一、馬達(motor) v.s. 幫浦(pump)
在中文的水族討論中我們往往會將運輸液體的設備統稱為「馬達」，不過這個詞其實是源自「Motor」的音譯。Motor另一個常見的翻譯是電動機，其定義指的是將電能轉換為機械能作功的設備;我們一般所指的流體移動設備其實應該使用幫浦比較準確，這個詞源自「Pump」的音譯，又常被翻作泵(ㄅㄥˋ) ，指的是透過一動力源移動流體的設備，而在水族缸中常見的幫浦動力源便是以電驅動的馬達。
在這篇文章中我會分別介紹不同種類的馬達與幫浦以及它們常見的用途，不過名詞的使用上我有時會用一些簡稱或是一般玩家比較習慣的方式來稱呼避免變得太饒口。
二、馬達
1. 交流感應馬達 (AC Induction Motor)
在一典型的馬達中通常會有轉子(Rotor)和定子(Stator)兩構造。顧名思義，轉子是馬達中實際在旋轉運動的部分，定子則是固定的部分，而馬達之所以能產生動力是藉由將電流通過轉子或定子(視馬達種類而定)產生感應磁場使轉子運動。
交流感應式馬達的轉子有許多的線圈，而隨著交流電被輸入定子，不斷改變的電流會生成磁場使轉子中的線圈也產生感應的磁場並開始轉動。這類型的馬達又被稱做異步馬達，因為其轉子中的磁場是藉由感應生成的故轉動不會與定子中的磁場改變狀況同步。在水族用途中，交流感應馬達通常用於推動在臥式馬達或揚水馬達這類非沉水式的幫浦。其優勢在於能以低廉的成本作出相當大輸出且耐用的馬達，但缺點是馬達體積往往很大且若轉子在運轉過程中被卡住可能會傷到馬達本體。
圖一、由三相交流電所需動的感應馬達示意圖。這類型的驅動方法比較常見於工業用途，而若要用一般居家的單相交流電驅動的話另一種常見的方式是接上一電容來補足其他phase的電流。(圖片來源: 異步電動機)
圖二、鼠籠式交流感應馬達的構造。可以看到在轉子的後方也常會接上一風扇讓馬達運轉時可以順便降溫。(圖片來源: Induction Motors: Construction, Principle of Operation, Power and Torque Calculations, Characteristics and Speed Control)
圖三、水族用揚水馬達的內部構造。可以看到帶有線圈的轉子(左上)和定子(左下)。(圖片來源: 養魚的上部過濾器（揚水馬達）通電沒有反應)
2. 交流永磁馬達 (AC Permanent Magnet Motor)
交流永磁馬達與交流感應馬達的差異在於永磁馬達的轉子為永久磁鐵而非線圈透過電流磁效應生成的電磁鐵，不過在驅動時一樣是使用交流電。水族常用的交流永磁馬達通常內部會有兩組線圈，而隨著單相交流電的電流方向變化，轉子中的磁鐵也會不斷的被吸引和排斥進而持續旋轉(圖四)。
這類型的馬達優勢在於其體積可以設計得更小且不會像感應馬達一樣會因轉子卡住造成馬達毀損，因此許多水族用的沉水馬達或水陸馬達便是採用這種驅動方式;而缺點則是包含了不耐反覆開關以及在運轉時無法控制其旋轉方向性，因此若要作為幫浦使用就得將其設計為兩邊轉都能運作的對稱構造或是用一些卡榫避免倒轉。
圖四、交流永磁馬達隨單相交流電變化而旋轉。(圖片來源: Synchronous Motors)
圖五、一水族用沉水馬達之定子與轉子構造。可以看到紅黑兩組線圈以及中間白色的轉子。(圖片來源: 220V AC Fish Pond Submersible Water Pump Tear Down - What's inside?)
圖六、定子之線圈構造。中間C型的金屬層板可增強磁場。(圖片來源: 220V AC Fish Pond Submersible Water Pump Tear Down - What's inside?)
3. 直流有刷馬達 (Brushed DC Motor)
直流有刷馬達的定子為永久磁鐵，轉子則是有數組線圈，因此結構上正好與交流永磁馬達相反。運轉時直流電會透過電刷(Brush)輸入轉子上的線圈中形成磁場與定子中的磁鐵產生作用力而旋轉，而隨著角度改變，電刷就會和線圈斷開接上下一組線圈持續提供扭力。直流有刷馬達的優勢在於轉速控制容易，但缺點是電刷會隨著運轉而磨損因此並不適合長時間運作，因此在水族設備中的運用則比較常見於滴定的蠕動泵等不需持續運作的用途。
圖七、直流有刷馬達運作示意圖。(圖片來源: What are Brushless DC Motors)
4. 直流無刷馬達 (Brushless DC Motor / BLDC)
一般在市場上常見的「變頻馬達」或是「DC馬達」其實多半是指直流無刷馬達。雖被稱作直流馬達，但BLDC的運作原理和結構其實反倒比較接近前面的交流永磁馬達，不過會需要以直流電來輸入所以才有此稱呼。在一般居家運轉時，BLDC馬達會需要用交流轉直流的driver來供給電流，接著直流電會再經由Electronic Speed Controller (ESC)轉為可控制頻率的三相電依特定的順序輸入定子中的線圈產生交替的磁場。
由於以三相電來運作，BLDC的定子極數必為三的倍數而轉子的永久磁鐵極數則會是二的倍數，隨著極數越多馬達的扭力會上升但轉速則會下降，這也就是一些產品文宣中看到的XX極馬達的意義。BLDC的優勢在於轉速的調整容易且轉動方向是可以被控制的，此外其緩啟動以及變頻能力也使其比起其他馬達更安靜;缺點的話則是輸入的電流會需要多次的轉換，因此往往會有額外的driver和控制器。
圖八、直流無刷馬達運作示意圖。(圖片來源: What are Brushless DC Motors)
圖九、直流無刷馬達的ESC輸出三相電波形圖。可以看到此三相電和典型的的交流電的差異在於其波型不會是完全的正弦曲線，頂多只能藉由控制器的修飾讓其接近正弦波形。(圖片來源: Experimental Results of a locally developed BLDC Motor Controller for electric tricycle)
5. 步進馬達 (Stepper Motor)
步進馬達算是直流無刷馬達的變體。相對於常規的BLDC，步進馬達的轉子上通常會有更多的磁鐵，而這些磁鐵會以N及S磁極交互的方式排列並部分對應上定子上的凸起，部分則錯開。轉子上這些磁極的數量則決定了馬達一步的角度大小，而隨著定子被輸入兩相交替的電流切換磁場方向，轉子切齊及錯開的部分也會改變並開始轉動。步進馬達的優勢在於可以做到很精細的調控(視每步角度而定)，但缺點是耗電量較大且在高轉速下扭力會大幅下降，因此在水族用途中較常見於一些高價位的滴定蠕動泵的驅動。
圖十、步進馬達運作示意圖。(圖片來源: Stepper Motors and Arduino – The Ultimate Guide)
三、幫浦
1. 葉輪式幫浦 (Impeller Pump)
葉輪式幫浦又被稱作離心泵(Centrifugal Pump)，其基本構造包含了流體的吸入口、排出口、旋轉的葉輪(Impeller)、以及導流用的空間(Volute)。葉輪式馬達的運作原理為利用葉輪的旋轉來將流體往外甩後以volute將其導至出口，而這也是離心泵一稱的由來。
葉輪的設計根據其是否有前後蓋分為開放式(Open)、半開放式(Semi-open)、和封閉式(Closed)，以及根據其葉片設計分為Backward、Forward、Radial。開放式的葉輪設計有不易被雜質卡住以及生產容易的優勢，但在效率上則是封閉式葉輪更勝一籌，而半封閉則在兩者之間。
再來則是三種葉片設計的差異(圖十一)。Forward葉片在同尺徑下有較高的輸出且出水壓力(揚程)也會隨著流量增加而上升，不過由於運轉時較大的阻力故有耗電量和噪音大以及馬達壽命會減短等缺點，因此除了少數需高壓力輸出的場合外較少被使用;Backward葉片雖輸出壓力會隨流量下降但由於阻力較小因此在同流量下的耗電量和噪音都最低且比較不傷馬達;Radial葉片的輸出壓力則和流量無關，至於耗電量和噪音則在前兩者之間。
除了三種常規的葉片外，另一種葉片變體為蛋白機所使用的針刷葉(圖十八)。針刷葉式幫浦在運作時會透過入水加裝的文氏管同時吸入空氣和水，並透過葉片將吸入的空氣打成細密的氣泡。這類型的葉片通常會設計許多針狀甚至是網狀構造來增加接觸的表面積讓氣泡可以被打的更細，不過缺點則是會犧牲一定的輸出流量和壓力且容易卡上髒污造成造泡效率下降。
葉輪式幫浦算是在水族飼養中最被廣泛運用的一種幫浦，通常由交流感應、交流永磁、或直流無刷馬達驅動。由於其進出水口可以接上不同配管來導流，葉輪式幫浦可以用來供給不同設備水流或是直接作為缸中的造流，不過要注意的是若幫浦本體在運轉時為離水狀況的話還是會需要事先引水否則無法自行開始抽水。
圖十一、三種不同的葉片設計。(圖片來源: Centrifugal Fans & Blowers)
圖十二、Backward葉片式葉輪幫浦的運作示意。(圖片來源: Centrifugal Pump: How Does it Work?)
圖十三、使用交流永磁馬達驅動的沉水離心泵。可以看到其volute採對稱的設計以確保即使倒轉也能正常運作。
圖十四、圖十三中的幫浦所採用的開放式Radial葉輪設計，雖效率較低但可避免交流永磁馬達的倒轉影響運作。
圖十五、使用直流無刷馬達驅動的水陸兩用離心泵。由於不須擔心倒轉故volute便可設計為有方向性的導流來增加效率。
圖十六、圖十五中的幫浦所採用的封閉式Backward葉輪。
圖十七、以交流感應馬達驅動的離心泵(陸上用的臥式馬達)，其使用半開放式的Backward葉輪。(圖片來源: PreAsion Corrosion-resistant Magnetic Drive Pump with Plastic Head 20R Magnetic Drive Pump for Water Treatment Chemical Industry)
圖十八、不同類型的蛋白機針刷葉。(圖片來源: A trip down memory lane of needle wheel impellers)
2. 螺旋槳式幫浦 (Propeller Pump)
顧名思義，螺旋槳式幫浦用來推動水流的方式和飛機或是船的螺旋槳推進以及風扇吹風的原理幾乎一樣。螺旋槳的橫切面與飛機的機翼構造類似，都是以特定角度傾斜讓流體通過時會在兩面造成壓力差進而產生推力(飛機則是升力)，因此水流方向會和葉輪式幫浦相反(平行軸心 v.s. 垂直軸心)。市售的螺旋槳設計大致分為外轉子式(Outer Rotor)以及內轉子式(Inner Rotor)，前者的轉子在定子之外(圖二十)，後者(圖十九)則反之。
最初的商品化螺旋槳式幫浦是由Tunze在2000年代初所推出，而在其普及前玩家多半得自行將葉輪式幫浦的軸心替換成螺旋槳來DIY(圖二十一)。螺旋槳式幫浦在同樣的驅動條件下比起葉輪式會有更大的流量與出水截面積，因此若是需要在缸內營造大範圍的水流，螺旋槳式幫浦會是效率比較好的選擇。由於需要沉水運轉，螺旋槳式幫浦通常會由交流永磁或直流無刷馬達驅動，不過由於前者無法控制轉向故須設計防止倒轉的卡榫來避免螺旋槳轉錯邊，但在長期開關下還是有可能受損而發生倒轉。
圖十九、內轉子式螺旋槳幫浦。
圖二十、外轉子式螺旋槳幫浦。(圖片來源: AI Nero 3 Pump Review – The Sweet Spot for Nano Reef Water Flow)
圖二十一、玩家自行將葉輪式幫浦改為螺旋槳式幫浦。(圖片來源: Product Review: Propeller Pumps In The Aquarium)
3. 橫流式幫浦 (Cross-Flow Pump)
最初的水族用橫流幫浦商品是由Maxspect在2013推出，其構造基本上就是將葉輪式幫浦的葉片平行軸心拉長後以Forward方式旋轉，而若透過直流無刷馬達驅動反轉亦可提供反向水流只是效率會比較低。橫流幫浦的輸出為長條狀的強勁水流，故能很有效率的帶動較大的水體且也相當適合垂直高度不大的淺缸;不過其缺點為容易因髒汙而快速降低流量但葉片設計通常又不是很好清，因此維護時會相對麻煩。
圖二十二、橫流式幫浦。(圖片來源:Gyre XF350 Cloud Edition - Pump Only (5280 GPH))
圖二十三、橫流幫浦之軸心葉片。
圖二十四、橫流幫浦之軸心葉片橫面。
4. 隔膜幫浦 (Diaphragm Pump)
隔膜幫浦的運作原理類似於你用針筒來吸取流體或是用肺呼吸。 隔膜幫浦構造通常會包含驅動的馬達、活塞、儲存流體的空腔、和帶有止逆閥門的出入口。透過拉升活塞在空腔內產生負壓，流體會被從入口吸入並在隨著活塞被擠壓空間小而被排出。隔膜幫浦的流量通常不會太大，但是因為即使在不通電下也能承受很大的壓力而不會逆流故常被用作RO過濾設備的加壓馬達，只是這類加壓馬達通常會使用直流有刷馬達來驅動，因此並不適合長時間運轉。
圖二十五、RO隔膜幫浦內部構造。轉盤上的三個空腔與活塞會隨著馬達運轉而依次被擠壓推動水流。(圖片來源: How RO Booster Pump head Works)
5. 蠕動幫浦 (Peristaltic Pump)
蠕動幫浦和隔膜幫浦一樣是利用負壓來推動流體，不過差異在於蠕動幫浦並沒有額外的隔膜和空腔設計，而是純粹利用馬達旋轉滾珠來擠壓內管。由於可以很精確地控制輸出且能自吸啟動，蠕動幫浦常被用在流量需求不大但需要精細調整的用途，例如自動換水、鈣反等設備的水流提供、或是添加劑的自動滴定。水族用的蠕動幫浦通常由直流有刷馬達或是步進馬達驅動，前者雖成本較低但不適合長時間運作，因此若是有需要持續運轉的用途則後者會比較適合。
圖二十六、蠕動幫浦運作示意。(圖片來源: Peristaltic pump)
6. 打氣幫浦 (Air Pump)
打氣幫浦可以說是水族界中歷史最悠久的幫浦，最早的模組可以追溯到1908的德國(那時連電力都不普及故使用水力驅動)。目前常見的打氣幫浦其實也算是隔膜幫浦，不過由於其在水族飼養中的特殊性故我這邊將其獨立出來講。
打氣幫浦大致有三種驅動方式: 電磁鐵式(圖二十七)、馬達驅動式(圖二十八)、和壓電元件式(圖二十九)。電磁鐵式打氣幫浦是利用一線圈通入交流電使其作成為磁場不斷變化的電磁鐵，而這個電磁鐵會不斷吸引及排斥一個與隔膜部位緊貼的永久磁鐵驅動其擠壓活塞來拉近及推出空氣;馬達式打氣幫浦則改用馬達的旋轉來推拉隔膜使空氣被推出；而壓電元件式的原理則是使用會隨著通電而形變的壓電元件(Piezoelectric Element)來作為推拉隔膜的動力源。
圖二十七、典型的電磁鐵式打氣幫浦內部構造。黑色的風帽(隔膜)會被上頭連接磁鐵的金屬桿不斷推擠來推出空氣。(圖片來源: How an aquarium air pump works?)
圖二十八、馬達驅動式打氣幫浦運作示意。(圖片來源: Basic knowledge of microblower (Air pump))
圖二十九、壓電元件式打氣幫浦運作示意。(圖片來源: Basic knowledge of microblower (Air pump))
三、參考資料
1. F. Mansour. (2020). Induction Motors: Construction, Principle of Operation, Power and Torque Calculations, Characteristics and Speed Control.
2. M. F. Bhuiyan, N. Sakib, M. R. Uddin and K. M. Salim. (2019). Experimental Results of a locally developed BLDC Motor Controller for electric tricycle. 2019 1st International Conference on Advances in Science, Engineering and Robotics Technology (ICASERT), Dhaka, Bangladesh, pp. 1-4.
3. 異步電動機. Wikipedia
4. Peristaltic pump. Wikipedia
5. Synchronous Motors. ALL ABOUT CIRCUITS
6. Basic knowledge of microblower (Air pump). Murata
7. What are Brushless DC Motors. RENESAS
8. Stepper Motors and Arduino – The Ultimate Guide. How To Mechatronics
9. Centrifugal Fans & Blowers. ALL ABOUT AIR BLOWERS .COM
10. Centrifugal Pump: How Does it Work? ATO industrial automation
11. AI Nero 3 Pump Review – The Sweet Spot for Nano Reef Water Flow. Reefbuilders
12. A trip down memory lane of needle wheel impellers. Reefbuilders
13. Product Review: Propeller Pumps In The Aquarium. reefs. com
14. LET’S TALK FLOW PART 1: A quick look at the evolution of aquarium propeller pumps. reefs. com
15. A History of the Hobby. Reefkeeping magazine
16. How RO Booster Pump head Works. Youtube
17. 220V AC Fish Pond Submersible Water Pump Tear Down - What's inside? Youtube
18. How an aquarium air pump works? Youtube
在中文的水族討論中我們往往會將運輸液體的設備統稱為「馬達」，不過這個詞其實是源自「Motor」的音譯。Motor另一個常見的翻譯是電動機，其定義指的是將電能轉換為機械能作功的設備;我們一般所指的流體移動設備其實應該使用幫浦比較準確，這個詞源自「Pump」的音譯，又常被翻作泵(ㄅㄥˋ) ，指的是透過一動力源移動流體的設備，而在水族缸中常見的幫浦動力源便是以電驅動的馬達。
在這篇文章中我會分別介紹不同種類的馬達與幫浦以及它們常見的用途，不過名詞的使用上我有時會用一些簡稱或是一般玩家比較習慣的方式來稱呼避免變得太饒口。
二、馬達
1. 交流感應馬達 (AC Induction Motor)
在一典型的馬達中通常會有轉子(Rotor)和定子(Stator)兩構造。顧名思義，轉子是馬達中實際在旋轉運動的部分，定子則是固定的部分，而馬達之所以能產生動力是藉由將電流通過轉子或定子(視馬達種類而定)產生感應磁場使轉子運動。
交流感應式馬達的轉子有許多的線圈，而隨著交流電被輸入定子，不斷改變的電流會生成磁場使轉子中的線圈也產生感應的磁場並開始轉動。這類型的馬達又被稱做異步馬達，因為其轉子中的磁場是藉由感應生成的故轉動不會與定子中的磁場改變狀況同步。在水族用途中，交流感應馬達通常用於推動在臥式馬達或揚水馬達這類非沉水式的幫浦。其優勢在於能以低廉的成本作出相當大輸出且耐用的馬達，但缺點是馬達體積往往很大且若轉子在運轉過程中被卡住可能會傷到馬達本體。
圖一、由三相交流電所需動的感應馬達示意圖。這類型的驅動方法比較常見於工業用途，而若要用一般居家的單相交流電驅動的話另一種常見的方式是接上一電容來補足其他phase的電流。(圖片來源: 異步電動機)
圖二、鼠籠式交流感應馬達的構造。可以看到在轉子的後方也常會接上一風扇讓馬達運轉時可以順便降溫。(圖片來源: Induction Motors: Construction, Principle of Operation, Power and Torque Calculations, Characteristics and Speed Control)
圖三、水族用揚水馬達的內部構造。可以看到帶有線圈的轉子(左上)和定子(左下)。(圖片來源: 養魚的上部過濾器（揚水馬達）通電沒有反應)
2. 交流永磁馬達 (AC Permanent Magnet Motor)
交流永磁馬達與交流感應馬達的差異在於永磁馬達的轉子為永久磁鐵而非線圈透過電流磁效應生成的電磁鐵，不過在驅動時一樣是使用交流電。水族常用的交流永磁馬達通常內部會有兩組線圈，而隨著單相交流電的電流方向變化，轉子中的磁鐵也會不斷的被吸引和排斥進而持續旋轉(圖四)。
這類型的馬達優勢在於其體積可以設計得更小且不會像感應馬達一樣會因轉子卡住造成馬達毀損，因此許多水族用的沉水馬達或水陸馬達便是採用這種驅動方式;而缺點則是包含了不耐反覆開關以及在運轉時無法控制其旋轉方向性，因此若要作為幫浦使用就得將其設計為兩邊轉都能運作的對稱構造或是用一些卡榫避免倒轉。
圖四、交流永磁馬達隨單相交流電變化而旋轉。(圖片來源: Synchronous Motors)
圖五、一水族用沉水馬達之定子與轉子構造。可以看到紅黑兩組線圈以及中間白色的轉子。(圖片來源: 220V AC Fish Pond Submersible Water Pump Tear Down - What's inside?)
圖六、定子之線圈構造。中間C型的金屬層板可增強磁場。(圖片來源: 220V AC Fish Pond Submersible Water Pump Tear Down - What's inside?)
3. 直流有刷馬達 (Brushed DC Motor)
直流有刷馬達的定子為永久磁鐵，轉子則是有數組線圈，因此結構上正好與交流永磁馬達相反。運轉時直流電會透過電刷(Brush)輸入轉子上的線圈中形成磁場與定子中的磁鐵產生作用力而旋轉，而隨著角度改變，電刷就會和線圈斷開接上下一組線圈持續提供扭力。直流有刷馬達的優勢在於轉速控制容易，但缺點是電刷會隨著運轉而磨損因此並不適合長時間運作，因此在水族設備中的運用則比較常見於滴定的蠕動泵等不需持續運作的用途。
圖七、直流有刷馬達運作示意圖。(圖片來源: What are Brushless DC Motors)
4. 直流無刷馬達 (Brushless DC Motor / BLDC)
一般在市場上常見的「變頻馬達」或是「DC馬達」其實多半是指直流無刷馬達。雖被稱作直流馬達，但BLDC的運作原理和結構其實反倒比較接近前面的交流永磁馬達，不過會需要以直流電來輸入所以才有此稱呼。在一般居家運轉時，BLDC馬達會需要用交流轉直流的driver來供給電流，接著直流電會再經由Electronic Speed Controller (ESC)轉為可控制頻率的三相電依特定的順序輸入定子中的線圈產生交替的磁場。
由於以三相電來運作，BLDC的定子極數必為三的倍數而轉子的永久磁鐵極數則會是二的倍數，隨著極數越多馬達的扭力會上升但轉速則會下降，這也就是一些產品文宣中看到的XX極馬達的意義。BLDC的優勢在於轉速的調整容易且轉動方向是可以被控制的，此外其緩啟動以及變頻能力也使其比起其他馬達更安靜;缺點的話則是輸入的電流會需要多次的轉換，因此往往會有額外的driver和控制器。
圖八、直流無刷馬達運作示意圖。(圖片來源: What are Brushless DC Motors)
圖九、直流無刷馬達的ESC輸出三相電波形圖。可以看到此三相電和典型的的交流電的差異在於其波型不會是完全的正弦曲線，頂多只能藉由控制器的修飾讓其接近正弦波形。(圖片來源: Experimental Results of a locally developed BLDC Motor Controller for electric tricycle)
5. 步進馬達 (Stepper Motor)
步進馬達算是直流無刷馬達的變體。相對於常規的BLDC，步進馬達的轉子上通常會有更多的磁鐵，而這些磁鐵會以N及S磁極交互的方式排列並部分對應上定子上的凸起，部分則錯開。轉子上這些磁極的數量則決定了馬達一步的角度大小，而隨著定子被輸入兩相交替的電流切換磁場方向，轉子切齊及錯開的部分也會改變並開始轉動。步進馬達的優勢在於可以做到很精細的調控(視每步角度而定)，但缺點是耗電量較大且在高轉速下扭力會大幅下降，因此在水族用途中較常見於一些高價位的滴定蠕動泵的驅動。
圖十、步進馬達運作示意圖。(圖片來源: Stepper Motors and Arduino – The Ultimate Guide)
三、幫浦
1. 葉輪式幫浦 (Impeller Pump)
葉輪式幫浦又被稱作離心泵(Centrifugal Pump)，其基本構造包含了流體的吸入口、排出口、旋轉的葉輪(Impeller)、以及導流用的空間(Volute)。葉輪式馬達的運作原理為利用葉輪的旋轉來將流體往外甩後以volute將其導至出口，而這也是離心泵一稱的由來。
葉輪的設計根據其是否有前後蓋分為開放式(Open)、半開放式(Semi-open)、和封閉式(Closed)，以及根據其葉片設計分為Backward、Forward、Radial。開放式的葉輪設計有不易被雜質卡住以及生產容易的優勢，但在效率上則是封閉式葉輪更勝一籌，而半封閉則在兩者之間。
再來則是三種葉片設計的差異(圖十一)。Forward葉片在同尺徑下有較高的輸出且出水壓力(揚程)也會隨著流量增加而上升，不過由於運轉時較大的阻力故有耗電量和噪音大以及馬達壽命會減短等缺點，因此除了少數需高壓力輸出的場合外較少被使用;Backward葉片雖輸出壓力會隨流量下降但由於阻力較小因此在同流量下的耗電量和噪音都最低且比較不傷馬達;Radial葉片的輸出壓力則和流量無關，至於耗電量和噪音則在前兩者之間。
除了三種常規的葉片外，另一種葉片變體為蛋白機所使用的針刷葉(圖十八)。針刷葉式幫浦在運作時會透過入水加裝的文氏管同時吸入空氣和水，並透過葉片將吸入的空氣打成細密的氣泡。這類型的葉片通常會設計許多針狀甚至是網狀構造來增加接觸的表面積讓氣泡可以被打的更細，不過缺點則是會犧牲一定的輸出流量和壓力且容易卡上髒污造成造泡效率下降。
葉輪式幫浦算是在水族飼養中最被廣泛運用的一種幫浦，通常由交流感應、交流永磁、或直流無刷馬達驅動。由於其進出水口可以接上不同配管來導流，葉輪式幫浦可以用來供給不同設備水流或是直接作為缸中的造流，不過要注意的是若幫浦本體在運轉時為離水狀況的話還是會需要事先引水否則無法自行開始抽水。
圖十一、三種不同的葉片設計。(圖片來源: Centrifugal Fans & Blowers)
圖十二、Backward葉片式葉輪幫浦的運作示意。(圖片來源: Centrifugal Pump: How Does it Work?)
圖十三、使用交流永磁馬達驅動的沉水離心泵。可以看到其volute採對稱的設計以確保即使倒轉也能正常運作。
圖十四、圖十三中的幫浦所採用的開放式Radial葉輪設計，雖效率較低但可避免交流永磁馬達的倒轉影響運作。
圖十五、使用直流無刷馬達驅動的水陸兩用離心泵。由於不須擔心倒轉故volute便可設計為有方向性的導流來增加效率。
圖十六、圖十五中的幫浦所採用的封閉式Backward葉輪。
圖十七、以交流感應馬達驅動的離心泵(陸上用的臥式馬達)，其使用半開放式的Backward葉輪。(圖片來源: PreAsion Corrosion-resistant Magnetic Drive Pump with Plastic Head 20R Magnetic Drive Pump for Water Treatment Chemical Industry)
圖十八、不同類型的蛋白機針刷葉。(圖片來源: A trip down memory lane of needle wheel impellers)
2. 螺旋槳式幫浦 (Propeller Pump)
顧名思義，螺旋槳式幫浦用來推動水流的方式和飛機或是船的螺旋槳推進以及風扇吹風的原理幾乎一樣。螺旋槳的橫切面與飛機的機翼構造類似，都是以特定角度傾斜讓流體通過時會在兩面造成壓力差進而產生推力(飛機則是升力)，因此水流方向會和葉輪式幫浦相反(平行軸心 v.s. 垂直軸心)。市售的螺旋槳設計大致分為外轉子式(Outer Rotor)以及內轉子式(Inner Rotor)，前者的轉子在定子之外(圖二十)，後者(圖十九)則反之。
最初的商品化螺旋槳式幫浦是由Tunze在2000年代初所推出，而在其普及前玩家多半得自行將葉輪式幫浦的軸心替換成螺旋槳來DIY(圖二十一)。螺旋槳式幫浦在同樣的驅動條件下比起葉輪式會有更大的流量與出水截面積，因此若是需要在缸內營造大範圍的水流，螺旋槳式幫浦會是效率比較好的選擇。由於需要沉水運轉，螺旋槳式幫浦通常會由交流永磁或直流無刷馬達驅動，不過由於前者無法控制轉向故須設計防止倒轉的卡榫來避免螺旋槳轉錯邊，但在長期開關下還是有可能受損而發生倒轉。
圖十九、內轉子式螺旋槳幫浦。
圖二十、外轉子式螺旋槳幫浦。(圖片來源: AI Nero 3 Pump Review – The Sweet Spot for Nano Reef Water Flow)
圖二十一、玩家自行將葉輪式幫浦改為螺旋槳式幫浦。(圖片來源: Product Review: Propeller Pumps In The Aquarium)
3. 橫流式幫浦 (Cross-Flow Pump)
最初的水族用橫流幫浦商品是由Maxspect在2013推出，其構造基本上就是將葉輪式幫浦的葉片平行軸心拉長後以Forward方式旋轉，而若透過直流無刷馬達驅動反轉亦可提供反向水流只是效率會比較低。橫流幫浦的輸出為長條狀的強勁水流，故能很有效率的帶動較大的水體且也相當適合垂直高度不大的淺缸;不過其缺點為容易因髒汙而快速降低流量但葉片設計通常又不是很好清，因此維護時會相對麻煩。
圖二十二、橫流式幫浦。(圖片來源:Gyre XF350 Cloud Edition - Pump Only (5280 GPH))
圖二十三、橫流幫浦之軸心葉片。
圖二十四、橫流幫浦之軸心葉片橫面。
4. 隔膜幫浦 (Diaphragm Pump)
隔膜幫浦的運作原理類似於你用針筒來吸取流體或是用肺呼吸。 隔膜幫浦構造通常會包含驅動的馬達、活塞、儲存流體的空腔、和帶有止逆閥門的出入口。透過拉升活塞在空腔內產生負壓，流體會被從入口吸入並在隨著活塞被擠壓空間小而被排出。隔膜幫浦的流量通常不會太大，但是因為即使在不通電下也能承受很大的壓力而不會逆流故常被用作RO過濾設備的加壓馬達，只是這類加壓馬達通常會使用直流有刷馬達來驅動，因此並不適合長時間運轉。
圖二十五、RO隔膜幫浦內部構造。轉盤上的三個空腔與活塞會隨著馬達運轉而依次被擠壓推動水流。(圖片來源: How RO Booster Pump head Works)
5. 蠕動幫浦 (Peristaltic Pump)
蠕動幫浦和隔膜幫浦一樣是利用負壓來推動流體，不過差異在於蠕動幫浦並沒有額外的隔膜和空腔設計，而是純粹利用馬達旋轉滾珠來擠壓內管。由於可以很精確地控制輸出且能自吸啟動，蠕動幫浦常被用在流量需求不大但需要精細調整的用途，例如自動換水、鈣反等設備的水流提供、或是添加劑的自動滴定。水族用的蠕動幫浦通常由直流有刷馬達或是步進馬達驅動，前者雖成本較低但不適合長時間運作，因此若是有需要持續運轉的用途則後者會比較適合。
圖二十六、蠕動幫浦運作示意。(圖片來源: Peristaltic pump)
6. 打氣幫浦 (Air Pump)
打氣幫浦可以說是水族界中歷史最悠久的幫浦，最早的模組可以追溯到1908的德國(那時連電力都不普及故使用水力驅動)。目前常見的打氣幫浦其實也算是隔膜幫浦，不過由於其在水族飼養中的特殊性故我這邊將其獨立出來講。
打氣幫浦大致有三種驅動方式: 電磁鐵式(圖二十七)、馬達驅動式(圖二十八)、和壓電元件式(圖二十九)。電磁鐵式打氣幫浦是利用一線圈通入交流電使其作成為磁場不斷變化的電磁鐵，而這個電磁鐵會不斷吸引及排斥一個與隔膜部位緊貼的永久磁鐵驅動其擠壓活塞來拉近及推出空氣;馬達式打氣幫浦則改用馬達的旋轉來推拉隔膜使空氣被推出；而壓電元件式的原理則是使用會隨著通電而形變的壓電元件(Piezoelectric Element)來作為推拉隔膜的動力源。
圖二十七、典型的電磁鐵式打氣幫浦內部構造。黑色的風帽(隔膜)會被上頭連接磁鐵的金屬桿不斷推擠來推出空氣。(圖片來源: How an aquarium air pump works?)
圖二十八、馬達驅動式打氣幫浦運作示意。(圖片來源: Basic knowledge of microblower (Air pump))
圖二十九、壓電元件式打氣幫浦運作示意。(圖片來源: Basic knowledge of microblower (Air pump))
三、參考資料
1. F. Mansour. (2020). Induction Motors: Construction, Principle of Operation, Power and Torque Calculations, Characteristics and Speed Control.
2. M. F. Bhuiyan, N. Sakib, M. R. Uddin and K. M. Salim. (2019). Experimental Results of a locally developed BLDC Motor Controller for electric tricycle. 2019 1st International Conference on Advances in Science, Engineering and Robotics Technology (ICASERT), Dhaka, Bangladesh, pp. 1-4.
3. 異步電動機. Wikipedia
4. Peristaltic pump. Wikipedia
5. Synchronous Motors. ALL ABOUT CIRCUITS
6. Basic knowledge of microblower (Air pump). Murata
7. What are Brushless DC Motors. RENESAS
8. Stepper Motors and Arduino – The Ultimate Guide. How To Mechatronics
9. Centrifugal Fans & Blowers. ALL ABOUT AIR BLOWERS .COM
10. Centrifugal Pump: How Does it Work? ATO industrial automation
11. AI Nero 3 Pump Review – The Sweet Spot for Nano Reef Water Flow. Reefbuilders
12. A trip down memory lane of needle wheel impellers. Reefbuilders
13. Product Review: Propeller Pumps In The Aquarium. reefs. com
14. LET’S TALK FLOW PART 1: A quick look at the evolution of aquarium propeller pumps. reefs. com
15. A History of the Hobby. Reefkeeping magazine
16. How RO Booster Pump head Works. Youtube
17. 220V AC Fish Pond Submersible Water Pump Tear Down - What's inside? Youtube
18. How an aquarium air pump works? Youtube
最後編輯：
