第三章 研製結果
第五節 起動馬達(starter)
第一款 起動馬達之功用:
利用電瓶的電力轉動起動馬達,來搖動引擎,使引擎發動.
亦即利用電流的磁效應,使電能(電流)產生動能-轉動的裝置,與發電機
原理不同,結構相同
第二款 電流的磁效應:
(一)當直線型導線內有電流流動,其半徑為r之周圍會產生磁場,用安培右
手定則;其磁
場為:B=
µ0i
/
2πr
(二)當半徑為r之圈線型導線內有電流流動,其周圍會產生磁場,用安培右
手定則;其中心磁場為:B
= µ0i
/
2r
(三)當半徑為r,有N匝之圈線型導線內有電流流動,其周圍會產生磁場,用
安培右手定則;其中心磁場為:B
= Nµ0i
/
2r
(四)當長L,有N匝之螺線管型導線內有電流流動,其周圍會產生磁場,用安
培右手定則;其管內磁場為:B
= Nµ0i
/
L
(五)當半徑為r,有N匝之環狀螺線圈型導線(toroid)內有電流流動,其周
圍會產生磁場,用安培右手定則;其管內磁場為:B
= Nµ0i/
2πr
(六) B 磁場強度:
MKS制 : (特斯拉, tesla,T)
(韋伯/
米², wb / m²)
CGS制 : (高斯, gauss)
tesla = 104
gauss
(七) µ
= (1 + χ) µ0
µ : 磁導率,(特斯拉 ·米 / 安培; T ·m / A)
µ0 : 真空磁導率
= 4 π × 10-7 ,
(特斯拉 ·米 / 安培; T ·m / A)
χ
: 磁化率
表5.2.1 電磁方向之判別
項次 | 名稱 | 應用 | 法則 | 方向 |
1 | 直導線 | 安培右手定則 | 姆指:電流方向i 4指 :磁場方向B |
|
圓周導線 | 安培右手定則 | 姆指:磁場方向B 4指 :電流方向i |
||
2
|
電流感應 | 電能生動能 (起動馬達) |
右手掌定則 | 姆指:電流方向i 4指 :磁場方向B 手掌:磁力方向FB |
夫來明左手指定則 | 姆指:磁力方向FB 食指:磁場方向B 中指:電流方向i |
|||
3 | 電磁感應 | 動能生電能 (發電機) |
左手掌定則 | 姆指:感應電流方向I 4指 :磁場方向B 手掌:施力F,運動v方向 |
夫來明右手指定則 | 姆指:施力F,運動v方向 食指:磁場方向B 中指:感應電流方向I |
表5.2.2 電磁方向之簡易判別
項次 | 名稱 | 應用 | 法則 | 方向 | 簡易法則方向 |
1 | 直導線 | 安培右手定則 | 姆指:電流i 4指 :磁場B |
姆指伸直:電流i 4指:磁場B |
|
圓周導線 | 安培右手定則 | 姆指:磁場B 4指 :電流i |
姆指順導線彎曲:電流i 4指:磁場B |
||
2
|
電流感應 | 電能生動能 (起動馬達) |
右手掌定則 | 姆指:電流i 4指 :磁場B 手掌:磁力FB |
右手掌: 姆指伸直: 電流i,運動V 4指 :磁場B 手掌:磁力FB |
夫來明左手指定則 | 姆指:磁力FB 食指:磁場B 中指:電流i |
||||
3
|
電磁感應 | 動能生電能 (發電機) |
左手掌定則 | 姆指:感應電流I 4指 :磁場B 手掌:施力F,運動v |
右手掌: 姆指彎下: 感應電流I 4指 :磁場B 手掌:施力F,運動v
|
夫來明右手指定則 | 姆指:施力F,運動v 食指:磁場B 中指:感應電流I |
B:磁場強度;
FB:電流所產生之磁力;
Fm:感應電流所產生之感應磁力
I. FB與L夾δ角(δ=0°若FB延著L方向 cosδ=1,δ=90°
若FB垂直L方向cosδ=0)
其向量之外積 FB
× L 的單位向量為
s
II. r與FB夾φ角(φ=0°若FB延著r方向 sinφ=0,φ=90°
若FB垂直r方向sinφ=1)
其向量之外積 r × FB
的單位向量為 T
III. r與Fm夾φ角(φ=0°若Fm延著r方向
sinφ=0,φ=90°
若Fm垂直r方向sinφ=1)
其向量之外積 r × Fm
的單位向量為 T
IV. L與B夾 ø角(ø=0°若B
延著L方向 sinø=0,
ø=90°
若B
垂直L方向 sinø=1)
其向量之外積 L × B 的單位向量為
U
V. v與B夾 θ角(θ=0°若v
延著B方向 sinθ=0,θ=90°
若v
垂直B方向sinθ=1)
其向量之外積 v × B 的單位向量為 V
VI. θ角(即θ=ωt轉動角度)
其向量之單位向量為 w
VII. θ角(線圈法線向量A與磁場B之夾角)
第三款 帶電粒子在磁場中所受之磁力:
IV. L與B夾 ø角(ø=0°若B
延著L方向 sinø=0,
ø=90°
若B
垂直L方向 sinø=1)
其向量之外積 L × B 的單位向量為 U
V. v與B夾 θ角(θ=0°若v
延著B方向 sinθ=0,θ=90°
若v
垂直B方向sinθ=1)
其向量之外積 v × B 的單位向量為 V
(一)一個帶電量為q的電荷粒子,以v的等速,垂直通過均勻磁場B,所受磁
力為:
FB =
q v × B
FB = q v B sinθ V
(二)一個帶電量為q的電荷粒子,以v的等速,在垂直均勻磁場B,在L長的導
線內運動,所受磁力為:
FB = i L×B = q/t L×B = q L/t × B = q v×B
FB = i LBsinøU = q/t LBsinøU = q L/t BsinøU = qvB sinθ V
FE = q E
第四款 載流導體棒在均勻磁場中所受之磁力:
IV. L與B夾 ø角(ø=0°若B
延著L方向 sinø=0,
ø=90°
若B
垂直L方向 sinø=1)
其向量之外積 L × B 的單位向量為 U
V. v與B夾 θ角(θ=0°若v
延著B方向 sinθ=0,θ=90°
若v
垂直B方向sinθ=1)
其向量之外積 v × B 的單位向量為 V
(一)長L,內載i之電流的導體棒,在均勻垂直之磁場B中,所受磁力為:
FB = i L × B
FB = i L B sinø U
第五款 載流矩形導線在均勻磁場中所受之磁力:
II. r與FB夾φ角(φ=0°若FB延著r方向 sinφ=0,φ=90°
若FB垂直r方向sinφ=1)
其向量之外積 r × FB
的單位向量為 T
IV. L與B夾 ø角(ø=0°若B
延著L方向 sinø=0,
ø=90°
若B
垂直L方向 sinø=1)
其向量之外積 L × B 的單位向量為 U
(一)載有電流i,在封閉線圈在均勻磁場中,所受的總磁力=0,但其合力矩
卻未必=0,因此會造成線圈轉動
(二)載有電流i,置於均勻磁場B中,長b,寬a的矩形線圈,當圈面法線與磁
場方向夾θ角,b與B方向夾ø角時,兩段同長為a之導線,其受力矩為:
τ = 2 [r × FB]
= 2 [(a/2)
× (i L × B)]
= 2 [(a/2)
× (i b × B )]
= 2 [(a/2)
× (i b B sinø U)]
= 2 [(a/2) (i b B sinø ) sinφ T]
= i a b B sinøsinφ
T
= i A B sinøsinφ
T
第六款 起動馬達之原理(電能產生動能):
姆指向電流方向,四指向磁場方向,手掌向運動方向
(一)線圈法線向量A與磁場B夾角成0度:
電刷的接觸點正好位於兩個半圓型整流子的間隙,所以電路斷路,無電
流流動,藉線圈本身慣性運動,繼續向原運動方向轉動
(二)線圈法線向量A與磁場B夾角成90度:
a 段線:電流,磁場同向->磁力為0
b 段線:磁力向下->線圈順時旋轉
c 段線:電流,磁場反向->磁力為0
d 段線:磁力向上->線圈順時旋轉
e 段線:電流,磁場同向->磁力為0
整流子位置:
1.正極在a端
2.負極在e端
(三)線圈法線向量A與磁場B夾角成180度:
電刷的接觸點正好位於兩個半圓型整流子的間隙,所以電路斷路,無電
流流動,藉線圈本身慣性運動,繼續向原運動方向轉動
(四)線圈法線向量A與磁場B夾角成270度:
a 段線:電流,磁場同向->磁力為0
b 段線:磁力向上->線圈順時旋轉
c 段線:電流,磁場反向->磁力為0
d 段線:磁力向下->線圈順時旋轉
e 段線:電流,磁場同向->磁力為0
整流子位置:
1.正極在e端
2.負極在a端
(五)線圈法線向量A與磁場B夾角成360度:
電刷的接觸點正好位於兩個半圓型整流子的間隙,所以電路斷路,無電
流流動,藉線圈本身慣性運動,繼續向原運動方向轉動
第七款 起動馬達之結構:
01.引擎在發動以前,必須先使汽缸活動,以吸進空氣,再與燃油混合,使用
點火系統,燃燒混合氣,爆炸,以推動活塞,轉動飛輪,產生動力
02.古代使用曲柄,以手搖方式轉動引擎,使汽缸活動,現今則以電動式起動
馬達代之
03.現將線圈接到兩個半圓形金屬集流片上,其間以絕緣方式連接
04.將集流片接到電瓶之正負極,在線圈完成一電子迴路
05.由於電流通過線圈,穿過磁場,而產生運動,轉動線圈
06.電磁鐵的強度是由繞過其上的線圈圈數,與通過線圈的電流量而定,增
強其中,可增強電磁鐵之磁場強度
07.增強磁場強度,增加線圈圈數與增強通過線圈電流量,可使轉動力量加
大
08.在線圈中置入鐵心,使磁場更為集中
09.並聯接法的起動馬達迴路
10.串聯接法的起動馬達迴路
11.將多層線圈多重繞在鐵心上,連著相同數目的集流片-整流子上,做成電
樞
12.增加電磁鐵的磁極數,以增加轉動力量與轉矩之均勻度
13.將電樞置入外殼中
第八款 直流起動馬達:
1.串聯式:
2.並聯式: