自制“活塞式”电动机

小布

    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。
        演示视频在这里：

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。
        演示视频在这里：

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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当科学个小玩具，挺好的！

炸香机

帮顶                                   

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一会就磨坏了吧

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技术活啊 牛掰

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技术人员啊

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哟意思啊。。。

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发动机的基础理论。

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非常值得推广哦

武杰杰

手工不错

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这个我见过

小冰

效率太低了，楼主可以考虑增加一个线圈和一个换向器，效率提升四倍！

Dk.

原理像个马达一样

杨一洋

厉害了

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顶一个

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比较新颖的想法！值得推广！

wurenji

哟意思啊

小仙

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huang2678

这个动手能力强~~~~~~~~~~

金属风暴

顶顶顶，发发发

嘢狼丶

高手。。。

sjzzhsx

高手。

如此

有换向器的话效率应该会更高吧。