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创客教育材料漫谈:电动机

创客教育中,我们常常会接触到各种类型的电动机。从功能上看,有的电动机的作用是向系统输出动力,而有的电动机的作用是作为控制系统使用的。把系统比喻成一架飞机,输出动力的电动机就像发动机,没有发动机提供动力飞机就飞不起来,而控制类电动机就像飞机的方向舵,没有它我们就不能精准地控制方向。

从这个角度看,小马达、空心杯电机、TT马达、震动马达、减速电机都属于动力类电动机,而舵机、伺服电机、步进电机则属于控制类电动机。

一、控制类电动机

(一)伺服电机

所谓伺服电机,“伺”是指等待,“服”是指运作,当没有信号输入的时候,伺服电机处于待机状态,当接收到信号时,伺服电机开始精准地运转,信号停止时能及时停下。伺服电机的特点在于它能够精准地控制转动的速度、方向和位置,我们能用它更好地控制电子创客作品的姿态。

舵机就是一类小型的伺服电机的俗称,在航模制作中,它常被用于方向舵的控制上,所以习惯称为舵机,在电子创客作品中,舵机以其小型、易操作、控制精准的特点,成为创客教育最常用的伺服电机。舵机可以连续地转动,也可以选择转动一定角度后停下来,这个性质让舵机能够胜任飞行姿态控制系统的工作。

乐高的伺服电机是另一种创客教育常用的电动机,尤其是在与机器人相关的活动上。科技学堂结合乐高和Arduino的创客教育作品“乐高PM2.5探测仪”正是一个体现伺服电机特点的很好例子。

该作品由红外光源微尘粒径粒度检测器(GP2Y1010AU0F)、Arduino Uno板、乐高结构和伺服电机3个部分组成。Aruidno Uno板设置了伺服电机的工作程序,把PM2.5的数值映射到伺服电机转动的角度中。我们还通过皮带传动的方法,将伺服电机的旋转运动转化为指针的直线运动。这样,我们就可以实时了解到检测地区的PM2.5是多少,要不要带上口罩了。

(二)步进电机

步进电机也是一种控制类电动机。从结构上看,步进电机的转子和定子上都有类似齿轮的楔子,这意味着步进电机只能以固定的角度转动。每一步转动的角度叫做步距角。步距角越小,转动的分辨率越高。步进电机采用脉冲信号控制,它可以正确地追随脉冲信号转动。因此,步进电机的速度和位置控制精度比较高。

二、动力类电动机

作为动力的电机也是创客教育的常客,根据电源类型不同,我们可以把电动机分为直流电机和交流电机,创客教育是直流电的天下,这里我们默认谈的都是直流电机。前文说到的小马达、空心杯电机、TT马达、震动马达、减速电机主要是作为动力输出的电机。但它们的应用范围却不尽相同,我们先从最常见的小马达说起。

(一)小马达

小马达是一种小型的有刷直流电机,它结构简单、价格便宜(相对无刷电机而言),是电子创客教育的入门级选择。小马达的工作电压为1.5〜9 V,电压越高,转速也会越快。

采购小马达时,我们要关心其尺寸、转速是否符合我们的制作要求。我们会看到小马达有130马达、140马达、180马达等型号,型号数字指代的是机座号,即从小马达的中心轴到底座的距离,130马达即底座到中心轴的高度为13 mm,以此类推。机座号对我们电动机的安装位置有重要的参考意义。除了机座号外,小马达的长度、宽度、直径、轴长、轴径等数据也很重要,一般购物网站都会把数据标注清楚。

另一个重要的参考数据是转速,以130马达为例,1.5 V下的空载转速是每分钟13 000〜14 000转,电压越高转动越快。但实际上,我们增加负载时会降低它的转速。在实际操作中,创客教育作品会为小马达增加负载以降低转速,但如果增加负载后转速还是太高,我们需要变速箱降低它的转速。通常变速箱会使用多级齿轮变速的方式,让电动机达到我们想要的输出转速。

(二)减速电机和TT马达

有的电动机会将减速箱与电机封装在一起,这就是减速电机。有的减速电机还会通过空间齿轮机构改变轴的输出方向,这就是TT马达。减速电机和TT马达常用于机器人或车辆的制作中,它能将高速转动的电机减速到每分钟140转左右,方便制作者对机器人或小车的操控。

(三)空心杯电机

如果进行的是与航模相关的创客制作,我们还会用到空心杯电机。空心杯电机的形状就像一个保温杯,“保温杯”的内壁上排布着密密麻麻的线圈,“杯子”中间是1个用磁铁制成的转子,线圈通电时,转子就会快速旋转。空心杯电机体积小、质量轻,可达每分钟50 000转以上,但功率不高,用于遥控飞机的螺旋桨很合适,但如果用在船模上,就显得力不从心了。

(四)震动马达

在空心杯电机的轴上装上1个偏心质量块,就成为震动空心杯,也叫震动马达。震动马达是电动机的一种特殊应用,由于偏心质量块的重心不在轴上,当电动机高速旋转时,质量块的重心也在快速移动,产生震动的效果。很多老款手机的震动功能就是通过内置这种偏心转子震动马达实现的,而近年来很多手机已经将偏心转子震动马达换成了线性震动马达,手感体验更好。

我们也可以将震动马达应用于创客教育中,科技学堂的创客教育作品“万圣节南瓜”就是一个例子。作品用纱布、扭扭棒制成南瓜的外形,用牙刷头做成南瓜的“脚”。南瓜内部安装了纽扣电池和震动马达,启动时,在高速旋转的震动马达的带动下,南瓜就会在地上做无规律的移动。

我们认识了创客教育中常见的控制类电动机伺服电机(舵机)和步进电机,动力类电动机小马达、减速马达、TT马达、空心杯电机和震动马达,它们的应用范围各不相同,我们要根据实际制作的需要选择合适的材料,才能达到满意的效果。

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