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串激式電機(jī)的應(yīng)用與特性
串激式電機(jī) (Series Motors) 也稱作電刷式電機(jī) (Conventional Motors)，具備高扭力輸出的特性，常常被運(yùn)用在毋需精確轉(zhuǎn)速控制的電動(dòng)工具中，例如手提式電鉆、圓盤(pán)鋸或是臺(tái)式木工鋸床、木工角度切割鋸床等；其在構(gòu)造上使用機(jī)械式換相器 (Commutator) ，將電源供應(yīng)給電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組 (Armature)。由于采用接觸式機(jī)械結(jié)構(gòu)供應(yīng)電源給電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，所以業(yè)界也常常將換相器中的供電接觸器稱作電刷，常用的電刷多以石墨或是銅箔做為材質(zhì)。

因?yàn)殡娝㈤L(zhǎng)期與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子摩擦，會(huì)造成相當(dāng)程度的噪音 (Noise)、震動(dòng) (Vibration)、電磁干擾 (EMI, Electromagnetic Interference) 以及電弧 (Arcing) 等狀態(tài)，同時(shí)所磨耗的導(dǎo)電物質(zhì)粉末也會(huì)充斥在電機(jī)內(nèi)部，而導(dǎo)致若干程度的電氣污染 (Pollution Degree)。因此，該產(chǎn)品的制造商或研發(fā)者應(yīng)就產(chǎn)品安全、可靠度、或是維護(hù)成本的角度，進(jìn)行較深入的考慮。

此外，電機(jī)轉(zhuǎn)速或是扭力控制也是屬于較為復(fù)雜的層面，因此一般會(huì)需要使用外部的角度編碼器 (Encoder) 或是轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī) (Tachogenerator)，檢測(cè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的資料；再者，由于轉(zhuǎn)動(dòng)的繞組無(wú)法安置溫度保護(hù)開(kāi)關(guān) (Thermostat) 或是溫度保險(xiǎn)絲 (Thermal Cut-Off)，因此必須依靠測(cè)試各個(gè)部位的絕緣材料，如軸、線槽、換相器…等，評(píng)估產(chǎn)品是否會(huì)有電擊與火災(zāi)的危險(xiǎn)。

無(wú)刷式直流電機(jī)的應(yīng)用與原理
無(wú)刷直流電機(jī) (Brushless DC Motors, BLDC) 是利用電子換相電路將直流電源供應(yīng)到電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，因?yàn)闆](méi)有機(jī)械式的電刷，所以被稱作無(wú)刷直流電機(jī)。由于無(wú)刷直流電機(jī)具備了高效率、精淮的控制性能、以及能夠利用電子構(gòu)裝來(lái)達(dá)到安全規(guī)范的要求等特性，所以在全球大力要求節(jié)能、減碳的訴求下，目前已被廣泛的應(yīng)用在冷凍空調(diào)范疇，如現(xiàn)今時(shí)興的 DC 變頻、無(wú)刷直流；或如在油電混合車的運(yùn)用、及如吊扇等某些高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的家電產(chǎn)品中。

目前最常用到的電子驅(qū)動(dòng)方式，有利用霍爾效應(yīng)元件 (Hall effect sensors) 或是反電動(dòng)勢(shì) (Back EMF) 來(lái)偵測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的機(jī)械角度 (Mechanical Angle) 或電機(jī)角度 (Electrical Angle)，然后淮確的控制 MOSFET 的開(kāi)關(guān)，以達(dá)到電機(jī)持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

以利用霍爾元件的方式為例，霍爾效應(yīng)符合以下的關(guān)系式：

其中 VH 為霍爾電壓，IH 為霍爾電流，KH/d 為霍爾元件電磁系數(shù)，K 為霍爾組件不平衡系數(shù)，B 為磁通密度 (Magnetic flux)。

由此關(guān)系式可以了解，霍爾電壓與磁通密度 (也就是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度) 及霍爾電流成正比，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁軸與霍爾組件不同軸時(shí)，磁通較小。為了維持固定的霍爾電壓，必須增大霍爾電流，如此便能精確的算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)通順序與時(shí)間。

《圖一》為霍爾元件與直流電機(jī)所構(gòu)成的兩相式 (Two Phases) 無(wú)刷電機(jī)的電路模型。

   
當(dāng)轉(zhuǎn)子磁軸與霍爾組件同軸時(shí)，霍爾組件與 S 極的距離變得最短，磁通密度則為最高，造成霍爾元件 A 端子的電壓較大，使得電晶體 Q1 導(dǎo)通，i1 電流在線圈 L1 內(nèi)流通，線圈 L1 因而呈激磁狀態(tài)，依據(jù)右手定則，得知線圈 L1 右側(cè)為 S 極，故轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子 S 極遠(yuǎn)離霍爾元件時(shí)，磁通密度便向下降，此時(shí) A、B 端不再產(chǎn)生霍爾電壓，電晶體 Q1、Q2 呈OFF 狀態(tài)，轉(zhuǎn)子因受慣性作用，繼續(xù)反向旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子 N 極轉(zhuǎn)至霍爾元件時(shí)，霍爾元件 B 端子的電壓便相對(duì)較大，使得電晶體 Q2 導(dǎo)通，此時(shí)線圈 L2 內(nèi)有 i2 電流流通，因此線圈 L2 呈激磁狀態(tài)，轉(zhuǎn)子再度受磁力作用反轉(zhuǎn)。依照如此程式，轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

無(wú)刷式直流電機(jī)的特性
霍爾組件式無(wú)刷直流電機(jī)由于利用霍爾元件來(lái)感應(yīng)激磁順序與時(shí)間，轉(zhuǎn)子的相位為 /2 時(shí)便可令定子 (Stator) 導(dǎo)通，因此能減少不必要的電能浪費(fèi)，同時(shí)也可以適時(shí)的提供轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所需的電磁力，大幅提升電機(jī)輸出扭矩與效率，這也是所有無(wú)刷直流電機(jī)所能提供的最大優(yōu)勢(shì)。

在無(wú)刷直流電機(jī)的硬體中，以電子回路取代了機(jī)械式換相器與電刷，電氣污染的問(wèn)題也不會(huì)出現(xiàn)。同時(shí)，對(duì)于電子電路所擷取到的電氣訊號(hào)，還可以利用其他的邏輯電路做訊號(hào)的放大、比較，而使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的效率提升。

更重要的是，原先無(wú)法利用外加硬體保護(hù)裝置來(lái)保護(hù)電機(jī)的問(wèn)題，在無(wú)刷直流電機(jī)上可以利用微處理器 (Micro Processor) 與軟件，來(lái)判斷電子電路所截取到的電氣訊號(hào)，而達(dá)成電機(jī)堵轉(zhuǎn) (Locked Rotor)、欠相 (Lost of Phase)、過(guò)負(fù)載 (Running Overload)、以及其他與安全功能相關(guān)的管理與保護(hù)。

相對(duì)而言，對(duì)于提供了電子保護(hù)功能的無(wú)刷直流電機(jī)，由于使用了大量的電子裝置來(lái)擷取與處理電氣訊號(hào)，因此必須接受電磁相容性 (EMC, Electromagnetic Compatibility) 評(píng)估；至于軟件的可靠度，與有否考慮到相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，并且在軟件中有加以管理以及保護(hù)，也必須予以評(píng)估。

控制模組UL安規(guī)認(rèn)證
UL 1004 電動(dòng)機(jī)安全標(biāo)淮中包含了對(duì)電子保護(hù)式電機(jī) (Electronically-Protected Motors) 的規(guī)范，其 UL 產(chǎn)品類別編號(hào) (CCN, Category Control Number) 為 XDNW。該標(biāo)淮的章節(jié) 18B 中清楚的要求，凡具有電子保護(hù)控制器的電機(jī)，如屬于商業(yè)或家庭用途，有關(guān)控制器便必須符合 UL 60730-1A 標(biāo)淮；倘若具有電子保護(hù)控制器的電機(jī)將只會(huì)使用在工業(yè)用途上，有關(guān)控制器則必須符合 UL 508 標(biāo)淮。

UL 60730-1 標(biāo)淮的適用范圍則為家庭用 (也包含類似用途，例如商業(yè)用途) 電器產(chǎn)品的控制器，這是一本與 IEC 60730-1A 標(biāo)淮合併的安全規(guī)范，在其附錄 H (Annex H) 內(nèi)提供了針對(duì)電子式控制器的相關(guān)安全規(guī)范，且包含了軟件及電磁相容的條文。

UL 60730-1A 將控制器依照用途，劃分成運(yùn)轉(zhuǎn)用途 (Operating Control) 及保護(hù)用途 (Protective Control) 兩大類。顧名思義，運(yùn)轉(zhuǎn)用途控制器指的是在正常操作條件下，使設(shè)備啟動(dòng)、運(yùn)行的控制器，例如機(jī)械式單相交流電機(jī)啟動(dòng)開(kāi)關(guān) (Motor Starting Relay)，就屬于運(yùn)轉(zhuǎn)用途控制器；而保護(hù)用途控制器，指的則是當(dāng)設(shè)備在非正常的操作條件下，提供危害防護(hù)功能的控制器，例如防止無(wú)刷直流電機(jī)因?yàn)槎罗D(zhuǎn)、欠相或是過(guò)負(fù)載，而造成功能不正常，甚至導(dǎo)致電擊、火災(zāi)發(fā)生的控制器，就屬于保護(hù)用途控制器。

控制模組UL安規(guī)認(rèn)證案例
一個(gè)具有軟件保護(hù)功能、商業(yè)或是家庭用途的無(wú)刷直流電機(jī)，在 UL認(rèn)證的要求上來(lái)說(shuō)，需要符合下表所示的安全規(guī)范：

在認(rèn)證的流程上來(lái)說(shuō)，首先要確認(rèn)此一無(wú)刷直流電機(jī)的最終產(chǎn)品使用者為誰(shuí)，以及其最終使用產(chǎn)品的安規(guī)是否接受以 UL 60730-1A 做為控制器的評(píng)估標(biāo)淮。

在確認(rèn)無(wú)誤后，會(huì)先執(zhí)行控制軟件的UL安規(guī)認(rèn)證，包括與客戶以面對(duì)面的方式審查、測(cè)試軟件，在取得軟件認(rèn)證后，緊接著的是控制器硬件的審查與評(píng)估，最后才會(huì)是無(wú)刷直流電機(jī)的認(rèn)證。

與其他產(chǎn)品隨機(jī)認(rèn)證的模式不同的是，這三個(gè)認(rèn)證評(píng)估有相當(dāng)緊密的從屬關(guān)系，也就是軟件會(huì)決定硬件電路的配置，也會(huì)影響最終無(wú)刷直流電機(jī)的功能與硬件結(jié)構(gòu)，因此三者無(wú)法同步進(jìn)行，必須循著順序，一一完成認(rèn)證。

此外，上表中的 ANSI/UL 1998 同時(shí)亦是美國(guó)國(guó)家標(biāo)淮 (America National Standard, ANSI)，其名稱為 Software in Programmable Components，是針對(duì)可程式電子元件 (如Microprocessor, Microelectronics) 所使用的軟件 (也稱作軟件或編程) 的安全及性能所編寫(xiě)。在安規(guī)中對(duì)于 Microelectronics 的明確定義為：內(nèi)含 1,000 個(gè)以上的數(shù)位邏輯閘 (Logic gate)，或是∕以及有多于 24 個(gè)功能，或是∕以及可以重復(fù)編寫(xiě)程式的電子元件。與一般消費(fèi)性電子商品最大不同處在于，軟件并沒(méi)有實(shí)體視覺(jué)上的結(jié)構(gòu)可以直接觀察，因此只能透過(guò)編碼程式看到原始程式碼，或是利用模擬器，甚至是在最終產(chǎn)品上，才可以看到其設(shè)計(jì)功能的展現(xiàn)，所以在審查的方式上與消費(fèi)性電子商品完全不同。

我們可以說(shuō)軟件設(shè)計(jì)相當(dāng)于文學(xué)、詞曲創(chuàng)作，因此，進(jìn)行認(rèn)證時(shí)除了審查其設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)最終功能外，更重要的是，其設(shè)計(jì)的歷程及軌跡是否有完整的考慮到所有與安全相關(guān)的議題，這也是為何軟件的UL安規(guī)認(rèn)證一定要以面對(duì)面的方式審查。

在審查的初期，客戶必須先提供電路圖或含有硬件電路設(shè)計(jì)描述的設(shè)計(jì)書(shū)，以及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)畫(huà)與分析報(bào)告。在面對(duì)面的審核時(shí)，UL 工程師會(huì)依據(jù)電路設(shè)計(jì)圖，詢問(wèn)訊號(hào)的流向，與確認(rèn)相關(guān)的物理量，例如時(shí)間、電流、電壓等后，即依據(jù)客戶所提供的資料，來(lái)判定哪些軟件的功能必須以測(cè)試的方式再次驗(yàn)證，這其中亦包含客戶宣告的功能測(cè)試、以及在程式碼中注入的錯(cuò)誤碼、或是將硬件電路予以開(kāi)∕短路，來(lái)確認(rèn)非正常情況下的保護(hù)模式。

在透過(guò)軟件認(rèn)證后，會(huì)以程式的版本號(hào)碼及回圈校驗(yàn)和 (Checksum)，或是其他方式，來(lái)為軟件設(shè)定獨(dú)一無(wú)二的識(shí)別標(biāo)示。此時(shí)專案即可以進(jìn)行到下一階段，也就是以 UL 60730-1A 標(biāo)淮審核控制器硬件。

UL 60730-1A 主要評(píng)估是控制器硬件的安全與性能，UL 60730 工程師會(huì)依據(jù) UL 1998 工程師的結(jié)案報(bào)告，與客戶所提供的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能宣告表單 (CDF) 進(jìn)行審查。

該審查流程將包含結(jié)構(gòu)審核、以及產(chǎn)品測(cè)試與結(jié)案審查。UL 60730-1A 是一本包含了功能安全 (Functional Safety) 概念的安規(guī)標(biāo)淮，在測(cè)試方面除了傳統(tǒng)的產(chǎn)品安全性 (電擊、火災(zāi)、人員傷害的風(fēng)險(xiǎn)) 評(píng)估，如溫升 (Heating)、耐壓 (Electric Strength)、耐用性 (Endurance) 與電氣絕緣間隙 (Creepage and Clearance) 等評(píng)估外，還涵蓋了產(chǎn)品功能性安全的評(píng)估，如宣告功能的飄移測(cè)試 (Deviation and Drift)、電磁相容測(cè)試 (EMC)、以及環(huán)境老化測(cè)試 (Environmental Stress) 等。

UL 60730-1A 雖為通用的安規(guī)要求，但針對(duì)特定的產(chǎn)品類別，還需要加上第二部規(guī)范的評(píng)估 (詳見(jiàn)表二)，如溫控器要符合 UL 60730-1A 及 UL 60730-2-9；另認(rèn)證的方式可以是限定用途的元件 (Unlisted Component) 或是非限定用途元件 (Recognized Component)，如絕大多數(shù)的無(wú)刷直流馬達(dá)控制器是使用在特定的馬達(dá)上，同時(shí)其最終產(chǎn)品的用途也固定，就會(huì)被視為限定用途的元件，產(chǎn)品類別編號(hào)則為 XACN3。

《表二》UL 60730 系列適用的產(chǎn)品類別范例概述

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