手工制作电动机模型

李秦羽 陆明

一次，老师给了我们一个手工制作电动机模型的方案，但是我们觉得这个方案比较简单，如果追求电动机模型的转速，这个方案显然存在很多改进空间。因此我们做了些改进，下面，我们把自己的想法和制作过程分享给大家。

首先，原始模型中的线圈，在最理想情况下也只有[12]周期的通电时间，剩余的时间都在惯性旋转没有任何产出。如果再加上手工误差的因素，实际输出动力的时间更少。因此要想提高转速，就要增大线圈的受力时间，最简单的方法是设法实现电刷结构。我们最初的设想是，在原始模型上改进，不再使用两个支架进行导电，而是通过电刷进行供电（如图1所示）。

用两段漆包线做成电刷的两部分，利用其弹性分别夹紧线圈的两极，并在适当的地方刮掉漆，即可实现随线圈旋转改变电流方向的目的。

如果这样做，电刷功能是实现了，但是忽略了一个问题——材料有限。我们拿到的材料包括长60cm、直径约1mm的漆包线、5号电池及其电池盒1个、磁铁2块、小饭盒1个、少量PVC板。仅60cm的漆包线，既要做支架又要做电刷，没有多少能留下作绕线圈。但若线圈匝数过少，速度一定不可能快。于是，我们把目光投向了小饭盒——用它做支架，以节约漆包线。

我们在饭盒的两条长边上划出两道凹槽（如图2画圈处所示），使其刚好可以卡住线圈的轴，而不至于有太大摩擦。剩下的漆包线绕了五匝线圈，达到了预设的要求。

把之前的设计搬到小饭盒内，就得到了如图3的设计图。

制作时需注意以下几点：一是保持转轴笔直，这样可以避免电动机工作时，因振动过大而引起能量损耗。为了保持转轴笔直，我们在制作线圈前，先剪下一小节未弯折的漆包线備用。二是线圈可做成方形，使导线与磁铁更接近，让导线处于更强的磁场中。根据安培力公式F=BIL，更强的磁感应强度意味着更大的安培力。

制作完成后，给模型通上电，并给其一个力，使其开始旋转。如愿，它开始旋转了。

但是，出现了一些问题。在工作时，由于手工制作误差和电刷带来的摩擦，转速提升时，饭盒上的两道凹槽常常无法固定轴，甚至会将轴震出凹槽外。我们尝试尽量把轴弄直，并使线圈在转动时尽可能平衡，以减小振动，并调整电刷的位置，使两个电刷之间的缝隙与两侧的凹槽在同一直线上。但遗憾的是，由于制作过程中的手工误差，仍不能将振动的幅度降低到可接受的范围内。

为解决这个问题，我们切下一小块PVC板，在上面钻一个比转轴直径稍大的孔，并把孔内壁尽可能处理光滑。然后将这一小块PVC板固定在饭盒边缘上（如图4），使转轴静止时可以在凹槽的支撑下悬空穿过小孔。

有了PVC板的固定和电刷的夹持，模型可以稳定旋转了。

至此，经过长时间调试，电池电量几近耗尽，电动机已经不能持续旋转了。当我们准备撤去磁铁，更换电池的时候，本来已经停下的电动机又重新旋转起来。简单重复多次后不难看出，是上抬磁铁的动作使电动机重新转动，原理也显而易见，将磁铁靠近线圈增加了线圈的磁感应强度，受到的安培力也就增大，重新转起来也不是难事。

受此启发，我们用了少量PVC板将磁铁垫高，使磁铁与和处于竖直方向时的线圈的距离大约为5mm。此时，电动机的转速得到一定提升。

在制作过程中，我们还有了新的想法：为什么一定要把两块磁铁堆叠放置？如果将两块磁铁置于线圈的上下方，显然比堆叠在下方更好！

首先，磁铁堆叠在下面时，磁铁的磁感线是发散的，而上下分开放置时，可以让线圈所在的空间磁感线更密集。其次，当线圈转动到垂直于水平面时，线圈的上下部分都可以更贴近磁铁，从而得到更好的加速效果，还可避免因受力不均而引发的振动（原理如图5所示）。

于是我们重做了磁铁的支架，将一块磁铁悬于线圈上方（如图6，图中支撑结构略去），线圈竖直时，线圈离上下磁铁的距离不超过5mm。更改了方案后，转速再一次得到提升。

我们认为这已经足够了。同学A提出和我们比试，我们爽快地答应了，他的模型用的是老师给的示范结构，制作很精良。一轮比试下来，大家都认为我们的模型转速较快，他也甘拜下风。但是在我们看来，我们的模型转动时，线圈触点和电刷的撞击声比较频繁，所以才显得速度比较快，而同学A的模型不需要一个真正意义上的电刷，而只是安静地转动。忽略声音，其实双方转速都差不多，我们的甚至还略逊一筹。

这就奇怪了。我们明明做了这么多改进，却还是得到了差不多的转速，难道我们的电刷结构还不如原始的模型吗？按照理论是不可能，如果我们的模型正常工作，线圈受力时间明显会比原始模型长。肯定是哪里出了问题。

回到前面我们发现的问题——线圈触点与电刷撞击的声音。一开始，我们认为是电刷和线圈接触才会发出这样的声音，我们试着把电刷调松，虽然减少了撞击，但是线圈没法在一个周期内接触到电刷，转速反而更慢。我们又试着调紧电刷，但压力带来的摩擦，电动机直接被拖停。

重新审视我们的模型，试着找出出错的地方。结果发现，一开始我们的设计就有一个严重的缺陷——电刷的触点（如图7）。

理论上说，在电动机工作时，线圈的触点会时刻与电刷紧密接触，但这是理想情况，实际情况是，在转速足够高时，电刷会被顶开，且由于转速快，电刷恢复的速度赶不上线圈的转动速度，有时线圈已经离开电刷一段时间，电刷才回弹并与触点重新接触，所以会有少许时间不能通电。

这本是不可避免的小问题，即使存在也无伤大雅，那为什么要说它严重呢？这就要说到线圈在转动时的一个特殊位置了——垂直于平面的位置。

如果线圈在转动到这个位置时能够通电，那么整体将达到最好的加速效果。在我们的模型中，磁铁位于线圈的上下方，当线圈垂直于水平面时，离磁铁最近，处于最强的磁场中，有最大的安培力，此时，线圈上下两侧收到的安培力都垂直于其运动方向，不需要再分解。但是，在之前的设计中，由于高速转动时，电刷不能及时回弹，导致线圈在最佳加速位置无法加速，速度自然无法上去。另外，由于手工制作误差，即使在低速情况，线圈垂直于水平面时，电刷与触点的接触也不好，这也相当于错失了加速的机会。

解决这个问题的方法有很多，但鉴于模型已经成型，本着改动最小的原则，我们将线圈改成了如图8所示的样子。

这是个很小的改动，虽然这样也没有彻底解决电刷不能及时回弹和手工误差带来的问题，但是这样的改动把问题带来的后果减小到可以忽略不计。线圈的两端原来是与线圈在同一平面并排固定在轴上的，现在我们将其改成与线圈平面垂直。这样一来，当线圈转动到垂直位置时，电刷是被顶开的状态，这样便可以保证电刷与触点接触良好，进而保证可以在最佳加速时机加速。而电刷不能及时回弹和手工误差带来的接触不良的问题，改进后会发生在线圈接近平行于水平面的时候，此时线圈所在空间的磁场最弱，并且其受力垂直于运动方向，即使此时无法通电，对电动机转动也无太大影响。

我们的作品制作完成了，有成功也有失败，在改进的过程中，我们学会了不断反思，今后我们会更细致，更认真，努力创作出更好的作品。

（指导老师：李玉华）