2-1-2 旋转原理的基础知识

2-1节的最终目标是了解我们所熟悉的,有铁芯的直流马达的旋转原理。

但,这需要具备与马达相关的基础知识。

因此,首先像理科及物理教科书一样,思考一下转子没有铁芯的马达。

同时,对于没有铁芯的马达,不仅仅是理论,还应确认一下作为马达已实用化的情况。

虽说是这样,但我们的目的是“让繁杂技术浅显化”。不仅仅是复习,也做一些对实务有用的探讨。

BLI法则

图2.2 所示,空中有一个磁场B,对横穿磁场的电线上通电,则电线上会产生力F。该力的强度可通过下面的公式计算,也称为BLI法则。

F = BLⅠ ……(2.1)

F:力[N] B:磁束密度[T]

L:磁场中的电线长度[m] Ⅰ:电流[A]

此外,作用到电线上的力的方向,因弗莱明左手法则,变成图中的方向。

手指与记号之间的对应关系,记住从母指开始依次为“F・B・Ⅰ”,从中指开始按相反的顺序依次为“电・磁・力”。

记号B表示磁力线的强度,称为磁束密度。磁力线是想像的物质,无法直接进行确认。磁束密度的国际单位(SI)是T(特斯拉),与MKS单位的[Wb/m2]相同。

所谓1特斯拉,是指一平方米中存在1韦伯[Wb]磁通时磁场的强度。

物理学者及磁铁生产厂家还使用另外一个单位,高斯[G]。1T等于10,000G。

弗莱明左手法则
                                                  图 2.2弗莱明左手法则

无铁芯的马达旋转原理

图2.3 所示,将电线制成线圈,按图示方向通入电流I,则线圈的左侧、右侧会分别产生朝上、朝下的力,线圈开始旋转。这就是在学校中学到的直流马达的旋转原理。

直流马达的旋转原理
                                                                           图 2.3直流马达的旋转原理
                                                                           T =2RF = 2RNBLⅠ ……(3.2)
                                                                           T:扭矩[Nm] R:旋转半径[m] N:线圈圈数
                                                                           L:磁通宽[m]
旋转线圈的止点
                 图2.4旋转线圈的止点

但,在线圈为一组时,当线圈到达图2.4 中A位置时,无法决定朝哪个方向旋转。 因此,使用多组线圈,根据旋转情况依次切换电流,则线圈群会连续旋转。

首先思考一下只有1个线圈的马达。基于公式(2.2),考虑磁通分布、线圈半径和长度、电流的流动方向,则此时的扭矩T(torque)与电流I成正比,可使用下面的公式进行表述。这种比例系数KT称为扭矩常数

T = KTI ……(2.3)

I:线圈电流[A] KT:扭矩常数[Nm/A]

在直流马达中,该公式表示扭矩与电流成正比。这是直流马达所具有的极其重要的性质之一。

扭矩常数根据(2.2)公式和(2.3)公式,变成下面的公式。

KT= 2RNBL[Nm/A] ……(2.4)

实际的马达中,如后面介绍的图2.16 所示,有多个线圈,像花瓣那样进行连接,马达端子的电流流动时将马达内部分成2部分。这里,将所有线圈的圈数取N,则扭矩常数即(2.4)公式。

制作Clip马达

下面我们将制作一下中学教科书中的一种简单马达,Clip马达。

材料可到文具商店及建材商店购买。

制作方法,请参考图2.5 。缠绕珐琅线,制作线圈。

珐琅线最好是粗0.4~0.6mm,圈数约15~30圈。使用矿泉水瓶的盖子缠绕线圈会非常合适。缠绕后,将线圈调整成尽可能与旋转轴对称。

剥除线圈端部的外皮时要细心。一头全部剥去,但另一头只剥一半,注意看放大图。这是Clip马达的制作要点。

还要注意剥离的范围以及与线圈之间的角度。

将线圈插入别针,朝任何一个方向轻轻转动,都能够不停旋转。

如果线圈呈对称状态,则也会朝反方向旋转,但如果不对称,则只能朝一个方向旋转。

Clip马达的制作
图2.5Clip马达的制作
缠绕粗0.4~0.6mm的漆包线15~30圈
将包漆全部剥开只剥一半包漆
将别针插到橡皮上
材料 珐琅线 Φ0.4~0.6mm 3m
  磁铁 磁铁石 1个
  别针 2个
  橡皮 2个
  1号电池 1个
  1号电池仓 1个
  鳄口夹线 2条

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