串激式电机的应用与特性

串激式电机 (Series Motors) 也称作电刷式电机 (Conventional Motors) ，具备高扭力输出的特性，常常运用在毋需精确转速控制的电动工具中，例如手提式电钻、圆盘锯或是台式木工锯床、木工角度切割锯床等。在构造上使用机械式换相器 (Commutator) ，将电源供应给电机转子绕组 (Armature)。由于采用接触式机械结构供应电源给电机转子绕组，所以业界也常常将换相器中的供电接触器称作电刷，常用的电刷多以石墨或是铜箔作为材质。

电刷长期与电动机的转子摩擦，会造成相当程度的噪音 (Noise)、震动 (Vibration)、电磁干扰 (EMI, Electromagnetic Interference) 以及电弧 (Arcing)，同时所磨耗的导电物质粉末也会充斥在电机内部，造成若干程度的电气污染 (Pollution Degree)，因此，无论就产品安全、可靠度、或是维护成本的角度，都需要较深入的考虑。而电机转速或是扭力控制方面也较为复杂，一般需要使用外部的角度编码器 (Encoder) 或是转速发电机 (Tachogenerator)，来检测电机运转的资料。此外，由于转动的绕组无法安置温度保护开关 (Thermostat) 或是温度保险丝 (Thermal Cut-Off)，因此必须依靠测试各个部位的绝缘材料 (例如：轴、线槽、换相器……)，来评估是否会有电击与火灾的危险。 

无刷式直流电机的应用与原理

无刷直流电机 (Brushless DC Motors, BLDC) 是利用电子换相电路来将直流电源供应到电机转子绕组，因为没有机械式的电刷，所以称作无刷直流电机。由于无刷直流电机具备了高效率、精准的控制性能，以及能够利用电子构装来达到安全规范的要求等特性，在全球大力要求节能、减碳的诉求下，目前广泛的应用在冷冻空调范围，例如常常可以听到的DC变频、无刷直流，或是可以运用在油电混合车，以及一些高经济价值的家电产品中，例如吊扇。

目前最常用到的电子驱动方式，有利用霍尔效应组件 (Hall effect sensors) 或是反电动势 (Back EMF) 来侦测电机转子绕组的机械角度 (Mechanical Angle) 或电机角度 (Electrical Angle)，然后准确的控制 MOSFET 的开关，以达到电机持续的运转。

以利用霍尔组件的方式为例，霍尔效应满足以下关系式：

其中 VH 为霍尔电压，IH 为霍尔电流，KH/d 为霍尔组件电磁系数，K 为霍尔组件不平衡系数，B 为磁通密度 (Magnetic flux)。由关系式可以了解，霍尔电压与磁通密度（也就是电机运转的磁场强度）及霍尔电流成正比，因此，当转子的磁轴与霍尔组件不同轴时，磁通较小。为了维持固定的霍尔电压，必须增大霍尔电流，如此便能精确的算出电机转子的导通顺序与时间。

霍尔组件与直流电机所构成的两相式 (Two Phases) 无刷电机的电路模型如图一所示。

《图一》霍尔组件式直流电机

当转子磁轴与霍尔组件同轴时，霍尔组件与 S 极的距离变得最短，磁通密度则为最高，造成霍尔组件 A 端子的电压较大，使得晶体管 Q1 导通，i1 电流在线圈 L1 内流通，线圈 L1 因而呈激磁状态，依据右手定则，得知线圈 L1 右侧为 S极，故转子反转。当转子S极远离霍尔组件时，磁通密度便向下降，此时 A、B 端不再产生霍尔电压，晶体管 Q1、Q2 呈OFF 状态，转子因受惯性作用，继续反向旋转。当转子 N 极转至霍尔组件时，霍尔组件 B 端子的电压便相对较大，使得晶体管 Q2 导通，此时线圈 L2 内有i2电流流通，因此线圈 L2 呈激磁状态，转子再度受磁力作用反转。依照如此程序，转子持续转动。