如何制作一個(gè)簡(jiǎn)易的“活塞式”電動(dòng)機(jī)？

這是一臺(tái)自制的小電動(dòng)機(jī)模型，但是動(dòng)作機(jī)構(gòu)卻類(lèi)似內(nèi)燃機(jī)，具有飛輪、曲軸、連桿和汽缸、活塞，與傳統(tǒng)意義上的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)迥異，非常有意思。

下圖是這種“活塞式”電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。包括塑料瓶蓋做的飛輪，自行車(chē)輻條做的曲軸和連桿，PVC塑料管做的“汽缸”。當(dāng)然它還具備電動(dòng)機(jī)的特征，包括漆包線繞成線圈和2節(jié)5號(hào)干電池做的電源。

下圖可以看到，它的“活塞”是一塊高強(qiáng)度磁鐵。

安裝上電池，只要用手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪，它就會(huì)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，磁鐵做成的“活塞”在PVC管里上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿變成曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而飛輪的作用與內(nèi)燃機(jī)里的一樣，在做功“沖程”儲(chǔ)存能量，在其它時(shí)間釋放能量。

這個(gè)制作需要的材料主要有：

3分（外徑16毫米）的PVC塑料管一段（用來(lái)做支架和“氣缸”）；

自行車(chē)輻條（用來(lái)做曲軸和連桿）；

細(xì)塑料管一段（用來(lái)做曲軸和連桿的限位）；

5號(hào)2節(jié)電池盒一個(gè)；

木板底座一塊；

直徑12毫米的強(qiáng)磁鐵一塊；

圓孔直徑3毫米的接線端子一個(gè)；

大的塑料瓶蓋一個(gè)（用來(lái)做飛輪）；

直徑0.27毫米的漆包線若干；

制作需要的工具主要有：

鉗子、AB膠、小刀、鋼銼、鋼鋸。

制作過(guò)程：

1、制作電動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)

用鋼鋸把PVC管鋸成長(zhǎng)約12厘米和5厘米的兩段，長(zhǎng)的做支架，短的做“氣缸”。自行車(chē)輻條鋸成長(zhǎng)約10厘米和6厘米的兩段，長(zhǎng)的做曲軸，短的做連桿。

用鉗子彎曲長(zhǎng)的鋼絲，做成曲軸。接線端子用AB膠粘在短鋼絲的一端，做成連桿。

用小刀在長(zhǎng)的PVC管，也就是支架的一端對(duì)稱(chēng)鉆兩個(gè)小孔，把曲軸穿過(guò)去。連桿也穿到曲軸上，把白色的細(xì)塑料管剪成小段，用來(lái)限位。

用小刀在大的塑料瓶蓋正中鉆孔，套在曲軸的末端，支架用AB膠粘牢在木板底座上。

用AB膠把飛輪與曲軸末端粘在一起，飛輪與支架之間的白色細(xì)塑料管是活動(dòng)的，這樣既能限制飛輪與支架之間的距離，用能最大程度地減小摩擦力。

曲軸另外一端的白色細(xì)塑料管也用膠粘牢，同樣其它限位管保持活動(dòng)，以降低轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候的摩擦力。

把強(qiáng)磁鐵吸在連桿下端，作為電動(dòng)機(jī)的“運(yùn)動(dòng)活塞”。事先應(yīng)該用鋼銼把連桿下端銼平整，這樣只靠磁力連接就很可靠。

到這里“活塞式”電動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)就制作完成了。

2、制作“電動(dòng)”機(jī)構(gòu)

既然這是一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，不管結(jié)構(gòu)如何特別，當(dāng)然是需要電和磁來(lái)驅(qū)動(dòng)的，下面開(kāi)始電磁方面的制作。

在那段短的做“氣缸”的PVC管上打孔，交叉穿過(guò)4根牙簽，用來(lái)做纏繞線圈的支架。

用直徑0.27毫米的漆包線繞300圈，就做成了這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)源——電磁鐵線圈。

把纏繞了線圈的“氣缸”放在連桿旁邊，調(diào)整它的高度。要求“活塞”在最低位置時(shí)，略高于線圈的上端，最高位置時(shí)，不能脫離“氣缸”。

把“活塞”裝入“氣缸”，對(duì)正位置，用膠粘牢。電磁鐵線圈兩端漆包線上的絕緣漆用小刀刮掉，露出能夠?qū)щ姷你~絲，分別與電源的兩極連接。當(dāng)電磁鐵產(chǎn)生的磁性向上排斥磁鐵的時(shí)候，記住正負(fù)極。

電路是這樣連接的：電源正極接電磁鐵線圈的一端，線圈另一端接紅色軟導(dǎo)線；電源負(fù)極接綠色軟導(dǎo)線。兩根軟導(dǎo)線末端接觸在一起的話，電流就會(huì)流經(jīng)電磁鐵，產(chǎn)生磁力，推動(dòng)高強(qiáng)磁鐵做的“活塞”向上運(yùn)動(dòng)。

我們把兩根軟導(dǎo)線的末端作為“電刷”，這是這臺(tái)電動(dòng)機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。請(qǐng)看下圖，當(dāng)磁鐵“活塞”在“氣缸”的最下方，連桿豎直向下的時(shí)候，兩根電刷并排在連桿旁邊，互相之間沒(méi)有接觸。

我們用手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，曲軸向電刷一側(cè)擺動(dòng)，與電刷接觸，讓兩根電刷短路，此時(shí)電路接通，電磁鐵通電產(chǎn)生磁性，向上排斥磁鐵“活塞”，給電動(dòng)機(jī)一個(gè)動(dòng)力，讓它繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)“活塞”運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)后，會(huì)在曲軸的帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)連桿擺向另一側(cè)，遠(yuǎn)離電刷，電路斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)失去動(dòng)力，依靠飛輪儲(chǔ)存的動(dòng)能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)磁鐵“活塞”經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)，重新開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿會(huì)再次讓電刷短路，電動(dòng)機(jī)獲得動(dòng)力。循環(huán)往復(fù)，活塞上下翻飛，曲軸連桿擺動(dòng)，飛輪旋轉(zhuǎn)，頗有活塞式內(nèi)燃機(jī)的架勢(shì)，趣味性很強(qiáng)。

3、性能改進(jìn)和提升

前面介紹的“活塞式”電動(dòng)機(jī)制作簡(jiǎn)單，容易說(shuō)清原理，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)效果也不錯(cuò)，但是還有改進(jìn)提升的空間。

細(xì)心的你會(huì)發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)在停止轉(zhuǎn)動(dòng)之后，磁鐵“活塞”總是停在“氣缸”最下方的位置。這是因?yàn)樗亓?，?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的“質(zhì)心”偏離了轉(zhuǎn)軸，因此這臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)之后振動(dòng)很大，也因此額外消耗了很多能量。

當(dāng)“活塞”在最下方的位置時(shí)，我們可以在飛輪的上方進(jìn)行配重。改變小物體的重量和位置，用來(lái)抵消“活塞”的重量造成的偏心。經(jīng)過(guò)配重之后，轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪，它可以停止在任意位置，這樣當(dāng)快速轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)之后，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)十分平穩(wěn)。經(jīng)過(guò)這種改進(jìn)之后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大大增加了。

我們還可以讓電刷的位置更加隱蔽，效果更好。如下圖，電刷隱藏在支架內(nèi)。

當(dāng)磁鐵“活塞”向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲軸讓兩根電刷短路，接通電流，電動(dòng)機(jī)獲得動(dòng)力。

當(dāng)“活塞”開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲軸旋轉(zhuǎn)了180度，而另外一面粘貼了絕緣膠帶，電路斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)依靠飛輪儲(chǔ)存的動(dòng)能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

這種結(jié)構(gòu)的原理看起來(lái)不那么直觀，但是只要電刷在曲軸上保持合適的壓力，實(shí)際效果會(huì)更好。

總結(jié)：

電動(dòng)機(jī)是中學(xué)物理的重要內(nèi)容，學(xué)生自己動(dòng)手制作一臺(tái)電動(dòng)機(jī)模型，對(duì)加深理論的理解和增強(qiáng)動(dòng)手能力都非常有幫助。我們介紹的這種特殊的電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槿の缎詮?qiáng)，同時(shí)又兼顧了內(nèi)燃機(jī)方面的內(nèi)容，非常值得推廣。