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創客教育材料漫談:電動機

創客教育中,我們常常會接觸到各種類型的電動機。從功能上看,有的電動機的作用是向系統輸出動力,而有的電動機的作用是作為控制系統使用的。把系統比喻成一架飛機,輸出動力的電動機就像發動機,沒有發動機提供動力飛機就飛不起來,而控制類電動機就像飛機的方向舵,沒有它我們就不能精準地控制方向。

從這個角度看,小馬達、空心杯電機、TT馬達、震動馬達、減速電機都屬于動力類電動機,而舵機、伺服電機、步進電機則屬于控制類電動機。

一、控制類電動機

(一)伺服電機

所謂伺服電機,“伺”是指等待,“服”是指運作,當沒有信號輸入的時候,伺服電機處于待機狀態,當接收到信號時,伺服電機開始精準地運轉,信號停止時能及時停下。伺服電機的特點在于它能夠精準地控制轉動的速度、方向和位置,我們能用它更好地控制電子創客作品的姿態。

舵機就是一類小型的伺服電機的俗稱,在航模制作中,它常被用于方向舵的控制上,所以習慣稱為舵機,在電子創客作品中,舵機以其小型、易操作、控制精準的特點,成為創客教育最常用的伺服電機。舵機可以連續地轉動,也可以選擇轉動一定角度后停下來,這個性質讓舵機能夠勝任飛行姿態控制系統的工作。

樂高的伺服電機是另一種創客教育常用的電動機,尤其是在與機器人相關的活動上。科技學堂結合樂高和Arduino的創客教育作品“樂高PM2.5探測儀”正是一個體現伺服電機特點的很好例子。

該作品由紅外光源微塵粒徑粒度檢測器(GP2Y1010AU0F)、Arduino Uno板、樂高結構和伺服電機3個部分組成。Aruidno Uno板設置了伺服電機的工作程序,把PM2.5的數值映射到伺服電機轉動的角度中。我們還通過皮帶傳動的方法,將伺服電機的旋轉運動轉化為指針的直線運動。這樣,我們就可以實時了解到檢測地區的PM2.5是多少,要不要帶上口罩了。

(二)步進電機

步進電機也是一種控制類電動機。從結構上看,步進電機的轉子和定子上都有類似齒輪的楔子,這意味著步進電機只能以固定的角度轉動。每一步轉動的角度叫做步距角。步距角越小,轉動的分辨率越高。步進電機采用脈沖信號控制,它可以正確地追隨脈沖信號轉動。因此,步進電機的速度和位置控制精度比較高。

二、動力類電動機

作為動力的電機也是創客教育的常客,根據電源類型不同,我們可以把電動機分為直流電機和交流電機,創客教育是直流電的天下,這里我們默認談的都是直流電機。前文說到的小馬達、空心杯電機、TT馬達、震動馬達、減速電機主要是作為動力輸出的電機。但它們的應用范圍卻不盡相同,我們先從最常見的小馬達說起。

(一)小馬達

小馬達是一種小型的有刷直流電機,它結構簡單、價格便宜(相對無刷電機而言),是電子創客教育的入門級選擇。小馬達的工作電壓為1.5?9?V,電壓越高,轉速也會越快。

采購小馬達時,我們要關心其尺寸、轉速是否符合我們的制作要求。我們會看到小馬達有130馬達、140馬達、180馬達等型號,型號數字指代的是機座號,即從小馬達的中心軸到底座的距離,130馬達即底座到中心軸的高度為13?mm,以此類推。機座號對我們電動機的安裝位置有重要的參考意義。除了機座號外,小馬達的長度、寬度、直徑、軸長、軸徑等數據也很重要,一般購物網站都會把數據標注清楚。

另一個重要的參考數據是轉速,以130馬達為例,1.5?V下的空載轉速是每分鐘13?000?14?000轉,電壓越高轉動越快。但實際上,我們增加負載時會降低它的轉速。在實際操作中,創客教育作品會為小馬達增加負載以降低轉速,但如果增加負載后轉速還是太高,我們需要變速箱降低它的轉速。通常變速箱會使用多級齒輪變速的方式,讓電動機達到我們想要的輸出轉速。

(二)減速電機和TT馬達

有的電動機會將減速箱與電機封裝在一起,這就是減速電機。有的減速電機還會通過空間齒輪機構改變軸的輸出方向,這就是TT馬達。減速電機和TT馬達常用于機器人或車輛的制作中,它能將高速轉動的電機減速到每分鐘140轉左右,方便制作者對機器人或小車的操控。

(三)空心杯電機

如果進行的是與航模相關的創客制作,我們還會用到空心杯電機。空心杯電機的形狀就像一個保溫杯,“保溫杯”的內壁上排布著密密麻麻的線圈,“杯子”中間是1個用磁鐵制成的轉子,線圈通電時,轉子就會快速旋轉。空心杯電機體積小、質量輕,可達每分鐘50?000轉以上,但功率不高,用于遙控飛機的螺旋槳很合適,但如果用在船模上,就顯得力不從心了。

(四)震動馬達

在空心杯電機的軸上裝上1個偏心質量塊,就成為震動空心杯,也叫震動馬達。震動馬達是電動機的一種特殊應用,由于偏心質量塊的重心不在軸上,當電動機高速旋轉時,質量塊的重心也在快速移動,產生震動的效果。很多老款手機的震動功能就是通過內置這種偏心轉子震動馬達實現的,而近年來很多手機已經將偏心轉子震動馬達換成了線性震動馬達,手感體驗更好。

我們也可以將震動馬達應用于創客教育中,科技學堂的創客教育作品“萬圣節南瓜”就是一個例子。作品用紗布、扭扭棒制成南瓜的外形,用牙刷頭做成南瓜的“腳”。南瓜內部安裝了紐扣電池和震動馬達,啟動時,在高速旋轉的震動馬達的帶動下,南瓜就會在地上做無規律的移動。

我們認識了創客教育中常見的控制類電動機伺服電機(舵機)和步進電機,動力類電動機小馬達、減速馬達、TT馬達、空心杯電機和震動馬達,它們的應用范圍各不相同,我們要根據實際制作的需要選擇合適的材料,才能達到滿意的效果。

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