系列直流电动机模型的设计与制作

摘 要：电动机的工作原理和设计制作是中学物理重要的教学内容。本文研究分析了简易版、门形（心形）版、多线圈换向器版、太阳能版和霍尔传感器版等系列直流电动机的原理、制作和改进方法。这些电动机模型因其原理的丰富性、器件取材的便捷性以及结构设计的巧妙性，非常适合作为科普项目、演示实验、学生实验、拓展课程、STEM课程和项目化学习等内容的载体，从而有效提升学生的核心素养。

关键词：电动机；安培力；核心素养；课程拓展

直流电动机是中学物理和科学课程中非常重要的教学内容。教师引导学生进行设计、组装、制作和改进不同类型的直流电动机模型，这对激发学生的学习兴趣、加深学生对相关知识原理的理解以及培养学生的动手实践能力和创新能力都具有非常积极的影响。目前，已有许多研究者介绍了一些电动机的制作方法，也有教师将电动机的设计和制作与STEM教学［1，2］、翻转课堂［3］、做中学［4］等教学方法相结合，取得了不错的成效。然而，这些研究涉及的电动机模型种类较少，探索空间有限。在模仿和制作这些电动机模型时，师生经常会遇到线圈启动困难、转动抖动和转速较低等问题。本研究针对上述问题利用漆包线、钕磁铁、干电池、太阳能电池板、易拉罐和霍尔传感器等常见材料，对多种类型的直流电动机模型进行了创新改进。这些电动机模型不仅演示效果直观、材料易于采购、还兼具趣味性和拓展性强等特点，对于教学研究、科普创作以及提升学生的核心素养等方面都具有重要意义和价值。1 常见的简易直流电动机直流电动机利用通电线圈在磁场中受到安培力作用而工作。每当线圈转过180° 时，线圈所受的合力矩方向就会改变。为了实现线圈的持续转动，通常采用间歇通电的方法或者利用换向器周期性地改变电流方向的方法。基于这两种方法，我们可以设计出不同类型的电动机，其中最常见的是简易直流电动机。下文将分析这种电动机的制作方法和优化改进的技巧。

1.1 简易版的漆包线电动机的设计改进

将直径在0.7～1.2mm之间的漆包线绕制成一个直径约3cm的圆形线圈（可以直接在1号电池上绕制），或者绕制成一个约2cm×4cm的矩形线圈，绕6～10匝即可。在线圈的两端各留出约5cm的引出端，其中一个引出端的外表面全部刮掉绝缘漆，另一个引出端的外表面刮掉上侧（或下侧）的绝缘漆。先将两个支架分别与1号电池的正负极直接接触；然后将磁铁吸在电池上，并将线圈放置在支架上。轻拨一下线圈，它就会开始持续转动。这个简易线圈电动机的实物图如图1所示。

优点：制作简单、易学易懂，其中支架可用回形针、铁丝、铜丝等多种材料制作。

缺点：线圈转速较慢，启动时易卡住，转动时易抖动，线圈外观不够美观大方且易变形，从而影响长久使用。

制作关键：支架要等高，线圈的质量和形状要沿两个引出端连线对称分布，引出端一端要刮掉半个侧面（180°）的绝缘漆。很多新手第一次制作时往往难以准确刮除完整的半个侧面，这也是很多师生容易出错的地方。无论是多刮少刮，都会影响实验效果。

优化改进：①调整线圈和引出端位置，确保线圈在上下和前后方向上均实现轴对称，以此保证线圈在高速旋转时保持稳定，不易抖动（如图2中A、B所示）；经过实测，这样优化后的线圈转速比普通线圈转速提升一倍以上。②可以将一个引出端留出足够长度（2～3m），并将其紧密地绕在线圈上，使其固定，这样处理后的线圈可以长期使用。③线圈可设计为单匝矩形、心形、葫芦形、半边U形等。④两个引出端的绝缘漆需要完全刮干净，以确保其能够良好地导电；在磁铁的强磁场下，线圈能够持续转动，这是因为线圈的不对称性导致它在支架上跳动，从而实现间歇通电。

本文展示了优化改进后的单匝矩形、心形、半边U形线圈以及双引出端全刮版的简易直流电动机线圈（如图2C所示）。这些线圈均能实现持续高速转动。

1.2 门形（心形）版的铜丝电动机模型

门形版铜丝电动机模型的实物图和受力示意图如图3所示。线圈左右两边受到的安培力方向相反，这产生了旋转力矩，使得线圈能够持续转动。制作时利用尖嘴钳、直尺等工具，将直径在0.8～1.2mm之间的铜丝折成心形或门形，并将下端弯成直径比圆形磁铁直径略大的圆形或半圆形。接着，用一节干电池用磁铁吸住，然后将线圈套在上面，这样线圈就能够快速转动起来。

优点：不需要换向器、不需要间歇通电。

制作关键：线圈的设计应尽量保持对称，以优化平衡性能。不对称的线圈会导致转动速度慢且不稳定。同时，线圈的底部圆形直径的大小也需要适宜，直径过小会增加摩擦力，过大会导致接触不良，这两种情况都会使得线圈转动困难。

优化改进：①半边线圈形、弹簧形等不同形态的线圈也能够持续转动（如图4中A所示）。②线圈可以改进为平面版的心形或门形，将改进后的线圈粘附在纸板上，同样可以持续转动（如图4中B所示）；同样地，线圈也可以用易拉罐剪裁成的铝圈来替代，这种电动机又称为韩长明马达。③线圈还可以直接用一根导线来优化替代，只需将铁钉的钉帽吸附在磁铁上，钉尖吸附在电池的负极上，并用导线连接电池的正极和磁铁，磁铁就能够快速转动起来（如图4中C所示）。

这些多种类型的简易直流电动机模型在帮助学生学习安培力，理解电动机的构造、原理和应用方面都具有重要的作用。教师可以利用从圆形线圈到门形、心形以及铁钉导线形等不同造型的电动机模型，开发一系列的教学活动。通过引导学生制作和改进这些模型，不仅能够激发学生的学习兴趣，还能有效地促进学生核心素养的全面发展。

2 换向器版的电动机

通过换向器周期性地改变电流方向是另一种使电动机持续转动的有效手段。教师通常借助实验演示来帮助学生深入理解换向器的工作原理。然而，学生在这一过程中往往面临认知上的挑战，而且许多师生对常见的小马达（如130型电机）和中学电学实验箱中三线圈电动机的工作原理也并不了解。针对这一问题，我们设计了带换向器的单线圈、双线圈、三线圈和四线圈的直流电动机。通过绕制线圈、制作换向器、探究电刷和换向器接触情况等实践过程，学生能够更好地理解电动机和电刷工作原理。

2.1 单线圈和双线圈电动机的设计制作

主要器材：1捆直径0.3～0.5mm的漆包线、1根直径8.0mm长30cm的转轴（木棒、碳棒、塑料棒等均可）、1个线圈框架、2片长60mm宽28mm厚0.10mm的铜胶带、电池和电池盒、底座支架、鳄鱼夹导线、1只直径20mm长60mm的PVC管。

制作方法：①制作单线圈时，使用漆包线在圆形或方形材料上同向绕制100～300匝；将转轴穿过线圈中心，并在其上套入PVC管，用热熔胶固定；在PVC管上等间距贴上铜胶带，接着，刮掉线圈两端的漆包线，并将引出端分别焊接在两片铜胶带的底端；调整线圈和换向器的角度，确保它们对称（如图5所示）。②制作双线圈时，先在框架的一边同向绕制100～300匝漆包线，跨过转轴，再在框架的另一边继续同向绕制相同匝数的漆包浅（如图6所示），两片换向器的贴法与单线圈的制作相同。

实验操作：线圈放在支架上，磁铁放在线圈下方或侧方，电源的正负极鳄鱼夹当作为电刷，直接和两片换向器接触，则线圈飞速转动起来，转速可以和工业版的电动机转速相媲美。

优点：单、双线圈电机转速快、易操作，实验效果明显，趣味性强；电源正、负极的鳄鱼夹用作电刷，通过与铜箔换向器的接触，有助于学生清晰地理解换向器和电机工作原理，从而有效提升学生的实践认知能力。

制作关键：线圈绕制时，线圈的绕向必须保持一致。对于双线圈版本，线圈的末端应与下一个线圈的初端依次相接，即线圈1的末端连接到线圈2的初端；线圈1的初端和线圈2的末端分别连接到换向器（铜胶带）的两侧；将两片铜胶带均匀且无折痕地粘贴在PVC管上，确保铜胶带之间留有适当间隙，以防止正负极短路。

2.2 三线圈和四线圈版本的电动机的设计制作

多线圈电动机在日常生活中应用广泛。本文将以自制的三线圈和四线圈电机为例，分享它们的制作方法。首先，可以使用激光雕刻机或手工裁剪的方法制作三线圈和四线圈电机的骨架。其次，在每个框架上绕制大约200匝漆包线，确保每个线圈的初端与下一个线圈的末端相连。再次，将连接处焊接在铜箔上（即换向器）。最后，换向器的数量应与线圈数量相匹配，其粘贴方法与单、双线圈相同（如图7和图8所示）。

制作关键：①每个线圈都沿相同方向绕制，并将线圈的末端与下一个线圈的始端依次相连，这些连接部分随后与换向器相连。②铜胶带的粘贴应与线圈一一对应，三线圈电动机中三片铜胶带应间隔120度等间距地粘贴在碳棒上；四线圈电动机中四片铜胶带应间隔90度等间距地粘贴在碳棒上。③铜胶带在此充当换向器的角色。当电机中的线圈转到平衡位置时，它会自动改变线圈中电流的方向，从而改变线圈的受力方向，使得线圈能够持续转动。

优点和改进：多线圈电动机的转速显著提高，同时也增强了观赏性和趣味性。若转轴两端采用轴承支撑，可以显著减小摩擦力，从而使电动机的转速更快、运行更平稳。

换向器版的电动机设计精巧，转速高且运行平稳，兼具趣味性、科学性和创造性，是一种理想的教学活动资源。这种自制的多线圈电动机在很大程度上还原了工业电动机的外形，能够更真实地展示电动机的工作状态和原理，体现物理与日常生活的联系，有效激发了学生学习物理的热情。

3 太阳能电动机模型的设计制作

太阳能电动机，又叫门多西诺电机，是一种无刷电动机。由于独特的结构和巧妙的设计，它受到了许多研究爱好者的喜爱，并常被用于DIY制作中。目前，大多数太阳能电动机采用四面的太阳能电池板，并通过磁悬浮技术来控制水平平衡。然而，这种设计较为复杂，且在高速旋转时容易因离心力而导致部件飞离。本研究利用两片长条形太阳能电池板（3.0cm×10cm），设计了一款简洁版的太阳能电动机。该电动机在阴天或弱光照射（如手电筒照射）都能快速转动（日光照射下可超1000r/min），制作简单、稳定性好、现象明显。

该电动机主要由两片太阳能电池板、线圈、磁铁、支架、笔芯等主要部分构成（如图9所示）。制作时，在两电池板之间粘一小木块。以木块为起始点，用直径0.2mm的漆包线绕1000匝左右，线圈一个引出端焊接在电池板A正极和电池板B负极上，另一个引出端焊接在电池板B正极和电池板A负极上（如图10所示）。当电池板A面受到光照时，线圈回路中产生电流，在磁场中受到安培力的作用而开始转动。当线圈转动180°后，电池板B面受到阳光照射，产生反向电流。这样线圈受到的力矩方向始终保持一致，类似于带有换向器的电动机。因此，电动机可以持续转动下去。

优点：①节能环保，可以用作新能源相关课程内容的拓展项目；②对光照强度要求低，由于线圈匝数较多，即使微弱电流也可以产生较大转动力矩，在阴雨天气，装置放在窗外也可持续转动；③稳定性能好，利用强磁铁对笔芯的吸引力和重力的平衡，使得线圈转动力矩小，相对水平放置，竖直悬挂稳定性好、转速更快。

制作关键：①缠绕线圈时圈数要适宜，过多则磁铁吸引力不足，过少则转动困难或转速较慢；②在焊接导线时，应注意两片太阳能电池板的正、负极交错连接。

新能源的开发利用既是当前重要的研究方向，又是《普能高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》和《义务教育物理课程标准（2022年版）》中强调的重要教学内容。教师可以利用太阳能电动机的设计开展多样化的教学活动，帮助学生深入了解太阳能电动机的工作原理、运作方式和应用前景。

4 基于控制电路的电动机

直流无刷电机因其高可靠性、强适应性和优良制动性能而在中小功率驱动机械、高精度控制和办公自动化等领域得到广泛应用。［5］利用霍尔传感器设计的无刷电机能够有效地将物理学与科学、技术、社会（STS）联系起来。笔者制作的霍尔电动机实物和控制电路图如图11和图12所示。该电动机的转子由四片规格相同、同名磁极朝外的强磁铁均匀粘附在易拉罐上构成，转轴穿过易拉罐中心，并牢固地安装在支架上。电磁铁由漆包线绕制的线圈构成，与3144型霍尔传感器、电阻、三极管和LED灯珠共同组成控制电路，其中霍尔传感器位于线圈上方。当转子中的磁铁靠近霍尔传感器时，传感器产生霍尔电势差，导致三极管集电极c和发射极e导通，电流通过线圈产生磁性，从而推动转子运动并使LED灯珠发光。当转子磁铁远离霍尔传感器时，三极管截止，线圈中无电流通过，转子依靠惯性继续转动。这一过程不断重复，使得转子能够持续转动。

优点：①不需要换向器和电刷，结构巧妙，转速快，趣味性强，适合教师在课本实验活动的基础上进行拓展实验；②通过制作、操作和改进霍尔电动机，学生能够更深入地理解霍尔效应的原理及其应用，并获得实际操作的经验。

制作关键：线圈匝数要足够多，过少则磁性小；霍尔传感器和转子的距离要近、角度要恰当。只要调试找到合适的角度，转子就能快速地转动起来。

拓展：霍尔电动机基于间歇磁场与永磁场的相互作用，从而实现转子（由易拉罐构成）的高速旋转。此外，我们还可以使用电磁继电器、干簧管等器件，或者自制间歇通电部件，来实现电流的周期性通断，进而实现转子的持续高速转动。

霍尔效应是中学物理课程中的重点教学内容，相关的习题在教材中屡见不鲜。然而，教师很少从实验设计和制作的角度来开展关于霍尔效应的教学活动。本研究的霍尔电动机设计制作能够有效地填补这一教学空白。由于霍尔电动机的原理涉及多个物理概念，其实验现象明显，且具有强烈的趣味性和科普性，因此它在提升教师的教研水平和促进学生的核心素养发展方面都具有非常积极的作用。

5 结语

在本研究中，我们使用了漆包线、钕磁铁、干电池、太阳能电池板、易拉罐和霍尔传感器等常见器材，设计并改进了一系列直流电动机模型。本文分析了这些电动机的工作原理，记录了制作过程并提出了有效的改进策略。这些模型不仅材料易得，而且具有显著的演示效果以及较强的趣味性和拓展性，能够在制作过程中激发学生的学习兴趣、拓展学生科学思维，同时培养学生动手实践能力和解决问题的能力。基于这一系列电动机的设计和制作理念，教师可以开展包括STEM教学、项目化学习、校本课程和跨学科教学等多种形式的教学活动。这些活动在教学研究、科学普及和科技创新方面具有重要意义，对提升学生的核心素养有着不可估量的价值。

参考文献

［1］邹萍，段怀玺，张轶炳. STEAM理念融入高中物理课堂教学的实践与探索——以“电动机模型”为例［J］.物理教学探讨，2021，39（2）：10-14．

［2］马瑛瑛，刘健智.中学物理探究型STEM教学模式——以“探究电动机工作原理”教学为例［J］.物理教学探讨，2021，39（1）：65-69．

［3］张一驰，金梦.基于STEM理念的简易罩极电动机的制作和探究［J］.物理教学，2016，38（10）：77-80．

［4］徐金杰.在物理模型制作中实践“做中学”理念——以“简易电动机制作”为例［J］.中学物理，2018，36（9）：33-34．

［5］袁明.无刷电机的应用状况与发展趋势［J］.冶金管理，2019（5）：78，80．