霍熒 王伊凡 黃海云 蘇波

（首都師范大學物理系 北京市 100048）

1 引言

電動機(簡稱電機)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置[1,2]，在人們的日常生活中發(fā)揮著非常重要的作用，為社會的發(fā)展和人類的進步做出了巨大的貢獻，比如在高鐵、電梯，電動汽車、以及電扇、電動剃須刀等器械中都有電機的存在[3]。電機的原理已被大多數(shù)人所熟知，但是電機中的具體構(gòu)造卻知之者甚少，若要親手制作一個電機對大部分人來說通常也不是件容易的事。本論文采用簡單的器材分別制作了兩種簡易的無刷電機，并對其進行了測試，分析了轉(zhuǎn)速快慢的原因。在制作簡易電機的過程中不僅能夠更好的理解其工作原理，而且還可以發(fā)散思維，進行創(chuàng)新。

2 無刷電機的制作

2.1 第一種無刷電機的制作

制作無刷電機的材料有曲別針（兩個）、小藥盒、強磁鐵（兩塊）、漆包線、電池和導線。把兩個曲別針拉直，然后分別將它們其中的一端做成小圓環(huán)來進行導電，最后將線圈兩端的軸分別放入兩個圓環(huán)中使它們相互接觸；線圈下方固定了兩塊強磁鐵來提供磁場，當接通電源時，電流會通過小圓環(huán)給線圈通電，通電線圈在磁場中就會受到力的作用而轉(zhuǎn)動。當線圈轉(zhuǎn)過90°時，磁力消失,但是由于慣性，線圈仍會繼續(xù)向沿著相同的方向運動，如此反復，線圈就能在通電狀態(tài)下持續(xù)快速的轉(zhuǎn)動了，其實物圖如圖1 所示。該電機的缺點是如果轉(zhuǎn)子線圈的初始位置比較特殊，當通電時，線圈旋轉(zhuǎn)的力矩為零，不能轉(zhuǎn)動，需要人為給線圈一個初速度，線圈才能連續(xù)轉(zhuǎn)動下去。

2.2 第二種無刷電機的制作

由于第一種無刷電機在工作過程中會受到與轉(zhuǎn)矩方向相反的安培力而導致部分能量損失以及存在不能正常啟動問題，因此又制作了第二種無刷電機。該電機和第一種無刷電機的區(qū)別是其轉(zhuǎn)子是磁鐵，連同外殼一起與轉(zhuǎn)軸相連，定子是線圈，并且去掉了第一種電機中用來導電的圓環(huán)，電流將不再通過轉(zhuǎn)子而是通過控制定子產(chǎn)生的磁場來推動它轉(zhuǎn)動[4]。

用此方法制作的電機大部分需要依靠電子調(diào)速器將電流變?yōu)槿嘟涣麟妬韺崿F(xiàn)它的轉(zhuǎn)動[5]。但由于這個操作比較復雜，利用現(xiàn)有材料實現(xiàn)較為困難，因此本實驗利用干簧管來改變線圈產(chǎn)生的磁場，從而使這種無刷電機連續(xù)轉(zhuǎn)動[6]。圖2 所示的干簧管是一種特殊的磁敏開關(guān)，它的工作原理非常簡單，干簧管里有兩根金屬簧片，沒有磁場時，簧片是斷開的，相當于一個斷路的開關(guān)。當其周圍存在磁場時，兩簧片由于受到磁場力而吸合在一起，相當于開關(guān)的閉合。但需要注意是當磁場方向與兩個金屬簧片平行時，簧片才會被吸合，這樣干簧管才能工作。

圖1：第一種無刷電機實物圖

圖2：干簧管的工作原理

圖3：第二種無刷電機實物圖

第二種無刷電機的制作材料有餅干盒，細鐵棒，塑料泡沫，強磁鐵（兩塊），漆包線，螺旋槳，導線，干簧管，電池盒，電池。用一個圓柱形的餅干盒作為底座，把一根直徑為3mm 的細鐵棒穿過一塊泡沫塑料，泡沫兩端用雙面膠各固定一塊小磁鐵，組成了電機的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子兩側(cè)分別用膠帶固定線圈，線圈通過一個干簧管與電源串聯(lián)在一起。當電源接通，干簧管靠近磁鐵時，轉(zhuǎn)子就開始轉(zhuǎn)動。但是，由于餅干盒是密封的，干簧管在盒外與磁鐵距離太遠，所以需要在盒子上挖一個洞，把干簧管從洞里伸進去使干簧管和磁鐵的距離足夠近，實物圖如圖3 所示。

2.3 無刷電機底座改造

由于所制作的第二種無刷電機是用圓形的餅干盒充當?shù)鬃?，電機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不佳，所以對其進行了改造。將兩個鐵片固定在模板上作為底座，這樣可以方便地控制干簧管與轉(zhuǎn)子之間的距離，易于調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，如圖4 所示。對照圖3 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)，底座改造前的無刷電機的線圈有兩個，分布在圓形餅干盒的兩側(cè)；底座改造后的無刷電機的線圈只有一個，放置在轉(zhuǎn)子的正下方。

表1：兩種電機的轉(zhuǎn)速比較

圖4：第二種無刷電機底座改造圖

圖5：轉(zhuǎn)動原理

圖6：轉(zhuǎn)子靠慣性轉(zhuǎn)動

在制作轉(zhuǎn)子時，兩個小磁鐵向外的極性必須相同，如圖5 所示。把下端小磁鐵的側(cè)面對著干簧管的中間位置，以便其磁場方向與干簧管中的簧片方向平行。當距離足夠近時，兩簧片相吸合，電路接通，線圈中就有電流通過而成為一個電磁鐵。如果電磁鐵產(chǎn)生的磁場與下端的小磁鐵磁場方向相同，那么小磁鐵就會受到排斥力的作用而向上運動，轉(zhuǎn)子就會逆時針轉(zhuǎn)動。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動了大約90 度后，磁鐵的磁場方向垂直于干簧管，這時兩簧片斷開電路，電流不再通過定子線圈，轉(zhuǎn)子只靠慣性轉(zhuǎn)動而不再受磁場力，當另外一側(cè)的小磁鐵通過慣性轉(zhuǎn)動到定子線圈正上方的位置以后，它的平行方向磁場重新讓干簧管簧片閉合，電路繼續(xù)接通，小磁鐵又會受到電磁鐵的排斥力作用，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動，循環(huán)往復，轉(zhuǎn)子就連續(xù)快速的轉(zhuǎn)動起來，如圖6 所示。這種電機的底座經(jīng)改造后穩(wěn)定性增加了，但是只用了一個放置在底部的線圈，所以也存在當初始位置力矩為零時而不能啟動的問題。

2.4 兩種電機轉(zhuǎn)速的比較

本文利用頻閃儀對制作出的兩種無刷電機進行性能測試，頻閃儀是一種通過特定頻率快速閃動以控制光源發(fā)光的光學測量儀器。當頻閃儀的閃光頻率與被測物體的運動或轉(zhuǎn)動速度同步或接近時，利用眼睛的視覺暫留或拍攝視頻同步，就能夠觀測到高速運動物體的運行狀況，兩種電機的測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

2.5 實驗結(jié)果分析

（1）通過對比無刷電機一和無刷電機二的轉(zhuǎn)速，可以發(fā)現(xiàn)無刷電機二改進前后的轉(zhuǎn)速均高于無刷電機一，最主要是因為無刷電機二沒有了導電圓環(huán)與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的阻力，運轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小，并且由于無刷電機二的轉(zhuǎn)子中沒有電流通過，也就沒有了電機運轉(zhuǎn)時可能產(chǎn)生的電火花。

（2）底座改造前的電機比底座改造后的電機轉(zhuǎn)速高，主要原因有兩個：第一，改造前的電機有兩個線圈，線圈的匝數(shù)多，產(chǎn)生的磁場更強，電機轉(zhuǎn)動的速度就越快。第二，改造前的電機，轉(zhuǎn)子的磁鐵是鑲嵌在海綿里的；改造后的電機，轉(zhuǎn)子的磁鐵僅僅貼在了海綿上。體積更大，需要的啟動轉(zhuǎn)矩就大，轉(zhuǎn)速也會相對慢一些。

3 結(jié)束語

本論文詳細介紹了兩種簡易無刷電機的制作材料和制作過程，并利用頻閃儀對兩種電機的轉(zhuǎn)速進行了測試，發(fā)現(xiàn)改進前后電機二的轉(zhuǎn)速均高于電機一，其主要原因是第二種無刷電機沒有線圈與轉(zhuǎn)子之間的阻力。在對第二種無刷電機的底座進行改進后，發(fā)現(xiàn)改進后的電機轉(zhuǎn)速變小了，但是其穩(wěn)定性卻大大增加。這兩種電機的制作材料都非常容易得到，制作過程十分簡單，性能測試也很方便。該簡易電機的制作方法對于中學生將理論知識和具體實踐相結(jié)合，培養(yǎng)他們的認知能力、分析問題和解決問題以及提高他們的動手能力、創(chuàng)新能力和學習興趣都有很大的促進作用。