2023-12-27 馬達小教室：四象限 ( I, II )
- There are some articles about motors by Motor technology inheritance plan. This is the four-quadrant article of motor.
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馬達小教室：四象限 ( I )
- 本文是用來解說馬達四象限一事。
- 基本上，馬達業界很少在使用四象限一詞。主要由於四象限這概念比較用於數學系統中，也就是直角座標(迪卡耳座標)的延伸，將X水平軸與Y垂直軸劃分出的四個區塊各別定義，因此產生的第一到四的象限，這四個象限會分別對應到X與Y的正負值。
- 第一象限：X為+，Y為+
- 第二象限：X為-，Y為+
- 第三象限：X為-，Y為-
- 第四象限：X為+，Y為-
四象限
- 若有一物品，具有兩個物理參數，且可有正負值變化，就可代入迪卡耳座標，去定義出四象限；而馬達剛好符合這種情況，因此有某個天才把馬達拉到迪卡耳座標中表示，才在馬達領域中，產生四象限一詞；這表示法至少我聯想不到，肯定是天才。
- 但為什麼沒人使用這種說明方式來解釋馬達? 主要就是有更簡單的說法，才導致四象限的解釋法，無人採用。當筆者第一次聽到時，覺得很新奇，但理解完後，其實也就沒有在跟別人解釋過了，以下就分別以四象限的描述與口語的說法，來讓大家比對一下，體會一下為什麼鮮少人使用。
- 迪卡耳座標中的X軸，即是馬達中的轉速(N)；Y軸就是馬達轉矩(T)。因此用四象限的座標描述，呈現結果如下：
- 第一象限：馬達轉速為正值(N+)，馬達輸出力量為正值(T+)
- 第二象限：馬達轉速為負值(N-)，馬達輸出力量為正值(T+)
- 第三象限：馬達轉速為負值(N-)，馬達輸出力量為負值(T-)
- 第四象限：馬達轉速為正值(N+)，馬達輸出力量為負值(T-)
- 對一個數學家來說，數值可正可負，非常合理；但轉速為負值，輸出力量為負值，對一般人來說，已經有種玄學的感受了，難以直觀的理解。
- 轉換成馬達業內的說法，呈現結果入下：
- 第一象限：馬達順時鐘旋轉 (N+) (T+)
- 第二象限：馬達逆時鐘旋轉 (N-) (T+)
- 第三象限：發電機逆時鐘旋轉 (N-) (T-)
- 第四象限：發電機順時鐘旋轉 (N+) (T-)
- 可以簡單的發現，原來轉速的正負值，其實只是順逆時鐘旋轉；轉矩的正負值，只是馬達或發電機的模式變化。因此一顆馬達，只能順時鐘轉，且不能發電，那就是只能在第一像限操作。當這顆馬達能順逆時鐘轉時，就會擁有第二象限的能力。若還能當發電機，就擁有了第三、四象限的運用。
- 由此可以，當我在介紹一顆馬達時，最容易讓人理解的說法，絕對不是告知對方這顆馬達能操作在那些象限。只會告知是否可反轉，是否會發電。
- 原則上，所有的馬達都具備四象限的可能性。就像在數學的世界中，第五維度也只是多一個座標系就可以達到。但在實際的產品上，基本上只能確保第一象限的功能一定有。在第二象限，也就是逆時鐘旋轉的功能，都很有可能會被封鎖限制，更不用說第三跟第四象線，作為發電機的模式使用，更是少見，甚至把發電機模式視為一種會造成破壞的非預期行為。冷氣機的室外機，因為裝在戶外，遇到颱風時，原本的馬達變成發電機，導致電控版燒壞，就是廠商對第三及第四象限的非預期結果。
- 實務面上，大部份的馬達應用中，其實只需要第一象限。如家中的電風扇、抽油煙機、吸塵器等等，您並不會希望它反轉。但由於馬達本身是具備這能力的，因此電動機車可以輕易的往後移動，並不是黑科技，僅僅是拿出來用而已；包括電能回充這種技術，都不算新發明，是馬達本質的功能。但要達到這些功能，還是有些配套措施要做，包括結構、安全措施、電控系統及電池等等，這些技術細節才是重點。
- 重點整理：
- 理論上，所有的馬達都具備四象限的可行性，也就是順逆轉及發電。
- 實際上，現實是殘酷的；它能，不代表我們做得到。
馬達小教室：四象限 ( II )
- 上期介紹了馬達的四象限定義，本期繼續介紹如何設計馬達，讓馬達僅能在固定象限運作。
- 雖然大部份的馬達都有能力做到四象限的操作；然在實務應用上，第一象限的單一轉向仍是主要工作目標，更多的是僅需要快慢的速度變化，而非轉向的改變，使用者併不期待馬達擁有第二象限的功能。
- 然而馬達為了讓力量傳遞平順，往往是個均勻對稱結構，在未做任何處理，僅僅是送電的情況下，馬達向左或是向右是隨機的。這就造成早期的動力系統，會需要以人力先推動後再啟動，才能依使用者想要的方向旋轉。
- 為了改善馬達隨機轉向的困擾，產生了三種傳統的馬達設計方案，來限制馬達的轉向。為什麼要說它傳統，因為自從有了電子控制技術後，就算不採用這些設計技巧，仍可控制馬達轉向，這些都變成了舊時代眼淚。
- 機械式：此人應是機械背景，略懂電磁學。善用物理結構的設計，在矽鋼片的形狀做改變，讓馬達原本均勻的磁場產生了強弱差，產生一組額外的磁阻力，使得送電時，極性有了強弱的差異，導制旋轉方向會由弱側往強側移動。此造型概念具有兩個好處，除了限制轉向的功能外，甚至是馬達停下來的位置狀態也變得可預期的，會停在磁組力最小處，啟動時可以不用判斷馬達位置而更為輕鬆。但有好就有壞，刪減的矽鋼片會造成磁場損失，馬達效率會略低於完整的圓型結構。此種設計目前仍用於電腦散熱風扇當中，主要是體積較小，工作電壓低，驅動電路也簡單的條件下，這是最輕鬆的馬達設計方案。
非均勻矽鋼片- 電磁式：從外觀上來看，也是在矽鋼片的均勻圓上做了一些變化，在某一側塞入了短路銅環，這代表設計者是電磁學的精通者，使用了冷次定律（Lenz's law）。在短路銅環處會誘發一抵抗磁場產生，導致圓型結構上的磁力有了強弱的差異，馬達啟動時會往強磁方向旋轉，達到限制轉向的效果。此種蔽極馬達(Shaded-pole motor)目前大量用於冰箱內，將冷空氣從冷凍室吹往冷藏室的風扇中。具有不需額外電控，結構單純，可工作的溫度範圍廣等優點，簡單的說，就是耐用好操價格低；最大的缺點就是效率差，最高效率也不到25%。雖然牌面上這效率低到令人髮指，但蔽極馬達基本上輸入功率大多低於20W以下，去優化所得到的節能效果仍然不彰，久而久之就變成了小隱形，沒人想要去討論它。
短路環- 電路式：這就是感應馬達的限制方式，很基本電學的概念。由於電流類似水流，漆包線就像是水管一樣，當水龍頭打開後，要依序流經1、2、3、4處，會有一段時間差。因此送電時，各組線圈因電流經過所產生的磁場，也會有時間差異，進而達到影響馬達轉向的效果。這是個很簡單的辦法，但因電的作用速度快(註1)，當時間落差不夠大，會無法產生順序效果；因此僅適用於圈數多，電感值大的馬達，方能延遲電流作用時間。而感應馬達剛好用於高電壓，且需要依靠電阻來限制電流，因此每組線圈的圈數都很多，導致電感值大，造成磁場產生的時間差最為明顯。能想出這辦法，很歐洲(註2)，是個在基礎學理中琢磨很深，並妥善運用的高手。
馬達線圈- 重點整理：
- 無論是開放或是限制，都必須有對應的措施，才能達到理想的目標。
- 馬達設計不一定要高深的學問，很多時候基礎才是最重要的。
- 本篇討論了限制象限，下一篇可討論開放象限。
- 註1：電有多快，在自動控制中，基本上落差2階的S Domain 以上。
- 註2：此歐洲並非指歐氣，而是歐洲人作學問的方式讓筆者驚為天人。劍橋大學博士班學生第一年被教授要求看的書，竟然是筆者五專時的課本…
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