如何根據直流電機的特性曲線來選擇適合應用的電機?

給定電機的特性曲線是圖表，它使我們能夠確定特定速度下的扭矩輸出，常規（有刷）直流電機和無刷電機之間有區別，當我們讀取刷直流電機的特性曲線時，對於任何給定的轉矩，這些曲線顯示了相應的轉速，從中我們可以特性曲線確定瞬時電流消耗。

直流電機

特性曲線最主要的參數為電源輸入電壓V、電流i以及動能輸出的轉矩T與轉速ω，共四項。下面為一常見的電機特性曲線圖，其中有在X軸部分為轉速Speed(RPM)，在Y軸部分則有電流Current(A)、輸入功率Input Power(W)、轉矩Torque(N-m)、輸出功率Output Power(W)及效率Efficiency(%)，後面括號內為單位符號。

電機特性曲線圖

為了說明，對於上邊的電機，傳遞10Nm的扭矩，相應的轉速為220轉/分，在此轉速下，電機消耗大約12A的電流。這張圖表還告訴我們，這種轉矩、速度和功率不是這種類型的電機的最佳值。這是因為當電機以或多或少的最大效率運行時，標稱（即最佳）值適用。由於在實際操作中，電機的工作點並不總是與這些值一致，因此效率會降低，因此在實際操作中，電機的運行溫度往往會高於預期。

直流電機

需特別注意，電機輸入電源分為電壓及電流兩部分，但在上圖當中沒有電壓信息表示，因為電壓一般皆為固定值，不會特別變動。在實際使用上，可能因為電源不穩定，會產生輸入電壓壓降，若沒將電壓信息一同列入圖表中，將造成輸入功率及效率運算錯誤的情況。

電機特性量測數

上表則將電源電壓信息一一列出，且還加入了功率因數PF的檢測，觀察表格中的轉矩信息可發現其使用的單位為Kg-cm公制格式，與圖1所採用的N-m不同，但皆為常見的轉矩單位，其換算單位如下式所示。

1(N-m)=10.197(kg-cm)

在一般的量測系統使用中，電機輸入電壓、電流、輸出轉矩及轉速信息依靠量測設備直接取得，電氣參數可使用電力分析儀，機械參數則依靠轉矩及轉速計獲得，其餘參數，如輸入、輸出功率、效率及功因則為數學計算所得。

電機輸入功率Input Power(W)

已知正常使用下輸入電壓為固定值，則常見的電機輸入電流與轉速變化關係如下所示

其中：最大電流值為imax或稱堵轉電流，數學方程式如下

堵轉電流

其中：R0為電機電阻值，而輸入電流最小值imin，或稱無載電流值，其位置對應到無載轉速處，表示公式如下

無載電流

其中ke為反電動勢常數。

電機輸入功率即為輸入電壓及電流之乘積，已知電機輸入電壓為固定值，因此輸入功率值將隨電流變化，其曲線圖亦為一條斜直線，其計算公式如下，

電機輸入功率

將此數學關係式繪製永磁電機輸入功率與轉速關係示意圖。

電機輸入功率與轉速關係示意圖

電機輸出功率Output Power(W)

將電機輸出轉矩及轉速關係取出，則如下面(本圖系以永磁電機作為說明例)所示。其中，當轉矩接近零時，電機輸入能量完全轉換為轉速輸出，稱之為無載轉速，當電機轉速趨近於零時，輸入能量則完全提供為轉矩輸出，稱為堵轉轉矩。

獲得電機轉矩與轉速信息後，將轉矩乘上轉速即為電機輸出功率，如下式

輸出功率

其中Pout為永磁電機輸出功率。

注意單位關係，輸出功率的單位為(W)，則此處計算的輸入轉矩單位應為(kg-cm)，而轉速信息的單位應為角速度(rad/sec)。將此數學關係式繪製永磁電機輸出功率與轉速關係示意圖。

電機輸出功率與轉速關係示意圖

電機效率Efficiency(%)

獲得電機輸入功率及輸出功率後，將輸出功率除以輸入功率即為電機轉換效率，其計算公式如下

電機效率

將此數學關係式繪製永磁電機效率與轉速關係示意圖

電機效率與轉速關係示意圖

有了以上的計算結果，故可知電機特性曲線圖一般會提供下列類型之電機參數關係圖：電流-轉速、輸入功率-轉速、轉矩-轉速、輸出功率-轉速及效率-轉速關係圖，以轉矩作為X軸的表示設定。

結論

電機製造商的產品目錄通常是電機特性的「理想化」表示，意識到這一點不會冒險太接近下限和上限。

無刷類型的電機的電流是電子控制的，它能提供了在「超速」狀態下短時間運行電動機的能力，提供更高的電流，有時超過額定電流的三倍，這會產生更多的熱量。在其工作周期內經常以「超速」運行的任何電機也具有更短的允許運行時間。在極低的速度下，馬達控制器不能很好地工作，特別是在極數較少的電機中，低速時每轉的轉矩波動非常劇烈，使電動機無法平穩運動。這些電機的下限約為額定轉速的1/8，如果需要更低的速度，解決方案是使用變速箱。