阅读说明：本技术 一种自动调节电流的无刷无换向器的小电机 (Small brushless commutator-free motor capable of automatically adjusting current ) 是由 梁法库 艾瑞波 梁帅 于 2020-10-25 设计创作，主要内容包括：一种自动调节电流的无刷无换向器的小电机,由转子、转子支架、电池盒、磁体和开关构成,转子由漆包线绕成多匝圆环状,所述漆包线的两端为全部剥掉漆包线包皮作为转子转轴,将绝缘包皮导线的一端去除绝缘包皮绕成螺线管作为转轴支撑管,绝缘包皮导线竖直固定在电池盒上作为转子支架,绝缘包皮导线的另一端通过开关连接在电池的两端；磁体固定在电池盒上,所述转子的转轴延长线不与转子的重心重合,转子的两端转子转轴在同一直线上,在转子的两端转子转轴放入转轴支撑管后转子的自然状态为转子的线圈平面在竖直平面内,磁体的N极或者S极靠近转子的线圈,实现一种自动调节电流的无刷无换向器小电机演示的技术与方法。(A small motor of a brushless commutatorless commutator for automatically adjusting current comprises a rotor, a rotor bracket, a battery box, a magnet and a switch, wherein the rotor is wound into a multi-turn ring shape by an enameled wire, the two ends of the enameled wire are used for peeling off the enameled wire as a rotor rotating shaft, one end of an insulated sheathed wire is removed and wound into a solenoid as a rotating shaft supporting tube, the insulated sheathed wire is vertically fixed on the battery box as the rotor bracket, and the other end of the insulated sheathed wire is connected with the two ends of the battery through the switch; the magnet is fixed on the battery box, the extension line of the rotating shaft of the rotor does not coincide with the gravity center of the rotor, the rotating shafts of the rotors at two ends of the rotor are on the same straight line, the natural state of the rotor is that the coil plane of the rotor is in a vertical plane after the rotating shafts of the rotors at two ends of the rotor are placed into the rotating shaft supporting tube, and the N pole or the S pole of the magnet is close to the coil of the rotor, so that the technology and the method for demonstrating the brushless commutatorless small motor capable of automatically adjusting the current are realized.)

一种自动调节电流的无刷无换向器的小电机

技术领域

本专利涉及一种自动调节电流的无刷无换向器的小电机，属于物理演示实验仪器领域。

背景技术

有刷直流微型电机和无刷电机应用都非常多，航模、玩具、个人护理、安防等等产品都会用到有刷无刷直流微型电机，有刷微型直流电机和无刷电机的基本区别就是一个有电刷和一个无电刷，在科技作品或者物理教学中最先介绍的是有刷直流微型电机，有刷微型直流电机采用的机械换向，它的原理是磁极不动，线圈旋转，微型电机运转时，线圈和换向器旋转，磁钢和电刷不转，线圈的电流方向通过交替变化随微型电机转动的换向器和电刷来完成。到目前在物理教学或者科技创作中大多数用漆包线简易制作这一模型，使其物理原理演示直观明晰，并且教师告诉学生，转子中漆包线绕成的环形线圈引出来的转子转轴要在漆包线(圆柱形)的一半侧面剥去漆(绝缘漆)，否则制作出来的演示电机就不能转，这一结论成了约束学生创造力的限制，因此，在问能否在转子转轴的侧面全部剥掉的情况下也能实现连续定向旋转？在上面所述的基础上，同领域的技术人员常常给出“是不能旋转”；为此，本专利要给出的方案是转子可以实现连续定向旋转，目前没有对这一问题给出可视可信的演示实验，如何实现演示内容丰富，视觉效果明显，可信的演示实验仪器与方法，本专利就要解决这个问题。本专利是在国家自然基金项目(项目号：11805107，11405092)、黑龙江省省属高等学校基本业务费科研项目(项目号：135209251)、黑龙江省高等学校教改与应用项目(项目号：SJGY20170385)及齐齐哈尔市科学技术项目(项目号：GYGG-201423)的支持下完成的。

发明内容

本专利是解决课堂或课下用的一种自动调节电流的无刷无换向器的小电机，着重是通过转子转轴全裸(去掉转轴漆包线的绝缘皮)、转子的质心(重心)与转子转轴的延长线位置关系，使转子旋转后产生的惯性离心力改变转子转轴对转轴支撑管的压力，实现一种自动调节电流的无刷无换向器的小电机演示的技术与方法。

本专利技术方案：一种自动调节电流的无刷无换向器的小电机，主要由转子、转子支架、电池盒、磁体和开关构成，其特征是：转子由漆包线(铜质材料导线外围覆盖一层绝缘漆)绕成多匝圆环状，所述漆包线的两端为全部剥掉漆包线包皮作为转子转轴，所述漆包线的两端也是转子中电流的流入流出端；将绝缘包皮导线的一端去除绝缘包皮绕成螺线管作为转轴支撑管，绝缘包皮导线竖直固定在电池盒(绝缘材料)上作为转子支架，绝缘包皮导线的另一端通过开关连接在电池的正负两极上；磁体固定在电池盒上，所述转子的转轴(转子转轴)延长线不与转子的重心重合，转子两端的转子转轴在同一直线上，在转子两端的转子转轴放入转轴支撑管后转子的自然状态为转子的线圈平面在竖直平面内，磁体的N极或者S极靠近转子的线圈，转轴支撑管的内径满足：在转子转动过程，转子重心在转子转轴延长线正上方时转子转轴可以与转轴支撑管不接触(悬空)，也可以转子转轴与转轴支撑管接触。

简要分析，在教学上通常为直观演示电动机驱动原理，转子是由漆包线缠绕一圈或者几圈(匝数N，每匝线圈的面积S)构成，其质量轻，电源供电导线接触面积小，电流I小，磁力矩M小，为讨论方便，简化为转子在匀强磁场B中，在匀强磁场B中获得最大磁力矩为M＝ISNB。

由于以往文献中转子转轴的侧面剥掉一半，也就是转子转动在一个周期内只有半个周期(转子的线圈平面法向与磁力线平行为半个周期的分界线)安培力矩作正功，另半个周期安培力矩(电流为零)不作功，这样转子就可以持续定向转动下去；如果转子转轴为侧面全部剥掉，也就是在一个周期内只有一个半个周期安培力矩作正功，另一个半个周期安培力矩作负功(反向力矩)，一个周期内作功为零，也就是实验时候看到转子的线圈平面来回摆动，而不是定向转动。

能否在转子转轴的侧面全部剥掉的情况下也能实现连续定向旋转？在上面讨论的基础上，同领域的技术人员的答案常常是不能实现连续定向旋转的；本专利的答案是可以实现，本专利是如何实现的？由于我们设计的为偏心转子，在转子(线圈)转动的过程产生离心力，如附图1有：从初始状态(转子的线圈平面在竖直平面内，转子的重心在转轴延长线的下方)开始，转动到转子的线圈平面处于水平(转子的线圈平面法向与磁力线平行为半个周期的分界线)过程安培力矩作正功W1，转子转轴(转动时)对转轴支撑管的压力大于转子的重力；接着从线圈平面处于水平(转子的线圈平面法向与磁力线平行为半个周期的分界线)开始直到下一个转子的线圈平面处于水平(转子的线圈平面法向与磁力线平行为半个周期的分界线)的过程，转子转轴对转轴支撑管的压力为零(脱离接触)或者小于转子的重力(转子的重心在转轴延长线的上方)，无安培力矩作功或者安培力矩作负功大小为W2，W2加上克服转子重力作功大小为W3，W2+W3＜W1；一个周期内安培力矩作功克服摩擦力矩作功后的净功大于零，实现转子持续定向旋转。

进一步的，为讨论方便，如附图1，考虑从转子质心在转轴延长线下方(初始)开始转到转子质心与转轴在同一水平面内(水平)过程有电流通过转子，在转子质心在转轴延长线上方没有电流通过转子，忽略摩擦力矩作功，忽略自感电动势，忽略电池的内阻，取电流I为最大电流(刚启动时)，有磁力矩作功克服重力作功(转子质心做圆周运动，使得质心到达最高点)获得速度大小为v

取对转子支持力F为零，联立上式，有

NISB＞5rmg/2

为讨论方便，设s₁为转子导线的横截面积，有转子线圈的电阻为R

将上述R、I、m三个表达式代入NISB＞5rmg/2中，得出：

能够使转子持续旋转必须满足关系，也就是说满足关系时转子不能持续旋转；(如果考虑转子质心在转轴延长线下方，开始从转子质心与转轴在同一水平面，经过转子质心在转轴延长线下方再转到转子质心(重心)与转轴在同一水平面内的过程，作的功是从转子质心在转轴延长线下方转到转子质心与转轴在同一水平面内过程的两倍，也就是如果满足更不能实现转子的持续旋转)；

其中，N为转子线圈匝数、I为线圈中的电流强度、S为单匝线圈的面积、B为磁体在线圈中的磁场强度、r为转子的质心距离转轴的半径、m为转子的质量、g为重力加速度，ε为转子两端的电势差、R为转子的总电阻、s₁为转子导线的横截面积、d为导线直径、ρ为导线电阻率、ρ₁为导线的体密度、a为单匝线圈的半径。

这一问题的产生是：在1996年，发明人想做一个转子线圈直径为5毫米的演示电动机(安培力驱动)，按照教科书原理制作未能实现，发现转子为一匝时质量轻，与转轴支撑环(接电极)接触面积小，尽管转子转轴也是按照教科书设计，不能实现定向转动，于是增大转子线圈的匝数为5圈，把转轴支撑环改成转轴支撑管(螺线管状)可以实现转子定向旋转；但是对于漆包线比较细的导线，如漆包线直径为0.41毫米，转子做成线圈直径为5毫米，按照教科书的制作过程处理，在处理转子的转轴时候很难把很细的漆包线侧面剥去一半，增大了加工难度，在加工时候不是没有剥去一半，就是全部剥掉了，经过多次试验调式发现在转子转轴全裸情况下有的时候转子容易持续旋转，有的时候只出现摆动现象；经过仔细观察发现驱动的内在机制，最后经过理论上分析与实际结合达到一致，获得本专利的初步方案，本专利按照这一规律设计制作演示成功率为100％；在随后的教学试验中我们又用漆包铁丝(外围用绝缘漆浸泡后的铁丝)尝试作为电动机的转子的线圈，出现的是转子线圈摆动，而不能定向持续运动，铁丝属于铁磁质材料被磁体的磁力吸引力较大，对于普通的3伏特的干电池驱动的转子线圈所产生的安培力小于磁体对线圈的磁力，因此在相同力臂时磁体产生的磁力矩大于安培力力矩，也就是说，在转子线圈靠近竖直面附近范围内的磁体吸引转子线圈(铁丝)的力矩可以小于转子线圈中电流在磁场中产生的安培力力矩；在转子线圈与竖直面夹角增大磁体吸引转子线圈(铁丝)的力矩也随之增大，因此，要想用转子线圈中的电流产生的安培力矩驱动转子持续转动下去，必须有大电流才可能。理论与实践相结合，有利于培养学生的创造力。

与现有技术突出的实质性特点和显著的进步在于：1.这种设计结构特点是转子质心与转子转轴不在同一直线上，通过转子旋转后产生的惯性离心力改变转子转轴对转轴支撑管的压力(其压力可以大于转子的自身重力的大小(转子质心在转轴连线的下方时)、为零(转子质心在转轴连线的上方时)或者明显小于自身重力的大小(转子质心在转轴连线的上方时))，这样在一个转动周期内转子转轴对转轴支撑管的压力周期性改变，改变转子转轴对转轴支撑管接触的面积，电流大小也会发生周期性的改变，实现转子转动后转子自身电流的自我调整，来实现全裸转子转轴的持续定向旋转；2.转子转轴的漆包线全部去除绝缘漆，特别对于细漆包线，小尺度的转子(线圈直径小的如5mm以下，漆包线直径在0.41mm以下)，在加工上比现有技术(教科书中转子转轴的漆包线一半侧面去除绝缘漆)更容易实现，结构更加简单，演示效果明显，易于实现持续转动。

附图说明

附图1为本专利原理示意图

附图2为本专利结构示意图

其中：1.转子(由漆包线为铜质材料导线绕成)，1-1.转子转轴(去除漆皮的铜导线)，2.转子支架，2-1.转轴支撑管，3.电池盒，4.磁体(永磁体)。

具体实施方式

如附图2：一种自动调节电流的无刷无换向器的小电机，主要由转子1、转子支架2、电池盒3、磁体4和开关构成，其特征是：转子1由漆包线绕成多匝圆环状，所述漆包线的两端为全部剥掉漆包线包皮作为转子转轴1-1，所述漆包线的两端也是转子1中电流的流入流出端；将绝缘包皮导线的一端去除绝缘包皮绕成螺线管作为转轴支撑管2-1，绝缘包皮导线竖直固定在电池盒3(绝缘材料)上作为转子支架2，绝缘包皮导线的另一端通过开关连接在电池的正负两极上；磁体4固定在电池盒3上，所述转子1的转轴(转子转轴1-1)延长线不与转子1的重心重合，转子1两端的转子转轴1-1在同一直线上，在转子1两端的转子转轴1-1放入转轴支撑管2-1后转子1的自然状态为转子1的线圈平面在竖直平面内，磁体4的N极或者S极靠近转子1的线圈，转轴支撑管2-1的内径满足：在转子1转动过程，转子1重心(质心)在转子转轴1-1延长线正上方时转子转轴1-1可以与转轴支撑管2-1不接触(悬空)，也可以转子转轴1-1与转轴支撑管2-1接触。