電動機

電動機（electric motor，electromotor）又稱電馬達，簡稱電機、馬達，是使用電磁力的發動機，泛指任何可以將電能通過電磁學原理轉化成機械能並做功產生動能來驅動其他裝置的電氣設備。大部分電動機都是旋轉電機，通過磁場和繞組電流之間的互動產生轉矩；但可以產生直線動量的直線電動機正在被研發作為電磁彈射器和磁軌炮等現代軍用裝備。

電動機與依賴燃料的熱機發動機（比如蒸汽機、內燃機和噴氣發動機等）和依賴流體力學的其它發動機（如液壓發動機和氣壓發動機）的原理差別在於能量轉換的方式不同：大部分傳統車輛發動機都是往復式發動機，通過燃燒燃料釋放熱能為氣缸加壓驅動活塞產生往復運動，然後再通過曲軸將直線運動轉換為旋轉；航空發動機和航海發動機多為渦輪發動機，也依靠燃氣熱能在燃燒室內產生高壓，然後定向釋放壓力驅動渦輪旋轉；液壓和氣壓發動機則是使用物理手段將流體加壓，然後釋放壓力驅動機械；而電動機則是依賴洛倫茲力原理直接產生旋轉動能。

與電動機原理相同、但能量轉化方向相反的是發電機，將外部（如水力、風力、或由火力或核動力推動渦輪機構）施加的機械能通過驅動磁場和繞組之間的相對旋轉轉為電能來滿足下游的負載；若沒有負載，發電機不會有電流流出。電動機和電力電子、微控器配合已形成一門新專業，稱為機電工程學。

## 研發歷史

1740年，第一個電動馬達是由蘇格蘭僧侶安德魯·戈登（Andrew Gordon）創建的簡單的靜電設備。1827年，匈牙利物理學家耶德利克·阿紐什（Ányos Jedlik）開始嘗試用電磁線圈進行實驗。傑德利克解決一些技術問題後，稱他的設備為「電磁自轉機」（electromagnetic self-rotors）。雖然只用於教學目的，但第一款傑德利克的設備已包含今日直流馬達的三個主要組成部分：定子，轉子和換向器。

1836年，美國一位鐵匠湯馬斯·達文波特（Thomas Davenport）製作出世界上第一台能驅動小電車的應用馬達，並在1837年申請了專利。由於主要動力電池成本極高，在商業上不成功，達文波特破產。一些發明家繼續發展應用馬達，但都遇到了同樣電池發電成本的問題。

1845年，英國物理學家查爾斯·惠斯通（Wheatstone）申請線性馬達的專利，但原理於1960年代才被重視，而設計了實用性的線性馬達每次目前已被廣泛在工業上應用。

1870年代初期，世界上最早可商品化的馬達由比利時電機工程齊納布·格拉姆（Zénobe Théophile Gramme）發明。

1888年，美國著名發明家尼古拉·特斯拉應用法拉第的電磁感應原理，發明交流馬達，即為感應馬達。

1902年，瑞典工程師丹尼爾森利用特斯拉感應馬達的旋轉磁場觀念，發明了同步馬達。1923年，蘇格蘭人James Weir French發明三相可變磁阻型（Variable reluctance）步進馬達。

1962年，藉助霍爾元件，實用的直流電無刷馬達問世。1980年代，實用的超音波馬達問世。

## 原理

馬達的旋轉原理的依據為佛來明右手定則或是右手開掌定則，當一導線置放於磁場內，若導線通上電流，則導線會切割磁場線使導線產生移動。電流進入線圈產生磁場，利用電流的磁效應，使電磁鐵在固定的磁鐵內連續轉動的裝置，可以將電能轉換成動能。與永久磁鐵或由另一組線圈所產生的磁場互相作用產生動力。

電動機的種類很多，以基本結構來說，其組成主要由定子和轉子所構成。定子在空間中靜止不動，轉子則可繞軸轉動，由軸承支撐。定子與轉子之間會有一定空氣間隙（氣隙），以確保轉子能自由轉動。機殼（場軛）需要用高導磁係數材料製成，要當作磁路用。

直流馬達的原理是定子不動，轉子依相互作用所產生作用力的方向運動。交流馬達則是定子繞組線圈通上交流電，產生旋轉磁場，旋轉磁場吸引轉子一起作旋轉運動。

## 種類

### 依磁通方向分類

- 軸向磁通電動機
- 徑向磁通馬達

### 依使用電源分類

- 直流馬達：使用永久磁鐵或電磁鐵、電刷、整流子等元件，電刷和整流子將外部所供應的直流電源，持續地供應給轉子的線圈，並適時地改變電流的方向，使轉子能依同一方向持續旋轉。直流電的操作 電動機基於以下原理：當將載流導體置於磁場中時，導體會受到機械力。
- 交流馬達：將交流電通過馬達的定子線圈，設計讓周圍磁場在不同時間、不同的位置推動轉子，使其持續運轉
- 脈衝馬達：電源經過數位IC晶片處理，變成脈衝電流以控制馬達，步進馬達就是脈衝馬達的一種。

### 依構造分類

- 同步馬達：特點是恆速不變與不需要調速，起動轉矩小，且當馬達達到運轉速度時，轉速穩定，效率高。
- 感應馬達：又名異步馬達，特點是構造簡單耐用，且可使用電阻或電容調整轉速與正反轉，典型應用是風扇、壓縮機、冷氣機。
- 可逆馬達：基本上與感應馬達構造與特性相同，特點馬達尾部內藏簡易的剎車機構（摩擦剎車），其目的為了藉由加入摩擦負載，以達到瞬間可逆的特性，並可減少感應馬達因作用力產生的過轉量。
- 步進馬達：特點是脈衝馬達的一種，以一定角度逐步轉動的馬達，因採用開迴路（Open Loop）控制方式處理，因此不需要位置檢出和速度檢出的回授裝置，就能達成精確的位置和速度控制，且穩定性佳。
- 伺服馬達：特點是具有轉速控制精確穩定、加速和減速反應快、動作迅速（快速反轉、迅速加速）、小型質輕、輸出功率大（即功率密度高）、效率高等特點，廣泛應用於位置和速度控制上。
- 線性馬達：具有長行程的驅動並能表現高精密定位能力。
- 其他：旋轉換流機（Rotary Converter）、旋轉放大機（Rotating Amplifier）等。

## 用途

電動機用途眾多，大至重型工業，小至小型玩具都有其蹤跡。在不同的環境下都會選擇不同類型的電動機，以下是一些例子：

- 製風設備，例如電風扇
- 升降機（電梯）
- 以電力推動的交通工具，例如地下鐵路、無軌電車、電動汽車
- 汽車、噴射機及直昇機的起動馬達（starter motor）
- 工廠與大賣場的傳動帶
- 公共汽車上的電動自動門
- 電動捲閘

民生用品

- 光碟機
- 印表機
- 洗衣機
- 水泵
- 磁碟機
- 電動刮鬍刀
- 錄音機
- 錄影機

工業與商業用途

- 高速升降機
- 工作母機（如：工具機）
- 紡織機
- 攪拌機

## 使用安全

在使用馬達前需先了解其使用的電源是直流電還是交流電，如果是交流電，還需知道它是三相還是單相的交流電，接錯電源會導致不必要的損失和危險。馬達轉動後若沒有接負載或負載很輕使得馬達轉速快，則感應電動勢較強，此時馬達兩端電壓為電源提供電壓減去感應電壓，因此電流減弱。

若馬達的負載很重，轉速慢則相對感應電動勢較小，也因此電源需提供較大電流（功率）以對應所需的較大功率來輸出／作功。

## 參考資料

- 宋揚曙。1990。電機機械。全華科技圖書股份有限公司。
- 劉蘊陶。1996。電機學。文京圖書有限公司。
- 蕭進松、謝承達。1996。電機機械。全華科技圖書股份有限公司。
- 陳祺銘。1990。小型電動機的基礎與微電腦控制。復文書局。
- 許正道。1989。機電整合入門。復文書局
- 李適中。1991。直流馬達速度控制．伺服系統（基礎篇）。全華科技圖書股份有限公司。
- 陳熹棣。1989。步進馬達應用技術。全華科技圖書股份有限公司。
- 李清元。2002。伺服馬達的類別與應用。電機月刊第12卷第8期。
- 盧明智、陳政傳。2002。感測與轉換—感測器原理與應用實習。台科大圖書股份有限公司。
- 江正雍譯。1993。伺服控制系列（10）—無人搬運車之位置控制技術。機械月刊第19卷第1期。
- 江正雍譯。1993。伺服控制系列（13）—AC伺服控制應用實務（上）。機械月刊第19卷第6期。