手工制作電動機(jī)模型

李秦羽 陸明

一次，老師給了我們一個手工制作電動機(jī)模型的方案，但是我們覺得這個方案比較簡單，如果追求電動機(jī)模型的轉(zhuǎn)速，這個方案顯然存在很多改進(jìn)空間。因此我們做了些改進(jìn)，下面，我們把自己的想法和制作過程分享給大家。

首先，原始模型中的線圈，在最理想情況下也只有[12]周期的通電時間，剩余的時間都在慣性旋轉(zhuǎn)沒有任何產(chǎn)出。如果再加上手工誤差的因素，實(shí)際輸出動力的時間更少。因此要想提高轉(zhuǎn)速，就要增大線圈的受力時間，最簡單的方法是設(shè)法實(shí)現(xiàn)電刷結(jié)構(gòu)。我們最初的設(shè)想是，在原始模型上改進(jìn)，不再使用兩個支架進(jìn)行導(dǎo)電，而是通過電刷進(jìn)行供電（如圖1所示）。

用兩段漆包線做成電刷的兩部分，利用其彈性分別夾緊線圈的兩極，并在適當(dāng)?shù)牡胤焦蔚羝幔纯蓪?shí)現(xiàn)隨線圈旋轉(zhuǎn)改變電流方向的目的。

如果這樣做，電刷功能是實(shí)現(xiàn)了，但是忽略了一個問題——材料有限。我們拿到的材料包括長60cm、直徑約1mm的漆包線、5號電池及其電池盒1個、磁鐵2塊、小飯盒1個、少量PVC板。僅60cm的漆包線，既要做支架又要做電刷，沒有多少能留下作繞線圈。但若線圈匝數(shù)過少，速度一定不可能快。于是，我們把目光投向了小飯盒——用它做支架，以節(jié)約漆包線。

我們在飯盒的兩條長邊上劃出兩道凹槽（如圖2畫圈處所示），使其剛好可以卡住線圈的軸，而不至于有太大摩擦。剩下的漆包線繞了五匝線圈，達(dá)到了預(yù)設(shè)的要求。

把之前的設(shè)計搬到小飯盒內(nèi)，就得到了如圖3的設(shè)計圖。

制作時需注意以下幾點(diǎn)：一是保持轉(zhuǎn)軸筆直，這樣可以避免電動機(jī)工作時，因振動過大而引起能量損耗。為了保持轉(zhuǎn)軸筆直，我們在制作線圈前，先剪下一小節(jié)未彎折的漆包線備用。二是線圈可做成方形，使導(dǎo)線與磁鐵更接近，讓導(dǎo)線處于更強(qiáng)的磁場中。根據(jù)安培力公式F=BIL，更強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度意味著更大的安培力。

制作完成后，給模型通上電，并給其一個力，使其開始旋轉(zhuǎn)。如愿，它開始旋轉(zhuǎn)了。

但是，出現(xiàn)了一些問題。在工作時，由于手工制作誤差和電刷帶來的摩擦，轉(zhuǎn)速提升時，飯盒上的兩道凹槽常常無法固定軸，甚至?xí)⑤S震出凹槽外。我們嘗試盡量把軸弄直，并使線圈在轉(zhuǎn)動時盡可能平衡，以減小振動，并調(diào)整電刷的位置，使兩個電刷之間的縫隙與兩側(cè)的凹槽在同一直線上。但遺憾的是，由于制作過程中的手工誤差，仍不能將振動的幅度降低到可接受的范圍內(nèi)。

為解決這個問題，我們切下一小塊PVC板，在上面鉆一個比轉(zhuǎn)軸直徑稍大的孔，并把孔內(nèi)壁盡可能處理光滑。然后將這一小塊PVC板固定在飯盒邊緣上（如圖4），使轉(zhuǎn)軸靜止時可以在凹槽的支撐下懸空穿過小孔。

有了PVC板的固定和電刷的夾持，模型可以穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)了。

至此，經(jīng)過長時間調(diào)試，電池電量幾近耗盡，電動機(jī)已經(jīng)不能持續(xù)旋轉(zhuǎn)了。當(dāng)我們準(zhǔn)備撤去磁鐵，更換電池的時候，本來已經(jīng)停下的電動機(jī)又重新旋轉(zhuǎn)起來。簡單重復(fù)多次后不難看出，是上抬磁鐵的動作使電動機(jī)重新轉(zhuǎn)動，原理也顯而易見，將磁鐵靠近線圈增加了線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度，受到的安培力也就增大，重新轉(zhuǎn)起來也不是難事。

受此啟發(fā)，我們用了少量PVC板將磁鐵墊高，使磁鐵與和處于豎直方向時的線圈的距離大約為5mm。此時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速得到一定提升。

在制作過程中，我們還有了新的想法：為什么一定要把兩塊磁鐵堆疊放置？如果將兩塊磁鐵置于線圈的上下方，顯然比堆疊在下方更好！

首先，磁鐵堆疊在下面時，磁鐵的磁感線是發(fā)散的，而上下分開放置時，可以讓線圈所在的空間磁感線更密集。其次，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動到垂直于水平面時，線圈的上下部分都可以更貼近磁鐵，從而得到更好的加速效果，還可避免因受力不均而引發(fā)的振動（原理如圖5所示）。

于是我們重做了磁鐵的支架，將一塊磁鐵懸于線圈上方（如圖6，圖中支撐結(jié)構(gòu)略去），線圈豎直時，線圈離上下磁鐵的距離不超過5mm。更改了方案后，轉(zhuǎn)速再一次得到提升。

我們認(rèn)為這已經(jīng)足夠了。同學(xué)A提出和我們比試，我們爽快地答應(yīng)了，他的模型用的是老師給的示范結(jié)構(gòu)，制作很精良。一輪比試下來，大家都認(rèn)為我們的模型轉(zhuǎn)速較快，他也甘拜下風(fēng)。但是在我們看來，我們的模型轉(zhuǎn)動時，線圈觸點(diǎn)和電刷的撞擊聲比較頻繁，所以才顯得速度比較快，而同學(xué)A的模型不需要一個真正意義上的電刷，而只是安靜地轉(zhuǎn)動。忽略聲音，其實(shí)雙方轉(zhuǎn)速都差不多，我們的甚至還略遜一籌。

這就奇怪了。我們明明做了這么多改進(jìn)，卻還是得到了差不多的轉(zhuǎn)速，難道我們的電刷結(jié)構(gòu)還不如原始的模型嗎？按照理論是不可能，如果我們的模型正常工作，線圈受力時間明顯會比原始模型長。肯定是哪里出了問題。

回到前面我們發(fā)現(xiàn)的問題——線圈觸點(diǎn)與電刷撞擊的聲音。一開始，我們認(rèn)為是電刷和線圈接觸才會發(fā)出這樣的聲音，我們試著把電刷調(diào)松，雖然減少了撞擊，但是線圈沒法在一個周期內(nèi)接觸到電刷，轉(zhuǎn)速反而更慢。我們又試著調(diào)緊電刷，但壓力帶來的摩擦，電動機(jī)直接被拖停。

重新審視我們的模型，試著找出出錯的地方。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一開始我們的設(shè)計就有一個嚴(yán)重的缺陷——電刷的觸點(diǎn)（如圖7）。

理論上說，在電動機(jī)工作時，線圈的觸點(diǎn)會時刻與電刷緊密接觸，但這是理想情況，實(shí)際情況是，在轉(zhuǎn)速足夠高時，電刷會被頂開，且由于轉(zhuǎn)速快，電刷恢復(fù)的速度趕不上線圈的轉(zhuǎn)動速度，有時線圈已經(jīng)離開電刷一段時間，電刷才回彈并與觸點(diǎn)重新接觸，所以會有少許時間不能通電。

這本是不可避免的小問題，即使存在也無傷大雅，那為什么要說它嚴(yán)重呢？這就要說到線圈在轉(zhuǎn)動時的一個特殊位置了——垂直于平面的位置。

如果線圈在轉(zhuǎn)動到這個位置時能夠通電，那么整體將達(dá)到最好的加速效果。在我們的模型中，磁鐵位于線圈的上下方，當(dāng)線圈垂直于水平面時，離磁鐵最近，處于最強(qiáng)的磁場中，有最大的安培力，此時，線圈上下兩側(cè)收到的安培力都垂直于其運(yùn)動方向，不需要再分解。但是，在之前的設(shè)計中，由于高速轉(zhuǎn)動時，電刷不能及時回彈，導(dǎo)致線圈在最佳加速位置無法加速，速度自然無法上去。另外，由于手工制作誤差，即使在低速情況，線圈垂直于水平面時，電刷與觸點(diǎn)的接觸也不好，這也相當(dāng)于錯失了加速的機(jī)會。

解決這個問題的方法有很多，但鑒于模型已經(jīng)成型，本著改動最小的原則，我們將線圈改成了如圖8所示的樣子。

這是個很小的改動，雖然這樣也沒有徹底解決電刷不能及時回彈和手工誤差帶來的問題，但是這樣的改動把問題帶來的后果減小到可以忽略不計。線圈的兩端原來是與線圈在同一平面并排固定在軸上的，現(xiàn)在我們將其改成與線圈平面垂直。這樣一來，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動到垂直位置時，電刷是被頂開的狀態(tài)，這樣便可以保證電刷與觸點(diǎn)接觸良好，進(jìn)而保證可以在最佳加速時機(jī)加速。而電刷不能及時回彈和手工誤差帶來的接觸不良的問題，改進(jìn)后會發(fā)生在線圈接近平行于水平面的時候，此時線圈所在空間的磁場最弱，并且其受力垂直于運(yùn)動方向，即使此時無法通電，對電動機(jī)轉(zhuǎn)動也無太大影響。

我們的作品制作完成了，有成功也有失敗，在改進(jìn)的過程中，我們學(xué)會了不斷反思，今后我們會更細(xì)致，更認(rèn)真，努力創(chuàng)作出更好的作品。

（指導(dǎo)老師：李玉華）