直流電動機之 特性及運用...直流電動機之特性及運用 6-1...

直流電動機之特性及運用

1. 熟悉各式直流電動機之轉速特性與轉矩

特性。

2. 了解直流電動機起動電阻的設計、裝置

方式和大小計算。

3. 認識直流電動機之速率控制。

4. 認識直流電動機之轉向控制及制動。

6-1 直流電動機的特性曲線

6-2 他激式電動機的特性6-3 分激式電動機的特性6-4 串激式電動機的特性6-5 積複激式電動機的特性6-6 差複激式電動機的特性

6-7 直流電動機起動法

6-8 直流電動機速率控制法

6-9 直流電動機的轉向控制及制動

6-10 直流電動機之用途

第 章

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直流電動機之特性及運用

6-1 直流電動機的特性曲線

一．特性曲線

電動機一般探討其特性曲線主要有：

1. 轉速特性曲線

可以顯示電動機在負載變動時，轉速的變化情況，即控制端電壓 (V)和場電

流 (IF)為額定值，改變電動機負載時，其旋轉速度 (n)和負載電流 (IL)之關係曲線。

2. 轉矩特性曲線

轉矩特性則顯示電動機轉矩 (T)與負載電流 (IL)的關係，即控制端電壓 (V)

和場電流 (IF)為額定值，改變電動機負載時，其轉矩 (T)和負載電流 (IL)之關係

曲線。

圖6-1　電動機電壓、電流與負載的關係

156

直流電動機之特性及運用 6電動機帶動各種機械負載轉動，負載愈大（即輸出機械功率愈大），供給

電動機的電功率也要愈多，又因為電功率 (P)＝電源電壓 (V)×負載電流 (IL)，

通常電源電壓是不變的，所以電功率愈多就表示負載電流 (IL)愈多，如圖 6-1所

示。他激式、分激式與複激式電動機的負載電流，主要是電樞電流 (IA)；串激式

電動機的負載電流就是電樞電流，所以討論直流電動機的特性時，我們往往用

電樞電流的大小來代表這一台電動機的負載大小。

在研究各種直流電動機特性曲線之前，我們應先了解電動機的一些性質。

二．直流電動機之反電勢

在第 5章我們曾經提到，直流電動機在外加電壓時，電樞繞組產生電流，

電流與磁場作用後，便驅使電樞轉動，當電樞轉動時，電樞繞組同時也切割場

磁通，所以也會產生感應電勢，如同發電機一樣的效果，而此感應電勢的方向

和外加電壓方向相反，故稱為反電勢（counter or back electromotive force），如

圖 6-2所示。

圖6-2　反電勢和外加電壓之關係

157

直流電動機之特性及運用

直流電動機的反電勢 (EC)可以用公式（6-1）來表示（和發電機之感應電勢

相同）。

EC＝PZ n60a＝K n

公式

6-1

上列公式之代號，請見表 6-1說明。

表6-1　直流電動機反電勢公式的名稱和單位

代號 EC P Z a n名稱 反電勢 極數 電樞繞組導體數 並聯路徑數 轉速 磁場磁通

單位 伏特V 個 根 條 轉／分rpm 韋伯wb

直流電動機是先有外加電壓 (V )，電樞轉動後才感應產生反電勢 (EC)，實際

電樞繞組之電阻壓降 (IaRa)為外加電壓 (V )與反電勢 (EC)的差，即

V－EC＝IARA

EC＝V－IARA

公式

6-2

上列公式之代號，請見表 6-2說明。

表6-2　反電勢公式的名稱和單位

代號 EC V IA RA

名稱 反電勢 外加電壓 電樞電流 電樞繞組電阻

單位 伏特V 伏特V 安培A 歐姆Ω

由此說明，外加電壓 (V )必定恆大於反電勢 (EC)。

三．直流電動機之旋轉速率

由公式（6-1）與公式（6-2）可得知直流電動機之旋轉速率公式（6-3），

且由公式可發現直流電動機之轉速 (n)和反電勢 (EC)成正比，和磁通 ( ) 成反比。

n＝EC

K＝

V－IARA

K

公式

6-3

158

直流電動機之特性及運用 6上列公式之代號，請見表 6-3說明。

表6-3　直流電動機之轉速公式的名稱和單位

代號 n V EC IA RA

名稱 轉速 端電壓 反電勢 磁通量 電樞電流 電樞繞組電阻

單位 轉／分rpm 伏特V 伏特V 韋伯Wb 安培A 歐姆Ω

四．直流電動機之電樞輸出

直流電動機之電樞轉動產生動能，也就是說直流電動機的電樞輸出為機械

功率，這個機械功率以 (PM)表示，這個機械功率稱為內部機械功率，又稱為電

磁功率，其值等於電樞之輸入電功率減去電樞內之銅損功率，如公式（6-4）所

示。這個機械功率 (PM)與電動機真正的輸出機械功率 (Po)不太一樣，PM還要扣

除旋轉損、雜散負載損等損失功率，才得出輸出功率 (Po)，詳閱第 7章。

PM＝VIA－I2A RA＝(V－IARA)IA

　　　　　　　　　　 ＝ECIA

　　　　　　　　　　　 ＝K nIA

公式

6-4

上列公式之代號，請見表 6-4說明。

表6-4 　直流電動機之機械功率公式的名稱和單位

代號 PM V EC IA n

名稱 機械功率 端電壓 反電勢 磁場磁通 電樞電流 轉速

單位 瓦特W 伏特V 伏特V 韋伯Wb 安培A 轉／分rpm

由公式（6-4）可知，電動機電樞輸出之機械功率 (PM)和電樞之轉速、磁通

量及電樞電流成正比。且電動機反電勢 (EC)之功用有二：1.限制電樞電流（IA

＝V－EC

RA

），2.產生機械功率。

159

直流電動機之特性及運用

6-2 他激式電動機的特性

一．轉速特性

電動機轉動時，電樞繞組有反電勢 (EC)發生，此一反應電勢正可以讓我們

來討論電動機的轉速 (n)特性，此處我們將電刷壓降 (VB)加入討論。

∵EC＝V－IARA－VB＝K n

　　　　　　　　　 ∴n＝V－IARA－VB

K

公式

6-5

上列公式之代號，請見表 6-5說明。

表6-5　他激式電動機轉速公式的名稱和單位

代號 V EC RA IA VB

名稱 端電壓 反應電勢 磁場磁通 電樞繞組電阻 電樞電流 電刷壓降

單位 伏特V 伏特V 韋伯Wb 歐姆Ω 安培A 伏特V

當 Ia增加（即負載增加）時，公式（6-5）中的分子會稍微減小，但是分母

的磁通 ( )因電樞反應也會稍微減少，所以轉速 (n)只有輕微下降， 如圖 6-3(b)

所示，可以說，他激式電動機是一種定速電動機。但是，定速特性並不代表它

沒有改變轉速（調速）的功能，其轉速如何控制？會在 6-8節說明。

有一點要注意的是，直流電動機的轉速 (n)與磁通 ( )成反比，所以電動機

在磁通變得很小的時候，轉速將會非常快非常危險，不僅他激式如此，其他型

式的直流電動機也是如此。

二．轉矩特性

直流電動機的轉矩 (T)＝ K IA，他激式的磁通 ( )是由另一電源供給或是使

160

直流電動機之特性及運用 6用永久磁鐵，不會跟隨負載變化，所以其轉矩 (T)與電樞電流 (IA)成正比，若考

慮電樞反應，轉矩會比預期減小一些，如圖 6-3(b)所示。

接線圖 轉矩與轉速特性曲線

　　　　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

圖6-3　他激式電動機的接線圖與特性曲線

1. 他激式電動機的電樞電流愈大，轉矩就愈　　　　。

2. 就負載對轉速的影響而言，他激式電動機可以算是一種　　　　電動機。

隨 堂 練 習

6-3 分激式電動機的特性

一．轉速特性

如圖 6-4(a)所示，就電路結構而言，分激電動機的電樞繞組與場繞組並聯，

兩者都是接受外加的直流電源，只要電源電壓 (V)穩定，場電流（IF＝VRF

）是

固定不變的，所以場磁通量 ( )也是固定的（如果不考慮電樞反應）。轉速公式

IA

IL

V

161

直流電動機之特性及運用

n＝V－IARA

K，其中 K是常數、電源 (V )及電樞電阻 (RA)都是固定的，場磁通 ( )

也是固定的，所以會影響轉速的就只剩下 IA了，而 IA是隨負載變化而變動的，

當負載增加時，IA增加，轉速會變慢，如圖 6-4(b)所示。基本上，分激式電動

機的轉速特性與他激式是相同的。

接線圖 轉矩與轉速特性曲線

　　　　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

圖6-4　分激式電動機的接線圖與特性曲線

二．轉矩特性

由轉矩公式 T＝ K IA可知，不考慮電樞反應時，磁通 ( )固定不變，負載增

加時，轉矩 (T)與電樞電流 (IA)成正比，如圖 6-4(b)中虛線部分所示；但實際的

電機中，當負載增加時，電樞反應也更明顯，電樞反應會使得磁通 ( )稍微的下

降，因此造成轉矩特性曲線將略微向下彎曲，如圖 6-4(b)中實線部分所示。

IA IF

ILIF

IL

V

162

直流電動機之特性及運用 66-4 串激式電動機的特性

一．轉速特性

串激電動機如圖 6-5所示，因串激場繞組與電樞繞組串聯，所以電樞電流 (IA)

＝磁場繞組電流 (IS)＝負載電流 (IL)，磁通量 ( )（正比於 IS）將依電樞電流 (IA)（也

是負載電流 (IL)）大小而定，磁通量 ( )與電樞電流 (IA)成正比，這將造成負載

變動會引起轉速很大的變動，我們以串激電動機的轉速公式（6-6）來討論。

n＝V－IA(RA＋RS)－VB

K

公式

6-6

上列公式之代號，請見表 6-6說明。

表6-6　串激式電動機轉速公式的名稱和單位

代號 V RS RA IA VB

名稱 端電壓 磁場磁通 串激場繞組電阻 電樞繞組電阻 電樞電流 電刷壓降

單位 伏特V 韋伯Wb 歐姆Ω 歐姆Ω 安培A 伏特V

由轉速公式（6-6），當負載增加時，電樞電流 (IA)增加，分子會稍微減小，

而分母的磁通 ( )增多（ 正比於 IA），使得分母增大，因此轉速 (n)下降，由

此可知轉速 (n)與負載電流 (IL)成反比，圖 6-5(b)中的轉速特性曲線類似雙曲線。

串激電動機無載時，負載電流很小，磁通 ( )很少，將使得轉速變得很大，因此

串激電動機不可無載運轉，以免轉速過高發生危險。

163

直流電動機之特性及運用

接線圖 轉速與轉矩特性曲線

　　　　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

圖6-5　串激式電動機的接線圖與特性曲線

二．轉矩特性

1. 串激式電動機在小負載時，磁通量不多，其鐵心尚未磁飽和，又串激式電動

機的磁通量 ( )與電樞電流 (IA)成正比，即 ＝ K'IA，由轉矩公式 T＝ K IA

＝ K(K'IA)IA＝ K''I2A ，可得到轉矩 (T)與電樞電流 (IA)將成平方正比關係，此

時轉矩特性曲線呈現拋物線狀，如圖 6-5(b)中A到 B這一段曲線所示。例如，

若電流 (IA)增為原來的 2倍，轉矩將增為原來的 4倍，但是，依串激式電動

機轉速特性，轉速 (n)會減半（角速率 (ω)減半），所以功率 P＝ Tω也只有

增為原來的 2倍而已！

2. 當負載愈大時，因鐵心已飽和，磁通量 ( )不再增加而為定值，所以 T＝

K IA＝ K''IA，此時轉矩 (T)與電樞電流 (IA)為正比關係，曲線將漸變成為一直

線，如圖 6-5(b)中 B到 C這一線段所示。

3. 綜合言之，串激式電動機轉矩特性曲線在小負載時為一拋物線，負載增大時，

則漸變為一直線。

IA IL

IL

V

串激場繞組

164

直流電動機之特性及運用 6

3. 串激式電動機的轉速與負載成　　　　比；磁通未飽和時，轉矩與負載成

　　　　比；磁通飽和時，轉矩與負載成　　　　比。

4. 串激式電動機，若外加電壓不變，負載變大時，轉速變　　　　，轉矩變

　　　　。

隨 堂 練 習

6-5 積複激式電動機的特性

一．轉速特性

積複激電動機如圖 6-6所示，積複激電動機的分激場磁通 ( F)與串激場磁通

( S)方向相同，因此總磁通量 ＝ F＋ S，其轉速公式如下：

長分路式接線圖 轉矩與轉速特性曲線

　　　　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

圖6-6　積複激式電動機的接線圖與特性曲線

IA

RSIL

IF

V

165

直流電動機之特性及運用

n＝V－IA(RA＋RS)－VB

K( F＋ S)

公式

6-7

上列公式之代號，請見表 6-7說明。

表6-7　積複激式電動機轉速公式的名稱和單位

代號 F S RS RA IA VB

名稱 分激場磁通 串激場磁通 串激場繞組電阻電樞繞組

電阻電樞電流 電刷壓降

單位 韋伯Wb 韋伯Wb 歐姆Ω 歐姆Ω 安培A 伏特V

當 IA增加（即負載增加）時，與分激式、串激式一樣，轉速公式的分子稍

微減小；此外，磁通 ( F)不變，磁通 ( S)增多，分母增大，但不是成比例增大【舉

例說明：若 F固定為 1韋伯， S原先為 0.1韋伯，當負載增為 3倍（IA增為 3倍），

F還是 1韋伯， S增為 0.3韋伯，則分母增大為 1.18倍 [1.18＝ (1＋ 0.3)/(1＋

0.1)]】。由此可知負載增加時，轉速公式之分母增大，分子稍微減小（分子中

IA(RA＋ RS)的值遠小於 V值），因此轉速下降，其下降的幅度將介於分激式電

動機與串激式電動機之間，如圖 6-7(a)所示。

二．轉矩特性

積複激電動機轉矩 T＝K( F＋ S)IA，當負載增加，IA增加時，轉矩 (T)增大，

轉矩與電樞電流的關係介於一次方與二次方正比之間，亦即轉矩大小變化比分

激式來得大，但較串激式來得小，如圖 6-7(b)所示。【舉例說明：若 F固定為

1韋伯， S原先為 0.1韋伯，當負載增為 3倍（IA增為 3倍）， F還是 1韋伯，

S增為 0.3韋伯，則轉矩增大為 3.9倍 [3.9＝ (1＋ 0.3) ×3】

166

直流電動機之特性及運用 6轉速特性曲線 轉矩特性曲線

　　　　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

圖6-7　各式直流電動機的轉速、轉矩特性曲線

6-6 差複激式電動機的特性

一．轉速特性

差複激電動機的分激場磁通 F與串激場磁通 S方向相反，因此總磁通量

＝ F－ S，其轉速公式如下：

n＝V－IA(RA＋RS)－VB

K( F－ S)

公式

6-8

上列公式之代號，請見表 6-8說明。

表6-8　差複激式電動機轉速公式的名稱和單位

代號 F S RS RA IA VB

名稱 分激場磁通 串激場磁通串激場繞組

電阻電樞繞組電阻 電樞電流 電刷壓降

單位 韋伯Wb 韋伯Wb 歐姆Ω 歐姆Ω 安培A 伏特V

167

直流電動機之特性及運用

當 IA增加 (即負載增加 )時，轉速公式的分子稍微減小；此外，分激場磁通

F不變，串激場磁通 S（ S與 IA成正比）增多，分母減小，但不是成比例減小【舉

例說明：若 F固定為 1韋伯， S原先為 0.1韋伯，當負載增為 3倍， F還是 1

韋伯， S增為 0.3韋伯，則分母減少為 0.78倍 [0.78＝ (1－ 0.3)/(1－ 0.1)] 】。

由此可知負載增加時，轉速公式之分母減小，分子稍微減小，因此轉速上升，

如圖 6-8(a)所示。

二．轉矩特性

差複激電動機，其轉矩公式為 T＝ K( F－ S)IA，在小負載時，串激場磁通

影響不大，轉矩主要由分激場決定，故為直線，當負載漸增後，轉矩隨磁通（ F－

S）漸減而變小。所以差複激式電動機轉矩特性曲線為一先上升而後降低之曲

線，如圖 6-8(b)所示。當分激場磁通與串激場磁通相等時，轉矩為零，電動機

停止轉動；當分激場磁通小於串激場磁通時，總磁通方向相反，轉矩亦反向，

所以電動機將反轉。

轉速特性曲線 轉矩特性曲線

　　　　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

圖6-8　差複激式電動機轉速、轉矩特性曲線

各種直流電動機的轉矩特性曲線與轉速特性曲線，在圖 6-7中可以做一比

較。

168

直流電動機之特性及運用 66-7 直流電動機的起動法

電動機起動時，由公式（6-1）可知，因為起動瞬間轉速 n為零，所以電樞

感應反電勢 EC＝ K n＝ 0，起動電流會很大，以圖 6-9為例，起動瞬間反電勢

為 0，起動電流高達 2000安培；因此，中大型的直流電動機都要設法降低起動

電流，避免電樞繞組燒毀。起動電流降低的副作用是造成起動轉矩減弱（起動

轉矩 T＝ K IA與起動電流成正比），所以適度地降低起動電流，使電動機有足

夠的起動轉矩，電動機才可以起動。

IA

IF

RF RA

RA

EC

EC

V

n

V

圖6-9　直流電動機的起動電流

直流電動機的起動控制，是將電樞繞組串聯可變電阻器，如圖 6-10所示。

起動時，可變電阻器與電樞繞組串聯，使起動電流降低，電動機運轉後，感應

反電勢產生，電樞電流降低，再將可變電阻器之電阻值調低，直到 0為止，電

動機即完成起動。

169

直流電動機之特性及運用

a b

a b

a b

圖6-10　直流電動機起動器接線圖

170

直流電動機之特性及運用 6

有一分激電動機，額定電壓 100伏特，額定容量 5kW，電樞電阻為 0.1Ω，

若直接起動，起動電流為多少？欲降低起動電流為 2倍的滿載電流，試求起

動時電樞繞組應串聯多少歐姆的起動電阻？

RAV

RA

RX

V

　　　　　　　　(a)直接起動　　　　　　　　　　(b)串聯可變電阻器

圖6-11　範例1

解 1 依歐姆定律，直接起動的起動電流 IS＝VRA＝

1000.1＝ 1000（安培）

2 額定電流 I＝額定容量

額定電壓＝

5000100＝ 50（安培）

3 依題意，串聯起動電阻後的起動電流＝ 2×額定電流＝ 2×50＝

100（安培）

如圖 6-11(b)所示 IS＝V

RX＋RA ⇒ RX＝ 0.9Ω

答：0.9Ω

範例1

為了達成電動機的起動，可以使用自動起動器或人工起動器。自動起動器

係利用一些按鈕開關、特殊電驛與起動電阻等，組成配電線路，只須使用按鈕

開關，就能達成起動與停止控制，在此不做詳細介紹。圖 6-12是三點式人工起

動器與分激電動機的接線圖。

171

直流電動機之特性及運用

　　人工起動器的動作原理

　　1. 閘刀開關 KS閉合，拉動起動桿 P到位置 1，起動電阻 RX與電樞繞組串聯。

磁場繞組則與場變阻器、吸持線圈串聯，生成磁通，電動機起動。

　　2. 轉速上升時，將起動桿逐次向右移動，直到接觸到位置 6，起動桿被電磁

鐵吸住，起動電阻改與磁場繞組串聯，電動機起動完成。

　　3. 將閘刀開關KS斷開，吸持線圈失磁，起動桿因彈簧拉力而回到OFF位置，

電動機停止。

　　4. 圖中場變阻器，係用來調節轉速，下一節將要討論電動機的轉速控制。

RX

P

KS

圖6-12　人工起動器與分激電動機的接線圖

5. 直流電動機起動時，　　　　繞組串接起動電阻，是為了降低起動電流。

6. 有一分激電動機，額定電壓 V為 100伏特，額定容量 5kW，電樞電阻為 0.08Ω，

若直接起動，起動電流為　　　　安培。

7. 承上題，欲降低起動電流為 2.5倍的滿載電流，起動時電樞繞組應串聯多少歐

姆的起動電阻？

隨 堂 練 習

172

直流電動機之特性及運用 66-8 直流電動機速率控制法

直流電動機若想要調整轉速，或是當負載變動，造成電動機轉速改變，欲

調整回來時，由公式（6-3）：

n＝EC

K＝

V－IARA

K（rpm）

可知，影響直流電動機轉速的因素有下列三點：

磁場之磁通量

電動機外加電壓 V

電樞電阻所造成之壓降

IARA

只要改變上述三點中之任一因素，直流電動機的轉速便可以達到調整控制

的目的，茲分述如下：

一．磁場控制法

由轉速公式可知磁場之磁通量 ( )與轉速 (n)成反比，所以可藉由控制磁場

電流 (IF)來增減磁通量 ( )，進而達到控制轉速的目的。控制方法係在磁場電路

中裝置場變阻器 (RX)，利用調整場變阻器電阻大小以變動磁通量來改變轉速。圖

6-13∼圖 6-15顯示場變阻器的接線與對轉速的影響。

173

直流電動機之特性及運用

接線圖 轉速與場變阻器的關係

圖6-13　分激式電動機的磁場控速法（變阻器RX 與分激場繞組串聯）

接線圖 轉速與分流器的關係

圖6-14　串激式電動機的磁場控速法（分流器RX 與串激場繞組並聯）

接線圖 轉速與場變阻器的關係

圖6-15　複激式電動機的磁場控速法（變阻器RX與分激場繞組串聯）

IF IA

RX

V

IS

RX

V

IF IA

RX

V

174

直流電動機之特性及運用 6

有一部直流串激式電動機，電樞電阻為 0.2Ω，場電阻為 0.3Ω，外接電源電

壓為 200V。已知電樞電流為 80A時，轉速為 640rpm；若轉矩不變，且希望

電動機的穩態轉速改變為 400rpm，則場電阻應改變為多少？

解 1 若轉矩 T＝ K IA不變，可設定磁通量 和電樞電流 IA不變。

2 轉速 n＝E

K＝

V－IA(RA＋RS)K

，可以改變場電阻 RS來控制轉速。

3 n1

n2＝

V－IA(RA＋RS1)V－IA(RA＋RS2)

⇒ 640400＝

200－80×(0.2＋0.3)200－80×(0.2＋RS2)

⇒ RS2＝ 1.05Ω。

答：場電阻應改變為 1.05Ω

範例2

二．電樞電壓控制法

這方法適用於他激式電動機，是改變電樞電壓 (V)來控制轉速，如圖 6-16

所示，電樞電壓愈大，轉速愈快。

VA

VA

n

圖6-16　他激式電動機的電樞電壓控速法

175

直流電動機之特性及運用

三．電樞電阻控制法

這是串激式電動機的轉速控制法，如圖 6-17所示，將變阻器與電樞繞組串

聯。這種方法普遍用於縫紉機、手電鑽、線鋸機等機器，變阻器裝置於腳踏開

關上，當腳踏開關踩愈用力，變阻器電阻愈小，電樞繞組會承受更大電壓，轉

速愈快。

VA

VA

RX

RX

+

–

V n

圖6-17　串激式電動機的電樞電阻控速法

由於負載的改變，導致電動機轉速變化的程度，我們可以用速率調整率

（SR％）定義之。

SR％＝nNL－nFL

nFL

×100％公式

6-9

上列公式之代號，請見表 6-9說明。

表6-9　速率調整率公式的名稱和單位

代號 nNL nFL

名稱 無載速率 滿載額定速率

單位 轉／分rpm 轉／分rpm

176

直流電動機之特性及運用 6

有一部直流分激電動機，無載轉速為 1800rpm，滿載轉速為 1750rpm，試求

速率調整率為多少？

解 速率調整率

SR％＝nNL－nFL

nFL×100％＝

1800－17501750

×100％＝ 2.86％

答：2.86％

範例3

有一部 100伏特直流分激電動機，電樞電阻為 0.06Ω，滿載時，電樞電流為

50安培，轉速為 1780rpm，試求速率調整率為多少？

解 1 轉速 n與電樞的反電勢 E成正比，所以先求出無載反電勢與滿載反

電勢的比值，來得到無載轉速 nNL與滿載轉速 nFL的比值。

2 無載時，電樞電流 IA很小，視為 0安培，所以無載反電勢 ENL＝端

電壓 V＝ 100伏特。

3 滿載時，電樞電流 IA＝ 50安培，滿載反電勢

EFL＝ V－ IARA＝ 100－ 50×0.06＝ 97伏特

4 nNL

nFL＝

ENL

EFL ⇒

nNL

1780＝

10097

⇒ nNL＝ 1835rpm

5 速率調整率 SR％＝nNL－nFL

nFL×100％

＝1835－1780

1780×100％＝ 3.09％

答：3.09％

範例4

177

直流電動機之特性及運用

8. 直流串激式電動機若是以電樞電阻控制法控制轉速，應將變阻器與繞組　　　

聯。

9. 有一部直流分激電動機，無載時，轉速為 1200rpm，滿載時，轉速為

1100rpm，速率調整率為　　　　％。

隨 堂 練 習

6-9 直流電動機的轉向控制及制動

一．轉向控制

要改變直流電動機之轉向，將電樞繞組或磁場繞組的接線反接即可，但不

能同時改變兩者的接線，否則轉向不變。除了他激式外，直流電動機若電源接

線反接，造成電樞繞組與磁場繞組的電流方向同時相反，轉向還是不變。圖 6-18

為分激電動機使用閘刀開關控制轉向的接線，閘刀開關投向右邊與投向左邊，

電樞電流方向不同，但是磁場繞組的電流方向不變，所以轉向相反。

A1

A1

F1

F2

A2

A2

圖6-18　利用雙極雙投閘刀開關控制電動機轉向

178

直流電動機之特性及運用 6

直流電動機的制動

二．制動控制

直流電動機的制動（就是要讓電動機迅速停下來）有能耗制動、反接制動

和再生制動等三種方法。

將電動機電樞繞組與電源斷開，改接一個電阻器，

這時電動機的機械慣性動能會使電動機處於發電狀

態，對電阻器放電，產生制動作用。

將電樞電源反接，電動機就會產生反向轉矩，產生

制動作用。反接制動時，電樞迴路中應接適當的限

流電阻，以免電流過大。

主要用於電車和起重機。例如當電車下坡時，重力

加速度將使車速增高，電動機感應電勢隨之增大，

當感應電勢大於電源電壓時，電動機就變為發電狀

態，將電功率反饋回電路中，產生制動作用。

能耗制動

反接制動

再生制動

直流電動機的制動

179

直流電動機之特性及運用

6-10 直流電動機之用途

由前面章節可知，直流電動機依不同的型式而有不同的特性，因此在使用

上需要依不同的場合及用途，來選用不同型式的電動機，茲分述如下：

一．他激式電動機

他激式電動機因具有定速的特

性，所以適用於速率不變或需要調

速之處，可應用在大型壓縮機、升

降機、工具機（車床、磨床、鑽

床⋯）及汽車雨刷（如圖 6-19所

示）、電動窗等場合。

二．分激式電動機

分激式電動機與他激式電動機都具有定速特性，同樣適合用於工具機、印

刷機及鼓風機等設備。

三．串激式電動機

由串激式電動機的轉矩特性曲線與轉速特性曲線可知，負載大時轉速低、

轉矩大；負載小時轉速高、轉矩小。所以常用於起動時或低速時需要大轉矩的

場合，如起重機、升降機、各種交通工具（電氣火車、捷運電聯車、汽車）、

及手工具等等，用途相當廣泛。

四．積複激式電動機

積複激式電動機無載時，不會像串激電動機發生超速危險，起動轉矩又比

圖6-19　汽車前雨刷馬達

180

直流電動機之特性及運用 6

電工比一比

分激電動機大，適用於工作母機、鑿孔機、滾壓機等場合。

五．差複激式電動機

差複激式電動機因其轉速和轉矩的特性甚為特殊，所以一般工作場合中並

不適用，僅於一些特殊的實驗場合之研究使用。

各式直流電動機轉速特性曲線比較及轉矩特性曲線比較

　　　　　　(a)轉速特性曲線　　　　　　　　　　　　　(b)轉矩特性曲線

直流電動機之用途比較

型式 特性 用途

他激式電動機 定速 壓縮機、升降機、工具機

分激式電動機 定速 工具機、印刷機、鼓風機

串激式電動機負載大時轉速低、轉矩大

負載小時轉速高、轉矩小起重機、小型手工具機

積複激電動機 起動轉矩比分激式大 工作母機、鑿孔機、滾壓機

差複激電動機 一般工作場合不適用 特殊實驗場合用

181

硬幣式震動馬達定子是磁鐵，轉子繞有線圈，但轉

子設計成扁型擺錘狀，使轉子旋轉時一樣產生離心

力進而造成震動效果。

圓柱型震動馬達轉軸上裝置一個偏心凸輪，由於凸輪的重心並不在馬達

的轉軸上，因此轉動時凸輪將產生離心力，此離心力的方向隨凸輪的轉

動而不斷變化，進而產生了大幅度的震動。凸輪末端驅動刮鬍刀片高速

左右運動，進而達到刮鬍的功能。

182

硬幣式震動馬達定子是磁鐵，轉子繞有線圈，但轉

子設計成扁型擺錘狀，使轉子旋轉時一樣產生離心

力進而造成震動效果。

圓柱型震動馬達轉軸上裝置一個偏心凸輪，由於凸輪的重心並不在馬達

的轉軸上，因此轉動時凸輪將產生離心力，此離心力的方向隨凸輪的轉

動而不斷變化，進而產生了大幅度的震動。凸輪末端驅動刮鬍刀片高速

左右運動，進而達到刮鬍的功能。

183

本章彙總本章 彙總1. 電動機的特性曲線

1 轉速特性曲線：旋轉速度 n和負載電流 IL之關係曲線。

2 轉矩特性曲線：轉矩 T和負載電流 IL之關係曲線。

2. 公式

1 轉速 n＝EC

K

2內部機械功率 PM＝電動機反電勢 EC×電樞電流 IA

3. 轉速特性曲線

4. 轉矩特性曲線

184

本章彙總5. 起動控制

1 目的：限制起動電流。

2 方法：電樞繞組串聯可變電阻器。

6. 轉速控制

1 方法：①磁場控制法：磁通量 愈小，轉速愈快。

　　　②電樞電壓控制法：電樞電壓愈大，轉速愈快。

　　　③ 電樞電阻控制法：將變阻器與電樞繞組串聯，變阻器電阻愈小，轉

速愈快。

2 速率調整率（SR％）＝nNL－nFL

nFL×100％

7. 轉向控制：將電樞繞組或磁場繞組的接線反接，即可改變直流電動機之轉向。

8. 制動控制：1能耗制動。2反接制動。3再生制動。

圖片來源

電工來報報 shutterstock圖庫

圖 6-19 士林電機

電工來報報

手機結構圖 http://aoshima731.main.jp/aoshima/Home.html

硬幣式震動馬達

http://www.precisionmicrodrives.com/vibrating-vibrator-vibration-motors/brushless-long-

life-vibration-motors

圓柱形震動馬達

http://www.precisionmicrodrives.com/haptics-haptic-feedback-vibration-alerting/haptic-

feedback-in-detail/adding-and-improving-haptic-feedback

185

自我 評量186

一、選擇題 前有＊代表為進階題

6-2　他激式電動機的特性

（　　）1. 有關直流電動機之敘述，下列何者正確？　A直流電動機的維護較感

應電動機簡易　B轉速增加時，反電勢減少　C磁通增加時，反電

勢減少　D若端電壓一定，電流增加時，反電勢減少。

（　　）2. 他激式直流電動機帶動具有固定轉矩之機械負載，電動機之電樞電阻

為 0.2Ω，省略電刷壓降及轉動耗損。已知電源電壓為 125V時，電樞

電流為 25A，轉速每分鐘為 1200轉；現在將電源電壓降為 105V時，

則轉速每分鐘變為若干轉？　A980　B1000　C1200　D1400。

6-3　分激式電動機的特性

（　　）3. 直流分激電動機若沒有保護設備，當運轉中，磁場繞組突然發生斷路，

將發生　A電動機停轉，有大電流　B磁通量降到零，電動機停轉　

C轉速變得很快　D重載時，電動機停轉，有大電流；輕載時，電

動機轉速變得很快，會損壞。

（　　）4. 如圖1所示，為何種直流電動機之轉速

與轉矩特性曲線？（圖中 IA為電樞電流）　

A差複激式　B積複激式　C串激式　

D分激式。

＊

圖1

自我 評量187

（　　）5. 下列何者是直流分激電動機之轉速 (n)與電樞電流 (IA)的特性曲線？

A

B

C

D

。

（　　）6. 某直流分激電動機外接負載運轉，取用電流為 16A，轉速為

1200rpm，若負載減少使得轉矩減半，則此電動機的電流應為　A32　

B16　C8　D4　A。

（　　）7. 一部220V分激式電動機，樞電阻為0.2Ω，若磁通 為定值，當滿載時，

樞電流為 100A，速率為 1400rpm，將電樞端電壓減為 140V時，滿載

速率為多少 rpm？　A840　B890　C980　D1400。

（　　）8. 一部直流分激式電動機，由相關實驗測得電樞電阻 0.5Ω，磁場線圈電

阻 180Ω，轉軸的角速度為 170rad/s（弳／秒）。當供給電動機的直流

電源電壓、電流分別為 180V與 21A時，則此電動機產生的電磁轉矩

為多少？　A8　B12　C16　D20　N-m。

＊

＊

自我 評量188

6-4　串激式電動機的特性

（　　）9. 如圖2所示，為何種直流電動機之轉速 (n)

與轉矩 (T)特性曲線？（圖中 IA為電樞電

流）　A差複激式　B積複激式　C分

激式　D串激式。

（　　）10. 串激式電動機於磁通飽和時，轉矩特性曲

線為　A 雙曲線　B 直線　C 拋物線　

D正弦曲線。

（　　）11. 在無載或輕載時，下列何者有轉速過高的危險？　A串激式直流電動

機　B分激式直流電動機　C三相感應電動機　D三相同步電動機。

（　　）12. 有一台串激式直流電動機，電樞電阻為 0.2Ω，場電阻為 0.3Ω，外接

電源電壓為 200V，且省略電刷壓降。已知電樞電流為 80A時，轉速

為 640 rpm；若轉矩不變，且希望電動機之穩態轉速改變為 400rpm時，

則場電阻應改變為若干？　A1.05　B1.95　C0.05　D0.95　Ω。

（　　）13. 某 100V串激式電動機，當負載電流為 10A時，其輸出轉矩為 6牛頓－

公尺，當負載電流為 20A時，磁場仍然未飽和，其輸出轉矩為多少牛

頓－公尺？　A3　B6　C12　D24。

6-7　直流電動機起動法

（　　）14. 直流電動機使用起動電阻的目的是　A增強起動轉矩　B增加功率　

C限制起動電流　D減少成本。

（　　）15. 某 100V直流分激電動機，滿載時電樞電流為 30安培，其電樞電阻為

0.25歐姆，若要起動時限制起動電流為 80安培，則起動器應有電阻

值為若干歐姆？　A10　B1　C0.8　D5。

圖2

＊

自我 評量189

（　　）16. 有一 1HP、100V之分激電動機，RA＝ 1Ω，起動時欲限制起動電流為

滿載之 200％，若忽略磁場電流與損耗，則所需串聯之電阻約為多少？　

A2.7　B5.7　C8.7　D11.7　Ω。

6-8　直流電動機速率控制法

（　　）17. 電源電壓不變，調低直流分激電動機之場變阻器電阻值，其轉速將　

A減慢　B加快　C不變　D降至零。

（　　）18. 某分激式直流電動機之無載轉速 1300rpm，已知其速率調整率為 5％，

則滿載轉速約為多少 rpm ？　A1220　B1238　C1254　D1267　

rpm。

（　　）19. 有一部直流分激電動機，滿載時，轉速為 1100rpm，速率調整率為

9.09％，無載時，轉速為多少 rpm ？　A1100　B2200　C1000　

D1200。

6-9　直流電動機的轉向控制及制動

（　　）20. 改變電源極性，下列哪一種直流電動機之轉向會改變？　A串激式　

B積複激式　C他激式　D分激式。

6-10　直流電動機之用途

（　　）21. 欲打一杯均勻細緻（需高速攪拌）的木瓜牛奶，下列何種直流電動機

較恰當？　A直流分激電動機　B直流他激電動機　C直流串激電

動機　D直流積複激電動機。

（　　）22. 電動車、起重機等低速需要大轉矩、高速需要小轉矩的機器，以何種

直流電動機帶動最適合？　A串激式　B積複激式　C他激式　D

分激式。

（　　）23. 下列直流電動機中，起動轉矩最大者為　A串激式　B積複激式　

C他激式　D分激式。

自我 評量190

二、問答題　

6-1　直流電動機的特性曲線

1. 試畫出分激式、串激式與積複激式電動機的轉速特性曲線。

2. 試畫出分激式、串激式與積複激式電動機的轉矩特性曲線。

6-7　直流電動機起動法

3. 為什麼直流電動機起動時，起動電流甚大？