，

從家用電器到工業設備。

然而，電刷和換向器之間的磨損是直流馬達一個主要的缺點，

這也是無刷直流馬達被開發出來的原因之一。

二、直流馬達的轉速

直流馬達的轉速可以用相對簡單的公式計算，

主要取決於供給的電壓和馬達的物理特性。

轉速 (N) 的基本公式是 $$ N = \frac{V – I \cdot R}{K \cdot \Phi} $$，其中 V是供給電壓，I是馬達中的電流，R是馬達內部電阻（線圈電阻），K是馬達常數，Φ 是磁通量。

這顯示直流馬達的轉速與供給的電壓和磁場強度有關。

直流馬達的轉速主要通過改變供給電壓來調節。

提高電壓會增加轉速，而降低電壓則會減慢轉速。

這是因為電壓直接影響到馬達轉子中產生的電磁力，從而改變轉速。

以最普遍的永久磁石直流馬達為例：

永久磁石直流馬達用電路來表示的話，可以此電壓方程式表示：

$$V=E+IR$$

而我們知道有兩個基本公式，分別描述了轉矩T與電流I以及馬達旋轉產生的電壓E與轉速N的關係：

$$T=K_TI$$

$$E=K\Phi N$$

其中，K_T為轉矩常數，

將兩式代入上述的電壓方程式，可以歸納出直流馬達的特性如下：

1. 直流馬達可以通過調節輸入電壓V、電流I，來實現對轉速N與轉矩T的控制

2. 直流馬達的轉矩T與流經它的電流I成正比關係，所以轉矩T可以被直接調節，如上圖左

3. 透過轉矩T的控制，我們可以靈活地對馬達進行加速或減速，如上圖中

4. 通過調節輸入電壓V，可以間接控制轉速N。由關係式 V = E + IR = KΦN 可見，當輸入電壓V增加或減少時，馬達旋轉產生的電壓 E = KΦN 也會跟著增加或減少，從而導致轉速N的相應變化，如上圖右

這些特性體現了直流馬達在多樣化應用中的靈活性和可控性，

同時，我們也知道了可以怎麼控制直流馬達。

三、直流馬達的控制

控制直流馬達的關鍵在於精確調節其電壓與電流。

藉由DC-DC變換器，我們就能有效地對直流馬達進行控制。

尤其是直流馬達的旋轉方向取決於電流的流動方向，

因此當我們反轉直流電的流動方向（正向或反向），

馬達的旋轉方向也會跟著改變。

在控制直流馬達旋轉方向時，

一個常見的基本方法是使用H橋電路，也就是全橋式逆變器。

H橋電路，或稱全橋式逆變器，通過其四個開關的協同動作來控制馬達電流的方向。

當一對開關（例如S1與S4）導通，另一對（如S2與S3）斷開時，馬達電流就會按指定方向流動。

具體來說，當S1和S4導通而S2和S3斷開時，馬達電流向一側流動；

當S2和S3導通而S1和S4斷開時，電流則流向相反方向。

因此，要改變馬達的旋轉方向，只需同時導通或斷開這兩組開關（S1與S4一組，S2與S3另一組）即可。

通過精確控制H橋電路中開關的狀態，我們不僅能改變直流馬達的旋轉方向，

還能進一步調節馬達的轉速和轉矩。

這是通過調整開關的開啟和關閉時間比例（佔空比）來實現的。

以下是具體的調節方式：

還記得我們在第二點提到：直流馬達可以通過調節輸入電壓V、電流I，來實現對轉速N與轉矩T的控制，

而這句話可以分為兩個層面來討論：

1. 調節轉速

轉速的調節主要通過改變流經馬達的平均電壓來實現。

當H橋中的開關以一定的頻率快速切換時，

馬達接收到的是脈衝寬度調製（PWM）訊號。

這種訊號的平均電壓取決於PWM訊號的佔空比，即開關導通時間與總週期時間的比例。

增加轉速：提高PWM訊號的佔空比（也就是延長導通時間），會增加馬達線圈接收到的平均電壓，從而增加轉速。
減少轉速：降低PWM訊號的佔空比（也就是縮短導通時間），會降低馬達線圈接收到的平均電壓，從而降低轉速。

2. 調節轉矩

轉矩的調節與馬達接收到的電流大小直接相關。

由於轉矩與流經馬達的電流成正比，因此通過控制馬達線圈的平均電流也可以調節轉矩。

增加轉矩：提高流經馬達的平均電流，可以通過增加PWM訊號的佔空比或提高供電電壓來實現。
減少轉矩：降低流經馬達的平均電流，可以通過降低PWM訊號的佔空比或降低供電電壓來實現。

通過這種方式，我們可以根據需要實現對直流馬達性能的全面控制，滿足不同的應用需求。

四、重點整理