# 科學實驗-直流馬達
## Part1:DC Motor
### 引言:
*直流馬達是一種常見的電動機械，被廣泛應用於各個工業領域，包括機械製造、自動化生產、交通運輸等。在家庭和日常生活中，直流馬達也扮演著重要的角色，例如家用電器（如洗衣機、吸塵器、風扇）以及消費性電子產品（如智能手機、電動工具）。了解直流馬達的基本原理和運作方式對於學習電機工程、自動化控制和相關領域非常重要。*

### 結構與原理:
#### 定子與轉子:
直流馬達由定子和轉子組成。定子是固定的部分，包含一組線圈，稱為電磁繞組，用來產生磁場。轉子則是可以旋轉的部分，通常由一個或多個永磁體組成，產生磁場與定子的磁場相互作用，產生轉矩。


#### 電磁感應原理:
直流馬達運作基於電磁感應原理。當通過定子的電流通過時，產生一個磁場。根據極性定律，磁場會引起轉子中的永磁體產生磁力，導致轉子開始轉動。根據貼近律，轉子的運動會導致磁場的變化，進而在定子中產生電壓，這個電壓稱為反電動勢。

* 如果電動機工作中由於機械阻力過大而停止轉動，這時沒有了反電動勢，電阻很小的線圈直接接在電源兩端，電流會很大，很容易燒毀電動機。
* 當電動機所接電源電壓比正常電壓低很多時，此時電動機線圈也不轉動，無反電動勢產生，電動機也很容易燒壞。

#### 磁場極性與磁力方向:
直流馬達中，定子和轉子的磁場極性和磁力方向是關鍵因素。根據右手定則，當電流通過定子時，定子的南北極極性會決定轉子的磁力方向，進而決定轉子的轉動方向。

#### 電刷和電刷槽的作用:
直流馬達中常見的組件是電刷和電刷槽。電刷是一對碳或銅製成的零件，通常固定在定子上。它們的作用是在定子的電磁繞組上提供電流。電刷槽則是軟銅或銅合金製成的槽，用於容納電刷。

### 基本運作方式:
直流馬達有不同的運作方式，包括刷擦式（brushed）和無刷式（brushless）兩種。刷擦式馬達使用電刷和電刷槽，通過改變電流方向和磁場極性來實現轉向控制和速度調節。無刷式馬達則通過電子控制器來控制電流和磁場，提供更高效率和精確控制。
#### 馬達速度控制:
##### 電壓控制:
通過調整直流馬達的電壓大小，可以控制馬達的速度和轉矩。較高的電壓會提供更大的轉矩和速度。
##### 電流控制:
相對的，控制直流馬達的電流也可以改變馬達的轉速和扭矩輸出。通過調整電流大小，可以控制馬達的負載能力和性能。
##### PWM控制:
脈衝寬度調變（PWM，Pulse Width Modulation）是一種常見的直流馬達控制技術。通過調節PWM信號的脈衝寬度和頻率，可以有效地控制馬達的速度和轉矩。


在PWM中，脈衝信號的寬度（High信號的持續時間）是根據輸入控制信號的特性來調節的。通常，脈衝信號以固定的頻率重複產生，而每個脈衝的寬度可以根據需要進行調節。
#### 馬達轉向控制:
直流馬達的轉向可以通過改變電流的流向或磁場的極性來控制。在刷擦式馬達中，通過改變電刷和電刷槽之間的連接方式來實現轉向控制。在無刷式馬達中，通過控制電子控制器中的相序來實現轉向控制。
### 性能評估與參數:
#### 馬達轉矩和轉速關係:
直流馬達的轉矩和轉速之間存在關係，通常由馬達的特性曲線來表示。轉矩和轉速之間的關係可以幫助確定馬達在不同負載下的運行情況。

#### 單轉轉矩
馬達的單轉轉矩（Single Torque）是指在馬達運轉時所產生的最大轉矩值。單轉轉矩通常是在馬達額定電壓和額定電流下測得的。

單轉轉矩是馬達在特定運行條件下能夠提供的最大轉矩。它取決於馬達的設計、尺寸、磁路結構、線圈配置以及電源供應等因素。通常，馬達的單轉轉矩與其額定功率和轉速有關。

在馬達運行時，如果所需載荷轉矩小於或等於單轉轉矩，則馬達可以正常提供所需的轉矩，使輸出載荷達到所需速度。然而，如果載荷轉矩大於單轉轉矩，則馬達可能無法提供足夠的轉矩，可能導致速度降低、過負載或停止轉動。

因此，在選擇和應用馬達時，了解單轉轉矩是很重要的。需要確保所選的馬達具有足夠的單轉轉矩來滿足預期的載荷需求，並避免運行時的過載情況。
#### 馬達效率和功率因素:
直流馬達的效率表示輸入功率與輸出功率之間的比例。功率因素則表示輸入功率和實際有用功之間的比例。高效率和高功率因素的馬達能夠更有效地轉換電能為機械能。

#### 馬達的慣向和加速度能力:
直流馬達的慣向是指其對變化速度的響應能力，而加速度能力則表示馬達可以提供的加速度大小。這些特性對於需要快速啟動和停止的應用非常重要。

## Part2:DIY
:::info
教室側邊有提供<font color="#6CB3E9">**熱熔膠槍**</font>、<font color="#6CB3E9">**三用電表**</font>供大家使用
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:::danger
<font color="#E97E6C">**熱熔膠槍**</font>：
* <font color="#E97E6C">**聽工具區人員的話！**</font>
* 請<font color="#E97E6C">**小心使用**</font>並<font color="#E97E6C">**不要**</font>觸碰槍頭的前半部分
* 擠出1~2分鐘內的熱熔膠仍是流體狀態，仍需要<font color="#E97E6C">**固定**</font>
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:::warning
<font color="#BEA226">**三用電表**</font>：
　　一種多功能電子測量儀器，可測量電路的電壓、電流及電阻，常用於debug。

用法：將旋鈕轉至需要的功能，探針分別觸碰測試電路的<font color="#BEA226">**初始端**</font>與<font color="#BEA226">**尾端**</font>。

　　此次實驗中，我們只需要用到「<font color="#BEA226">**蜂鳴器功能**</font>」：

　→當探針連接的電路有<font color="#BEA226">**導通**</font>時，電表會<font color="#BEA226">**發出聲音**</font>
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### 0. 材料清點
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可以帶走的：


| 漆包線 | 轉子 | 竹筷 | 冰棒棍(完整) | 冰棒棍(半截) | 珍珠板 | 迴紋針 | 鋁箔 | 橡皮筋 |砂紙|強力磁鐵|
|:------:|:----:|:----:| :---------: |:---------: |:------:|:-----:|:---:|:------:|:--:|:---:|
| 一捲 | 一個 | 一根 | 六根 | 十二根 | 一片 | 兩個　 | 一片 | 兩根 |一張|　兩顆　|

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<font color="#FF0000">**不能**</font>帶走的：


| 電池 | 電池盒 | 膠帶 | 剪刀 |
|:---:|:-----:|:----:|:---:|
| 三個 | 一個 | 一捲 | 一隻 |

### 1. 分組
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左側的人：A組
製作轉子、電刷

右側的人：B組
加工電池盒、整合結構

### 2-1. 轉子製作（A組）
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[影片](https://youtu.be/yho6dvWs2kM)

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將竹筷穿過電刷

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漆包線在竹筷的其中一側纏繞10圈

:::warning

纏繞的是對向（180度）的轉子槽
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把轉子旋轉180度，使漆包線被放到竹筷的另一側

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這一側同樣纏繞10圈

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<font color="#7C4FA9">**剪斷**</font>漆包線，重複上述步驟纏繞另一方向的轉子槽。

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:::warning
記得開頭與結尾要<font color="#BEA226">**各預留約兩個指節長**</font>以便製作電刷（共有（開頭＋結尾）＊兩個方向＝<font color="#BEA226">**四段**</font>）
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用膠帶將預留的漆包線固定於轉子側面

### 2-2. 電池盒手把製作（B組）
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[影片](https://youtu.be/ArWzOysmcIo)

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在電線尾端纏繞鋁箔以增加接觸面積及可塑形性

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將迴紋針一端掰直，將電線上的鋁箔纏繞在迴紋針上

### 3. 電刷製作（A組）
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[影片](https://youtu.be/OFPDtM3dE9Q)

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將預留漆包線上的漆磨掉，並用<font color="#7C4FA9">**電表**</font>測試是否將漆磨乾淨

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把鋁箔放在線下，對折兩次包裹住電刷（擴大接觸面積）

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用膠帶分別將電刷固定在竹筷上

:::warning
膠帶只黏電刷尾端，中間仍為導通狀態
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### 4. 轉子架和磁鐵架製作（B組）
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[影片](https://youtu.be/VKt5KyXJ_vA)

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:::warning
轉子架和磁鐵架鼓勵小隊員們發揮創意<font color="#BEA226">**自由設計**</font>，但切記要需要注意以下條件：
1. 磁鐵需在<font color="#BEA226">**轉子兩側**</font>，並且磁極要<font color="#BEA226">**相對**</font> (靠近相吸)
2. 轉子的扭矩不大，要盡量<font color="#BEA226">**減少摩擦力**</font>才能自由轉動
3. 轉子前後需要有檔板<font color="#BEA226">**避免軸向運動**</font>
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將兩根冰棒棍黏在一起延長，製作兩組

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將磁鐵用膠帶黏在冰棒棍中間，再用橡皮筋纏繞加固，一樣製作兩組
:::warning
要特別注意兩組磁極方向要<font color="#BEA226">**相反**</font> *(靠近會相吸)*
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半截冰棒棍將磁鐵架從中間撐住避免相吸
用竹筷在珍珠板上穿洞做兩個支撐片，並黏在支撐的冰棒棍中間
（支撐片要互相平行）

:::warning
黏完第一側的支撐片後，記得<font color="#BEA226">**先插入轉子**</font>！
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黏上另一面的兩根冰棒棍

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在磁鐵架兩側用冰棒棍做成檔板，避免轉子軸向移動

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將整個機構架高

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### 5. 上電測試
將電池裝上電池盒後，即可開始測試馬達的轉動啦~
:::danger
注意：
* 若<font color="#E97E6C">**使用過久**</font>或<font color="#E97E6C">**短路**</font>發生，手把可能發燙，請立刻<font color="#E97E6C">**停止使用**</font>或<font color="#E97E6C">**下電**</font>以免燙傷
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## Part3:補充資料
座位表：

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[三用電表的詳細介紹](https://hackmd.io/KfOL29IlTXCcJvMZuhiTxg)