系列直流電動機模型的設計與制作

摘 要：電動機的工作原理和設計制作是中學物理重要的教學內容。本文研究分析了簡易版、門形（心形）版、多線圈換向器版、太陽能版和霍爾傳感器版等系列直流電動機的原理、制作和改進方法。這些電動機模型因其原理的豐富性、器件取材的便捷性以及結構設計的巧妙性，非常適合作為科普項目、演示實驗、學生實驗、拓展課程、STEM課程和項目化學習等內容的載體，從而有效提升學生的核心素養。

關鍵詞：電動機；安培力；核心素養；課程拓展

直流電動機是中學物理和科學課程中非常重要的教學內容。教師引導學生進行設計、組裝、制作和改進不同類型的直流電動機模型，這對激發學生的學習興趣、加深學生對相關知識原理的理解以及培養學生的動手實踐能力和創新能力都具有非常積極的影響。目前，已有許多研究者介紹了一些電動機的制作方法，也有教師將電動機的設計和制作與STEM教學［1，2］、翻轉課堂［3］、做中學［4］等教學方法相結合，取得了不錯的成效。然而，這些研究涉及的電動機模型種類較少，探索空間有限。在模仿和制作這些電動機模型時，師生經常會遇到線圈啟動困難、轉動抖動和轉速較低等問題。本研究針對上述問題利用漆包線、釹磁鐵、干電池、太陽能電池板、易拉罐和霍爾傳感器等常見材料，對多種類型的直流電動機模型進行了創新改進。這些電動機模型不僅演示效果直觀、材料易于采購、還兼具趣味性和拓展性強等特點，對于教學研究、科普創作以及提升學生的核心素養等方面都具有重要意義和價值。1 常見的簡易直流電動機直流電動機利用通電線圈在磁場中受到安培力作用而工作。每當線圈轉過180° 時，線圈所受的合力矩方向就會改變。為了實現線圈的持續轉動，通常采用間歇通電的方法或者利用換向器周期性地改變電流方向的方法。基于這兩種方法，我們可以設計出不同類型的電動機，其中最常見的是簡易直流電動機。下文將分析這種電動機的制作方法和優化改進的技巧。

1.1 簡易版的漆包線電動機的設計改進

將直徑在0.7～1.2mm之間的漆包線繞制成一個直徑約3cm的圓形線圈（可以直接在1號電池上繞制），或者繞制成一個約2cm×4cm的矩形線圈，繞6～10匝即可。在線圈的兩端各留出約5cm的引出端，其中一個引出端的外表面全部刮掉絕緣漆，另一個引出端的外表面刮掉上側（或下側）的絕緣漆。先將兩個支架分別與1號電池的正負極直接接觸；然后將磁鐵吸在電池上，并將線圈放置在支架上。輕撥一下線圈，它就會開始持續轉動。這個簡易線圈電動機的實物圖如圖1所示。

優點：制作簡單、易學易懂，其中支架可用回形針、鐵絲、銅絲等多種材料制作。

缺點：線圈轉速較慢，啟動時易卡住，轉動時易抖動，線圈外觀不夠美觀大方且易變形，從而影響長久使用。

制作關鍵：支架要等高，線圈的質量和形狀要沿兩個引出端連線對稱分布，引出端一端要刮掉半個側面（180°）的絕緣漆。很多新手第一次制作時往往難以準確刮除完整的半個側面，這也是很多師生容易出錯的地方。無論是多刮少刮，都會影響實驗效果。

優化改進：①調整線圈和引出端位置，確保線圈在上下和前后方向上均實現軸對稱，以此保證線圈在高速旋轉時保持穩定，不易抖動（如圖2中A、B所示）；經過實測，這樣優化后的線圈轉速比普通線圈轉速提升一倍以上。②可以將一個引出端留出足夠長度（2～3m），并將其緊密地繞在線圈上，使其固定，這樣處理后的線圈可以長期使用。③線圈可設計為單匝矩形、心形、葫蘆形、半邊U形等。④兩個引出端的絕緣漆需要完全刮干凈，以確保其能夠良好地導電；在磁鐵的強磁場下，線圈能夠持續轉動，這是因為線圈的不對稱性導致它在支架上跳動，從而實現間歇通電。

本文展示了優化改進后的單匝矩形、心形、半邊U形線圈以及雙引出端全刮版的簡易直流電動機線圈（如圖2C所示）。這些線圈均能實現持續高速轉動。

1.2 門形（心形）版的銅絲電動機模型

門形版銅絲電動機模型的實物圖和受力示意圖如圖3所示。線圈左右兩邊受到的安培力方向相反，這產生了旋轉力矩，使得線圈能夠持續轉動。制作時利用尖嘴鉗、直尺等工具，將直徑在0.8～1.2mm之間的銅絲折成心形或門形，并將下端彎成直徑比圓形磁鐵直徑略大的圓形或半圓形。接著，用一節干電池用磁鐵吸住，然后將線圈套在上面，這樣線圈就能夠快速轉動起來。

優點：不需要換向器、不需要間歇通電。

制作關鍵：線圈的設計應盡量保持對稱，以優化平衡性能。不對稱的線圈會導致轉動速度慢且不穩定。同時，線圈的底部圓形直徑的大小也需要適宜，直徑過小會增加摩擦力，過大會導致接觸不良，這兩種情況都會使得線圈轉動困難。

優化改進：①半邊線圈形、彈簧形等不同形態的線圈也能夠持續轉動（如圖4中A所示）。②線圈可以改進為平面版的心形或門形，將改進后的線圈粘附在紙板上，同樣可以持續轉動（如圖4中B所示）；同樣地，線圈也可以用易拉罐剪裁成的鋁圈來替代，這種電動機又稱為韓長明馬達。③線圈還可以直接用一根導線來優化替代，只需將鐵釘的釘帽吸附在磁鐵上，釘尖吸附在電池的負極上，并用導線連接電池的正極和磁鐵，磁鐵就能夠快速轉動起來（如圖4中C所示）。

這些多種類型的簡易直流電動機模型在幫助學生學習安培力，理解電動機的構造、原理和應用方面都具有重要的作用。教師可以利用從圓形線圈到門形、心形以及鐵釘導線形等不同造型的電動機模型，開發一系列的教學活動。通過引導學生制作和改進這些模型，不僅能夠激發學生的學習興趣，還能有效地促進學生核心素養的全面發展。

2 換向器版的電動機

通過換向器周期性地改變電流方向是另一種使電動機持續轉動的有效手段。教師通常借助實驗演示來幫助學生深入理解換向器的工作原理。然而，學生在這一過程中往往面臨認知上的挑戰，而且許多師生對常見的小馬達（如130型電機）和中學電學實驗箱中三線圈電動機的工作原理也并不了解。針對這一問題，我們設計了帶換向器的單線圈、雙線圈、三線圈和四線圈的直流電動機。通過繞制線圈、制作換向器、探究電刷和換向器接觸情況等實踐過程，學生能夠更好地理解電動機和電刷工作原理。

2.1 單線圈和雙線圈電動機的設計制作

主要器材：1捆直徑0.3～0.5mm的漆包線、1根直徑8.0mm長30cm的轉軸（木棒、碳棒、塑料棒等均可）、1個線圈框架、2片長60mm寬28mm厚0.10mm的銅膠帶、電池和電池盒、底座支架、鱷魚夾導線、1只直徑20mm長60mm的PVC管。

制作方法：①制作單線圈時，使用漆包線在圓形或方形材料上同向繞制100～300匝；將轉軸穿過線圈中心，并在其上套入PVC管，用熱熔膠固定；在PVC管上等間距貼上銅膠帶，接著，刮掉線圈兩端的漆包線，并將引出端分別焊接在兩片銅膠帶的底端；調整線圈和換向器的角度，確保它們對稱（如圖5所示）。②制作雙線圈時，先在框架的一邊同向繞制100～300匝漆包線，跨過轉軸，再在框架的另一邊繼續同向繞制相同匝數的漆包淺（如圖6所示），兩片換向器的貼法與單線圈的制作相同。

實驗操作：線圈放在支架上，磁鐵放在線圈下方或側方，電源的正負極鱷魚夾當作為電刷，直接和兩片換向器接觸，則線圈飛速轉動起來，轉速可以和工業版的電動機轉速相媲美。

優點：單、雙線圈電機轉速快、易操作，實驗效果明顯，趣味性強；電源正、負極的鱷魚夾用作電刷，通過與銅箔換向器的接觸，有助于學生清晰地理解換向器和電機工作原理，從而有效提升學生的實踐認知能力。

制作關鍵：線圈繞制時，線圈的繞向必須保持一致。對于雙線圈版本，線圈的末端應與下一個線圈的初端依次相接，即線圈1的末端連接到線圈2的初端；線圈1的初端和線圈2的末端分別連接到換向器（銅膠帶）的兩側；將兩片銅膠帶均勻且無折痕地粘貼在PVC管上，確保銅膠帶之間留有適當間隙，以防止正負極短路。

2.2 三線圈和四線圈版本的電動機的設計制作

多線圈電動機在日常生活中應用廣泛。本文將以自制的三線圈和四線圈電機為例，分享它們的制作方法。首先，可以使用激光雕刻機或手工裁剪的方法制作三線圈和四線圈電機的骨架。其次，在每個框架上繞制大約200匝漆包線，確保每個線圈的初端與下一個線圈的末端相連。再次，將連接處焊接在銅箔上（即換向器）。最后，換向器的數量應與線圈數量相匹配，其粘貼方法與單、雙線圈相同（如圖7和圖8所示）。

制作關鍵：①每個線圈都沿相同方向繞制，并將線圈的末端與下一個線圈的始端依次相連，這些連接部分隨后與換向器相連。②銅膠帶的粘貼應與線圈一一對應，三線圈電動機中三片銅膠帶應間隔120度等間距地粘貼在碳棒上；四線圈電動機中四片銅膠帶應間隔90度等間距地粘貼在碳棒上。③銅膠帶在此充當換向器的角色。當電機中的線圈轉到平衡位置時，它會自動改變線圈中電流的方向，從而改變線圈的受力方向，使得線圈能夠持續轉動。

優點和改進：多線圈電動機的轉速顯著提高，同時也增強了觀賞性和趣味性。若轉軸兩端采用軸承支撐，可以顯著減小摩擦力，從而使電動機的轉速更快、運行更平穩。

換向器版的電動機設計精巧，轉速高且運行平穩，兼具趣味性、科學性和創造性，是一種理想的教學活動資源。這種自制的多線圈電動機在很大程度上還原了工業電動機的外形，能夠更真實地展示電動機的工作狀態和原理，體現物理與日常生活的聯系，有效激發了學生學習物理的熱情。

3 太陽能電動機模型的設計制作

太陽能電動機，又叫門多西諾電機，是一種無刷電動機。由于獨特的結構和巧妙的設計，它受到了許多研究愛好者的喜愛，并常被用于DIY制作中。目前，大多數太陽能電動機采用四面的太陽能電池板，并通過磁懸浮技術來控制水平平衡。然而，這種設計較為復雜，且在高速旋轉時容易因離心力而導致部件飛離。本研究利用兩片長條形太陽能電池板（3.0cm×10cm），設計了一款簡潔版的太陽能電動機。該電動機在陰天或弱光照射（如手電筒照射）都能快速轉動（日光照射下可超1000r/min），制作簡單、穩定性好、現象明顯。

該電動機主要由兩片太陽能電池板、線圈、磁鐵、支架、筆芯等主要部分構成（如圖9所示）。制作時，在兩電池板之間粘一小木塊。以木塊為起始點，用直徑0.2mm的漆包線繞1000匝左右，線圈一個引出端焊接在電池板A正極和電池板B負極上，另一個引出端焊接在電池板B正極和電池板A負極上（如圖10所示）。當電池板A面受到光照時，線圈回路中產生電流，在磁場中受到安培力的作用而開始轉動。當線圈轉動180°后，電池板B面受到陽光照射，產生反向電流。這樣線圈受到的力矩方向始終保持一致，類似于帶有換向器的電動機。因此，電動機可以持續轉動下去。

優點：①節能環保，可以用作新能源相關課程內容的拓展項目；②對光照強度要求低，由于線圈匝數較多，即使微弱電流也可以產生較大轉動力矩，在陰雨天氣，裝置放在窗外也可持續轉動；③穩定性能好，利用強磁鐵對筆芯的吸引力和重力的平衡，使得線圈轉動力矩小，相對水平放置，豎直懸掛穩定性好、轉速更快。

制作關鍵：①纏繞線圈時圈數要適宜，過多則磁鐵吸引力不足，過少則轉動困難或轉速較慢；②在焊接導線時，應注意兩片太陽能電池板的正、負極交錯連接。

新能源的開發利用既是當前重要的研究方向，又是《普能高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》和《義務教育物理課程標準（2022年版）》中強調的重要教學內容。教師可以利用太陽能電動機的設計開展多樣化的教學活動，幫助學生深入了解太陽能電動機的工作原理、運作方式和應用前景。

4 基于控制電路的電動機

直流無刷電機因其高可靠性、強適應性和優良制動性能而在中小功率驅動機械、高精度控制和辦公自動化等領域得到廣泛應用。［5］利用霍爾傳感器設計的無刷電機能夠有效地將物理學與科學、技術、社會（STS）聯系起來。筆者制作的霍爾電動機實物和控制電路圖如圖11和圖12所示。該電動機的轉子由四片規格相同、同名磁極朝外的強磁鐵均勻粘附在易拉罐上構成，轉軸穿過易拉罐中心，并牢固地安裝在支架上。電磁鐵由漆包線繞制的線圈構成，與3144型霍爾傳感器、電阻、三極管和LED燈珠共同組成控制電路，其中霍爾傳感器位于線圈上方。當轉子中的磁鐵靠近霍爾傳感器時，傳感器產生霍爾電勢差，導致三極管集電極c和發射極e導通，電流通過線圈產生磁性，從而推動轉子運動并使LED燈珠發光。當轉子磁鐵遠離霍爾傳感器時，三極管截止，線圈中無電流通過，轉子依靠慣性繼續轉動。這一過程不斷重復，使得轉子能夠持續轉動。

優點：①不需要換向器和電刷，結構巧妙，轉速快，趣味性強，適合教師在課本實驗活動的基礎上進行拓展實驗；②通過制作、操作和改進霍爾電動機，學生能夠更深入地理解霍爾效應的原理及其應用，并獲得實際操作的經驗。

制作關鍵：線圈匝數要足夠多，過少則磁性小；霍爾傳感器和轉子的距離要近、角度要恰當。只要調試找到合適的角度，轉子就能快速地轉動起來。

拓展：霍爾電動機基于間歇磁場與永磁場的相互作用，從而實現轉子（由易拉罐構成）的高速旋轉。此外，我們還可以使用電磁繼電器、干簧管等器件，或者自制間歇通電部件，來實現電流的周期性通斷，進而實現轉子的持續高速轉動。

霍爾效應是中學物理課程中的重點教學內容，相關的習題在教材中屢見不鮮。然而，教師很少從實驗設計和制作的角度來開展關于霍爾效應的教學活動。本研究的霍爾電動機設計制作能夠有效地填補這一教學空白。由于霍爾電動機的原理涉及多個物理概念，其實驗現象明顯，且具有強烈的趣味性和科普性，因此它在提升教師的教研水平和促進學生的核心素養發展方面都具有非常積極的作用。

5 結語

在本研究中，我們使用了漆包線、釹磁鐵、干電池、太陽能電池板、易拉罐和霍爾傳感器等常見器材，設計并改進了一系列直流電動機模型。本文分析了這些電動機的工作原理，記錄了制作過程并提出了有效的改進策略。這些模型不僅材料易得，而且具有顯著的演示效果以及較強的趣味性和拓展性，能夠在制作過程中激發學生的學習興趣、拓展學生科學思維，同時培養學生動手實踐能力和解決問題的能力。基于這一系列電動機的設計和制作理念，教師可以開展包括STEM教學、項目化學習、校本課程和跨學科教學等多種形式的教學活動。這些活動在教學研究、科學普及和科技創新方面具有重要意義，對提升學生的核心素養有著不可估量的價值。

參考文獻

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［4］徐金杰.在物理模型制作中實踐“做中學”理念——以“簡易電動機制作”為例［J］.中學物理，2018，36（9）：33-34．

［5］袁明.無刷電機的應用狀況與發展趨勢［J］.冶金管理，2019（5）：78，80．