这是一台自制的小电动机模型,但是动作机构却类似内燃机,具有飞轮、曲轴、连杆和汽缸、活塞,与传统意义上的电动机结构迥异,非常有意思。
下图是这种“活塞式”电动机的基本结构。包括塑料瓶盖做的飞轮,自行车辐条做的曲轴和连杆,PVC塑料管做的“汽缸”。当然它还具备电动机的特征,包括漆包线绕成线圈和2节5号干电池做的电源。
下图可以看到,它的“活塞”是一块高强度磁铁。
安装上电池,只要用手轻轻转动飞轮,它就会持续运转起来,磁铁做成的“活塞”在PVC管里上下运动,通过连杆变成曲轴的转动,曲轴带动飞轮转动,而飞轮的作用与内燃机里的一样,在做功“冲程”储存能量,在其它时间释放能量。
这个制作需要的材料主要有:
3分(外径16毫米)的PVC塑料管一段(用来做支架和“气缸”);
自行车辐条(用来做曲轴和连杆);
细塑料管一段(用来做曲轴和连杆的限位);
5号2节电池盒一个;
木板底座一块;
直径12毫米的强磁铁一块;
圆孔直径3毫米的接线端子一个;
大的塑料瓶盖一个(用来做飞轮);
直径0.27毫米的漆包线若干;
制作需要的工具主要有:
钳子、AB胶、小刀、钢锉、钢锯。
制作过程:
1、制作电动机的主体结构
用钢锯把PVC管锯成长约12厘米和5厘米的两段,长的做支架,短的做“气缸”。自行车辐条锯成长约10厘米和6厘米的两段,长的做曲轴,短的做连杆。
用钳子弯曲长的钢丝,做成曲轴。接线端子用AB胶粘在短钢丝的一端,做成连杆。
用小刀在长的PVC管,也就是支架的一端对称钻两个小孔,把曲轴穿过去。连杆也穿到曲轴上,把白色的细塑料管剪成小段,用来限位。
用小刀在大的塑料瓶盖正中钻孔,套在曲轴的末端,支架用AB胶粘牢在木板底座上。
用AB胶把飞轮与曲轴末端粘在一起,飞轮与支架之间的白色细塑料管是活动的,这样既能限制飞轮与支架之间的距离,用能最大程度地减小摩擦力。
曲轴另外一端的白色细塑料管也用胶粘牢,同样其它限位管保持活动,以降低转动时候的摩擦力。
把强磁铁吸在连杆下端,作为电动机的“运动活塞”。事先应该用钢锉把连杆下端锉平整,这样只靠磁力连接就很可靠。
到这里“活塞式”电动机的主体结构就制作完成了。
2、制作“电动”机构
既然这是一台电动机,不管结构如何特别,当然是需要电和磁来驱动的,下面开始电磁方面的制作。
在那段短的做“气缸”的PVC管上打孔,交叉穿过4根牙签,用来做缠绕线圈的支架。
用直径0.27毫米的漆包线绕300圈,就做成了这台电动机的动力来源——电磁铁线圈。
把缠绕了线圈的“气缸”放在连杆旁边,调整它的高度。要求“活塞”在最低位置时,略高于线圈的上端,最高位置时,不能脱离“气缸”。
把“活塞”装入“气缸”,对正位置,用胶粘牢。电磁铁线圈两端漆包线上的绝缘漆用小刀刮掉,露出能够导电的铜丝,分别与电源的两极连接。当电磁铁产生的磁性向上排斥磁铁的时候,记住正负极。
电路是这样连接的:电源正极接电磁铁线圈的一端,线圈另一端接红色软导线;电源负极接绿色软导线。两根软导线末端接触在一起的话,电流就会流经电磁铁,产生磁力,推动高强磁铁做的“活塞”向上运动。
我们把两根软导线的末端作为“电刷”,这是这台电动机能够运转的关键。请看下图,当磁铁“活塞”在“气缸”的最下方,连杆竖直向下的时候,两根电刷并排在连杆旁边,互相之间没有接触。
我们用手逆时针转动曲轴,曲轴向电刷一侧摆动,与电刷接触,让两根电刷短路,此时电路接通,电磁铁通电产生磁性,向上排斥磁铁“活塞”,给电动机一个动力,让它继续运转。
当“活塞”运动到最高点后,会在曲轴的带动下向下运动,此时连杆摆向另一侧,远离电刷,电路断开,电动机失去动力,依靠飞轮储存的动能继续运转。
当磁铁“活塞”经过最低点,重新开始向上运动时,连杆会再次让电刷短路,电动机获得动力。循环往复,活塞上下翻飞,曲轴连杆摆动,飞轮旋转,颇有活塞式内燃机的架势,趣味性很强。
3、性能改进和提升
前面介绍的“活塞式”电动机制作简单,容易说清原理,实际运转效果也不错,但是还有改进提升的空间。
细心的你会发现,电动机在停止转动之后,磁铁“活塞”总是停在“气缸”最下方的位置。这是因为它太重了,导致整个系统的“质心”偏离了转轴,因此这台电机转动起来之后振动很大,也因此额外消耗了很多能量。
当“活塞”在最下方的位置时,我们可以在飞轮的上方进行配重。改变小物体的重量和位置,用来抵消“活塞”的重量造成的偏心。经过配重之后,转动飞轮,它可以停止在任意位置,这样当快速转动起来之后,整个系统就会十分平稳。经过这种改进之后,你会发现电动机的转速大大增加了。
我们还可以让电刷的位置更加隐蔽,效果更好。如下图,电刷隐藏在支架内。
当磁铁“活塞”向上运动时,曲轴让两根电刷短路,接通电流,电动机获得动力。
当“活塞”开始向下运动时,曲轴旋转了180度,而另外一面粘贴了绝缘胶带,电路断开,电动机依靠飞轮储存的动能持续运转。
这种结构的原理看起来不那么直观,但是只要电刷在曲轴上保持合适的压力,实际效果会更好。
总结:
电动机是中学物理的重要内容,学生自己动手制作一台电动机模型,对加深理论的理解和增强动手能力都非常有帮助。我们介绍的这种特殊的电动机,因为趣味性强,同时又兼顾了内燃机方面的内容,非常值得推广。
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