系列直流電動機(jī)模型的設(shè)計(jì)與制作

摘 要：電動機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)制作是中學(xué)物理重要的教學(xué)內(nèi)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(jī)的原理、制作和改進(jìn)方法。這些電動機(jī)模型因其原理的豐富性、器件取材的便捷性以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的巧妙性，非常適合作為科普項(xiàng)目、演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)、拓展課程、STEM課程和項(xiàng)目化學(xué)習(xí)等內(nèi)容的載體，從而有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電動機(jī)；安培力；核心素養(yǎng)；課程拓展

直流電動機(jī)是中學(xué)物理和科學(xué)課程中非常重要的教學(xué)內(nèi)容。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)、組裝、制作和改進(jìn)不同類型的直流電動機(jī)模型，這對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、加深學(xué)生對相關(guān)知識原理的理解以及培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力和創(chuàng)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(jī)的制作方法，也有教師將電動機(jī)的設(shè)計(jì)和制作與STEM教學(xué)［1，2］、翻轉(zhuǎn)課堂［3］、做中學(xué)［4］等教學(xué)方法相結(jié)合，取得了不錯的成效。然而，這些研究涉及的電動機(jī)模型種類較少，探索空間有限。在模仿和制作這些電動機(jī)模型時，師生經(jīng)常會遇到線圈啟動困難、轉(zhuǎn)動抖動和轉(zhuǎn)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(jī)模型進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)。這些電動機(jī)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(qiáng)等特點(diǎn)，對于教學(xué)研究、科普創(chuàng)作以及提升學(xué)生的核心素養(yǎng)等方面都具有重要意義和價(jià)值。1 常見的簡易直流電動機(jī)直流電動機(jī)利用通電線圈在磁場中受到安培力作用而工作。每當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過180° 時，線圈所受的合力矩方向就會改變。為了實(shí)現(xiàn)線圈的持續(xù)轉(zhuǎn)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?；谶@兩種方法，我們可以設(shè)計(jì)出不同類型的電動機(jī)，其中最常見的是簡易直流電動機(jī)。下文將分析這種電動機(jī)的制作方法和優(yōu)化改進(jìn)的技巧。

1.1 簡易版的漆包線電動機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)

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(cè)（或下側(cè)）的絕緣漆。先將兩個支架分別與1號電池的正負(fù)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(xù)轉(zhuǎn)動。這個簡易線圈電動機(jī)的實(shí)物圖如圖1所示。

優(yōu)點(diǎn)：制作簡單、易學(xué)易懂，其中支架可用回形針、鐵絲、銅絲等多種材料制作。

缺點(diǎn)：線圈轉(zhuǎn)速較慢，啟動時易卡住，轉(zhuǎn)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(guān)鍵：支架要等高，線圈的質(zhì)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(cè)面（180°）的絕緣漆。很多新手第一次制作時往往難以準(zhǔn)確刮除完整的半個側(cè)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(shí)驗(yàn)效果。

優(yōu)化改進(jìn)：①調(diào)整線圈和引出端位置，確保線圈在上下和前后方向上均實(shí)現(xiàn)軸對稱，以此保證線圈在高速旋轉(zhuǎn)時保持穩(wěn)定，不易抖動（如圖2中A、B所示）；經(jīng)過實(shí)測，這樣優(yōu)化后的線圈轉(zhuǎn)速比普通線圈轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(dǎo)電；在磁鐵的強(qiáng)磁場下，線圈能夠持續(xù)轉(zhuǎn)動，這是因?yàn)榫€圈的不對稱性導(dǎo)致它在支架上跳動，從而實(shí)現(xiàn)間歇通電。

本文展示了優(yōu)化改進(jìn)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(jī)線圈（如圖2C所示）。這些線圈均能實(shí)現(xiàn)持續(xù)高速轉(zhuǎn)動。

1.2 門形（心形）版的銅絲電動機(jī)模型

門形版銅絲電動機(jī)模型的實(shí)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(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)力矩，使得線圈能夠持續(xù)轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)動起來。

優(yōu)點(diǎn)：不需要換向器、不需要間歇通電。

制作關(guān)鍵：線圈的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保持對稱，以優(yōu)化平衡性能。不對稱的線圈會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動速度慢且不穩(wěn)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(dǎo)致接觸不良，這兩種情況都會使得線圈轉(zhuǎn)動困難。

優(yōu)化改進(jìn)：①半邊線圈形、彈簧形等不同形態(tài)的線圈也能夠持續(xù)轉(zhuǎn)動（如圖4中A所示）。②線圈可以改進(jìn)為平面版的心形或門形，將改進(jìn)后的線圈粘附在紙板上，同樣可以持續(xù)轉(zhuǎn)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(jī)又稱為韓長明馬達(dá)。③線圈還可以直接用一根導(dǎo)線來優(yōu)化替代，只需將鐵釘?shù)尼斆蔽皆诖盆F上，釘尖吸附在電池的負(fù)極上，并用導(dǎo)線連接電池的正極和磁鐵，磁鐵就能夠快速轉(zhuǎn)動起來（如圖4中C所示）。

這些多種類型的簡易直流電動機(jī)模型在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)安培力，理解電動機(jī)的構(gòu)造、原理和應(yīng)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(dǎo)線形等不同造型的電動機(jī)模型，開發(fā)一系列的教學(xué)活動。通過引導(dǎo)學(xué)生制作和改進(jìn)這些模型，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能有效地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

2 換向器版的電動機(jī)

通過換向器周期性地改變電流方向是另一種使電動機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動的有效手段。教師通常借助實(shí)驗(yàn)演示來幫助學(xué)生深入理解換向器的工作原理。然而，學(xué)生在這一過程中往往面臨認(rèn)知上的挑戰(zhàn)，而且許多師生對常見的小馬達(dá)（如130型電機(jī)）和中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱中三線圈電動機(jī)的工作原理也并不了解。針對這一問題，我們設(shè)計(jì)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(jī)。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(shí)踐過程，學(xué)生能夠更好地理解電動機(jī)和電刷工作原理。

2.1 單線圈和雙線圈電動機(jī)的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)軸，再在框架的另一邊繼續(xù)同向繞制相同匝數(shù)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(shí)驗(yàn)操作：線圈放在支架上，磁鐵放在線圈下方或側(cè)方，電源的正負(fù)極鱷魚夾當(dāng)作為電刷，直接和兩片換向器接觸，則線圈飛速轉(zhuǎn)動起來，轉(zhuǎn)速可以和工業(yè)版的電動機(jī)轉(zhuǎn)速相媲美。

優(yōu)點(diǎn)：單、雙線圈電機(jī)轉(zhuǎn)速快、易操作，實(shí)驗(yàn)效果明顯，趣味性強(qiáng)；電源正、負(fù)極的鱷魚夾用作電刷，通過與銅箔換向器的接觸，有助于學(xué)生清晰地理解換向器和電機(jī)工作原理，從而有效提升學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)知能力。

制作關(guān)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(yīng)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(cè)；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(dāng)間隙，以防止正負(fù)極短路。

2.2 三線圈和四線圈版本的電動機(jī)的設(shè)計(jì)制作

多線圈電動機(jī)在日常生活中應(yīng)用廣泛。本文將以自制的三線圈和四線圈電機(jī)為例，分享它們的制作方法。首先，可以使用激光雕刻機(jī)或手工裁剪的方法制作三線圈和四線圈電機(jī)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(shù)量應(yīng)與線圈數(shù)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(guān)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(yīng)與線圈一一對應(yīng)，三線圈電動機(jī)中三片銅膠帶應(yīng)間隔120度等間距地粘貼在碳棒上；四線圈電動機(jī)中四片銅膠帶應(yīng)間隔90度等間距地粘貼在碳棒上。③銅膠帶在此充當(dāng)換向器的角色。當(dāng)電機(jī)中的線圈轉(zhuǎn)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(xù)轉(zhuǎn)動。

優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)：多線圈電動機(jī)的轉(zhuǎn)速顯著提高，同時也增強(qiáng)了觀賞性和趣味性。若轉(zhuǎn)軸兩端采用軸承支撐，可以顯著減小摩擦力，從而使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速更快、運(yùn)行更平穩(wěn)。

換向器版的電動機(jī)設(shè)計(jì)精巧，轉(zhuǎn)速高且運(yùn)行平穩(wěn)，兼具趣味性、科學(xué)性和創(chuàng)造性，是一種理想的教學(xué)活動資源。這種自制的多線圈電動機(jī)在很大程度上還原了工業(yè)電動機(jī)的外形，能夠更真實(shí)地展示電動機(jī)的工作狀態(tài)和原理，體現(xiàn)物理與日常生活的聯(lián)系，有效激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情。

3 太陽能電動機(jī)模型的設(shè)計(jì)制作

太陽能電動機(jī)，又叫門多西諾電機(jī)，是一種無刷電動機(jī)。由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和巧妙的設(shè)計(jì)，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(shù)太陽能電動機(jī)采用四面的太陽能電池板，并通過磁懸浮技術(shù)來控制水平平衡。然而，這種設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且在高速旋轉(zhuǎn)時容易因離心力而導(dǎo)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(shè)計(jì)了一款簡潔版的太陽能電動機(jī)。該電動機(jī)在陰天或弱光照射（如手電筒照射）都能快速轉(zhuǎn)動（日光照射下可超1000r/min），制作簡單、穩(wěn)定性好、現(xiàn)象明顯。

該電動機(jī)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(gòu)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(diǎn)，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(fù)極上，另一個引出端焊接在電池板B正極和電池板A負(fù)極上（如圖10所示）。當(dāng)電池板A面受到光照時，線圈回路中產(chǎn)生電流，在磁場中受到安培力的作用而開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動180°后，電池板B面受到陽光照射，產(chǎn)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(jī)。因此，電動機(jī)可以持續(xù)轉(zhuǎn)動下去。

優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)能環(huán)保，可以用作新能源相關(guān)課程內(nèi)容的拓展項(xiàng)目；②對光照強(qiáng)度要求低，由于線圈匝數(shù)較多，即使微弱電流也可以產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動力矩，在陰雨天氣，裝置放在窗外也可持續(xù)轉(zhuǎn)動；③穩(wěn)定性能好，利用強(qiáng)磁鐵對筆芯的吸引力和重力的平衡，使得線圈轉(zhuǎn)動力矩小，相對水平放置，豎直懸掛穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)速更快。

制作關(guān)鍵：①纏繞線圈時圈數(shù)要適宜，過多則磁鐵吸引力不足，過少則轉(zhuǎn)動困難或轉(zhuǎn)速較慢；②在焊接導(dǎo)線時，應(yīng)注意兩片太陽能電池板的正、負(fù)極交錯連接。

新能源的開發(fā)利用既是當(dāng)前重要的研究方向，又是《普能高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》和《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中強(qiáng)調(diào)的重要教學(xué)內(nèi)容。教師可以利用太陽能電動機(jī)的設(shè)計(jì)開展多樣化的教學(xué)活動，幫助學(xué)生深入了解太陽能電動機(jī)的工作原理、運(yùn)作方式和應(yīng)用前景。

4 基于控制電路的電動機(jī)

直流無刷電機(jī)因其高可靠性、強(qiáng)適應(yīng)性和優(yōu)良制動性能而在中小功率驅(qū)動機(jī)械、高精度控制和辦公自動化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。［5］利用霍爾傳感器設(shè)計(jì)的無刷電機(jī)能夠有效地將物理學(xué)與科學(xué)、技術(shù)、社會（STS）聯(lián)系起來。筆者制作的霍爾電動機(jī)實(shí)物和控制電路圖如圖11和圖12所示。該電動機(jī)的轉(zhuǎn)子由四片規(guī)格相同、同名磁極朝外的強(qiáng)磁鐵均勻粘附在易拉罐上構(gòu)成，轉(zhuǎn)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(gòu)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(dāng)轉(zhuǎn)子中的磁鐵靠近霍爾傳感器時，傳感器產(chǎn)生霍爾電勢差，導(dǎo)致三極管集電極c和發(fā)射極e導(dǎo)通，電流通過線圈產(chǎn)生磁性，從而推動轉(zhuǎn)子運(yùn)動并使LED燈珠發(fā)光。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鐵遠(yuǎn)離霍爾傳感器時，三極管截止，線圈中無電流通過，轉(zhuǎn)子依靠慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這一過程不斷重復(fù)，使得轉(zhuǎn)子能夠持續(xù)轉(zhuǎn)動。

優(yōu)點(diǎn)：①不需要換向器和電刷，結(jié)構(gòu)巧妙，轉(zhuǎn)速快，趣味性強(qiáng)，適合教師在課本實(shí)驗(yàn)活動的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)；②通過制作、操作和改進(jìn)霍爾電動機(jī)，學(xué)生能夠更深入地理解霍爾效應(yīng)的原理及其應(yīng)用，并獲得實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)。

制作關(guān)鍵：線圈匝數(shù)要足夠多，過少則磁性?。换魻杺鞲衅骱娃D(zhuǎn)子的距離要近、角度要恰當(dāng)。只要調(diào)試找到合適的角度，轉(zhuǎn)子就能快速地轉(zhuǎn)動起來。

拓展：霍爾電動機(jī)基于間歇磁場與永磁場的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子（由易拉罐構(gòu)成）的高速旋轉(zhuǎn)。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(shí)現(xiàn)電流的周期性通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的持續(xù)高速轉(zhuǎn)動。

霍爾效應(yīng)是中學(xué)物理課程中的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，相關(guān)的習(xí)題在教材中屢見不鮮。然而，教師很少從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和制作的角度來開展關(guān)于霍爾效應(yīng)的教學(xué)活動。本研究的霍爾電動機(jī)設(shè)計(jì)制作能夠有效地填補(bǔ)這一教學(xué)空白。由于霍爾電動機(jī)的原理涉及多個物理概念，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且具有強(qiáng)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(jìn)學(xué)生的核心素養(yǎng)發(fā)展方面都具有非常積極的作用。

5 結(jié)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(shè)計(jì)并改進(jìn)了一系列直流電動機(jī)模型。本文分析了這些電動機(jī)的工作原理，記錄了制作過程并提出了有效的改進(jìn)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(qiáng)的趣味性和拓展性，能夠在制作過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、拓展學(xué)生科學(xué)思維，同時培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)踐能力和解決問題的能力?；谶@一系列電動機(jī)的設(shè)計(jì)和制作理念，教師可以開展包括STEM教學(xué)、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)、校本課程和跨學(xué)科教學(xué)等多種形式的教學(xué)活動。這些活動在教學(xué)研究、科學(xué)普及和科技創(chuàng)新方面具有重要意義，對提升學(xué)生的核心素養(yǎng)有著不可估量的價(jià)值。

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