从本文开始，我们将推出一个新计划，即通过使用了Arduino的简单制作来学习电子制作的原理和基础知识。此次为我们分享的嘉宾是伊藤尚未先生，他活跃于媒体艺术领域，并且在书籍领域以讲解“更深层次的原理”而闻名。在第1篇中，我们希望用Arduino来控制令人怀念的“曲别针电动机”。

 

目录

1. 前言
2. 什么是曲别针电动机？
3. 曲别针电动机的原理及其制作方法
4. 用Arduino控制曲别针电动机

 

1. 前言

大家好！我是伊藤尚未。

近年来，各种微控制器技术不断发展，面向业余电子制作而开发的商业化产品，使得电子制作变得更加容易和方便。但是，与此同时，也会带来一些烦恼，“使用什么能做什么呢？”“我想做这样的作品，选什么部件才合适呢？”“哪一个产品才能满足这个需求呢？”等等，实际试用一下，有些出乎意料地好用，有些却相反，缺少必要的功能等等，这些情况都不少。

不管怎样，可能实际试用一下才是了解相应产品的最佳方式。设备也和人一样，有它自己的特点，只有了解这些特点，才能更好地使用、应用和利用。可能这篇文章的读者中，很多已经在实践中知道了这些道理，我在这里属于班门弄斧了……

进入正题，在这个连载系列中，我想探讨一下在我的艺术作品中经常用到的Arduino的各种应用。虽说如此，基本不会涉及到特殊的编程，或与复杂的传感器和系统进行组合等操作，而是尝试用Arduino来替换一些常见小制作中的部分功能。

特别是在很受孩子们欢迎的理科实验中，我会选取一些涉及到电和电路的众所周知的小制作来尝试。

首先，我想以结构非常简单却能转起来的曲别针电动机为“实验台”，从各种角度进行实验。

 

2. 什么是曲别针电动机？

您知道“曲别针电动机”吗？可能有人在小学、实验教室、科学馆等举办的活动中做过这种电机。不知道这个名称是不是正式的叫法，但由于我不是很了解它的其他名称，在这里暂且就叫它“曲别针电动机”吧。或许这个名字的由来是因为它的轴承部分使用了文具中的曲别针。可能是在电子制作时多使用容易入手的东西，在使用过程中这种叫法就自然而然地形成了。

顺便提一下，这种电机在电磁实验和电子制作中是很有名的。如果说起“弗莱明左手定则”，您可能会想起来，“哦，是的，原来是那个啊”。将漆包线缠绕成圆圈，将曲别针用作电极，用曲别针将线圈架在磁铁上方并使之旋转，这是一个很基础的电机实验。

在玩具、迷你四驱车和模型等中使用的直流电机领域，万宝至（Mabuchi Motor）公司生产的电机很有名，应该有很多读者都接触过这种电机。将电机拆解开之后，可以看到轴上有三个绕组，通过用电刷改变电极来使其旋转。也可以说，之所以电机可以顺畅地开始旋转并控制旋转方向，是因为有三个绕组。

 

而曲别针电动机可以说是单极电机，所以从静止状态到旋转状态是相当难的。

 

3. 曲别针电动机的原理及其制作方法

虽说是“曲别针电动机”，但其原理非常简单，它是通过给由漆包线缠绕而成的线圈通电产生磁场，并受到放置在附近的磁铁的磁场影响而旋转。实际上，它长这样：

 

同时，我想为大家介绍一下如何制作原创曲别针电动机。

 

所需的材料并不多，其中包括：在家装用品店买的0.4㎜的漆包线，在百元店买的曲别针、电池和电池扣、连接用的鳄鱼夹线和合适的硬纸板。用一节干电池，将漆包线绕干电池10圈左右，做成线圈。

 

这个时候，如果不用手指用力压住，就会散开，比较考验人的耐心，没有耐心的人通常走到这步就开始嫌麻烦了，甚至有人会放弃。

现在，我们用多余漆包线向左右延长作为引出线。这时，需要将引出线在线圈上绕两圈，以防止线圈散开。

 

将其横向拉直，使其成为旋转轴，将其中一侧的漆包线皮膜完全剥掉，将另一半剥掉半圈。这个时候可以使用砂纸之类的工具，不过我是用美工刀顺着漆包线刮的方法。

 

这个轴的部分是要通电的部分。这部分的制作方法因作品需求而异。如果剥掉半圈很难的话，还有一种方法，就是将引出线一半长度的皮膜全部剥掉，然后将其折回并捻在一起。

 

将曲别针弯曲成这个样子，然后用透明胶带等将其固定在硬纸板上。将刚才做好的线圈架在它上面，并用鳄鱼夹线连接每个曲别针。

根据弗莱明左手定则，当电流通过磁场中的导线时，导线会受到力的作用，例如，如图所示，当线圈垂直时，电流从面前向后流动时，磁场可以绕导线顺时针旋转。如果设置在底部的磁铁上方为N极、下方为S极，则该导线会受到向右的力。

 

如果是用前述的轴旋转的线圈，将会逆时针旋转。当它以这种旋转动力转半圈时，磁铁的上方会有反向电流，所以如果这样继续下去，就会受到相反的力并停止旋转，因此此时需要让电流流动停止。也就是说，需要让电刷部分不要接触，这就是漆包线用皮膜绝缘的原因。之所以剥掉一半皮膜，也是为了留下这种绝缘部分。

 

4. 用Arduino控制曲别针电动机

那么，也就是说，如果可以在两侧的轴部分（电刷部分）不设绝缘部分的情况下控制电流就好了，我想到了是否可以用Arduino来实现。其实没有必要特意用微控制器制作只是小学生级别的实验作品……是不是有点胡闹的感觉（笑）？

我想，这个实验的结构其实很简单，只是通过线圈的旋转来控制轴部触点切换，与直流电机的电刷相同，所以只要能控制电流和脉冲输出就可以了。

但是，Arduino的输出对电流值是有限制的。虽说是线圈，也有10圈左右，它实际上可能接近短路，所以可以想象，即使是脉冲电流也会流过相当多的电流。

我暂且设计了一个用晶体管切换Arduino输出的电路。我选择的是“2SC2655”，以尽可能地支持大电流。这样，只要发出脉冲，线圈中就会有断续电流流过，应该会起到电刷的作用，使线圈旋转起来。所以我尝试画了一个电路：

 

这样，只需定期输出脉冲信号即可。在面包板上组装时应该是这样的吧。

 

不管怎样，要开始一件事，首先最重要的是动力！当然，这也会受线圈的初始位置影响，比如当处于与磁铁分离的水平状态时，就很难转动起来。

因此，我会用手指给它一点动力让它转起来。如果是标准的曲别针电动机，电刷的位置是由漆包线皮膜被剥落的位置决定的，因此只要旋转角度满足良好接触的时间点，就会继续旋转。如果是Arduino曲别针电动机，则电流始终是通过脉冲送过来的，所以只要这个时间点合适，它应该会持续旋转。

基于以上原理，当我用手指给它动力时，它就会开始旋转。

草图代码如下。只需从示例中引用并稍作修改即可。

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH); 
  delay(100); 
  digitalWrite(13, LOW); 
  delay(100); 
}

 

在这里是通电0.1秒、停动0.1秒的形式。我认为每个物理运动的物体都有其各自的共振频率，或者说正好的时间点，这个时间点可能会根据线圈的大小等条件而改变，但不管怎样，这个电机以顺利转起来了。如果它能以这个值旋转，则意味着它每秒旋转5次。

可实际上，有时它并不愿意转。

 

哎呀，可能是因为如果旋转慢到一定程度，可能会在转到半圈时脉冲来了，受到了反向的力！

那么，怎么解决呢？现在的状态，旋转机制与标准曲别针电动机相同，只是用脉冲代替了电刷而已。

嗯？是的。

它每转一圈，就会有电流流过，并反复被磁力吸引或排斥，不是吗？但是，由于线圈是反向旋转的，并且对面的导线会接近磁铁，因此如果在这个时间点也通电，会不会让效率更高呢？可是如果直接通电，电流将会反向流动，从而导致旋转停止。

那么，每转半圈让电流反向流过是不是就可以了？所以，我设计了一个可以通过晶体管实现这种反向电流的电路。

 

面包板接线图如下：

 

我使用了来自Arduino的两个信号，并通过程序交替切换这两个信号。草图代码如下：

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
  pinMode(12, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH); 
  delay(50); 
  digitalWrite(13, LOW); 
  delay(50); 
  digitalWrite(12, HIGH); 
  delay(50); 
  digitalWrite(12, LOW); 
  delay(50); 
}

 

我使用引脚13和引脚12，使线圈每0.1秒流过反向电流。从理论上讲，为旋转运动供应能量，这是一种没有浪费的做法，实际运转一下，看起来旋转还是蛮顺畅的。

 

由于能量供应增加了一倍，所以我认为如果用来驱动什么或用在需要转矩的情况下，这种电路应该也会很有帮助。不过我们这次只是通过实验来确认旋转情况的曲别针电动机，所以可能没必要做到那种程度吧（笑）。

 

在做这类实验的时候，我很容易沉迷于相关的更深层次的思考，我还想到了一个方法，就是用传感器检测线圈的旋转角度，并用与之相称的信号来使电机旋转。如果我们继续认真追究下去，就会发现各种研究课题，比如磁铁的数量和位置、检测轴旋转角度的方法、如何提高线圈的效率等等。这次我们暂且就到这里。

在下一篇文章中，将为大家介绍用Arduino作为控制设备让各种作品动起来系列的另一个实验，敬请期待！