1、機械動力特性馮丁樹改編(原高阪知武手稿)第一節序論特性(Characteristics)人有人的個性，機械也有其特性。只要能瞭解機械的特性，我們可以驅駛它為我們工作，不瞭解其性能，則往往要造成不良的後果。就定義而言，凡屬動力機械者，不論其為原動機或作業機，在正常作業過程中，都會遵循所預定的法則及在所許可之範圍內活動。但由於機械本身之構造不一，其所本之活動原理也相當分岐，不同機械之活動自然形成其特有之規則性，綜合此項運動規則，會產生該機械之特有性格，或簡稱為該機械之特性。特性之種類機械特性可有許多種，例如引擎運轉時，負荷與耗油率間之變化關係；精米機作業時，對胚芽保留之程度及相關品質的性能等均是。
2、但在諸特性當中，最普遍而又具科學性的則屬機械之動力特性。由於動力特性牽涉力量與速度間之消長關係，且在實際作業當中，十足具有破壞能力，對作業對象常易造成不可預測之結果。所以，凡是要處理動力機械的人，如果對該種機械的動力特性毫無把握，就等於騎馬而不知馬性，是極為危險的事。因此，瞭解動力之特性是設計機械重要的工作。特性的表示方法機械的動力特性是一種複雜而特有的觀念，藉此觀念之擴充與研判，可讓我們進一步瞭解動力機械本身之出力情況。一般言，未具備複雜電腦控制系統的動力機械其有關活動的因果關係較為單純，因此在相同原因下所造成的結果都應相同，不會產生變化莫測的機械特性。為方便討論起見，動力特性的觀念均可利用
3、曲線圖表示。惟就平面圖而言，一般均以二維變化為常態，故常以兩相垂直的座標向量表示兩種變數間之關係。只是有時其所牽涉之因素並不只兩種變數，較複雜的情況有時會牽連多種因子。此時若僅在單一平面圖上表現，將無法窺得全豹。部分特性曲線圖之應用於焉產生。何謂部份特性？舉一例：某部發電機在定電壓與定轉速之狀態下，所能發揮的供電特性，就是我們所謂之一種部分特性。而在其他電壓與轉速下，亦會產生相類似之部份特性。在此種情況下，必須綜合這些部份特性，方能對整個特性之變化有全盤性之瞭解。然而，又如何把握某部機械特性的全貌或清楚顯示出其整合特性？最簡便之方法則是盡量設法將許多部分特性在一張紙上重疊起來，加上其他技巧，來
4、表達出總合特性，有經驗的工程或技術人員一般都具有一種特有之能力，只憑幾張部份特性圖就能夠在腦海裡勾繪出機械之總合特性; 或者依其特有的靈感，直接把握整個機械之總合特性，專家之真正風格亦在此矣。特性曲線圖之製作就一般動力機械言，其有關之特性曲線都是按照實際檢驗之結果繪製而成，這種曲線圖最為確實。在經費、人力均充裕之情況下，這是一種最可靠而且值得推薦之方式。可是，有時常因檢驗設備不夠充實而無法繪出範圍甚廣的特性圖，要怎辦呢？如果有關這部機械之理論發展甚為完備，並且相關之公式或數據亦可利用，則直接採用計算之方法，亦能補充實際檢驗工作所不及之處，這也是目前電腦的專長。例如，電氣機械、水力機械、空氣機械
5、等，凡是在機體內活動的物質，其性質單純而有規律，都可歸併在這一類內。至於一般作業機械，由於所涉及之因子甚多，很難以公式化之方式來應用。尤其在處理普通農業作業機械之特性圖時，千萬不要隨便使用外插法伸張曲線，以擴大範圍，較保守的處理方式是以實際檢驗可及之範圍使用為安全。不過在電腦日益普及的今天，內插或外插法卻是很普遍的方法，這也是最危險的地方，雖然根據統計學的原理也可進行預測的工作，但其不確定性仍有如抽籤卜卦一樣，會使電腦的輸出結果變成一堆垃圾，毫無用處。機械特性曲線圖之概觀大體而言，機械特性線圖是為機械選擇工作上之方便而製作的，故其所慣用的表現型式繁多並無標準型式可循，雖然如此，其間仍有一些原則
6、存在：1.定速特性定速機械之活動，其速率大致一定。因此，在實際應用上，速度的變化問題可不加考慮。所以，在製作特性圖時，可先將速率固定在某值上，然後從相關諸因素當中，選出較實用且值得關切的因子，把它刻在水平軸上。另外，將其他因素之對應值，分別刻在垂直軸上，並以不同的曲線繪出，這是一般常用的方法。以抽水機為例，其典型之特性圖如圖1-1 所示。圖1-1 泵之效率、馬力、揚程與送水量間之關係在此，送水量Q 最為重要，故將Q 放在水平軸上。其他三種因素-軸馬力、揚程及泵效率等都放在垂直軸上。至於轉速，並無特定曲線，只有n=1000 rpm之標示。圖1-2 不同轉速下之其他特性表示法如果希望充分表達整個抽
7、水機之綜合特性，利用圖1.1 之方式在同一張紙上同時繪出各特性於垂直軸上，以產生不同之曲線之方法，則較不實際。圖1-2 是就流量Q 與揚程h 間之關係所繪製之特性圖。此時，在同一張紙上，繪有不同轉速條件下之Q-h 曲線群。這種線群組合，即是所謂之綜合性部分特性圖。如果再配合有關抽水機效率(圖1.3) 和軸馬力之等因子之相關曲線群，則同一張圖內可顯現範圍相當廣泛的抽水機總合特性。圖1-3這種線群之配合，若能詳加規畫，並利用繪圖的基本技巧，其所能得到的特性綜合能力將更為增強。以圖1.3 為例，設定速曲線群當中，曲線3 所示的轉速條件最配合於此部抽水機之操作。因此，在這種轉速條件下，應可得到最高效率
8、。由圖上所示，水量在Q1 時，其運轉效率最高。如果抽水量比Q1 值增加或減少，其效率均會惡化。故沿曲線3 (Q-h) 上可求得效率相當於80%、70%、60%等等之各點。由於每條Q-h 曲線都可用相同的方式得到對應之效率點，因此，整個線群內之相同效率點均可以虛線相連接，組成另一線群。構成如圖1.3 之等效率曲線群。此種線群之花樣，有如一般地圖所用的等高線群，故亦可以稱為效率等高線。這種技巧是為求得總合特性圖所發展者。(註) 此種總合特性表示方式常見於R.L. Daugherty 所著之Centrifugal Pumps (1915. New York)一書中。所以，Daugherty氏在總合特
9、性圖之製作上，可說是一個開拓者。2. 變速特性此種機械之運轉速率不定，所以在作業過程中，其速度會時快時慢。一般之交通工具所備之原動機就是屬於這類。在此情況下，人們最關切的是速度因素，故多將速度因素刻在特性圖之水平軸上。圖1-4 是為了圖上得到某部汽車能夠跑的最高速度所採用之表示方式。圖1-4 汽車、引擎特性圖以活動速率為主變數之特性圖，其使用範圍很廣，尤其是當要討論機械動力特性問題時大都採用此法。因為機械之活動速率為動力之基本因素之一，而且具有簡明之代表性。第二節機械動力特性動力機械所謂動力機械之定義並不明瞭，似有廣義與狹義兩種。按廣義言，凡是由於力的作用而活動的機械都是動力機械。那麼，除了電
10、子機械等以外，所有的機械大都可包括在內(如腳踏式脫穀機)。可是，按照世上通用的動力之字義來講，牛馬或人所生的動力似不可包括在內。因此，動力機械所含範圍應當是如下：1.機械原動機本身。2.被機械原動機推動才能做事的作業機。3.由機械原動機和作業機之兩者相連而成的，能夠獨立地做功的總合性機械。無論其定義如何，凡是要與動力相連之機械，操作時必然包括發生動力部分和做事部分，兩者共同存在。因此，在其操作過程中，亦必然有動力之施授現象發生。本來，產生動力的原動機與因受動力才能做事的作業機，兩者都具有其動力上的個性，不可隨便更改。假使兩者的特性不能互相配合，就會產生動力上的混亂，反而不能做事，有時又會惹起危
11、險的事件。機械動力特性之分析與研究因而相當重要。動力特性動力之意義本來是既要能動，也要有力，兩者密不可分。故就其特性探討，活動的因素反而成為主要的項目，茲就運動之類型加以討論。1. 直線運動牽引力或推力為力，走行速率為動。故凡是要分析這類機械之動力特性時，必需要討論上列兩種因素當中之互動關係。直線運動係以行進為主，當然亦包括兩點間之移動速率。但其所產生之力則需依據牛頓之加速定律規範，亦即力等於質量與加速度之積。2. 迴轉運動在迴轉運動中，擔任力之本質則為力矩。即在轉軸上所產生，或者從外施與轉軸的扭轉力。這本來是力矩，故以長度單位x 力量單位之形式表現之，按公制是公斤米。在此值得注意的是功之單位
12、公斤米和力矩單位米公斤，兩者成分相同，但其意義則完全不相同。因為兩者成分相同，故當進行次元分析時，分不出其間之差異，這是次元分析法本有之缺點。以力矩為特性之機械則如引擎、電動機等，其所用的扭力均採平均值。迴轉運動中，擔任動之本質則是轉速。轉速本來是機械的轉動現象當中，把尺寸觀念排除之後，所得之抽象性質。轉速就是角速度，是角度之變化速率d/dt。機械方面所常用的RPM ，即為每一分鐘迴轉的次數，可說是把一轉以360度為一單位角度之特殊性角速度。把一轉化為一個角度單位的做法是和一轉為360 度之方法一樣，毫無數學根據，只是依其方便性所決定的方法。故RPM 值和度數/單位時間值都不能直接參與於一般數
13、學運算系統中，通常必須先行換算。數學系統中可通用的角度單位是弧度(Radian)。有關動力之演算或在公式裡常見的2，就是為了補救RPM 本有的隔離性缺點而用的，因為一轉等於2弧度之故。力矩-轉速特性圖動力特性之分析方面最多用的是力矩與轉速間之特性圖，即轉速為主變數而成的特性圖。其理由如下：1.現用的動力機械大都是回轉式的。2.直線運動式機械也不會是例外，本來是回轉動力為起源，最後仍得到直線運動。3.扭力是內在因素，是很難從外面摸得到的東西。(其實，動力機械界裡，若有平衡、不平衡及轉動是否順利等問題發生，都是與扭力有關的問題)。4.轉速是外在因素，從外面看得很清楚而且測定容易。在我們的觀念裡這是
14、相當新近的東西。一般來說，當用曲線圖來表現於某種現象時，把較親近於我們的因素為主變數的機會為多。這大概是由於心理上的自然要求而如此的(圖中均以T 來表示扭力)。T-n 特性之分類如果不談起源，只看最後結果而言，t-n 特性大略可以分三種:1.水平特性2.漸增特性。3.漸減特性。圖2-1. 三種型式之T-n 特性這些都是由於機械活動原理之不同，或者是由於機械之特殊構造而所然的。每一種特性都有好處又有壞處，很難立即作評斷。第三節T-n 特性正作用和反作用無論是原動機或作業機，凡是屬於機械者都有其工作目的。在此所謂正作用的是為了達成工作目的所加諸之作用。可是機械一開始活動，就有另外一種跟工作目的無直
15、接關係的現象產生，例如馬達之電動勢、車輛之摩擦力等。這些項目有時可說是完全違反目的之達成工作，但卻同時並行發生，這可說是反作用。為釐清這個觀念，下面舉例說明之:機械種類正作用反作用風車受風力而生回轉機械動力起風作用，等於鼓風機水輪受水力而生回轉機械動力抽水作用，等於抽水機電動機受電力而生回轉機械動力發電作用，等於發電機蒸汽機受高壓蒸汽之力量而產生回轉機械動力壓縮作用，等於壓縮唧筒內燃機受高溫高壓空氣之力量而產生回轉機械動力壓縮作用，等於壓縮唧筒鼓風機(風扇) 以迴轉動力而產生高速或高壓空氣風車作用，發生逆方向之扭力。抽水機(水車) 以迴轉動力而產生高位能之水流水輪作用，發生逆方向之迴轉扭力。發
16、電機以迴轉動力而產生高電位並可通電流馬達作用，發生逆方向之扭力與動力。冷凍機(風扇) 以迴轉動力而壓縮氣體而得高壓高溫空氣蒸氣機作用，發生逆方向之扭力。踏行畜力機受馬的體重之分力而生迴轉動力除了由加速而生的力外並無其他反作用力。腳踏脫穀機受人體之部分重量而生迴轉動力同上以上所舉的是原動機和作用原理相反於原動機，但機內活物質等於原機的逆原動機型式之作業機則屬後面之兩種。以踏行畜力機為例，經由機構之轉換，雖能產生迴轉動力，但原理上等於馬體本身。一般作業機(例如：礱穀機、車床等)也可說具有動力特性。但這種特性則屬摩擦式煞車之性質，本身除慣性力外並無所說的反作用力存在，因此，機械對外所發生的反應之全是
17、摩擦現象引起，這種性質廣泛見於各種作業機之中，並無機械特質。摩擦是直接變為加熱作用，而且變成熱之後，將無法再返回到動力來，因為這個過程是不可逆的。因此之故，摩擦不可能發生抗力而控制動力，只能發生阻力而消耗動力，故摩擦因素不能算是一種反作用。亦即，一般作業機除具有慣性力之外，並無反作用。反作用之形態反作用和正作用兩者本屬相同，亦無本質上的差別。不過，由於環境之改變而改變立場，就成正或反之兩種作用而已。由於馬達與發電機在構造上同是磁場與轉子，其反作用之出現很容易由其轉動發電之觀念下進行瞭解。茲以下例說明之：一、直流分路發電機和直流分路馬達直流分路電機是具有定磁性格的一類，故本質上等於永磁電機(圖3
18、-1)。因此，按永磁型電機討論較方便。如果將一部永磁電機連接於變速原動機而推動，則可得如圖3-2 所示的發電狀態，在轉子或電樞轉動時，其所產生之電壓與其迴轉速成正比，或E = k n。圖3-1 永磁型發電機型式圖3-2 發電機之電壓(1)單獨運轉狀態: 在此可生的發電現象都是主作用，不會有所謂之反作用發生。電氣轉速計是在這種狀態下進行作業的。在電壓計中，雖然實際上是測定電壓，但其指示值則轉換為。這種狀態可說是無關於外界電壓(電位Potential)的遊離狀態。(2)將此發電機接於電源，使發電電壓對抗於電源電壓。在此電源卻能發揮正、反兩種作用。設轉速為c 時，發電電壓a 和外界電壓ex 互相平衡
19、，則這是臨界點，在轉速c 以上時是發電機。圖3-3 發電機之主作用與反作用在馬達境域內(n=0-c)，機械所發電的電壓就淹沒在外界電壓裡而看不見又無法測出來，可是所流通之電流強度明示潛在發電作用確實存在。這種處境的發電作用就是反作用。反作用是如以毒制毒，以牙還牙式的對抗作用，就是以本質上相同於外界侵略力的力量來對抗於外力之作用就是。(註) 固體磨擦、流體磨擦、電阻等不能做這種反抗作用，不過能消耗外界侵略力量而把它全部變成熱而已。能(Energy)之變態原則：1.由正作用所產生的功能中，若僅為克服反作用，則其所做的能量應屬於熱以外的另一種能。2.正作用所做的功能為克服磨擦(包括電阻、渦流等)，則
20、這些能量將全部轉變為熱。(如圖3-4)。圖3-4 熱之消耗比例馬達和發電機都不是以發熱為目的，故若產生熱就是損失。馬達與發電機同是以線圈轉子在磁場中轉動的動作。當外界加以加壓給電機時，開始時由圖3.4所示，在不同轉速下之熱損失情形，熱損失在正常轉速Nc 附近其所產生之熱量不多，但在離Nc 的範圍愈大時，其熱損失也愈大。分路電機之轉速特性即是一種明顯的例子，由於其磁場之電壓係另一分路的關係，故磁場固定，其實際工作轉速亦然固定，僅在如圖3-5 之p 範圍內而已。從另一個角度思考，此種機械僅能在轉速大略為一定下運轉，無法隨意擴大。這種機械即為所謂之定速機械。圖3-5 定速特性與Np 值一般言，凡屬分
21、路特性或採分路之電磁系統的電機，如直流分路馬達、直流分路發電機、交流分路馬達(普通型式之三相或單感馬達)等都屬於定速機械。這類之電機何故都有定速特性？ 因為這類電機之發電機特性都有之型式。(即所謂之定磁性格)二、直流串列馬達若將磁場電流與電樞電路相串聯，則兩者相互影響，這種電機即沒有定磁性，無法將磁極分開勵磁(圖3-6)。則磁力就按所通電流之多少而改變其強度，就是變磁電機。圖3-6. 直流串列馬達之構造圖3-7. 直流串列馬達之電壓變化在此，a 曲線對ex 線成漸近線而永遠不能超過它，因此並無臨界點c存在，也因而無機會變為發電機。若依上述能之變態原則，這類電機之效率應是跟著轉速之增加同時升高，
22、因為轉換為熱的部份愈小(圖3-7)。所以其能以實用的轉速範圍相當廣大。凡是有這種特性的機械可說是變速機械。正反作用之差距在各種轉速條件下，施以正作用及所存反作用間之差是屬於發熱的部份(圖3-7)，這是因為由正作用之施加，必存在某種流動之現象，例如電電、水流或氣流。這些流動現象會自然形成阻力，遂轉變為熱的一部份。也因為這種差異存在，能量才會往某一方向流動，產生能量之傳遞。而如何好好利用這個相差，盡量減低損失(變熱之損失)？這是機械設計或改良之關鍵，最為值得吾人研究之處。一、分路(Shunt)電機在此，為了提高能之變態效率，不能不採用範圍極窄的實用轉速範圍，換言之，ex-a (在馬達) a-ex(
23、在發電機)越小越好。舉例說，ex=100 伏特，a=96 伏特時，能之變態效率升高到96%，這樣才可合於實用條件。則ex- a=100-96=4 伏特。能不能靠著這樣微小的電壓而得足夠的電流強度？ 這就是轉子回路之電阻值之如何而定的問題。例如: 所需最大電流max=200 安培，可用之推動電壓，=4 伏特。則轉子系統之總和電阻4 伏特/200 安培=0.02 歐姆。假使某部電機能夠滿足上述之條件，則全負荷轉速=0.096c 時，這部馬達之扭力已經到達了其最大值，這部馬達之轉速變率大略等於4%。Tmax 式中= 磁力，其值不變max= 常用最大電流k= 常數這種電機之T-n 特性圖大概是如圖3-
24、10 所示的。圖3-8 扭力與定速這種馬達可說是定速特性相當好的馬達。定速特性就由轉子系統俱有之阻抗之增加而惡化。轉速變動率= （No -N）No 總而言之，就分路電機而言，其定速特性越好，由於轉子系統中之內電阻很小，其總合效率因而越高，可是一般實際機械方面，因為碰上實用上的種種要求，故不能只考慮總合效率之高而隨使提高其定速特性。(例如，三相感應馬達之起動特性，電風扇之變速能力等，後述)這裡雖然僅在上面談到馬達問題，但實際的情形仍可引伸到發電機的內部問題，因為兩者之基本性格完全相同。二、串列電機在串列電機中，其轉子之電路與磁場之電路相串聯，故只要一通電流，磁場其轉子同樣受到影響，亦即電流大時，
25、磁場及轉子迴轉力均同時增大，反之亦小。故為了減低發熱損失起見，不能不用粗線而捲數極少的勵磁捲線(實際上不是線，就是銅條)。如果，此時之轉子轉速極快，則只靠磁極所殘留(不通電時之殘留磁力)下來的磁力也可發電大略等於外界電壓ex 之反作用a(馬達)。那時，電流極小，略等於零，則因Ta，式中之a 和 都極小，故T 也極小，不過能夠自己維持空轉而已。相反地，轉速極慢時，因為正反作用之相差很大，並且，其內部電阻極小，故可通極大的電流。結果，公式Ta 當中之a 和磁場 同時增大，使T 大略按Ta2 而增加(如圖3-9)。因此，當負荷漸減而接近零時，除了極小型馬達之外，其轉速要自0 增加到無限大，此時很可能
26、由於轉速之過快，離心力過大，最後導致其轉子爆炸而破壞。雖然串列電機有這種危險性，但這種特性卻完全滿足交通車輛所需之條件。車輛無論何時，即時無負載情況下，仍有本身重量所造成之行進阻力，而在起動期間，確需要相當大的扭力。故電車、柴電火車頭、電動客、貨車等都用這種馬達；此外，在離心脫水機方面也是很好用。圖3-9 串列電機之Tn 特性這些方面之應用，因為馬達沒有機會空轉，故無爆裂的危險。至於使用圖3-8或3-9 特性之馬達，何種為佳?實際上是見仁見智，依實際之需求及使用之對象而定。交流電方面也有串列馬達，但分為兩類:1. 串列電路型: 等於直流馬達，其電樞有成層鐵心。2. 感應串列型: 例如反撥馬達是
27、。其扭力特性略等於直流串列馬達，但當速度高時，其阻抗變大，故空轉之危險性則較少。三、活塞式引擎蒸汽引擎及一般內燃機等都屬於此類。其作用原理相反於活塞引擎的作業機，是活塞型壓縮機。這類機械之活動情況較為特殊，因為它將要做的工作分為幾段，並按所定的順序完成，故根本沒有連續之特性，反而具有分段循環之工作性格。設若活塞式引擎活動時也會有反作用發生，則這作用一定是壓縮機之作用。電機的情況因為活動情況完全連續，故所發生的反作用就淹沒在正作用裡，外面看不出來。可是在活塞式引擎裡，因為活動型式屬於分段循環式，其反作用會在正作用之空擋，向外顯露，使人自外面看得清楚。1. 活塞式引擎之臨界點所謂活塞式引擎之臨界點
28、即是引擎變為壓縮機的境界狀態。設圖3-10 所示的引擎是完全的斷熱性的，活塞在上死點時，先打開氣門使高溫高壓之氣體進入於氣缸裡，此時氣缸內壓力升高。會將活塞向右推出，氣缸裡因此產生斷熱膨脹，活塞已到下死點時，壓力降到最低點P2，這段工作就是引擎之正作用，即對外做功，飛輪因而加快轉速得到動能。如果，外界一點功都不吸收，則飛輪繼續轉動而把活塞往內推動，終於達到上死點，則在氣缸裡發生斷熱壓縮，氣壓就經過同一曲線回到點P1。因為氣缸內氣體回復原狀，假使再打開氣門，無法使新氣進入於氣缸內，這種狀態真如彈簧之伸縮作用，根本不會產生引擎之真正作用; 壓縮機方面也是無事可做。圖3-10 引擎之動作組件圖3-1
29、1. 引擎之壓縮作用這就是無關於轉速而存在的另一種境界狀態。圖3-11. 四衝程之P-V 圖2. 引擎之作用在活塞到下死點時，若打開排氣閥間，使氣壓降低至P2(圖3-11)，然後又藉著飛輪慣性將活塞送回到上死點的位置，則氣壓可回到P1。此時，活塞壓縮氣體所需之功較少，故只需飛輪慣性力的一部份即可達成任務。而剩餘的力量則可對外作功。同時，由於P1之壓力比P1 低得很多，故外界的高壓、高熱氣體可以再進入，恢復到原先之狀態。此時即為引擎狀態。3. 引擎之反作用由圖3-11 可知：由P2至P1的過程即為引擎之反作用。依照能量轉換原則，反作用所佔的比例愈高，能量的變動率會愈高。但是反作用如果太強，以至於
30、達到引擎正作用點之臨界狀態時(即圖3-10 所示之P2 至P1 線)，飛輪對外將無法輸送任何動力。要此部引擎作功的希望也會落空。4. 內燃機引擎內燃機引擎是一種特殊的機械，因為它沒有臨界點。最主要它不是預先準備高壓氣體作壓縮的動能，而是在活塞壓縮回上死點時，利用燃料燃燒後之發熱作用，將氣體溫度升到最高。因此，引擎之反作用永遠不會超過正作用。結果亦無機會達到前述之壓縮機狀態。是以內燃機特有的原則：即壓縮比愈高，其效率愈高的情形方得以確立。5. 活塞引擎之扭力特性無論蒸汽引擎或內燃機引擎，由於採用分段循環作業的緣故，其所產生的扭力變動得甚為厲害，唯一的辦法是利用飛輪的慣性作為緩衝。因此其相關的扭力
31、均為平均值。引擎之扭力應為熱氣推動活塞之平均扭力與飛輪對活塞壓縮所需之平均扭力間之差。而實際的數值可能要扣除摩擦所造成之扭力損失。值得注意的是，在正常之運作範圍內，扭力之大小與氣體膨脹或壓縮之速率無關。理想的引擎扭力特性應如圖3-12 所示，無論正作用或反作用，均與轉速之快慢無關。圖3-12 理想之引擎扭力特性在實際的運作上，引擎的特性則與圖3-12 截然不同。對於一般引擎之運作而言，當引擎轉太低時，由於化油器之油門全開，化油器之效率降低，同時熱的損失也增加，使扭力大為降低；轉速太高時，因為氣體之流動摩擦阻力增加，其扭力也因而下降，故扭力特性會如圖3-13 所示的情形。曲線A 為一般引擎在油間
32、全開下之性能曲線，B 為賽車用之引擎性能曲線，後者之扭力高的範圍較廣，以應付高轉速下所需之加速力，但由於運轉不穩，不能作為一般用途。圖3-13. 在油門全開之情況下，兩種引擎之特性比較第四節轉速、力矩和功率T- 特性和功率之關係一般原動機與逆原動機之T- 可分為三種型態：原動機逆原動機(作業機)(1)無限下降型分路馬達(1)無限上升型分路發電機(2)急降漸近零線型串列馬達(2)急升飽和型串列發電機(3)水平型引擎類(3)水平型活塞壓縮機型因為動力有kT 的構造，故隨著T- 之不同特性，產生不同的P- 特性。圖4-1 所示為三種情形下之特性曲線。若T- 之關係呈直線下降(圖4-2)，此時在原動機
33、領域會出現最高點，而其最大功率應會發生在1/2 Nc 的位置。若T- 之特性屬急降近零線型(圖4-3)，則其特性曲線內並無臨界點存在，亦無逆原動機(或作業機|)領域。其最大功Pmax 應在靠近零點的位置，功率線P 則呈相當不規則的特性。圖4-1. 原動機與作業機之不同特性比較圖4-2圖4-3若T- 特性屬水平型，或扭力等於一定數，則P- 呈無限上升之直線型(圖4-4)。活塞型引擎及同型之壓縮機想P- 特性均屬此類。雖然此類型之P- 值不會無限升高，但其一直升高的趨勢則一直存在(如圖4-5)。值得留意的是當Ntmax Np max，且其間差值愈大時，其特性會愈穩定，更臻實用。圖4-4圖4-5電氣
34、與流體機械特性比較一般電氣裡所謂之電位差相似於水力方面之落差；而電流之觀念也類似於水流或氣流之念，兩者均具有量/時間之型式。尤其電氣機械中的分路電機，其活動原理特別相近於流體機械。如圖4-6 及4-7 所示，流體機械之實際T- 特性等於分路電機之T- 特性。因此，其產生之最大功率值均會發生在1/2 Nc 的情況下。實際上，流體機械可以將最大功率設定在1/2 Nc 轉速處，並以此為其標準轉速，例如柏爾登水輪或衝擊水輪等均可依此標準設計。但在分路電機中則不是如此，無法以前述1/2 Nc 轉速之規格運作。何以故?圖4-6 分路電機之扭力特性有關分路電機的問題或其特性變化主要是依其電路電阻之變化而作調節。因為電路上之電阻是比較容易調減的元素。所以一般之標準轉速反而選擇在靠近Nc 之處。此區域雖然正、反作用之差甚小(圖4-8)，但因電阻相當小的關係，反而可以獲得相當大的電流。使能量在變態處稍作改變即可獲得相當大的扭力。這是在電氣機械中特有的現象。流體機械是無法採用這種方式獲得較大的扭力。圖4-7 流體機械之扭力特性圖4-8 分路電機之負載情形至於流體機械方面，因為所處理的對象是有體積又有質量的物質，當轉速達到Nc 時，流體與葉片間已無相對運動，故無法在此獲得力之傳遞，所以不得不將轉速降至1/2 Nc，以獲得最大功率，因此其變態效率會降低至50%以下。10
