两种简易无刷电动机的制作

霍荧 王伊凡 黄海云 苏波

（首都师范大学物理系 北京市 100048）

1 引言

电动机(简称电机)是一种将电能转化为机械能的装置[1,2]，在人们的日常生活中发挥着非常重要的作用，为社会的发展和人类的进步做出了巨大的贡献，比如在高铁、电梯，电动汽车、以及电扇、电动剃须刀等器械中都有电机的存在[3]。电机的原理已被大多数人所熟知，但是电机中的具体构造却知之者甚少，若要亲手制作一个电机对大部分人来说通常也不是件容易的事。本论文采用简单的器材分别制作了两种简易的无刷电机，并对其进行了测试，分析了转速快慢的原因。在制作简易电机的过程中不仅能够更好的理解其工作原理，而且还可以发散思维，进行创新。

2 无刷电机的制作

2.1 第一种无刷电机的制作

制作无刷电机的材料有曲别针（两个）、小药盒、强磁铁（两块）、漆包线、电池和导线。把两个曲别针拉直，然后分别将它们其中的一端做成小圆环来进行导电，最后将线圈两端的轴分别放入两个圆环中使它们相互接触；线圈下方固定了两块强磁铁来提供磁场，当接通电源时，电流会通过小圆环给线圈通电，通电线圈在磁场中就会受到力的作用而转动。当线圈转过90°时，磁力消失,但是由于惯性，线圈仍会继续向沿着相同的方向运动，如此反复，线圈就能在通电状态下持续快速的转动了，其实物图如图1 所示。该电机的缺点是如果转子线圈的初始位置比较特殊，当通电时，线圈旋转的力矩为零，不能转动，需要人为给线圈一个初速度，线圈才能连续转动下去。

2.2 第二种无刷电机的制作

由于第一种无刷电机在工作过程中会受到与转矩方向相反的安培力而导致部分能量损失以及存在不能正常启动问题，因此又制作了第二种无刷电机。该电机和第一种无刷电机的区别是其转子是磁铁，连同外壳一起与转轴相连，定子是线圈，并且去掉了第一种电机中用来导电的圆环，电流将不再通过转子而是通过控制定子产生的磁场来推动它转动[4]。

用此方法制作的电机大部分需要依靠电子调速器将电流变为三相交流电来实现它的转动[5]。但由于这个操作比较复杂，利用现有材料实现较为困难，因此本实验利用干簧管来改变线圈产生的磁场，从而使这种无刷电机连续转动[6]。图2 所示的干簧管是一种特殊的磁敏开关，它的工作原理非常简单，干簧管里有两根金属簧片，没有磁场时，簧片是断开的，相当于一个断路的开关。当其周围存在磁场时，两簧片由于受到磁场力而吸合在一起，相当于开关的闭合。但需要注意是当磁场方向与两个金属簧片平行时，簧片才会被吸合，这样干簧管才能工作。

图1：第一种无刷电机实物图

图2：干簧管的工作原理

图3：第二种无刷电机实物图

第二种无刷电机的制作材料有饼干盒，细铁棒，塑料泡沫，强磁铁（两块），漆包线，螺旋桨，导线，干簧管，电池盒，电池。用一个圆柱形的饼干盒作为底座，把一根直径为3mm 的细铁棒穿过一块泡沫塑料，泡沫两端用双面胶各固定一块小磁铁，组成了电机的转子。转子两侧分别用胶带固定线圈，线圈通过一个干簧管与电源串联在一起。当电源接通，干簧管靠近磁铁时，转子就开始转动。但是，由于饼干盒是密封的，干簧管在盒外与磁铁距离太远，所以需要在盒子上挖一个洞，把干簧管从洞里伸进去使干簧管和磁铁的距离足够近，实物图如图3 所示。

2.3 无刷电机底座改造

由于所制作的第二种无刷电机是用圆形的饼干盒充当底座的，电机结构稳定性不佳，所以对其进行了改造。将两个铁片固定在模板上作为底座，这样可以方便地控制干簧管与转子之间的距离，易于调整电机的转速，如图4 所示。对照图3 和图4 可以发现，底座改造前的无刷电机的线圈有两个，分布在圆形饼干盒的两侧；底座改造后的无刷电机的线圈只有一个，放置在转子的正下方。

表1：两种电机的转速比较

图4：第二种无刷电机底座改造图

图5：转动原理

图6：转子靠惯性转动

在制作转子时，两个小磁铁向外的极性必须相同，如图5 所示。把下端小磁铁的侧面对着干簧管的中间位置，以便其磁场方向与干簧管中的簧片方向平行。当距离足够近时，两簧片相吸合，电路接通，线圈中就有电流通过而成为一个电磁铁。如果电磁铁产生的磁场与下端的小磁铁磁场方向相同，那么小磁铁就会受到排斥力的作用而向上运动，转子就会逆时针转动。

当转子转动了大约90 度后，磁铁的磁场方向垂直于干簧管，这时两簧片断开电路，电流不再通过定子线圈，转子只靠惯性转动而不再受磁场力，当另外一侧的小磁铁通过惯性转动到定子线圈正上方的位置以后，它的平行方向磁场重新让干簧管簧片闭合，电路继续接通，小磁铁又会受到电磁铁的排斥力作用，转子将继续逆时针转动，循环往复，转子就连续快速的转动起来，如图6 所示。这种电机的底座经改造后稳定性增加了，但是只用了一个放置在底部的线圈，所以也存在当初始位置力矩为零时而不能启动的问题。

2.4 两种电机转速的比较

本文利用频闪仪对制作出的两种无刷电机进行性能测试，频闪仪是一种通过特定频率快速闪动以控制光源发光的光学测量仪器。当频闪仪的闪光频率与被测物体的运动或转动速度同步或接近时，利用眼睛的视觉暂留或拍摄视频同步，就能够观测到高速运动物体的运行状况，两种电机的测试数据如表1 所示。

2.5 实验结果分析

（1）通过对比无刷电机一和无刷电机二的转速，可以发现无刷电机二改进前后的转速均高于无刷电机一，最主要是因为无刷电机二没有了导电圆环与转子之间产生的阻力，运转时摩擦力大大减小，并且由于无刷电机二的转子中没有电流通过，也就没有了电机运转时可能产生的电火花。

（2）底座改造前的电机比底座改造后的电机转速高，主要原因有两个：第一，改造前的电机有两个线圈，线圈的匝数多，产生的磁场更强，电机转动的速度就越快。第二，改造前的电机，转子的磁铁是镶嵌在海绵里的；改造后的电机，转子的磁铁仅仅贴在了海绵上。体积更大，需要的启动转矩就大，转速也会相对慢一些。

3 结束语

本论文详细介绍了两种简易无刷电机的制作材料和制作过程，并利用频闪仪对两种电机的转速进行了测试，发现改进前后电机二的转速均高于电机一，其主要原因是第二种无刷电机没有线圈与转子之间的阻力。在对第二种无刷电机的底座进行改进后，发现改进后的电机转速变小了，但是其稳定性却大大增加。这两种电机的制作材料都非常容易得到，制作过程十分简单，性能测试也很方便。该简易电机的制作方法对于中学生将理论知识和具体实践相结合，培养他们的认知能力、分析问题和解决问题以及提高他们的动手能力、创新能力和学习兴趣都有很大的促进作用。