基本介紹
歷史,原理,製作一個簡易的單極電動機,工具和材料,步驟,單極電機原理介紹及結構形式,單極電機的推力解析,單極電機磁禁止現象,範例,
歷史
1821年，在丹麥物理學家、化學家漢斯·奧斯特發現電磁現象後，漢弗里·戴維與威廉·海德·沃勒斯頓曾嘗試製作一個電動機但以失敗告終。法拉第在與兩人討論後製作了兩個裝置來製造他所稱的電磁旋轉（Electromagnetic rotation）最後演變成現在的單極電動機。
原理
單極電動機由洛倫茲力驅動。放置在與磁場垂直的載流導線會產生一個垂直磁場與導線的力。此力產生一個旋轉的力矩。由於旋轉軸與磁場平行，且對應的磁場方向不變，故電流不需要換向即可持續旋轉。此設計中電流流過運動部件，降低了效率，安全，和可靠性，所以單極電動機較不適合用於大多數的套用。
製作一個簡易的單極電動機
普通電機是用N種不同的材料，再加上複雜設計，自己製作七七四十九日恐怕都不成，工藝複雜，還可能裝x不成。我們的兔型單極電機是用電池、銅線、磁鐵、加上一點點創意製做而成，不需冷藏，也沒有防腐劑，除了看著牛x之外，樣子還很萌。通常，嘗試自己製作普通電動機的人，幾日之內便會興致全失，效率驟降，胡思亂想，幾乎走火入魔，最後計畫擱置不再往前。沒有錯！而我們要做兔型單極電機，顧名思義，結構簡單。
單極電動機非常容易製作。使用一個永久磁鐵提供磁場並用電池提供電流通過導線。磁鐵不需要移動，甚至不需要與電動機其他部分接觸。可以將磁鐵附著於電池上並且用導線製作一個封閉但可自由旋轉的電路。在持續的旋轉後，導線和電池會開始發熱。
工具和材料
● 老虎鉗● 尖嘴鉗（如果你覺得光用手就能扳動銅絲，請自動無視以上兩種工具）○ 五號電池（又稱為AA電池）○ 釹鐵硼磁體（目前世界上磁性最強的永磁體，不過很便宜）○ 銅絲（五金店、線纜店、電子市場有售）
步驟
果殼DIY告訴你，製造自己的小電機，攏共分三步：
1 將釹鐵硼磁體吸到五號電池的負極上（有興趣也可以試試換個方向，主要是負極面積大比較方便處理）。
2 將銅絲彎折成任何你想要的形狀，不過必須符合以下條件：
1）以銅絲中部和五號電池的觸點為分界點，兩側的轉矩一樣大。（最簡單的方法是將兩側的形狀做成沿旋轉中心對稱的；否則就需要分別計算兩側的轉矩。如果將半邊銅絲切成1mm長的小段，則每一小段的轉矩=該段銅絲的質量X旋轉半徑。要準確計算出這半根銅絲的轉矩，就需要計算出所有小段的轉矩，然後求和。這個過程也就是各位大學生朋友們深惡痛絕的微積分過程啦！只要牢記這個條件，就可以將銅絲的兩側做成形狀不同的樣子。注意：兩側銅絲的長度相同，也就是質量相同時，並不能保證轉矩也相同。）
2）銅絲的兩端要能夠和釹鐵硼磁體一直保持接觸。
3 將銅絲如圖1所示放到五號電池上。
圖1單極電機原理介紹及結構形式
單極電機是～種特殊結構的電機，由於不同形式的單極電機的廣泛套用和新形式的單極電機的不斷增加，根據其基本特徵做出的分類如下：
現代單極發電機的具體形式是在超導的強磁極中，插入一個浸泡在液氮中的銅質圓盤，分別從銅質圓盤的中心和邊緣引出電極，當銅質圓盤以極快的速度旋轉時，就可以產生很強的低壓電流。如果在銅盤高速旋轉的過程中將其在極短的時間內剎住，就可以產生數十萬安培大小的低壓電流。如果將這個電流引入電磁炮中，就可以將炮彈發射出去了，其實如何把這種強電流引入電磁炮需要一套非常複雜的技術，同時，銅盤的剎車技術都是很難的，由於各分項的複雜和技術困難使得電磁炮並沒有很快成為現實。單極發電機的研究已經較為成熟，其結構形式已經演化成圓盤型、圓筒型等，激勵源上也有直流、交流與混合激勵多種形式。對單極發電機我們運用可逆性原理，即可將單極電機的發電工況轉換為電動工況，由於某些設備的特殊需求，引起了單極電動機的套用，例如：當採用直流換向器電機不適宜的場合，可以套用單極電動機。隨著化學工業、冶金學和原子能科學的發展，它在技術界獲得了越來越顯著的地位。但是，對於單極電動機，其實際工況的方面的理論研究並不是十分充分，而且相關技術文獻中闡述的也十分有限。
在諸多形式的單極電機中，單極直流電機是其電樞部分始終處於單極性磁場中的直流電機。它的電壓低、電流大，而且不需要換向器。其電機的電刷的只起引出引入電流的作用，不需要參與換向，而且電樞是一個銅環，不需要專門的絕緣處理，發熱量也比旋轉電機小，再加上這種電機的結構簡單、維護容易和可靠性高等優點，具有比傳統旋轉電機更優越的性能，也更具有研究意義。
單極電機的推力解析
單極直流電動機最簡單的工作原理如圖2所示，整個結構為上下兩個u字型為定子鐵芯，中間的為工字型動子鐵芯，銅質環形線圈均勻繞制在U型鐵芯的兩端，工字型鐵芯上均勻繞制著勵磁線圈，中間整個動子部分可以沿水平方向的轉軸旋轉，u型鐵芯與工字型鐵芯間留出空間即氣隙磁場，且設在氣隙處可提供分布均勻的磁場職。當向定子中銅質勵磁線圈通入直流電時，根據安培定則可知，在整個工字型鐵芯內部會產生磁場，假定通電的方向如圖所示，在鐵芯中就會產生的圖中分布方向的磁場。當磁場從工字型鐵芯的端部進入空氣氣隙，由於空氣氣隙不大，則可以認為存在少量的漏磁，絕大部分的磁力線通過氣隙進入了定子的U型鐵芯，在整個電機的上部和下部分別形成了閉合磁路。由於定子的線圈內部通有電流，使線圈的一邊處於空氣氣隙中，則此邊會受到安培力的作用，其方向可由安培左手定則來確定。讓壤垂直穿過左手掌，四指指向電流的方向，則拇指的方向即為線圈所受安培力的方向，此時這條受力的線圈邊我們稱之為線圈有效邊。
圖2
圖2如果將四組線圈內根據安培力的需求方向通入不同方向的直流電，則上方兩個線圈產生垂直紙面向內的力，下方兩個線圈產生垂直紙面向外的力，由於線圈固定在定子鐵芯上，根據牛頓定律可知力的作用是相互的，此時通過反作用力可使中間的動子繞著轉軸旋轉。設定子線圈電流如圖2所示，則動子的旋轉方向如圖中的方向所示。通過改變電流的方向便可以改變動子的受力方向。
單極電機磁禁止現象
通過前期單極電機資料的收集，現對專利《“磁禁止式”單極無換向直流電機》中提出的磁禁止式方法進行了仿真研究。文中指出“磁禁止式"單極無換向器直流電機是利用把“閉合線圈的一部分磁禁止起來，而使整個線圈在磁場內運動，來實現製成旋轉無換向器直流電機"如下圖所示，利用這一方法解決了原一般直流電機換向問題和克服了原無換向器直流電機的低電壓、大電流問題，是直流電機結構更為簡單且運行可靠。
圖3
圖3針對專利中的磁禁止現象，現利用電磁場仿真軟體進行分析。將線圈橫置在勻強磁場之中，將其中一邊用一大一小兩個同心的鐵環夾套，小鐵環為了隔離線圈產生磁場，大鐵環為了引導永磁體外磁場走勢，模型如圖3所示。得出整個仿真體空間磁場如圖4所示.
可見大小鐵環內部磁感應強度很大，兩個鐵環之間的空氣磁場基本為零，大鐵環吸收了永磁體磁場，小鐵環吸收了線圈產生的磁場，在中間形成了一個相對的無磁空間。下面用另一種方法驗證，在二維平面內放置兩個相距一定的永磁體，由圖5磁力線分布可見整個空間是被永磁體的磁場所充滿，在坐標軸圓心處磁場最弱，越靠近永磁體磁場越強。當在兩磁鐵之間放置一圓環，材質為鐵，空間磁場發生明顯變化，以圓心為零點的四個象限內，鐵環內部都充滿了磁場，與不放置鐵環相比時鐵環內部的還存在著一定的磁力線，放置了鐵環後，鐵環內部的磁場消失。
圖4
圖5
圖4圖5