第 18 章 交流換向電動機 學習重點 18-1 單相串激式交流電動機 1.了解單相串激式交流電動機。 2.了解單相推斥式交流電動機。

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1 第 18 章 交流換向電動機 學習重點 18-1 單相串激式交流電動機 1.了解單相串激式交流電動機。 2.了解單相推斥式交流電動機。
第 18 章　交流換向電動機 學習重點 18-1 單相串激式交流電動機 1.了解單相串激式交流電動機。 2.了解單相推斥式交流電動機。 18-2 單相推斥式交流電動機 本章彙總

2 18-1 單相串激式交流電動機 構造 單相串激式交流電動機如圖所示，係將其轉子的電樞繞組與定子的磁場繞組串聯，再接於單相交流電源而成，因廣泛用於家電及工具機，故又稱為普用式電動機。 節目次

3 旋轉原理 當串激式直流電動機接上正負半週交變的交流電源時，因其串激場繞組與電樞繞組串聯，故流過相同電流，致使主磁場（串激場）磁通 s 與電樞電流 Ia 的方向同時改變，依據佛來銘左手定則可知，其所產生的轉矩（T＝KIa＝K'Ia2）方向維持不變，故正負半週可維持同向運轉。 單相交流電源不適用於分激式電動機，乃因分激場繞組與電樞繞組並聯，而分激場繞組的匝數多、電感大，故場電流 If 與電樞電流 Ia 間有很大的相角差；且其線徑細、電阻大，故場電流小，場磁通 f 亦很小，會使產生的轉矩 T＝KfIacos 下降到無法接受的程度。

4 18-1.3 分類 單相串激式交流電動機依有無補償繞組及接線方式，可分成下列三種。 1.單純串激式。
2.傳導補償式：適用於交直流兩用串激式電動機。 3.感應補償式：適用於單相串激式交流電動機。 圖例

5 相量圖 1.圖形 如圖所示為單相串激式交流電動機的電路圖與相量圖。

6 2.公式 代號 意義 單位 Vs 電源電壓 伏特（V） Em 電樞反電勢 Xs 串激場繞組感抗 歐姆（） Xa 電樞繞組感抗 Ia
電樞電流 安培（A） Rs 串激場繞組電阻 Ra 電樞繞組電阻

7 交流機與直流機構造的差異 交變的定子磁場會產生較多的渦流損及磁滯損，再加上電樞繞組與磁場繞組的自感，使運轉時的功率因數及效率都很低，且電樞反應會在換向器上產生較大火花，故使用交流電源的串激式電動機，相較與串激式直流電動機，其構造在設計時應有如下的改善。

8 2.提高功率因數 欲提高功率因數 cos（即相角減少），須採強電樞、弱磁場的設計，其方法如下：
1.減少鐵損 主磁極及場軛與電樞的鐵心均須採用矽鋼疊片。 2.提高功率因數 欲提高功率因數 cos（即相角減少），須採強電樞、弱磁場的設計，其方法如下： (1)減少串激場繞組每極匝數，增加磁極數：可降低其電抗壓降，又不至於減弱磁場強度，可維持轉矩不變。 (2)增加電樞繞組匝數：可增加其反電勢 Em，彌補弱磁場效應，維持輸出不變。但須在定子磁極面的槽內增設補償繞組 C，來抵消電樞反應，否則電樞繞組的電抗壓降會增加。 (3)降低電源頻率：可減少磁場繞組電抗 Xs 及電樞繞組電抗 Xa。 圖例

9 3.改善換向問題 串激式交流電動機的串激場繞組所產生的磁場為交變磁場，可使正在換向的電樞繞組產生感應電勢，同時該電樞線圈正被電刷所短路，導致換向的電樞線圈產生短路電流，且該短路電流會使電刷與換向片間形成嚴重的火花現象，故須用如下的改善方法：

10 (1)減少主磁極磁通：即減少串激場繞組每極的匝數，但為了使轉矩不致下降，故需增加主磁極極數。
(2)在電樞線圈與換向片間的連線使用高電阻引線：可限制電刷與換向片間的短路電流。 (3)裝設換向磁極：換向磁極繞組與電樞串聯所產生的反方向磁動勢，可使換向線圈切割後感應換向，可抵消正在換向的電樞線圈所感應的電抗電勢，致有效減低電刷與換向片間嚴重火花的產生。

11 特性 與串激式直流電動機相同，其轉矩約與電樞電流平方成正比。當負載增加時，速率會降低，但因具有高啟動轉矩及可變速率的特性，使電動機內部繞組的電抗壓降增加，反電勢減少，故功率因數會隨負載增加而降低。

12 18-1.7 轉速控制 1.串聯可調電阻器 單相串激式交流電動機的轉速，主要是利用改變電源電壓的大小來控制，實用的方法如下說明。
圖例 串激式電動機可利用串聯可調電阻器來降壓，當其電阻愈大，電動機的端電壓 Vab 愈小，轉速愈慢。例如縫紉機所用的串激式電動機，就是用碳堆構成的可調電阻器當作腳踏板，來控制電動機的啟動、停止與轉速控制，當腳踏板踩愈大力，碳堆間隙愈小，電阻值愈小，致轉速愈快。 即轉速 n↑ Vab↑，且 Vab↑＝Vt－IaR↓。

13 2.串聯可調抗流圈 圖例 串激式電動機可利用串聯可調抗流圈來降壓。當切換開關置於「L」位置時，電動機的端電壓 Vab 最小，轉速最慢；當切換開關切換到「H」位置時，電動機端電壓最大，轉速最快。 即 n  Vab，且 Vab＝　　。

14 3.使用閘流體 圖例 利用 TRIAC 或 S.C.R. 等閘流體作相位控制，藉由調整激發角改變串激式電動機所加入的交流電壓 Vab 有效值，改變電動機所獲得的功率，進而控制其轉速。 即 n  Po，且 Po＝　　，Vab＝　　。 4.使用降壓式自耦變壓器 圖例 利用調整降壓式自耦變壓器二次側電壓Vab 的大小，來控制電動機的轉速。 即 n  Vab，且 Vab＝　　。

15 轉向控制 欲改變單相串激式交流電動機的轉向，其方法與串激式直流電動機相同，僅須調整串激場繞組或電樞繞組其中之一的線頭兩端即可。 適用 1.大型串激式交流電動機：牽引驅動電氣化車輛，如電氣化火車頭、捷運電聯車…等。 2.小型串激式交流電動機：如果汁機、縫紉機、吸塵器、手提式電鑽、攪拌機…等。 節目次

16 18-2 單相推斥式交流電動機 構造 將電刷間短路之直流電動機的轉子（有電樞繞組及換向器），置於定子所產生的交流磁場內，而交流磁場由單相交流電源的主磁場繞組所形成，即成為推斥式電動機。 節目次

17 旋轉原理 1.電路及構造 當定子繞組接於單相交流電源時，會產生交變磁場，此時經電刷短路的轉子電樞繞組會感應電流而產生電樞磁場，該電樞磁場會與定子產生的交變磁場，因極性相同而產生相斥力，形成推斥轉矩，該電動機的推斥之名因而得到，故只要改變電刷軸與交變主磁場軸間的電機角，就可控制電動機的轉矩大小及轉向。現依電刷軸所在位置的特性說明如下。

18 1.電刷軸與磁場極軸垂直處 即電刷位於軟中性面上，如圖所示，當定子磁場繞組接上交流電源時，轉子的電樞繞組在短路電刷的兩端 B1 及 B2 感應的電位相 等，故電樞繞組無電 流產生，致使電動機 淨轉矩為零，電樞無 法運轉。 電刷軸與極軸垂直－軟中性面 無電樞電流，無轉矩

19 2.電刷軸與磁場極軸平行處 即電刷位於硬中性面上，如圖所示，當定子磁場繞組接上交流電源時，轉子的電樞繞組在短路電刷的兩端 B1 及 B2 雖感應了最大的電位 差，致使短路電刷間有 最大電樞電流，但因每 一主磁極上、下半部電 樞導體所流過的電流方 向相反，故所產生的轉 矩大小相等而方向相反 ，使電動機的轉矩為零 ，電動機仍無法轉動。 電刷軸與極軸平行－硬中性面 有電樞電流，無轉矩

20 3.電刷軸與磁場極軸成  電機角處 如圖所示，當定子磁場繞組接上交流電源時，轉子的電樞繞組在短路電刷的兩端 B1 及 B2 間感應產生一電位差的電勢，使電樞繞組經短路電刷形成電樞電流，且沿電刷軸方向建立了電 樞磁場 a，並與定 子繞組所產生的交 變主磁場 f 相互推 斥而形成轉矩，驅 使轉子旋轉。 電刷軸與極軸夾  電機角 順時針方向旋轉

21 特性 推斥式電動機以電磁感應方式傳送功率，但其轉矩-轉速特性卻似串激式交流電動機，如圖所示，具有高啟動轉矩及可變速率的特性，且轉矩約與電樞電流平方成正比。

22 轉向控制 1.推斥式電動機的移刷位置與轉向關係圖

23 2.說明 由上頁圖中的藍色曲線所示，可看出推斥式電動機的最大轉矩 Tmax 發生在電刷軸與主磁場極軸間夾角約為 15°～25° 電機角處，而轉向控制則以電刷軸硬中性面為基準。若電刷軸由硬中性面順時針方向移動，則轉子順時針方向旋轉；反之，電刷軸由硬中性面逆時針方向移動，則轉子逆時針方向旋轉。 當僅有運轉繞組時，若加入單相電源，利用向量分解法，可產生大小相同、方向相反的兩個旋轉磁場，且互相抵消，如圖中紅色曲線所示，故電動機無法轉動。 節目次

24 本章彙總 1.交流換向電動機乃採用與直流電機相同的轉子（電樞繞組及換向器）及電刷，而定子繞組為主磁極繞組加入單相交流電源，亦稱為整流子電動機。 2.交流或直流電源，均可產生同向轉矩，而使轉向維持不變者乃串激式電動機，廣泛使用於家電及工具機，故亦稱為普用式電動機。 3.使用串激式交流電動機，構造上主磁場繞組匝數要少，電樞繞組匝數要多，空氣隙要短，磁極數要多。 節目次

25 本章彙總 4.單相串激式電動機依補償繞組分類，可分為單純串激式、傳導補償式及感應補償式。
5.單相串激式電動機為提高功率因數，須採用強電樞、弱磁場的設計。 6.單相串激式電動機改善換向的方法有： (1)減少主磁極磁通，增加主磁極數。 (2)電樞線圈與換向片間使用高電阻引線，限制短路 電流。 (3)裝設換向磁極。 節目次

26 本章彙總 7.單相串激式電動機可利用電源電壓變化來控速，實用方法有串聯電阻器、串聯可調抗流圈、使用閘流體、使用降壓式自耦變壓器。
8.串激式交流電動機轉向控制法： 改變磁場繞組或電樞繞組兩者之電流的方向，故只須改接其中之一的線頭即可。 9.單相推斥式電動機的定子繞組接交流單相電源，產生一交變磁場，且與直流電機有相同的轉子，包含電樞繞組、換向器和電刷，但電刷間短路。 節目次

27 本章彙總 10.單相推斥式電動機是利用轉子的電樞磁場與定子產生的交變磁場相互推斥而旋轉。
11.單相推斥式電動機的電刷軸與交變磁場軸呈平行或垂直時，均無法產生轉矩，若將電刷軸由磁極極軸移 15°～25° 即可獲得最大轉矩，且電刷軸順時針方向移位，電動機同向旋轉，反之亦然。 12.移動單相推斥式電動機的電刷軸，可以控制其啟動轉矩、轉向與轉速。 13.推斥式電動機以電磁感應方式傳遞功率，其轉矩-轉速特性與串激式電動機相似，具高啟動轉矩與可變速率特性。 節目次

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29 補充一 補充二 串激式交流電動機的特點為：主磁場繞組匝 數少、電樞繞組匝數多、空氣隙小、磁極數多。
BACK 補充二 強電樞的設計可增加反電勢 Em，弱磁場的設 計可減少磁場繞組的電抗壓降 IaXs。 BACK

30 各種串激式電動機電路圖 BACK

31 補償繞組的作用 BACK

32 補充三 補償方法說明如下 傳導補償：補償繞組與電樞繞組串聯，且其所產生的補償安匝數 c 與電樞繞組所產生的安匝數 a，大小相等但方向相反，彼此互相抵消。 感應補償：其補償繞組自成短路而未與電樞繞組連接，但與電樞繞組的磁場正交鏈，其感應電流產生抵消電樞反應的補償安匝。 BACK

33 轉速控制-串聯可調電阻器控速 BACK

34 轉速控制-串聯可調抗流圈控速 BACK

35 轉速控制-閘流體無段控速 BACK

36 轉速控制-自耦變壓器降壓控速 BACK

37 補充四 此處所說的電機角  應介於 0°～90° 之間， 即 0°＜＜90°。 BACK