霍熒 王伊凡 黃海云 蘇波

（首都師范大學(xué)物理系 北京市 100048）

1 引言

電動機(jī)(簡稱電機(jī))是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)，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(jī)的存在[3]。電機(jī)的原理已被大多數(shù)人所熟知，但是電機(jī)中的具體構(gòu)造卻知之者甚少，若要親手制作一個電機(jī)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(jī)，并對其進(jìn)行了測試，分析了轉(zhuǎn)速快慢的原因。在制作簡易電機(jī)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(jìn)行創(chuàng)新。

2 無刷電機(jī)的制作

2.1 第一種無刷電機(jī)的制作

制作無刷電機(jī)的材料有曲別針（兩個）、小藥盒、強(qiáng)磁鐵（兩塊）、漆包線、電池和導(dǎo)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(jìn)行導(dǎo)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(qiáng)磁鐵來提供磁場，當(dāng)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(dāng)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(yùn)動，如此反復(fù)，線圈就能在通電狀態(tài)下持續(xù)快速的轉(zhuǎn)動了，其實(shí)物圖如圖1 所示。該電機(jī)的缺點(diǎn)是如果轉(zhuǎn)子線圈的初始位置比較特殊，當(dāng)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(jī)的制作

由于第一種無刷電機(jī)在工作過程中會受到與轉(zhuǎn)矩方向相反的安培力而導(dǎo)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(jī)。該電機(jī)和第一種無刷電機(jī)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(jī)中用來導(dǎo)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(jī)大部分需要依靠電子調(diào)速器將電流變?yōu)槿嘟涣麟妬韺?shí)現(xiàn)它的轉(zhuǎn)動[5]。但由于這個操作比較復(fù)雜，利用現(xiàn)有材料實(shí)現(xiàn)較為困難，因此本實(shí)驗(yàn)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(jī)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(dāng)于一個斷路的開關(guān)。當(dāng)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(dāng)于開關(guān)的閉合。但需要注意是當(dāng)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(jī)實(shí)物圖

圖2：干簧管的工作原理

圖3：第二種無刷電機(jī)實(shí)物圖

第二種無刷電機(jī)的制作材料有餅干盒，細(xì)鐵棒，塑料泡沫，強(qiáng)磁鐵（兩塊），漆包線，螺旋槳，導(dǎo)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(xì)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(jī)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(dāng)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(yuǎn)，所以需要在盒子上挖一個洞，把干簧管從洞里伸進(jìn)去使干簧管和磁鐵的距離足夠近，實(shí)物圖如圖3 所示。

2.3 無刷電機(jī)底座改造

由于所制作的第二種無刷電機(jī)是用圓形的餅干盒充當(dāng)?shù)鬃?，電機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不佳，所以對其進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)的線圈只有一個，放置在轉(zhuǎn)子的正下方。

表1：兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較

圖4：第二種無刷電機(jī)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(dāng)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(yùn)動，轉(zhuǎn)子就會逆時針轉(zhuǎn)動。

當(dāng)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(dāng)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(fù)，轉(zhuǎn)子就連續(xù)快速的轉(zhuǎn)動起來，如圖6 所示。這種電機(jī)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(dāng)初始位置力矩為零時而不能啟動的問題。

2.4 兩種電機(jī)轉(zhuǎn)速的比較

本文利用頻閃儀對制作出的兩種無刷電機(jī)進(jìn)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(xué)測量儀器。當(dāng)頻閃儀的閃光頻率與被測物體的運(yùn)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(yùn)動物體的運(yùn)行狀況，兩種電機(jī)的測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）通過對比無刷電機(jī)一和無刷電機(jī)二的轉(zhuǎn)速，可以發(fā)現(xiàn)無刷電機(jī)二改進(jìn)前后的轉(zhuǎn)速均高于無刷電機(jī)一，最主要是因?yàn)闊o刷電機(jī)二沒有了導(dǎo)電圓環(huán)與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的阻力，運(yùn)轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小，并且由于無刷電機(jī)二的轉(zhuǎn)子中沒有電流通過，也就沒有了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時可能產(chǎn)生的電火花。

（2）底座改造前的電機(jī)比底座改造后的電機(jī)轉(zhuǎn)速高，主要原因有兩個：第一，改造前的電機(jī)有兩個線圈，線圈的匝數(shù)多，產(chǎn)生的磁場更強(qiáng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度就越快。第二，改造前的電機(jī)，轉(zhuǎn)子的磁鐵是鑲嵌在海綿里的；改造后的電機(jī)，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(xì)介紹了兩種簡易無刷電機(jī)的制作材料和制作過程，并利用頻閃儀對兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)前后電機(jī)二的轉(zhuǎn)速均高于電機(jī)一，其主要原因是第二種無刷電機(jī)沒有線圈與轉(zhuǎn)子之間的阻力。在對第二種無刷電機(jī)的底座進(jìn)行改進(jìn)后，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的電機(jī)轉(zhuǎn)速變小了，但是其穩(wěn)定性卻大大增加。這兩種電機(jī)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(jī)的制作方法對于中學(xué)生將理論知識和具體實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)他們的認(rèn)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(xué)習(xí)興趣都有很大的促進(jìn)作用。