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消費型產品馬達驅動器精進

2014年10月07日  | Richard F. Zarr

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熱耗散是許多現代半導體裝置產生的副作用,雖然情況因低洩漏、低功率CMOS製程改善。但由於設計師不斷在更小空間內加入更多處理能力,導致溫度若未時時檢查,將會不斷升高。許多消費型產品運用風扇冷卻處理器等裝置,可是向來並不可靠,三相位無刷直流電馬達問世後,已顛覆風扇的可靠性與效能,卻也增添複雜度。


歷史背景

電子馬達自十九世紀初發明至今,至十九世紀末左右大幅改良,包括感應馬達的面世。今日幾乎在所有消費型電器內,均可見到感應馬達的身影,如冰箱、HVAC設備、泵浦、攪拌機等,電子馬達占美國近半耗電量(參考文獻1)。


目前馬達效能與表現均已改善,尤其是無刷(無整流器)馬達。捨棄整流器可提升效能 (減少磨擦力) 及可靠性 (避免整流器刷頭磨損與失靈),隨著整合驅動解決方案進步,無刷馬達如今相當常見,亦普遍出現於消費型與工業型應用。


機械整流直流電馬達

具整流器的直流電馬達為最簡易的旋轉機,常出現在眾多科學展內,原料可能是釘子、磁線、磁鐵、迴紋針等。馬達內不斷旋轉的部位稱為轉子,而控制磁極(長期具磁性或線圈)的固定部位稱為定子。


在具整流器的馬達內,轉子磁場永遠與定子磁場不協調,透過機械方式讓電流穿過對著整流器接點的刷頭,並隨著機器轉動,自動切換充電的磁極 (圖1)。


圖1、有刷直流電馬達包括多個重要元 (a),整流器以機械方式切換每一線圈的極性,將轉子拉近相異磁極與推離相同磁極 (b)。
圖1、有刷直流電馬達包括多個重要元 (a),整流器以機械方式切換每一線圈的極性,將轉子拉近相異磁極與推離相同磁極 (b)。

直流電連上馬達後,就會開始旋轉,由負載與機械磨擦力控制。彈簧強迫刷頭進入整流器,確保持續接觸,不過機械整流過程也造成射頻雜訊和磨擦等問題,產生所有機械都害怕出現的熱能。


機械整流會影響馬達電流路徑斷續,線圈均為儲存能量的電感,整流器切換電源時,電流持續流動,導致電壓大增,故在舊電源和電源之間產生小型電弧,電弧的頻譜很寬,可能影響消費型裝置內的射頻產品,如藍牙或 Wi-Fi 無線電,電弧也會傷害刷頭,縮短產品壽命。


筆記型電腦、家用電腦、機上盒及數百項消費型產品常得不間斷運轉,且在某些情況下,風扇也得持續運作。若馬達使用刷頭及整流器供應風扇電力,磨擦力也將造成馬達比電器用品更快損壞,若要解決磨擦損耗與射頻雜訊,可選擇移除刷頭,改採電子整流,無刷直流電 (BLDC) 馬達也因此出現。


(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)


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