CN106898214A - 控制电机转速的一种演示装置与方法 - Google Patents

Abstract

控制电机转速的一种演示装置与方法，属于物理教学实验仪器领域。主要由转子、磁体、转子支撑环、电源、限流电阻、开关、彩色纸片、刻度尺、绝缘塑料板、弹簧秤和定滑轮构成，将转子的转子轴穿过转子支撑环，所述转子支撑环是固定在垂直且固定于绝缘塑料板的直杆上，所述转子为直流电机的转子，转子轴与固定在绝缘塑料板上的电刷接触，刻度尺垂直转子固定在绝缘塑料板上；一柔软不可伸缩的细绳一端固定在转子轴上，另一端通过定滑轮与弹簧秤的挂钩相连接，弹簧秤与刻度尺平行固定在绝缘塑料板上。对理解安培力、磁力矩等内容有积极意义，避免了以往电机调速需改变电阻容易造成开关接触不良的现象，制作极其简易，效果明显。

Description

控制电机转速的一种演示装置与方法

技术领域

本发明专利涉及演示磁力控制转速的装置与方法，属于物理教学实验仪器领域。

背景技术

在大学物理或中学物理课中，安培力是一个重要的内容，安培力的应用更是大家关注的内容。多年来，为帮助学生正确理解安培力和应用安培力，配合教学设置的一些演示实验，如矩形线圈的安培力演示实验，直流电动机，以及本专利发明人设计的安培力的微观机理实验仪等，以往演示实验磁体相对转子位置不变，以往电机调速演示实验中改变电机输入电压，控制转子转速是靠控制输给转子的电流强度的改变而改变，也就是需改变电阻容易造成开关接触不良的现象，缺少对变磁场的安培力演示实验，如何实现变磁场的安培力演示实验且效果明显，构造简单、成本低，且符合大学低年级与高中生的物理知识要求，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：11405092)、齐齐哈尔市科学技术项目(项目号：GYGG-201423)及黑龙江省高等学校教改工程项目(项目号：2014011091)的支持下完成的(设计人之一，吴桐为齐齐哈尔市第一中学高一一班学生)。

参考文献：

梁法库 等.用液体电池改进安培力实验[J]《物理实验》，2001，21(3)：39-39

梁法库.利用有色跟踪演示带电粒子在电磁场中的运动[J]《物理实验》，2000，20(6)：36-37

发明内容

本发明专利是解决课堂或课下用的控制电机转速的一种演示装置与方法，着重通过磁体靠近与远离转子来演示电机的转速及力矩大小的技术。

本发明专利技术方案：控制电机转速的一种演示装置与方法，主要由转子、磁体、转子支撑环、电源、限流电阻、开关、彩色纸片、刻度尺、绝缘塑料板、弹簧秤和定滑轮构成，其特征是：将转子的转子轴穿过转子支撑环，所述转子支撑环是固定在垂直且固定于绝缘塑料板的直杆上，所述转子为直流电机的转子(可以选用有刷玩具直流电动机卸下的直流电机转子，或自行绕制的矩形线框制成的转子)，转子轴与固定在绝缘塑料板上的电刷接触，电刷通过导线、限流电阻和开关与固定在绝缘塑料板上的电源连接，电源为直流电源；刻度尺垂直转子固定在绝缘塑料板上；一柔软不可伸缩的细绳一端固定在转子轴上，另一端通过定滑轮与弹簧秤的挂钩相连接，弹簧秤与刻度尺平行固定在绝缘塑料板上。所述转子轴是包含换向器(本领域的技术人员对所述转子(1)的制作是很熟悉的技术，不予具体表述)。

本专利的理论基础为，设转子在均匀磁场中静态时忽略摩擦阻力，转子为由漆包线围成的多匝等大矩形框构成的，受磁力矩为

M＝NSBsinθ

其中N、S、B和θ分别为矩形框匝数、面积、外磁场强度和矩形框的法向与外磁场强度方向的夹角。弹簧秤的弹力力矩为

Mf＝Fφ/2

其中F与φ分别为弹簧秤受力与转子轴的直径。弹簧秤受力

F＝kx

其中k与x分别为弹簧秤弹簧的倔强系数与伸长量

NSBsinθ＝kXφ/2

得到弹簧秤弹簧伸长量X(弹簧秤挂钩在受力后相对受力前的位置增量大小)与磁体(外磁场)相对转子间距L定性关系

X＝2NSBsinθ/kφ∝L^-2

也就是随着磁体与转子相对距离变小，转子的磁力矩增大；

同理，推出转子转速ω

由转动定理，设摩擦阻力矩大小为αω²，α为常数

为计算方便，设磁力矩为最大磁力矩NSB，在t＝0时，ω＝0推出

稳定值

可见，随着磁体与转子相对距离变小B增大，转子的稳定转速也增大。

由以上理论可完成如下实验演示

实验1——转子的磁力矩与磁体(外磁场强度)相对转子间距的定性演示

实验时，按如下操作，先测量出转子及转子轴的直径，将一柔软不可伸缩的细绳一端固定在转子轴上，另一端通过定滑轮与弹簧秤的挂钩相连接，使弹簧秤弹簧处于自然状态，记下弹簧秤读数；开关闭合，将磁体附于绝缘塑料板沿着(平行)刻度尺向转子方向移动，当转子开始转动时记录磁体靠近转子方向的表面对应刻度尺的位置，以及记录弹簧秤读数；磁体在向转子移动过程完成5-10个实验数据记录，直到磁体靠近转子距离为大于0.5cm(太近了转子中线圈缠绕的铁磁体被磁化了，影响实验效果)或者弹簧秤读数达到最大量程为止。由实验数据绘出转子距磁体的间距与磁力矩(弹簧秤读数结合转子轴的半径推出的)的关系图像，也就是随着磁体与转子相对距离变小，转子的磁力矩增大的定性规律。

实验2——实现磁体控制电机转速演示

实验时，先解除转子轴上的细绳，并在转子轴上固定一彩色纸片(也就是转子轴转动时能较清晰看到彩色纸片随着转子轴转动即可)，重复上面实验1的过程，也就是随着磁体距转子相对距离变小，转子上的彩色纸片转速增大的定性规律(或者用转速测量仪测量彩色纸片的转速)。

本专利的有益之处，这一实验设计不但给出的直流电机的转子在外磁场(磁体)的作用下改变力矩，对理解安培力、磁力矩等内容有积极意义，也实现磁体控制转子转速这一新颖的应用设计，相对以往磁体相对转子位置不变，控制转子转速是靠控制输给转子的电流强度的改变而改变，避免了以往电机调速需改变电阻容易造成开关接触不良的现象，这一实验设计更有利于促进学生的创新精神和实践能力的培养。

附图说明

附图1为本发明专利的结构示意图。

其中：1.转子，2.磁体，3.转子支撑环，4.转子轴，5.电刷，6.电源，7.限流电阻，8.开关，9.刻度尺，10.绝缘塑料板，11.弹簧秤，12.定滑轮，13.彩色纸片

具体实施方式

如附图1：控制电机转速的一种演示装置与方法，主要由转子(1)、磁体(2)、转子支撑环(3)、电源(6)、限流电阻(7)、开关(8)、彩色纸片(13)、刻度尺(9)、绝缘塑料板(10)、弹簧秤(11)和定滑轮(12)构成，其特征是：将转子(1)的转子轴(4)穿过转子支撑环(3)，所述转子支撑环(3)是固定在垂直且固定于绝缘塑料板10的直杆上，所述转子(1)为直流电机的转子选用有刷玩具直流电动机卸下的直流电机转子(或自行绕制的矩形线框制成的转子)，转子轴(4)与固定在绝缘塑料板(10)上的电刷(5)接触，电刷(5)通过导线、限流电阻(7)和开关(8)与固定在绝缘塑料板(10)上的电源(6)连接，电源(6)为直流电源；刻度尺(9)垂直于转子(1)且固定在绝缘塑料板(10)上；一柔软不可伸缩的细绳一端固定在转子轴(4)上，另一端通过定滑轮(12)与弹簧秤(11)的挂钩相连接，弹簧秤(11)与刻度尺(9)平行且固定在绝缘塑料板(10)上。所述转子轴(4)是包含换向器的(本领域的技术人员对所述转子(1)的制作是很熟悉的技术，这里不做具体表述)。

实验1——转子(1)的磁力矩与磁体(2)(外磁场)相对转子(1)间距定性演示

实验时，按如下操作，先测量出转子(1)及转子轴(4)的直径，将一柔软不可伸缩的细绳一端固定在转子轴(4)上，另一端通过定滑轮(12)与弹簧秤(11)的挂钩相连接，使弹簧秤(11)弹簧处于自然状态，记下弹簧秤(11)读数；开关(8)闭合，将磁体(2)附于绝缘塑料板(10)沿着(平行)刻度尺(9)向转子(1)方向移动，当转子(1)开始转动时记录磁体(2)靠近转子(1)方向的表面对应刻度尺(9)的位置，以及记录弹簧秤(11)读数；磁体(2)在向转子(1)移动过程完成5-10个实验数据记录，直到磁体(2)靠近转子(1)距离为大于0.5cm(太近了转子中线圈缠绕的铁磁体被磁化容易与磁体(2)吸引在一起，影响实验效果)或者弹簧秤(11)读数达到最大量程为止。由实验数据绘出转子(1)距磁体(2)的间距与磁力矩(弹簧秤(11)读数结合转子轴(4)的半径推出的)的关系图像，也就是随着磁体(2)与转子(1)相对距离变小，转子(1)的磁力矩增大的定性规律。

实验2——实现磁体控制电机转速演示

实验时，先解除转子轴(4)上的细绳，并在转子轴(4)上固定一彩色纸片(13)(也就是转子轴(4)转动时能较清晰看到彩色纸片(13)随着转子轴(4)转动即可)，重复上面实验1的过程，也就是随着磁体(2)距转子(1)相对距离变小，转子(1)上的彩色纸片(13)转速增大的定性规律(或者用转速测量仪测量彩色纸片(13)的转速)。

Claims (4)

1.控制电机转速的一种演示装置与方法，主要由转子(1)、磁体(2)、转子支撑环(3)、电源(6)、限流电阻(7)、开关(8)、彩色纸片(13)、刻度尺(9)、绝缘塑料板(10)、弹簧秤(11)和定滑轮(12)构成，其特征是：将转子(1)的转子轴(4)穿过转子支撑环(3)，所述转子支撑环(3)是固定在垂直且固定于绝缘塑料板(10)的直杆上，所述转子(1)为直流电机的转子选用有刷玩具直流电动机卸下的直流电机转子，转子轴(4)与固定在绝缘塑料板(10)上的电刷(5)接触，电刷(5)通过导线、限流电阻(7)和开关(8)与固定在绝缘塑料板(10)上的电源(6)连接，电源(6)为直流电源；刻度尺(9)垂直于转子(1)且固定在绝缘塑料板(10)上；一柔软不可伸缩的细绳一端固定在转子轴(4)上，另一端通过定滑轮(12)与弹簧秤(11)的挂钩相连接，弹簧秤(11)与刻度尺(9)平行且固定在绝缘塑料板(10)上。

2.根据权利要求1所述的控制电机转速的一种演示装置与方法，其特征在于：设磁力矩为最大磁力矩NSB，设摩擦阻力矩大小为αω²，α为常数，在t＝0时，ω＝0推出

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{NSB}{\mathrm{\α}}}(1-e^{-\frac{2\sqrt{\mathrm{\α}NSB}}{J}t})/(1+e^{-\frac{2\sqrt{\mathrm{\α}NSB}}{J}t})$

稳定值

随着磁体与转子相对距离变小B增大，转子的稳定转速也增大。

3.根据权利要求1所述的控制电机转速的一种演示装置与方法，其特征在于：

实验1——转子(1)的磁力矩与磁体(2)相对转子(1)间距定性演示，实验时，按如下操作，先测量出转子(1)及转子轴(4)的直径，将一柔软不可伸缩的细绳一端固定在转子轴(4)上，另一端通过定滑轮(12)与弹簧秤(11)的挂钩相连接，使弹簧秤(11)弹簧处于自然状态，记下弹簧秤读数；开关(8)闭合，将磁体(2)附于绝缘塑料板(10)沿着刻度尺(9)向转子(1)方向移动，当转子(1)开始转动时记录磁体(2)靠近转子(1)方向的表面对应刻度尺(9)的位置，以及记录弹簧秤(11)读数；磁体(2)在向转子(1)移动过程完成5-10个实验数据记录，直到磁体(2)靠近转子(1)距离为大于0.5cm或者弹簧秤(11)读数达到最大量程为止；由实验数据绘出转子(1)距磁体(2)的间距与磁力矩的关系图像，也就是随着磁体(2)与转子(1)相对距离变小，转子(1)的磁力矩增大的定性规律。

4.根据权利要求1所述的控制电机转速的一种演示装置与方法，其特征在于：

实验2——磁体控制电机转速演示，实验时，先解除转子轴(4)上的细绳，并在转子轴(4)上固定一彩色纸片(13)，重复上面实验1的过程，也就是随着磁体(2)距转子(1)相对距离变小，转子(1)上的彩色纸片(13)转速增大的定性规律。