简易直流电动机模型的制作

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直流电动机是电磁学的重难点. 电动机是利用通电线圈在磁场中受力而转动的现象制成的，它将电能转化成机械能. 然而，电动机的转子所受的力是立体的，在学习过程中，我们同学通过书面示意图和老师的板书理解其工作原理存在困难. 为此，在老师的指导下，我查阅制作直流电动机模型资料，开始了我的直流电动机模型制作之旅.

电动机模型的特点

如图1和图2所示，分别是直流电动机工作原理图和模型示意图. 从图中可以看出，理解直流电动机的工作过程，图2比图1更容易让我们接受，模型电动机的工作情景更加接近实际电动机的工作过程，有助于理解电动机的工作原理以及电动机转动方向与磁场方向和电流方向的关系.

实际电动机和模型电动机在工作原理方面是一样的，都是通电导线在磁场中受到安培力的作用而使转子产生旋转. 为了让模型电动机线圈稳定旋转，在线圈的绕制时，必须让两根轴在一条直线上，并且线圈要均匀. 由于模型电机不带负载，绕制线圈不必太多，以达到减小线圈的重量.

电动机模型的制作

1. 制作材料及工具

漆包线（长30cm，直径1mm），磁铁一块（废旧喇叭里的磁铁也可以），5号电池3节，带插接头的导线2根，积木块（长方体，圆柱体直径3cm），小刀，透明胶带.

2. 制作过程

（1）将漆包线绕在圆柱形积木上，制作电机线圈，尽可能地让绕组的轴在线圈直径所在的直线上.

（2）用小刀挂掉线圈一端的漆包线的绝缘漆，另一端只挂掉一半.

（3）将两根带接插头的导线用胶带固定在积木块顶端，两积木块并排放置作为电动机线圈的支架，注意调整好接插头圆孔的角度，确保线圈转轴能够灵活转动. 可以手指拨动线圈，如果线圈最后能够停止在任何位置，说明线圈的形状及支架安装基本完成. 如图3所示.

（4）将磁铁放在线圈的下方，接通电池给线圈通电，发现线圈有摆动，但是没有转动起来. 继续调整磁铁与线圈之间的距离，轻轻拨动线圈，发现线圈快速旋转起来. 这样模型就成功了.

电动机工作原理图与模型电动机的对比

载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的安培力大小为[f=BIL]，力的方向由左手定则确定.

磁场：图1中N和S是一对静止的磁极，用来产生磁场，其磁感应强度沿圆周按正弦分布.

励磁绕组：容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的. 容量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的. 用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流.

电枢绕组：在N极和S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组（图中只画出一匝线圈），电枢绕组中的电流称为电枢电流.

换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘且和绕组同轴旋转的半圆形铜片――换向片上，组成一个换向器. 换向器上压着固定不动的炭质电刷.

电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢.

当电枢转到图1所示位置时，[ab]边转到了S极下方，[cd]边转到了N极下方. 这时线圈电磁转矩的方向发生了改变，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷[A]总是接触N极下的导线，而电刷[B]总是接触S极下的导线，故电流流动方向发生改变，电磁转矩方向不变.

如图1所示，根据左手定则我们可以判断出通电导线受力的方向，ab段导线和cd段导线受力方向没有在一条直线上，使得线圈转动. 但是随着转子的转动，转子线圈所在平面与磁场方向平行，ab，cd段导线受力平衡. 此时，电池电路由于换向器的缺口，断开了直流电路. 那么转子由于惯性会一直转动，直到换向器再次接通直流电路，使得ab，cd段导线分别受到反方向的力，最终保证了转子的持续转动.

那么，模型电动机是如何实现换向的呢？在制作线圈时，我们将线圈的一个端保留一半绝缘漆，这样就使得线圈在一个旋转周期中，只有一半的时间线圈通电，而另一半时间线圈断电，其旋转只靠线圈惯性转动. 所以，在实验过程中，通电时线圈不会立刻转动，而是需要手动拨动.

制作总结

模型电动机可以用于分析与直流电动机转动方向相关的因素. 影响直流电动机转动方向的因素有两个，一是电流方向，二是磁极位置.

实验时交换电池的两根接线，使流入电动机电枢线圈的电流改变方向，观察电动机转动方向的改变. 接通电池电源线路，拨动线圈后，发现线圈能连续转动. 改变电池极性，线圈转动方向随之改变；改变磁铁极性（环形磁铁上下倒置），线圈转动方向亦随之改变.

该模型电动机简单易制，操作方便. 通过实际操作，锻炼了我的动手能力，对已学知识有了更深的理解和认识.