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高考申論題 106年 [汽車工程] 汽車電機學

第 一 題

📖 題組:
一 15 馬力,220 V 直流分激式馬達,其電樞電阻為 0.1 Ω,額定電壓滿載時,轉速為 1200 rpm,電樞電流為 50 A,若磁場之磁通量因故減少 8%(亦即為原磁通量之 92%),且負載不變的情形下,求:(每小題 5 分,共 25 分)
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

瞬間之電勢。

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看到「瞬間之電勢」,考生應立刻聯想到轉子具慣性使轉速無法突變,因此轉速維持原狀。利用反電動勢公式 Ea = KΦN,先由端電壓與壓降求出原反電動勢,再直接乘上新的磁通比例即可得出瞬間電勢。

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【解題關鍵】反電動勢公式 $E_a = K\Phi N$ 及轉子慣性導致瞬間轉速無法突變的物理特性。 【解答】 Step 1:計算初始狀態的反電動勢($E_{a1}$)

小題 (二)

瞬間之電樞電流。

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看到「瞬間」二字,必須立刻聯想到馬達轉子具有機械慣性,因此轉速 (N) 來不及改變。解題策略為:先求出原額定狀態的反電動勢,再依據磁通量減少比例算出瞬間的反電動勢,最後代入電壓方程式求出瞬間電樞電流。

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【解題關鍵】利用馬達機械慣性導致「瞬間轉速不變」的特性,計算磁通量變化後瞬間的反電動勢,再代入電壓方程式求電樞電流。 【解答】 計算:

小題 (三)

瞬間之電磁轉矩。

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解答本題的關鍵在於理解「瞬間」的物理意義:因轉子具機械慣性,磁通量瞬間改變時,轉速來不及變化(維持原轉速)。接著依據正比關係求出瞬間的反電動勢,代入電路方程式解出瞬間的爆發電樞電流,最後帶入電磁轉矩公式即可求得。

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【解題思路】利用馬達機械慣性造成「瞬間轉速不變」的特性,計算磁通減少後的新反電動勢與電樞電流,進而求得瞬間之電磁轉矩。 【詳解】 已知:端電壓 $V_t = 220\text{ V}$,電樞電阻 $R_a = 0.1 \Omega$,滿載轉速 $N_1 = 1200\text{ rpm}$,滿載電樞電流 $I_{a1} = 50\text{ A}$,變化後磁通 $\Phi_2 = 0.92 \Phi_1$。

小題 (四)

穩定後電樞電流。

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看到「負載不變」,應立刻聯想到直流馬達的「電磁轉矩不變」原則。利用轉矩公式 T = KϕIa,在前後轉矩 T1 = T2 的前提下,即可透過磁通量變化的比例關係,直接反推穩定後的新電樞電流。

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【解題關鍵】利用直流馬達轉矩公式 $T = K\phi I_a$,並根據「負載不變(即負載轉矩恆定)」的條件列出等式求解。 【解答】 已知條件:

小題 (五)

穩定後電樞轉速。

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遇到直流分激式馬達轉速變化題型,首先聯想兩大核心公式:轉速與反電動勢成正比、與磁通量成反比($N \propto E_b/\phi$);以及轉矩正比於磁通量與電樞電流乘積($T \propto \phi I_a$)。題目給定「負載不變」,即代表負載轉矩恆定,藉此先求出磁通減少後的新電樞電流,再計算新反電動勢,最終代入比例式求得新轉速。

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【解題關鍵】利用直流馬達轉矩公式 $T \propto \phi I_a$ 求得新電樞電流,再代入轉速與反電動勢之關係式 $N \propto \frac{E_b}{\phi}$ 求解。 【解答】 已知條件整理:

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