從瞬間啟動與正常運轉扭矩談空壓機節能省電與穩定可靠程度

討論這個問題之前，我們想要先定義｢扭矩｣並探討空壓機啟動扭矩與運轉扭矩較高時對空壓機 (系統) 會有哪些影響？首先，所謂的｢機械扭矩（Mechanical Torque）｣簡單來看指的是是指一個力讓物體繞某一軸心旋轉的能力。我們可以把它想像成「轉動力」或「轉動的力量大小」。更精確的物理定義：扭矩=力×力臂；其中：

單位：牛頓‧米（N·m）

力（F）：施加在物體上的力（單位：牛頓 N）

力臂（r）：從旋轉中心到施力點的距離（單位：公尺 m）

以我們在日常生活中使用活動板手工作做為例子，我們用板手轉螺絲 → 你手的力 × 板手的長度 = 扭矩；用短的板手轉不動，但換長板手就能輕鬆轉 → 力臂增加，扭矩大。

而事實上，當空壓機的瞬間啟動扭矩與正常運轉扭矩都偏高時，會對整體系統的能耗效率與運作穩定性造成顯著影響。以下從兩個面向詳細說明：

扭矩對於機器設備「妥善率與穩定性」的影響

1 壓力穩定性差

高扭矩空壓機本身啟動與停機切換會帶來壓力震盪。
在小儲氣桶或控制壓差太小的情況下更明顯。
導致終端設備（如氣動工具、醫療儀器）壓力不穩、性能變差。

2. 震動與噪音大

高啟動扭矩造成瞬時轉動慣量衝擊，對底座、管線與皮帶張力都造成影響。
長期造成機體鬆動、接頭漏氣、軸承磨損，降低整機穩定性。

3. 馬達與壓縮機過熱風險上升

長期高扭矩運轉 → 溫升大 → 散熱不良。
溫升會造成：
- 馬達繞組絕緣老化。
- 若為有油式空壓機則空壓機潤滑油變質。
- 壓縮效率下降、反覆循環失控。

4. 啟動保護動作頻繁

因瞬間電流大、熱量高，容易造成：
- 過載保護器頻繁跳脫。
- 馬達啟動失敗或延遲。
- 電箱發熱、斷路器誤動作。

扭矩對於啟動與運轉「能耗」的影響

1. 啟動能耗浪費大

啟動扭矩高 → 馬達每次啟動需輸出大量能量克服初期慣性與壓力負載
伴隨的**啟動電流極高（5~8倍以上）**會造成：
- 短時間的功率暴衝。
- 產生熱能而非有效機械功。
- 電力浪費、電費尖峰計價（尤其商用三相電）。

2. 正常運轉耗能也偏高

高扭矩代表機械負載大，馬達需長期處於高功率輸出狀態：
- 轉換效率降低（如馬達效率從 90% 降到 75%）。
- 轉速與負載不匹配時會出現「能耗高但產氣效率低」的現象。
若冷卻與有油式空壓機潤滑不足，更會造成潛在過熱→效率進一步下降。

3. 無功功率與功率因數惡化

高啟動/運轉扭矩造成電網負擔加重，導致功因下降。
尤其在無變頻控制下，馬達無法調整輸出功率→浪費明顯。

三馬力活塞式空壓機與渦卷式空壓機扭矩比較

我們將以科研實驗室常見的3馬力空氣壓縮機作為探討扭矩的範例，並且以科研實驗常見的60Hz 220V電壓的活塞式空壓機 ( 轉速RPM1,440 ）與渦卷式空壓機 ( 轉速RPM3,660) 來分析｢瞬間啟動扭矩｣以及｢正常運轉扭矩｣的數據與影響。

活塞式空壓機

啟動扭矩 T_start取決於馬達功率與轉速， T 牛頓米 = ( 9,550 x 馬達功率 ) / 轉速，其中9,550 是功率與扭矩換算的常數；如果一組馬達帶動兩個活塞汽缸則通常扭矩會再提高10~20%左右。

依據上述計算式所得額定扭矩約為 14.85Nm 左右，T_start 活塞式空壓機無壓直接啟動扭矩通常為額定扭矩的1.6~1.8倍，所以瞬間啟動扭矩約為 24~27Nm，瞬間啟動電流約為55~65安培，而雙汽缸活塞式空壓機實際正常運轉的扭矩考慮損耗後約為17~18Nm。

渦卷式空壓機

依據上述計算式所得額定扭矩約為 5.94Nm 左右，T_start 渦卷式空壓機無壓直接啟動 ( DOL ) 扭矩通常為額定扭矩的1.5~2.5倍，所以直接啟動模式瞬間啟動扭矩約為 9~15Nm，瞬間啟動電流VFD約為20~45安培；變頻啟動 ( VFD ) 扭矩通常為額定扭矩的 0.5~1.0倍，所以變頻啟動模式瞬間啟動扭矩約為 3~6Nm，瞬間啟動電流VFD約為13~20安培，而渦卷式空壓機實際正常運轉的扭矩考慮損耗後約為6.6Nm。

雙缸活塞式與渦卷式空壓機比較 (三馬力為例)

瞬間啟動扭矩比較

雙缸活塞式空壓機 24~27Nm

渦卷式空氣壓縮機 3~ 6Nm (VFD變頻啟動)

渦卷式空氣壓縮機 9~15Nm (直接啟動)

正常運轉扭矩比較

雙缸活塞式空壓機 17~18Nm

渦卷式空氣壓縮機 6.6Nm

瞬間啟動電流比較

雙缸活塞式空壓機 55~65安培

渦卷式空氣壓縮機 13~20安培 (VFD變頻啟動)

渦卷式空氣壓縮機 20~45安培 (直接啟動)

正常運轉電流比較

雙缸活塞式空壓機 9.3~11.4安培

渦卷式空氣壓縮機 7.5~10.4安培

如果空壓機系統又因為規劃選型不佳，造成空壓機啟停頻繁，那麼即使都是工業級設計的，活塞式空壓機的耐久穩定與使用壽命也可以預期比渦卷式空壓機面對更大的挑戰。

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