水中機器人的心臟 - 馬達

大綱 6-1 「電」與「磁」的關係

電生磁：電流磁效應 磁生電：電磁感應

6-2 「電磁」與「動力」 電動機的結構 電動機的種類

學習評量 參考文獻

6-1 「電」與「磁」的關係

小朋友，你知道什麼是電？什麼是磁嗎？電與磁之間到底有什麼關係呢？

 

其實，在十九世紀前，人們認為電與磁是兩種毫不相關的現象。直到奧斯特、法拉第以及馬克斯威爾等科學家出現，人們才知道，電與磁就像是一體的兩面，無法分開。電會生磁，磁會生電，因此，才帶動了電磁鐵、發電機、馬達、天線等重要發明，使人們進入電力與無線通訊的時代喔！

電生磁：電流磁效應

在 1820年，科學家奧斯特發現，通電的導線會使得旁邊的磁針偏轉，這就表示電流會產生磁力，使磁針轉動，就是科學上說的「電流磁效應」；隨後在 1825年就出現了「電流磁效應」的第一個應用：電磁鐵。

電磁鐵」是什麼？

電磁鐵是將導線纏繞在絕緣鐵棒上，當有電流通過的時候，就會使鐵棒成為帶有磁性的磁鐵，而當沒有通電的時候，它就沒有磁性。電磁鐵這樣的特性，讓它迅速的應用到電報、電話、喇叭等物品上。

喇叭發聲的原理

利用電磁鐵來搬運廢鐵

電話發聲的原理

小常識　★你知道電磁鐵與永久磁鐵有什麼不同嗎？ 永久磁鐵是一旦變成磁鐵就永久具有磁性，不會改變；電磁鐵只有在通電時才具有磁性。 永久磁鐵的磁力的強弱是固定的；電磁鐵的磁力強弱，會隨著電流的大小及纏繞在絕緣鐵棒外的線圈數多寡而改變。

磁生電：電磁感應

現在，我們知道電流可以產生磁力了，那麼，反過來看，磁力是不是也可以產生電流呢？

在 1831年，科學家法拉第發現，當磁鐵穿入或拿出金屬圈的瞬間，都會產生電流，但只有那一瞬間而已，其他時間則不會產生電流，也就是科學上所說的「電磁感應」。依據電磁感應的現象，法拉第成功的製作出歷史上第一臺發電機，從此以後，人們總算可以自行製造出源源不絕的電流，奠定了電力時代的基礎。

發電機的原理就是電磁感應的應用喔

6-2 「電磁」與「動力」

電磁力已經成為我們生活中主要動力來源，不論是風扇或冰箱與冷氣壓縮機的運轉，還是電車與磁浮列車的運

行，都是將電磁力轉為動力的結果。

電風扇的運轉是將電磁力轉為動力的結果喔！

電動機的結構

電動機（又稱馬達）可以驅動機械作旋轉或直線運動，是使電磁力轉換成動力的基本裝置。

電動機包含轉子與定子兩大元件：轉子為可旋轉或移動的部分；而定子則固定不動，提供轉子周圍的磁場。以直流馬達為例，轉子為電樞（線圈），定子為永久磁鐵。當我們將直流電輸入轉子上，轉子就成為電磁鐵，具有南北兩極的磁性；定子也會產生磁場，不斷吸引或排斥轉子，使轉子做旋轉或直線運動。

電動機的基本構造 電動機的轉動原理

電動機的種類

看完上述的馬達結構之後，小朋友是不是對馬達比較了解了呢，接下來我們將繼續介紹各式各樣的馬達，以及馬達在生活上的應用喔！

直流馬達

直流馬達是最早發明能利用電力產生旋轉運動的裝置，它可追溯到 Michael Faraday法拉第所發明的碟型馬達。法拉第 (Faraday)的原始設計其後經過不斷的改良，到了 1880 年代已成為主要的利用電力產生旋轉運動的裝置，但之後由於交流電的使用日趨普及，而發明了交流馬達，直流馬達的重要性亦隨之降低。

直流馬達的基本構造

直流馬達的工作原理

各種不同型式的直流馬達 風靡一時的四驅車為直流馬達的應用之一

交流馬達

1887年泰斯拉（ Nikola Tesla）在美國製造了第一步感應馬達，在馬達中以交流電流和一些固定的電磁鐵產生旋轉磁場，由於交流電的電壓和電流隨時間而變動，因此將交流電通過馬達的定子線圈，所產生的磁場並不是一個固定的磁場，而是隨時間而變化 N 極和 S 極的變動磁場，利用此特性，可經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，就如同周圍站了一圈的同學，大家順序伸手去推中間那一位同學轉動一樣，大家推的時間不一樣，那位同學便會旋轉，若推的時間一樣，那位同學便會靜止不動。

交流馬達基本構造及剖面圖

各種不同形式的交流馬達

小常識　★交流電的種類交流電可分為單相交流電與三相交流電。一般家庭大多使用單相交流電，而工廠、醫院等需較大用電場所則使用三相交流電。

步進馬達

步進馬達擁有比直流、交流馬達更容易控制轉速及啟停的優點，故在於當今資訊工業社會中，所扮演的角色日趨重要，尤以電腦週邊的一些裝置更是不可或缺的，如磁碟機，列表機 . 繪圖機等，又如 CNC工具機，機械人，順序控制系統等各種資訊工業產品中，無不以步進馬達作為其傳動的重心。

步進馬達基本構造圖

各種不同形式的步進馬達

小常識　 要讓步進馬達旋轉必須透過控制電路，利用電腦程式對步進馬達下指令馬達才會旋轉。

伺服馬達

伺服馬達是由一顆直流馬達與伺服控制電路所組成的，本身具有與步進馬達相同之功能，但唯一不同的地方在於伺服馬達多了回授的功能，舉個例子來說，命令伺服馬達轉一百次，它每轉一次就會回傳一個訊號跟我說它轉了一次，所以可以很明確的知道它轉了幾次，但是步進馬達就沒有這個功能，命令步進馬達轉一百次，它一樣會轉一百次，但實際上有沒有一百次，卻無法清楚的了解。

伺服馬達基本構造圖

伺服馬達被廣泛應用於遙控模型

學習頻量

小朋友試著找找看是不是還有其他種類的馬達呢？（可以參考書籍或 網路上的資料）

馬達在日常生活中的應用列舉三樣。

參考文獻

www.nmri.go.jp/eng/khirata/mechatro/lect/lect06_2006.ppt 獨立行政法人 海上技術安全研究所 http://www.tunglee.com.tw/age.htm 東力電機股份有限公司 http://www.montrol.com.tw/WEB/HSI_AC.htm 敏石系統有限公司 http://www.align.com.tw/shop/product_info.php?products_id=437 亞拓遙控世界