自制旋轉(zhuǎn)磁極式交流發(fā)電機(jī)模型

黃春如 熊小蘭

（樟樹第三中學(xué) 江西 樟樹 331200）

交流發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活之中，它利用電磁感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽涣靼l(fā)電機(jī)分旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩類．在中學(xué)物理教學(xué)和大學(xué)物理課程中，交流發(fā)電機(jī)常用線圈在固定磁場中旋轉(zhuǎn)的方式來描述，這類發(fā)電機(jī)稱為旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)；實(shí)驗(yàn)室教學(xué)用交流發(fā)電機(jī)也采用此種方式產(chǎn)生交流電［1～2］，其工作原理這里不再贅述．實(shí)際的發(fā)電機(jī)構(gòu)造都比較復(fù)雜，線圈的匝數(shù)很多，它們嵌在硅鋼片制成的鐵芯上，組成電樞．大型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓較高，電流也很大，若仍采用旋轉(zhuǎn)電樞式，用集流環(huán)和電刷將電流輸出則很困難，所以實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)電機(jī)一般采用轉(zhuǎn)動(dòng)磁極式，電樞不動(dòng)，磁極轉(zhuǎn)動(dòng)．為了解決教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用相脫節(jié)的問題，現(xiàn)就旋轉(zhuǎn)磁極式交流發(fā)電機(jī)模型的原理和制作，及其在實(shí)際生活中的應(yīng)用作一介紹，供參考．

1 旋轉(zhuǎn)磁極式交流發(fā)電機(jī)教學(xué)模型

圖1

圖1 為旋轉(zhuǎn)磁極式交流發(fā)電機(jī)教學(xué)模型原理圖，其中，有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的桿狀磁鐵和一個(gè)集中磁場的硅鐵，線圈繞在硅鐵上形成供電電路．由于采用硅鐵導(dǎo)磁，使旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)的構(gòu)造變得簡單而又容易制作，且解決了旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)用集流環(huán)和電刷將電能輸出的難題．容易分析出磁鐵每轉(zhuǎn)一周，電流方向就發(fā)生2次改變，即ab兩端輸出的為交流電．

2 旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)教學(xué)模型的制作

制作創(chuàng)意來源于上菱牌風(fēng)冷式家用電冰箱冷凍室風(fēng)扇電機(jī)的啟發(fā)．一次家里的風(fēng)扇電機(jī)壞了；通過檢測，發(fā)現(xiàn)是電機(jī)線圈燒了．仔細(xì)觀察這種電機(jī)，發(fā)現(xiàn)它不像家用排風(fēng)扇或家用吊扇的結(jié)構(gòu)，沒有副繞組等移相啟動(dòng)電路．查找資料，弄清了這是一種罩極式單相電機(jī)．罩極式電動(dòng)機(jī)只有主繞組，沒有啟動(dòng)繞組，但在定子的兩極處各設(shè)有一副短路環(huán)，也稱為“電極罩極圈”，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通電后，主磁極部分產(chǎn)生了磁場，這磁場是脈動(dòng)的，電機(jī)不會(huì)旋轉(zhuǎn)．但是在短路環(huán)中產(chǎn)生短路電流，從而使磁極上被罩部分產(chǎn)生的磁場，比未罩住部分的磁場滯后些，因而磁極構(gòu)成旋轉(zhuǎn)磁場，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子便旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)工作了．實(shí)際上，此短路環(huán)相當(dāng)于電機(jī)的啟動(dòng)繞組．這就是罩極電機(jī)的由來．

線圈壞了，這個(gè)電機(jī)就成廢物了，按照物理中的電磁感應(yīng)原理，一個(gè)電動(dòng)機(jī)也可以變成一個(gè)發(fā)電機(jī)，能不能廢舊利用，把這個(gè)電動(dòng)機(jī)改制成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)，以彌補(bǔ)實(shí)際教學(xué)中的缺失．本著這種思路，拆掉廢舊電機(jī)原繞組，選用線徑0．5 mm左右絕緣漆包線在原繞組位置繞200圈，制作發(fā)電機(jī)定子線圈．拆除電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子固定件，取出轉(zhuǎn)子，如圖2．用一塊永久磁鐵在轉(zhuǎn)子所在空間試旋轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)連在線圈上的電流計(jì)指針發(fā)生了左右搖擺，交流電產(chǎn)生了，旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)的構(gòu)想實(shí)現(xiàn)了．

將手邊使用的玻璃清洗器中的磁鐵取出，按照電機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸，通過鉆孔、打磨、封裝，一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)自制成功，如圖3．

圖2 電機(jī)實(shí)物分解圖

圖3 自制發(fā)電機(jī)模型

3 旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)由于不用集電環(huán)向外輸電，因而設(shè)備制作工藝的難度大大降低，優(yōu)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛使用．

日常生活中少兒廣泛使用的滑冰鞋和滑板上的滑輪閃光裝置，其核心部件即為一旋轉(zhuǎn)磁極式交流發(fā)電機(jī)．當(dāng)滑輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)圓環(huán)型磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，通過導(dǎo)磁鐵的導(dǎo)磁作用，引起線圈中磁通量的交替變化，在線圈中產(chǎn)生出交流電，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)出彩色光芒．如圖4為輪滑去掉填充物解剖后的實(shí)物照片．

圖4 滑輪發(fā)電裝置解剖照片

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理選修3－2（第2版）．北京：人民教育出版社，2006．31～34

2 趙凱華，陳熙謀．電磁學(xué)（下冊(cè)）．北京：高等教育出版社，1994．25～28