【原】关于微型空心杯电机的学习研究

关于微型空心杯电机的学习研究

1．空心杯电机简介

空心杯电机是直流、永磁、同步电机。线圈作为转子，没有铁芯，形如杯状，因此叫空心杯电机。

2．永磁和线圈安装

淘宝上经常看到径向充磁的圆柱钕铁硼强磁铁，可能就是用来做这个的。

图1 直绕式绕组的空心杯电机(摘自知乎)

图2 交叉斜绕式绕组空心杯电机(摘自知乎)

从以上两个图中能看出，空心杯电机原理很象那种用强磁吸在干电池上，弯折铜丝制作的简易直流电动机。

图3 有刷空心杯的电刷位置和作用冯大立. 空心杯直流电机的特点及其应用[J]. 电工技术, 1985(8).

电刷结构清晰显示出绕组受力情况。也有用三角形接法的无刷，通过控制时序来控制电流在绕组中的相位。道理相差不多。

图4 斜绕式绕组(a)和交叉斜绕式绕组(b)张琴琴, 陈莉, 刘阿宁,等. 空心杯电机斜绕组与同心式绕组性能分析[J]. 微电机, 2015, 048(003):17-19.

其他类型的绕组都比较好理解。我曾一直查找资料：为什么要把绕组绕成这样奇怪的形式？后来发现只有一个原因，工艺简单，制作方便。

为了理解交叉斜绕式绕组，我专门做了个A4纸的模型。

图5 绕组的外表和内里(红色和黑色是同一条线，红色表示绕一圈回来后)

图6 把A4纸卷成一个筒，就是绕组上面的走线

3．超级电容为412型空心杯电机供电

尺寸型号足见其小，直径4mm，长度12mm，绕组要用放大镜看。空载电流30mA，用数字表监测，发现启动电流和空载电流均在30mA以下。这什么概念？如果空载，这种小电机可以用Arduino直接驱动。

现在把电源换成1F超级电容。超级电容在2.00V充电电压下完成充电，直接带动空载412型空心杯。

图7 超级电容器为412空心杯电机供电

把手机拾音孔放在空心杯上，用phyphox记录音频，来判断电机能工作多长时间。数据送给Excel，处理，大约工作80s。

图8 超级电容供电大约工作80s

按照资料，412型空心杯由静止至正常速率大约在0至50ms之间，不妨作为20ms，则大约需要电量，亦即大约用几个伏特的电压给几百个微法的电容充电，空心杯电机可以工作一小下，即停止。

使用2200μF共5只串联，2.0V充电，空心杯嗡的一声即停止下来。

4．新人教版的一个习题

在2019年新人教版教材的“第九章静电场及其应用”的“复习与提高”里有这样一个题：如图，在带电体C附近，把绝缘导体A、B相碰一下后分开，然后分别接触一个小电动机的两个接线柱。假设小电动机非常灵敏，它便会开始转动。当小电动机还没有停止时，又立刻把A、B在C附近相碰一下分开，再和小电动机两接线柱接触。如此下去，小电动机便能不停地转动。这不就成了永动机而违背能量守恒定律吗？说说你的看法。

图9 新教材上的一个习题

这个题目又被加以修饰和改造，又再编排到了2020年6月份的北京朝阳区二模试卷里。题目中有两个词让我们感兴趣：“假设……灵敏”。是的，我们无非在犹疑一个问题，一般静电带电量往往都不大，会不会出现总也无法找到能带得动小电动机？也就是，命题时不“假设”行不行？不强调非常“灵敏”行不行？

以上面的实验看，这个实验应该很容易成功，只要注意A、B别用枕形导体，用两个接触着的半径大一些的金属球就可以了。

或许，这个问题的解决也可以去寻找一下MEMS微电机，但是它们太精密，没有好的视力，怕是不易操作。