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商品簡介

作者簡介

目次

書摘/試閱

舉凡我們生活中所用的家電用品,如果要求品質,都是指明要求日本產品,以耐用度、損耗率、精細度、品質等,都是最好的選擇。在家電用品中,凡是有「動作」的機器,其中都有馬達的存在,即使是再小的筆記型電腦、相機、手機等,裡面都裝有許多顆馬達,而一台汽車裡面的馬達數量更是高達三百多顆馬達。最熱門的無人機、機器人等AI的未來,就在馬達!

日本SERVO株式會社(日本サーボ株式会社)
1949年4月設立。原總公司設立於日本東京都千代田區,隸屬於日立製作所系統,是東京證券交易所市場東証2部股票上市公司。2007年日本電産實施股票公開買賣(TOB)取得,現更名為日本電産サーボ株式会社(NIDEC SERVO CORPORATION)。是日本最早從事伺服馬達的開發、製造等,以高技術開發力聞名,同時也製造高性能無刷直流馬達、有刷馬達、步進馬達、同步馬達等,月產微型精密馬達3百萬台,2018年營業額230億日幣,全球無刷直流馬達市占率第一。
  
審訂者簡介
葉隆吉
大同大學機械工程學系教授,大同大學機械工程研究所博士。專長:機電整合(Mechatronics)、切削加工(Cutting Process Analysis)、自動化機構設計與分析(Automation Mechanism Design)。

譯者簡介
游振桁
1968年出生於台灣省宜蘭縣羅東鎮。1989年畢業於國立台北工專。曾旅居日本。有多年在日本企業或台灣企業從事機械、機構等相關日文領域的工作的豐富的實務經驗及知識。
上,結果獲得了許多改善案例。

在我們生活中,身邊有許許多多的機械裝置,這些機械裝置幾乎都要靠馬達在內部運作才得以順利連轉。事實上,時時環繞著人類生活的電氣製品,馬達擔負著極其重要的任務。幾乎可以斷言,一旦少了馬達,人類將無法過著高科技的便利生活。
由於馬達隱藏在各種機械裝置中,因此,我們很難感覺到馬達的存在,甚至連馬達的真實樣貌都不一定清楚。就因為馬達在機械裝置中的地位猶如人體的心臟一般,所以極少有裸露在機械裝置外的配備方式。因此,即使有人知道馬達的功能或運轉的基本原理,我相信對於馬達的構造或詳細的運作結構相當了解的人肯定非常之少。
馬達使人類得以享受先進便利的生活,目前依功能、用途不同,專家已經開發出各式各樣馬達。其中有追求高效率或為求穩定運轉的,以及能在有限空間裡發揮極大效能的超極小型化馬達,甚至還有將原始構造或原理加以改變而能多方面應用的馬達,當然現在專家們早已將馬達的研究朝向生活實用化的方向發展。
我們相信,在人類不斷朝最尖端的科技進步的同時,馬達也將會有更進一步的發展。
為了讓更多人了解這個重要的機械構造,著作此書時,我們以一般讀者為閱讀對象,並儘量以簡單易懂的說明方式,介紹馬達的由來、馬達的種類與基本的構造、運作原理以及未來的發展趨勢等。期望有心開始學習馬達的讀者,能透過本書在短時間內快速認識馬達的完整面貌。若是真能使得更多人對馬達產生興趣,那真是再好也不過了。
日本 Servo 株式會社

第1章 馬達驅動的基本原理
1 日常生活中不可或缺的馬達
2 馬達利用磁力產生機械能
3 產生磁力的永久磁鐵和電磁鐵
4 三種永久磁鐵的特性
5 磁場方向和電流方向的關係
6 電子、電力、電流的不同
7 馬達的旋轉結構
8 連續旋轉,整流子和電刷的運作
9 電流的電磁作用和電磁感應定律的發現
10 表示電流、磁場、電磁力方向的弗來明定則
11 馬達和發電機具有相同的結構
12 電線的繞線方式會影響馬達的性能
專 欄 馬達內部不可或缺的電線

第2章  馬達的基本構造和控制方法
1 馬達的基本構造
2 馬達的基本構造
3 變壓器和整流器的功能
4 提高電力,可增加電磁鐵強度
5 表示馬達性能的「額定」
6 表示馬達驅動力的轉矩
7 起動轉矩、負載轉矩和轉矩的測量方法
8 馬達轉速的簡單控制方式
9 結合比例、積分、微分的 PID 控制
10 改變轉速、轉矩、旋轉方向的齒輪
11 馬達的輸出=輸入 損失
12 直流(DC)馬達和交流(DC)馬達
13 各種不同輸出方式的馬達
專 欄  「モータ」和「モーター 」兩個寫法皆正確

第3章  直流馬達的種類和特性
1 使用永久磁鐵的直流馬達種類
2 有槽式直流馬達的特性
3 有槽式直流馬達的結構
4 無轉矩不均勻的無槽式直流馬達
5 無鐵心式無心直流馬達
6 杯型、平面型無心馬達的結構和用途
7 定子使用電磁鐵的繞組磁場直流馬達
8 轉子和定子線圈串聯的串激式馬達
9 轉子和定子線圈並聯的並激式馬達
10 兼具串激式和並激式馬達兩者特性的複激式馬達
11 無電刷和整流子的無刷直流馬達
12 轉子配置永久磁鐵的無刷直流馬達
13 磁場感應器是無刷直流馬達的重要元件
14 無刷直流馬達的種類
15 轉動既定角度即停止的步進馬達
16 步進馬達的旋轉結構
17 轉子和定子為齒輪狀的 VR 型步進馬達
18 轉子使用永久磁鐵的 PM 型步進馬達
19 結合 VR 型和 PM 型的 HB 型步進馬達
專 欄  馬達的壽命和維修

第4章  交流馬達的種類和特性
1 交流電源旋轉的交流馬達
2 可任意使用的感應馬達
3 利用阿拉哥圓盤的感應馬達
4 感應馬達的種類──鼠籠型和線圈型
5 變頻器裝置,控制「滑動」
6 同步速度旋轉的同步馬達
7 轉子是永久磁鐵的 PM 型馬達
8 轉子是強磁性體的磁阻型馬達
9 轉子是磁滯材料的磁滯型馬達
10 轉子和定子線圈串聯的通用馬達
11 利用相位差旋轉的蔽極線圈型馬達
專 欄  變頻器和逆變器

第5章  其他特殊馬達的種類和特性
1 搭載控制機構的伺服馬達
2 轉子和定子具有凸極的開關式磁阻馬達
3 無電磁作用的超音波馬達
4 超音波馬達的驅動結構
5 轉換成直線運動的線性馬達
6 線性馬達的種類
7 線性馬達車:高速行駛的祕密
8 防止爆炸而進行研究的防爆馬達
9 利用靜電相吸相斥力的靜電馬達
專 欄  如何選擇馬達

第6章  生活中常見的馬達和馬達產業的未來
1 促使洗衣機進化的馬達
2 汽車是馬達的集合體
3 要求大轉矩的電車馬達
4 個人電腦中的精密微型馬達
5 手機也有馬達在運轉
6 馬達生產據點的轉移
7 亞洲是世界的馬達工廠
8 日本的馬達製造商代表
9 生產許多特殊馬達、世界第一的公司
10 微型化.輕量化發展
11 經濟.環保的馬達技術
專 欄  驅動馬達的電池

索引

6表示馬達驅動力的轉矩
在馬達的世界中,轉矩一詞會經常的被使用到。轉矩即是旋轉的力量(也稱旋轉力或驅動力)。弗來明左手定則(請參照 28
頁)的「電磁力」即相當於轉矩。
以力的大小(符號 F,單位牛頓 N),以及旋轉軸的中心到作用點間的垂直距離(符號 r,單位公尺 m)的乘積來表示轉矩(符號 T,單位牛頓米 N.m)。例如,從距離馬達轉軸 1 m 的作用點處,施以10 N的垂直力(垂直於半徑),轉矩即為10 N.m。從距離旋轉軸 2m的作用點處,施以 5N的力,轉矩也為 10N.m。也就是說作用力愈大,若從轉軸的中心到作用點間的距離也愈大,轉矩也愈大。
◎轉矩和旋轉數的平衡很重要
轉矩和馬達的轉速有很密切的關係,我們可以求得,轉速上升的同時轉矩也變大,以及當轉速超過一定的數值時,轉矩會變小,畫出拋物線的曲線。此關係表示「轉速與轉矩特性」,是決定馬達性能的重要條件。
當馬達在一定的電壓或頻率下,所得到最大的轉矩稱為「最大轉矩」或「制動轉矩」。一般而言,轉矩愈大的馬達轉速愈慢,轉矩愈小的馬達轉速愈快。因此,馬達也可以依轉速大致區分為高轉速(低轉矩)和高轉矩(低轉速)兩種。
但是,同步(Synchronous)馬達(請參照 114 頁)的轉速是依據電源頻率而決定的,這種馬達轉矩的大小和轉速之間並沒有關係。

作用點:使物體的運動狀態發生變化的參考點。

7起動轉矩、負載轉矩和轉矩的測量方法
馬達運轉時,理論上,先以「起動轉矩(馬達開始運轉的轉矩)」使馬達開始旋轉。
然而,因為大部份的馬達輸出軸,都有慣性負載(旋轉體為了維持原來運轉狀態的力量大小,以慣性力矩MOI表示或摩擦負載(馬達驅動機械時自身的摩擦力,又稱為反抗轉矩)所形成的「負載轉矩」。因此,起動轉矩需克服負載轉矩,馬達才會開始旋轉。
負載轉矩的廣義定義為「馬達為了驅動所負載的機械,而必須具備的轉矩」。
輸出軸的負載若比起動轉矩大,此時馬達無法起動。例如,只能舉起 10kg重物的馬達,若強迫其舉起 20kg重物時,將無法順利舉起。因此,要使用馬達去驅動慣性負載非常大的電車時,起動轉矩必須要更大(必須比起動時的轉矩更大)。因此,無論如何都必須使用大輸出的大型馬達。
◎馬達的轉矩可以簡單的測定出來
測定轉矩,必須準備馬達和電源、滑輪(Pulley)、拉力計以及繩子等。
測定方法為:在馬達的轉軸裝上滑輪,滑輪的外圍繞上繩子,繩子的一端勾在拉力計上,使馬達運轉,然後測定拉力計上所受的力,滑輪的半徑(馬達轉軸中心到作用點的距離)和拉力計上所受力的乘積,即是轉矩。此時拉力計擔任負載轉矩的角色,以被拉伸的程度為準,是一個可以簡單測定馬達旋轉力,也就是測定轉矩的結構。

8馬達轉速的簡單控制方式
為了能夠適當利用馬達所輸出的機械力(旋轉力),我們要調整馬達到所希望的轉速,而維持此轉速的「控制」是必要的。
馬達無法跟引擎一樣,慢慢地提高轉速。因為,基本上電源的電壓和電流都是固定的,所以打開電源開關時,馬達立刻就會開始全速旋轉。
因此,專家們思考出一些控制的方式。因為直流馬達具有隨電壓改變,旋轉力也跟著改變的特性,所以便可藉由調節電壓來控制馬達轉速。具體而言,即是在電源和馬達之間,加入某些能使馬達保持在 ON 狀態的電阻,並逐漸降低電壓,使馬達的轉速降低的方式。
還有,改變電刷的方向,也可以使某些線圈產生和旋轉方向相反的旋轉力,以降低轉速。另外還有電源 ON.OFF 瞬間快速反覆開關的脈波寬度調變(PWM=Pulse Width Modulation)等方式。
◎交流馬達是利用變頻器或變換極數來控制轉速
交流馬達可利用變換電流的頻率、或變換極數來控制轉速。因為一般使用變頻器來變化頻率,除了可在起動或停止時慢慢調節轉速外,也有可以瞬間進行逆轉的優點。另外,還可以用PLC(Programmable Logic Controller 可程式邏輯自動控制器)電子控制裝置,依內部事先設定的程式來切換頻率。
另一方面,極數的變換適合在馬達的變速比為 1 比 2、2 比3 等階段式控制的狀況下使用。利用機械式的開關來變換極數,當極數增加時轉速會下降。因為同步馬達的轉速是根據電流頻率來決定的,所以通常都會保持在固定轉速。

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