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F B 延著L方向 cos δ=1,δ=90°
若F B 垂直L方向 cos δ=0)
其向量之外積 F B × L 的單位向量為 s
II. r與F B 夾 φ 角(φ=0°若F B 延著 r 方向 sin φ=0,φ=90°
若F B 垂直 r 方向 sin φ=1)
其向量之外積 r × F B 的單位向量為 T
III. r與F m 夾 φ 角(φ=0°若Fm 延著 r 方向 sin φ=0,φ=90°
若Fm 垂直 r 方向 sin φ=1)
其向量之外積 r × F m 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 sin θ=0,θ=90°
若 v 垂直B方向 sin θ=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 sin θ=0,θ=90°
若 v 垂直B方向 sin θ=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:
F B = q v × B

F B = 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:

F B = i L×B = q/t L×B = q L/t × B = q v×B

F B = i LBsinø U = q/t LBsinø U = q L/t Bsinø U = qvB sin θ V

F E = 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:

F B = i L × B

F B = i L B sin ø U

第五款 載流矩形導線在均勻磁場中所受之磁力:

II. r與F B 夾 φ 角(φ=0°若F B 延著 r 方向 sin φ=0,φ=90°
若F B 垂直 r 方向 sin φ=1)
其向量之外積 r × F B 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 × F B]
= 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 ) sin φ T]
= i a b B sinøsin φ T
= i A B sinøsin φ 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: